Wykład nr 5

1. Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 5 Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK Wysokość zasilania infiltracyjnego strefy saturacji Właściwości wód podziemnych

2. Wysokość zasilania infiltracyjnego strefy saturacji Wyznaczenie ilości wody zasilającej przez infiltrację opadów strefę saturacji jest niezbędne do określenia dyspozycyjnych zasobów wód podziemnych Przez wysokość zasilania strefy saturacji rozumiemy objętość wody docierającej do jednostkowej powierzchni warstwy wodonośnej w jednostce czasu. Jednostką wielkości zasilania W jest np. lub jako prędkość przesiąkania na poziomie zwierciadła wody (jednostka) np.

3. Spośród metod stosowanych do wyznaczania wysokości zasilania można wyróżnić • Metody lizymetryczne, pozwalające na punktowe określenie zasilania, • Obliczenie wartości zasilania na podstawie rozwiązania równań opisujących przesiąkanie w strefie areacji, • Określenie wysokości zasilania przez rozwiązanie zagadnienia odwrotnego modelu filtracji warstwy wodonośnej przy znanych parametrach ośrodka, stanach zwierciadła wody gruntowej, oraz warunkach brzegowych i początkowych, • Wyznaczenia zasilania na podstawie znanej eksploatacji studni przy znanej powierzchni studni ( powierzchnia depresji), • Metody hydrologiczne, które generalnie bazują na pomiarach odpływu w rzekach. Pomierzony odpływ rozdziela się na odpływ podziemny i powierzchniowy. Przy ustalonych stanach wody podziemnej stosunek objętości odpływu podziemnego do powierzchniowego zlewni rzeki określa wartość zasilania

4. wysokości zasilania

5. Metoda lizymetryczna

6. Metoda lizymetryczna

7. Przykład obliczania wartości infiltracji zlewni 5 km2 ze średnim opadem rocznym 700mm w której przy powierzchni występują następujące rodzaje gruntów 1.Piaski nieporośnięte 20% 430 mm 2.Piaski w uprawie polowej 25% 350 mm 3.Piaski gliniane porośnięte trawą 15% 280 mm 4.Piaski gliniane pod warzywami 10% 230 mm 5.Gliny nieporośnięte 10% 205 mm 6.Glina piaszczysta i less pod warzywami 20% 80 mm

10. Fizyczne, organoleptyczne, chemiczne, i bakteriologiczne własności wód podziemnych Właściwości fizyczne i organoleptyczne 1 Do cech fizycznych wód podziemnych , istotnych dla ich praktycznego wykorzystania , należą : 1. Temperatura, 2. Przezroczystość i mętność, 3. Barwa, 4. Przewodnictwo elektryczne, 5. Radoczynność Do cech organoleptycznych wód podziemnych , istotnych dla ich praktycznego wykorzystania , należą : zapach i smak

11. 1.1 TEMPERATURA • Temperatura wód podziemnych waha się w granicach 0 – 100 stopni C. • Temperatura wód podziemnych zależy od szeregu czynników , jak: • Szerokość geograficzna, • Wysokość nad poziom morza, • Głębokość pod powierzchnią ziemi, • Prędkość przepływu wody, • Geologiczno – fizyczne właściwości środowiska geologicznego. Temperatura wody wykazuje pewne wahania w zależności od głębokości występowania. Wahania dobowe sięgają do głębokości 0,8 -1,0 m, sezonowe 5-8m, a roczne 15-20 m.

12. Głębokości te zależą od przewodnictwa cieplnego gleby i skał, struktury, wilgotności, pokrycia powierzchni terenu, ekspozycji i nachylenia terenu Na głębokości, w której zanikają wahania temperatur , rozciąga się strefa stałych temperatur , zwana strefą neutralną Temperatura w tej strefie równa jest średniej temperaturze położenia tej miejscowości nad poziomem morza. Poniżej strefy stałych temperatur , temperatura skał, a w ślad za tym także i wody rośnie według wartości stopnia geotermicznego i na określonej głębokości jest zawsze stała. Na tej podstawie możliwe jest obliczenie teoretycznej temperatury wody na zadanej głębokości lub głębokości , z której pochodzi woda o określonej temperaturze .

