Transcript 3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH
Wykład nr 1 Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK
Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK
HYDROGEOLOGIA OGÓLNA
HYDROGEOLOGIA OGÓLNA
• • •
Hydrogeologia , jako nauka o wodach podziemnych, zajmuje się badaniem ich pochodzenie, właściwości fizykochemicznych, rozmieszczenia i sposobów przemieszczania się w skorupie ziemskiej.
Hydrogeologia , poza ścisłym związkiem z innymi naukami geologicznymi, opiera się na wielu naukach przyrodniczych, jak geofizyka , chemia balneologia.
meteorologia i klimatologia i geochemia , , fizyka i gleboznawstwo i Hydrogeologia hydrologia, hydrodynamiką.
bardzo geologia ściśle powiązana inżynierską, jest hydrauliką z i
HYDROGEOLICZNE WŁAŚCIWOŚCI SKAŁ Porowatość Skład granulometryczny Przepuszczalność i pojemność skał Charakterystyka hydrogeologiczna skał 1.POROWATOŚĆ Podstawową właściwością skał , dzięki której możliwe jest występowanie i przemieszczanie się wody podziemnej, jest ich porowatość lub szczelinowatość.
Występowanie porów zależy od pęknięć ( szczelinowatość) w różnym stopniu przenikającym skały, których pochodzenie wiąże się z różnymi procesami geologicznymi, oraz od budowy skał okruchowych , składających się z odłamków skalnych i minerałów nieszczelnie przylegających do siebie.
1.POROWATOŚĆ
• • •
Wielkość odłamków warunkuje rozmiary i ogólną ilość porów .
Objętość porów w skałach okruchowych zależy od wymiarów i kształtu ziaren( cząstek), ich wzajemnego ułożenia i stopnia różnoziarnistości Objętość wolnych przestrzeni wskazuje na ilość wody, jaka w danej skale może być magazynowana, Wymiar i kształt wolnych przestrzeni określają przepuszczalność skały
1.POROWATOŚĆ Klasyfikacja wolnych przestrzeni w skałach 1. Wolne przestrzenie pierwotne a/ w skałach osadowych 2.
b/ w skałach magmowych Wolne przestrzenie wtórne a/ spękania i szczeliny, b/ c/ krasowe, przestrzenie wytworzone przez korzenie roślin, zwierzęta Gdyby cząstki , z których składa się skała, były kulami o jednakowej średnicy, to objętość porów w jednostce objętości zależałaby tylko od wzajemnego ułożenia ziaren , a byłaby niezależna od ich średnicy.
1.POROWATOŚĆ Można wyobrazić sobie trzy sposoby ułożenia ziaren
sześcienny rombowy romboedrowy
1.POROWATOŚĆ Liczbową miarą porowatości jest współczynnik porowatości będący stosunkiem objętości porów do całej skały
n
V p V
Dla układu sześciennego , najbardziej luźnego
n
max
d
3
d
3 6
d
3 0 , 4764
1.POROWATOŚĆ współczynnik porowatości
dla układu rombowego
n
0 , 3954
1.POROWATOŚĆ współczynnik porowatości
dla układu romboedrowego
n
min 0 , 258
1.POROWATOŚĆ
W naturalnych warunkach wartości współczynników porowatości mogą zarówno
przekraczać wartość maksymalną
jak i
przyjmować wartości mniejsze od minimalnej.
Współczynnik porowatości jest tym większy , im bardziej ziarna odbiegają od kształtu kuli.
• • • Ze względu na ruch wody w porach , jak również na działanie sił międzycząsteczkowych , przyjmuje się w hydrogeologii następujący podział porów :
nadkapilarne
ciężkości ( pory grube)
m
wody wolnej zachodzić może pod działaniem siły
kapilarne
o średnicy 50 0 , 2
m
(pory średnie)
subkapilarne
o średnicy mniejszej niż 0 , 2
m
drobne), w których woda zostaje związana i unieruchomiona działaniem sił cząsteczkowych.
(pory
1.POROWATOŚĆ Wyznaczanie współczynnika porowatości
Objętość porów można wyznaczyć w sposób bezpośredni lub pośredni.
Porowatość skał spowodowaną obecnością szczelin określa się za pomocą pomiaru bezpośredniego. 1.
Próbkę litej skały o znanej objętości suszy się w temperaturze 105 110 stopni C , a po wystudzeniu waży.
2.
Następnie próbkę powoli zanurza się w wodzie , aby pory ( szczeliny) wypełniły się wodą 3.
