Występowanie i rodzaje wód podziemnych

 

Za wody podziemne należy uważać wody występujące pod powierzchnią terenu, czyli w litosferze.

Pod względem występowania wody podziemnej możemy wyróżnić dwie strefy: aeracji oraz saturacji. Granicą między tymi dwoma strefami jest zwierciadło wody podziemnej (patrz rysunek 1).

Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie skały (grunty) mają zdolność do gromadzenia i przewodzenia wody podziemnej. W skale (gruncie) muszą być różnego rodzaju próżnie (pory, szczeliny, kawerny), w którym będzie się zbierać i płynąć woda. Każda ze skał charakteryzuje się inną wodoprzepuszczalnością, czyli zdolnością do przewodzenia wolnej wody na skutek różnicy ciśnienia.

W tabeli nr 1. przedstawiono podział wód w zależności od występowania, natomiast na rysunku nr 1. schematycznie opisano strefę aeracji i saturacji.

Strefa	Typy	Stan fizyczny	Rodzaje
aeracji	wody higroskopijne	wody związane	wody porowe   wody szczelinowe   wody krasowe
	wody błonkowate
	wody kapilarne
	wody wsiąkowe	wody wolne
	wody zawieszone
saturacji	wody przypowierzchniowe
	wody gruntowe
	wody wgłębne
	wody głębinowe

Tabela nr 1. Podział wód podziemnych [Pazdro Z., Kozerski B., 1990]

Za wody występujące w strefie aeracji (związane) należy uważać wodą higroskopijną, wodę błonkowatą oraz wodę kapilarną. Wody te nie mają znaczenie użytkowego stąd nie zostaną szerzej opisane.

Za wody wolne (zwane też grawitacyjnymi) można uważać wodę wsiąkową i wodę zawieszoną.

Woda wsiąkowa pochodzi z infiltracji opadów atmosferycznych oraz topniejącej pokrywy śnieżnej lub lodu w podłoże gruntowe na skutek sił grawitacji. Część wody wsiąkowej zostaje wykorzystana do uzupełnienia wód w strefie aeracji (błonkowej, higroskopijnej) natomiast pozostała dociera do strefy saturacji i zasila wody gruntowe. Jeśli po drodze infiltracji wód opadowych w głębsze podłoże w strefie gruntów charakteryzujących się wysoką wodoprzepuszczalnością znajduje się soczewka, przewarstwienie gruntów trudno przepuszczalnych lub nieprzepuszczalnych to w sprzyjających warunkach mogą się tam gromadzić wody wsiąkowe tworząc tzw. wody zawieszone.

Na rysunku nr 2. poglądowo przedstawiono występowanie wód zawieszonych.

Wody zawieszone można zaobserwować tylko w sprzyjającym układzie warstw geologicznych. Jeśli głębokość ich występowania jest dosyć płytko to w okresie suszy hydrologicznej (w okresie letnich upałów) najczęściej dochodzi do całkowitego jej wyparowania i zaniku. Takie, pojawiające się i znikające, wody zawieszone nazywamy wodami przemijającymi.
Za wody występujące w strefie saturacji (wolne) należy uważać wody: przypowierzchniowe, gruntowe, wgłębne, głębinowe.

Wody przypowierzchniowe (zaskórne) występują bardzo płytko pod powierzchnią ziemi, gdzie strefy aeracji nie ma lub jest bardzo niewielka. Zwierciadło wody występuje od kilku do kilkudziesięciu centymetrów od powierzchni terenu. Wody te powstają wtedy, gdy w podłożu strop osadów trudno i słabo przepuszczalnych jest bardzo płytko. Charakterystyczne obszary występowania tych wód to: strefa wietrzenia skał (zwietrzeliny), bezodpływowe zagłębienia terenu, terasy rzek, obszary deltowe, bagna, torfowiska. Ze względu na płytkie występowanie tych wód ich obecność oraz wahania są bezpośrednio związane z opadami atmosferycznymi oraz generalnie z klimatem.

Wody gruntowe są to wody najbardziej charakterystyczne dla strefy saturacji i oddzielone od powierzchni ziemi przepuszczalną strefą aeracji, której miąższość wynosi co najmniej od kilkudziesięciu centymetrów do kilkudziesięciu metrów (przeważnie od 1,0 do kilku metrów). Zasilanie tych wód również następuje poprzez infiltrację opadów atmosferycznych, ale zasilanie jest opóźnione o czas przesączania się wód opadowych przez strefę aeracji. Wody podlegają nieznacznym wahaniom temperatury do około 20 m od powierzchni terenu. Poniżej tej głębokości mają stałą temperaturę odpowiadającą średniej temperaturze rocznej danej miejscowości [Pazdro Z. Kozerski B., 1990].

