10 przekroj hydrogeologiczny i mapa, budownictwo sem2, Geologia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ROZPOZNANIE WARUNKÓW HYDROGEOLOGICZNYCH
NA PODSTAWIE WIERCE
Ń
Wody podziemne
to wody występujące pod powierzchnią ziemi w wolnych przestrzeniach skalnych.
Wody podziemne powstają głównie dzięki infiltracji (wsiąkaniu) opadów atmosferycznych, a niekiedy
równieŜ wód powierzchniowych – wody o tej genezie są
typu infiltracyjnego
. Czynniki wpływające na infiltrację
to: przepuszczalność gruntów i skał, rzeźba terenu, temperatura powietrza, niedosyt wilgotności powietrza,
pokrycie szatą roślinną, nasycenie wodą środowiska skalnego, przemarzanie gruntu, działalność człowieka. W
Polsce infiltruje około 17% opadu.
Inne genetycznie typy wód, o mniejszym znaczeniu, to wody:
·
kondensacyjne
– powstałe z kondensacji (skroplenia) pary wodnej zawartej w powietrzu wypełniającym pory i
wolne przestrzenie w glebie, gruntach i skałach;
·
juwenilne
– hydrotermalne roztwory będące pomagmowymi resztkami wydzielonymi w ostatnim etapie
procesu krzepnięcia magmy;
·
reliktowe
– (szczątkowe) – uwięzione w skałach, powstałe w dawnych epokach geologicznych (resztki
dawnych mórz bądź stare wody infiltracyjne), całkowicie izolowane od wpływu czynników zewnętrznych, silnie
zmineralizowane;
·
metamorficzne
– wydzielone podczas termicznej metamorfozy skał podczas, gdy minerały nietrwałe w
podwyŜszonej temperaturze, ulegają przeobraŜeniu.
Wody podziemne występują jako:
·
wody wolne
– wykazujące zdolność przemieszczania się pod wpływem siły cięŜkości i róŜnicy ciśnień
hydrostatycznych,
·
wody zwi
ą
zane
– nie odsączające się pod wpływem siły cięŜkości, utrzymywane w środowisku skalnym siłami
molekularnymi większymi niŜ siły cięŜkości (woda higroskopijna, błonkowata).
Poziom, do którego wznosi się woda wolna zawarta w środowisku skalnym - zwany jest
zwierciadłem
wody podziemnej
. Zwierciadło wody podziemnej jest granicą dwóch stref: strefy aeracji – czyli napowietrzenia i
strefy saturacji – nasycenia wodą.
W strefie aeracji
pustki skalne wypełnia powietrze
i woda występująca w postaci pary wodnej, wody
związanej (woda higroskopijna, błonkowata), wody
kapilarnej oraz wody wolnej – zawieszonej i wsiąkowej
(infultrującej). Zdolność do utrzymywania na powierzchni
ziarna wody związanej to wilgotność molekularna.
Wilgotność molekularna jest tym większa im mniejsza jest
średnica ziaren. I tak dla piasku wynosi około 1,5% suchej
masy a dla mułów i iłów ok. 40 %.
Wody kapilarne są to wody podciągnięte powyŜej poziomu wód podziemnych (działanie sił
molekularnych) przez wznios kapilarny – h=0,15/r (r – średnica porów). Jest to kapilarność czynna. Zwierciadło
wód podziemnych nie jest stałe – gdy się podnosi lub opada powstaje nowa strefa kapilarna, część wody z
poprzedniej strefy kapilarnej spływa a część pozostaje zawieszona w strefie aeracji – powstają wody kapilarne
zawieszone – kapilarność bierna. Wysokość wzniosu kapilarnego dla Ŝwiru wynosi 3 cm, dla mułków i lessów 1,2
– 3,5 m.
W strefie saturacji
wolne przestrzenie (pory, szczeliny, próŜnie krasowe) wypełnione są całkowicie
wodą. Górną granicą strefy saturacji jest zwierciadło wód podziemnych, dolną stanowi strop utworów
wodoszczelnych.
