50
1 Sadržaj: 3.2.1.5. Izdašnost zdenca na osnovi podataka testiranja ………………………………………. 2 3.2.1.6. Stacionrno stanje ………………………………………………………………………….. 5 3.2.1.7. Nestacionarno stanje ……………………………………………………………………… 8 3.2.1.8. Programiranje pokusnog crpenja ………………………………………………………… 10 3.2.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti u laboratoriju ………………………………………… 14 3.3. Ostali hidrogeološki parametri vodonosnika ………………………………………………………. 17 3.3.1. Određivanje stvarne brzine podzemne vode …………………………………………………. 17 3.3.2. Karakteristika toka podzemne vode s obzirom na stanje u vodonosniku …………………. 22 3.3.3. Hidrodinamičke deformacije vodonosnika ……………………………………………………. 24 3.3.3.1. Sufozija ………………………………………………………………………………………. 25 3.3.3.2. Kolmatacija ………………………………………………………………………………….. 26 3.3.3.3. Erozija ………………………………………………………………………………………... 26 3.3.3.4. Hidraulički slom …………………………………………………………………………….. 27 3.3.4. Gospodarenje i bilanca podzemnih voda ……………………………………………………… 28 3.3.5. Kakvoća podzemne vode ………………………………………………………………………... 29 3.3.5.1. Kemijski sastojci padalina …………………………………………………………………. 30 3.3.5.2. Utjecaj tla i biljnog pokrova na sastav podzemne vode ………………………………… 30 3.3.5.3. Utjecaj vodonosnika na sastav podzemne vode ………………………………………… 31 3.3.5.4. Podzemne vode osnovnih hidrogeoloških sredina ……………………………………… 32 3.3.5.5. Procesi formiranja kemijskog sastava podzemne vode ………………………………… 36 3.3.5.6. Prisutnost mikroorganizama u podzemnoj vodi …………………………………………. 46 3.3.5.7. Fizičke značajke podzemne vode ………………………………………………………… 49

HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

1

Sadržaj:

3.2.1.5. Izdašnost zdenca na osnovi podataka testiranja ………………………………………. 2 3.2.1.6. Stacionrno stanje ………………………………………………………………………….. 5 3.2.1.7. Nestacionarno stanje ……………………………………………………………………… 8 3.2.1.8. Programiranje pokusnog crpenja ………………………………………………………… 10

3.2.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti u laboratoriju ………………………………………… 14 3.3. Ostali hidrogeološki parametri vodonosnika ………………………………………………………. 17

3.3.1. Određivanje stvarne brzine podzemne vode …………………………………………………. 17 3.3.2. Karakteristika toka podzemne vode s obzirom na stanje u vodonosniku …………………. 22 3.3.3. Hidrodinamičke deformacije vodonosnika ……………………………………………………. 24

3.3.3.1. Sufozija ………………………………………………………………………………………. 25 3.3.3.2. Kolmatacija ………………………………………………………………………………….. 26 3.3.3.3. Erozija ………………………………………………………………………………………... 26 3.3.3.4. Hidraulički slom …………………………………………………………………………….. 27

3.3.4. Gospodarenje i bilanca podzemnih voda ……………………………………………………… 28 3.3.5. Kakvoća podzemne vode ………………………………………………………………………... 29

3.3.5.1. Kemijski sastojci padalina …………………………………………………………………. 30 3.3.5.2. Utjecaj tla i biljnog pokrova na sastav podzemne vode ………………………………… 30 3.3.5.3. Utjecaj vodonosnika na sastav podzemne vode ………………………………………… 31 3.3.5.4. Podzemne vode osnovnih hidrogeoloških sredina ……………………………………… 32 3.3.5.5. Procesi formiranja kemijskog sastava podzemne vode ………………………………… 36 3.3.5.6. Prisutnost mikroorganizama u podzemnoj vodi …………………………………………. 46 3.3.5.7. Fizičke značajke podzemne vode ………………………………………………………… 49

Page 2: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

2

3.2.1.5. Izdašnost zdenca na osnovi podataka testiranja Podaci koji se dobivaju za vrijeme testiranja vodonosnika na ispitivanom zdencu i eventualno pratećim opažačkim objektima koriste se, uz ostalo, i za proračune izdašnosti, istraživanje mogućnosti trajne eksploatacije zdenca, te proračune osnovnih hidrogeoloških parametara vodonosnika, među kojima je na prvom mjestu određivanje hidrauličke provodljivosti. Jedna od osnovnih značajki eksploatacijskog zdenca je njegova izdašnost, odnosno kapacitet. To je količina podzemne vode koja se može crpiti u jedinici vremena. Izdašnost ovisi o konstrukciji zdenca, vodonosniku, te o općim hidrogeološkim uvjetima kaptirane vodonosne sredine. U praksi se rabi izraz maksimalna izdašnost, koja se može ostvariti crpenjem, te maksimalno dozvoljena izdašnost, koja se smije trajno crpiti s obzirom na konstrukciju zdenca i karakteristike vodonosnika. Sasvim je jasno da je izdašnost zdenca u funkciji od ostvarenog sniženja u tijeku njegove eksploatacije (Slika 3.10.). Na navedenoj je slici uz grafički prikaz ovisnosti izdašnosti o sniženju dan i odnos specifične izdašnosti o ostvarenom sniženju. Specifična izdašnost ili specifični kapacitet zdenca je količina vode u jedinici vremena po jediničnom ostvarenom sniženju, a izražava se najčešće u m3/s/m'. Izdašnost zdenca ovisi o tome da li je filtarskom konstrukcijom kaptiran otvoreni, odnosno zatvoreni vodonosnik, te da li je zahvaćen čitav ili samo jedan njegov dio. Zdenac kojim je kaptiran čitav vodonosnik naziva se savršeni zdenac, a u slučaju parcijalnog zahvaćanja radi se o nesavršenom zdencu.

Slika 3.10. Zavisnost izdašnosti i specifične izdašnosti zdenca o sniženju (Anon)

Page 3: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

3

Strujna slika i ekvipotencijalne linije u neposrednoj blizini zdenca bitno su drugačije kod potpunog nego kod parcijalnog zahvaćanja zatvorenog vodonosnika (Slika 3.11.). Strujna slika i ekvipotencijalne linije oko crpenog zdenca kojim je kaptiran otvoreni vodonosnik, prikazane su na slici 3.12.

Page 4: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

4

Prikazi parcijalno kaptiranih vodonosnika jasno nameću zaključak da izdašnost zdenca u značajnoj mjeri ovisi o dubinskom intervalu koji je zahvaćen filtarskom konstrukcijom zdenca. Na slici 3.13. izražena je nizom krivulja zavisnost maksimalne izdašnosti zdenca prema postotku vodonosnika koji je zahvaćen ugrađenim filtrom odnosno dijela nezacijevljene bušotine. Vrste testiranja i primijenjene analize ovise o razlogu zbog čega se provodi testiranje vodonosnika i samog zdenca. U osnovi koriste se dva tipa formula, s obzirom na postignuto stanje u vodonosniku, a to su stacionamo i nestacionamo stanje u vodonosniku.

Slika 3.10. Zavisnost izdašnosti zdenca o postotku zahvaćenosti vodonosnika (Anon)

Page 5: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

5

3.2.1.6. Stacionarno stanje Stacionarno stanje znači da je konstantnom crpenom količinom na testiranom zdencu ostvaren stacionaran konus depresije (pri konstantnoj crpenoj količini razina podzemne vode se stabilizirala), a to će biti ostvareno pri slijedećim uvjetima: 1) Vodonosnik nema granica prostornog rasprostiranja, što znači da je sloj praktično beskonačan. Kako je to u praksi rijetko prisutno, jedan razlog testiranju i jest utvrđivanje rubnih uvjeta rasprostiranja vodonosnika. 2) Vodonosnik je jedinstvene debljine, odnosno saturiranosti. 3) Vodonosnik je homogen i izotropan. Veoma mali broj vodonosnika u prirodi zadovoljava ovaj uvjet, no primjenjivi su obrasci za proračune sve dok se vodonosnik crpi manjim količinama. U heterogenim vodonosnicima, kao što su vapnenci, mogu se koristiti isti obrasci, ako je testiranjima zahvaćen dovoljno velik volumen vodonosnika. 4) Nagib statičke razine podzemne vode, odnosno pijezometarskog tlaka kod zatvorenih vodonosnika registriran prije crpenja, može biti zbog obično malih vrijednosti praktično zanemaren. 5) Filtarskim dijelom konstrukcije zdenca treba biti kaptiran čitav vodonosnik (odnosno barem 85% njegove debljine), ako to nije treba pri proračunima to uzeti u obzir (Slika 3.13). U koliko su zadovoljeni navedeni uvjeti može se izračunati izdašnost crpenog zdenca prema Darcy-evom izrazu, pa je

Q =Av = 2πHk(dh/dl), gdje je:

Q - izdašnost zdenca H - debljina saturiranog dijela vodonosnika k - koeficijent hidrauličke provodljivosti dh/dl - hidraulički gradijent (i).

Page 6: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

6

Ako se ovaj izraz integrira između granica koje su prezentirane uvjetima na dvije opažačke bušotine (Slika 3.14) na udaljenosti l1 i l2 od crpenog zdenca, te uz sniženja na istim objektima sl i s2, može se koristiti za proračun koeficijenta hidrauličke provodljivosti, odnosno izdašnosti zdenca slijedeći Dupuit – Thiem -ov izraz:

k = )(2)ln(

21

12

ssllQ

−−

π Veoma često u praksi nema dovoljno sredstava da bi se uz crpeni zdenac izvele i opažačke bušotine, pa se izdašnost zdenca, odnosno hidraulička izdašnost, mora izračunati iz podataka prikupljenih na samom crpenom objektu. U tom se slučaju koristi izraz:

k = rR

sQ ln

2π gdje na zdencu radiusa (r) u toku crpenja ostvareno sniženje (s), a usvojeni radius utjecaja, odnosno konus depresije je (R). Netočnost ovog izraza sastoji se u činjenici da se radius utjecaja procjenjuje, no to ne utječe pretjerano na konačne vrijednosti.

Page 7: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

7

Transmisivnost (T = km) se također može izračunati iz prezentiranih izraza, jer je transmisivnost u stvari umnožak koeficijenta provodljivosti (k) i debljine vodonosnika (m). U uvjetima koji obično vladaju u otvorenim vodonosnicima (R) se kreće oko 300 m, pa će uz r = 0,3 m biti:

T = 1,2Q/s Odnos Q/s je specifična izdašnost (q) ili specifični kapacitet crpenog zdenca. U zatvorenim vodonosnicima vrijednost (R) može biti i veća od 3000 m, tada će transmisivnost uz isti radius zdenca biti:

T = 1,6 Q/s Preliminarne vrijednosti transmisivnosti (T) mogu biti dobivene i iz manjih testiranja probnih bušotina, a dobivene vrijednosti se obično koriste za projektiranje i izvedbu eksploatacijskih vodozahvatnih objekata. Primjena izraza za stacionarna stanja toka uvjetovana su u većini slučajeva neophodnošću dugotrajnih crpenja, kako bi se postigla stabilizacija konusa depresije. U praksi je veoma teško reći da li jest ili nije postignuto stacionarno stanje u vodonosniku. Ova se metoda u novije vrijeme sve manje koristi i zbog činjenice da se u okviru ovakvog načina ispitivanja vodonosnika ne mogu dobiti podaci o koeficijentu uskladištenja. Osim toga takav način ispitivanja veoma često uvjetuje i znatno veća materijalna ulaganja. To je bio razlog da se počnu razvijati metode proračuna osnovnih hidrogeoloških parametara na osnovu nestacionarnih stanja vodonosnika.

