Voda v horninách a základní zákon filtrace

Volná voda v horninách (= podzemní voda) se vyskytuje buď v průlinách sedimentárních hornin, puklinách hornin magmatických nebo metamorfovaných, v dutinách či kavernách zkrasovatělých vápenců či dolomitů. Obecně se všecky tyto dutiny v horninách zahrnují pod pojem pórovitost. Pórovitost je definována jako bezrozměrné číslo, udávající poměr objemu pórů (průlin, puklin, dutin) v horninovém vzorku k objemu celého vzorku :

Z hydrogeologického hlediska je nejdůležitější tzv. drenážní

n = V_póry / V_vzorek pórovitost n_dr -umožňující otevřenými póry o potřebné velikosti proudění vody gravitační silou. Horniny dobře

propustné mají drenážní pórovitost v hodnotách n_dr = 0,2 až 0,4, slabě propustné horniny v hodnotách 0,05 až 0,2. Hodnoty pórovitosti se určují většinou laboratorně na vzorcích hornin nebo orientačně výpočtem podle empirických vzorců z výsledků rozboru zrnitostního složení zeminy.

Další charakteristikou propustnosti hornin je tzv. koeficient propustnosti (k - rozměr m²), který není závislý na vlastnostech proudící tekutiny v hornině a tzv. koeficient filtrace (K - rozměr m/s), který je různý pro různé tekutiny, mění se s teplotou a hustotou přírodních tekutin (voda, plyn, ropa). Jejich vzájemný vztah je dán rovnicí :

g .... měrná tíže tekutiny (voda 20° C » 9789 N/m³ )

K = k . g / h h .... dynamická viskozita (voda » 0,001002 N.s/m²)

Přehled základních hydraulických a hydrogeologických charakteristik a jejich jednotek

Odporové charakteristiky		Kapacitní charakteristiky	Odporově-kapacitní charakteristiky
propustnost	průtočnost
Koeficient propustnosti k (m^2)	Koeficient absolutní transmisivity Tabs (m^3) Tabs= k . m	Koeficient volné zásobnosti Sv (-)	Koeficient hladinové vodivosti a´ (m^2.s^-1) a´ = T/Sv
		Koeficient pružné zásobnosti Sp (-)	Koeficient tlakové vodivosti a (m^2.s^-1) a = T / Sp
Koeficient filtrace K (m.s^-1)	Koeficient transmisivity T (m^2.s^-1) T = K. m T = K. H	Koeficient pórovitosti n (- ; %)
		Koeficient celkové pružné kapacity zvodněného kolektoru b* (Pa^-1)

Podle propustnosti se dělí horniny na horniny propustné (koef. filtrace v hodnotách n.10^-2 až n.10^-7 m/s) jsou většinou kolektory a na horniny nepropustné (koef. filtrace menší než n.10^-8 m/s) jsou izolátory. Kolektory jsou horniny nebo zeminy s navzájem komunikujícími póry (jakéhokoliv tvaru a původu), kterými mohou proudit tekutiny daleko snázeji než sousedními izolátory. Mezi dobré kolektory jsou řazeny štěrky, písky, pískovce, zkrasovatělé vápence, silně rozpukané vyvřelé či metamorfované horniny apod. Mezi špatné kolektory patří prachy, prachovité písky a pískovce, spraše, slabě rozpukané vyvřelé či metamorfované horniny, nezkrasovatělé vápence a dolomity apod. Do nepropustných hornin jsou obvykle řazeny jíly a jílovce, prachovce, pískovce bez efektivní pórovitosti, celistvé vápence a dolomity, celistvé vyvřelé a metamorfované horniny aj.

Koeficient k či K se pro jednotlivé horniny určuje laboratorně (na permeametru) nebo přímo v terénu tzv. hydrodynamickými zkouškami (čerpací, stoupací či nálevové zkoušky na vrtech, kdy se tyto parametry vypočítávají ze sledování změn výšky hladin ve vrtech v závislosti na množství odebírané nebo nalévané vody do vrtu).

Teoretický základ proudění (filtrace) podzemních vod v horninovém prostředí je dán tzv. Darcyho zákonem

Q = F . v_f = F . K . I

F ... průtočná plocha [m²]

Q... průtočné množství [m³/s] (vydatnost)

I .... hydraulický spád (sklon) ...[%, %_o] Hydraulický spád je dán poměrem rozdílu výšek vtokové (h₁) a výtokové (h₂) oblasti ku vzdálenosti těchto oblastí (L). I = (h₁ - h₂) / L

v_f ... fiktivní rychlost proudění [m/s] = K.I v_stř = v_f / n_dr

K tomu, aby došlo k proudění podzemní vody horninami jsou nutné dvě základní podmínky:

1) existence otevřené efektivní pórovitosti horniny (v nadkapilární velikosti pórů),

2) existence tak velkého hydraulického spádu, který překoná odporové síly filtrace.