Notiuni Teoretice Privind Modul de Deplasare Apei în Sol

CapitolulII

Noțiuni teoretice privind modul de deplasare a apei în sol

II.1-Teorii asupra apariției apelor subterane

Apele subterane se află în golurile subterane din sol. Apele subterane reprezintă o componentă cheie a hidrosferei, reprezentând al doilea cel mai mare rezervor terestru de apă dulce după ghețari și calotele glaciare. Apele subterane sunt o importantă sursă de apă potabilă și irigare, deși prin contaminare și supra-extracție sunt amenințate de dispariție.

Originea apelor subterane a facut de-a lungul timpului obiectul mai multor studii și cercetări.Teoriile cu privire la originea apelor subterane fiind confirmate de cercetări experimentale sau prin prelucrarea statistică a unui numar mare de date obținute prin observații directe sau masurători hidrologice.

Există mai multe teorii:

a)Teoria infiltrării

Teoria infiltrării este astăzi unanim acceptată ca fiind principala explicație a formarii apelor subterane.

A fost formulată pentru prima dată de B.Palissy în secolul XVI-lea și confirmată de E.Mariotte în secolul XVII-lea.Acești doi cercetători susțineau că sursa formarii apelor subterane o reprezintă infiltrarea de apa din precipitații, din râuri, lacuri, mări sau oceane.În procesul lor de infiltrare apele ajung sa întâlnească un strat impermeabil și să formeze astfel un acvifer.

,,Acviferul este o rezervă de apa subterană cantonată (găzduită) în formațiuni de rocă permeabilă și care poate să fie exploatată economic prin foraje sau izvoare.”

Fizicianul E. Mariotte a facut cateva observații simple în urma efectuării unui bilanț în bazinul râului Sena:

-în perioadele secetoase nivelul apei subterane scade

-în perioadele ploioase nivelul apei subterane creste

-exista o variație a debitelor izvoarelor care drenează un acvifer freatic.

Teoria infiltrarii formulate de B.Palissy și E.Mariotte nu poate să explice acumularile de ape subterane cu mineralizare redusă din zonele cu climat arid ( deșert ); zone cu evaporație intensă și veri lipsite de precipitații.

b)Teoria condensarii vaporilor de apa

Această teorie a fost formulată de hidrotehnicianul Volger in anul 1877.El consideră că la originea formării apelor subterane stă volumul de apă obținut prin condensarea vaporilor de apă care pătrund din atmosferă în golurile subterane.Cei care susțin o asemenea teorie combat teoria infiltrării arătând că în urma precipitațiilor solul se umezește pe o anumită adâncime de la suprafață, însă pănă la oglinda de apă subterană ramâne o zonă aproape uscată.

Volger susține că la scăderea temperaturii aerul care conține vapori de apă devine suprasaturat astfel încât o parte din acești vapori de apă condensează trecând în stare lichidă, acest volum de apă întâlnind un strat impermeabil se acumulează formând un acvifer.

În figura II.1 este redată variația punctului de rouă, respectiv a umidității din aer în funcție de temperatura respectivă.

Din variația umidității aerului în funcție de temperatură ( Fig.II.1) se poate estima cantitatea de apă cedată.

De exemplu, un metru cub de aer saturat la 150°C conține 12,7 grame de apă în stare de vapori iar la +50C conține 5,36 grame; prin răcire se condensează în stare lichidă :12,7 − 5,36 = 7,34 gr de apă

Fig.II.1 Variația umidității aerului în funcție de temperatură

Limitele teoriei:

-rareori aerul ajunge sa fie vapori în vapori de apă

-nu întotdeauna condițiile meteorologice sunt favorabile procesului de condensare

-atmosfera nu poate să furnizeze o cantitate atat de mare de vapori de apă ca să poată explica formarea acviferului

O nouă interpretare a teoriei condensării a fost dată de A.F.Lebedev în 1905,el spune că sub scoarța terestră există o zonăîn care temperatura solului este constantă indiferent de anotimp, această zonă seaflă la 17 m sub pământ în solurile argiloase și 40 m în cazul granitului.