Tak rozumiane zwierciadło wód podziemnych to
zwierciadło swobodne.
Pozostaje ono pod ciśnieniem
atmosferycznym i na ogół naśladuje w przybliŜeniu kształt powierzchni terenu. Ustala się w otworze wiertniczym
na głębokości, na której zostało nawiercone.
Zwierciadło napi
ę
te
– połoŜenie i kształt
zwierciadła napiętego wymuszone są przez wyŜej leŜące
utwory nieprzepuszczalne. Zwierciadło napięte znajduje
się pod ciśnieniem wyŜszym od atmosferycznego. JeŜeli
woda taka zostanie nawiercona, to parta ciśnieniem
hydrostatycznym podniesie się w rurze wiertniczej do
określonej wysokości. Wznios ten to
ci
ś
nienie
piezometryczne
, a poziom na którym się ustaliło, to
zwierciadło ustalone
(ustabilizowane).
Łącząc na przekroju pionowym wysokości słupów wody w punktach obserwacyjnych linią, otrzymamy
piezometryczn
ą
lini
ę
ci
ś
nie
ń
. Natomiast powierzchnia wyznaczona wysokością ciśnienia piezometrycznego w
szeregu punktów obserwacyjnych jest
zwierciadłem statycznym
, lub
zwierciadłem
piezometrycznym.
1
Zwierciadło statyczne
- zwierciadło ustabilizowane w wyniku naturalnego ciśnienia hydrostatycznego.
Tworzy go poziom wyznaczony przez zwierciadło ustabilizowane.
Wody podziemne pod ciśnieniem mogą charakteryzować się zwierciadłem statycznym stabilizującym się
ponad powierzchnią terenu. Mówimy wtedy o ciśnieniu artezyjskim.
Zwierciadło dynamiczne
– zwierciadło wody podziemnej obniŜone wskutek pompowania wody albo
podniesione wskutek jej wprowadzenia do warstwy wodonośnej (ukształtowane w wyniku eksploatacji wody
podziemnej).
W zaleŜności od głębokości występowania wód podziemnych oraz warunków geologicznych wyróŜniamy
następujące typy wód w strefie saturacji:
·
wody przypowierzchniowe
(zaskórne) – występują bardzo płytko pod powierzchnią ziemi i praktycznie
pozbawione są strefy aeracji, jest to szczególny typ wody gruntowej, jak gdyby przejściowy do wód
powierzchniowych;
·
wody gruntowe
– oddzielone od powierzchni ziemi mniej lub bardziej grubą przepuszczalną strefą aeracji,
zasilane bezpośrednio z powierzchni ziemi przez infiltrujące opady atmosferyczne, a więc obszar ich zasilania
jest równy co do zasięgu z obszarem ich rozprzestrzenienia;
·
wody wgł
ę
bne
– równieŜ zasilane przez opady atmosferyczne, lecz znajdujące się w warstwach
wodonośnych pokrytych utworami nieprzepuszczalnymi;
·
wody gł
ę
binowe
– znajdują się głęboko pod powierzchnią ziemi, izolowane całkowicie wieloma kompleksami
utworów nieprzepuszczalnych.
Warstwa wodono
ś
na
zbudowana jest ze skał wodonośnych czyli takich, które mogą pochłaniać
(gromadzić), przewodzić i oddawać wodę wolną w wyniku działania siły cięŜkości.
