Chełmicki, Wojciech

Polish

Jagiellonian Univeristy Repository

5. 1. ZWIERCIADŁO WOD PODZIEMNYCHMożliwość gromadzenia i przewodzenia wody w środowisku podziemnym zależy od cech hydrogeologicznych skał, z których najważniejszymi są: porowatość, szczelinowatość, krasowatość. Odległość między spągiem i stropem warstwy wodonośnej określa się jako miąższość warstwy wodonośnej. Może ona wynosić od kilku centymetrów do kilkuset metrów. Jeżeli strop warstwy wodonośnej stanowią utwory przepuszczalne, zwierciadło wód podziemnych jest swobodne i miąższość strefy zawodnionej zmienia się na skutek wahań zwierciadła wody pod wpływem czynników atmosferycznych, hydrologicznych lub antropogenicznych. Jeśli strop warstwy wodonośnej wypełnionej wodą stanowi warstwa nieprzepuszczalna, zwierciadło wody może być pod ciśnieniem. Warstwa, lub zespół warstw wodonośnych należących do tego samego okresu geologicznego, nazywa się piętrem wodonośnym (np. piętro wód kredowych, jurajskich, triasowych). Natomiast warstwę lub zespół warstw wodonośnych należących do określonej epoki (serii) geologicznej nazywa się poziomem wodonośnym (np. poziom wód plejstoceńskich, holoceńskich). 5. 1. 1. Kartograficzne odwzorowania zwierciadła wód podziemnychSwobodne zwierciadło wód podziemnych (gruntowych), po­dobnie jak powierzchnia terenu, ma określony kształt i może być Przedstawione na mapie hipsometrycznej w postaci hydroizohips. Hydroizohipsy są to linie łączące punkty o jednakowej rzędnej zwier- C|adła wody podziemnej nad poziomem morza. Mapa hydroizohips Powstaje drogą interpolacji, na podstawie pomiarów zwierciadła wod w wielu punktach jednocześnie; przedstawia ona wtedy stan 2wierciadła w danym dniu. Można też wykonać mapę hydroizohips Sredniego, maksymalnego lub minimalnego stanu zwierciadła na Podstawie wielokrotnych pomiarów w każdym punkcie. Należy Pamiętać, że hydroizohipsy odzwierciedlają kształt zwierciadła wody ^stępującej w tej samej warstwie wodonośnej i błędne jest ich wyznaczanie na podstawie danych pochodzących z punktów po­żarowych reprezentujących różne warstwy. Przy wyznaczaniu hy- aro|zohips przydatne są też: ~ mapa hipsometryczna terenu (zwierciadło wód podziem­nych jest zwykle współkształtne z powierzchnią terenu; można to sprawdzić, wykreślając profil hipsometryczno- -hydrogeologiczny - zob. dalej), Pomiar zwierciadła wód podziemnych w piezometrze192 Zlewnia. Właściwości i procesy- mapa hydrograficzna (w przypadku istnienia kontaktu mię­dzy ciekami a zwierciadłem wody podziemnej, sieć rzecz­na wyznacza miejsca, w których rzędne zwierciadła wód podziemnych są równe wysokości zwierciadła wody w cie­ku; także źródła i podmokłości wyznaczają miejsca, gdzie rzędna zwierciadła wód podziemnych jest równa rzędnej powierzchni terenu lub nieco niższa). Jeśli zwierciadło wód podziemnych nawiązuje do ukształtowa­nia terenu (tak jest najczęściej w przypadku porowych zbiorników wód podziemnych o zwierciadle swobodnym), to przebieg hydroizo- hips nawiązuje do przebiegu poziomic (ryc. 5. 1. 1). WyznaczającRyc. 