Page 8: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

8

3.2.1.7. Nestacionarno stanje Nestacionarno stanje znači da se zdenac crpi tako kratko da se pri konstantnoj crpenoj količini razina podzemne vode nije stabilizirala. Ograničavajući uvjeti, navedeni za stacionarna stanja, trebaju biti uzeti u obzir i kod ovog načina ispitivanja, s time da je volumen vode u samom zdencu relativno malen. U vrijeme crpenja prate se promjene razine podzemne vode na crpenom zdencu, no treba spomenuti da će se pouzdaniji rezultati dobiti u koliko se interpretiraju podaci opažanja registrirani na opažačkoj bušotini. Hidrogeolog Theis dao je slijedeći izraz za ostvareno sniženje (s):

s = TQπ4 W(u), gdje je W(u) funkcija zdenca, u = Tt

Sr4

2

Theis je izradio tipske krivulje za odnos W(u) prema u. Koristeći tipske krivulje i krivulju koja se dobije iz odnosa ostvarenog sniženja log s i faktora log t/r2 moguće je izračunati osnovne parametre testiranog vodonosnika, a to je transmisivnost (T) i koeficijenta uskladištenja (S).

T = sQπ4 W(u); S = 2

4rTtu

Theis - ove jednadžbe mogu se koristiti za otvorene kao i za zatvorene vodonosnike, no treba provesti izvjesne korekcije, u koliko se radi o većim sniženjima u otvorenom vodonosniku. Podaci preliminarnog testiranja zdenca mogu biti od koristi ne samo za konačan test - nego i za pravilno odabiranje udaljenosti opažačke bušotine od crpenog zdenca. Opažačka bušotina treba biti na takvoj udaljenosti od crpenog zdenca, da za prvi period naglog gubitka tlaka u crpenom zdencu nema promjena razine podzemne vode u opažačkoj bušotini.

Page 9: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

9

Ograničavajući faktori trebaju biti ispunjeni i za Jacob - ov postupak proračuna parametara vodonosnika, s time da trebaju biti zadovoljena još dva uvjeta, da bi se dobili realni podaci o testiranom vodonosniku:

1) vrijednost radiusa zdenca (r) je mala, odnosno vrijeme opažanja (t) veliko, 2) vrijednost u = r2S/4t < 0,01; to u praksi znači da podaci opažanja prvog sata testiranja zatvorenog, te 12 sati otvorenog zdenca neće biti upotrebivi za proračune. U koliko su zadovoljeni svi navedeni uvjeti onda se u transformiranom obliku sniženje može izraziti kao:

s = SrTt

TQ

2

25,2log4

3,2π

Zbog toga će grafički prikaz odnosa sniženja (s) i log vremena (t) biti ravna linija. Ta linija presjeca os vrijeme u točci t0 gdje je sniženje s = 0, pa će prema vrijeme - sniženje analizi biti:

S = 2025,2

rTt

; T = sQ

Δπ23,2

gdje je Δs - sniženje za logaritamski ciklus udaljenosti, dobiveno iz grafoanalitičkog prikaza (Slika 3.15.) Treba napomenuti da se Jacob - ova metoda u praksi veoma često koristi i zbog toga jer se za provjeru rezultata mogu koristiti i podaci opažanja podizanja (povratka) razine podzemne vode nakon završetka pokusnog crpenja. Modificirana metoda Theis - a korištena je pri metodi Chow - a, no zbog svoje aproksimativnosti manje se koristi u praksi, pa se neće posebno obrazlagati.

Page 10: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

10

3.2.1.8. Programiranje pokusnog crpenja Pokusno crpenje je relativno skup postupak, pa ga treba dobro programirati, ako bi se dobili što pouzdaniji rezultati. Zbog toga što se ono provodi s različitom svrhom, Hamill Bell (1986) predlažu a se prije crpenja provedu i četiri odgovarajuće predradnje, što je obrazloženo u nastavku izlaganja. 1) Odrediti način ispitivanja u skladu sa zahtjevima. Određivanje hidrogeoloških parametara vodonosnika može se postići pokusnim crpenjem zdenca onom približnom količinom kojom se planira trajno eksploatirati. U tu svrhu mogu se koristiti grafoanalitičke metode određivanja (T) i (S) za što treba provesti samo kraći test. Treba ispitati utjecaj projektirane količine na razinu podzemne vode, eventualni površinski tok te predvidjeti općenito utjecaj na širi istraživani prostor. To je posebno važno ako se u istraživanom prostoru nalaze neki drugi zdenci, pa predviđenom eksplotacijom može doći do interferencije zdenaca što rezultira smanjenjem pojedinačne pa onda i ukupne izdašnosti. U cilju dobivanja osnovnih parametara gubitaka, u vodonosniku i u konstrukciji filtarskog dijela zdenca, treba provesti crpenja barem s tri različite količine. Iskustvo je pokazalo da u našim vodonosnim sredinama ispitivanja po fazama ne trebaju biti kraća od 24 sata. 2) Odrediti optimalnu lokaciju za probni i eksploatacijski zdenac. Odabiranje lokacije pokusnog crpenja provodi se na osnovi prethodnih istražnih radova. Zbog relativno visokih cijena izvedbe pokusnog zdenca u praksi se veoma često izvodi samo jedan i to pokusno-eksploatacijski zdenac. Sama lokacija u većini je slučajeva rezultat kompromisa, a ne isključivo hidrogeološke podobnosti odabrane lokacije. Konstrukcija pokusno-eksploatacijskog zdenca uvjetovana je:

a/ osnovnim hidrogeološkim karakteristikama kaptiranog vodonosnika, b/ mogućom ostvarivom crpenom količinom iz zahvaćenog vodonosnika, c/ potrebama za vodom, te d/ tipom crpke i načinom trajne eksploatacije zdenca.

Treba napomenuti da se pod hidrogeološkim karakteristikama, uz uobičajene parametre, smatraju i oscilacije razine podzemne vode koje nisu uvjetovane crpenjem predmetnog zdenca. Te oscilacije u širem crpilišnom prostoru mogu biti uvjetovane: crpenjem drugih zdenaca, prihranjivanjem vodonosnika infiltracijom na račun

Page 11: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

11

oborina, promjenom vodostaja u površinskim tokovima, umjetnim prihranjivanjem (lagunama, bazenima, upojnim zdencima), melioracijom i irigacijom poljoprivrednih površina, geotehničkim zahvatima (sanacijom kIizišta, rudarskim radovima, tunelima i sl.), utjecajem plime i oseke, te u manjoj mjeri - ali ne nevažnoj, promjenom atmosferskog tlaka, evapotranspiracijom i potresima, vanjskim dodatnim opterećenjem zatvorenog vodonosnika, te »zarobljenim« zrakom prilikom obnavljanja zaliha podzemne vode. 3) Provesti pokusna crpenja na pokusnom zdencu. Prije toga trebaju biti zadovoljeni slijedeći uvjeti:

pozicija zdenca i pratećih opažačkih bušotina treba biti nanesena na raspoloživu kartu, s time da izmjerene udaljenosti ne nose grešku veću od ± 0,5%,

treba biti poznata konstrukcija crpenog zdenca i opažačkih bušotina, te naročito vodoprijemnog dijela konstrukcije zdenca,

trebaju biti snimljene apsolutne visine mjernih kota na zdencima i opažačkim bušotinama s greškama ne većim od ± 3 mm,

statička razina podzemne vode treba biti registrirana na svim objektima predviđenima za opažanja u najmanje dvostrukom trajanju od vremena predviđenog za testiranje, kako bi se mogao dobiti uvid u trend oscilacija podzemne vode,

u tijeku testiranja trebaju se registrirati oborine kako bi se mogao vidjeti njihov utjecaj na razinu podzemne vode, te razlikovati od efekta obnavljanja u rubnim uvjetima vodonosnika,

fluktuacije u atmosferskom pritisku mogu uzrokovati promjene u razini podzemne vode, no treba reći da se taj parametar u praksi veoma rijetko prati,

crpni uređaji i instrumenti opažanja trebaju biti ispravni i prethodno provjereni, sofisticirani instrumenti opažanja kadkada nisu dovoljna garancija da će testiranja biti provedena na optimalan način; osnovni čimbenik uspješnosti prikupljanja pouzdanih podataka jest bez sumnje čovjek s iskustvom na takvim radovima.

Page 12: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

12

Treba reći da na početku svake faze crpenja postoje značajne promjene količina vode koja se crpi (crpenu količinu treba pažljivo mjeriti), a u opažačkim bušotinama također su prisutne značajne i brze promjene. Uz crpene količine registriraju se promjene razine podzemne vode na opažačkim bušotinama u slijedećim vremenskim razmacima u odnosu na početak testiranja: nakon 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 45, i 60 min., te nakon toga svakih 60 min. - sve do kraja testa. Trajanje testiranja prvenstveno ovisi o tipu vodonosnika te o vrsti interpretacije koja će se primijeniti, u skladu s unaprijed preciziranim zahtjevima. Kruseman & de Ridder (1970) sugeriraju da crpenja traju najmanje:

u zatvorenim vodonosnicima 24 sata, u poluzatvorenim vodonosnicima 50 sati , u otvorenim vodonosnicima 72 sata.

Bez obzira na sugerirano trajanje testiranja, u sitnozrnim vodonosnicima i u slučajevima kada želimo imati pouzdanije podatke o rubnim uvjetima ispitivane sredine, u praksi testiranja ne bi trebala biti kraća od 7 dana. 4) Odrediti lokaciju opažačke bušotine kao i njezinu konstrukciju. Lokaciju opažačke bušotine, ili više nji, i njihovu konstrukciju treba odrediti tako da se dobiju što potpuniji i pouzdaniji podaci o karakteristikama vodonosnika i crpenog zdenca. Propagacija konusa depresije, osim što zavisi o crpenim količinama i karakeristikama vodonosnika, posebno je uvjetovana stanjem samog vodonosnika prije i za vrijeme testiranja. Zbog slojevitosti vodonosnika intergranularne poroznosti gotovo su uvijek različite vertikalne od horizontalnih provodljivosti. To znači da će se utjecaji crpenja jače osjetiti u horizontalnom nego u vertikalnom smislu. Te razlike se smanjuju trajanjem crpenja i udaljenošću od crpenog zdenca; u praktičnom se smislu efekat stratifikacije vodonosnika može zanemariti, ako je udaljenost opažačke bušotine od zdenca veća od pet debljina kaptiranog vodonosnika. U slučaju parcijalnog kaptiranja ispod 85% debljine vodonosnika značajno se povećava vertikalno procjeđivanje. Ne treba zaboraviti da su zbog većih brzina, te zbog smanjenog saturiranog dijela otvorenog vodonosnika u blizini crpenog zdenca ostvareni turbulentni tokovi. To se sve može eliminirati ako je opažačka bušotina dovoljno udaljena od crpenog zdenca. U praksi se mogu usvojiti preporuke date u tabličnom prikazu 3.3. (preuzeto od Hamill & Bell,1986)

Page 13: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

13

Pri lociranju opažačkih bušotina treba imati na umu da se za grafoanalitičku obradu prikupljeni podaci nanašaju na logaritamsko mjerilo; zbog toga, da bi se dobila pogodna distribucija točaka za grafikon sniženje-udaljenost sugerira se da opažačke bušotine budu na udaljenosti 20 m, 50 m, 100 m, 200 m i 500 m od crpenog zdenca. Ne treba posebno naglašavati kako je važno imati podatak o oscilacijama razine podzemne vode u testiranom vodonosniku izvan depresionog konusa. Što se tiče dubine izvedbe opažačkih bušotina, može se općenito reći da njihova dubina treba biti barem do sredine filtarske konstrukcije crpenog zdenca u dubinskom intervalu 1 - 2 m (filtar). U koliko se očekuje da su moguća procjeđivanja iz polupropusne krovine i podine kaptiranog vodonosnika opažačke bušotine treba izvesti i u tim stijenama.