Wody wgłębne są przykryte utworami nieprzepuszczalnymi lub trudno przepuszczalnymi i zalegają przeważnie na większej głębokości. Zasilanie tego poziomu odbywa się na skutek infiltracji opadów atmosferycznych np. w miejscach wychodni warstw wodonośnych lub przeważnie na skutek przesączania się wód podziemnych z wyżej ległych warstw wodonośnych (rysunek nr 6). Czasami wody wgłębne są w kontakcie / więzi hydraulicznej z wodami gruntowymi na skutek istnienia tzn. okien hydrogeologicznych (rysunek nr 3).

Wody głębinowe zalegają bardzo głęboko pod powierzchnią terenu i przykryte są wieloma kompleksami utworów nieprzepuszczalnych. Wody głębinowe są pod dużym ciśnienie hydrostatycznym wynikającym z ciężaru wyżej leżących skał (w geologii pod pojęciem skały rozumiemy również grunty spoiste np. gliny i niespoiste np. piaski).

Na rysunku nr 5 przedstawiono schematycznie rodzaje wód podziemnych w strefie saturacji.

Na rysunku nr 5 przedstawiono występowanie wód podziemnych w strefie saturacji w najprostszym modelu. Jednak należy jeszcze wspomnieć o mniej typowych przykładach występowania wód gruntowych, a dość często spotykanych:

• nawodnionych soczewach piaszczystych; 
• sączenia wód w obrębie osadów spoistych.

Nawodnione soczewki piaszczyste w obrębie osadów spoistych (glin morenowych, utworów zastoiskowych jak i iłów neogeńskich) charakteryzują się zmienną miąższością (od kilkudziesięciu cm do kilku metrów), które nie tworzą ciągłej warstwy wodonośnej. Soczewki te są przeważnie nawodnione, a zwierciadło wody występuje pod naporem, chociaż zwierciadło może być również swobodne lub soczewki mogą nie zawierać wody, ale przypadki takie zdarzają się sporadycznie. Ustabilizowane zwierciadło wody w obrębie kilku soczewek a danym terenie ma tendencję do stabilizacji na zbliżonym poziomie, ale również zdarzają się soczewki zupełnie izolowane od siebie i ustabilizowane zwierciadło występuje na zmiennych poziomach (schemat występowania sączeń przedstawiono na rysunku nr 6). 

Zarówno w osadach morenowych i zastoiskowych występują sączenia wód gruntowych. Najczęściej takie wody pojawiają się w glinach morenowych z przewarstwieniami piaszczystymi gdzie miąższość przewarstwień piaszczystych wynosi do kilku centymetrów. Sączenia powstają na skutek infiltracji wód opadowych lub roztopowych w podłoże gruntowe. Intensywność sączeń jest wypadkową ilości i grubości przewarstwień gruntów piaszczystych w obrębie osadów spoistych oraz ilości wód infiltrujących. W okresach suszy sączenia mogą całkowicie zanikać, co może powodować błędne wnioski o obecności tych wód.

Podstawowe znaczenie dla realizacji i eksploatacji ujęć wód podziemnych dla potrzeb gospodarstw mają wody gruntowe, które przeważnie występują do 20-30 metrów od powierzchni terenu. Na rysunku nr 7 przedstawiono przykłady wód gruntowych, które można ująć dla potrzeb indywidualnego zapotrzebowania w wodę. Ze względu na występowanie wód gruntowych można wydzielić jego poszczególne poziomy np. pierwszy  poziom (najpłycej występującego od powierzchni ziemi), drugiego i trzeciego poziomu itd. (patrz rysunek nr 7).

Wody wgłębne i głębinowe (występujące na większych głębokościach powyżej 20-30 m pod powierzchnią terenu) mają znaczenie w przypadku realizacji ujęć dla potrzeb zbiorowego zaopatrzenia w wodę lub ujęć o większej wydajności.

Zasada przepływu (dynamiki) wód podziemnych

Przez dynamikę wód podziemnych rozumiemy przepływ tych wód ze stref zasilania do stref drenażu. Wody podziemne pierwszego poziomu wodonośnego są w powolnym, ale ciągłym ruchu. Ruch wód odbywa się dzięki sile grawitacji.

Gdy woda atmosferyczna dociera do powierzchni ziemi następuje ich dystrybucja: część bezpośrednio paruje, część paruje przez rośliny, część zostaje wchłonięta przez rośliny, część bezpośrednio spływa do wód powierzchniowych i część, która nas najbardziej interesuje, infiltruje w podłoże gruntowe (wsiąkanie wody pochodzącej z opadów, z cieków i zbiorników oraz kondesacji pary wodnej w głąb ziemi nazywamy infiltracją [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]). Woda dociera, po czasie zależnym od miąższości strefy aeracji i gruntów, z jakich jest zbudowana ta strefa, do zwierciadła wody gruntowej i dalej następuje jej przepływ do rejonów o niższym ciśnieniu, do baz drenażowych, jakim są rzeki lub akweny. Opisany schemat krążenia wody jest związany z obiegiem wody w przyrodzie, o którym można przeczytać więcej w pozycjach [Pazdro Z. Kozerski B., 1990], [Macioszczyk A., 2006].

Woda opadowa po pokonaniu strefy aeracji dociera do strefy saturacji, gdzie gromadzi się w warstwie wodonośnej. Warstwę wodonośną stanowią utwory skalne o znacznym rozprzestrzenieniu i określonej miąższości [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. Warstwa wodonośna jest zbudowana ze skał zdolnych do gromadzenia wody wolnej oraz jej przewodzenia i oddawania. Skały takie nazywamy wodonoścami [Pazdro Z., Kozerski B., 1990]. Woda może się gromadzić w porach, szczelinach lub kawernach. Warstwa wodonośna jest podścielona skałami słabo przepuszczalnymi lub nieprzepuszczalnymi, natomiast jej ograniczenie od góry stanowi również warstwa skał trudno przepuszczalnych lub zwierciadło wody. Miąższość warstwy wodonośnej stanowi odległość między jest spągiem a stropem.

Zasilanie wód podziemnych

Zasilanie poziomu wodonośnego wód gruntowych odbywa się na skutek infiltracji opadów atmosferycznych. Woda opadowa docierając do powierzchni ziemi infiltruje w głębsze podłoże na skutek siły ciężkości. Ilość wód infiltrujących jest zależna od rodzaju podłoża i dla gruntów o wysokiej wodoprzepuszczalności (np. piaski) ilość infiltrujących wód może sięgać 30%, natomiast, gdy w podłożu mamy grunty o niskiej wodoprzepuszczalności (np. gliny czy iły) to wynosi kilka procent [Pazdro Z., Kozerski B., 1990). Na ilość wód infiltrujących ma również wpływ charakter deszczu. W tabeli nr 3 [Macioszyk A., 2006] przedstawiono udział infiltracji wód w stosunku do sumy opadów.

Tabela nr 3. Wpływ intensywności deszczu na wartość infiltracji

Charakter deszczu	Wysokość opadu [mm]	Wartość infiltracji [mm]	Udział infiltracji w stosunku do sumy opadu [%]
Opad nawalny	80	6,6	8,3
Opad kilkudniowy	26	13	50
Opad długotrwały trwający 40 dni	118	104	88

Zasilanie wód podziemnych następuje również poprzez kondesację pary wodnej w strefie aeracji, ale w naszej strefie klimatycznej nie ma to większego znaczenia [Pazdro Z., Kozerski B., 1990].

Do głównych czynników wpływających na infiltrację opadów atmosferycznych należy wymienić [Macioszczyk A., 2006]: temperaturę powietrza, niedosyt wilgotności powietrza, wiatry, morfologia terenu, przepuszczalność powietrza, pokrycie terenu szatą roślinną, działalność człowieka.

Zasilanie wód podziemnych może również odbywać się z innych poziomów wodonośnych. Zasilanie takie następuję najczęściej poprzez przesączanie wód z wyżej ległego poziomu wodonośnego lub z niżej ległego poziomu wodonośnego na skutek różnicy ciśnień (rysunek nr 9). Innym przypadkiem zasilania jest zasilanie boczne np. w skutek wcięcia się doliny rzecznej na obszarach wysoczyznowych, gdzie występuje warstwa wodonośna. Wody gruntowe występujące w piaskach aluwialnych są zasilane bezpośrednio wodami poziomu wgłębnego (rysunek nr 10).

Z pojęciem zasilania wiąże się termin okien hydrogeologicznych. Lokalną przerwę w ciągłości utworów nieprzepuszczalnych rozdzielających utwory przepuszczalne nazywamy oknem hydrogeologicznym [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. W rejonie okna hydrogeologicznego ciśnienie dwóch poziomów wodonośnych jest na tym samym poziomie i mówimy wtedy o więzi hydraulicznej (rysunek nr 5).

