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.)
1. A földi vízkészlet eredete, körforgása • A víz kritikus állapota: 374oC 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 km3, 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.
A víz körforgása
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
2. Felszíni vizek • • • • • • • •
óceánok tengerek tavak belvizek jég felszínen lefolyó vizek folyók források
Tengerek, óceánok Föld felszínének 71 % tenger/óceán, 29 % szárazföld
„Szárazföldi földgömb” 46 % szárazföld 54 % tenger
„Tengeri földgömb” 12 % szárazföld 88 % tenger
• Világtengerek sótartalma 33-37 %o közötti • Hıtároló képességük nagy – jelentıs befolyással vannak a klímára • Ár-apály jelenség • Hullámzás, áramlás hatása
Tavak • Glaciális eredető (pl. Finnország)
Tavak • Hegyomlás v. lejtıcsúszás hatása (pl. Gyilkos tó)
Tavak • Folyóvízbıl kiváló mésztufagát (pl. Plitvicei tavak)
Tavak • Folyók kanyarulatának levágása – morotva tavak (pl.: Fadd-Dombori, Gemenc)
Tavak • Karsztos víznyelık eltömıdése (pl.: Aggteleki tó)
Tavak • Vulkáni kráterekben, kalderákban (pl.: Szt. Anna tó)
Tavak • Tektonikus eredető (pl: Bajkál tó, Balaton)
Folyók Vízfolyások szakaszai felsı
középsı alsó
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.
Vízfolyások szakaszjellege
• Folyók üledékszállítása: - mederhordalékként - lebegtetve - törmelékfolyásként - vízben oldva
Szállítás módja: függ a folyó sebességétıl és az üledék méretétıl
3. A felszín alatti vizek osztályozása 1. A kızetanyaggal szingenetikusan keletkezett víz • Szerkezeti (OH-) víz és kristályvíz (H2O 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
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!
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.
A nyílt tükrő talajvíz
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.
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 70-90 cm, max. 2-2,5 m. Az ingadozás mértéke függ a talajvízszint mélységétıl, a talaj tömörségétıl (hézagtérfogat) és vízáteresztı képességétıl.
Folyók hatása a talajvízre
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.
Rétegvíz típusok • Hıfok szerint: < 18 °C hideg víz 15-25 °C langyos víz 25-37 °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).
Rétegvíz típusok Nyomásának a terepszinthez viszonyított helyzete alapján: nyugalmi vízszint a terepszint alatt akkor negatív, ellenkezı esetben pozitív.
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.
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.
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
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: • H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2 • utóbbi egy egyensúlyra törekvı reverzibilis folyamat • a vízben oldott szabad CO2 és a víz hımérsékletének függvényében válik ki/oldódik a karbonát • keveredési korrózió
Karsztvíztípusok
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.
Források Meghatározása: A felszín alatti vizek koncentrált természetes felszínre bukkanásait forrásoknak nevezzük, amelyeknek három eleme van: vízgyőjtı terület, vízszállító szakasz és a forráskilépés környezete.
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.
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
A forrás vízjárása • A gyakorlat számára fontos a forrás vízjárásának egyenletessége, melyet a megbízhatósági index-szel (wF) jellemzünk (Kessler H. 1954):
wF=Qmax/Qmin • Ha a wF = 1 – 3, akkor a forrás kitőnı, 3 – 5 igen jó, 5 – 10 jó, 10 – 20 mérsékelt, 20 – 100 rossz, >100 igen rossz
Darcy törvénye Vsz = k * I – (Vsz = 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)
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) = Ip/s<2mm). Ez nagyon fontos lehet a környezetföldtanban, a kıolajföldtanban és a termálvizek kutatásánál is).
• Áteresztı képesség (“K”- tényezı) - permeability (m2): a kızetre jellemzı érték.
Szivárgási (“k”) tényezı
Vízföldtani kulcsparaméterek #Szivárgási sebesség (Vsz): teljes keresztmetszető folyadékmozgásra vonatkozik. A pórusokban szivárgó víz valóságos sebessége ennél nagyobb. Veff = Vsz / n0 #Víztároló képesség mérıszáma: n – porozitás, vagy hézagtérfogat (egységnyi kızettérfogatban lévı hézagok össztérfogata) #Szabad hézagtérfogat - no, melybıl a garavitációs víz termelhetı ki; e- hézagtényezı (hézagok és a szilárd alkotók térfogatainak aránya) # Az n és n0 közötti különbség kavicsoknál elhanyagolható, de szemcseméret csökkenésével és az agyagásványok arányának növekedésével rohamosan nı.
Vízföldtani kulcsparaméterek
A különbözı laza törmelékes üledékek vízadó, víztartó képessége és porozitásuk közötti összefüggés