Aby moŜliwe było akumulowanie i przewodzenie wody wolnej, skała musi wykazywać:
porowato
ść
(lub szczelinowatość, krasowatość) – która polega na występowaniu w skale drobnych próŜni i
kanalików między poszczególnymi ziarnami mineralnymi, porowatość zaleŜy od jednorodności uziarnienia,
ułoŜenia i kształtu ziaren (nie zaleŜy od wielkości ziaren skalnych!);
współczynnik porowatości - n = objętość porów / objętości skały (n=V
p
/V); n=e/(1+e) gdzie:
wskaźnik porowatości – e = objętość porów / objętości ziaren (e=V
p
/V
z
)
wskaźnik porowatości efektywnej – objętość porów efektywnych czynnych podczas przepływu wody przez
skałę n
e
=V
pe
/V
·
·
przepuszczalno
ść
hydrauliczn
ą (wodoprzepuszczalność) – zdolność do przewodzenia wody wolnej w
przypadku róŜnicy ciśnień hydrostatycznych; moŜliwe jest to, gdy próŜnie i pustki w skale są ze sobą
połączone, oraz gdy mają one odpowiednio duŜe wymiary (gdy wymiary próŜni są bardzo małe, woda zostaje
związana siłami międzycząsteczkowymi i staje się niezdolna do ruchu, np. w iłach). Wodoprzepuszczalność
zaleŜy więc od wielkości i ilości porów, kształtu ziaren skalnych, lepkości i temperatury wody. Miarą
przepuszczalności hydraulicznej skał i gruntów jest
współczynnik filtracji.
2
Pod względem wodoprzepuszczalności skały dzielimy na:
przepuszczalne
– Ŝwiry, piaski, pospółki, skały lite silne szczelinowate;
półprzepuszczalne
– piaski gliniaste, ilaste, gliny piaszczyste, torfy, namuły;
nieprzepuszczalne
– gliny, iły, mułki, skały lite nieszczelinowate;
METODY ODWZOROWANIA WARUNKÓW HYDROGEOLOGICZNYCH
Zwierciadło wody gruntowej prawie nigdy nie jest zupełnie poziome, najlepszym sposobem odwzorowania
kształtu zwierciadła jest zastosowanie izohips, podobnie jak w przedstawianiu rzeźby terenu. Izohipsy zwierciadła
wód gruntowej nazywamy hydroizohipsami.
Hydroizohipsy
- linie krzywe łączące punkty o jednakowej wysokości hydraulicznej w warstwie
wodonośnej. Przy wodach zwykłych chodzi tu o rzędne zwierciadła wody.
Mapa hydroizohips jest więc mapą morfologii zwierciadła wody podziemnej (zwierciadła swobodnego, a dla wód
naporowych zwierciadła statycznego).
Hydroizobaty
- linie łączące punkty na mapie o jednakowej głębokości do zwierciadła wody gruntowej.
Powstaje w ten sposób mapa warstwy suchej.
Mapa hydroizohips
przedstawia poziom zwierciadła ustabilizowanego na całym obszarze – dla danego
poziomu wodonośnego, wykreśla się ją metodą interpolacji. Punkty w których dane są rzędne zwierciadła wody
łączy się w sieć trójkątów mniej więcej równobocznych i w kaŜdym trójkącie osobno przeprowadza się
interpolację. Mapa hydroizohips będzie tym dokładniejsza, im więcej jest punktów pomiarowych i im bardziej
równomiernie są one rozmieszczone.
NaleŜy przy tym pamiętać, Ŝe:
·
hydroizohipsy odzwierciedlają kształt zwierciadła wody występującej w tej samej geologicznie określonej
warstwie wodonośnej (stąd waŜna jest znajomość budowy geologicznej obszaru)
·
hydroizohipsy nie mogą przecinać się, ani tworzyć linii załamujących się, lecz linie krzywe płynne, zamknięte.
Przy kreśleniu hydroizohips wody gruntowej naleŜy zwrócić szczególną uwagę na:
·
morfologię terenu
·
sieć wód powierzchniowych, które znacząco wpływają na przebieg hydroizohips.
Z mapy hydroizohips moŜna odczytać:
·
kierunki przepływu wód - w kaŜdym punkcie prostopadłe do hydroizohips;
·
spadki hydrauliczne (spadek hydrauliczny - róŜnica wysokości hydraulicznej między dwoma punktami
połoŜonymi na jednej linii prądu, przypadająca na jednostkową odległość między tymi punktami) oraz
informacje o warunkach przepływu wód;
charakter powiązań z ciekami powierzchniowymi; rzeki mogą być drenujące, infiltrujące, lub obojętne.
