Transcript I. Strefa aeracji - dr hab. inż. WOJCIECH Z. CHMIELOWSKI

OCHRONA WÓD
PODZIEMNYCH
Wykład nr 2
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
POCHODZENIE WÓD
PODZIEMNYCH
Strefa AREACJI
Podział i klasyfikacja
wód podziemnych
KLASYFIKACJA
W hydrogeologii istniał problem stworzenia
klasyfikacji opartej na takich kryteriach, z których
wynikałoby maksymalnie dużo własności wody
podziemnej. Najprostsze podziały wód uwzględniają jedną
cechę np.:
•
•
•
•
pochodzenie, temperaturę,
skład chemiczny,
właściwości fizyczne ośrodka w którym się
znajdują,
własności organoleptyczne (smak, zapach, barwa).
Ze względu na pochodzenie
(genezę) wody podziemne dzielimy
na:
1
•Wody kondensacyjne - wody powstające pod powierzchnią ziemi
w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w atmosferze.
Dzisiaj nie mamy wątpliwości , że wody podziemne pochodzą przede
wszystkim z wsiąkających opadów atmosferycznych, to jednak w
pewnych warunkach również drogą kondensacji może dojść do
wzbogacenia zasobów wodnych podziemnych
•Wody juwenilne - wody powstające na większych głębokościach z
ostygającej magmy, które po raz pierwszy włączają się w ogólny obieg
wody. W świetle współczesnych poglądów tylko bardzo mała część
wody podziemnej jest pochodzenia magmowego
Wody reliktowe - wody leżące pod dużymi seriami warstw
nieprzepuszczalnych, które uniemożliwiają lub silnie utrudniają
włączenie się wody w obieg.
Pod względem genetycznym wyróżnia się wody reliktowe pochodzenia
• sedymentacyjnego i
• wody kopalne infiltracyjne
Wody sedymentacyjne są wodami dawnych osadów morskich lub
jeziornych. W przypadku gdy nawodniony osad zostanie przykryty
warstwą młodszych osadów nieprzepuszczalnych , odsączanie wody
wskutek działania ciśnienia gromadzących się warstw osadów może być
utrudnione, zwłaszcza wtedy gdy niżej leżące warstwy są również
nieprzepuszczalne. Woda zostaje zamknięta w swych macierzystych
osadach i szczelnie izolowana od innych warstw.
Kopalne wody są wodami pochodzenia atmosferycznego,
odciętymi z systemu krążenia przez różne procesy geologiczne, np.
tektoniczne. Znajdują się najczęściej głęboko pod ziemią i są silnie
zmineralizowane.
Wody metamorficzne - wody powstające w czasie przeobrażenia
termicznego niektórych minerałów np.: hydrokrzemianów.
KLASYFIKACJA STOSOWANA W POLSCE
Klasyfikacja polska wód podziemnych wg
kryterium hydrogeologicznego uwzględnia następujące
charakterystyki:
•
•
•
•
•
Głębokość występowania,
Układ warstw wodonośnych i nieprzepuszczalnych,
Stosunek do powierzchni ziemi
Charakter próżni w których wody podziemne
występują ,
Geneza powstania .
Z obserwacji wiemy że wody podziemne występują na
mniejszych lub większych głębokościach.
W profilu pionowym wyróżniamy dwie strefy
•
strefę areacji
( napowietrzania )
•
strefę saturacji
( nasycenia)
W strefie areacji pory lub szczeliny wypełnione są powietrzem
oraz częściowo wodą związaną :
1. higroskopijna,
2. błonkowa,
3. Kapilarna.
W strefie saturacji wszystkie pory i szczeliny są całkowicie
wypełnione wodą . Woda ta występuję jako wolna i podlega
wyłącznie sile grawitacji oraz może swobodnie przesączać się
z miejsc wyższych do niższych .
PROFIL
PIONOWY
strefa areacji
woda wsiąkowa
ziarno mineralne
otoczone wodą
higroskopijną
powietrze gruntowe
woda błonkowata
strefa
saturacji
strefa
wzniosu
kapilarnego
woda kapilarna
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
Za podstawę podziału przyjęto zwierciadło wód podziemnych,
które rozdziela ośrodek skalny na dwie strefy:
•
aeracji czyli napowietrzenia, gdzie próżnie skalne w
zasadzie wypełnione są powietrzem i
•
saturacji, o próżniach nasyconych wodą, co ilustruje
poniższy rysunek:
Wody wsiąkowe
Wody zawieszone
Wody kapilarne
Zwierciadło wody gruntowej
I. Strefa aeracji
I. Strefa aeracji
woda wsiąkowa
ziarno mineralne
otoczone wodą
higroskopijną
powietrze gruntowe
woda błonkowata
strefa
wzniosu
kapilarnego
woda kapilarna
strefa
saturacji
znajdują
się
pod
działaniem sił adsorpcji cząstki gruntu mają zdolność
skupiania
na
swej
powierzchni drobin gazów,
cieczy.
Im
mniejsza
średnica
cząstek gruntu tym te siły są
większe.
Wody te pod względem
własności
fizycznych
przypominają bardziej ciało
stałe niż ciecz.
Ich
przemieszczanie
w
profilu
glebowym
jest
utrudnione
strefa areacji
Wody higroskopijne
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
I. Strefa aeracji
strefa areacji
woda wsiąkowa
ziarno mineralne
otoczone wodą
higroskopijną
powietrze gruntowe
woda błonkowata
strefa
saturacji
strefa
wzniosu
kapilarnego
woda kapilarna
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
Wody błonkowate otaczają cząstki gruntu
warstwą grubszą niż wody
higroskopijne i nie są z nim
tak silnie związane.
Poddawane są siłom
elektrycznym - cząstki gruntu
oddziałują przyciągająco na
dipolowe cząstki gruntu.
Właściwości fizyczne są
zbliżone do wody wolnej.
Mogą zawierać w sobie wody
higroskopijne.
I. Strefa aeracji
strefa areacji
woda wsiąkowa
ziarno mineralne
otoczone wodą
higroskopijną
powietrze gruntowe
woda błonkowata
strefa
saturacji
strefa
wzniosu
kapilarnego
woda kapilarna
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
Wody kapilarne
- ich występowanie wynika z
sił działających na granicy ciała
stałego i cieczy. Na styku tych
faz występuje zjawisko
włosowatości, czyli podsiąkania
wody w wąskich szczelinach.
Wody te występują pomiędzy
strefą aeracji i saturacji
tworząc strefę przejściową.
Mogą też tworzyć się w strefie
saturacji jako swoiste
"soczewki" podczas
przesiąkania wód opadowych w
głąb gleby lub w czasie
gwałtownych zmian poziomu
zwierciadła wód gruntowych.
Wody opisane powyżej, z uwagi na fakt, że oddziaływują na nie
różne siły nazywamy ogólnie wodami związanymi. Pozostałe rodzaje
wód są to tzw. wody wolne.
I. Strefa aeracji
r
R

