50
1 HIDROGEOLOGIJA Sadržaj: 1. UVOD……………………………………………………………………………........................... 1 1.1. Povijest hidrogeologije……………………………………………………………………….. 4 1.2. Osvrt na stare teorije porijekla podzemne vode…………………………………………… 5 1.3. 0snivači hidrogeologije……………………………………………………………………….. 6 2. OPĆENITE HIDROGEOLOŠKE ZNAČAJKE STIJENA……………………………………….. 9 2.1. Porijeklo i pojave podzemne vode…………………………………………………………... 9 2.2. Fizičke karakteristike vodonosnika………………………………………………………….. 15 2.3. Rubni uvjeti vodonosnika…………………………………………………………………….. 17 2.4. Tipovi vodonosnika…………………………………………………………………………… 20 2.5. Poroznost vodonosnika………………………………………………………………………. 22 2.6. Propustljivost i transmisivnost vodonosnika……………………………………………….. 29 2.7. Elastične karakteristike vodonosnika……………………………………………………….. 31 3. ODREĐIVANJE OSNOVNIH HIDROGEOLOŠKIH PARAMETARA STIJENA……………… 32 3.1. Tok vode kroz tla i stijene……………………………………………………………………. 32 3.1.1. Tok vode kroz stijene međuzrnske poroznosti: Darcy-ev zakon filtracije…………. 33 3.1.2. Tok vode kroz stijene pukotinske poroznosti…………………………………………. 35 3.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti………………………………………………………. 36 3.2.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti »in situ«………………………………………. 36 3.2.1.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti nalijevanjem…………………………….. 36 3.2.1.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti pokusnim crpenjem……………………. 40 3.2.1.3. Hidraulika vodonosnika…………………………………………………………….. 40 3.2.1.4. Hidraulika zdenca…………………………………………………………………… 49

HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

  • Upload
    others

  • View
    29

  • Download
    5

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

1

HIDROGEOLOGIJA

Sadržaj:

1. UVOD……………………………………………………………………………........................... 1 1.1. Povijest hidrogeologije……………………………………………………………………….. 4 1.2. Osvrt na stare teorije porijekla podzemne vode…………………………………………… 5 1.3. 0snivači hidrogeologije……………………………………………………………………….. 6

2. OPĆENITE HIDROGEOLOŠKE ZNAČAJKE STIJENA……………………………………….. 9 2.1. Porijeklo i pojave podzemne vode…………………………………………………………... 9 2.2. Fizičke karakteristike vodonosnika………………………………………………………….. 15 2.3. Rubni uvjeti vodonosnika…………………………………………………………………….. 17 2.4. Tipovi vodonosnika…………………………………………………………………………… 20 2.5. Poroznost vodonosnika………………………………………………………………………. 22 2.6. Propustljivost i transmisivnost vodonosnika……………………………………………….. 29 2.7. Elastične karakteristike vodonosnika……………………………………………………….. 31

3. ODREĐIVANJE OSNOVNIH HIDROGEOLOŠKIH PARAMETARA STIJENA……………… 32 3.1. Tok vode kroz tla i stijene……………………………………………………………………. 32

3.1.1. Tok vode kroz stijene međuzrnske poroznosti: Darcy-ev zakon filtracije…………. 33 3.1.2. Tok vode kroz stijene pukotinske poroznosti…………………………………………. 35

3.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti………………………………………………………. 36 3.2.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti »in situ«………………………………………. 36

3.2.1.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti nalijevanjem…………………………….. 36 3.2.1.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti pokusnim crpenjem……………………. 40 3.2.1.3. Hidraulika vodonosnika…………………………………………………………….. 40 3.2.1.4. Hidraulika zdenca…………………………………………………………………… 49

Page 2: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

2

UVOD

Ljudsko biće treba u prosjeku minimum 2,5 litre pitke vode za dnevnu konzumaciju. Smatra se da je za piće i pripremanje jela potrebno barem 5 l/dan, no u razvijenim zemljama se u prosjeku u domaćinstvima troši znatno veća količina vode. Dnevna potrošnja pitke vode po osobi, prema podacima nekih zemalja Europe u 1985. godini, prikazana je u tablici 1.1. Dakako, ako se uključe potrebe industrije i poljoprivrede, onda su potrebne količine puno veće; u prosjeku količina vode koja se troši u industriji jest za 1/4 do 1/3 veća od potrošnje u domaćinstvima. Tablica 1.1. Dnevna potrošnja pitke vode

Veliki dio navedenih količina vode ostvaruje se eksploatacijom podzemnih voda kojima se prvenstveno bavi hidrogeologija. Hidrogeologija može biti definirana kao proučavanje podzemne vode s obzirom na prisutnost, način kretanja, kemijski i mikrobiološki sastav i to sve u odnosu na geološki okoliš. Hidrogeologija je znači znanstvena disciplina koja se bavi postankom, rasprostiranjem, korištenjem i zaštitom podzemnih voda. Kao dio geologije vezana je i s drugim znastvenim područjima iz domene petrologije, pedologije, hidrogeologije, hidraulike, klimatologije, eksploatacije mineralnih sirovina, izvedbe površinskih i podzemnih akumulacija, irigacije i melioracije, te - što je u novije vrijeme sve aktualniji problem - izvedbe odlagališta otpada. Izraz hidrogeologija prvi puta je rabljen 1802. po francuskom prirodnjaku Lamarcku, iako uz nešto drugačije tumačenje. On tu granu znanosti definira kao »izučavanje fenomena degradacije (erozije) i sedimentacije pod vodenim agensima«.

Zemlja Potrošnja pitke vode [l/dan]

Austrija 129 Belgija 108 Danska 191 Engleska 130 Francuska 141 Italija 220 Luksemburg 172 Nizozemska 157 Španjolska 145 Švicarska 263 Hrvatska 100

Page 3: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

3

Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio termin hidrogeologija - za geološka proučavanja podzemnih voda (Davis & De Wiest, 1966). Najbolja znanstvena istraživanja i visokostručni rad može biti uspješno završen jedino zajedničkim naporom geologa, hidrauličara, hidrologa, agronoma, kemičara i po nekima i fizičara koji se specijalizirao u znanosti o zemlji. Iako za mnoge aspekte hidrogeologije imaju interes samo znanstvenici, ova je grana prirodnih znanosti u velikoj mjeri rezultat pragmatičnih razmišljanja. Ustvari, najveća prednost današnje hidrogeologije je upravo u tome da rješava probleme od najvećeg ekonomskog značaja. Taj će se trend sigurno nastaviti i u budućnosti zbog sve većeg broja stanovnika i rastućih potreba industrije za vodom. Usprkos tome što 4/5 voda koje se koriste (uključujući hidroelektrane i plovidbu) dolazi iz jezera i rijeka, teško da se može zanemariti ogroman ekonomski značaj podzemnih voda. Podzemna voda ima barem sedam prednosti pred korištenjem površinske vode:

(1) općenito je bez patogenih organizama, pa ne iziskuje prethodno čišćenje za domaćinstva i industrijsko korištenje;

(2) temperatura je uglavnom konstantna što je velika prednost ako se koristi za piće ili u sistemima hlađenja industrijskih postrojenja;

(3) općenito je bez boje i muteži; (4) kemijski sastav je općenito konstantan; (5) zalihe su podzemne vode veće nego površinskih voda, vodoobskrbu na račun

podzemnih voda neće ozbiljno ugroziti kratkotrajne suše; (6) radioaktivna i biološka kontaminacija podzemnih voda je otežana; (7) podzemna voda, koja se stalno obnavlja u vodonosniku, može se koristiti na

mnogim područjima gdje površinske vode nedostaju. Tri su osnovna razloga kada zahvat podzemnih voda na nekim prostorima nema prednosti pred zahvatom površinskih voda:

Page 4: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

4

(1) najvažnija je činjenica da su na nekim područjima prisutne stijene nedovoljnog poroznosti ili propusnosti da bi se kaptiranjem dobile dovoljne količine vode;

(2) obično, iako ne i uvijek, podzemne vode imaju više otopljenih tvari nego površinske vode na istom prostoru;

(3) cijena zahvaćanja podzemne vode sa zdencima obično je veća od cijene zahvaćanja malih površinskih tokova.

1.1. Povijest hidrogeologije Općenita nestašica vode, gusta naseljenost i dominantna poljoprivredna aktivnost uvjetovali su upravo u sušnim područjima u Aziji razvitak konstrukcije podzemnih galerija i izvedbe zdenaca. Prvi zapisi o zahvaćanju podzemne vode mogu se naći već u Bibliji. Usprkos velikim teškoćama izvedeni su zdenci takvog promjera da je unutar njih bio izgrađen put za magarce, koji su iznosili na površinu iskopani materijal, odnosno podzemnu vodu. Ovi zdenci su veoma rijetko dublji od 50 m. Podaci o izvedbi bušenih zdenaca su veoma oskudni, usprkos činjenici da su bušenja uz vađenje jezgre bila primjenjivana u kamenolomima Egipta i prije 5000 godina. U drevnoj Kini, domovini mnogih inventivnih pronalazaka, prisutna su bušenja zdenaca. U principu su bušenja bila identična današnjima s time da su strojevi bili izrađeni od drveta, a pogon ljudski. Zbog malih napredovanja izvedba zdenaca trajala je i više godina, a nabušene dubine su bile zapanjujuće. Bowman navodi dubinu zahvaćanja podzemne vode od 1200 m, a Tolman čak 1500 m (Davis & De Wiest, 1966). Iste metode, s neznatim izmjenama u posljednih 1500 godina, koriste se još i danas u seoskim područjima Laosa, Kambođe, Tajlanda, Burme i Kine. Najveće ostvarenje u korištenju podzemne vode postigli su drevni narodi izvedbom infiltracionih zdenaca, odnosno kanata. Te građevine, kadikad dulje i od 60 km, izvode se u aluvijalnim poluvezanim sedimentima. Prvi kanati izgrađeni su u Iranu prije više od 4500 godina, a zatim se ta tehnika zahvaćanja podzemne vode proširila na zapad sve do Egipta. Mnogi su kanati još i danas u upotrebi u Iranu i Afganistanu. Zahvaljući slabim vezama s drevnom Kinom, u zapadnoj Europi se bušenje zdenaca razvijalo samostalno. Pravi zamah u izvedbi bušenih zdenaca nastao je nakon otkrića prvog zdenca na kojemu se podzemna voda izlijevala na površinu. Blizu Bethune u Gennehemu (oko 1100. god.) izbušena su četiri zdenca, iz kojih se podzemna voda