·
Rzeka drenuj
ą
ca
- rzeka zasilana przez wody
podziemne z warstwy wodonośnej, przez którą przepływa
i którą drenuje. Ma to miejsce, gdy wody powierzchniowe
rzeki znajdują się w związku hydraulicznym
(bezpośrednim lub pośrednim) z wodami podziemnymi,
których zwierciadło połoŜone jest wyŜej niŜ poziom wody
w rzece drenującej.
Rzeka infiltruj
ą
ca
- rzeka zasilająca wody
podziemne. Ma to miejsce wtedy, gdy zwierciadło wód
podziemnych znajduje się niŜej, niŜ poziom wody w rzece
infiltrującej.
Przekrój hydrogeologiczny
- graficzne
odwzorowanie warunków hydrogeologicznych
(występowanie poziomów wodonośnych, połoŜenie
zwierciadeł wody, charakter wodoprzepuszczalności skał)
wzdłuŜ obranej płaszczyzny pionowej w związku z
budową geologiczną. Przekrój hydrogeologiczny
opracowuje się na podstawie danych z profili otworów
wiertniczych
oraz
interpretacji
wyników
rozpoznania
hydrogeologicznego terenu.
Profil hydrogeologiczny
- graficzne lub opisowe, punktowe przedstawienie w pionie danych
hydrogeologicznych na tle litologii i stratygrafii.
Mapa hydrogeologiczna
- kartograficzne odwzorowanie warunków występowania, rozprzestrzeniania,
jakości i ilości wód podziemnych. Najprostszą mapą hydrogeologiczną jest rysunek hydroizohips, hydroizobat lub
innych hydroizolinii. Oprócz oznaczeń liniowych, do których naleŜą tez linie graniczne, posługujemy się
oznaczeniami punktowymi, cyframi, literami, szrafurą i barwami.
3
PROJEKT NR 1 – PRZEKRÓJ HYDROGEOLOGICZNY
Wykona
ć
przekrój hydrogeologiczny
wzdłuŜ zadanej linii łamanej.
Skala pozioma przekroju jednakowa z skalą mapy, tzn. 1: 10 000. Skala pionowa 1: 1000. Na przekroju
zaznaczyć
litologi
ę - szrafurą,
charakter wodoprzepuszczalno
ś
ci
- barwą (utwory przepuszczalne w strefie
aeracji na Ŝółto, w strefie saturacji na niebiesko, utwory półprzepuszczalne na pomarańczowo, utwory
nieprzepuszczalne na brązowo),
zwierciadła wód podziemnych
,
kierunki przepływu wód
.
4
PROJEKT NR 2
A
NALIZA
M
APY
H
YDROGEOLOGICZNEJ
Na podstawie mapy hydrogeologicznej w skali 1:200 000 opisa
ć
warunki hydrogeologiczne dla zadanego
miasta.
Dla obszaru zadanego miasta naleŜy określić - opisać:
przynaleŜność do jednostki hydrogeologicznej,
wydzielić piętra i poziomy wodonośne, dla kaŜdego piętra opis: litologia i stratygrafia (z opisu regionów
hydrogeologicznych oraz na podstawie przekroju), zasięg i miąŜszość utworów wodonośnych,
przepuszczalność utworów powierzchniowych i głębokość występowania pierwszego zwierciadła wód
podziemnych – czy istnieje zagroŜenie zanieczyszczenia wód gruntowych?
istniejące ogniska zanieczyszczeń,
głębokość występowania oraz izolację pierwszego uŜytkowego poziomu wodonośnego,
w jakich utworach i o jakiej stratygrafii wstępuje główny poziom uŜytkowy, jaka jest jego wodoprzewodność,
jaki układ hydroizohips,
jakość wód głównego poziomu uŜytkowego,
podać potencjalną wydajność typowego otworu studziennego,
podać głównych uŜytkowników wód podziemnych (objaśnienia do mapy),
oraz wszystkie inne informacje, które moŜna odczytać z zadanej mapy,
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]