hk
Wody kapilarne
- Badania nad zjawiskiem
wody kapilarnie
zawieszonej w gruntach
średnioziarnistych
zapoczątkował Atterberg.
Jak wiadomo, podnoszenie
kapilarne wywołane jest
istnieniem tzw. ciśnienia
powierzchniowego
r
kapilara cylindryczna
Wartość tego ciśnienia
według Laplace’a ( 1806)
zależy od:
1.
Kształtu powierzchni
cieczy ( menisku),
2.
Rodzaju cieczy,
3.
Materiału ścian
kapilary.
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
r1
Ciśnienie powierzchniowe
1 1 
Pi  P0      
 R1 R2 
Pi
P0

R1,R2
ciśnienie na
menisku
R1
1
r1
powierzchni
ciśnienie wewnętrzne cieczy (
wody P0 =1050 MPa)
dla
hk
napięcie powierzchniowe
największy i najmniejszy
promień menisku ( wartość R jest
dodatnia przy menisku wypukłym i
ujemna przy menisku wklęsłym)
r2
R2
2
r2
kapilara łańcuszkowa
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne

Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne
występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem
stałym, gazowym lub inną cieczą. Zjawisko to polega
na powstawaniu dodatkowych sił działających na
powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją tak, że
zachowuje się ona jak sprężysta błona. Napięciem
powierzchniowym nazywa się również wielkość
fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo. Zjawisko to
ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy
molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy
faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też
napięciem międzyfazowym.
Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w
cieczy ciał niepodatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie
całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z
napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie
(np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach – zjawisko to należy do
zjawisk kapilarnych
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły
spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania
(adhezji) na granicy faz A-B.
Zwilżalność – właściwość przedmiotów i substancji dotycząca ich
oddziaływania z cieczami, przede wszystkim z wodą. Jeżeli ciało stałe jest
zwilżalne, to ciecz rozpływa się po jego powierzchni lub wnika w jego pory.
Jeżeli ciało jest zwilżane wodą, to mówimy, że jest ono hydrofilowe.
Przeciwieństwem tego zjawiska jest brak zwiżalności. Ciała o takich
właściwościach (niezwilżalne wodą) nazywamy hydrofobowymi.
Na opisane zjawisko zwilżania lub niezwilżania ciała stałego wpływa wiele
czynników.
Do najważniejszych należy napięcie powierzchniowe cieczy oraz
wzajemne oddziaływanie ciała stałego i cieczy.
Na przykład szkło jest dobrze zwilżane przez wodę, a nie jest zwilżane przez rtęć.
Z kolei parafina nie jest zwilżana przez wodę, a dobrze rozpływa się po niej benzyna
itp.
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
MENISK
Menisk
jest to powierzchnia
rozdzielająca od siebie dwie fazy płynne
– gaz i ciecz lub dwie, niemieszające się
z sobą ciecze. Menisk przybiera kształt
płaskiej powierzchni, wycinka sfery lub
hiperboloidy, lub też w szczególnych
przypadkach kombinacji wycinka sfery i
hiperboloidy.
Kształt menisku i kierunek jego wypukłości zależy od:
•
w przypadku dwóch cieczy: wypadkowej energii powierzchniowej
obu stykających się faz,
•
w przypadku układu – ciecz-gaz od wypadkowej energii