Po pewnym czasie próbkę wyjmuje się z wody , wyciera i ponownie waży 4.
Masa wody wypełniającej pory wynosi
V p
w
M w
M s
Zatem objętość porów wynosi : Przyjmując
1.POROWATOŚĆ
V p
M w
w M s V p
M
w w
M
1
s
M w
M s
Gęstość właściwa wody Zatem współczynnik porowatości wynosi:
n
V p V
2. Skład granulometryczny
Skały osadowe składają się z oddzielnych ziaren i cząstek ( cząstki mają wymiary mniejsze od 0,05mm )
tworzących porowaty układ.
W zależności od zawartości w skałach ziaren różnej wielkości mają one różne
właściwości fizyczne i mechaniczne
.
Ziarna lub cząstki mieszczą się w pewnym przedziale średnic . Przedziały te nazywamy
frakcjami.
Rozróżnia się 5 głównych frakcji PN-86/B-02480
Ziarna mają wymiar >=0,05 mm, cząstki < 0,05 mm
2. Skład granulometryczny
Dla oznaczenia składu granulometrycznego ( uziarnienia ) stosuje się najczęściej trzy metody : 1.
2.
analizę sitową
dla uziarnienia > 0,07 mm
analizę sitowo-areometryczną
dla ośrodków drobnoziarnistych zawierających dużą ilość cząstek mniejszych od 0,07 mm, 3.
analizę pipetową
, jak w przypadku areometrycznej
Analiza sitowa
polega na przesiewaniu wysuszonego gruntu przez zestaw sit o określonych wymiarach oczek i obliczeniu procentowej zawartości ciężarowej ziaren pozostających na kolejnych sitach w stosunku do całkowitego ciężaru badanej próbki. Zawartość poszczególnych frakcji oblicza się ze wzoru:
Z i
m i m s
100 %
2. Skład granulometryczny
Z i m i m s
Zawartość frakcji o rozmiarach ziaren między dwoma sąsiednimi sitami, Masa frakcji pozostałej na sicie
i
Masa szkieletu gruntowego całej próbki Znając zawartość poszczególnych frakcji wykonuje się
wykres uziarnienia .
Z wykresu uziarnienia można wyznaczyć procentowe zawartości poszczególnych frakcji oraz pewne charakterystyczne średnice ( d 10 , d 50 , d 60 itp.) , gdzie d 10 , d 50 , d 60 oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z mniejszymi stanowią 10, 50, 60 % ogólnej masy próbki.
100 iłowa 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001
2. Skład granulometryczny
pyłowa WYKRES UZIARNIENIA GRUNTU F R A K C J E piaskowa żwirowa kam.
0 10 0.010
0.100
Rodzaj gruntu: .........................................
1.000
Średnica zastępcza ziarna (cząstki) -d [mm] 10.000
20 30 40 50 60 70 80 90 100 100.000
2. Skład granulometryczny
W hydrologii do określania przepuszczalności skały stosuje się miedzy innymi pojęcie tzw.
średnicy miarodajnej d
m
Przez średnicę miarodajną rozumiemy taką wielkość ziaren gruntu, która w zbiorze ziaren o różnej średnicy decyduje o przepuszczalności gruntu.
Najczęściej za średnicę miarodajną przyjmuje się wartość
d 10
( oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z mniejszymi stanowią 10 % ogólnej masy próbki ).
Wyróżnia się grunty równoziarniste lub różnoziarniste
2. Skład granulometryczny
Miarą różnoziarnistości jest tzw. wskaźnik różnoziarnistości
U
U
d
60
d
10
U
<= 5 5<
U
<15
U
>15 grunt równoziarnisty ( piaski wydmowe, lessy), grunt różnoziarnisty ( gliny holoceńskie), grunt bardzo różnoziarnisty (pospółki, gliny zwałowe )
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Z porowatością skał związane są dwie ich właściwości, ważne z hydrologicznego punktu widzenia : 1.
2.
przepuszczalność pojemność wodna
Pory gruntu łączą się w skomplikowane układy tworząc kanaliki, które traktować można jako naczynia kapilarne.
Kapilary te umożliwiają przemieszczanie się ( przepływ) cieczy pod wpływem siły ciężkości lub różnicy ciśnień oraz zatrzymanie przez skałę pewnej ilości cieczy siłami kapilarnymi
Stopień przepuszczalności zależy przede wszystkim od wymiarów porów; im pory są większe , tym ciecz łatwiej przenika przez skałę .