Page 5: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

5

prelijevala gotovo 4 m iznad kote tla, što je bilo dovoljno za pokretanje mlina. Zdenci su bili stotinjak metara duboki i zahvatili su podzemnu vodu pod tlakom u vodonosniku, kojega su sačinjavali razlomljeni sedimenti krede, a čiji su izdanci bili na višem platou Provincije Artois. Ovi zdenci - poznati po svom samoizlijevanju u navedenoj provinciji - postaju nadaleko poznati arteški zdenci. Široko rasprostranjena istraživanja na artešku podzemnu vodu uvjetovala su razvoj tehnike bušenja zdenaca. Interes je bio toliko velik da je Kraljevsko i Centralno društvo za Agrikulturu Francuske godinama dodjeljivalo nagrade autorima novih tehnika i bušačima koji su izvodili takve zdence na novim područjima. Iako su se metode bušenja brže razvijale u Europi nego u Kini, na kraju 18. stoljeća dubina zdenaca je rijetko prelazila 300 m. Tek pri kraju 19. stoljeća dubine zdenaca su bile veće nego zdenaca izbušenih primitivnirn načinom u drevnoj Kini. Posljednjih sto godina naglo se razvijaju metode bušenja na vodu, no prvenstveno zbog znanja koje se koristilo pri istraživanju nafte i plina. Najznačajnija pojedinost u napretku tehnike bušenja bio je razvoj hidrauličkih rotacionih metoda. Prve hidrauličke metode bazirale su se na primjeni vanjskih obložnih kolona; oko 1890. god. je otkriveno da se stijenke bušotina mogu održavati i primjenom muljeva - isplake, pa primjena obložnih kolona više nije bila neophodna. Iako je tehnologija izvedbe zdenaca posuđena iz istraživanja na naftu, mnoge inovacije - kao što je reversno rotaciono bušenje, šljunčani zasip oko vodoprijemnog dijela zdenca, te podvodne kamere - duguju svoj razvoj upravo tehnologiji izvedbe zdenaca za podzemnu vodu. 1.2. Osvrt na stare teorije porijekla podzemne vode Usprkos značajnom korištenju podzemnih voda u drevnim civilizacijama veoma malo ima zapisa o teorijama postanka podzemnih voda, čak i u staroj Grčkoj gdje se voda smatrala jednim od četri osnovna elementa od kojih je sastavljena zemlja. Jedan od vjerojatnih razloga tome je činjenica da su Platon i njegovi sljedbenici smatrali da se filozofija i nauka više manje ne mogu praktično primjenjivati. Grci su bili impresionirani velikim rijekama u komparaciji s opažanim otjecanjem oborina; čudili su se pojavama spilja, ponora i jakih izvora koji su tako karakeristični za vapnenjačke terene Balkana. Općenito se smatralo da velike rijeke duguju svoj postanak

Page 6: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

6

izvorima, koji se prihranjuju podzemnim rijekama ili jezerima i to direktno iz mora. Tadašnji filozofi prirode bili su suočeni s pitanjima: (1) kako more može izgubiti salinitet? (2) kako se moru može podići nivo da bi izviralo u visokim planinama? Postojala su i drugačija razmišljanja. Za Thalesa (640 - 546 g. pr. naše ere) voda je vjetrom ugurana u stijene, a pojava izvora protumaćena je kao rezultat tlaka stijena. Veliki grčki filozof Platon (427 - 347 g. pr. naše ere) smatrao je da je izvor svih podzemnih voda prisutnost velikih kaverni u podzemlju, u koje različitim putevima dolazi morska voda. Iako to nije sasvim korektno, može se smatrati prvim prikazom hidrološkog ciklusa vode. Učenik Platona - Aristotel smatra da se voda u podzemlju kreće i izbija na površinu posebnim spužvastim sistemima. Ujedno smatra da je pojava izvora u svezi s vodenim parama koje emaniraju iz zemljine unutrašnjosti. Aristotel je dakako uočio da neke podzemne kaverne dobivaju vodu na račun oborina. Stari Rimljani su mnoge stvari u nauci preuzeli od Grka, pa tako i o podzemnoj vodi. Seneka na početku naše ere u potpunosti prihvaća teoriju Aristotela, no smatra da oborine nisu dovoljne za prihranjivanje podzemnih voda, pa onda i površinskih voda. Interesantno je spomenuti da se ta teorija smatrala ispravnom daljnih 1500 godina. Francuski znanstvenik Bernard Pallissy (1509-1589) vjerojatno je prvi koji postavlja modernu koncepciju hidrološkog ciklusa vode u raspravi pod nazivom: »Des eaux et fontaines«. Njemački mislioci Kepler i Kiercher baziraju svoje postavke na učenju Seneke i Aristotela. Kiercherove ideje dane su u djelu »Mundus Subterraneus«, koje je prvi puta tiskano 1664 god. i smatralo se prvim udžbenikom geologije za školarce. 1.3. Osnivači hidrogeologije Francuski znanstvenici Pierre Pearrault i Edme Mariotte su prvi sredinom 17. stoljeća izmjerili količinu oborina i veličinu otjecanja u slivu rijeke Seine. Konstatirano je da količina vode koja otiče rijekom Seinom znači samo jednu šestinu oborina koje padnu na slivno područje tijekom godine. Mariotteov rad »Du mouvement des eaux« (1690.) osim karakteristika fluida sadrži i čitav niz podataka o porijeklu vode arteških zdenaca, vjetrovima, olujama, kapilarnom podizanju vode; autor smatra da se jedna trećina oborina isparava, jedna trećina otiče po površini, a da se jedna trećina gubi u podzemlje.

Page 7: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

7

Nekoliko godina kasnije poznati engleski astronom Edmund Halley publicirao je studiju o evaporaciji, te zaključuje da se svi površinski tokovi prema moru mogu prihranjivati evaporacijom iz Mediteranskog mora. Vidjeli smo da su arteški zdenci intrigirali znanstvenike drevne Grčke, no prvo tehnički ispravno tumačenje te pojave dao je briljantan iranski filozof i znastvenik Sheikh Abu Raihan al-Biruni (973-1048). Najbolje dokumentirano tumačenje te pojave došlo je mnogo kasnije (1715. g.) sa strane Antonia Vallisnieria predsjednika Universiteta u Padovi, za čije je potrebe Johann Scheuchzer izradio jedan od prvih geoloških profila. Koristeći nešto iz radova Hagena i Poiseuillea, Henri Darcy (1803-1858) bio je prvi koji je na sasvim matematičkim postavkama dao tumačenje kretanja podzemne vode. Darcy je bio izvrstan francuski inženjer koji se bavio rješavanjem vodoopskrbe. Njegova poznata formula rezultat je eksperimenta s pješčanim filtrom, čiji je rezultat kao dodatak bio prezentiran u tehničkom izvještaju rješenja vodoopskrbe Dijona. Pravi razvoj ove znanosti zbio se u našem stoljeću, no u tri - kako smatra S.N Davis (1966) - manje više odvojena smjera:

(1) izučavanje odnosa geologije i pojava podzemnih voda, (2) razvoj matematičkih izraza da bi se opisalo gibanje vode kroz čvrste stijene, te

konsolidirane i nekonsolidirane sedimente, (3) izučavanje kemije podzemnih voda ili hidrogeokemija.

Proučavanje odnosa geologije i pojava podzemne vode teško se može vezati za pojedina imena. Tako na primjer pojave podzemnih voda u zonama smrzavanja izučavaju ruski geolozi, dok su nizozemski geolozi dali veliki prilog poznavanju odnosa slane i slatke vode. Japanski geolozi i geofizičari dali su brojne priloge razumijevanju i korištenju termalnih podzemnih voda. Sasvim je razumljivo da su posebna iskustva bila stečena na područjima krša, odnosno pri istraživanju podzemnih voda eruptivnih stijena. No usprkos velikog broja geologa koji su se bavili tom problematikom, čija bi imena mogla biti citirana, jedno ime bi svakako trebalo naglasiti, a to je O.C. Meinzer. On je u periodu od 1920. do 1940. god., dok je bio član United States Geological Survey, definirao i spojio različite komadiće nove znanosti o zemlji i time dao glavni doprinos organiziranju hidrogeološke znanosti u svijetu.