Page 14: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

14

U našoj dosadašnjoj domaćoj praksi se veoma često «zbog smanjenja troškova» za opažački materijal koriste cijevi od samo Ø1,5'' i 2". Ovo je potpuno neprimjeren način štednje, jer se u takve kostrukcije ne mogu ugraditi niti automatski mjerači, a niti se mogu vaditi potrebni uzorci vode za laboratorijska ispitivanja. Ne postoji opravdani razlog da dijametar ugrađenih cijevi na opažačkim bušotinama bude manji od 100 mm. Naposljetku treba paziti da prostorna distribucija opažačkih bušotina bude takva, da u fazi trajne eksploatacije testiranog zdenca one mogu poslužiti i kao mjesta trajnog i sustavnog monitoringa na crpilištu podzemne vode. 3.2.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti u laboratoriju Određivanje koeficijenta provodljivosti (filtracije) u laboratoriju ne može dati tako pouzdane podatke o vodonosniku kakvi se mogu dobiti pri ispitivanjima »in situ«. To se odnosi podjednako i na poremećene i na neporemećene uzorke. Naime, bez obzira na to kakva se veličina i količina uzorka analizira u laboratoriju ona ne može u potpunosti prezentirati njezino prirodno stanje, pa rezultate ispitivanja uvijek trebamo shvatiti samo kao osnovnu informaciju o ispitivanoj stijeni. Neadekvatnost je u biti uvjetovana s dva osnovna faktora: 1) Prirodna struktura i tekstura stijena prvenstveno ovise o vrsti, načinu postanka i trošnosti stijena. To se podjednako odnosi na čvrste eruptivne, metamorfne i neklastične sedimentne stijene kao i na vezane, te posebno na nevezane klastične stijene. Sasvim je jasno da je pri uzimanju nevezanih klastičnih sedimenata praktično nepovratno narušeno prirodno stanje stijene, što se mora manifestirati i na rezultate laboratorijskih ispitivanja koja se na takvim uzorcima provode. 2) Način uzimanja uzorka. Bez obzira na razvoj geotehničkih znanosti i danas već veoma sofisticiranu tehnologiju uzimanja uzoraka praktično je nemoguće uzeti uzorak, a da se ne naruši prirodno stanje stijene. To je uvjetovano činjenicom da se gotovo uvijek uzimaju uzorci koji se ne nalaze na površini. Uzorci se najčešće dobivaju jezgrovanjem s različitim tipovima bušilica i različitim priborom i tehnologijama uzimanja uzoraka. U geotehničkoj je praksi u svijetu pa i kod nas uobičajeno je da se prema stanju stijene uzorak nakon uzimanja naziva neporemećenim odnosno poremećenim.

Page 15: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

15

Uvjetno - neporemećeni uzorak može se uzeti iz čvrste, vezane ili poluvezane sedimentne stijene, kojima nije bitno narušena prirodna građa. Tu u pravilu spadaju sve nerastrošene eruptivne i metamorfnestijene, te čvrste, vezane i poluvezane sedimentne stijene. U ove posljednje svrstavaju se sitnozrni klastiti kao, što su: glina, prah, glinoviti prah i prapor ili les. Iz nevezanih sedimentnih stijene moguće je uzeti samo poremećeni uzorak stjene. U ovu grupu stijena spadaju krupno i srednje zrnati nevezani klastiti kao što su valutice, šljunci, pijesci, prah te njihove mješavine. Čitav niz autora nastojao je odrediti koeficijent filtracije intergranularne porozne stijene iz rezultate granulometrijske analize uzoraka vodonosnika. Kozeni za proračun koristi poroznost sedimenta, Hazen veličinu zrna, a Slichter određuje koeficijent filtracije iz odnosa promjera zrna i poroznosti stijene (Miletić & Heinrich-Miletić, 1981). Treba međutim naglasiti da svaka metoda i sugerirani obrasci navedenih autora imaju određena ograničenja za korektne primjene.

Kozeni koristi izraz: k = (0,7 + 0,03T)Cd ef 2 - gdje je:

k - koeficijent filtracije T - temperatura pri kojoj se uzorak ispituje (0,7 + 0,03 u odnosu na 10 °C) C - koeficijent koji je uvjetovan koeficijentom nejednolikosti (d60/d10<5), odnosno

poroznošću stijene def - efektivna veličina zrna (prema granulometrijskoj krivulji 10% težine zrna manjeg od

def, pri čemu se vrijednosti def kreću od 0,1-3,0 mm) Mnogi su autori pokušavali modificirati dobro poznati izraz ovisnosti koeficijenta propusnosti o veličini zrna nekonsolidiranih klastičnih stijena:

k = cd2, gdje je:

c - bezdimenzionalna konstanta koja ovisi o poroznosti i obliku zrna d - veličina zrna

Page 16: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

16

Pojedini autori (R.G. Shepherd, 1989) smatraju da su realne prosječne vrijednosti eksponenata u gornjem izrazu ispod 2, pa izraz glasi:

k = cd1,65-1,85 U praksi hidrogeologa i građevinara najviše se koristi izraz USBR-a (US Bureau of Reclamation) koji glasi:

kUSBR = 0,36 d(20%) 2,3, gdje je:

k - koeficijent propustljivosti (cm/s) O,36 - (faktor c) d20% - promjer zrna kod 20% u mm (= def , tj. efektivna veličina zrna iz granulometrijske krivulje)

Iz navedenog izraza izrađeni su nomogrami kako bi se postupak proračuna što više pojednostavio i ubrzao. U laboratoriju se koeficijent filtracije može odrediti i posebnim aparatima na poremećenim i neporemećenim uzorcima. Svi postupci određivanja koeficijenata filtracije u laboratoriju mogu imati samo informativni karakter, a realne vrijednosti hidrogeoloških parametara stijena mogu se dobiti isključivo iz rezultata ispitivanja »in situ«. Dobro programiranim i provedenim ispitivanjima na terenu dobit će se - ne samo podaci o ispitivanom vodonosniku, njegovoj neposrednoj krovini i podini - već i podaci o stanju vodonosnika, te posebno o njegovim rubnim uvjetima i prihranjivanju. Rezultati provedenih ispitivanja osnova su korektnom proračunu hidrogeoloških parametara, a ovi su opet ulazni podaci za sva matematička modeliranja stanja vodonosnika, njegove eksploatacije, te posebno njegove zaštite - u slučaju da se kaptirana vodonosna sredina namjerava koristiti za vodoopskrbu.

Page 17: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

17

3.3. Ostali hidrogeološki parametri vodonosnika U ovom se poglavlju daje prikaz određivanja stvarnih brzina podzemne vode, karakteristika s obzirom na stanje u vodonosniku, hidrodinamičkih deformacija vodonosnika, gospodarenja podzemnim vodama i kakvoće podzemnih voda. 3.3.1. Određivanje stvarne brzine podzemne vode Osnovni izraz za brzinu toka podzemne vode, kao što je već naprijed spomenuto postavio je Darcy:

v = ki - gdje je:

v - prividna brzina podzemne vode k - hidraulička provodljivost i - hidraulički gradijent.

Stvarna brzina toka podzemne vode (vs) može se izračunati na taj način da se u gornji izraz unese i vrijednost koeficijenta efektivne poroznosti (ne) pa će se dobiti da je:

vs = en

ki

Mnogo egzaktniji podaci o stvarnim brzinama podzemne vode mogu se dobiti obilježavanjem (trasiranjem) podzemnog toka i mjerenjem stvarnih brzina na terenu. Takvim se ispitivanjima uz mjerenje stvarne brzine podzemne vode na posebnim hidrogeološkim objektima, odnosno opažanjima na postojećim objektima, mogu dobiti i smjerovi tokova podzemnih voda.

Page 18: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

18

Obilježivači (traseri) su u većini slučajeva supstancije koje se unašaju u podzemnu vodu s namjerom da se dobiju dodatni podaci o karakeristikama vodonosnika i dinamičkim karakteristikama podzemnih voda. S obzirom na to da se veoma često ispituje podzemna voda koja se koristi i za vodoopskrbu, traser:

ne smije biti toksičan za ljude, životinje i biljke, mora biti lagano otopiv u vodi te se ne smije u vodi taložiti, mora biti postojan, a to znači da se pri kontaktu sa stijenom neće niti promijeniti a niti s njom stupiti u reakciju; naime, veoma često stijene koje u svom sastavu imaju minerale glina zbog apsorbcije i ionske zamjene mogu promijeniti obilježivač,

ne može se koristiti obilježivač koji se prirodno nalazi u podzemnoj vodi (neuputno je, recimo, kao traser koristiti NaCl i druge kloride u vodonosnicima sa slanim ili brakičnim vodama te općenito u blizini mora),

obilježivač se treba moći odrediti i pri visokom razređenju (0,01 mg uranina može se utvrditi u 1 m3 vode) samo iznimno se koriste skupi obilježivači, kao i supstancije s posebnim zahtjevima za njihovu aplikaciju.

S obzirom na fizičko-kemijske karakteristike traseri se mogu podijeliti u dvije osnovne grupe. Grupu netopivih obilježivača čine fizičke čestice koje sačinjavaju razne koloidne suspenzije, biljne spore, bakterije i neke boje. U topive obilježivače mogu se svrstati gotovo sve boje, neorganski spojevi te izotopi. U praksi se najčešće koriste sve vrste boja, neorganski spojevi, neke spore te prirodni i umjetni izotopi. Osnovne njihove značajke daju se u slijedećem kraćem prikazu. 1) Boje i fluorescentne supstancije se u praksi najviše rabe. Razlog je tome što veoma slabo i u maloj mjeri stupaju u reakciju sa stijenama vodonosnika, a mogu se registrirati već pri veoma niskim koncentracijama. Fluorescentna sredstva su u manjoj mjeri osjetljiva na biološke i fotokemijske procese u vodonosniku (uranin). Koncentracija obilježivača se u uzorcima vode određuje spektrofotometrijskim postupcima. Ova vrsta obilježivača se svuda u svijetu, pa i u našem kršu, najčešće koristi - uz ostalo i zbog niskih troškova obilježivača i njegove relativno jednostavne aplikacije.

