Transcript Źródła - dr hab. inż. WOJCIECH Z. CHMIELOWSKI

OCHRONA WÓD
PODZIEMNYCH
Wykład nr 4
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
ŹRÓDŁA i zasilanie
Wód podziemnych
Źródła
Źródło jest samoczynnym, naturalnym i skoncentrowanym
wypływem wody podziemnej.
Do źródeł w ścisłym znaczeniu nie zaliczamy sączenia wody,
występującego na większej powierzchni w postaci wysięgów, wylewów,
mokradeł, niemających skoncentrowanego wypływu na niewielkiej
przestrzeni.
Źródła występują w tych miejscach , gdzie powierzchnia
ziemi przecina warstwę wodonośną.
Najobficiej występują one w terenach górskich, gdzie głębokie wcięcia
erozyjne rozcinają warstwy wodonośne.
Jeżeli woda wypływa z warstwy wodonośnej pod
wpływem sił ciężkości , źródło nazywamy
descensyjnym.
źródła descensyjne
warstwa
przepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
Jeżeli woda wypływa z warstwy wodonośnej pod
wpływem ciśnienia hydrostatycznego , źródło nazywamy
ascensyjnym.
źródło ascesyjne
warstwa
przepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
Rodzaje źródeł
Istnieje wiele kryteriów podziału źródeł, a w związku z tym szereg
klasyfikacji i nazw określających różnorodne typy i rodzaje źródeł.
Wyróżnia się główne 4 typy źródeł:
1.
warstwowe,
2.
szczelinowe,
3.
uskokowe,
4.
krasowe.
Wymienione typy można dalej dzielić na rodzaje z uwzględnieniem cech
morfologicznych, tektonicznych, hydraulicznych, genetycznych i innych.
Rodzaje źródeł
1. źródło warstwowe
Powstają w miejscach przecięcia
warstwy wodonośnej z powierzchnia
Ziemi. Najczęściej powstają na
granicy ( kontakcie) warstwy
wodonośnej i nieprzepuszczalnej,
tworząc tzw. źródła warstwowokontaktowe
źródła descensyjne
warstwa
przepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
źródło przelewowe
źródło warstwowe
warstwa
przepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
Istnieją również źródła warstwowe
zaporowe i przelewowe. Źródła
warstwowe maja na ogół małą
wydajność . Często woda wypływa
tylko okresowe po roztopach i w
porach deszczowych. Wydajność
zależy od przepuszczalności
warstwy wodonośnej, spadku
hydraulicznego i zasilania
Rodzaje źródeł
2. źródło szczelinowe
Występują w
układzie
przecinających się
szczelin, przy czym
opad
źródło
źródło
warstwy nieprzepuszczalne
warstwy nieprzepuszczalne
prawie zawsze
występuje jedna
szczelina
zbiorcza, która
zbiera wodę z
pozostałych i
wyprowadza ja na
powierzchnię Ziemi.
Ze względu na szybki przepływ wody w szczelinach , źródła tego typu
wykazują przeważnie duże wahania wydajności, zależne od opadów
atmosferycznych.
Rodzaje źródeł
3. źródło krasowe
Źródła krasowe są
charakterystyczne
dla obszarów
krasowych.
źródło krasowe
utwór krasowy
Źródła krasowe należą do największych i najbardziej
wydajnych . Duże
źródła krasowe
nazywają się wywierzyskami.
Wykazują dość duże wahania w zależności od pory
roku.
Gdy szczeliny i
kanały stanowią
ze sobą system
hydrauliczny ,
wówczas jeden z
kanałów odgrywa
rolę kanału
zbiorczego i u
swego wylotu
koncentruje
wypływ całej wody
Rodzaje źródeł
4. źródło uskokowe
źródło uskokowe
źródło uskokowe, zaporowe
uskok
warstwa
nieprzepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
warstwa
przepuszczalna
uskok
warstwa
nieprzepuszczalna
warstwa
przepuszczalna
warstwa
nieprzepuszczalna
Źródła uskokowe wyprowadzają wodę szczeliną uskokową, biegnącą
przez warstwy nieprzepuszczalne albo wzdłuż płaszczyzny uskokowej,
rozgraniczającej warstwy wodonośne i nieprzepuszczalne.
Źródła uskokowe cechują się wielką stałością pod względem
wydajności, temperatury, i składu chemicznego.
Wylewy, wycieki, wysięgi
Poza źródłami woda podziemna może występować na powierzchni
ziemi w postaci wylewów, wycieków, wysięgów.
Przez wylew rozumiemy kierunkowy wypływ wody podziemnej,
powstający, zwykle na kontakcie o różnej przepuszczalności lub wskutek
erozyjnego ścięcia stropu warstwy wodonośnej. W wylewie woda wycieka
lub pulsuje w różnych punktach na dnie obniżenia o kształcie koryta
długości kilku do kilkunastu metrów.
Mniejszy wypływ wody podziemnej na zboczu lub u podnóża wzniesienia ,
często w formie mokradła ze słabym odpływem n nazywa się
wyciekiem. Ze względu na ilość wysączającej się wody wyciek jest
formą przejściową między wylewem a wysięgiem.
Wysięg , zwany również zwilżeniem , jest to słabe sączenie się wody
podziemnej na zboczu lub u podnóża wzniesienia z wytworzeniem w
tym miejscu terenu podmokłego, bez widocznego odpływu wody.
Wydajność źródeł
1
Wydajność źródeł Q określa się ilością wody wypływającej
w jednostce czasu
W Polsce spotyka się źródła najczęściej o wydajności kilku,
kilkunastu, rzadziej kilkudziesięciu decymetrów sześciennych
na sekundę.
Zależnie od
•
•
•
geologicznych warunków krążenia zasilającej
wody,
długości jej drogi
wysokości i częstotliwości opadów,
wydajność źródła może być zmienna lub stała
Wydajność źródeł
2
Dla ilościowego określenia zmienności wydajności źródła wprowadzono
wskaźnik zmienności wieloletniej ( R.Maillet)
Qmax
R
Qmin
Qmax
=
Qmin
Maksymalna wydajność źródła w
wieloleciu
=
Minimalna wydajność źródła w
wieloleciu
Wydajność źródeł
3
Zmiany wydajności źródła , temperatury, i składu chemicznego są
wyrazem stosunków wodnych w warstwie wodnej zasilającej
źródło.
Celem otrzymania pełnej charakterystyki źródła prowadzi się
regularne obserwacje polegające na
•
pomiarze wydajności ,
•
temperatury wody,
•
składu chemicznego,
•
wysokości ciśnienia,
•
opadów
Obserwacje źródła należy przeprowadzać przy jednakowych
warunkach wypływu wody ze źródła, gdyż podpiętrzenie lub
obniżenie poziomu wody u wylotu odbija się natychmiast na
stosunkach wodnych źródła i warstwy zasilającej.