Page 8: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

8

Razvitak hidraulike podzemnih voda može biti lakše identificiran imenima pojedinaca, jer su pojedine formule (uz ostalo) bile radije publicirane nego općeniti koncepti toliko važni u klasičnoj geologiji. U prvom se redu ne može zaobići ime Julesa Dipuita, francuskog znanstvenika, koji je samo sedam godina nakon monografije Darcy - a postavio principe toka podzemne vode prema crpenom zdencu. Nijemac Adolf Thiem (1870) modificirao je formulu Dupuit - a, tako da su se mogle proračunati stvarne karakteristike vodonosnika na bazi opažanja oscilacija nivoa podzemne vode u bušotinama u neposrednoj blizini crpenog zdenca. Moderne metode više matematike su prvi puta primijenjene kod toka podzemnih voda sa strane Philipa Forchheimera (1886). On je prvi uveo pojam ekvipotencijalnih linija i njihov odnos prema strujnicama podzemne vode, te primijenio Laplacevu jednadžbu i metodu imaginarnih vodnih objekata. Veliki napredak u hidrogeologiji je učinjen 1935. god kada je C. V. Theis uveo jednadžbe nestacionarnog toka podzemne vode prema crpenom zdencu. Theisova formula je bazirana na toku topline, no nekoliko godina kasnije C.E. Jacob izvodi isti izraz samo kroz hidraulička izučavanja problema.Jedan od najvažnijih doprinosa matematičkog opisa gibanja podzemne vode su radovi Morrisa Muskata publicirani 1937. god. Njegova knjiga (The flow of homogeneous fluids through porous media) još i danas je vrijedno djelo za školovanje i istraživanja mlađih hidrogeologa. Posve je jasno da se u segmentu istraživanja i eksploatacije nafte i plina hidrogeologija posebno brzo razvijala. M.King Hubbert (1940) je mnogo pridonio razumijevanju toka fluida i primjeni hidrodinamike kod eksploatacije nafte. Iako s malim zaostatkom i u Rusiji se značajna pažnja pridavala hidrogeologiji, pa radovi Žukovskog, Pavlovskog (1956) i Silin-Bekčurina (1962) nemaju samo pionirski karakter za tu zemlju, nego su dali nova saznanja o hidrogeološkim odnosima u području vječnog leda. Hrvatska, iako mala zemlja, dala je također značajan doprinos hidrogeološkoj znanosti. Ne smije se zaboraviti da se pojmovi: krška dolina, vrtača i polje kao stručni izrazi rabe u gotovo svim zemljama. Zasluga za to sigurno pripada pionirskom radu akademika M. Heraka, te njegovoj angažiranosti na rješavanju hidrogeoloških problema u svezi s izvedbom hidroenergetskih objekata u prostorima krša južnog dijela Hrvatske te Bosne i Hercegovine. Za aplikaciju hidrogeološke znanosti u intergranularnim sredinama sjeverne Hrvatske mnogo je uradio P. Miletić, u južnom krškom dijelu Hrvatske važan doprinos dali su A. Magdalenić, S. Bahun, F. Fritz i B. Biondić, a na zaštiti podzemnih voda D. Mayer. Kemijske analize vode rutinska su stvar već više od sto godina, međutim, izučavanje hidrogeokemijskih odnosa relativno je novija znanstvena disciplina. Tako su moderna hidrogeokemijska istraživanja započela 1925. radovima F.W. Clarka.

Page 9: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

9

2. OPĆENITE HIDROGEOLOŠKE ZNAČAJKE STIJENA 2.1. Porijeklo i pojave podzemne vode Nace 1960. i Feth 1973. su procijenili da se ukupno na zemaljskoj kugli nalazi 1,36 x 108 km3 vode sadržane u atmosferi, na površini te pod zemljinom površinom. Isti autori te su odnose izrazili na slijedeći način:

Tablica 2.1. Ukupna bilanca voda na Zemlji

Page 10: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

10

Podzemna voda je samo jedan dio vode koji se nalazi u kruženju vode u zemljinoj kori, odnosno u hidrološkom ciklusu vode. Oborine i vode ledenjaka se jednim dijelom kreću na površini, dio se isparava - transpirira i evapotraspirira, a dio se infiltrira i kreće pod zemljinom površinom do rijeka, jezera, mora ili do mjesta eksploatacije. Evaporacijom površinskih i transpiracijom podzemnih voda, voda se vraća u atmosferu gdje se ponovno i stalno formiraju nove oborine. Odnosom količina vode koja se kreće po površini, infiltrira u podzemlje te postotkom koji se neposredno vraća u atmosferu bavi se hidrologija. Bilanca podzemnih voda, intezitet procjeđivanja te obnavljanje podzemnih voda u funkciji je ne samo od klimatskih uvjeta već u većoj mjeri ovisi i o općim geološkim te još posebno o hidrogeološkim odnosima izučavanog prostora, a to je opet predmet hidrogeologije. Glavni izvor svih podzemnih voda jest meteorska (= vadozna voda) koju čine

Page 11: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

11

oborine - kiša, snijeg, inje, rosa i tuča. Na nekim mjestima mogu biti od značaja i vode čije je porijeklo drugačije - to su juvenilna i konatna voda. Juvenilna voda nastaje sintezom vodika i kisika i kondenzacijom iz magmatskih izvora, dok je konatna voda (latinski izraz »conatus« znači zajedno rođen) nastala zajedno sa stijenom. Količina vode koja se infiltrira u tlo zavisi o tome kako su oborine raspoređene, koji je dio voda koje otiču po površini, kakva je evapotraspiracija na prostoru infiltracije u podzemlje, te kakvi su hidrogeološki odnosi u zoni prihranjivanja vodonosnika.

U svezi s time moguće je izdvojiti slijedeće hidrogeološke zone (v. sliku 2.2): (1) zona prihranjivanja (2) zona tranzita (3) zona korištenja (istjecanja). Veličina pojedinih zona ovisi o hidrogeološkim odnosima, što će direktno utjecati na stanje u vodonosniku i na kakvoću podzemne vode. Izostanak zone tranzita bit će razlogom posebne kakvoće podzemne vode, odno-sno smanjenja autopurifikacionih karakteristika vodonosnika uz naglašenu mogućnost njegovog zagađivanja.

Page 12: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

12

Abramov (1973) je količinu koja se infiltrira izrazio slijedećim empirijskim oblikom:

Q = 2,74fkPF (2.1)

Intezitet infiltracije u mnogome ovisi o tome da li se izučavani prostor nalazi u glacijalnom, humidnom ili aridnom pojasu. Retencija vode u tlu, u površinskom dijelu stijena, zavisi o:

kapilarnim silama – adheziji molekularnoj privlačnosti čestica - koheziji.

U površinskom dijelu litosfere - obradivom tlu vladaju specifični hidrogeološki odnosi, pa se slikom 2.3. daje prikaz osnovnih faktora pri bilanciranju podzemnih voda tla.

Page 13: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

13

Saturiranost stijene podzemnom vodom nije u površinskom dijelu potpuna što se može vidjeti i iz shematskog prikaza na slici 2.4. Kada pore u tlu postanu jako ovlažene ili potpuno saturirane smanjuju se kapilarne sile i gravitacija je djelotvornija na čestice vode, te se voda s površine procjeđuje - perkolira (ponire) u dublji dio litosfere. Perkolacija se zbog toga može malim dijelom odvijati i nakon prekida infiltracije s površine. Kada se izjednače sile kapilara i gravitacije poniranje u potpunosti izostaje. Iz dosadašnjeg se prikaza moglo zaključiti da je perkoliranje (infiltracija) površinskih voda u podzemlje uvjetovana čitavim nizom faktora. Navedeni izraz Abramova (2.1.) može biti podlogom samo grubih proračuna količina koje se mogu infiltrirati u vodonosnik. Za točniju ocjenu infiltrirane vode s površine pri proračunu bilance podzemnih voda koriste se posebni uređaji - lizimetri. U praktičnoj je pedologiji razvijen čitav niz lizimetara, koji zadovoljavaju potrebe pedologije i agrotehničkih mjera.

Page 14: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

14

Ovi jednostavni uređaji nisu dostatni za kompleksnije proračune hidrogeološke bilance. U cilju dobivanja preciznijih podataka o količini vode koja se infiltrira u vodonosnik izgrađen od nevezanih klastičnih sedimenata potrebno je izvesti poseban građevinski objekat. Na slici 2.5. dan je shematski prikaz jednog takvog lizimetra. Iz navedene se slike može razabrati da uređaj omogućuje mjerenja količina voda koje se s površine procjeđuju prema saturiranom vodonosniku. Starost podzemnih voda je različita, pa podzemne vode mogu biti stare od nekoliko dana do nekoliko tisuća godina. Smatra se da je prosječna starost meteorskih (=vadoznih) voda u SAD-u 160 godina (Nace, 1960). Pearson i White su 1964. godine, koristeći tehniku određivanja apsolutne starosti prema radioaktivnom ugljiku C14 utvrdili, da su podzemne vode Carrizo pijesaka u južnom Teksasu na udaljenosti od 22 km od izdanka stare 5000 god., a nizvodno na udaljenosti od 60 km od područja infiltracije u podzemlje stare su oko 30.000 godina. Prema istoj metodi ispitivanja utvrđeno je (Smith i dr., 1976.) da starost podzemnih voda krednih naslaga u Londonskom bazenu prelazi 25.000 godina.

Page 15: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

15

2.2. Fizičke karakteristike vodonosnika Vodonosnik je porozni medij koji vodu prima, transmitira (provodi, propušta: od transmissibility = provodljivost), a u nekim vodonosnicima vodu i otpušta, odnosno daje. Nekonsolidirani materijali, a naročito glina, mogu svoj volumen povećati, odnosno smanjiti, u zavisnosti o tome da li se podzemna voda dodaje ili oduzima. U cilju kvantificiranja procesa, fizičke karakteristike vodonosnika mogu biti izražene čitavim nizom parametara od kojih će većina biti prezentirana u narednim poglavljima. Stijene zemljine kore mogu se u svezi s osnovnom litološkom građom podijeliti na:

1. čvrste stijene, koje sačinjavaju sve eruptivne ili magmatske stijene, metamorfne stijene, te organogeni, kemijski sedimenti i vezani klastični sedimenti,

2. poluvezane gline te prapor ili les i 3. nevezane stijene koje najčešće tvore nekonsolidirane vodonosnike.

Nekonsolidirani sedimenti se klasificiraju prema veličini pojedinih zrna. U građevinskoj se praksi koristi prilagođena podjela koja je razvijena u U.S. Department of Agriculture (1951), a koju usvaja Massachuset Institute of Technology - MIT (Nonveiller, 1990. – v. tablicu 2.2).

Page 16: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

16

Distribucija veličina zrna određuje se prosijavanjem uzoraka kroz sita veličine otvara 0,05 mm. Materijal koji ostaje na situ se suši i određuje prolaz kroz različita sita uz mjerenje težine prosijanog materijala. Određivanje raspodjele zrna koja su prošla kroz sito otvora 0,05 mm, praha i gline, provodi se mjerenjem brzine taloženja čestica u suspenziji koristeći Stokes - ov zakon (Day, 1965). Rezultati analize nanašaju se na semilogaritamski papir, što rezultira granulometrijskom krivuljom (slika 2.6.).