Page 19: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

19

2) Neorganske spojeve čine razne soli, a u praksi se najčešće rabe kloridi: natrijev, kalijev, litijski i stroncijski klorid. Kuhinjska sol (natrijev klorid) zasigurno je najčešće korištena supstancija u vodonosnicima koji se ne nalaze u blizini mora. Kuhinjska sol se kao obilježivač veoma često koristi u vodonosnicima s intergranularnom poroznošću, a to znači pri istraživanju nevezanih klastičnih sedimenata a to su prvestveno šljunci i pijesci. Pri obilježavanju podzemnog toka natrijskim kloridom moguće je pronos obilježivača pratiti s površine terena geoelektričnim snimanjima; ta se ispitivanja mogu provesti zahvaljući izrazitoj razlici u provodljivosti običnih i podzemnih voda obilježenih kuhinjskom soli. 3) Spore se veoma često koriste obojene. Zbog toga se isti obilježivač može koistiti u različitom vremenskom periodu, te na različitim mjestima aplikacije. Iako je to relativno stara metoda ispitivanja ona se veoma uspješno može primijeniti u kršu, kada se iz različitih zona poniranja žele utvrditi prihranjivanje izvora i istjecanje podzemne vode na istom prostoru izvorišta. U hidrogeološkoj praksi najviše se koriste spore vrste Lycopodium clavatum, i to u vodonosnim sredinama s pukotinskom i posebno disolucijskom poroznosti, gdje je značajna širina pora - tako da samo dio obilježivača može biti zadržan adhezijskim silama čestica stijene. 4) Radioaktivni traseri se obično koriste u malim količinama, lagano se kvantitativno registriraju, no iziskuju posebnu i relativno skupu opremu detektiranja. Aplikacijom ovih obilježivača postiže se velika točnost, no ograničena je primjena uvjetovana maksimalno dozvoljenom količinom obilježivača, eventualnom prisutnošću prirodnog izotopa u vodonosniku, te kraćim raspoloživim vremenom predviđenim za mjerenja. U hidrogeološkoj praksi se najviše koriste: 3H, 51Cr, 58Co, 60Co, i 131J. Izotop tricij emitira β zrake, a ostale navedene izotope karakterizira γ - zračenje. Vrijeme poluraspada tricija je 12,35 god., a za ostale se navedene izotope vrijeme poluraspada kreće između 5 i 28 dana. Maksimalno dozvoljena količina emitiranja kreće se između 3 X 10-2 (za 3H) i 1 X 10-5 μCi/ml (za 131J). Prisutnost prirodnog tricija u podzemnoj vodi može se iskoristiti i za određivanje geneze podzemne vode; naime, tricij nastaje i radioaktivnim bombardiranjem iz svemira, a čiji intezitet uz ostalo ovisi i o apsolutnoj koti prostora na kojoj se oborine infiltriraju u podzemlje. U hidrogeološkoj praksi se obično postavlja pitanje količina obilježivača koje se trebaju unesti u podzemlje da bi se dobili optimalni rezultati mjerenja. Holting (1989) sugerira da se količina obilježivača odredi prema slijedećem izrazu:

Page 20: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

20

A = kQl - gdje je:

A - količina obilježivača (g) k - koeficijent ( za uranin 2,5 x 10-9, a za fuksin 5 x 10-8) Q - izdašnost zdenca ili izvora gdje se vrše opažanja (cm3/s) l - udaljenost između mjesta unašanja i opažanja trasera (cm) Nedostatak apliciranja uranina je recimo u tome da će u kiselim sredinama, pri procjeđivanju industrijskih otpadnih voda u vodonosnik, doći do njegove razgradnje, što će neposredno utjecati i na mogućnost njegove detekcije. U tabličnom obliku (E.A. Ansberg i dr., 1965) daju se okvirne vrijednosti količina Na-fluoresceina (u g) koje se trebaju unesti u vodonosnik za svakih 10 m pronosa supstancije (Tablica 3.4.).

Uz litološke karakteristike vodonosnika količina detektiranog obilježivača ovisiti će i o mineraloško - petrografskom sastavu njegove krovine i podine, te općim hidrogeološkim odnosima i stanju istraživanog vodonosnika. Naime, kada se obilježivač unese u podzemlje njegova će koncentracija ovisiti i o procesima difuzije, disperzije i adsorbcije. Slika 3.16. Obilježavanje podzemnog toka u kršu

Page 21: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

21

Disperzija je rezultat vrlo malih promjena u brzini laminarnog toka u stijenama intergranularne poroznosti. Pri malim brzinama toka podzemne vode mogu se zanemariti procesi molekularne difuzije. Čak i u slučaju kada ti procesi nisu značajni, tok kroz porozni medij može biti stratificiran, odnosno koncentriran duž nekih diskonuiteta - koji standarnim ispitivanjima nisu mogli biti utvrđeni. Detaljna ispitivanja provedena izotopom 131J u kvartarnom nanosu rijeke Save na području Zagreba pokazala su da su stvarne brzine podzemne vode različite i u prividno istim šljuncima (Pollak, 1974). Mjerenjima je utvrđeno da se u relativno malom dubinskom intervalu zdenca ukupne dubine 15 m stvarna brzina podzemne vode razlikuje i do tri puta (3 odnosno 10 m/dan). Prosječna stvarna brzina podzemne vode u srednjem toku riječnog nanosa Save i Drave jest oko 2 m/dan, no uvjeti stvaranja sedimenata uzrok su veoma često značajnim odstupanjima od srednjenih vrijednosti. Neuvažavanje heterogenosti naslaga može uvjetovati značajne promašaje pri projektiranju i izvedbi hidrotehničkih objekata. Sasvim je jasno da sitnozrne klastične sedimente karakteriziraju znatno niže vrijednosti brzina podzemne vode, a za same gline brzina protjecaja može biti i manja od 1 cm godišnje. Za razliku od spomenutih stijena intergranularne poroznosti, stijene pukotinske a posebice disolucione poroznosti (karbonatne stijene krša), u većini slučajeva karakteriziraju velike stvarne brzine podzemne vode. Brojna su ispitivanja pokazala da stvarne brzine podzemne vode u visokom kršu pri određenim hidrogeološkim odnosima mogu biti veće i od 20 km/dan (Slika 3.16.). Posebno je važno odrediti stvarnu brzinu podzemne vode za korektno definiranje zaštitnih zona crpilišta pitke vode. Sa žaljenjem se može konstatirati da su stručnjaci često skloniji određivanju zaštitnih zona na bazi empirijskih obrazaca i matematičkim simuliranjima stanja u podzemlju, nego provedbom adekvatnih ispitivanja na terenu.

Page 22: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

22

3.3.2. Karakteristike toka podzemne vode s obzirom na stanje u vodonosniku Bez obzira na porijeklo, voda se u podzemlju giba na osnovna dva načina – pod djelovanjem gravitacije i zbog sila koje su jače od gravitacije. Sile koje su jače i od gravitacije uzrokuju pelikularni i kapilarni tok vode. Pelikularni tok je u stvari vlaga koja se zbog međusobnih molekularnih sila čestica stijene i vode nalazi na samoj površini te stijene. Pelikularni tok vode se vrši u svim smjerovima i to prema mjestima jačih privlačnih sila čestica stijene ili tla (Slika 2.4.) Kapilarni tok je rezultat gravitacije, molekularnih privlačnih sila čestica stijene i fluida te površinske napetosti fluida. Kapilarni tok se vrši iz prostora zasićenja u prostor nezasićen fluidom.

Kapilarnost se određuje izrazom: h = dγϕτ cos

, gdje je:

h - visina kapilarnog dizanja fluida τ - površinska napetost fluida φ - kut što ga zatvara menisk i stijenka kapilare γ - specifična težina fluida d - promjer kapilare

S. Davis i R. de Wiest (1966) smatraju da se u slučaju kremenih zrna vodonosnika pri temperaturi vode od 20 C može koristiti pojednostavljena formula koja glasi:

hv = r153,0

, gdje je:

hv - visina podizanja vode r - širina kapilara (cm)

Stvarno kapilarno dizanje vode ovisiti će u nevezanim - nekonsolidiranim klastičnim sedimentima o temperaturi vode, mineralnom sastavu, obliku i o skeletnoj građi stijene.

Page 23: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

23

Za praktične potrebe može se usvojiti da će kapilarno podizanje biti: u šljuncima manje od 0,1 m, u pijescima 0,1-1 m, u prahu od 1-2 m, u čistim glinama između 2 i 4 m.

Ne smije se zaboraviti da je upravo izbor i ugradnja neadekvatnog materijala u posteljicu prometnica razlogom njihovog razaranja za niskih zimskih temperatura. Zbog ugradnje sitnozrnog materijala, ostvaruje se mogućnost kapilarnog podizanja podzemne vode pod betonski dio konstrukcije ceste, pa će za niskih temperatura doći do zaleđivanja vode i razaranja ceste. Hidrogeologija se u pragmatičnom smislu najviše bavi podzemnim vodama koje se podvrgavaju zakonima gravitacije, pa se takvo gibanje vode naziva gravitacijskim tokom. Gravitacijski tok se može vršiti u nesaturiranom i saturiranom dijelu vodonosnika i to kao turbulentan i laminaran tok. Turbulentan tok karakterizira gubitak energije duž toka, proporcionalan je kvadratu brzine fluida, pri čemu strujne linije nisu paralelne. Većina vodonosnika čvrstih stijena pukotinske poroznosti, a posebice karbonatne stijene disolucijske poroznosti (krš), imaju turbulentan tok. Turbulentan tok se veoma često nalazi pod branama i raznim ustavama, a redovito je prisutan oko drenova, bez obzira na to da li su oni ugrađeni kao horizontalni hidrotehnički objekti (drenažne cijevi za potrebe melioracije, sanacije klizišta ili kod Renney zdenaca) ili kod svih kopanih i bušenih zdenaca gdje je vodoprijemni dio konstrukcije obično vertikalan. Turbulentan tok podzemne vode izrazito je naglašen pri intenzivnoj ekstrakciji podzemne vode za potrebe vodoopskrbe. Laminaran tok karakterizira prirodna stanja u gotovo svim vodonosnicima intergranularne poroznosti s paralelnim strujnicama. Ukoliko su komponente toka nepromijenjene u prostoru, takav tok se naziva jednolikim. Kada se elementi toka u prostoru promijene, tok nazivamo nejednolikim. Tipični primjer jednolikog toka jest stanje u zatvorenom vodonosniku - gdje se podzemna voda nalazi pod tlakom (Slika 3.11), dok se nejednoliki tok može recimo naći na kontaktu otvorenog vodonosnika s površinskim tokom.

Page 24: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

24

Ako se podzemni tok analizira sa stanovišta vremena onda se može uočiti da tok može biti stacionaran i nestacionaran. Stacionaran tok ima podzemna voda, gdje u istoj točki vodonosnika nema promjene brzine u vremenu. Nestacionaran tok karakterizira vodonosnik kod kojega se brzina toka u određenoj točci mijenja u vremenu. 3.3.3. Hidrodinamičke deformacije vodonosnika U literaturi se mogu naći različiti izrazi kojima se opisuju hidrodinamičke deformacije nevezanih klastičnih sedimenata. Danas se u praksi najviše koriste osnovna podjela i definicije koje su postavili Busch i Luckner (1974.). Mehaničke promjene nevezanih klastičnih sedimenata mogu se manifestirati kao mjestimične deformacije stijena (sufozija, erozija, kolmatacija i hidraulički slom) i kao deformacije čitave stijenske mase (slijeganje, klizanje, likvefakcija i erozioni slom).

Page 25: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

25

3.3.3.1. Sufozija Sufozija je uzrokovana tečenjem podzemne vode kroz pore krupnozrnog skeleta stijene, pri čemu se u porama pokreču i transportiraju sitnije nevezane čestice. Osnovni skelet stijene sufozijom nije narušen (Slika 3.18.a). P. Muckenthaler (1989) zaključuje da na sufoziju utječu slijedeći čimbenici stijene (Tablica 3.5), odnosno podzemnog toka vode: Tablica 3.5.

Pri sufoziji osnovni skelet vodonosnika ostaje isti, no iznašanje sitnije frakcije vodonosnika uzrokuje promjenu njegove propusnosti, koja može postati i nekoliko desetaka puta veća nego u prvobitnom stanju. Što se samih naslaga tiče sufozija može biti podijelena na unutarnju i kontaktnu sufoziju. Unutarnja sufozija Unutarnja sufozija se događa unutar same stijene. Ona traje relativno kratko vrijeme, a put pokrenutih čestica je ograničen, ukoliko to nije popraćeno erozijom stijene, vanjskom sufozijom ili kontaktnom sufozijom. Kontaktna sufozija Kontaktna sufozija je sufozija sitnozrnog dijela naslaga koji je u kontaktu s krupnozrnim naslagama u istom sloju.