13. Obliczenie TEMPERATURY wody na zadanej głębokości

15. Z uwagi na temperaturę dzielimy wodę na podstawie kryterium hydrogeologicznego na wody : Chłodne T<tśr Zwykłe T=tśr Ciepłe T>tśr Według kryterium balneologicznego dzielimy wody na Zwykłe T<= 200C Termalne T> 200C Wody termalne dzielą się z kolei w stosunku do temperatury ciała ludzkiego na: Hipotermalne ( pocieplne) T=20 -340C Homeotermalne ( równocieplne) T=340C – 380C Hipertermalne (nadcieplne) T>380C

16. 1.2 PRZEZROCZYSTOŚĆ i MĘTNOŚĆ Przezroczystość wody jest to zdolność przepuszczania prze nią promieni słonecznych. Mętność wody to zdolność absorbowania promieni słonecznych Mętność wywołana jest obecnością zawiesin pyłowych lub koloidalnych pochodzenia mineralnego lub organicznego. W większości przypadków wody podziemne są doskonale przezroczyste. Dużą mętność wykazują wody bagienne oraz wody mioceńskie formacji brunatno-węglowej, w których zawarte są zawiesiny pyłu węgla brunatnego. Oznaczenie przezroczystości polega na określeniu wysokości słupa wody, przez który wzorcowy druk o wysokości liter 1,25 mm daje się przeczytać. Miarą przezroczystości jest wysokość słupa wody w centymetrach, przy którym druk jest wyraźnie i ostro czytelny

17. Mętność oznacza się przez porównanie badanej wody umieszczonej w szklanym cylindrze z odpowiednimi wzorcami mętności. Wzorcami są szklane cylindry z wodą , w której znajdują się drobne zawiesiny ziemi okrzemkowej lub kaolinu o różnej zawartości wyrażonej w miligramach na decymetr sześcienny wody. Wzorzec określa następujące zawartości ziemi okrzemkowej W praktyce często pomija się badania mętności i oznacza się ją przeliczając wyniki badania przezroczystości na odpowiednie wartości mętności wg przybliżonego wzoru:

18. BARWA 1.3 Barwa rzeczywista spowodowana jest wyłącznie rozpuszczonymi w wodzie związkami, Barwa pozorna spowodowana jest mechanicznymi zawiesinami, które mogą być usunięte Barwę oznacza się w skali platynowo-kobaltowej przez porównanie próbki ze wzorcami. Wyniki podaje się w mgPt/dm3 1.4 AKTYWNOŚĆ Źródłem naturalnej radoczynności wód podziemnych są pierwiastki promieniotwórcze należące do szeregów: uranowo-radowego, torowego, antynowego. Jednostką bezwzględną natężenia radoczynności jest 1 bekerel (Bq) , który równa się rozpadowi 1 atomu na sekundę.

19. Aktywność właściwą określa się liczbą bekereli na metr sześcienny wody (Bq/m3) W zależności od natężenia promieniowania wyróżnia się radoczynność: Słabą <80 (Bq/dm3) Średnią 80 -400 (Bq/dm3) Silną 400 – 4000 (Bq/dm3) Radoczynność niektórych źródeł w Polsce

20. 1.5 SMAK • Odczucia smakowe zależą od: • Wrażliwości narządów zmysłu smaku, tzn. kubków smakowych, znajdujących się na języku i oplecionych zakończeniami nerwowymi, • Temperatury wody, • Jakości i ilości rozpuszczonych lub zawieszonych substancji Przy dobrej wrażliwości najmniejsze stężenia potrzebne do wyczucia smaku wynoszą: NaCL ( chlorek sodu, sól kuchenna) 165 mg/dm3 MgSO4 (siarczan magnezu) 250 mg/dm3 KCl ( chlorek potasu) 420 mg/dm3 W zależności od substancji wywołujących smak rozróżnia się następujące rodzaje smaków