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Średnica kapilar gruntowych zależy głównie od wielkości ziaren, zatem grunt gruboziarnisty uważać będziemy za dobrze przepuszczalny , grunty drobnoziarniste za słabo lub praktycznie nieprzepuszczalne.
W gruntach spoistych ( gliny, iły ) pory są zwykle prawie całe wypełnione wodą związaną z cząsteczkami gruntu siłami międzycząsteczkowymi ( woda higroskopijna i błonkowa ) i trzeba dość znacznego ciśnienia , aby pokonać opór sił molekularnych i zapoczątkować przepływ wody przez grunt.
Ilość wody zatrzymywanej trwale wzrasta w siłami kapilarnymi i molekularnymi miarę zwiększania się ilości kapilarów i rozdrobnienia cząstek.
Jeżeli ze skały o pewnej objętości, woda wypełniająca pory będzie mogła swobodnie odsączyć się pod wpływem siły ciężkości, to stwierdzimy , że ilość swobodnie odsączonej wody jest mniejszą niż ilość wody , która wypełniała pory.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Część wody zostanie zatrzymana siłami kapilarnymi i międzycząsteczkowymi .
Tę właściwość skał do zatrzymywania wody nazywamy pojemnością wodną
• •
Rozróżniamy pojemność pełną ( maksymalną MPW ) , polową ( kapilarną PPW)
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Pełną pojemność którego pory są całkowicie wypełnione wodą.
wodną ma grunt, Przez polową pojemność wodną określamy maksymalna ilość wody, która może być zatrzymana przez grunt po grawitacyjnym odsączeniu.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Wartość pojemności polowej określa się zwykle jako wilgotność , którą osiąga nasycona próbka gleby ( gruntu) po 2 do 3 dniach grawitacyjnego odsączania .
Pojemność wodną podajemy w milimetrach słupa wody w określonej miąższości profilu glebowego, odpowiada ona stosunkowi objętości wody na jednostkę powierzchni gleby.
Jeżeli np. pojemność wodna wynosi 100mm/m oznacza to że w prostopadłościanie o podstawie 1m 2 i wysokości 1m znajduje się 100dm 3 wody
(V w = 0,1m* 1,0m 2 = 0,1m 3 )
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Dostępna pojemność wodna
dPW PPW WTW PPW polowa pojemność wodna WTW wilgotność trwałego więdnięcia Odgrywa istotną rolę w gospodarce wodnej roślin, odpowiada maksymalnej ilości wody, jaką mogą pobrać rośliny z gleby przy braku opadów i podciągu kapilarnego z wód podziemnych.
Orientacyjną wartość
dPW
określić można na podstawie uziarnienia , zawartości części organicznych i zagęszczenia gleby.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
pF pF
log
h c
4 , 2 Woda niedostępna dla roślin
Krzywa retencji wody strefy areacji ( wykres ciśnienia ssącego
pF
( )
)
Dostępna pojemność wodna
h c wysokość ciśnienia kapilarnego
Wilgotność saturacji 2 , 4 dPW dPW PPW WTW
S
0 WTW
S
0 PPW
S
1
cm
3
cm
3
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Orientacyjne wysokości ciśnienia ssącego w zależności od średnicy porów
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Stosunek wody odsączonej grawitacyjnie do całkowitej objętości skały nazywa się
„ współczynnikiem odsączalności”
V
0
V
Objętość wody odsączonej grawitacyjnie Współczynnik odsączalności Objętość skały (szkieletu wraz z porami) Wartość współczynnika odsączalności wynosi orientacyjnie Piaski drobnoziarniste 0,14-0,18 Piaski gruboziarniste żwir 0,19-0,23 0,24-0,28
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał
W petrografii skały dzieli się na trzy podstawowe grupy • •
magmowe, metamorficzne, osadowe Skały magmowe
Petrografia
– (od greckiego πέτρα (petra) skała i γράφω (graphō) - pisać) nauka o skałach, zajmująca się składem i właściwościami fizycznymi i chemicznymi Za typowy dla skał magmowych, głębinowych można uważać granit.
W związku z bardzo małą porowatością , przeciętnie 0,76% nie stanowi on ośrodka gromadzącego i przewodzącego wodę.
Jedynie w przypadku dobrze rozwiniętego systemu szczelin granity mogą tworzyć zbiornik wodny o niedużej zasobności.
http://panoramix.ift.uni.wroc.pl/~ilona/obrazki/przekroj.jpg
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał Współczynnik porowatości niektórych skał
OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH
Wykład nr 1 Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK
Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK