1. A földi vízkészlet eredete, körforgása

Átírás

1 Hidrogeológia A földi vízkészlet eredete, körforgása Felszíni vizek A felszín alatti vizek osztályozása Források Darcy törvénye, hidrogeológiai paraméterek (hézagtérfogat, hézagtényezı, k -tényezı, szivárgási sebesség, stb.)

2 1. A földi vízkészlet eredete, körforgása A víz kritikus állapota: 374 o C alatt és 22 MPa nyomás mellett már cseppfolyós. Jelen van: a kéregben és a külsı geoszférában Eredet szerint: juvenilis (ifjú, fiatalos), mely a víz körforgásában nem vesz részt, és vadózus a hidrológiai ciklusban résztvevı típus (kondenzációs, infiltrációs, fosszilis, konszolidációs, vibrációs és izzadmányvíz). A víz mennyisége: 1,36 Md km 3, ennek 97,16%-a a világóceán, 2,22%-a a felszíni víz, 0,62%-a felszínalatti és mindössze ezred %-a a légköri vízkészlet. A vízkészlet állandó körforgásban van, melyet a Nap hıenergiája és a Föld nehézségi erıtere szabályozza és tartja fenn.

3 A víz körforgása

4 A víz körforgása Idı (a légkör pillanatnyi fizikai állapota) idıjárás (elıbbi változása) - éghajlat (egy adott földrajzi hely idıjárási rendszere). Idıjárási (vagy éghajlati) elemek: napsugárzás, léghımérséklet, légnyomás, légmozgás, légköri vízháztartás, jelenségek). A hidrogeológiai jelenségek színtere a litoszféra

5 2. Felszíni vizek óceánok tengerek tavak belvizek jég felszínen lefolyó vizek folyók források

6 Tengerek, óceánok Föld felszínének 71 % tenger/óceán, 29 % szárazföld Szárazföldi földgömb 46 % szárazföld 54 % tenger Tengeri földgömb 12 % szárazföld 88 % tenger

7 Világtengerek sótartalma %o közötti Hıtároló képességük nagy jelentıs befolyással vannak a klímára Ár-apály jelenség Hullámzás, áramlás hatása

8 Tavak Glaciális eredető (pl. Finnország)

9 Tavak Hegyomlás v. lejtıcsúszás hatása (pl. Gyilkos tó)

10 Tavak Folyóvízbıl kiváló mésztufagát (pl. Plitvicei tavak)

11 Tavak Folyók kanyarulatának levágása morotva tavak (pl.: Fadd-Dombori, Gemenc)

12 Tavak Karsztos víznyelık eltömıdése (pl.: Aggteleki tó)

13 Tavak Vulkáni kráterekben, kalderákban (pl.: Szt. Anna tó)

14 Tavak Tektonikus eredető (pl: Bajkál tó, Balaton)

15 Folyók Vízfolyások szakaszai felsı középsı alsó

16 Felsı szakasz erózió Középsı szakasz egyensúly Alsó szakasz feltöltıdés Felsıszakasz jellegő a vízfolyás azon a szakaszon, ahol mély bevágás keletkezett a víz nagy energiája miatt és nagyfokú a hordaléktermelés. A középszakaszon a folyó munkavégzı képessége és hordaléktartalma egyensúlyba van. Az ilyen folyószakaszok önmagukat szabályozzák oly módon, hogy helyi feltöltıdéssel vagy kimosással esésüket és ezzel munkavégzı képességüket hordaléktartalmukhoz igazítják. A vízfolyások e szakasza jellemzıen kanyargós. Alsószakasz jellegő a vízfolyás ott, ahol a víz energiája kicsi, a hordalékot lerakja és a hordalékkúpon mindig másmás úton halad a befogadóba.

17 Vízfolyások szakaszjellege

18

19

20

21 Folyók üledékszállítása: - mederhordalékként - lebegtetve - törmelékfolyásként - vízben oldva Szállítás módja: függ a folyó sebességétıl és az üledék méretétıl

22

23

24 3. A felszín alatti vizek osztályozása 1. A kızetanyaggal szingenetikusan keletkezett víz Szerkezeti (OH - ) víz és kristályvíz (H 2 O a kristályrácsban): csak hevítéssel távozik 2. A szemcsék felületéhez kötött víz (a szemcsefelülettıl távolodva) Adszorbeált (erısen kötött) víz: a felületaktív kızetszemcsékhez kötıdik, vékony felszíni hártya formájában, vastagsága néhányszor 10 vízmolekulaátmérı, sőrősége a kızethez hasonló, belsı nyomása meghaladja a légkör nyomásának negyvenszeresét. Gyengén kötött víz (hártya és kapilláris víz) Hártyavíz: vastagsága néhány száz vízmolekula-átmérı, a vízmolekulák irányítottak, az adszorbeált kationok által gerjesztve Kapilláris: az erısen kötött vízburok és a meniszkuszok által határolt szemcseközi tartomány vize a szegletvíz, ezek összeolvadása a finom kapilláris víz. Függı kapilláris víz: összefüggı vízszál, alul és felül meniszkusszal határolva, ha megindul lefelé szivárgó, ha megreked támaszkodó. Kapilláris emelkedı víz (alul gravitációs víz, innen felfelé emelkedik). 3. Szabadvíz (gravitációs) víz fajtái: talajvíz, rétegvíz, karsztvíz és hasadék / repedések vize

25 Talajvíz Meghatározása: A felszíntıl az elsı nagy kiterjedéső, hidrogeológiai értelemben vett vízzáróig terjedı víztest, melynek felszínén a mindenkori természetes légnyomás mérhetı, vízkémiai tulajdonságai, elhelyezkedése és mozgásának változása viszonylag rövid idın belül követik az idıjárás változásait és a mesterséges beavatkozásokat. Azaz: a neutrális zóna felett kell elhelyezkednie!

26 Talajvíz Talajvízszint: geodéziailag meghatározható, általában a tengerszinthez viszonyított magasság. Piezometrikus (nyomás) szint vagy nyomómagasság nem egyenlı a víztest felsı határfelületével. A víztükör nyomásviszonyai szerint: nyílt (szabad) víztükrő és zárt (nyomás alatti) víztükrő lehet. Nyílt tükrő rendszer: aerációs zóna, kapilláris tartomány, gravitációs tartomány. Zárt tükrő rendszer: ha a talajvízszint a vízáteresztı réteg felsı szintjénél magasabbra emelkedik, azaz a vízzáró leszorítja, nyomás alatt tartja. Ekkor a víztartó réteg fedıszintjén a légnyomásnál nagyobb nyomás van (artézi). A víztükör geometriai alakja, kissé kisimítva követi a domborzatot. Anomáliák: vízdóm, lebegı talajvíz, általajvíz, talajvíz tó, talajvíz választó.

27 A nyílt tükrő talajvíz

28 Talajvíz A talajvíz áramlását a topográfia és a földtani adottság, azaz a terepfelszín és a vízzáró fekü lejtése határozza meg. A felszíni és a felszínalatti vízgyőjtı jelentısen eltérhet egymástól. Az áramlás irányának és sebességének meghatározása fúrásokban történı vízszint és marker észlelés segítségével.

29 Talajvíz Talajvízjárás: napi és évi periodikus vízszint változás, melyet döntıen a csapadék, a párolgás, a felszíni és felszínalatti hozzá és elfolyás és a növényzet párologtatása szabályoz. Napi max. nyáron és ısszel 8-10 cm. Évi max. március-május, min szeptember-november, általában cm, max. 2-2,5 m. Az ingadozás mértéke függ a talajvízszint mélységétıl, a talaj tömörségétıl (hézagtérfogat) és vízáteresztı képességétıl.

30 Folyók hatása a talajvízre

31

32 Rétegvíz Meghatározása: Az elsı regionális kiterjedéső vízzáró réteg alatt elhelyezkedı porózus kızetben tárolt víz, mely rendszerint hidrosztatikus és kızetnyomás alatt áll. Szerepe az ivóvíz ellátásban, bányászati és alagút építésben van.

33 Rétegvíz típusok Hıfok szerint: < 18 C hideg víz C langyos víz C meleg víz 37 C > hévíz Összetétel szerint: egyszerő, ásvány (1000 mg/l-nél nagyobb oldott só vagy biológiailag aktív elem: jód, bróm) és gyógyvíz (vegyi összetétel és/vagy fizikai tulajdonságai révén bizonyítottan gyógyhatású).

34 Rétegvíz típusok Nyomásának a terepszinthez viszonyított helyzete alapján: nyugalmi vízszint a terepszint alatt akkor negatív, ellenkezı esetben pozitív.

35 Rétegvíz típusok Az áramlási rendszer nyomásállapota szerint: a rétegvizek áramlási módja a mikroszivárgás. Megcsapolási (feláramlási) övezet: a piezometrikus nyomás a mélység felé a hidrosztatikusnál nagyobb mértékben növekszik Beszivárgási (utánpótlódási) régió: ha a nyomás lefelé a hidrosztatikusnál kisebb mértékben nı.

36 A rétegvizek jelentısége A rétegvizek az ipari és ivóvíz ellátás jelentıs bázisai, ezen belül is az 1-2 km vastag felsı-pannóniai üledékes rétegek. Intenzív kitermelésükkor jelentıs mértékő felszínsüllyedések tapasztalhatók (pl. Debrecen). Ennek oka a semleges feszültség (a víz által közvetített) csökkenése és a hatékony (fedırétegek súlya) rétegnyomás növekedése.