Page 26: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

26

Pri tome će se pokrenute čestice sitnozrnog dijela sloja naći u porama krupnozrnog dijela sloja. U tom »novom« sloju može ponovno doći do unutarnje sufozije. No, sitne se čestice mogu istaložiti i ostati u porama krupnozrnatog dijela sloja. Taj se proces onda naziva kolmatacija. U zavisnosti od smjera protjecanja podzemne vode, u odnosu na silu težu i raspodjelu sitnih i krupnih čestica stijene na kontaktu slojeva, analogno kontaktoj sufoziji, pojavljuju se različiti tipovi kontaktne erozije. 3.3.3.2. Kolmatacija Kolmatacija znači unošenje i taloženje sitnozrnih čestica iz vode ili iz krovine u prostor pora vodonosnika. Kolmatacija je praktično obratna od ranije spomenute sufozije, a to znači da ona smanjuje brzinu protjecanja podzemne vode. Kolmatacija se događa veoma često u nepotpuno vodonepropusnim akumulacionim bazenima, pa se u tom smislu može reći da je korisna (Asuanska brana, brana na Volgi, obodni kanali hidroenergetskog objekta Čakovec). No, kolmatacija može biti i štetna kada je prisutna na kontaktu površinskog toka i vodonosnika koji se eksploatira za potrebe vodoopskrbe, te oko filtarskog dijela konstrukcije zdenca. Valja razlikovati ovu, da je tako nazovemo - »mehaničku kolmataciju« od kemijske i biološke kolmatacije, koje nisu predmet ovog prikaza. 3.3.3.3. Erozija Suprotno sufoziji, pod pojmom erozije smatra se razaranje i transport svih frakcija stijene s njezine slobodne površine, odnosno unutar ostvarenih cjevastih prostora intenzivnijih tokova podzemne vode u stijeni (Slika 3.18.b). Erozija se može podijeliti na slijedeće podgrupe: vanjska i unutarnja erozija, te pukotinska i kontaktna erozija. Vanjska erozija Vanjska erozija je proces odnašanja površinskog dijela stijene zbog vučnih sila vode tekučice, a u manjoj mjeri mogu biti prisutne i druge egzogene sile.

Page 27: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

27

Unutarnja erozija Unutarnja erozija je proces erozije koji se u većini slučajeva događa u cjevastim prostorima unutar same klastične nevezane stijene. Stvaranje praznog prostora uvjetovano je ili nehomogenošću stijene gdje će stvarno započeti erozija ili će nastati zbog retrogradnog procesa same unutarnje erozije. Pukotinska erozija Pukotiska erozija je proces duž stvarnog diskonuiteta između temelja građevine i njegove okolne stijene. Kontaktna erozija Kontaktna erozija se događa na kontaktu klastičnih nevezanih sedimentnih stijena od kojih se jedna sastoji od sitnozrnih a druga od krupnozrnih čestica. Pri tome će se čestice sitnozrnog sloja naći u porama krupnozrnog sloja. U tom »novom« sloju može doći do narednih procesa unutarnje sufozije. Zbog kontaktne erozije može doći do potpunog razaranja sitnozrnog sloja, postepenog nestajanja te do slijeganja naslaga u njegovoj krovini. Kroz procese kontaktne erozije promijenit će se i struktura krupnozrnog sloja, a što može opet biti uzrokom njegove postupne kolmatacije. Kao posljedica toga bit će smanjenje poroznosti, brzine i količine protjecanja podzemne vode kroz vodonosnik. Kao što se može vidjeti na slici 3.17. za intezitet kontaktne erozije, uz odnos i položaj sitnozrnog i krupnozrnog sloja, presudan je i smjer toka podzemne vode (na slici označen strelicama). Kontaktna erozija ima veliko praktično značenje kod izvedbe filtarskog dijela ustava, odnosno brana, te posebno kod projektiranja i izvedbe filtarske konstrukcije svih vrsti zdenaca. 3.3.3.4. Hidraulički slom Opći hidraulički slom u čitavoj stijeni se ne može naći u prirodi, no on može lokalno zahvatiti dio stijene. Hidraulički slomovi i prodori stijena uzrokovani su silama strujanja na kontaktu dvaju slojeva. To se može dogoditi kod brana, odnosno uslijed većih tlakova koji se ostvaruju pri injektiranju fluida u vodonosnik.

Page 28: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

28

3.3.4. Gospodarenje i bilanca podzemnih voda Podzemne su vode dio kruženja vode u prirodi, a sačinjavaju vodu određenog geološkog prostora. U pragmatičkom smislu možemo razlikovati ukupnu količinu te zalihe podzemne vode (Miletić & Henrich - Miletić, 1985). U ukupnu podzemnu vodu može se svrstati slobodna i vezana podzemna voda te konstitucijska voda. Eksploatacijske zalihe podzemne vode čine vode koje se iz vodonosnika mogu eksploatirati. Zalihe podzemnih voda mogu se izučavati u prirodnom stanju (stalne ili sezonske) i u zatečenom stanju, u koliko se iz vodonosnika već vrši eksploatacija. Ukupne zalihe podzemne vode čine ukupnu količinu vode koja se može dobiti iz vodonosnika, a u novijoj literaturi se to naziva rudarenjem podzemnih voda (Bear & Verruijt, 1994). 1970 god. u SAD-u je rudarenjem crpeno ukupno 80 X 106 m3/dan što iznosi 20% od ukupno crpenih podzemnih voda. Sigurni eksploatacijski kapacitet predstavlja količinu podzemne vode koja se može dobiti iz vodonosnika, tj. podzemna voda koja se u vodonosniku obnavlja prirodnim putem. Ovaj pojam (safe yield) definirao je Meinzer još 1923. god. Postoje i brojni sinonimi za isti pojam, kao što su, primjerice, ograničeni kapacitet, moguća količina crpenja te optimalni kapacitet. No, bitnije je da se to odnosi na jednu i to cjelovitu hidrogeološku jedinicu. Sigurni eksploatacijski kapacitet vodonosnika pod utjecajem je mnogih faktora, jedan od najvažnijih je raspoloživa količina vode. Ovo hidrološko ograničenje često se izražava jednadžbom (Linsley, Kohler&Paulhus, 1984):

G = P - Qs - ET + Qg - ΔSg - ΔSs gdje je: G - sigurni eksploatacijski kapacitet P - padaline na području vodonosnika Qs - površinsko otjecanje s istog područja ET - evapotranspiracija

Qg - čisti dotok podzemne vode u područje vodonosnika ΔSg - promjene u uskladištenju vodosnika (ground water storage) ΔSs - promjene u uskladištenju površinskih voda (surface storage)

Page 29: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

29

Ako se u jednadžbi koriste srednje godišnje vrijednosti, ΔSs će obično imati vrijednost nule. Svi članovi jednadžbe izloženi su umjetnim promjenama. Primjerice, umjetno prihranjivanje vodonosnika može smanjiti Qs, a irigacija iz površinskih tokova može povećati evapotranspiraciju. Snižavanje razine podzemne vode može povećati dotoke podzemnih voda. Osim toga intenzivno snižavanje razine podzemne vode može rezultirati njezinim zagađivanjem zbog prodora nepoželjnih voda, što je česti slučaj uz morsku obalu. Direktno prihranjivanje vodonosnika, posebice otvorenih vodonosnika, jedan je od najbitnijih faktora obnavljanja rezervi podzemnih voda. Veoma često se te vrijednosti procjenjuju, odnosno računaju empirijskim obrascima pri proračunu hidrološke bilance. Vršiti procjenu infiltriranih količina u podzemlje u slučaju vodonosnika pukotinske poroznosti vjerojatno ima smisla, ali ako se to radi za stijene intergranularne poroznosti onda za to nema opravdanja. Naime, iako to kod nas još nije uobičajena praksa, stvarno infiltrirane količine mogu se mjeriti lizimetrima. Pri tome se ne misli na plitke lizimetre koji su dobro udomaćeni kod pedologa, već na dublje hidrotehničke objekte koji se uglavnom izvode u nesaturiranim dijelovima otvorenih vodonosnika. Jedan razlog tome mogu biti troškovi, ali to nije uvijek jedini razlog. Na slici 2.5 prikazan je jedan takvav lizimetar. Izvedbom takvih lizimetara i adekvatnim monitoringom može uz hidrogeološke dobiti i hidrokemijske parametre voda koje perkoliraju prema vodonosniku. Dobiveni podaci imaju veliku praktičnu vrijednost, pa bi infiltrometri (lizimetri) trebali biti osnovni hidrogeološki objekti pri bilansiranju voda, posebice kod specifičnih građevinskih objekata kao što su razna odlagališta otpada. 3.3.5. Kakvoća podzemne vode Rimskom se znanstveniku Pliniju st. pripisuje izreka: »Tales sunt aquae, quales terrae, per quas fluunt«. Što bi se u slobodno moglo prevesti kao »Vode su takve, kakve su stijene kroz koje teku«. Kakvoća podzemne vode determinirana je kemijskim i biološkim sastojcima uz određenu temperaturu. No upotrebivost vode biti će uvjetovana namjenom korištenja. Sasvim je sigurno da će voda za piće trebati zadovoljavati drugačije kriterije od vode koja se koristi u industriji, navodnjavanju ili recimo za »sekundarne

Page 30: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

30

metode« pri dobivanju nafte. S druge pak strane pri korištenju podzemnih voda za energetske potrebe kao i u balneologiji dominantan je čimbenik temperatura podzemne vode. Kvaliteta podzemne vode ovisi o mjestu ulaska iz atmosfere u podzemlje, te trajanju protjecanja vodonosnikom do mjesta korištenja. Već je spomenuto da vrijeme boravka vode u podzemlju može biti jedan dan pa i do više od 50.000 godina. Sasvim je jasno da će sastav vode biti uvjetovan dužinom kontakta između podzemne vode i stijene, a to znači da je kakvoća vode promjenljivi parametar i u konstantnoj trasformaciji. Zbog toga nam sastav mnogo govori i o porijeklu podzemne vode. U prvom će se dijelu razmatrati kakvoća vode uvjetovana prirodnim karakteristikama, a u drugom će se dijelu razmatrati antropogeni utjecaj na kvalitet podzemne vode. 3.3.5.1. Kemijski sastojci padalina Padaline nisu nikada destilirana voda. U padalinama, bez obzira na to radi li se o kišama, snijegu ili ledu, uvijek ima otopljenih i netopivih supstanscija. Padaline redovito sadrže prašine, soli iz mora, rezultate kozmičkog zračenja i djelovanja munja, te emanacije različitih plinova. Tako halita - NaCl povremeno u padalinama može biti između 50 i 500 mg/l - (kod morskih pijavica), prosječna količina iznosi od 0,1 do 8 mg/l (Bouwer, 1978). Zagađenje zraka mijenja pH vrijednosti padalina. Prisutnost CO2 i S02 u zraku smanjuje pH vrijednosti (4,4 - 5,5), pa onda kažemo da padaju kisele kiše. Isti autor navodi da se na području Kalifornije u padalinama prosječno godišnje nalazi 53 mg/l ukupno otopljenih tvari. 3.3.5.2. Utjecaj tla i biljnog pokrova na sastav podzemne vode Padalinama pojedini mineraini sastojci u tlu mogu biti otopljeni, isprani i procijeđeni do podzemne vode. Intezitet procjeđivanja te interakcije između tla i vode prvenstveno će ovisiti o podneblju. U vlažnom podneblju može biti transportirano do podzemne vode 400 - 500 mg/l otopljenih tvari (Bouwer, 1978.), pri čemu dominiraju ioni Ca2+, Mg2+, Na+, HC03

-, S04-2 i Cl-.