Drenaż wód podziemnych

Przez drenaż wód podziemnych rozumiemy wypływ wód podziemnych z poziomu wodonośnego na skutek procesów naturalnych (przez źródła, silne spękane strefy dyslokacyjne, doliny rzeczne i cieki wód powierzchniowych, wody stojące) lub wywołanych  sztucznie (ujęcia wód podziemnych, odwadnianie kopalń i głębokich wykopów) [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996].

Wody podziemne są drenowane przez wody powierzchniowe: cieki, wody stojące czy morza. Cieki głęboko wcinają się w podłoże gruntowe, stąd wody podziemne spływają w ich kierunku i następuje połączenie z wodami powierzchniowymi (rysunek 11). Dopływ wód podziemnych powoduje, że w okresach bezdeszczowych następuje przepływ w rzekach [Pazdro Z., Kozerski B., 1990]. Najniżej położone w danym obszarze zwierciadło wody powierzchniowej stanowi bazę drenażu wód podziemnych. Obszar, z którego wody podziemne spływają do wspólnej bazy drenażu to zlewnia [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. Bardzo często zlewnia wód powierzchniowych i wód podziemnych mają zbliżony kształt, gdzie jednak wododziały wód podziemnych mogą się zmieniać w zależności od poziomu wód podziemnych [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996].

Na niektórych swoich odcinkach rzeka może oddawać wodę na rzecz wód podziemnych. Wtedy hydroizohipsy są wygięte w dół rzeki (rysunek nr 14). W Polsce zdecydowana większość rzek ma charakter drenujący, a jedynie w specyficznych warunkach hydrogeologicznych dochodzi do oddawania wody przez rzekę. Rzeki mogą również infiltrować okresowo – w czasie wysokich stanów wody [Macioszczyk A., 2006]. W okresach powodziowych oprócz infiltracji wód powierzchniowych dochodzi również do piętrzenia wód podziemnych.

Miejscami, gdzie dochodzi do drenażu wód podziemnych są również źródła. Źródłem nazywamy samoczynny, naturalny i skoncentrowany wypływ wody podziemnej [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. Źródło powstaje wtedy, gdy warstwa wodonośna jest przecięta przez powierzchnię terenu. W przypadku nieskoncentrowanego wypływu wody mamy do czynienia z: młakami, wyciekami lub wysiękami [Macioszczyk A., 2006).

Przepływ wód podziemnych

Podstawowym wzorem w hydrogeologii jest Prawo Darcy’ego, czyli ilość wody przepływającej przez ośrodek porowy w jednostce czasu jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego, przekroju poprzecznego ośrodka filtracyjnego i współczynnika filtracji [Pazdro Z., Kozerski B., 1990).

Q=k l A

gdzie:
Q – natężenie przepływu [m3/d];
k – współczynnik filtracji [m/d];
I – spadek hydrauliczny [-];
A – powierzchnia przekroju [m2].

Prawo Darcy’ego wyraża liniową zależność prędkości filtracji od spadku hydraulicznego i można zapisać w postaci wzoru:

v=k l

gdzie:
v – prędkość filtracji [m/d];
I – spadek hydrauliczny [-].

Zwierciadło wód podziemnych. Spadek hydrauliczny

Zwierciadło wód podziemnych jest to powierzchnia oddzielająca strefę saturacji od strefy aeracji [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. W przypadku, gdy warstwa wodonośna nie jest ograniczona od góry osadami nieprzepuszczalnymi (lub trudno przepuszczalnymi) to mówimy o zwierciadle swobodnym, natomiast, gdy jest ograniczona osadami nieprzepuszczalnymi (lub trudno przepuszczalnymi) to przeważnie jest zwierciadło naporowe (napięte). Jeśli zwierciadło wody stabilizuje się ponad powierzchnię terenu mówimy o zwierciadle artezyjskim, jeśli pomiędzy stropem warstwy wodonośnej a powierzchnią terenu wtedy jest to zwierciadło subartezyjskie (rysunek nr 16).