5.1.1. Fragment mapy hydroizohips wyznaczonej na podstawie rzędnych zwierciadła w studniach, występowania źródeł i przebiegu cieków5. Wody podziemne • 5.1. Zwierciadło wód podziemnych 193przebieg hydroizohips, należy zwrócić szczególną uwagę, czy hydroizohipsa przebiega po „właściwej stronie" poziomicy o tej samej rzędnej, tzn. po stronie wartości wyższych. Ulokowanie bowiem hydroizohipsy po przeciwnej stronie sugeruje, iż zwiercia­dło wód podziemnych znajduje się ponad powierzchnią terenu (prostokąt A na ryc. 5.1.2). W przypadku gdy wody podziemne zasilają ciek, hydroizohipsa o danej wartości przecina ciek na wysokości równej w przybliżeniu jego rzędnej o takiej samej warto­ści, nie zaś powyżej lub poniżej niej (prostokąt B na ryc. 5.1.2). Hydroizohipsy powinny przebiegać przez źródła położone na wyso­kości o tej samej rzędnej, nie zaś powyżej źródła (prostokąt C na ryc. 5.1.2),Ryc. 5.1.2. Najczęściej popełniane błędy w trakcie wyznaczania przebiegu hydroizohips. Miejsca, w których popełniono błędy, oznaczono ramkami (A, B, C)Analizy zwierciadła wód podziemnych można także dokonać na podstawie mapy hydroizobat, obrazującej głębokość do wód Podziemnych i jednocześnie miąższość strefy aeracji. Hydroizobaty Sa< to linie łączące punkty o tej samej głębokości zwierciadła wody Podziemnej. W obszarach o zróżnicowanej rzeźbie terenu głębokość d° zwierciadła wody jest zróżnicowana, nawet w miejscach Znaidujących się w niewielkiej odległości od siebie. Z tego względu, maPa głębokości do zwierciadła wód podziemnych (miąższości strefy aeracji) wykonywana jest w konwencji dazymetrycznej, n- izobaty wyznaczają zasięg stref (obszarów), w których zwierciadło 2|dajduje się w pewnym przedziale głębokości (np. 2-5 m), zaś yębokość w danym punkcie, wyznaczona na podstawie takiej rriaPy, nie zawsze jest ściśle związana z odległością od hydroizobat ^oznaczających zasięg poszczególnych stref. Przy wyznaczaniu ydroizobat pomocna jest mapa hydrograficzna z zaznaczonym P ^biegiem cieków, rozmieszczeniem wypływów i obszarów Podmokłych.194 Zlewnia. Właściwości i procesyGłębokość zwierciadła wód podziemnych można mierzyć w studniachInformacji dotyczącej liczby poziomów wodonośnych wystę­pujących na danym obszarze oraz wzajemnych relacji między zwierciadłem wód podziemnych i rzeźbą terenu może dostarczyć przekrój hipsometryczno-hydrogeologiczny. Ułatwia on stwierdzenie, czy w danym terenie występuje jeden czy kilka poziomów wodo­nośnych, czy zwierciadło wody podziemnej nawiązuje do ukształ­towania terenu (znajduje się wyżej pod wzniesieniami i odpowied­nio niżej pod obniżeniami), czy też występuje niezależnie od ukształtowania powierzchni. Przekrój hipsometryczno-hydrogeolo- giczny wyznacza się w następujący sposób:1. Na podkładzie mapy hipsometrycznej z zaznaczonymi studniami (ryc. 5.1.3) wyznacza się linię przekroju. Powinna ona przebiegać przez miejsca, w których można napotkać trudności w wyznaczaniu hydroizohips; winna też przecinać poziomice pod kątem prostym lub bliskim kątowi prostemu (może być to linia łamana), a także przebiegać przez punkty pomiaru zwierciadła (studnie, piezometry) lub w ich pobliżu.2. Po wyznaczeniu jej przebiegu należy przystąpić do wykonania przekroju (ryc. 5.1.4). Kolejne etapy to:- ustalenie przewyższenia rysunku,- wrysowanie w przygotowany układ współrzędnych przekroju hipsometrycznego,- naniesienie na linię przekroju hipsometrycznego punktów z rzędną zwierciadła,- naniesienie na linię przekroju hipsometrycznego punktów pomiaru zwierciadła znajdujących się w jego pobliżu, z zachowaniem wysokości, na której się znajdują,- wrysowanie głębokości do zwierciadła wody podziemnej, wyznaczając tym samym rzędną zwierciadła,- wyznaczenie linii zwierciadła wód podziemnych, ze zwróce­niem szczególnej uwagi na to, by nie połączyć ze sobą różnych poziomów. W praktyce, ustalenie poszczególnych poziomów może być trudne i wymagać