21. 1.6 ZAPACH • Wody podziemne są przeważnie bez zapachu. • Jedynie wody płytkie pozostające w ścisłym związku • 1. z bagnami, • moczarami i torfowiskami, • wody zakażone ściekami miejskimi lub przemysłowymi • i niektóre wody mineralne mają mniej lub bardziej intensywny zapach. Rozróżnia się 5 stopni natężenia zapachu – podobnie jak smaku. Woda przy natężeniu 3 stopnia jest niezdatna do picia , przy wyższych stopniach nie można jej również stosować do celów gospodarczych.

22. R

23. Właściwości chemiczne wód podziemnych 2. • Skład chemiczny wód podziemnych zależy przede wszystkim od rodzaju i właściwości skał , przez które woda się przesącza. • Najbardziej rozpowszechnione w wodach podziemnych są : • aniony chloru, siarczanowy, wodorowęglanowy, • kationy sodu, wapnia, amonu, magnezu 2.1 Poza wymienionymi pierwiastkami w wodach podziemnych znajdować się mogą jako mikroelementy : lit, bor, fluor, glin, krzem, miedź, bar, ołów, chrom, arsen, Śladowo mogą występować : rubin, złoto, rtęć, oraz pierwiastki promieniotwórcze: radon, toron, aktynon, rad, tor.

24. Ogólna mineralizacja. Stopień zmineralizowania wody określa się prze ogólną mineralizację, której wskaźnikiem orientacyjnym jest masa suchej pozostałości określająca zawartość nielotnych składników wody 2.2 Ogólna mineralizacja jest nieco zaniżona gdyż w procesie odparowywania i suszenia osadu następuje częściowy rozkład węglanów z wydzieleniem lotnego dwutlenku węgla. Suchą pozostałość wyznacza się przez odparowanie wody i wysuszenie powstałego osadu w temperaturze 1050C Suchą pozostałość oblicza się jako stosunek masy suchego osadu do objętości próbki wody:

25. Według ogólnej mineralizacji dzieli się wody na trzy podstawowe grupy: • Normalne lub słodkie S<500 mg/dm3 • O podwyższonej mineralizacji S=500 do 1000 mg/dm3 • Mineralne S>1000 mg/dm3 2.3 Odczyn wody Hydroliza - reakcja chemiczna polegająca na rozpadzie cząsteczek związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną. W wodach podziemnych które są złożonymi roztworami, wartość stężenia jonów wodorowych pH zależy przede wszystkim od dysocjacji rozpuszczonych składników Dysocjacja elektrolityczna to proces rozpadu cząsteczek związków chemicznych na jony pod wpływem rozpuszczalnika,

26. Symbol pH oznacza logarytm stężenia jonów wodorowych [H+] ze znakiem ujemnych. 1. Podczas hydrolizy soli słabej zasady i słabego kwasu odczyn roztworu pozostaje praktycznie obojętny. 2. Hydroliza soli słabego kwasu i mocnej zasady wytwarza roztwór alkaliczny, 3. a hydroliza soli pochodzącej z mocnego kwasu i słabej zasady wytwarza roztwór kwaśny. Jeżeli pH = -log [H+] = 7 oznacza to, że jej odczyn takiej wody jest obojętny. Zmiana pH na mniejsze od 7 oznacza zmianę odczynu na kwaśny, zaś pH >7 wskazuje na odczyn zasadowy. Odczyn wód naturalnych waha się w granicach pH 4-9 i zależy od wielu czynników: − zawartości węglanów, wodorowęglanów i dwutlenku węgla (wody węglanowe są zasadowe, ubogie w węglany – kwaśne); − charakteru podłoża glebowego, które może zawierać związki o charakterze kwaśnym lub zasadowym; − zanieczyszczeń ściekami; − opadów atmosferycznych, które mogą powodować wzrost ilości słabych i mocnych kwasów w wodach