Slika 6. Granulometrijska analiza nekoliko slučajno odabranih uzoraka

Page 17: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

17

Dobro graduiran materijal je uzorak koji se sastoji od čestica različitih veličina zrna dok uniforman materijal čine čestice pretežno jednakih veličina zrna. Odnos d60/d10 označava koeficijent jednoličnosti zrna. Jedna od najvažnijh značajki stijena koje sadrže i propuštaju podzemnu vodu jest poroznost i propusnost. Te se vrijednosti mogu mijenjati u stijeni ili tlu u skladu s njihovim geološkim razvojem. Zbog toga nije ništa neobično kada se konstatira da se obje vrijednosti mijenjaju u svezi s dubinom izučavane stijene ispod površine. 2.3. Rubni uvjeti vodonosnika Heterogena priroda vodonosnih stijena, kompleks lateralnih i vertikalnih granica vodonosnika i različiti odnosi među vodonosnicima, atmosferom i površinskim vodama prisilili su hidrogeologe da prirodne uvjete prikažu simplificirano. U mnogim slučajevima mogu biti prirodni uvjeti prezentirani u jednostavnim geometrijskim oblicima, koji omogućuju proračune dovoljne točnosti za praktičnu primjenu. Na slici 2.7.a. do 2.7.i. daju se osnovni rubni uvjeti vodonosnika:

a) otvoreni vodonosnik sa slobodnom vodom bez procjeđivanja, b) otvoreni vodonosnik sa slobodnom vodom s procjeđivanjem, c) zatvoreni vodonosnik pod tlakom bez procjeđivanja, d) poluzatvoreni vodonosnik pod tlakom s procjeđivanjem, e) poluograničeni vodonosnik s rijekom pod tlakom, f) ograničeni vodonosnik nepropusnim stijenama sa slobodnom vodom, g) pravokutni vodonosnik ograničen rijekama i nepropusnim stijenama, h) ograničeni vodonosnik kružnim tokom rijeke ili jezera. i) vodonosnik ograničen morem sa slobodnom podzemnom vodom.

Page 18: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

18

Odnos slatke i slane vode prema Ghyben – Herzbergovom zakonu prikazan je također na slici 2.7.i., jer se može smatrati rubnim uvjetom rasprostiranja slatke podzemne vode.

Page 19: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

19

Voda u priobalju i na otocima U priobalnom području i na otocima, uz uvjet postojanja vodopropusnih naslaga, slatka voda dolazi u kontakt s morskom. Prirodu tog kontakta proučili su i interpretirali u terenima s međuzrnskom poroznošću W. B. Ghyben 1888. i A. Herzberg 1901. Uočili su da je granicno područje između slatke i morske vode u takvim terenima pravilno i da ovisi samo o visini vodnog lica i razlici u gustoći tekućina. Iz matematičkog izraza (nazvanog Ghybcn -Herzbergov zakon), može se za idealne uvjete dobiti podatak da se na svaki metar nadvišenja slatke vode iznad razine mora, nalazi ispod razine mora leća slatke vode do dubine približno 40 m, što će u mnogome ovisiti o gustoći morske vode. U Mediteranu je taj odnos između 1:35 i 1:38 (Margeta, 1992). Na našim otocima i u priobalju, gdje teren izgrađuju pretežito karbonatne okršene stijene i flišne naslage s pukotinskom i kavernoznom poroznošću, različite i često na malim udaljenostima promjenljive propusnosti, Ghyben - Herzbergov zakon ne daje pouzdane podatke.

Iako se kod nas u praksi rabi približan izraz hs ≈ 40 hf, taj se odnos može definirati precizno slijedećim izrazom:

hs = ρf / (ρs – ρf )* hf (2.2) Pri tome je: hs – dubina slatke vode od kote mora do kontakta slatke i slane vode (engl. «interface») hf – visina razine slatke podzemne vode iznad kote mora; ρf - gustoća slatke vode; ρs - gustoća slane vode.

Page 20: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

20

Sasvim je razumljivo da su odnosi u prirodi znatno različiti od ovih simplificiranih odnosa, što znači da ćemo trebati provesti obimne istražne radove ukoliko se svojim saznajima želimo približiti stvarnom stanju. Nerijetko su upravo ograničena financijska sredstva predviđena za istražne radove razlog nedostatnih ili manjkavih ulaznih podataka za sve proračune, pa i matematička modeliranja stanja ispitivanih vodonosnika. 2.4. Tipovi vodonosnika Prema stanju u podzemlju mogu se izdvojiti slijedeća četri glavna tipa vodonosnika. 1) Slobodna podzemna voda. U ravnoteži je s atmosferskih tlakom, razina podzemne vode može biti i više stotina metara ispod kote terena, obnavljanje rezervi podzemne vode vrši se uglavnom na račun oborina, tok podzemne vode je laminaran, područje obnavljanja koincidira s topografskim područjem sliva. 2) Krške podzemne vode. Općenito su to duboke podzemne vode, obnavljanje rezervi se vrši uglavnom na račun oborina, tok podzemne vode je turbulentan, površinska - geografska razvodnica veoma često ne koincidira s podzemnom - hidrogeološkom razvodnicom (vododjelnicom). 3) Podzemne vode pod tlakom. Vodonosnik je pod nepropusnom krovinom, bušenjem se razina podzemne vode diže iznad kote krovine. Ako ostaje ispod površine tla radi se o subarteškoj podzemnoj vodi, a pri izljevanju na površinu govorimo o arteškoj podzemnoj vodi. Prihranjivanje vodonosnika vrši se na udaljenim i veoma udaljenim izdancima u odnosu na područje korištenja. Podzemne vode u dubini mogu biti mineralizirane. 4) Podzemne vode pukotina i žila. Na površinu se podižu hidrostatskim tlakom litosfere ili plinova, vezane su gotovo uvijek za zone zahvaćene tektonskim procesima, mogu biti slatke, no veoma su često i mineralizirane. Odnos površinskih i podzemnih voda naročito se intenzivno istražuje pri izvedbi hidrotehničkih građevina na rijekama, te posebno za potrebe crpilišta koja koriste podzemnu vodu uz riječne tokove. Prije nego se pristupa bilo kakvoj izvedbi hidrotehničkog ili hidrogeološkog objekta u blizini površinskog toka, neophodno je utvrditi odnos površinskih i podzemnih, voda kako bi se moglo prognozirati stanje u podzemlju zaobalja rijeka nakon izvedbe projektiranog objekta.

Page 21: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

21

Na slici 2.9. dani su krajnje simplificirani odnosi površinskog toka i podzemne vode.

Page 22: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

22

Stanje u vodonosniku uz riječni tok utvrdit će se izvedbom adekvatnih konstrukcija i broja strukturno-opažačkih bušotina te provedbom kontinuiranog monitoringa na njima. Prikupljeni podaci neće dati informacije samo o razinama površinskih i podzemnih voda, te mogućnosti eksploatacije podzemnih voda vodozahvatnim objektima, već će biti osnovom utvrđivanja kakvoće i zaštite podzemnih voda u slučajevima njihove eksploatacije. 2.5. Poroznost vodonosnika Poroznost stijena može biti definirana kao postotak šupljina u datom volumenu stijene, a može se izraziti na slijedeći način:

n = Vp / V * 100(%) (2.3), gdje je:

n - poroznost Vp - volumen pora V - ukupni volumen stijene.

(2.4)

Poroznost stijena može biti primarna i sekundarna. Primarna poroznost je ona poroznost koja je nastala u stijeni prilikom njezinog postanka. Sekundarna poroznost karakterizira čvrste stijene koje su naknadno bile izložene nekim silama; u većini slučajeva radi se o tektonskim silama. S obzirom na tip poroznosti mogu se sve stijene svrstati u dvije osnovne skupine. (1) Stijene međuzrnske ili intergranularne poroznosti - u tu grupu spadaju svi klastični sedimenti. (2) Stijene pukotinske poroznosti gdje se mogu svrstati sve eruptivne i metamorfne stijene kao i većina kemijskih i organogenih sedimenata.

Page 23: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

23

Poroznost je determinirana odnosom volumena pora i šupljina u stijeni prema njezinu ukupnom volumenu. A ukupni volumen pora i šupljina, kao i njihova veličina, ovisi o veličini zrna i njihovu rasporedu te o vezivu koje ispunjava prostor između zrna. Ta se definicija odnosi na stijene s intergranularnom poroznosti (nevezani sedimenti: šljunci i pijesci i poluvezane stijene - gline), a označuje primarnu poroznost. U vezanim stijenama (npr. karbonatima) voda se nakuplja i cirkulira u pukotinama, pa se zato kaže da se vezane stijene odlikuju sekundarnom (pukotinskom) poroznosti. Stupanj ukupne poroznosti uzorka neke stijene izražen u postocima izračunava se primjenom formule:

gdje su: n - stupanj ukupne poroznosti uzorka stijene, V - ukupni volumen uzorka stijene, VV - ukupni volumen pora i šupljina u uzorku VS - volumen uzorka bez pora i šupljina (tj. volumen krutih čestica)

Veoma bliska karakteristika stijena je koeficijent poroznosti (e), koji znači odnos volumena pora (Vp) prema volumenu krutih čestica u stijeni (Vs):

e = Vp / Vs Ukupna količina vode koja se može nakupiti u stijeni ovisi o stupnju njezine poroznosti. Osim ukupne poroznosti, razlikuje se još i efektivna poroznost, koja definira odnos između volumena slobodne vode u stijeni i njezina volumena. Slobodna voda je ona koja se može kretati u poroznom mediju, a kretati se može samo u šupljinama većim od dimenzija kapilare. To znači da količina vode koja se može dobiti iz stijene ovisi o efektivnoj poroznosti. Stijena može propuštati vodu, što se naziva propusnošću ili permeabilnšću. Propusnost ovisi o veličini pora u stijeni (a ne o ukupnoj poroznosti!) i stoga nije proporcionalna poroznosti. Naime, gline imaju veliku poroznost

Page 24: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

24

(neke čak veću od 50%), ali su praktično vodonepropusne jer su pore tako male da se voda veže uz površinu stijenki i ne može istjecati. Podaci o efektivnoj poroznosti dobivaju se laboratorijskim ispitivanjima koeficijenta filtracije (vodopropusnosti) na uzorku ili testiranjem vodnih objekata u prirodi. Osnovni čimbenici koji određuju poroznost stijena su veličina zrna i njihova distribucija u prostoru, oblik zrna, građa, stupanj kompaktnosti i cementacije, procesi dijageneze, te na kraju mineraloški sastav, posebno ako su prisutne čestice gline. Zamislimo li taloženo tlo kao nakupinu kuglica jednake veličine, vidjet ćemo da gustoća može varirati između dva ekstrema, prema slici desno. Ako imamo kuglice dvije različite veličine, tako da manje točno pristaju u prostore između primarnog sastava većih kuglica, onda se može dobiti znatno gušća struktura.