Teoria lui Lebedev spune că în timpul verii solul se încălzește la suprafața și determină ca aerul și vaporii de apă să migreze în profunzime, în timp ce iarna fluxul de aer este către suprafață, ceea ce conduce la condensare în zona superioară, respectiv creșterea umidității către suprafață ( fig.II.2 ).

Fig.II.2-Schema formării unui acvifer freatic prin condensare

1.zonă de evapotranspirație – profilul de sol

2.zonă de tranziție

3.zonă capilară

4.acviferul freatic

5.rocă impermeabilă

ta-temperatura atmosferei

ts-temperatura solului

Fenomenele descrise mai sus sunt accentuate de absorbția higroscopică a solului:umiditatea reținută la nivelul granulelor fine de sol.Apele din infiltrare respectiv cele din condensarea vaporilor de apă poartă denumirea de ape vadoase.

c)Teoria juvenilă

Această teorie a fost dezvoltată de către geologul austriac Suess E. în anul 1902 susține că apele subterane s-au format prin condensarea vaporilor de apă care apar în urma unor procese fizico-chimice de mare adâncime .Apele juvenile se împart în două categorii, ape juvenile magmatice și ape juvenile vulcanice.

Apele juvenile magmatice se formează prin ascensiune din zona foarte adâncă pe traseul marilor fracturi din scoarța terestră la 500÷600ºC a hidrogenului,acesta se combină cu oxigenul și generează vapori de apă supraîncălziți care se îndreaptă către zona superioară a scoarței,respectiv către acvifer.

Apele juvenile vulcanice provin din condensarea vaporilor de apă care însoțesc emisiile vulcanice.

Fig.II.3-Schema condițiilor de formare a apelor geotermale de origine magmatică[hidrologie generala-daniel scrădeanu,alexandru gheorghe[

Apele subterane juvenile mgmatice și vulcanice reprezintă o sursă importantă de apă subterană formată prin legarea atomilor de hidrogen proveniți din zonele profunde,fie din vaporii de apa care insoțesc erupțiile vulcanice.

d)Teoria originii arteziene

Apele minerale termale ajung la suprafață datorită presiunii proprii-artezianism.În general aceste ape provin din apele vadoase care coboară în straturile profunde, se mineralizeazăîși cresc temperatura până la vaporizare și apoi au un traseu ascendent către suprafață.

Apele subterane care ajung la suprafață sub formă de izvoare datorită artezianismului pot avea origine magmatică, vulcanică, vadoasă și de cele mai multe ori sunt amestecate (origine mixtă).

e)Teoria apelor regenerate

Acestă teorie se bazează tot pe apele vadoase care intră în componența mineralelor și care în lungul procesde orogeneză ajung în straturile profunde.Apa se vaporizează comportându-se mai apoi precum apele juvenile vulcanice.

Aceste ape sunt foarte asemănătoare din punct de vedere fizic și chimic cu cele magmatice, dar provenind în urma procesului de metamorfism au fost numite ape regenerate (Ovcinikov, A.).

f)Teoria apelor fosile

Apele fosile sunt acele volume de apă asociate cu depozitele de hidrocarburi ( petrol,gaze naturale ) și care s-au format în lungul proces de sedimentare.Astfel s-a ajuns la diferențierea apelor subterane pe principiul stratigrafic.

Teoria mai precizează că presiunea de zăcământ (a acviferelor respective) este dată de presiunea litostatică (și nu de cea hidrostatică) iar apele nu participă la circuitul general din natură, structurile respective fiind închise din punct de vedere hidrodinamic. Forajele executate pentru petrol au furnizat însă o serie de date care nu permit generalizarea acestei teorii pentru toate apele asociate. Sunt foraje care au identificat dinamica unor acvifere asociate zăcămintelor de petrol. Acest lucru infirmă caracterul închis al acestor hidrostructuri.

În prezent, luându-se în considerare toate situațiile hidrogeologice, teoria apelor fosile prezintă două variante care se referă la:

– apele fosile singenetice denumite și ape de zăcământ sau ape veterice (denumire dată de L.Mrazec);

– apele fosile epigenetice cu o vârstă geologică mai recentă în raport cu roca colectoare.