dodatkowych, szcze­gółowych badań terenowych. Szczególnie przydatne mogą być dodatkowe informacje o temperaturze i składzie che­micznym wody, gdyż można zakładać, że wody tego same' go poziomu mają podobną temperaturę i skład chemiczny3. Kolejnym etapem jest ustalenie przedziału hydroizohip3 * 5(np. co 10 m) i wrysowanie, w wykonany uprzednio przekrój, linilrzędnych (co 10 m). Hydroizohipsy przebiegają przez punkty przej cięcia tych linii z zaznaczonym uprzednio zwierciadłem. Przekroi hipsometryczno-hydrogeologiczny pozwala na stwierdzenie, czy zwierciadło wód podziemnych nawiązuje do ukształtowania terenu Jeśli tak, to przebieg poziomic będzie pomocny przy wyznaczaniu przebiegu hydroizohips. Należy też zwrócić uwagę na to, czy ciek15. Wody podziemne • 5.1. Zwierciadło wód podziemnych 195związek hydrauliczny z wodami podziemnymi, tzn. czy są przez nie zasilane, czy też je zasilają.Zarówno profil hipsometryczno-hydrogeologiczny, jak i mapa ydroizohips umożliwiają wyznaczenie kierunku przemieszczania s"? wód podziemnych. Jest on zawsze prostopadły do hydroizohips 'zgodny z grawitacją. Jeśli jednak nie wyznaczono przebiegu ydroizohips i profilu, kierunek ruchu wód podziemnych można określić na Podstawie informacji o rzędnych zwierciadła w trzech sąsiadujących 2e sobą studniach. Na terenach o rzeźbie falistej lub górskiej n3leży wybrać studnie znajdujące się na tym samym skłonie Uniesienia. Linie łączące studnie powinny tworzyć trójkąt -Ryc. 5.1.3. Mapa hipsometryczna terenuz zaznaczonymi studniami z rzędnązwierciadła wody podziemnej, ciekamii źródłami oraz przebiegiem liniiprzekroju hipsometryczno--hydrogeologicznego (A-B)196 Zlewnia. Właściwości i procesyRyc. 5.1.4. Przekrój hipsometryczno--hydrogeologiczny (S1-S6 - studnie)Ryc. 5.1.5. Wyznaczanie kierunku ruchu wód podziemnychprawo Darcy’ego - określa jednostko­we natężenie przepływu wód podziem­nych w ruchu laminarnym, w zależno­ści od współczynnika filtracji i spadku hydraulicznegow przybliżeniu - równoramienny. Dysponując wartościami rzędnych zwierciadła w tych studniach dokonuje się między nimi interpolacji (ryc. 5.1.5). Następnie punkty znajdujące się na ramionach trójkąta i posiadające jednakowe wartości rzędnych łączy się liniami; są to hydroizohipsy. Można teraz wyznaczyć kierunek ruchu wód podziemnych (prostopadły do wyznaczonych hydroizohips - od wartości wyższych do niższych) oraz spadek hydrauliczny zwierciadła wód podziemnych - na podstawie informacji o różnicy wysokości zwierciadła wody nad poziomem morza i odległości między nimi: gdzie:/ - spadek hydrauliczny wód podziemnych,A/-7 -różnica rzędnej zwierciadła [m],L - odległość między studniami i hydroizohipsami [m].Przy wyborze studzien lub hydroizohips, należy pamiętać o tym, aby wybrać takie miejsca, w których ogólny kierunek ruchu wód podziemnych jest podobny. Uwzględnienie w obliczeniach studzien lub hydroizohips znajdujących się na przeciwnych stokach tego samego wzniesienia lub przeciwległych zboczach tej samej doliny prowadzi do uzyskania błędnych wyników. Znajomość spadku zwierciadła wody podziemnej przydatna jest do obliczenia prędkości ruchu wody podziemnej zgodnie z wzorem Darcy:v = ki (5.1-2)5. Wody podziemne • 5.1. Zwierciadło wód podziemnych 197gdzie:v - prędkość ruchu wody podziemnej [m-doba-1, cm-s'1, mm-s1],k - współczynnik filtracji ośrodka skalnego (warstwy wodonośnej) [m-doba-1, cm-s-1, mm-s-1],/ - spadek hydrauliczny wód podziemnych.5.1.2. Wahania zwierciadła wód