Zavisnost poroziteta o veličini i gustoći pakiranja kuglica: (a) najrahlije, (b) najgušće, (c) gust raspored s kuglicama različitog promjera.

Pri taloženju čestica (zrna, klasta) tla gustoća zavisi od ovih činilaca:

krupnoća i jednoličnost veličine čestica; uvjeti u kojima nastaje taloženje; sile koje su djelovale na sediment nakon njegova postanka.

Razlikujemo dvije vrste taloženog tla: od krupnih čestica (šljunak, pijesak); od sitnih čestica (prah, koloidi).

Krupnije čestice tla mogu biti jednolične ili miješane zrnatosti (slabo ili dobro graduirane). Takav je sediment zrnaste strukture, koja u prvom primjeru može biti rahlija, a u drugome gušća. Pri taloženju takvih čestica dominiraju gravitacijske sile. Kod taloženja u vodi djeluju na čestice tla uz gravitacijske još i molekularne sile, na

Page 25: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

25

mjestima gdje je razmak među njima vrlo malen. Te su sile zanemarive prema težini u nakupinama krupnih čestica. One su istog reda veličine kao gravitacijske sile u nakupinama jako sitnih čestica, pa bitno utječu na

pokretljivost čestica i na njihov raspored u nastalu talogu.

Na slici 2.10. daju se osnovni tipovi međuzrnske i pukotinske poroznosti. Najveću poroznost se postiže kada su zrna iste veličine te sferičnog oblika i raspoređena kao kod (A) i (B) na slici 2.10. Dodatak zrna različite veličine u većini slučajeva smajuje poroznost (D). Nepravilnosti u obliku zrna rezultiraju mogućom većom poroznosti, iako ova forma može teoretski uvjetovati i veću i manju poroznost, osobito kod uglastih čestica (C). Nakon što se sediment istaloži i očvrsne, neki dodatni činioci određuju njegovu poroznost. Glavni među njima su: bliži položaj zrna (zbijenost), deformacija zrna, rekristalizacija, sekundarni rast minerala, cementiranje i u nekim slučajevima otapanje (E). Ako su prisutne dijagentske promjene poroznost može biti ili veća ili manja od izvorne poroznosti (Hamill&Bell, 1986).

Slika 2.10. Osnovni tipovi poroznosti

Page 26: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

26

Pukotinska poroznost znači u stvari diskontinuitet stijene i u većini je slučajeva uvjetovana sekundarnim silama koje su djelovale na stijenu. Primarno stijene praktično zanemarive poroznosti - postaju sekundarno porozne stijene (primjeri (G) - (I) na slici 2.10. Posebna je vrsta disoluciona poroznost koja je prisutna u stijenama gdje duž sekundarnih pukotina dolazi do naknadnih procesa otapanja (primjer-H na slici 2.10.). Disoluciona poroznost značajnije je prisutna u relativno lakše topivim stijenama, kao što su naslage soli, i gotovo u svim karbonatnim stijenama. Čitav južni dio Hrvatske, a to je gotovo 50% ukupnog prostora države, izgrađen je od karbonatnih stijena, gdje je u punoj mjeri prisutna disoluciona poroznost, stvarajući tako karakteristične forme dinarskog krša. Poroznost može biti određena eksperimentalno koristeći ili standardnu metodu saturacije ili s porozimetrom na zrak. Obje metode daju efektivne vrijednosti poroznosti, iako vrijednosti zračnim porozimetrom daju nešto veće vrijednosti zbog činjenice da zrak prodire lakše od vode. Pregled vrijednosti poroznosti nekih stijena daju se tabličnim prikazom 2.3. Uz poroznost dane su i okvirne vrijednosti propustljivosti stijena.

Page 27: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

27

Poroznost stijena, kao što je već spomenuto, ne znači obavezno i količinu vode koja se može iz nje dobiti, iako je količina vode u tlu i stijeni ovisna o poroznosti. Mogućnost poroznog medija da vodu daje od većeg je značenja nego njegova mogućnost da vodu drži, barem što se tiče vodoopskrbe. U slučaju da je tlo ili vodonosnik potpuno saturiran, samo dio vode moći će se izvući dreniranjem uslijed gravitacije ili crpenjem. Ostatak će biti zadržan u stijeni kapilarnim ili molekularnim silama. Volumen vode koji je zadržan - (Vwp) prema ukupnom volumenu tla ili stijene - (V), izražava se u postocima i naziva se specifična retencija (Sre).

Sre = Vwp / V * 100(%)

Page 28: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

28

Količina vode koja je zadržana ovisi direktno o površini pora i indirektno o prostoru pora. Tako npr. čestice gline imaju daleko veću specifičnu površinu nego što imaju pijesci. Kao ilustracija, zrno pijeska od 1 mm ima specifičnu površinu oko 0,002 m2/g, a specifična površina kaolinita varira prosječno između 10-20 m2/g (Hamill&Bell, 1986.). Zbog toga gline imaju znatno veću specifičnu retenciju od pijesaka, što je nepovoljno po pitanju vodoopskrbe, a pozitivno za purifikacijeu (pročišćavanje) podzemnih voda u vodonosniku. Specifičnom izdašnošću tla ili stijene - (Sy) smatra se količina vode koja se može iz stijene drenirati pod djelovanjem gravitacije, a što se događa prilikom snižavanja razine vode u vodonosniku. Meinzer (1923) ju je definirao kao odnos volumena vode - nakon saturiranja, koja može biti drenirana gravitacijom - (Vwd), i ukupnog volumena vodonosnika - (V), a izražava se postotkom.

Sy=Vwd/V * 100(%) Zbrojene vrijednosti specifične izdašnosti i specifične retencije jednake su poroznosti stijene (kada su sve pore međusobno povezane) pa je:

n = Sy + Sre Odnos između specifične izdašnosti, specifične retencije i veličine zrna vidljiv je na slici 2.11. Specifična izdašnost može biti određena u laboratoriju te ispitivanjima »in situ« - pokusnim crpenjima ili neutronskim karotažnim ispitivanjima istražnih bušotina.

Page 29: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

29

2.6. Propustljivost i transmisivnost vodonosnika Propustljivost se može definirati kao sposobnost stijene za protjecanje fluida u i iz nje bez oštećenja njezine strukture (Hamill&Bell, 1986.). Obično hidrogeolozi, prema propusnosti, razlikuju tri vrste stijena.

Page 30: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

30

(1) Vodopropusne stijene koje dozvoljavaju prolaz mjerljivih količina fluida u određenom periodu vremena; to su stijene koje fluid i primaju i transmitiraju. Vodopropusnim stijenama smatraju se vodonosnici izgrađeni od šljunaka, krupno i srednje zrnih pijesaka, karbonatne naslage krša, te jako trošne i razorene eruptivne i metamorfne stijene.

(2) Polupropusne stijene fluid primaju ali teško transmitiraju. U polupropusne stijene mogu se svrstati sitnozrni pijesci, prahovi i slabo zaglinjene sedimentne naslage, te slabo razlomljene – eruptivne i metamorfne stijene, vezani klastični sedimenti i neke karbonatne stijene.

(3) Vodonepropusne stijene kada je transmisija određenog fluida tako spora da je u praktičnom pogledu, pod postojećim tlakom i temperaturom, zanemariva. Vodonepropusne naslage čine gline te sve čvrste nerazlomljene i neoštećene sedimentne, metamorfne i eruptivne stijene.

Valja naglasiti da u praksi, čak i u slučajevima kada ne dođe do značajnijih promjena tlaka i/ili temperature, apsolutna vodonepropusnost ne može biti zagarantirana. Propustljivost neke stijene definirana je njezinim koeficijentom vodopropusnosti ili hidrauličkom provodljivosti. Termin hidraulička provodljivost se rabi umjesto do sada uobičajenog izraza koeficijenta propusnosti ili koeficijenta filtracije, a znači protok podzemne vode u m3/s kroz jedinični presjek (m2) vodonosnika; hidraulička provodljivost se označava simbolom – «k» a izražava se dakle brzinom (m/s). Kadkad je umjesto parametra hidraulička provodljivost primjerenije izraziti značajke vodonosnika kao veličinu transmisivnosti. Transmisivnost (termin koji je i kod nas u uporabi - provodnost) znači tok u m3/s kroz sekciju vodonosnika širine 1 m pod jediničnim hidrauličkim gradijentom, a označava se simbolom - T (m2/s).

Page 31: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

31

Transmisivnost – «T» i koeficijent vodopropusnosti – «k» imaju slijedeći međusobni odnos:

T = km, gdje je m - debljina saturiranog dijela vodonosnika.