Apele fosile singenetice sunt foarte bogate în iod, asociate cu zăcămintele de petrol care s-au format prin depozitarea organismelor marine ( alge,plante,animale ) de-a lungul milioanelor de ani prin sedimentare.

Apele fosile epigenetice sunt de origine mai recentă și au fost evidențiate în urma prospecțiunilor hidrologice din zonele aride, lipsite de surse de alimentare actuale.

II.2-Legătura dintre roci și apa subterană

Rocile sunt indispensabil legate de apa subterană, volume mari de apă fiind depozitate în golurile dintre particulele de rocă, în porii formați între granulele de nisip, pietriș sau în fisurile din roci.Pe lângă rolul de depozitare, golurile din scheletul de rocă asigură și funcția de transport a apei subterane.

Apa subterană este într-o continuuă mișcare, fiind însă ascunsă privirii omului acestă mișcare este de multe ori percepută greșit.Apa subterană poate să curgă similar apei de suprafață, dar în situații particulare poate fi apă subterană din peșteri,apă subterană în calcare cavernoase,apă subterană în tuburile formate în lava vulvanică.

Apa subterană curge cu viteze foarte mici, ceea ce se reflectă și în perioada de regenerare a rezervei de apă consumată.Astfel apa din râuri se regenerează în 0,31 ani, iar apa subterană se regenereazăîn 8000 de ani.

Marea majoritate a rocilor aflate de suprafața pamântului sunt formate dintr-o parte solidă,respectiv din goluri.Fără existența golurilor din rocă rezerva de apă subterană nu ar putea exista.

Rocile se împart în două categorii:

-roci consolidate

-roci neconsolidate

Rocile consolidate se află la baza rocilor neconsolidate,depozitele de rocă neconsolidată provin din depozitele de rocă consolidată formate prin dezagregare.

(Desen-fig.II.4)

Depozitele de roca neconsolidata care prezinta importanta in hidrologia apelor subterane in ordinea granulatiei sunt:

-argila

-namolul si aluviunile

-nisipul

-pietrisul

Alaturi de acestea prezinta o importanta deosebita si rocile neconsolidate provenite din resturi de organisme marine ,scoici sparte,etc.

Rocile consolidate sunt de fapt particule de diferite marimi sudate intre ele,datorita temperaturii,presiunii sau reactiilor chimice.Exemplu:rocile sedimentare initial au fost neconsolidate si datorita presiunii au constituit volume solide.

Dintre rocile consolidate sedimentare cu cu importanta in hidrologia apelor subterane amintim:

-calcarele

-dolomita

-gresiile

-si amestecuri ale acestora

In roci intalnim tipuri diferite de goluri, daca golurile s-au format in acelasi timp cu roca ele se numesc goluri primare.Dintre golurile primare cele mai importante sunt golurile din nisipuri si pietrisuri .

Fig. II.5-goluri primare :1-nisip sortat;2-nisip nesortat;3-fracturi in granit;4-caverne in calcar

Daca golurile s-au format dupa solidificare(solidificarea lavei vulcanice), atunci vorbim de goluri secundare sau deschideri secundare.Dintre acestea amintim:golurile din roca calcaroasa dezvoltate prin dizolvare, prin actiunea apei subterane.De asemenea tot goluri secundare sunt si deschiderile din rocile dure, fisuri in granit sau alte roci consolidate (desen fig.II.6).

Alaturi de grupul rocilor consolidate amintim si rocile semiconsolidate,care alaturi de fisuri prezinta si pori,cu alte cuvinte prezinta ambele tipuri de goluri:primare si secundare.Dintre aceste tipuri sunt calcarele si gresiile.

II.3-Apa subterana

Apa subterana este echivalentul apei de suprafata, numai ca se afla in adanc.deosebim astfel doua zone in care se afla apele subterane si anume:

A-zona nesaturata

B-zona saturata

Zona nesaturata este invariabil situata deasupra zonei in care toate golurile sunt pline de apa, fiind zona de tranzit a apei de la suprafata catre zona saturata si are golurile partial umplute cu apa.