podziemnychWahania zwierciadła wód podziemnych są wynikiem zmienia­jących się relacji pomiędzy zasilaniem i drenażem zbiorników wód podziemnych. W przypadku płytkich wód podziemnych, obniżanie zwierciadła może być spowodowane ewapotranspiracją. Wielkość wahań zwierciadła zależy w istotnym stopniu od cech skał wodo­nośnych. Dostawa tej samej ilości wody powoduje większy wznios zwierciadła w skałach o niskim współczynniku odsączalności p. Współczynnik ten wyraża stosunek objętości wody odsączonej ze skały VQ do jej objętości 17(5-1-3)Przyrost lub ubytek zasobów wody podziemnej H wyrażony w postaci warstwy wody [mm], jest wyznaczany z iloczynu różnicy stanu wody podziemnej w dwóch terminach &.H i współczynnika odsączalności skał wodonośnych p (tab. 5.1.1):Hg = &Hii (5.1.4)Ze względu na zróżnicowanie cech hydrogeologicznych podłoża (przepuszczalność) oraz miąższości strefy aeracji, analiza rytmu wahań zwierciadła wód podziemnych wymaga standaryzacji danych, Polegającej na wyrażeniu stanu wody w wartościach niemianowanych (lub procentowych):Tab. 5.1.1. Współczynnik odsączalności n niektórych skał (Pazdro, Kozerski, 1990)(5.1.5)gdzie:Lis - standaryzowany stan wody podziemnej [%],Ljmax ~~ największa głębokość do zwierciadła wody podziemnej [m], Limin ~~ najmniejsza głębokość do zwierciadła wody podziemnej [m], Li- głębokość do zwierciadła w danym dniu [m].Wartość 0 (0%) oznacza najniższe położenie zwierciadła (Hajwiększą głębokość do wody), a wartość 1 (100%) - położenie naiwyższe (najmniejszą głębokość do wody).Rodzaj utworu pPiasek mułkowaty 0,12Piasek drobnoziarnisty 0,17Piasek średnioziarnisty 0,19Piasek gruboziarnisty 0,22Żwir 0,26Rumosz skalny 0,26Skały masywne szczelinowate lub skrasowiałe0,01198 Zlewnia. Właściwości i procesyDobrą miarą wahań zwierciadła wód podziemnych, poza amplitudą, jest odchylenie przeciętne d obliczane według wzoru:(5.1.6)gdzie:H. - stan (głębokość) wody podziemnej w danym dniu [cm],H - średni stan (głębokość) wody podziemnej [cm];oraz odchylenie standardowe a wyrażone wzorem:(5.17)Zadanie 1Po opadach deszczu o sumie 120 mm stwierdzono wznios zwierciadła wód podziemnych o 5 cm na obszarze 10 km2. Przyjmując, że warstwę wodonośną tworzą drobnoziarniste piaski (tab. 5.1.1), oblicz wielkość zasilania wód podziemnych na tym obszarze w mm warstwy wody i w jednostkach objętości. Jaka część opadu została zużyta na zasilanie wód podziemnych?Zadanie 2Uzupełnij mapę (ryc. 5.1.1) o hydroizohipsy w miejscach, gdzie ich przebieg nie został jeszcze wyznaczony.Zadanie 3Na mapie przedstawionej na ryc. 5.1.3 zaznacz przy studniach głębokości do zwierciadła wody w każdej z nich oraz wyznacz hydroizobaty o wartościach: 2, 5 i 10 m.Zadanie 4Wybierz trzy studnie (ryc. 5.1.3) i wyznacz kierunek płynięcia wód podziemnych na obszarze znajdujący^ się między nimi. Oblicz spadek zwierciadła wód podziemnych.Zadanie 5Na podstawie danych, pochodzących z Rocznika hydrologicznego wód podziemnych, sporządź wykres wahań zwierciadła wody w dwóch wybranych studniach, a następnie sporządź drugi wykres, przedstawiający wartości standaryzowane. Porównaj oba wykresy. Jakie wnioski można wyciągnąć na podstawie ich analizy-

Zwierciadło wód podziemnych

https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/258853/chelmicki_zwierciadlo_wod_podziemnych_2006.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Zwierciadło wód podziemnych

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jagiellonian Univeristy Repository