Tok kroz jedinični presjek vodonosnika u zavisnosti je o temperaturi, hidrauličkom gradijentu i hidrauličkoj provodljivosti stijene. Zadnji čimbenici kod klastičnih sedimenata ovise o uniformnosti, zastupljenosti i veličini zrna, stratifikaciji (slojevitosti), o procesima konsolidacije i cementiranja naslaga, te o prirodi drugih diskonuiteta u samom vodonosniku. Temperaturne promjene uzrok su promjeni veličine protoka u stijeni zbog promjenjenog viskoziteta fluida. Istraživanja na vodocrpilištu Gaza kod Karlovca pokazala su da se pri intezivnoj eksploataciji vodosnika blizu rijeke Korane, zbog izmijenjenih termičkih odnosa (temperature od 8 do 22 C) promijenila viskoznost podzemne vode, što je rezultiralo povećanjem hidrauličke provodljivosti vodonosnika. U svezi s time promijenila se i transmisivnost, pa se pri istom stanju u vodonosniku, odnosno kod jednakih vodostaja Korane, ukupna izdašnost svih eksploatiranih zdenaca povećala za 30% (Pollak, 1982., 1995.). Vodopropusnost i poroznost nisu uvijek u bliskom odnosu kako bi se očekivalo, pa se recimo često događa da sitni pijesci imaju veću poroznost od krupnih pijesaka, čija je pak propustljivost znatno veća. Stratifikacija u sedimentnim naslagama varira i u vertikalnom i u horizontalnom smislu, pa je često veoma teško predvidjeti efekat stratifikacije na propustljivost naslaga. No ipak se općenito može reći da se veća vodopropusnost može očekivati paralelno s uslojenošću sedimenata. Propustljivost naslaga rijeke Save i Drave nerijetko je i 100 puta veća paralelno s uslojenošću nego što je okomito na slojne plohe. Propustljivost čvrstih stijena koje karakterizira primarna poroznost, nekoliko je redova niže vrijednosti od propusljivosti stijena koje karakterizira sekundarna - pukotinska poroznost. Efekat pukotinske poroznosti ovisi o učestalosti, kontinuitetu i količini ispune pukotina te pukotinska poroznost nije identična kao u stijenama s izraženom disolucionom poroznošću, koja je na primjer prisutna u karbonatnim stijenama našeg krškog područja. Tokovi bazaltne lave i drugih eruptivnih stijena ispresjecani su brojnim pukotinama nastalim hlađenjem, a njih karakteriziraju posebni tokovi podzemnih voda. Kako se i može očekivati, frikcioni otpori toka podzemne vode kroz ovakve pukotinske sisteme su znatno niži nego u porama sedimentnih stijena, pa kroz njih mogu protjecati i

Page 32: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

32

značajne količine vode (Memoires o XXIV-th Congress of JAR Oslo, 1993). Brojne komparacije rezultata dobivenih mjerenjem na intaktnim uzorcima u laboratoriju i mjerenja »in situ« pokazala su značajne razlike. Naime, vrijednosti propustljivosti dobivene u prirodi su do 104 puta veće od rezultata dobivenih u laboratoriju (Ramill&Bell, 1986). Eruptivni »dyke-ovi« kao i naslage fliša mogu djelovati kao barijere što rezultira višim razinama podzemne vode s jedne nego s druge strane barijere. Rasjedne pukotine ispunjene glinom imaju sličan efekat. Protjecanje vode kroz propusnu granicu koja dijeli vodonosnike različite provodljivosti dovodi do deflekcije (skretanja) toka, pa što su veće razlike veća je deflekcija. Priroda stijene će utjecati na to da li će tok podzemne vode biti jednoličan ili nejednoličan. 2.7. Elastične karakteristike vodonosnika Elastične karakteristike vodonosnika određene su koeficijentom uskladištenja (engl. »storativity«). Koeficijent uskladištenja «S» definira se kao volumen vode koji može biti otpušten ili uskladišten po jediničnoj površini vodonosnika, pri jediničnoj promjeni razine podzemne vode. To je bezdimenzionalna veličina. Promjene u skladištenju slobodnih vodonosnika znače produkt volumena vodonosnika između razina prije i poslije datog perioda vremena i specifične izdašnosti. Naime, koeficijent uskladištenja slobodnih vodonosnika u stvari odgovara specifičnoj izdašnosti, odnosno gotovo svoj vodi koja je bila otpuštena uslijed gravitacijskog dreniranja, pri čemu je samo ekstremno mali dio uvjetovan kompresijom vodonosnika i ekspanzijom vode (Hamill&Bell, 1986). Kod vodonosnika pod tlakom, gdje je čitav vodonosnik u potpunosti saturiran, voda se ne procjeđuje jednostavnim gravitacijskim dreniranjem iz pora stijene uzrokovano snižavanjem razine. Zbog toga su za izdašnost značajni i drugi faktori, kao što je konsolidacija vodonosnika te ekspanzija vode kao posljedica snižavanja pijezometarske razine podzemne vode. To je razlog da je manja izdašnost vodonosnika pod tlakom u odnosu na vodonosnik sa slobodnom razinom podzemne vode, iako Jacob (1950) smatra da je elastična karakeristika vodonosnika pod arteškim uvjetima značajan faktor izdašnosti vodonosnika. Jacob za proračun koeficijenta uskladištenja uzima u obzir kompresibilnosti fluida i čvrstog skeleta vodonosnika. Prema Lohmanu (1972. iz Hamill&Bell, 1986.), vrijednosti koeficijenta uskladištenja kreću se između vrijednosti 10-5 i 10-3, što indicira da za značajne promjene tlaka treba veliko područje da bi se ostvarila bitna izdašnost vode.

Page 33: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

33

Za grubi proračun koeficijenta uskladištenja vodonosnika pod tlakom Lohman predlaže empirijski izraz:

S = 3 x 10-6 H, gdje je:

S - koeficijent uskladištenja H - pijezometarski tlak

Pouzdani koeficijent uskladištenja može se dobiti iz podataka pokusnog crpenja, odnosno koristeći neutronska ispitivanja vlage u stijenama. 3. ODREĐIVANJE OSNOVNIH HIDROGEOLOŠKIH PARAMETARA STIJENA 3.1. Tok vode kroz tla i stijene Podzemna voda posjeduje tri oblika energije (Hamill&Bell, 1986):

potencijalnu energiju, koja zavisi o razini podzemne vode, energiju tlaka i kinetičku energiju zahvaljujući njezinoj brzini.

Energija vode se obično izražava kao njezina visina iznad neke referentne ravnine. Ta se visina označava kao pijezometarska razina i određuje ukupnu energiju vode. Ako se u jednom kontinuiranom prostoru nalaze mjesta s različitim energijama, onda će se oformiti tok od mjesta veće prema lokalitetu manje energije. U slučaju da su svi drugi parametri jednaki, brzina toka direktno je proporcionalna razlici njihovih visina.

Page 34: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

34

Hidraulički gradijent, koji se obično označava simbolom «i» bezdimenzionalna je vrijednost, znači gubitak energije odnosno izražava razliku razina podzemne vode na određenoj udaljenosti.

i = lh

, gdje je:

i - hidraulički gradijent h - razlika u razinama podzemne vode u mjernim točkama l - međusobna udaljenost mjernih točaka

Ovaj gubitak energije vode uzrokovan je otporom materijala - stijene filtraciji fluida i veći je kod sitnozrnih nego kod krupnozrnih klastičnih stijena. 3.1.1. Tok vode kroz stijene međuzrnske poroznosti: Darcy - ev zakon filtracije Prije nego se tok podzemne vode pokuša odrediti nekim matematičkim izrazima treba reći da je najjednostavnije to idealizirati, a to znači pretpostaviti da je vodonosnik homogen, izotropan i da kapilarno djelovanje treba zanemariti. Kako je to u prirodi praktično neostvarivo treba svaki ovakav proračun prihvaćati s oprezom. Osnovni zakon filtracije podzemne vode objavio je Darcy još 1885. god. (Miletić & Heinrich-Miletić, 1981) koji kaže da je brzina toka «v» po jedinici površine proporcionalna hidrauličkom gradijentu «i» te hidrauličkoj provodljivosti «k» ispitivane stijene:

v = ki Darcy-ev zakon vrijedi u vodonosnicima s laminarnim strujanjem. U jako propustljivim vodonosnicima, te posebno u stijenama krša, gotovo uvijek je prisutno turbulentno protjecanje, pa se ovaj zakon ne može koristiti. Turbulentan tok prisutan je i uz vertikalne i horizontalne drenove iz kojih se vrši intenzivna eksploatacija podzemne vode.

Page 35: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

35

Razlika laminarnog i turbulentnog toka definirana je Reynolds - ovim brojem koji se može izraziti na slijedeći način:

NR = μρν D , gdje je:

v - brzina D - promjer otvora ρ - gustoća fluida μ - dinamička viskoznost fluida.

Miletić & Heirich - Miletić (1981) navode rezultate ispitivanja (Linquist) krupnih pijesaka i sitnih šljunaka gdje su prva odstupanja od Darcy-evog zakona nastupila kada je NR imao vrijednost 4, dok je pri NR = 180 za iste materijale tok turbulentan. Općenito je prihvaćeno da se taj zakon laminarnog strujanja može primijeniti kod klastičnih nevezanih sedimenata veličine zrna manjih od šljunaka (2 mm). Vrlo je vjerojatno da je primjena tog zakona problematična i u vodonosnicima s ekstremno niskom propustljivosti, kod kojih je značajan utjecaj površine čestice i ionskih izmjena između čestica i fluida, te kod fluida s većom prisutnošću plinova. Osim povećanja prosječne brzine i drugi neki faktori mogu utjecati na odstupanje od linearnog zakona filtracije, kao što su npr. nejednolikost volumena pora, promjene poroznosti i dr. Sam koeficijent propustljivosti može se izraziti kao:

k = μρ2cd , gdje je:

c - bezdimenzionalna konstanta - koja ovisi o obliku i veličini zrna, efektu taloženja i poroznosti stijene d - promjer pore ρ - gustoća fluida μ - dinamička viskoznost fluida.

Page 36: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

36

Darcy je smatrao da propustljivost ovisi samo o karakeristici stijene (cd2), no podzemni tok ovisi i o gustoći − ρ i dinamičkoj viskoznosti fluida - μ. Prvi je dio izraza karakteristika stijene (cd2), dok je drugi dio (ρ/μ) karakteristika fluida - faktor koji je značajno pod utjecajem temperature samog fluida. U ovom se izrazu pretpostavlja da su porozni medij i voda mehanički i fizički stabilni, međutim to gotovo nikada nije tako. Na primjer, ionske izmjene na glini i koloidne površine mogu dovesti do promjene volumena i oblika pora. To je posebno naglašeno ako je u glinama prisutan montmorilonit. Umjerene i povećane brzine će nastojati pokrenuti čestice glina. Fluid može otapati ili deponirati supstanciju u porama. Male promjene u tlaku ili temperaturi mogu uzrokovati veće oslobađanje plinova koji mogu blokirati pore.Neki zbog toga smatraju da je puno ispravnije iskazivati propustljivost stijena kroz karakteristike samo čvrstog dijela medija (Hamill & Bell, 1986). 3.1.2. Tok vode kroz stijene pukotinske poroznosti Općenito se može reći da je propusnost čvrstih stijena određena međusobnom povezanošću sistema diskontinuiteta. Serafin (1968) predlaže da se za proračun filtracije kroz čvrste stijene ispresjecane sistemom paralelnih pukotina otvora «e» odijeljenih udaljenošću «d» koristi slijedeći izraz:

K = μγd

e w

12

3

, gdje je:

γw - specifična težina vode μ - viskoznost vode.