(Desen fig.II.7)

zona saturata este singura care poate sa alimenteze cu apa orasele si izvoarele si este singura la care termenul se apa subterana estecorect aplicat.Incarcarea zonei saturate se realizeaza de la suprafata solului pri infiltratie si percolatie.

Fenomenul de alimentare a zonei saturate se produce prin cu ajutorul zonei nesaturate unde se intalnesc trei subzone:zona superioara,zona intermediara si zona capilara.

Zona superioara este de circa 1~2 m, zona de evapo-transpiratie, in care se regaseste zona plantelor, cu goluri provocate de radacinile vii,de radacinile deja putrezite ale plantelor sau goluri provocate de insecte si rozatoare.

De aceea acesta zona are un volum mult mai mare de goluri(o porozitate mult mai mare ) decat celelalte zone inferioare.

Zona intermediara difera ca adancime functie de dimensiunile zonei capilare, respectiv functie de zonele de evapo-transpiratie.

Zona capilara ocupa partea inferioara a zonei nesaturate, tendinta apei fiind aceea de urcare printre porii fini din granulele de roca. Presiunea hidraulica fiind negativa apa se deplaseza in sens opus fortei de gravitatie,adica urca.La nivelul oglinzii de apa subterana presiunea hidraulica este nula si creste pe masura ce coboram in zona saturata.

Zona saturata are totalitatea golurilor umplute cu apa si este marginita la partea inferioara de un strat impermeabil.

II.4- Acvifere si straturi impermeabile

Formarea de apa subterana presupune existenta a doua tipuri de roci si anume:

-roci acvifere sau permeabile

-straturi saturate sau impermeabile

Rocile acvifere sunt capabile sa stocheze o cantitate suficient de mare de apaastfel incat aceasta sa poata sa fie exploatata economic prin foraje sau izvoare.

Stratul impermeabil este fie o roca consolidata,fie o roca neconsolidata, dar care sa aiba conductibilitate hidraulica foarte mica, practic sa fie impermeabila.Din aceasta categorie fac parte argilele care in contact cu apa sufera un fenomen de umflare astfel incat porii lor devin foarte mici, plini cu apa, iar per ansamblu roca este impermeabila.

Acviferele pot fi de doua tipuri:

-acvifere permeabile sau cu panza libera

-acvifere impermeabile sau cu panza captiva

Cele din urma sunt denumite si acvifere arteziene.

Forajul care deschide un acvifer permeabil poarta denumirea de foraj cu panza libera.In acest foraj apa are acelasi nivel cu oglinda de apa din acvifer.

Forajeul care deschide un acvifer cu panza captiva poarta denumirea de foraje arteziene.In acest foraj nivelul apei se afla deasupra oglinzii de apa a acviferului, dar nu neaparat deasupra solului.

(Desen fig.II.8)

II.5-Porozitatea

Prin definie, porozitate este raportul dintre golurilor si volumul de sol sau roca.Porozitatea se poate exprima procentual sau zecimal.

Porozitatea=vol.golurilor/vol.totalx100 [%]

n=Vt-Vg/Vtx100 [%]

Vt=volumul total al mediului poros analizat

Vs=volumul solid-volumul scheletului de roca

Vg=volumul golurilor

n =Vg/Vtx100 [%]

in acvifer volumul acestor goluri este ocupat de apa subterana

(Desen fig.II.9)

Dintre toate mediile poroase naturale solul ( vegetal ) are cea mai mare porozitate deoarece particulele de sol tind sa se aglomereze formand bulgari.Totodata in zona solului vegetal, respectiv la partea superioara unui acvifer, porozitatea este mai mare din cauza radacinilor copacilor sau a altor plante, mai ales dupa ce acestea putrezesc lasand goluri tubulare in sol.Porozitatatea creste si datorita insectelor si rozatoarelor.

In straturile adanci, in zona de roca neconsolidata, porozitatea depinde de uniformitatea granulelor, respectiv de forma, dar nu de dimensiunea acestora.Astfel, depozitele de roca neconsolidata cu granulatie fina au si o uniformitate mai mare, respectiv o porozitate mare.