27. 2.4 Dwutlenek węgla CO2 Źródłem dwutlenku węgla są procesy magmowe i chemiczne , fizjologiczne oraz działalność człowieka. W procesach magmowych i wulkanicznych powstają ogromne ilości dwutlenku węgla, który szczelinami dostaje się do wody podziemnej i łatwo się rozpuszcza. Dwutlenek węgla odgrywa dużą rolę przy rozpuszczaniu niektórych węglanów zwłaszcza wapnia i magnezu. Tlen 2.5 Zawartość tlenu w wodach podziemnych jest bardzo mała. Na pewnej głębokości , zwanej granica tlenową , tlen zupełnie zanika. 2.6 Wapń Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych w wodzie pierwiastkiem. Zawartość wapnia w wodach bliższych powierzchni terenu nie przekracza 1g/dm3

28. 2.7 Magnez Występuje on rzadziej niż wapń i w mniejszych ilościach. Powstaje przez ługowanie dolomitu CaMg(CO3)2 . Przy zawartości ponad 1000 mg/dm3 jest źródłem agresywności magnezowej Twardość wody 2.8 Obecność soli wapniowych i magnezowych w wodzie warunkuje bardzo ważną właściwość chemiczną , zwaną twardością wody. Im większe stężenie jonów Ca2+, Mg2+, tym większa jest twardość wody. Twardość węglanowa nazywana tez przemijającą wywołana jest przez wodorowęglany wapnia i magnezu. Twardość węglanowa w nieznacznym stopniu spowodowana jest obecnością węglanów i wodorotlenków wapnia i magnezu

29. Twardość niewęglanowa ( twardość stała) spowodowana jest obecnością mniej pospolitych soli wapniowych takich jak siarczany i chlorki, rzadziej azotany, fosforany, krzemiany. Sole te nie wytrącają się podczas gotowania Suma twardości węglanowej i niewęglanowej jest twardością ogólną Obowiązująca w Polsce jednostka twardości wody jest jeden mg CaCO3/dm3

30. Węglan wapnia (CaCO3) to białe ciało stałe, trudno rozpuszczalne w wodzie, jednak jest rozpuszczalny w wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla lub w roztworze chlorki amonu (NH4Cl - salmiak). Ma budowę krystaliczną. Temperatura topnienia wynosi 1289oC.W wysokiej temperaturze (ok. 900oC) oraz pod wpływem kwasów rozkłada się na tlenek wapnia (CaO - wapno palone) i dwutlenek węgla (CO2). W wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla przechodzi w wodorowęglan wapnia:CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2 Wody podziemne zawierające CO2 rozpuszczają skały wapienne. Wydostając się na powierzchnię tracą CO2 i wydzielają węglan. Dzięki temu procesowi na ścianach jaskiń powstają stalaktyty i stalagmity.W przyrodzie występuje w postaci: • kalcytu - jest to najtwardsza, krystaliczna postać węglanu wapnia. Może być bezbarwny lub w zależności od domieszek - żółty, różowy, szary. Jest składnikiem wielu skał osadowych (wapieni, margli) oraz metamorficznych (marmurów). Wykorzystywany jest głównie w przemyśle ceramicznym i szklarskim.

31. • aragonitu - pospolity składnik skorupy i szkieletów współczesnych organizmów, główny składnik pereł. Niekiedy tworzy się w skutek procesów hydrotermalnych, krystalizuje z wód gorących źródeł lub tworzy nacieki na jaskiniach. W jubilerstwie jest rzadko stosowany ze względu na miękkość. • kamienia wapiennego • kredy - skała osadowa powstałą w wyniku nagromadzenia dużych ilości wapiennych szkieletów glonów planktonicznych, skorupek otwornic i drobnych nieorganicznych ziaren kalcytu. W Polsce występuje na Wyżynie Lubelskiej. Kamień wapienny wykorzystywany jest do produkcji wapna palonego (reakcja podana jest wyżej) i cementu. Z kredy naturalnej wyrabia się kredę do pisania oraz jest to dodatek w produkcji farb. Tzw. kreda strącona jest używana do wyrobu papieru, kitu, farb, gumy oraz past do zębów.