powierzchniowej ścianek naczynia i sumarycznego napięcia
powierzchniowego lustra cieczy (oprócz własności samej cieczy
jest też zależny od rozmiarów lustra cieczy, który wynika z
przekroju naczynia).
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
MENISK
Dla układu gaz-ciecz w rurce z materiału trudno zwilżalnego przez tę ciecz
(np. rtęć w rurce szklanej), ciecz tworzy menisk wypukły.
Jeżeli ciecz odpowiednio dobrze zwilża materiał rurki (np. etanol w rurce
szklanej) tworzy się menisk wklęsły.
W ostatnim przypadku, przy bardzo wąskim przekroju rurki (różnym dla
każdego układu ciecz-materiał ścianek) pojawia się efekt kapilarny,
polegający na tendencji do pełznięcia cieczy po ściankach.
Efekt ten jest na tyle silny, że przezwycięża grawitację.
Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od
sił między cząsteczkami cieczy, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek
zakrzywia się w górę, czyli ciecz tworzy menisk wklęsły i zwilża ścianki
naczynia (np. woda w niepełnym naczyniu ze szkła).
Jeśli siły między cząsteczkami cieczy i ścianek są małe, powierzchnia
cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół wtedy ciecz tworzy menisk
wypukły i nie zwilża ścianek naczynia (np. rtęć w rurce szklanej).
Źródło „http://pl.wikipedia.org/wiki/Menisk”
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
PASKAL
Paskal – jednostka ciśnienia (także naprężenia) w układzie SI (Jednostka
pochodna układu SI), oznaczana Pa.
1N
1kg
1Pa  2 
1m
1m  s 2
Nazwa paskal pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Blaise’a Pascala.
Często spotykany skrót
kPa oznacza kilopaskal (103 Pa),
MPa oznacza megapaskal (106 Pa),
natomiast hPa – hektopaskal (100 Pa).
Hektopaskal jest zazwyczaj stosowany przy podawaniu ciśnienia
atmosferycznego, ponieważ jest dokładnie równy stosowanej powszechnie
przed latami sześćdziesiątymi XX w. w meteorologii w układzie CGS i MKSA
jednostce milibar:
1 hPa = 100 Pa = 1 mbar = 10,19 mmH2O
Ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi przeciętnie 1013,25 hPa.
Najniższe ciśnienie zmierzone kiedykolwiek na poziomie morza wynosiło 870 hPa, a
najwyższe na powierzchni Ziemi – 1083,8 hPa.
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
r
R
Ciśnienie powierzchniowe
1

hk
1 1 
Pi  P0      
 R1 R2 
r

Gdy 1/R1 = 1/R2 =0, czyli gdy powierzchnia menisku jest płaska ( R=
),
wtedy ciśnienie na powierzchni menisku odpowiada ciśnieniu wewnętrznemu
cieczy.
Pi  P0
2
Ciśnienie pod powierzchnia wklęsłą
będzie mniejsze, a pod
powierzchnią wypukłą
niż pod płaską.
większe
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
r
R

Ciśnienie powierzchniowe
3
Pod powierzchnią wklęsłą R1<0 , R2<0
ciśnienie powierzchniowe wynosi:
1
1 
Pi  P0      
 R1 R2 
4
r
W przypadku kapilary cylindrycznej
ciśnienie na powierzchni menisku wynosi:
r
R1  R2  R 
cos 

=Kąt zwilżania
hk
2 
P  P0 
R
I. Strefa aeracji
Wody kapilarne
Kąt zwilżania,
kąt przyścienny – kąt utworzony przez powierzchnię
płaską ciała stałego i płaszczyznę styczną do powierzchni cieczy
graniczącej z ciałem stałym lub do powierzchni rozdziału dwóch
stykających się cieczy
r
R

r
R1  R2  R 
cos 
I. Strefa aeracji
5
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w
kapilarze cylindrycznej
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze cylindrycznej można
wyznaczyć z równości
R
r