In tabelul II.1 sunt prezentate valorile procentuale ale porozitatii pentru cateva tipuri de roca:

Tabelul nr.II.1-porozitatea procentuala

II.6-Randamentul de extractie.Retentia specifica

Porozitatea este foarte importanta in hidrologia apelor subterane ,deoarece exprima care este cantitatea de apa pe care acea roca o poate contine in stare saturata. La fel de important insa este de stiut si care este cantitatea de apa care poate alimenta un foraj sau un izvor.

Hidrologii impart apa subterana in 2 parti:

-o parte care poate sa fie drenata sub influenta gravitatiei si care este exprimata prin randamentul de extractie

-o parte care este retinuta in roca ca un fir la suprafata particulelor sau a granulelor si care este exprimata prin relatia specifica(fig.2)

Desen[fig.II.10]+formule

Porozitatea este suma dintre randamentul de extractie si retentia specifica :

n=Re+Rs

unde:Re=randament de extractie

Rs=retentie specifica

Apa este retinuta ca un film la suprafata granulelor de roca sau in golurile capilare astfel incat nu toata cantitatea de apa dintr-un acvifer poate fi drenata gravitational si extrasa(fig 3)

Desen[FIG.II.11]

Randamentul de extractie exprima care este cantitatea de apa disponibila pentru consumul uman

Retentia specifica exprima care este cantitatea de apa care ramane in roca dupa ce aceasta este drenata gravitational.

Re=Vd/Vt

Rs=Vr/Vt

Vd-volumul de apa drenat

Vr-volumul de apa retinut prin capilaritate respectiv la suprafata granulelor.

In tabelul 2 sunt date valori ale porozitatii randamentului de extractie si retentie specifice pentru diferite tipuri de roca:

Tabelul nr.II.2-Valori ale porozitatii randamentului de extractie si retentie

II.7-Sarcina hidraulica.Sarcina piezometrica.Gradientul de presiune.Conductivitatea hidraulica

Adancimea oglinzii de apa subterana are un efect important asupra utilizarii suprafetei solului si a dezvoltarii, alimentarii cu apa potabila din acviferele cusuprafata libera.Astfel,acolo unde oglinda de apa subterana subterana se afla la o adancime mica fata de suprafata solului, acea suprafata de teren poate sa fie la un moment dat improprie constructiilor, respectiv culturilor agricole.Aceasta pentru ca in perioadele cu precipitatii abundente oglinda de apa subterana poate sa urce si sa intersecteze chiar suprafata solului.

Daca oglinda de apa subterana este mult prea in aprofunzime costul forajelor, respectiv exploatarea de apa poate fi prohibita.

Intr-un punct considerat ala unui acvifer presiunea hidraulica totala este data de relatia:

H=z+p/ρ·g+v²/2h

Unde: z=cota fata de un plan de referinta; p=presiunea fluidului intr-un punct considerat; ρ=densitatea apei; g=acceleratia gravitationala; v=viteza apei subterane in punctul considerat.

Oglinda de apa subterana rareori este orizontala, de aceea pentru a stabili un plan de referinta( planul geodezic national ),se utilizeaza nivelul marii.

Desen [fig.II.12]

Pozitia oglinzii de apa subterana este foarte importanta pentru ca de acesta pozitie depinde fluxul de apa subterana care se scurge intr-un acvifer.

Viteza ,,v” a apei subterane este foarte mica, de aceea ultimul termen poate fi neglijat.:

H=z+ p/ρ·g

Nivelul piezometric se obtine scazand din cota altimetrica a punctului de masura, adancimea apei subterane.

Curgerea apei subterane se face dinspre punctul cu nivel piezometric mai mare inspre punctul cu nivel piezometric mai mic.

Panta hidraulica se calculeaza ca raportul dintre diferenta nivelelor piezometrice intre doua puncte considerate si distanta dintre cele doua puncte.

Curgerea apei subterane se face dinpre nivelul cu energie mai mare catre niveluri cu energie joasa, forta care sta la baza miscarii apei subterane fiind forta gravitationala.

Cea mai precisa metoda de determinare a directiei de curgere a apei subterane este metoda celor trei foraje.

Acviferele au doua functii importante, una dintre acestea se refera la stocarea apei subterane, cealalta la transportul apei subterane.