Page 31: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

31

U pustinjskim krajevima značajan će biti utjecaj evaporacije s površine, te efekat korijenja biljaka putem kojih se izvlači voda s relativno malo otopljenih tvari, što sve znači da će podzemna voda biti sve mineraliziranija. Posebno je velika koncentracija otopljenih soli kod navodnjavanja u tim krajevima, pri čemu zbog malih ukupnih godišnjih oborina, katkada manjih od 10 cm, koncentracija soli može biti u tlu i više tisuća miligrama. Koncentracija soli u tlu značajno ovisi o ionskim izmjenama čestica tla, vode i sredstvima koja se dodaju za povećanje priroda odnosno kemikalijama za zaštitu bilja. Ionska izmjena se prvenstveno odnosi na katione, a prisutnost gline u tim sredinama ima dominantnu ulogu. Slojevita struktura glina i slaba vodopropustnost omogućuju da ona djeluje kao polupropusna membrana koja će zadržavati teške metale posebno u oksidacijskim sredinama te kada je pH veći od 7. Redovito se u gIinama vrši izmjena kationa Na+ s ionom Ca2+. Kisele kiše redovito otapaju CaCO3 supstanciju u tlu. Korijenje biljaka absorbira N, P, K, S i neke teške metale. UgIjični dioksid i organske kiseline snižavaju pH vrijednost u tlu, što povećava trošenje minerala i povećava mobilnost metala (Slika 3.19). 3.3.5.3. Utjecaj vodonosnika na sastav podzemne vode Na svom putu prema vodonosniku voda dolazi u kontakt s različitim mineralima u tzv. vadoznoj zoni. Kakvoća i kemijski sastav podzemnih voda uvjetovani su (Pollak&Marušić 1994.):

• mineraloško - petrografskim obilježjima vodonosnika, njegove neposredne podine i krovine, • općim hidrogeološkim odnosima, uključujući i hidrotermalne odnose, • kemijskim procesima, • aktivnošću bakterija u vodonosniku i njegovoj neposrednoj krovini i podini.

Za sastav podzemne vode primaran je mineralni sastav vodonosnika. Minerali variraju od veoma topivih do praktično netopivih, što je uz ostalo u funkciji od tlaka i temperature u vodonosniku. Sitnozrna tekstura stijena kao što su gline i škriljavci, djeluje kao polupropusna membrana, koja može zadržavati različite ione, posebice velike molekule organskih spojeva i katione zbog negativnog naboja čestica glina.

Page 32: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

32

Ovo je u stvari osnova kemijskih, a pogotovo bakterioloških i virusnih purifikacionih karakteristika glinovitih stijena. Filtriranje soli i osmotski efekat mogu pomoći tumačenju promjena saliniteta, koje se u pojedinim sedimentnim stijenama ne može protumačiti jednostavnim kemijskim reakcijama odnosno gravitacijskom diferencijacijom. To je razlog da pojedini vodonosnici, odnosno dijelovi vodonosnika, imaju salinitet čak i veći od morske vode; ovo se nerijetko može naći u aridnim područjima, no i izvan njih, kao što je slučaj kod nas na širem prostoru Metkovića (Pollak i dr., 1972.). 3.3.5.4. Podzemne vode nekih osnovnih hidrogeoloških sredina Eruptivne i većina metamorfnih stijena sadrže podzemne vode dobrog sastava. Ukupna mineralizacija voda tih sredina rijetko prelazi 100 mg/l, obično su blago kisele i u njima preteže Si4+ i Mg2+ u odnosu na ion Ca+. Škriljavci imaju također kiselu podzemnu vodu, no s visokim sadržajem Fe2+ i S04

-2. Podzemne vode karbonatnih stijena karakteriziraju alkalne vode s naglašenim ionima Ca2+ i Mg2+. Klastične sedimentne stijene imaju dobru kvalitetu podzemne vode, ukoliko nisu u hidrogeološkoj vezi s dubljim geološkim strukturama, primjerice s evaporitima, odnosno s konatnim podzemnim vodama. Podzemne vode aluvijalnih naslaga obično su niske mineralizacije, zbog direktnog prihranjivanja s površine. Sastav tih voda ovisi o porijeklu i mineraloško-petrografskom sastavu naslaga. Dominatni su ioni Ca2+, Mg2+ i HC03

- kod - karbonatnih stijena, te ion S04-2, zbog prisutnosti anhidrita i gipsa u vodonosniku. Duž morske obale,

te u aridnim područjima, često u podzemnoj vodi prevladavaju kloridi s ionom Na+ i K+. Prikaz sastava podzemne vode Osnovni parametar neophodan za interpretaciju i prikaz kemizma podzemnih voda su je ukupna mineralizacija, iskazana udjelima:

• kationa: Na+, K+, Ca2+, Mg2+ i

• aniona: Cl-, HC03-, S04

-2.

Page 33: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

33

U hidrogeološkoj praksi se za prikaz rezultata pojedinih analiza najčešće koristi formula Kurlova, pa se nastavno daje njezin prikaz i obrazloženje:

M0,16 = 13,718Ca40Mg42Na

47SO44Cl3

49HCO

gdje je MO,16 ukupna mineralizacija (g/l), a brojevi u potpisu (suskriptu) označavaju % ekv. udjela pojedinih aniona u brojniku te kationa u nazivniku razlomka. Broj na kraju izraza označava temperaturu podzemne vode u °C. Mnogi su autori kemijski sastav podzemnih voda nastojali prikazati u grafičkom obliku (Ferre, Piper, Tolstihin, Palmer). Zajednička karakeristika svih prikaza sastoji se u tome da se posebno izrazi dominantan postotak (iznad 25%) prisutnih aniona a posebno kationa, prema čemu se onda klasificira podzemna voda. Taj je način veoma prikladan u koliko se želi izvršiti klasifikacija podzemnih voda, utvrditi njezino porijeklo te izvršiti hidrokemijsku rajonizaciju prostora. Osnovni parametri kakvoće podzemne vode Ukupno otopljena tvar određuje se u laboratoriju isparavanjem uzorka vode (mg/l), a na terenu se približno može odrediti mjerenjem električne provo-dljivosti vode (μmhos). Podzemne vode s ukupnom mineralizacijom manjom od 1000 mg/l (tablica 3.6) smatraju se pitkim vodama, a iznad te vrijednosti mineralnim vodama.

Page 34: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

34

Tvrdoća vode se obično izražava kao ukupna, karbonatna i nekarbonatna tvrdoća i to kao CaCO3, pa se po Hem–u sve vode mogu svrstati u grupe prikazane u tablici 3.7. Tvrdoća podzemne vode uobičajeno prati ukupnu mineralizaciju vode. No treba reći da to nije pravilo. U hidrogeološkim sredinama, u vodonosniku gdje dolazi do intezivne ionske zamjene Ca2+ iona s ionom Na+, nalazimo podzemne vode značajne ukupne mineralizacije no male tvrdoće. Izraziti primjer takvih odnosa su podzemne vode tercijarnih naslaga crpilišta grada Čazme (Pollak, 1970). Alkalnost odnosno kiselost podzemnih voda izražava se pH vrijednostima. Smatra se da su dobre pitke vode kojima se pH vrijednost kreće između 6,5-8,5 (WHO iz Mayer, 1993.). Presudnu ulogu pri formiranju kemijskog sastava podzemne vode ima prisutnost određenih minerala u vodonosniku. U tabličnom prikazu (tablica 3.8) daju se dominantni minerali i stijene odgovorni za prisutnost određenog iona u podzemnoj vodi. U podzemnoj vodi veoma često su prisutni i drugi elementi, no najčešće u tragovima: As, Ba, Cd, Cr, Zn, Se, kao i radioaktivne materije. Neki od navedenih elemenata već u malim količinama u pitkoj vodi imaju toksično djelovanje na ljudski organizam: • prekomjerna količina As i Cr u podzemnoj vodi može izazvati smrt, • Ba može oštetiti srce i živce, Ca jetra i bubrege, a zbog veće količine Zn i Fe voda ima bljutav okus, • zbog prevelike količine nitrata u podzemnoj vodi mala djeca, koja još nemaju do kraja razvijen probavni trakt,

mogu oboljeti od methaemoglobinaemije, • nitrosamini su izrazito kancerogeni i za odrasle osobe. I pomanjkanje nekih elemenata izrazito negativno utječe na ljudski organizam (Ca, Fe, K i dr.). Poznato je da F sprečava karijes zubiju, a da male količine Se u stanici djeluju profilaktički na oboljenja od karcinoma.

Page 35: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

35

Tablica 3.8. Prikaz dominantnih stijena i minerala odgovornih za prisutnost određenih iona u podzemnoj vodi

KATIONI S T I J E N E ( m i n e r a l i )

ANIONI ERUPTIVNE (općenito: +) METAMORFNE SEDIMENTNE

DRUGO PORIJEKLO (NAPOMENA)

Ca silikati, pirokseni, amfiboli, feldspati ŠKRILJAVCI karbonati (kalcit, aragonit), VAPNENAC, DOLOMIT, gips, anhidrit

Mg feromagnezijski minerali: piroksen, olivin, amfibol kloriti, serpentin dolomit, Mg-evaporiti, montmorilonit

Na (feldspati i produkti njihovog trošenja ŠKRILJAVCI GLINE slaništa, mora

K K-feldspati K-feldspati, halogenidi

Sr kemija slična Ca, može biti radioaktivan

Fe piroksen, amfibol, biotit, magnetit, olivin, pirit ŠKRILJAVCI, pirit pirit, hematit, siderit, limonit.

Mn biotit, hornblenda obično ide s Fe

CO3 karbonati (kalcit, dolomit), VAPNENAC

Cl slaništa, morska voda

S04 sulfati (gips, anhidrit)

F fluorit (izvorni mineral za sve druge minerale s F)

N rijetko biosfera - NO2, NO3, nitrificirajuće bakterije

P apatit

B (+)

Page 36: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

36

U podzemnoj vodi mogu biti prisutni i različiti plinovi. Navode se najčešći. O2 - Kisik. Slobodan je vrlo rijetko prisutan u podzemnoj vodi. U podzemlju obično vladaju redukciona

stanja, pogotovo u dubljim dijelovima vodonosnika. Hidrokemijsku inverziju nalazimo u dubljem vodonosniku jednog dijela Dravske potoline (širi prostor Podravskog Novigrada i Đurđevca), gdje je kisik prisutan u značajnoj količini u dubljim naslagama.

CO2 - Ugljični dioksid. Slobodan se rijetko može naći u karbonatnim stijenama, često je prisutan kod podzemnih voda dubljih geoloških struktura, a redoviti je pratilac termomineralnih podzemnih voda (npr. Jamnička kiselica).

H2S - Sumporovodik. Karakteristačan plin redukcijskih sredina, i redovito se nalazi u vodonosnicima s povećanom količinom organske supstancije. Neugodnog je mirisa (po trulim jajima) može se organoleptički detektirati i u malim količinama. U većim količinama (prisutan je u naftnim ležištima) može biti jako toksičan.

CH4 - Metan (ili barski plin). Karakterizira vodonosnike s organskom supstancijom. Prati ugljene i naftna ležišta i spada u osnovne energente. U određenom odnosu sa zrakom, jako je eksplozivan.