P1  hk    g  P2


2 
2 

  hk    g   P0 
 P0 
R2 
R1 


dla powierzchni plaskiej R2   ,
2
hk 
R1    g
hk
zatem
r
I. Strefa aeracji
6
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze
łańcuszkowej
r1
Warunkiem utrzymania się wody zawieszonej w
kapilarze jest istnienie niejednakowej
krzywizny górnego i dolnego menisku. Warunki
równowagi wymagają aby spełniona była równość
R1
r1
P1  hk    g  P2

2
 P0 
R1



2
  hk    g   P0 
R2





1
1 

hk    g  2    
 R1 R2 
1 
2  1
   
hk 
  g  R1 R2 
1
hk
r2
R2
r2
2
I. Strefa aeracji
6
P1
P2

R1,R2
hk

g
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze
łańcuszkowej
ciśnienie na powierzchni górnego menisku
ciśnienie na powierzchni dolnego menisku
napięcie powierzchniowe
największy i najmniejszy promień menisku
wysokość słupa wody w kapilarze
gęstość wody
hk 
przyspieszenie siły ciężkości
2  1 1 
   
  g  R1 R2 
Z równania wynika , że wzrostowi wody zawieszonej w kapilarze
towarzyszyć musi wzrost prawej strony równania.
Jest to możliwe jedynie przy wzroście R2.
I. Strefa aeracji
6
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze
łańcuszkowej
r1
r1
Przy stałym ciśnieniu
powierzchniowym
górnego menisku,
ciśnienie dolnego
menisku będzie wzrastać
w wyniku
zmniejszania się
krzywizny dolnego
menisku, co
powoduje wzrost
wysokości
podsiągu
kapilarnego.
R1
1
R1
1
r1
r1
hk
hk
r2
R2
r2
2
r2
R2
I. Strefa aeracji
6
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze
łańcuszkowej
przy m enisku plaskim R2   ,
hk 
2
R1    g
Przy dalszym dopływie wody do kapilary menisk dolny z płaskiego przejdzie
w wypukły, a warunek równowagi przyjmie postać

2
 P0 
R1



2
  hk    g   P0 
R2


1
1 

hk    g  2    
 R1 R2 



2  1
1 

hk 
   
  g  R1 R2 
Wzrostowi wysokości hk towarzyszyć
musi wzrost wartości w nawiasie. Przy
ustalonym menisku górnym ( R1)
wzrastać musi wyrażenie (1/R2) .
Oznacza to że menisk dolny przesuwa
się w kierunku zwężenia kapilary
I. Strefa aeracji
6
Wody kapilarne
Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze
łańcuszkowej
Zakładając że
R2  R1  R
 hkmax
4

R g
Ze wzoru wynika, że maksymalna wysokość wody kapilarnej zawieszonej
jest dwukrotnie większa od wysokości kapilarnej podpartej.
Dla wody o parametrach :
t  10 C ,
  73m N / m,
  g  9810N / m3
2
0,15 4
hk 

10 m
R1    g
R
Wartość 0,15*10-4[m2] jest stałą kapilarna wody względem szkła
I. Strefa aeracji
7
Wody kapilarne
Maksymalna wysokość wzniosu kapilarnego
różnych gruntów
k
8
Czas potrzebny na podniesienie się wody w
kapilarze na wysokość z
  h  z
 ln k    ;
  hk  z  k k 
gdzie:
n  porowatosc gruntu
k  wspolczynnik filtracji
t
n  hk
k
z  wysokosc nad zwierciadlem wody gruntowej
hk  wysokosc podsiagu kapilarnego
I. Strefa aeracji
strefa areacji
woda wsiąkowa
ziarno mineralne
otoczone wodą
higroskopijną
powietrze gruntowe
woda błonkowata
strefa
wzniosu
kapilarnego
woda kapilarna
strefa
saturacji
Wody wsiąkowe - są to
najczęściej wody opadowe,
które przesiąkają przez
środowisko przepuszczalne do
momentu osiągnięcia warstwy
nieprzepuszczalnej lub strefy
saturacji.
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
Wody zawieszone - tworzą
się nad soczewkami
nieprzepuszczalnego gruntu
pogrążonymi w
przepuszczalnym podłożu.
Gdy znajdują się blisko
powierzchni ziemi mogą
okresowo zanikać w wyniku
intensywnej ewapotranspiracji
i braku zasilania wodami
wsiąkowymi
OCHRONA WÓD
PODZIEMNYCH
Wykład nr 2
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
POCHODZENIE WÓD
PODZIEMNYCH
Strefa AREACJI