Na rysunku nr 15. zaznaczono również zwierciadło piezometryczne, które jest powierzchnią wyznaczoną przez ciśnienie wody naporowej. Zwierciadło piezometryczne jest inaczej nazywane zwierciadłem statycznym, gdyż powstaje w wyniku naturalnego ciśnienia hydrostatycznego. W przypadku pompowania wody (lub wtłaczania wody do warstwy wodonośnej) następuje obniżenie zwierciadła lub podniesienie i wtedy mówimy o zwierciadle dynamicznym [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996].  Woda gruntowa znajduje się w ciągłym ruchu, zwierciadło wody jest nachylone, a różnicę wysokości hydraulicznej między dwoma punktami położonymi na jednej linii prądu (na kierunku maksymalnego spadku) w warstwie wodonośnej, przypadającej na jednostkową odległość między tymi punktami nazywamy gradientem hydraulicznym [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996] lub spadkiem hydraulicznym [Pazdro Z., Kozerski B., 1990].

gdzie:
h – wysokość słupa wody nad poziomem odniesienia (najczęściej wysokość bezwzględna w m n.p.m.);
I – odległość odcinka między dwoma punktami, gdzie zmierzono wysokość słupa wody.

Z prawa Darcy’ego wynika, że czym większy spadek tym większa prędkość ruchu wody podziemnej w kierunku bazy drenażowej.

Współczynnik filtracji

Współczynnik filtracji określany również, jako współczynnik wodoprzepuszczalności jest parametrem wyrażającym przepuszczalność ośrodka izotropowego dla płynu jednorodnego, za jaki przyjmuje się zwykłą wodę podziemną. Fizycznie wyraża prędkość filtracji przy spadku hydraulicznym równym jedności pod warunkiem, że filtracja (przepływ wody podziemnej) podlega liniowemu prawu Darcy’ego [Kleczkowski S.A., Różkowski A., 1996]. Współczynnik filtracji oznacza się małą literką „k”, a jednostka to m/s, m/h lub m/d, gdzie m/s oraz m/h jest najczęściej stosowana przez hydrogeologów, a jednostka m/d przez inżynierów.

Wahania wód gruntowych

Chwilowe położenie zwierciadła wód podziemnych jest wypadkową oddziaływania wielu czynników i generalnie wynika z równowagi pomiędzy zasilaniem a ubytkiem. W naturalnych warunkach zasilanie płytkiego poziomu odbywa się poprzez infiltrację opadów atmosferycznych w podłoże, a ubytek poprzez drenaż do cieków oraz ewapotranspirację. W przypadku wód gruntowych znajdujących się w bliskim sąsiedztwie cieku (terasa zalewowa) na głębokość położenia zwierciadła wody podziemnej wpływ ma przede wszystkim poziom wody w rzece.

Wahania zwierciadła oraz charakter przepływu wód podziemnych zależą od warunków litologicznych oraz od morfologii terenu.

W tabeli nr 3 zestawiono zakresy wahań zwierciadła wody w zależności od geomorfologii i warunków litologicznych dla miasta Poznania [Nyćkowiak M., Troć M., Wojtasik A.T., Łęcki P., 2012].

Tabela nr 3. Syntetyczne zestawienie wyników badań

Sytuacja geomorfologiczna	Charakter występowania wody podziemnej / warunki geologiczne	Typowy zakres wahań zwierciadła wód gruntowych
równina dennomorenowa	sącz. / gliny morenowe	0,57÷3,37 m
równina sandrowa	zw. swob. / piaski wodnolodowcowe	0,89÷1,39 m
strefa zboczona dolin rzecznych	zw. swob. napor. sącz. / piaski lub nasypy na glinach lub iłach	0,26÷4,01 m
terasa nadzalewowa doliny Warty	zw. swob. / piaski na glinach sącz. / gliny morenowe	0,14÷1,31 m
terasa zalewowa doliny rzeki Warty	zw. swob. / piaski aluwialne	1,27÷5,40 m

zw. swob. – swobodne zwierciadło wody gruntowej;
zw. napor. – naporowe zwierciadło wody gruntowej;
sącz. – sączenia wody gruntowej z przewarstwień piaszczystych w obrębie glin.

Wykorzystane materiały
[1]. Kleczkowski S.A., Różkowski A. (redakcja naukowa) „Słownik hydrogeologiczny”, Wydawnictwo TRIO, Warszawa 1996 r.
[2]. Macioszczyk A. (redakcja naukowa), „Podstawy hydrogeologii stosowanej” Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006 r.
[3]. Marciniak M., Przybyłek J., Herzig J., Szczepańska J. „Badania współczynnika filtracji utworów półprzepuszczalnych” UAM w Poznaniu, AGH w Krakowie, Poznań – Kraków, maj 1999 r.
[4]. Nyćkowiak M., Troć M., Wojtasik A.T., Łęcki P., „Badania wahań zwierciadła wody gruntowej” Inżynieria Budownictwa Nr 1/2012.
[5]. Pazdro Z., Kozerski B., „Hydrogeologia” Wydanie IV uzupełnione, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1990 r.