Brzina toka (ν) kroz pojedinu pukotinu konstantne širine (d) izražava se:

V = ie w⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛μ

γ12

2

, gdje je i - hidraulički gradijent.

U slučaju jake okršenosti može se smatratiti da je dopustivo tok opisati pomoću Darcy-evog zakona. Bojanić (1994) upravo na taj način determinira središnji dio slivnog područja dinarskog krša.

Page 37: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

37

3.2. Određivanie hidrauličke provodljivosti 3.2.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti »in situ« Određivanje hidrauličke provodljivosti na terenu sigurno je najpouzdaniji način određivanja tog esencijalnog hidrogeološkog parametra vodonosnika. U osnovi ta se ispitivanja vrše na dva načina: pokusnim crpenjem i nalijevanjem. Pokusno crpenje se provodi u stijenama dobre propustljivosti - intergranularne poroznosti, gdje je vodonosnik saturiran podzemnom vodom (šljunci i pijesci). Pokusnim crpenjem mogu se ispitivati i saturirani vodosnici pukotinske poroznosti. Ispitivanja nalijevanjem se obično vrše u stijenama slabe propustljivosti kao što su prahovi i gline. Isti način ispitivanja provodi se i u stijenama pukotinske poroznosti, primjerice u kršu, gdje gotovo nikada površinski dio nije saturiran podzemnom vodom, odnosno gdje prave razine podzemne vode niti nema. 3.2.1.1. Određivanje hidrauličke provodljivosti nalijevanjem Pokusni zdenci u kojima se provode ispitivanja su obično manjih promjera, zbog nižih troškova bušenja i ugradnje kaptažnog cijevnog materijala. Ispitivanja se provode na taj način da se u bušotinu nalije voda čija je početna razina iznad razine podzemne vode ispitivanog vodonosnika. Pad, odnosno podizanje pijezometarske razine u bušotini, odražava propustljivost ispitivanog vodonosnika. Zbog činjenice da je u dobro propusnim sredinama nemoguće ostvariti početnu razinu, ova se ispivanja primjenjuju jedino u slabo vodopropusnim vodonosnicima. Pijezometarska razina varira s vremenom i kod »rastućeg« i kod »padajućeg« testa, pa se propustljivost može odrediti izrazom:

k= ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛− 2

1

12

ln)( H

HttF

A , gdje su:

H1 i H2 - pijezometarske visine u vremenu t1 i t2 A - površina unutarnjeg presjeka zacjevljenja.

Page 38: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

38

Pri bušotini dijametra D s otvorenim dnom faktor F = 2,75 D. Ako je bušotinom kaptiran čitav vodonosnik do nepropusne podloge faktor F = 2D. Ispitivanja zahtijevaju opažanja razine vode u bušotini u određenom vremenu, pa se rezultat može i grafički izraziti (Slika 3.1.). Metoda padajućeg i rastućeg nivoa ne može se primijeniti u vodonosnicima izrazite propustljivosti, u kojima se ukupna razina vode promijeni u periodu kraćem od 5 minuta. U jako propusnim sredinama koristit će se ispitivanja s konstantno nalijevanom količinom - Q, pa će se približna propustljivost - k moći dobiti iz izraza:

k = Q /FHc, gdje je:

Hc - konstantna izmjerena visina. Ova se ispitivanja mogu provesti i kroz same bušače šipke pod pretpostavkom da je ispitivani dubinski interval u bušotini potpuno ispran čistom vodom, što je u praksi veoma teško postići.

Propustljivost stijene može se odrediti i ugradnjom»pakera«. To je uređaj kojim se vrši brtvljenje bušotine na određenom dubinskom intervalu. Brtvi se nezacijevljeni dio bušotine, a voda se utiskuje pod tlakom.

Page 39: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

39

Ispitivanja se mogu provesti jednostrukim pakerom, a to znači da će se testirati segment između pakera i dna bušotine (Slika 3.2.), te dvostrukim pakerom, čijom se ugradnjom može ispitati određeni dubinski interval nezacijevljene bušotine. Nije potrebno posebno naglašavati da se dobri rezultati ispitivanja mogu postići gotovo isključivo u čvrstim stijenama. Za vrijeme testa registrira se količina i tlak vode koja se utiskuje u stijenu. Propusnost se proračunava iz krivulje tok/tlak čiji grafički prikaz daje slikom 3.3. Voda se najčešće utiskuje u ispitivani dubinski interval pod konstantnim tlakom u vremenskim intervalima od 15 min. Test se obično sastoji od pet ciklusa sukcesivnih tlakova 6, 12, 18, 12, 6 kPa za svaki dubinski metar postavljanja pakera ispod površine terena. Registrirani tlak (p), korigiran za frikcione gubitke u cijevima, nanosi se u odnosu na veličinu toka (q) za svaki ispitivani dubinski interval bušotine. Neke tipične krivulje odnosa tlaka i toka daju se slikom 3.3. Proračun propustljivosti iz testa s pakerima obično se provodi prema obrascu:

k = Hrc

q

ws, gdje je:

q - veličina konstantnog toka, pri efektivnoj visini H korigiranoj za frikcione otpore rw- radius bušotine cs - konstanta koja ovisi o dužini i dijametru testiranog segmenta.

Slika 3.2. Ispitivanje vodonosnika nalijevanjem uz brtvljenje jednostrukim «pakerom»

Page 40: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

40

Slika 3.3. Odnos toka-q i tlaka-P kod ispitivanja vodopropusnosti raznih vodonosnika metodom nalijevanja pod pritiskom Ravnotežno stanje se kod razlomljenih stijena postiže nakon nekoliko minuta; međutim, ako su stijene niskih vrijednosti hidrauličke provodljivosti, testiranje se treba provoditi i po nekoliko sati. Posve sigurno, pouzdaniji podaci o vrijednostima propustljivosti, uskladištenja i transmisivnosti stijena mogu se dobiti pokusnim crpenjem.

Page 41: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

41

3.2.1.2. Određivanje hidrauličke provodljivosti pokusnim crpenjem Pokusno crpenje u stvari znači uzimanje podzemne vode iz prirodnih ili izvedenih građevina - najčešće zdenaca, sa ciljem dobivanja osnovnih hidrauličkih parametara vodonosnika. Pri tim se ispitivanjima mjere crpene količine u zdencu kao i propagacija pada razine podzemne vode u testiranom vodonosniku. Osnovni problem tih ispitivanja je u većini slučajeva nepoznavanje kvalitete vodonosnika i rubnih uvjeta rasprostiranja vodonosnika. 3.2.1.3. Hidraulika vodonosnika U uvodnom dijelu je spomenuto da se najpouzdanije osnovni hidraulički parametri vodonosnika mogu dobiti iz pokusnih crpenja zdenca uz adekvatna opažanja na samom zdencu i pratećim opažačkim bušotinama. Pod pojmom »zdenac« smatra se objekt koji se testira, a termin »opažačke bušotine« se koristi za objekte opažanja, bez obzira na to o kakvoj se konstrukciji opažačkog objekta radi (zacjevljena bušotina, sa ili bez filtarskog dijela, bušotina bez zacjevljenja, ili drugi hidrogeološki objekti). U cilju provedbe uspješnog testiranja neophodno je imati neka saznanja o vodonosniku, hidraulici zdenca i posebno kako će snižavanje razine podzemne vode oscilirati, sukladno trajanju testiranja i udaljenosti od testiranog zdenca. Promjene sniženja u svezi s udaljenošću od crpenog zdenca Vodonosnici imaju dvije osnovne funkcije, transmitiraju i uskladišćuju vodu, a što je definirano koeficijentom transmisivnosti (T) i koeficijentom uskladištenja (S). Izdašnost zdenca i oblik depresionog konusa (ili radiusa depresije) determiniran je tim dvjema vrijednostima. U početnoj fazi crpenja zdenca oformljuje se mali depresioni konus, koji se naglo širi, pri čemu sve veći dio vodonosnika postaje desaturiran. Udomaćena oznaka za radius depresije je (R). U uniformnim, izotropnim i homogenim vodonosnicima, ako takvi vodonosnici uopće i postoje, konus depresije ili radius utjecaja izazvan crpenjem bio bi u svim smjerovima simetričan i jednak. Kako je u praksi nemoguće naći takav idealan vodonosnik, sugerira se u cilju dobivanja njegovih korektnih vrijednosti oko crpenog zdenca izvesti nekoliko opažačkih bušotina. Deformiranost depresionog konusa može uzrokovati i početna nagnuta statička razina podzemne vode.

Page 42: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

42

Na slici 3.4. daje se u grafičkom obliku prikaz veličine i oblika depresionog konusa uzrokovanog različitom transmisivnosti, koeficijentom uskladištenja vodonosnika i količinom vode iz crpenog zdenca.

Na hipotetskom grafičkom prikazu 3.4.a. daje se efekat različitih transmisivnosti, pri čemu su izdašnost zdenca i ostali faktori jednaki. Utjecaj uskladištenja, dok su ostali faktori identični, prikazan je na slici 3.4.b. (Koeficijent uskladištenja S1 = 50S2). Utjecaj crpene količine iz zdenca, dok su ostale vrijednosti iste, vidljiv je na slici 3.4.c. (Izdašnost Q2 je 2Q1).