3.3.5.5. Procesi formiranja kemijskog sastava podzemnih voda Procesi formiranja kemijskog sastava podzemnih voda veoma su kompleksni i u većini slučajeva nedovoljno sagledani. Analizama, laboratorijskim ispitivanjima i modeliranjima uglavnom su dobiveni opće poznati rezultati, koji se veoma često ne mogu primijeniti za istraživanu geohidrokemijsku sredinu (Golwer, 1982). To je ujedno i razlog što se daje prikaz osnovnih čimbenika relevantnih za kemijski sastav podzemnih voda. Svi procesi mogu se uvjetno svrstati u tri osnovne grupe: geohidrokernijski procesi, hidrobiokemijski procesi i pronos tvari. Geohidrokemijski procesi Ovi procesi obuhvaćaju fizičko-kemijske odnose u tekućoj fazi (vodena otopina), fizičko-kemijsko uzajamno djelovanje vodene otopine i stijene, te iznašanje tvari iz stijene u podzemnu vodu. Fizičko-kemijski odnosi u vodenoj otopini u osnovi ovise o izluživanju krute tvari iz otopine.

Page 37: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

37

Do izluživanja iz otopine može doći zbog više razloga, no najčešći je slučaj zbog izlaska vode iz sistema (vapnenac, dolomit, halit, anhidrit i gips). Izluživanje protiče u tri faze:

• I faza je uzajamno djelovanje slobodnih iona primjerice: Ca2+ +SO4 -2→ CaSO4 • II faza znači zasićenje otopine u određenim spojevima. • III faza je prelaz iz tekuće u žitku fazu, a nastupa pri bilo kojem narušavanju ravnotežnog stanja:

CaS04 (tekuće) → CaS04 (krutina). Na izluživanje utječe čitav niz faktora, a ogromna je uloga C02. Do koncentracije otopine može doći i zbog smrzavanja podzemne vode. Podzemne vode tundri mogu sadržavati i do 80 mg/l H2Si03 (Golwer, 1982.). Izluživanje će biti uzrokovano i prisutnošću drugih soli. Primjerice NaCl (halit) će se izlužiti i ispod zasićenja zbog prisutnosti drugih soli, što se gotovo redovito događa pri kristalizaciji halita iz morskih voda.

Na izluživanje mogu djelovati i geokemijske barijere: • mehaničke - u vezi s procjeđivanjem, • biokemijske - u vezi s organizmima, • fizičko/kemijske - zbog stanja u vodonosniku (izmjene koncentracije i

kiselosti, pa se primjerice željezo i drugi metali mogu ponovno otopiti). Prisutne organske tvari, koje su izvor energije za čitav mikrosvijet, mogu biti uzrokom većih promjena u fluidu.

Page 38: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

38

Fizičko - kemijsko uzajamno djelovanje otopine i stijene U ovu grupu može se svrstati čitav niz različitih procesa, među kojima su najznačajniji otapanje i ispiranje. Ispiranje je potpuno rušenje kristalizacijske forme minerala, odnosno stijene, a to se najočitije manifestira kod: NaCl, KCl, Na2S04, Na2CO3, CaSO4 x 2H20 i CaCO3). Topivost znači prelaz tvari iz minerala - stijene u vodu u ionsko/molekularnoj formi. Topivost se određuje prema razlici kemijskih potencijala tvari koje su prisutne u stijeni i u podzemnoj vodi i ide dok se koncentracije ne izjednače. Pri malim brzinama moguće je postići kvazi stacionarno stanje. Moguće je izdvojiti tri stadija procesa otapanja:

• u masi stijene - pronos tvari difuzijom prema fluidu, • prijelaz tvari iz stijene u fluid – otopinu, • udaljavanje otopljene tvari konvektivnim načinom, difuzijom ili na oba načina.

Brzina procesa ovisi o mnogim faktorima: prirodi tvari, mineralnom sastavu, stupnju disperzivnosti, sastavu otopine, temperaturi, i tlaku. Adsorbcija je karakterističan proces za površinu tvrde i tekuće faze, odnosno za površinu stijene i podzemnu vodu u vodonosniku. Adsorbcijski procesi termički su uvjetovani težnjom sistema prema minimumu energije slobodne površine i izražava se kompenzacijom valencije (Glower, 1982,). Adsorbcija je jako prisutna no slabo izučena. Evidentno je da rješavanju tog problema nedostaje interdisciplinarni pristup. Ionska izmjena predstavlja jednu formu sorpcije uvjetovanu različitim potencijalom iona otopine i tvrde faze (stijene) s njegovim adsorbiranim ionima. Filosilikati (tinjci, gline, posebice montmorilonit) imaju izrazita svojstva »gutanja« iona - u svoju strukturu, pa onda i ionske izmjene - većinom kationa. Već i male količine glina mogu biti presudne za formiranje kemijskog sastava podzemne vode, a posebno pri purifikaciji podzemnih voda. Hidroliza je najšire rasprostranjeni proces. Hidroliza je reakcija među ionima H+ i OH- vode s ionima (elementima, spojevima) minerala, koji se otapaju uz stvaranje slobodnih spojeva s promjenom vrijednosti pH u prirodnoj otopini (podzemnoj vodi).

Page 39: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

39

Fe3+ + 3H20 Fe3+3H+ + 30H- Fe(0H)3 + 3H+ Kod alumosilikata se stvaraju tzv. inkongruentne obloge koje spriječavaju daljni proces hidrolize. Promjena kemizma podzemne vode zbog dinamičkih odnosa u vodonosniku Stanje geohidrokemije u vodonosniku prikazan je do sada samo s aspekta statičkih odnosa. Dinamičko stanje u podzemlju može bitno promijeniti sastav podzemne vode. U podzemlju obično vladaju anaerobni uvjeti. Eksploatacijom podzemne vode pojedini dijelovi vodonosnika mogu doći u aeorobno stanje (Blaszyk & Gorski, 1980.). Razmotrimo što će u takvim uvjetima značiti prisutnost pirotina odnosno pirita u vodonosniku:

FeS + 202 → FeS04

2FeS2 + 702 + 2H2O → 2FeS04 + 2H2S04 što znači acidifikaciju (povećanje kiselosti) vodonosne sredine. Prisutnost kalcijeva hidrokarbonata uzrokovati će neutralizaciju uz oslobađanje ugljičnog dioksida:

H2S04 + Ca(HC03)2 → CaS04 + 2H20 + 2C02 Proces se potom nastavlja, što rezultira stvaranjem željeznog hidrokarbonata i sumporovodika u podzemnoj vodi:

FeS +2C02 +2H2O → Fe(HC03) +H2S Primarno ispravna podzemna voda može zbog snižavanja razine podzemne vode uzrokovane eksploatacijom postati neispravna, pa vodu prije korištenja za piće treba i kondicionirati.

Page 40: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

40

Hidrobiokemijski procesi Hidrogeologija i mikrobiologija praktično su zajednički zaživjele pronalaskom mikroskopa (Leeuwenhoek prije cca 300 god.). Jednu od najranijih spoznaja da bakterije imaju nešto s taloženjem željezovitih spojeva zabilježio je 1838. Ehrenberg (Back, 1989). Smatra se da su prve determinacije bakterija bile izvršene na uzorcima slanih naftnih voda u Kaliforniji 1919. god. Sva daljnja istraživanja demantirala su ranije pretpostavke da se u dubljim dijelovima litosfere ne mogu naći bakterije. 1960-ih je bila jasno definirana uloga bakterija - osnovna kontrola mnogih kemijskih procesa kao što su: redukcija sulfata, redukcija željeza, denitrifikacija, te je uočena njihova značajna uloga pri taloženju željeza i mangana u vodonosniku. Gurević je 1962. god. (Bower, 1978) utvrdio da su u arteškom vodonosniku Sibira prisutne bakterije koje oksidiraju sumpor čak i na dubini večoj od 1800 m. Isti je autor već tada zaključio da se sastav podzemne vode može promijeniti ne samo zbog kemijskih procesa nego i zbog aktivnosti bakterija (Back, 1989). Riječ je svakako o autohtonim mikroorganizmima. Hidrobiokemijski procesi, posebno kada se događaju u vodonosniku, nisu do kraja razjašnjeni. Već i kod prikaza osnovnih procesa moći će se uočiti sva kompleksnost problema. Živi organizmi, a naročito bakterije, stvaraju foto- i kemosintezom organsku supstancu iz anorganske materije. Poslije uginuća ili uništenja organizma ponovno se djelovanjem drugih mikroorganizama organska tvar mineralizira. Bakterije su u stanju mnoge procese ubrzati radi »igre« s elektronima, uz oslobađanje energije koju bakterije iskorištavaju za svoj metabolizam; posebno se i to odnosi na C02, H2S, CH4, H, N, Fe, i dr. (Back, 1989.). Najrasprostranjenija i najpoznatija je biogena generacija CO2:

CO2 (plin) CO2 (otopina) H2C03 H+ +HC03- 2H+ +C03 -2

C03-2 + Ca2+ Mg2+ CaC03 (krutina) +CaMg(C03)2 (krutina)

Page 41: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

41

Iz ovog se izraza mogu uočiti dvije stvari. Prvo, ukoliko je u podzemnoj vodi prisutan CO2 uz ion Ca2+ i Mg2+ može doći do stvaranja kalcita, odnosno dolomita (na desnom kraju izraza). Drugo, u slučaju da u podzemnoj vodi ima CO2 može doći do otapanja čvrste kalcitne odnosno dolomitne supstancije. Navedeni procesi su najočitiji u vapnencima i dolomitima krša. Bakterija Thiobacillus u vodonosniku izvršiti će sulfatizaciju sumporovodika, dok Desulfovibrio vrši ponovno transformaciju u sumporovodik:

2H2S + 02 → 2H2O + S2 + 260 kJ S2 + 302 + 2H2O → 2H2SO4 + 1132 kJ

U procesu sulfatizacije snižava se pH prirodnih otopina, a raste sadržaj SO4; uz to stvara se H2SO4 koja agresivno djeluje na okolne stijene, pri čemu se podzemne vode obogaćuju ugljičnom kiselinom, željeznim sulfatom i organskim kiselinama. Do redukcije sulfata može doći i bez bakterija, no samo u visoko - temperaturnim sredinama (u blizini vulkana). Gdje toga nema promjenu su sigurno izvršile bakterije. Geokemijske barijere nekim procesima su prisutni Fe, Zn, Cu, Pb i Ni, koji padaju u talog u obliku sulfida tvoreći: pirit, halkopirit, sfalerit, galenit i milerit (Bouwer,1978). Za kružni tok dušičnih spojeva u površinskom dijelu litosfere presudna je prisutnost autohtonih nitrificirajućih i denitrificirajućih bakterija (Alfoldi, 1982). Nitrificirajuće bakterije na površini tla bit će uzrokom slijedećih tranformacija dušika:

NH4 + H2O → HN02 + 262 kJ HN02 + H2O → HN03 + 84 kJ

Oslobođenu energiju bakterije koriste za svoj metabolizam, odnosno za proliferiranje.

Page 42: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

42

Denitrificirajuće bakterije uzrokuju oslobađanje dušika u podzemnu vodu i u atmosferu:

4NO3 + 5C → 2CO3-2 + 3CO2 + 2N2

Iz navedenog se može vidjeti da biokemijski procesi imaju veoma važnu ulogu pri formiranju kemijskog sastava podzemnih voda, te da često u vodonosnicima ubrzavaju procese stvaranja kompleksnih spojeva.