32. 2.9 Żelazo i mangan Żelazo i mangan występują w wodach podziemnych w niewielkiej ilości. Nieduże ilości , rzędu dziesiętnych mg/dm3 , powodują zmianę smaku wody ( smak atramentu) . W przewodach wodociągowych tworzy się szlamisty osad, który z czasem twardnieje, zmniejsza czynna powierzchnie przepływu aż do całkowitego zatkania rur. Woda z większą zawartością żelaza i manganu nie może być stosowana w pralniach, farbiarniach i przemyśle spożywczym. Wody do picia i celów gospodarczych nie mogą zawierać ogólnego Fe ponad 0,5 mg/dm3 oraz manganu Mn2+ ponad 0,1 mg/dm3 2.10 Jon chlorkowy Należy do najczęściej rozpowszechnionych, towarzyszy jonom sodu i potasu, wywołując zasolenie wód. Wpływa ujemnie na smak i zapach. W wodach pitnych zawartość jonu chlorkowego nie może przekraczać 250 mg CL-/dm3. Obecność wolnego chloru dopuszczalna jest tylko w razie chlorowania wody w ilości 0,3-0,5 mg CL2/dm3 .

33. 2.11 Jon siarczanowy SO42- Głównym jego źródłem jest ługowanie skał siarczanowych - gipsu, anhydrytu, soli magnezowo-potasowych. Często jon siarczanowy dostaje się do płytkich wód podziemnych wskutek rozkładu i utleniania substancji organicznych. Zawartość jego w wodach do picia nie może przekraczać 200 mg SO42- /dm3 W większych ilościach działa agresywnie w stosunku do betonu powodując spęcznienie i spękanie betonu. 2.11 Związki azotowe Występują one w postaci jonów amonowych, jonów azotynowych i azotanowych. Większe ich ilości , rzędu kilku lub kilkunastu mg/dm3 , występują w niektórych wodach płytkich , do których mogą dostać się ze źródeł powierzchniowego zanieczyszczenia. W skutek rozkładu substancji białkowych powstaje , przy współudziale bakterii gnilnych , amoniak. Obecność amoniaku w wodzie płytkiej wskazuje na świeże źródło zanieczyszczenia, równoczesna zaś obecność amoniaku, azotynów i azotanów wskazuje , że woda jest od długiego czasu zanieczyszczana.

34. Zakres badań fizycznych i chemicznych własności wód podziemnych 3. • Określenie podstawowych cech fizycznych i chemicznych jest niezbędne do charakterystyki technicznej i hydrogeologicznej wód podziemnych. • Zakres analizy zależy od celu jakiemu ma służyć i winien być każdorazowo ustalany przez hydrogeologa i technologa. • Orzeczenie o badaniach powinno zawierać następujące informacje : • Dane dot. Laboratorium wykonującego badania, • Osoby, która pobrała próbkę, • Lokalizacja ujęcia, • Czasu i sposobu pobrania próbki, • Ilości i głębokości pobrania wody, • Warstwy wodonośnej Dz.U.2007.61.417 zawiera Rozporządzenie Ministra Zdrowia dotyczące wymagania odnośnie jakości wody do spożycia przez ludzi, częstotliwość i zakres badań wody, program monitoringu jakości wody, sposób nadzoru nad laboratoriami wykonującymi badania jakości wody, oraz sposób informowania konsumentów o jakości wody.

35. Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 5 Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK Wysokość zasilania infiltracyjnego strefy saturacji Właściwości wód podziemnych