Page 43: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

43

Za vrijeme rane faze crpenja, veći dio podzemne vode koja se crpenjem izvlači iz vodonosnika ide na račun uskladištenja; što je veće uskladištenje veća se količina vode može dobiti iz kubnog metra desaturiranog vodonosnika. To znači da u toj fazi crpenja visoka vrijednost uskladištenja rezultira relativno malim konusom depresije, dok je rezultat niskih vrijednosti uskladištenja veći konus depresije (Hamill&Bell, 1986.). Kako se širi konus depresije sve je veći volumen vodonosnika »u igri« otpuštanja, što ima za posljedicu sve manji stupanj rasta u vremenu. Relativno mali stupanj rasta radiusa depresije može neiskusnog interpretatora dovesti do zaključka da je postignuto konstantno sniženje, dok se u stvari konus i dalje postupno širi. U kasnijoj fazi pokusnog crpenja manja povećanja sniženja mogu biti »pokrivena« i drugim faktorima, što je teško razlikovati.

Slikom 3.5. dan je primjer hipotetske propagacije depresionog konusa registriran na tri opažačke bušotine i to 600 minuta nakon početka crpenja količinom od 750 m3/dan. Propagacijom depresionog konusa sve je veći dio vodonosnika aktiviran u tok prema crpenom objektu na račun uskladištenja. U momentu kada se količina crpene vode izjednači s dotocima prema crpenom objektu prestaje širenje depresionog konusa.

Page 44: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

44

Na tablici 3.1. dan je modificiran prikaz (Hamill&BeH, 1986.) približnih vrijednosti konusa depresije za razne vodonosnike.

Svakako treba reći da to ravnotežno stanje ovisi i o prihranjivanju ispitivanog vodo-nosnika na račun površinskih voda, te vertikalnog obnavljanja kao rezultat perkoliranja oborina (infiltracije) odnosno procjeđivanja iz krovinskih i podinskih naslaga. Brzina podzemne vode prema crpenom zdencu ovisi o udaljenosti od zdenca.

Na slici 3.6. brzina podzemne vode V1 u plohi Al, na udaljenosti R1, manja je od brzine podzemne vode V2 na udaljenosti R2. Tok podzemne vode ima prema zdencu sve veću brzinu, a u neposrednoj njegovoj blizini iz laminarnog prelazi redovito u turbulentan tok. Vrijeme stabilizacije depresionog konusa varira od nekoliko sati do nekoliko godina. U svakom je slučaju za točan proračun hidrogeoloških parametara važno znati tip vodonosnika prije nego se započne s pokusnim crpenjem. Rezultati pokusnog crpenja od esencijalnog su značenja i za definiranje utjecaja crpenja u trajnoj eksploataciji kaptiranog vodonosnika.

Page 45: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

45

Oscilacije sniženja u zavisnosti od vremena i tipa vodonosnika U uvodnom dijelu je spomenuto da se vodonosnici mogu svrstati u dva osnovna tipa, no kada se provodi pokusno crpenje onda se mogu razlikovati i neki drugi podtipovi. Otvoreni vodonosnici Otvorenim se vodonosnikom smatra propustan sloj koji leži na nepropusnoj podlozi, a samo je djelomično saturiran vodom (Slika 3.7./a). U sitnozrnim otvorenim vodonosnicima dreniranje vode pod gravitacijom iz pora nije trenutačno; voda je otpuštena poslije stanovitog vremena nakon snižavanja razine podzemne vode. To se stanje obično naziva otvoreni vodonosnik sa zakašnjelim otpuštanjem. Zbog toga što je jedan dio vode zadržan bilo bi pogrešno reći da je vodonosnik odvodnjen već je bolje rabiti izraz desaturiran (Hamill&Bel1, 1986.). Kako otvoreni vodonosnici obično imaju velik koeficijent uskladištenja, može proći veoma dugi period prije nego se sniženje stabilizira; u nekim se vodonosnicima događa da se to stanje nikad niti ne postigne. Poluotvoreni vodonosnici U slučaju da je propustan sloj pokriven sa sitnozrnim djelomično saturiranim slojem, a koji je relativno slabije propustan u odnosu na ispitivani vodonosnik, onda se takav vodonosnik naziva poluotvorenim vodonosnikom. Zakašnjelo otpuštanje krovine vodonosnika rezultirat će dvofaznom krivuljom odnosa vrijeme - sniženje (Sl. 3.7.b). Poluzatvoreni vodonosnici Poluzatvoreni vodonosnik znači da je dobro propustan sloj potpuno saturiran, a u njegovoj se krovini nalazi djelomično saturiran polupropusni sloj. Pod nejasnim terminom polupropusnim smatra se sloj koji ima slabu ali ipak praktično mjerljivu propusnost. Snižavanje pijezometarske visine u poluzatvorenom vodonosniku, kao

Page 46: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

46

rezultat crpenja, uzrokovat će vertika1no procjeđivanje iz po- lupropusnog medija u sam vodonosnik. To će uvjetovati bržu stabilizaciju depresionog konusa. Poluzatvoreni vodonosnik može pokazati razinu pod tlakom kao i slobodan nivo podzemne vode. Kada se provodi pokusno crpenje u takvim se vodonosnicima preporuča ugraditi opažačke bušotine u sve naslage ispitivane sredine. Uglavnom, sniženje slobodnog nivoa polupropustnog sloja je znatno manje nego snižavanje razine vodonosnika pod tlakom, što uzrokuje da se dreniranje polupropustnog sloja odvija značajno dulje (Slika 3.7.c). Zatvoreni vodonosnici Zatvoreni vodonosnik je potpuno saturirana dobro propusna sredina u čijoj se krovini i podini nalaze nepropusne naslage. Stvarno zatvoreni vodonosnici su veoma rijetki, jer potpuno vodonepropusne naslage ne postoje (Slika 3.7 ./d). Podzemna voda u zatvorenom vodonosniku je obično pod tlakom, tako da se pijezomatarska razina nalazi iznad gornje kote vodonosnika. Ako se pijezometarska razina nalazi u krovini vodonosnika, onda se radi o subarteškom nivou, a ako se pijezometarski nivo nalazi iznad kote terena, onda se podzemna voda arteški može izlijevati na samu površinu terena. Snižavanje pijezometarske razine pretstavlja smanjenje tlaka u vodonosniku. Zbog toga jer se promjene tlaka mogu transmitirati prilično brzo, te zbog toga što ograničeni vodonosnik ima relativno mali koeficijent uskladištenja, promjene razine zbog crpenja su relativno brze. Kada se podaci crpenja vrijeme - sniženje nanesu u logaritamskom mjerilu, dobiju se tipske krivulje vodonosnika (Slika 3.7.). Većina tipskih krivulja se bazira na pretpostavci da vodonosnik ima beskonačno rasprostiranje, da je sloj homogen, te da su krovina i podina vodonosnika vodonepropusne. Svako odstupanje od navedenih pretpostavki znači otklon od teoretskih tipskih krivulja. To je prikazano i na slici 3.8., gdje je nepropusna granica rasprostiranja, odnosno granica prihranjivanja vodonosnika, direktno utjecala na registrirane podatke opažanja vrijeme - sniženje.

Page 47: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

47

Page 48: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

48

Prisutnost nepropusne granice uzrokovala je povečanje sniženja u odnosu na idealnu krivulju, dok zona prihranjivanja, kao recimo procjeđivanje kroz polupropusni sloj, rezultira smanjenjem sniženja u odnosu na idealnu krivulju. Kao što se može vidjeti iz navedenog grafičkog prikaza u oba slučaja granični uvjeti su evidentni nakon oko 400 minuta crpenja. Poznavanje ovih parametara vodonosnika nema samo teoretski značaj, već se oni trebaju biti poznati, u koliko se želi dati realna ocjena mogućnosti eksploatacije crpenog zdenca, utjecaj tog zdenca na druge hidrogeološke objekte; izraditi matematički model hidro-geoloških odnosa u vodonosniku te posebno pri određivanju zaštitnih zona crpilišta.

Page 49: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

49

3.2.1.4. Hidraulika zdenca Jedan dio podataka o vodonosniku mogu se dobiti samo na bazi analiza podataka iz opažačkih bušotina, dok se drugi podaci mogu dobiti iz podataka na samom zdencu. Pokusno crpenje u stvari čini ispitivanje vodonosnika i samog zdenca. Naime, ukupno ostvareno sniženje u crpenom zdencu čine dvije komponente. Prvo su gubici u vodonosniku, u kojemu je sniženje uzrokovano otporom laminarnog toka u samom vodonosniku, a drugo su gubici na zdencu uzrokovani turbulentnim tokom vode u filtarskom dijelu konstrukcije zdenca i dijelu vodonosnika. Ukupno sniženje u crpenom zdencu izražava se slijedećom jednadžbom: Sw = BQ + CQn(2), gdje je:

Page 50: HIDROGEOLOGIJA - gfosweb.gfos.hrgfosweb.gfos.hr/portal/images/stories/studij/sveucilisni-diplomski/hidrogeologija... · 3 Lucas je vjerojatno prvi koji je već 1879. god. koristio

50

Proračun gubitaka na zdencu omogućuje dobivanja podataka o efikasnosti zdenca, koji znači odnos gubitka u sloju prema ukupnom gubitku-sniženju ostvarenom na samom zdencu.

We = 100)( 2CQBQ

BQ+

%

Treba spomenuti da dobro projektiranje filtarskog dijela konstrukcije zdenca može u većoj mjeri smanjiti gubitke, no ne može ih nikad potpuno i eliminirati. Razlog zašto se provode ispitivanja u raznim fazama crpenja («drawdown step test«) na zdencu leži u činjenici da se uz crpeni zdenac uvijek ne nalaze i opažačke bušotine iz čijih bi se podataka opažanja mogli ocijeniti spomenuti parametri zdenca. Odnos koeficijenata gubitaka u konstrukciji zdenca C i stanja zdenca prema Walton-u dan je u tablici 3.2.

Jednadžba ukupnog sniženja može se pisati i u slijedećem obliku:

Sw / Q = B + CQ , gdje je

Sw / Q - specifično sniženje.

Specifično sniženje je sniženje po jedinici izdašnosti i recipročno je specifičnom kapacitetu. Obje ove vrijednosti u funkciji su od karakeristika zdenca i ne mogu se direktno uspoređivati za različite zdence.