Geohydrodynamické systémy

Soustava kolektorů, izolátorů a poloizolátorů, u kterých je umožněn přenos tlaku nebo hmoty (proudění vod, plynů či ropy), se nazývá geohydrodynamický systém. Rozhraní mezi geohydrodynamickými systémy tvoří tzv. hydraulické bariéry. Horninové prostředí v jejichž pórech se vyskytuje pouze voda se označují jako zvodněné systémy. Spojité těleso vody (akumulace) v kolektoru, kterým se mohou šířit hydraulické impulsy, resp. může docházet k přenosu (transportu) hmot, se nazývá zvodeň. Zvodně mohou být buď s volnou nebo s napjatou hladinou.

Zvodně s volnou hladinou (=gravitační nebo též tíhové filtrační toky) : voda vyplňuje póry pouze ve spodní části kolektoru. Na hladině podzemní vody je tlak atmosférický. Tato svrchní hranice zvodně je tzv. hydrogeologická hranice (nestabilní, proměnná s dotací nebo úbytkem vody v systému); spodní hranice je tzv. geologická hranice (stabilní, daná např. rozhraním vrstev). Nad hladinou podzemní vody je tzv. pásmo aerace (provzdušnění); pod hladinou podzemní vody, kde póry jsou zcela vyplněny vodou je tzv. pásmo saturace (nasycení).

Systém s volnou hladinou

Legenda : vrt ze kterého se čerpá množství Q a 2 pozorovací vrty; x_i ... vzdálenost pozorovacích objektů;

h_i ... dynamické hladiny ve vzdálenostech x_i ; H ... výška ustálené (statické) hladiny;

s_i .. snížení ve vzdálenosti x_i; r .. poloměr vrtu (studny); R .. poloměr depresní kotliny (osušení kolektoru)

Základní rovnice ustáleného proudění podzemních vod (tj. vektor rychlosti proudění v čase neměnný) odvodil A.J.Dupuit (čti „dypít“) a to pro :

a) radiální proudění (ve směru os x a y) – typ proudění ke studni (vrtu)

půdorys : řez :

viz obr výše

b) přímkově rovnoběžné proudění (ve směru osy x) – typ proudění do zářezu (výkopu, rýhy) :

půdorys : řez : pro přítok z jedné strany :

Pro stanovení dosahu deprese se často používá empirický vzorec Kusakina

Pohyb vody v systému s volnou hladinou vyvolává pouze zemská tíže (gravitace) a může vzniknout pouze při dostatečném hydraulickém sklonu hladiny. Izolinie hladin podzemních vod v hydrogeologických mapách se nazývají hydroizohypsy. Kolmice k hydro-izohypsám jsou proudnice. Vyjadřují směr proudění podzemní vody (úklon proudnice je sklonem hladiny v daném místě). V celém zvodněném systému je tlak hydrostatický (p= H.g). Zásoby podzemních vod v těchto systémech se většinou doplňují infiltrací vod ze zemského povrchu přes pásmo aerace (srážkové vody, tzv. břehová infiltrace z vodních toků apod.).

Zvodně s napjatou hladinou (= tlakové filtrační toky) : voda vyplňuje póry v celé mocnosti kolektoru. Na stropu kolektoru je tlak vyšší než tlak atmosférický, tzn., že voda by vystoupila nad strop kolektoru, pokud by zde byla propustná vrstva nebo vrt (studna). Kolektor je z obou stran obklopen izolátory (svrchní i spodní hranice zvodně je geologická).

Úroveň podzemní vody, která by se ustálila ve vrtu (studni) se označuje jako tzv. výtlačná nebo též piezometrická úroveň. Podzemní voda v takovémto systému je pod tlakem. Pokud tento tlak by byl tak velký, že piezometrická úroveň by byla nad terénem, pak voda vytéká z vrtu samovolně (artézský vrt, artézský systém) – viz obr. artézského pramene.

Systém s napjatou hladinou

Legenda : vrt ze kterého se čerpá množství Q a 2 pozorovací vrty; x_i ... vzdálenost pozorovacích objektů;

h_i ... tlakové úrovně ve vzdálenostech x_i; H ... piezometrická úroveň; r ... poloměr vrtu (studny);

s_i ... snížení ve vzdálenosti x_i; R ... poloměr (dosah) tlakové deprese (nejde o osušení kolektoru).

Základní rovnice ustáleného proudění podzemních vod odvodil A.J.Dupuit a to pro :

a) radiální proudění (ve směru os x a y) – typ proudění ke studni (vrtu)

půdorys : řez :

viz obr. výše

Pro stanovení dosahu deprese se často používá empirický vzorec Sichardta

b) přímkově rovnoběžné proudění (ve směru osy x) – typ proudění do zářezu (výkopu, rýhy) :

půdorys : řez : pro přítok z jedné strany :

Základní rovnice neustáleného proudění podzemních vod odvodil C.V. Theis a to pro :

c) radiální proudění (ve směru os x a y) – typ proudění ke studni (vrtu)

půdorys : řez :

viz obr. ad a)

kde W(u) je tzv. „studňová funkce“ argumentu ; S_p ... pružná storativita /-/; s … snížení /m/ ; transmisivita /m².s^-1/ T = K.m ; a … tlaková difuzivita /m².s^-1/; t … čas /s/.

Systémy s napjatou hladinou dělíme na systémy průtočné (s napájecí = infiltrační, průtočnou a vývěrovou oblastí = prameny, vývěry), systémy neprůtočné polootevřené (nebo též artézské klíny - pouze s napájecí a akumulační oblastí) a systémy uzavřené (pouze s akumulační oblastí - typické pro synsedimentární zvodně s fosilními vodami).

Zvodněné systémy se klasifikují dále podle stupně intenzity vodní výměny se zemským povrchem na :

1) s intenzivní vodní výměnou (zvodně s volnou a část zvodní s napjatou hladinou - u nichž doba zdržení vody je řádově pouze roky až stovky let - zůstává ve zvodni oxidační prostředí). Typické jsou tzv. freatické vody, tj. vody mělkých zvodní např. v terasách řek, krasové vody ve vápencových a dolomitických horninách apod.,

2)

s omezenou vodní výměnou (převážná část zvodní s napjatou hladinou - doba zdržení řádově tisíce až desetitisíce let - ve zvodni již redukční prostředí). Typické jsou např. pro struktury minerálních či termálních vod, velké struktury prostých pitných vod, artézské systémy apod.

3) bez vodní výměny se zemským povrchem (část zvodní s napjatou hladinou s velmi dlouhou dobou uzavření vod ve struktuře - typické např. synsedimentární fosilní vody).

Prameny a vývěry představují přebytek vody ve zvodněné struktuře, který není schopen akumulace. Je to přírodní zdroj, jehož část je možno využít k vodárenským nebo jiným účelům. Vývěry se projevují na povrchu vlhkými místy, mokřinami, solnými povlaky na půdě či hojnou vlhkomilnou vegetací. Vývěry pod hladinou recipientu se nazývají skryté vývěry. Soustředěný vývěr se nazývá pramen, území se soustředěným výskytem prameniště a prameny vázané určité strukturní prvky (vrstevní spáry, zlomy, pukliny) pramenní linie. Klasifikují se podle směru proudění podzemní vody (sestupné, výstupné, přelivné atd.), podle geologických podmínek (vrstevní, suťový, puklinový, krasová apod.), podle morfologie terénu

(údolní, terasový, svahový), podle setrvalosti vývěru (permanentní = stabilní, intermitentní = občasný, periodický).