II.8-Functiile sistemelor de ape subterane

Sistemele de apa subterana sunt formate din straturi acvifere si straturi impermeabile.Un sistema de apa subterana are doua functii:functia de stocare si functia de transport dinspre zonele de incarcare catre zonele de descarcare( fig.II.13)

DESEN [fig.II.13]

Se observa ca un acvifer are atat rol de rezervor cat si rol de conductor.Cu exceptia calcarelor cavernoase si a filoanelor de lava tubulara,dar si a pietrisurilor grosiere, sistemele de apa subterana au mai mult rol de rezervor decat rolul de conductor.

Alimentarea rezervei de apa subterana se face de la suprafata solului in zona de incarcare,dupa care apa subterana se deplaseaza prin acvifer,curgerea fiind controlata de gradientul hidraulic,respectiv de conductivitatea hidraulica.

In zonele umede incarcarea sistemului de apa subterana se face pe suprafete mari intre cursurile de apa, suprafate care poarta numele de bazine hidrografice.

Descarcarea apelor subterane se face pe zone joase, plane , in apropierea cursului de apa.

Viteza de incarcare are expresia unui volum raportat la unitatea de timp, respectiv la unitatea de suprafata,reducand la forma simpla, incarcarea acviferului rezulta ca fiind adancimea fata de suprafata pe unitatea de timp.

Incarcarea sistemului de apa subterana variaza de la an la an si depinde de volumul precipitatiilor, distributia sezoniera, temperatura aerului, modul in care este utilizat terenul.

Considerand ca exemplu acest ultim parametru, incarcarea sistemului de apa subterana se desfasoara mai eficient intr-o zona impadurita,fata de o zona urbana.

Astfel in zonele desertice incarcarea apei subterane este zero in timp ce intr-o zona rurala viteza de incarcare poate fi 1600 m³/km²·zi.

Viteza apei subterane considerata dinspre zona de incarcare spre zona de descarcarcare,depinde de conductivitatea hidraulica a straturilor acvifere, respectiv a straturilor impermeabile , in masura in care apa se deplaseaza gravitational in jos dintr-un acvifer in altul.

Acest interval de timp poate sa fie de cateva zile pentru zona din imediata vecinatate a zonei de descarcare sau poate sa fie de mii de ani ,timp in care apa sa ajunga din zona centrala de incarcare prin starturile profunde catre zona de descarcare.

Descarcarea naturala a apei subterane nu se face doar prin izvoare sau transfer de apa catre cursurile permanente( rau, fluviu ) ci si prin vaporizare in zona superioara zonei capilare ,atunci cand apa subterana ajunge aproape de suprafata solului.

O cantitate importanta de apa subterana este consumata de plante, arbori, in sezonul de vegetatie.

O diferenta semnificativa intre zona de incarcare si zona de descarcare este caeea ca invariabil zona de descarcare are o suprafata mult mai mica decat zona de incarcare.Aceasta arata ca in zona de descarcare exista un transfer de apa mult mai eficient decat in zona de incarcare.

Zona de incarcare este caracterizata de curgere nesaturata preponderent pe directie verticala, pe acesta directie insa conductivitatea hidraulica are valorile cele mai mici.

Spre deosebire de zona de incarcarein zona de descarcare curgerea are caracter saturat si se face pe directie orizontala unde si conductivitatea hidraulica este maxima.

Un alt aspect important este legat de parametrul timp,incarcarea sistemului acvifer se face imediat dupa caderea unui volum de precipitatii.

Cum aceste fenomene sunt intermitente si incarcarea acviferului se face diferit in diferite perioade ale anului.Descarcarea este un fenomen continuu si decurge atat timp cat exista o diferenta intre nivelul hidrostatic al punctului considerat,respectiv nivelul hidrostatic al zonei de descarcare.

Intre perioadele in care are loc incarcarea complexului acvifer presiunea hidrostatica scade, ceea insemna ca si viteza de descarcare scade.De obicei cresterea nivelului apei subterane se produce dupa caderea precipitatiilor, dar se poate produce o crestere a rezervei de apa subterana si in perioadele de iarna, atunci cand consumul de apa datorat vegetatiei este minim.