Vízföldtani alapfogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

Az előadások a következő témára: "Vízföldtani alapfogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens"— Előadás másolata:

1 Vízföldtani alapfogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens
Földtani ismeretek 11. témakör: Vízföldtani alapfogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

2 Témavázlat A földi vízkészlet eredete, körforgása
A felszín alatti vizek osztályozása A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett (szerkezeti és kristályvíz) A szemcsék felületéhez kötött (adszorbeált, gyengén kötött hártyavíz és kapilláris víz) Szabadvíz (gravitációs): talajvíz, rétegvíz, karsztvíz, hasadékvíz Források Darcy törvénye, hidrogeológiai paraméterek (hézagtérfogat, hézagtényező, „k”-tényező, szivárgási sebesség, stb.)

3 A földi vízkészlet eredete, körforgása
A víz kritikus állapota: 374oC alatt és 22 Mpa nyomás mellett már cseppfolyós. Jelen van: a kéregben és a külső geoszférában Eredet szerint: juvenilis (ifjú, fiatalos), mely a víz körforgásában nem vesz részt, és vadózus a hidrológiai ciklusban résztvevő típus (kondenzációs, infiltrációs, fosszilis, konszolidációs, vibrációs és izzadmányvíz). A víz mennyisége: 1,36 Md km3, ennek 97,16%-a a világóceán, 2,22%-a a felszíni víz, 0,62%-a felszínalatti és mindössze ezred %-a a légköri vízkészlet. A vízkészlet állandó körforgásban van, melyet a Nap hőenergiája és a Föld nehézségi erőtere szabályozza és tartja fenn.

4 A víz körforgása

5 A víz körforgása Idő (a légkör pillanatnyi fizikai állapota) – időjárás (előbbi változása) - éghajlat (egy adott földrajzi hely időjárási rendszere). Időjárási (vagy éghajlati) elemek: napsugárzás, léghőmérséklet, légnyomás, légmozgás, légköri vízháztartás, jelenségek). A hidrogeológiai jelenségek színtere a litoszféra

6 A felszín alatti vizek osztályozása
1. A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett víz Szerkezeti (OH-) víz és kristályvíz (H2O a kristályrácsban): csak hevítéssel távozik 2. A szemcsék felületéhez kötött víz (a szemcsefelülettől távolodva) Adszorbeált (erősen kötött) víz: a felületaktív kőzetszemcsékhez kötődik, vékony felszíni hártya formájában, vastagsága néhányszor 10 vízmolekula-átmérő, sűrűsége a kőzethez hasonló, belső nyomása meghaladja a légkör nyomásának negyvenszeresét. Gyengén kötött víz (hártya és kapilláris víz) Hártyavíz: vastagsága néhány száz vízmolekula-átmérő, a vízmolekulák irányítottak, az adszorbeált kationok által gerjesztve Kapilláris: az erősen kötött vízburok és a meniszkuszok által határolt szemcseközi tartomány vize a szegletvíz, ezek összeolvadása a finom kapilláris víz. Függő kapilláris víz: összefüggő vízszál, alul és felül meniszkusszal határolva, ha megindul lefelé – szivárgó, ha megreked támaszkodó. Kapilláris emelkedő víz (alul gravitációs víz, innen felfelé emelkedik). 3. Szabadvíz (gravitációs) víz fajtái: talajvíz, rétegvíz, karsztvíz és hasadék / repedések vize

7 Talajvíz Meghatározása: A felszíntől az első nagy kiterjedésű, hidrogeológiai értelemben vett vízzáróig terjedő víztest, melynek felszínén a mindenkori természetes légnyomás mérhető, vízkémiai tulajdonságai, elhelyezkedése és mozgásának változása viszonylag rövid időn belül követik az időjárás változásait és a mesterséges beavatkozásokat.

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

9 A nyilt tükrű talajvíz

10 Talajvíz Talajvízjárás: napi és évi periodikus vízszint változás, melyet döntően a csapadék, a párolgás, a felszíni és felszínalatti hozzá és elfolyás és a növényzet párologtatása szabályoz. Napi max. nyáron és ősszel 8-10 cm. Évi max. március-május, min szeptember-november, általában cm, max. 2-2,5 m. Az ingadozás mértéke függ a talajvízszint mélységétől, a talaj tömörségétől (hézagtérfogat) és vízáteresztő képességétől.

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

12 Rétegvíz Meghatározása: Az első regionális kiterjedésű vízzáró réteg alatt elhelyezkedő porózus kőzetben tárolt víz, mely rendszerint hidrosztatikus és kőzetnyomás alatt áll. Szerepe az ivóvíz ellátásban, bányászati és alagút építésben van.

13 Rétegvíz típusok Hőfok szerint: hideg és termális (hévizek) vizek, határ: 30-37oC. Hazánk az átlagos 33 km-esnél vékonyabb kéreg (23-26 km) miatt termális energiában gazdag. Geotermikus gradiens: 1oC emelkedés hány méteren következik be (Mo.-on átlagosan 18 m/oC, a Földön 25 m/oC). Összetétel szerint: egyszerű, ásvány (1000 mg/l-nél nagyobb oldott só vagy biológiailag aktív elem: jód, bróm) és gyógyvíz (vegyi összetétel és/vagy fizikai tulajdonságai révén bizonyítottan gyógyhatású).