Pronos tvari u podzemnoj vodi Jednom izlužena supstancija iz minerala i stijene može na različite načine biti dalje pronošena kroz vodonosnik. Konvektivni pronos tvari može se opisati izrazom:

vs = v/ne gdje je: vs - stvarna brzina pronosa v - prividna brzina

ne - efektivna ili aktivna poroznost stijene

Page 43: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

43

Difuzivni pronos po poznatom zakonu Fika:

vd = -Dm

lδsδ gdje je:

vd - difuzivni pronos

Dm - koeficijent molekularne difuzije

δs/δl - gradijent difuzije Pri različitoj količini supstancija u različitim točkama vodene otopine prisutan je difuzni pronos tvari - pod utjecajem gradijenta kemijskog potencijala, koji nastoji izjednačiti neravnomjerni raspored tvari u otopini. Kod glinovitih je sedimenata taj proces smanjen zbog eletronskih odnosa na površini glina. Neravnomjeran proces disperzije u intergranularno poroznim klastičnim nevezanim stijenama i u čvrstim stijenama pukotinske poroznosti obično se naziva filtracionom ili hidrauličkom disperzijom. U vodonosnicima osnovni je konvektivni pronos tvari, a hidraulička disperzija i difuzija imaju veće praktično značenje jedino kod kontakta slatkih i slanih podzemnih voda. Sasvim je jasno da na ove procese snažno djeluju horizontalna i vertikalna heterogenost stijena. U hidrokemijskoj se literaturi često spominje »difuzno izluživanje«, koje je prisutno u glinama na račun otopine u porama glina i same otopine. Za sada se još ne može reći u kojem obujmu to može imati utjecaj na kemijski sastav podzemnih voda (Golwer, 1982). Treba spomenuti da se svi do sada razmatrani procesi formiranja kemijskog sastava podzemnih voda odnose na saturirani dio vodonosnika. No, znatno intenzivniji i dinamičniji tijek procesa zbiva se u nesaturiranom dijelu, odnosno u zoni kontakta sa saturiranim vodonosnikom. Na slici 3.21. (Golwer, 1982) prikazani su osnovni procesi koji se odvijaju u otvorenom plićem vodonosniku.

Page 44: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

44

Iz prezentiranog grafičkog prikaza je vidljivo da se svi relevantni procesi mogu uvjetno podijeliti u tri osnovne grupe: fizičke, kemijske i biološke procese.

• Geofizički procesi: disolucija, filtracija, adsorbcija, desorbcija, ionska zamjena, evaporacija, volatizacija • Geokemijski procesi: solucija, taloženje, hidroliza, formiranje kemijskih kompleksa, oksidacija, redukcija • Biološki procesi: biološka dekompozijcija, biološka transformacija, biološka akumulacija.

Page 45: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

45

Svi navedeni procesi značajno ovise i o termičkim odnosima u podzemlju. Isti autor napominje da za vrijeme zime praktično oksidacije nema. Tako npr. pri temperaturama nižim od 15 °C nema oksidacije N u nitrate. Iz slike 3.21. se također može uočiti da su navedeni procesi najintenzivniji na kontaktu saturiranog i nesaturiranog dijela vodonosnika. Procjeđivanje do saturiranog vodonosnika u funkciji je ne samo o propustnosti i vrsti stijene već i o klimi smatra S.D. Foster (1985), pa daje interesantan doduše veoma simplificirani grafički prikaz tranzitnog vremena do saturirane zone vodonosnika.

Page 46: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

46

3.3.5.6. Prisutnost mikroorganizama u podzemnoj vodi Osim spomenutih bakterija, čija prisutnost u vodi ima značajnu ulogu u formiranju kemijskog sastava podzemnih voda, postoji čitav niz mikroorganizama čija prisutnost određuje da li se voda može ili ne može koristiti za piće. Ovi mikroorganizmi su alohtonog porijekla, znači da nisu izvorno sadržani u vodonosniku, pa zbog toga jer se u njemu ne razmnožavaju na optimalan način nakon stanovitog vremena nestaju. Vrste i veličine mikroorganizama su različite, kao što se to vidi iz slijedećeg tabličnog prikaza.

VRSTE MIKROORGANIZAMA VELIČINE

virusi 0,01 - 0,3 μm

bakterije 0,5 - 5 μm

protozoa > 25 μm

jajašca crva > 25 μm

Među tim mikroorganizmima ima znatan broj onih koji su patogeni, a njihova prisutnost znači da voda nije za piće. Prema podacima WHO (Hutton, 1985) svaki dan umire 30.000 ljudi čija je bolest u nekoj vezi s pitkom vodom. Isti izvor navodi podatak da na Zemlji stalno boluje 400 milijuna osoba od gastroenteritisa. M.V.Yates (1989) navodi da u USA ima 22 milijuna septičkih jama, što znači 1/3 ukupne populacije ove bogate zemlje direktno zagađuje podzemlje. Navedeni autor napominje da su najčešći patogeni mikro-organizmi: Salmonella, Shigella, Entamoeba, Hepatitis A-virus, Rotavius i Poliovirus. Može se lako pretpostaviti kakvo je stanje u plićim vodonosnicima država u razvoju. Primjerice u Zagrebu, gradu s više od milijun stanovnika, preko 200.000 nema kalanizaciju, već se otpadne vode ispuštaju u podzemlje.

Page 47: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

47

Pragmatični Amerikanci (Freeze & Cherry, 1979) predlažu, koristeći izraz Darcy-a, slijedeći proračun udaljenosti septičke jame od zdenca u eksploataciji:

D=(tki)ne - gdje je:

D - udaljenost između septičke jame i vodoopskrbnog zdenca

t - vrijeme (dani) k - hidraulička provodljivost (m x d-1) i - hidraulički gradijent (m x m-l) ne - efektivna poroznost vodonosnika Prilikom transporta mikroorganizama u vodonosniku, gdje obično ne vladaju idealni uvjeti za njihovo proliferiranje (metabolizam), dolazi do autopurifikacije podzemne vode. A. Pekdeger i G. Matthess (1982) vodeći znastvenici u toj specijalnosti daju podatke 99,99 % eliminiranja osnovnih mikroorganizama u podzemlju. U grafičkom obliku ti se podaci daju na slici 3.23. Zadržavanje i mogućnost proliferiranja mikroorganizama u podzemlju u mnogome ovise o temperaturi podzemne vode, o mineraloško-petrografskom sastavu vodonosnika, te o promjeni prvotnih kemijskih karakteristika podzemne vode. Niske temperature podzemne vode mogu hibernizirati pojedine mikroorganizme. Međutim, mikroorganizmi se mogu naći i na dubini većoj od 2.000 m, gdje obično vladaju znatno više temperature.

Page 48: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

48

Minerali u većini slučajeva imaju negativan naboj - isto kao i mikroorganizrni. Posljedica toga je da mikroorganizmi ne mogu biti zadržani na površini mineralnih čestica - Van der Waalsove sile (Linsley i dr. 1984). Adsorbcija virusa, primjerice, nije uvjetovana samo mineralnim sastavom vodonosnika, već i velićinom zrna klastičnih sedimenata. Slikom 3.24. daje se prikaz adsorbcije nekih poznatijih virusa u vodonosnicima različitog granulometrijskog sastava.

Iz navedenog grafičkog prikaza može se razabrati da je adsorbcija gline cca 10 puta veće od krupnozrnih nevezanih klastičnih stijena. Posve će drugačija biti situacija ukoliko se u podzemnoj vodi nalaze ioni nekih metala. Slobodni ioni metala u vodi, većinom zadržani česticama glina, kompenzirat će negativni naboj površine minerala i uvjetovati potpunije zadržavanje mikroorganizama na površini čestica. Posebno se negativno na procese purifikacije podzemne vode može odraziti promjena pH vrijednosti. Na slici 3.25. daje se dijagram ovisnosti opstojnosti mikroorganizama o raznim vrijednostima pH.

Page 49: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

49

Na navedenom se grafičkom prikazu može jasno uočiti da je preživljavanje analiziranih mikroorganizama značajno dulje kod viših pH vrijednosti. To i jest jedan od razloga da pojedinim individualnim potrošačima, nakon povećanih količina deterđenata, koji se ispuštaju u septičke jame u blizini crpenih zdenaca, prvobitno ispravna podzemna voda postaje sanitarno neispravna i neupotrebljiva za piće. Treba reći da obično ne dolazi do biološkog zagađivanja podzemnih voda s površine, jer tlo djeluje kao efikasan filtar. Alohtone patogene bakterije, virusi i drugi mikroorganizmi, koji nisu stvoreni u podzemlju, ne mogu se uspješno razmnažati i u većini slučajeva nakon izvjestnog vremena nestaju. 3.3.5.7. Fizičke značajke podzemne vode Sa stanovišta pitkosti najvažnije su značajke podzemne vode: temperatura, boja, mutež, miris i okus. Temperatura podzemne vode mijenja se jedino u površinskom dijelu litosfere, sve do dubine tzv. „neutralnog sloja“, gdje je temperatura konstantna, bez obzira na dnevne, sezonske i godišnje oscilacije na površini zemlje. Primjerice, neutralni sloj se u Parizu nalazi na dubini od 28 m s temperaturom od 11,8 C, dok je u Moskvi na dubini od 20 m konstantna temperatura 4 C. Na dubini većoj od neutralnog sloja temperatura se povećava u skladu s geotermičkim gradijentom. Geotermički gradijent prvestveno ovisi o geološkoj građi i hidrogeološkim odnosima u litosferi. Prosječni geotermički gradijent iznosi 1 C za svakih 30 m dubine. Temperatura podzemne vode nam govori i o genezi podzemne vode. Iako ne tako često, mogu se naći lokacije na kojima je temperatura podzemne vode i znatno ispod srednje godišnje temperature istraživane lokacije. Primjer za to je Vransko jezero na otoku Cresu na čijem dnu je temperatura vode ispod 8 C, dok je srednja godišnja temperatura na površini 15,1 C. Taj se fenomen može protumačiti samo i isključivo prihranjivanjem jezera iz prostora znatno nižih srednjih godišnjih vrijednosti temperatura, a koje vladaju u kontinentalnim planinskim krajevima. U praksi je znatno češći slučaj da podzemna voda ima temperaturu iznad očekivane srednje godišnje temperature podzemne vode istraživane lokacije. Uzrok tome mogu biti biološki, biološko-kemijski ili kemijski procesi u vodonosniku, no i hidraulička povezanost s dubljim geološkim strukturama, odnosno s blizinom vulkanskoj aktivnosti. Prihranjivanje iz dubljih vodonosnika rezultirati će pojavom termalnih i termomineralnih voda.

Page 50: HIDROGEOLOGIJA-2. DIO-50 str.pdf

50

Eksploatacijom plitkih vodonosnika u neposrednoj blizini rječnih tokova mogu se dobiti vode čija će temperatura značajno varirati u tijeku godine, pa i do te mjere da se voda u ljetnom periodu ne može smatrati optimalnom pitkom vodom (Pollak, 1995). Naime, dobra pitka voda trebala bi imati temperaturu do 16 C. Boja podzemne vode ovisi o prisutnosti organske i mineralne supstancije koju voda nosi. Primjerice: svijetlo do tamnosmeđa boja uputit će nas na zaključak da je podzemna voda bila u kontaktu s organskim naslagama, posebno s tresetom, dok će žućkasta i oker boja značiti da se u podzemnoj vodi nalaze slobodni ioni željeza. Mutež podzemne vode je posljedica prisutnosti suspendiranih i koloidnih glinovitih ili sitnozrnih čestica u vodonosniku. U intergranularno poroznim klastičnim stijenama, pri laminarnom toku, nema pronosa muteži kroz vodonosnik. Ako je podzemna voda pri eksploataciji zdenaca mutna, onda to znači ili da filtarski dio konstrukcije zdenca nije bio adekvatno projektiran odnosno izveden, ili da vodonosnik nije do kraja bio »osvojen«. Miris i okus podzemne vode potjeću od minerala, organske supstance, te zbog prisutnosti bakterija ili plinova u vodi. Primjerice - zbog prisutnosti željeza voda će biti bljutava, a zbog organske supstance i posebno H2S imat će miris po pokvarenim jajima; taj je miris tako intenzivan da se može registrirati već i organoleptički.