Q dm 3 s

4000
rok mokry
rok średni
rok suchy
3000
Wykres wydajności źródła
2000
1000
I
II
III
IV
V
VI
czas
Najsilniej i najszybciej reagują na opady źródła zasilane wodą płytką.
Im dłuższa jest droga wody podziemnej od obszaru zasilania do
wypływu oraz im większe są zbiorniki podziemne, tym większe
przesunięcie czasowe między opadami a wzrostem wydajności
oraz tym mniejsza amplituda między wydajnością maksymalną i
minimalną.
Reżim własny źródła
4
W okresie, gdy zbiornik wody podziemnej nie jest zasilany, źródła mają
tzw. reżim własny, tzn . niezależny od opadów.
W okresie bezopadowym zbiornik opróżnia się ze swoich zasobów
wodnych, a wydajność jest funkcja czasu wg. równania
Q  Q0  e
 t
Q Przewidywana wydajność źródła po czasie t
Q0 Wydajność źródła w czasie t=0 ( po ustaniu opadów)

t
Współczynnik regresji ( 0,04 – 0,7)
czas
ln Q0  ln Q

t
Reżim własny źródła ( przykład )
1.
2.
3.
4.

Q0  500 m3 / s

t  10dni  10* 24* 3600s   864000s 


Q  200 m3 s
ln 500 ln 200

 1,06053 e  06
864000
Jaki będzie wypływ ze źródła po 20 dniach , przy wypływie
początkowym Q0=300[m3/s]
Q  Q0  e  t