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

15 Rétegvíz típusok Az áramlási rendszer nyomásállapota szerint: a rétegvizek áramlási módja a mikroszivárgás. Megcsapolási (feláramlási) övezet: a piezometrikus nyomás a mélység felé a hidrosztatikusnál nagyobb mértékben növekszik, és beszivárgási (utánpótlódási) régió: ha a nyomás lefelé a hidrosztatikusnál kisebb mértékben nő.

16 A rétegvizek jelentősége
A rétegvizek az ipari és ivóvíz ellátás jelentős bázisai, ezen belül is az 1-2 km vastag felső-pannóniai üledékes rétegek. Intenzív kitermelésükkor jelentős mértékű felszínsüllyedések tapasztalhatók (pl. Debrecen). Ennek oka a semleges feszültség (a víz által közvetített) csökkenése és a hatékony (fedőrétegek súlya) rétegnyomás növekedése.

17 Karsztvíz Meghatározása: A karsztosodó kőzetek (mészkő, dolomit, kősó, gipsz) hasadékaiban és üregrendszereiben található gravitációs víz. A karsztosodás lényege: kémiai mállás. Karszt-típusok (a kőzet földtani helyzete és településviszonyai alapján): Leszálló, támaszkodó, szabadtükrű Sekély és mélykarszt (az erózió bázishoz viszonyított helyzete alapján) Fedett és nyílt karszt (a vízzáró fedő meglétének függvényében) Szabadszintű és leszorított szintű karszt

18 A karsztosodás folyamata
a karbonátos kőzetek leülepedése tektonikai igénybevétel hatására összerepedezése a földkéreg mozgása következtében a kőzettestek kiemelkedése az erózióbázis fölé a felszín felől megindul a karsztosodás, mely elsősorban kémiai, másodsorban mechanikai jelenség: H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2 utóbbi egy egyensúlyra törekvő reverzibilis folyamat a vízben oldott szabad CO2 és a víz hőmérsékletének függvényében válik ki/oldódik a karbonát keveredési korrózió

19 Karsztvíztípusok

20 A karsztvíz jellegzetességei
A karsztvíz mindig kemény víz, benne uralkodnak a hidrogénkarbonátok. Műszakilag kedvezőtlen vízkőlerakódások tapasztalhatók. A vízmozgások a közlekedőedényben szokásoshoz hasonlítanak, gyakran turbulens a vízáramlás, ezért a Darcy törvény itt nem alkalmazható. A felszínnel való közvetlen kapcsolata miatt (nyitott karszt esetén) nagyon érzékeny a felszíni utánpótlásra (pl. csapadék) és a szennyeződésekre.

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

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

23 A forrás vízjárása A források vízjárását befolyásoló tényezők:
A meteorológiai viszonyok A vízgyűjtő terület nagysága, alakja és kőzetviszonyai A szállítórendszer hossza és kőzetviszonyai A forráskörnyék földtani viszonyai A vízgyűjtő terület és a forrás potenciálkülönbsége

24 A forrás vízjárása wF=Qmax/Qmin
A gyakorlat számára fontos a forrás vízjárásának egyenletessége, melyet a megbízhatósági index-szel (wF) jellemzünk (Kessler H. 1954): wF=Qmax/Qmin Ha a wF = 1 – 3, akkor a forrás kitűnő, 3 – 5 igen jó, 5 – 10 jó, 10 – 20 mérsékelt, 20 – 100 rossz, >100 igen rossz

25 Darcy törvénye Vsz = k * I
(Vsz = szivárgási sebesség, I = hidraulikus esésgradiens, k = szivárgási tényező, kőzet és folyadékfüggő) Darcy törvénye csak a lamináris (lineáris) szivárgásra jó, szakmailag értelmetlen a szivárgás nélküli és a mikro szivárgási állapotra (pl. agyagokra) és turbulens folyadék áramlásra (pl. karsztvizeknél)

26 Szivárgási (“k”) tényező
Szivárgási (“k”) tényező - conductivity (cm/sec, m/sec, m/nap): folyadék-függő, más az értéke vízre, illetve más fluidumra, ezért fluidumra a kinematikai viszkozítással és a dielektromos állandóval az értékét korrigálni kell. Erősen függ a szilárd fázis felület- aktivitásától is, azonos szemcseméret mellett nagy különbség van a vezetőképességben az agyagásvány- tartalom minősége és aktiváltsági foka (A) függvényében is (aktiváltság - A– szkempton szám) = Ip/s<2mm). Ez nagyon fontos lehet a környezetföldtanban, a kőolajföldtanban és a termálvizek kutatásánál is). Áteresztő képesség (“K”- tényező) - permeability (m2): a kőzetre jellemző érték.

27 Szivárgási (“k”) tényező

28 Vízföldtani kulcsparaméterek
Szivárgási sebesség (Vsz): teljes keresztmetszetű folyadékmozgásra vonatkozik. A pórusokban szivárgó víz valóságos sebessége ennél nagyobb. Veff = Vsz / n0 Víztároló képesség mérőszáma: n – porozitás, vagy hézagtérfogat (egységnyi kőzettérfogatban lévő hézagok össztérfogata) Szabad hézagtérfogat - no, melyből a garavitációs víz termelhető ki; e- hézagtényező (hézagok és a szilárd alkotók térfogatainak aránya) Az n és n0 közötti különbség kavicsoknál elhanyagolható, de szemcseméret csökkenésével és az agyagásványok arányának növekedésével rohamosan nő.

29 Vízföldtani kulcsparaméterek
A különböző laza törmelékes üledékek vízadó, víztartó képessége és porozitásuk közötti összefüggés