37 Karsztvíz Meghatározása: A karsztosodó kızetek (mészkı, dolomit, kısó, gipsz) hasadékaiban és üregrendszereiben található gravitációs víz. A karsztosodás lényege: kémiai mállás. Karszt-típusok (a kızet földtani helyzete és településviszonyai alapján): Leszálló, támaszkodó, szabadtükrő Sekély és mélykarszt (az erózió bázishoz viszonyított helyzete alapján) Fedett és nyílt karszt (a vízzáró fedı meglétének függvényében) Szabadszintő és leszorított szintő karszt

38 A karsztosodás folyamata a karbonátos kızetek leülepedése tektonikai igénybevétel hatására összerepedezése a földkéreg mozgása következtében a kızettestek kiemelkedése az erózióbázis fölé a felszín felıl megindul a karsztosodás, mely elsısorban kémiai, másodsorban mechanikai jelenség: H 2 CO 3 + CaCO 3 = Ca(HCO 3 ) 2 utóbbi egy egyensúlyra törekvı reverzibilis folyamat a vízben oldott szabad CO 2 és a víz hımérsékletének függvényében válik ki/oldódik a karbonát keveredési korrózió

39 Karsztvíztípusok

40 A karsztvíz jellegzetességei A karsztvíz mindig kemény víz, benne uralkodnak a hidrogénkarbonátok. Mőszakilag kedvezıtlen vízkılerakódások tapasztalhatók. A vízmozgások a közlekedıedényben szokásoshoz hasonlítanak, gyakran turbulens a vízáramlás, ezért a Darcy törvény itt nem alkalmazható. A felszínnel való közvetlen kapcsolata miatt (nyitott karszt esetén) nagyon érzékeny a felszíni utánpótlásra (pl. csapadék) és a szennyezıdésekre.

41 Források Meghatározása: A felszín alatti vizek koncentrált természetes felszínre bukkanásait forrásoknak nevezzük, amelyeknek három eleme van: vízgyőjtı terület, vízszállító szakasz és a forráskilépés környezete.

42 Források hidrogeológiai szempontból a forrásokat osztályozhatjuk a vizet tározó kızet szerint (pl. karsztforrás, törmelékforrás, rétegforrás, stb.), valamint a szállítási útvonal és a tápterület egymáshoz viszonyított magassági helyzete alapján (pl. leszálló, átbukó, és felszálló forrásokra.

43 A forrás vízjárása A források vízjárását befolyásoló tényezık: A meteorológiai viszonyok A vízgyőjtı terület nagysága, alakja és kızetviszonyai A szállítórendszer hossza és kızetviszonyai A forráskörnyék földtani viszonyai A vízgyőjtı terület és a forrás potenciálkülönbsége

44 A forrás vízjárása A gyakorlat számára fontos a forrás vízjárásának egyenletessége, melyet a megbízhatósági index-szel (wf) jellemzünk (Kessler H. 1954): w F =Q max /Q min Ha a w F = 1 3, akkor a forrás kitőnı, 3 5 igen jó, 5 10 jó, mérsékelt, rossz, >100 igen rossz

45 Darcy törvénye V sz = k * I (V sz = szivárgási sebesség, I = hidraulikus esésgradiens, k = szivárgási tényezı, kızet és folyadékfüggı) Darcy törvénye csak a lamináris (lineáris) szivárgásra jó, szakmailag értelmetlen a szivárgás nélküli és a mikro szivárgási állapotra (pl. agyagokra) és turbulens folyadék áramlásra (pl. karsztvizeknél)

46 Szivárgási ( k ) tényezı Szivárgási ( k ) tényezı - conductivity (cm/sec, m/sec, m/nap): folyadék-függı, más az értéke vízre, illetve más fluidumra, ezért fluidumra a kinematikai viszkozítással és a dielektromos állandóval az értékét korrigálni kell. Erısen függ a szilárd fázis felületaktivitásától is, azonos szemcseméret mellett nagy különbség van a vezetıképességben az agyagásványtartalom minısége és aktiváltsági foka (A) függvényében is (aktiváltság - A szkempton szám) = I p /s<2mm). Ez nagyon fontos lehet a környezetföldtanban, a kıolajföldtanban és a termálvizek kutatásánál is). Áteresztı képesség ( K - tényezı) - permeability (m 2 ): a kızetre jellemzı érték.

47 Szivárgási ( k ) tényezı

48 Vízföldtani kulcsparaméterek #Szivárgási sebesség (V sz ): teljes keresztmetszető folyadékmozgásra vonatkozik. A pórusokban szivárgó víz valóságos sebessége ennél nagyobb. V eff = V sz / n 0 #Víztároló képesség mérıszáma: n porozitás, vagy hézagtérfogat (egységnyi kızettérfogatban lévı hézagok össztérfogata) #Szabad hézagtérfogat - n o, melybıl a garavitációs víz termelhetı ki; e- hézagtényezı (hézagok és a szilárd alkotók térfogatainak aránya) # Az n és n 0 közötti különbség kavicsoknál elhanyagolható, de szemcseméret csökkenésével és az agyagásványok arányának növekedésével rohamosan nı.

49 Vízföldtani kulcsparaméterek A különbözı laza törmelékes üledékek vízadó, víztartó képessége és porozitásuk közötti összefüggés