Q  300 e  1,06053 e06( 20243600 )  48 m3 s

Zasilanie wód podziemnych
Wody podziemne mogą być zasilane przez:
•
infiltracje opadów atmosferycznych,
•
infiltracje wód powierzchniowych ( z rzek, jezior),
•
sztuczną infiltracje z basenów lub stawów infiltracyjnych
•
ze studni chłonnych,
•
z rurociągów nawadniających
Przez infiltracje określać będziemy przesiąkanie wody przez
powierzchnie gruntu pod wpływem połączonych
•
sił ciężkości,
•
lepkości,
•
kapilarności
OPAD
strefa areacji
infiltracja
strefa saturacji
zasilanie z opadów
atmosferycznych, ( infiltracja
opadów)
strefa areacji
infiltracja z koryta rzeki
strefa saturacji
infiltracja
STUDNIA
Q
strefa areacji
infiltracja
strefa saturacji
Sztuczna infiltracja ze
studni chłonnej
strefa areacji
Sztuczna infiltracja z
rurociągu nawadniającego
infiltracja
strefa saturacji
Rurociąg
nawadniający
Proces infiltracji opadów atmosferycznych zależy od czynników:
1.
geologicznych,
2.
geomorfologicznych,
3.
klimatycznych,
4.
biosferycznych,
5.
gospodarczej działalności człowieka
Z czynników geologicznych podstawowe znaczenie dla zasilania wód
podziemnych ma układ i struktura skał oraz ich przepuszczalność i
pojemność wodna
Jeżeli przypowierzchniowa warstwa skał jest nieprzepuszczalna ( gliny,
iły), wsiąkanie opadów jest utrudnione , prawie cała ich ilość odpływa
powierzchniowo lub paruje.
Najłatwiej przebiega wsiąkanie opadów atmosferycznych w piaskach.
Przenikanie wody do gleby i skał odbywa się drogą:
1. Zwilżania powierzchni cząstek i stopniowego wypełniania kapilar,
2. Przesiąkania ( filtracja) , czyli ruch wody w kapilarach
Natężenie filtracji fi
określa się jako stosunek objętości
wody przenikającej przez jednostkę powierzchni gruntu w jednostce
czasu
Vm  m3
m
fi 
 2  
F t m  s s 
Vm m3
 
F m 
2
t s 
Natężenie infiltracji zależy od
1. rodzaju gruntu,
2. ilości i rozkładu wilgoci w glebie oraz
3. od ilości wody na powierzchni
Jeżeli natężenie opadu na powierzchnie gruntu przekracza natężenie
infiltracji, ustala się maksymalne w danych warunkach natężenie
infiltracji, zwane zdolnością infiltracyjną fim , a
nadwyżka opadu nad ilością wody infiltrującej spływa powierzchniowo
lub zostaje zretencjonowana na powierzchni terenu
glina piaszczysta porośnieta trawą
początkowo wilgotna
zdolność infiltracyjna
f i cm h
15
luźny piasek porośniety trawą
początkowo wilgotny
1
10
glina piaszczysta porośnieta trawą
początkowo mokra
2
5
3
i  fi
1
2
czas od początku deszczu
3
Zdolność infiltracyjna gleb w zależności od czasu trawia opady ( ww S.S.Butlera )
h
Z wykresu
wynika , że
zdolność
infiltracyjna
zależy m.in. od
wilgotności
początkowej
gleby i czasu
trwania deszczu
1
2
Stosunki geomorfologiczne w znacznym stopniu wpływają na
kształtowanie się zależności miedzy ilością opadów spływających do
cieków wodnych w postaci spływu powierzchniowego a ilością
wsiąkających w głąb i zasilających zbiorowiska wód podziemnych.
Czynniki klimatyczne cechują się znaczną zmiennością zarówno w
okresie jednego roku, jak i w wieloleciu.
Istotne znaczenie na zasilanie wód podziemnych ma
wysokość, rozkład, częstotliwość, natężenie i
charakter opadów.
W tych samych warunkach geologicznych i geomorfologicznych
ilość odpływu podziemnego, a więc również i ilość opadów
wsiąkających zależeć będzie głównie od przebiegu czynników
meteorologicznych
3
Z innych elementów klimatycznych o dużym wpływie na zasilanie
wód podziemnych wymienić należy
•
temperaturę powietrza i gleby,
•
jej rozkład dobowy i w poszczególnych porach roku,
•
proces zamarzania i rozmarzania gleby,
•
prędkość i kierunek wiatru,
•
parowanie
4
Czynniki biosferyczne , a w szczególności roślinne wpływają na
zużycie wody ( parowanie terenowe) oraz w niewielkim stopniu na
wysokość i rozkład opadów oraz przepuszczalność górnej
warstwy gleby
Szczególne znaczenie odgrywa przy tym las. Ogólnie biorąc las działa
korzystnie wyrównując odpływ ( zmniejsza groźbę powodzi), działając
obniżająco na temperaturę , zwiększa kondensacje pary wodnej.
Najbardziej korzystnie na gospodarkę wodną i bilans
wodny oddziałuje las mieszany.
Duży wpływ na wsiąkanie wody ma rodzaj gleby leśnej. Korzystnie działa
próchnica trwała, zasadowa.
Próchnica surowa, kwaśna zmniejsza przepuszczlnośc gleby i trudno
oddaje wodę.
OCHRONA WÓD
PODZIEMNYCH
Wykład nr 4
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
ŹRÓDŁA i zasilanie
Wód podziemnych