HP_VMA_2024_6_32707294d17ff66fd07359ae20dfc00f PDF. Požeminio vandens filtravimosi analizė

6. DIDŽIOJO VANDENS CIKLO DALIS DIRVOŽEMYJE IR GRUNTE Dalis baseino paviršių pasiekusių kritulių įsifiltruoja į dirvožemį bei gilesnius grunto sluoksnius. Filtracija – vandens sunkimasis per porėtą terpę. Natūraliomis sąlygomis vykstantis gravitacinis vandens sunkimasis į gi...

6. DIDŽIOJO VANDENS CIKLO DALIS DIRVOŽEMYJE IR GRUNTE Dalis baseino paviršių pasiekusių kritulių įsifiltruoja į dirvožemį bei gilesnius grunto sluoksnius. Filtracija – vandens sunkimasis per porėtą terpę. Natūraliomis sąlygomis vykstantis gravitacinis vandens sunkimasis į gilesnius sluoksnius dažnai vadinamas infiltracija. https://youtu.be/KvwdVEnv68s Infiltracijos proceso metu susiformuoja dirvožemio vandens, gruntinio vandens bei gilesnių sluoksnių požeminio vandens atsargos. Vanduo pradeda sunktis gilyn nuo paviršiaus. Todėl itin svarbu suvokti paviršiniame (dirvos) sluoksnyje vykstančios infiltracijos mechanizmą. Infiltracijos koeficientai įvairiame dirvožemyje ir grunte. Paviršiaus sluoksnyje vykstančio sunkimosi intensyvumą apibūdina infiltracijos koeficientas – vandens sluoksnis, prasisunkęs per tam tikrą dirvožemio ir grunto plotą per laiko vienetą. Dažniausiai koeficientas išreiškiamas mm/min.  Vandens sunkimąsi į gruntą veikiančios jėgos. Po – atmosferos slėgis; h – paviršinio vandens sluoksnio slėgis; s – besisunkiančio vandens stulpelio sunkis; Hs – kapiliarinių meniskų siurbimo jėga (išreiškiama siurbimo aukščiu H); P – oro slėgis grunte; P–Po – oro slėgio grunte pertekliaus jėga (palyginus su atmosferos slėgiu). Dauguma atvejų vandens sunkimasis į dirvą bei gruntą – laminarinis. Tuomet infiltracijos intensyvumą galima apskaičiuoti pagal H. Darsi (Darcy) dėsnį:  H + h P − P0  vi = K 1 + −   s s  Čia: K – tam tikro grunto (dirvožemio) filtracijos koeficientas. www.youtube.com/watch?v=P ItDMA-6840 https://www.youtube.com/wat ch?v=LMIJN2bM4Xg Gilesniuose sluoksniuose dalis šios lygties elementų mažai svarbūs. Esant kapiliarinio siurbimo aukščiui H > 0,5 m, tampa nesvarbus paviršinio vandens sluoksnio slėgį h. Jei gruntinis vanduo slūgso giliai, nesvarbus ir oro slėgio perteklius grunte (P – P0 = 0). Tada Darsi lygtį galima užrašyti paprasčiau: K H vi = K + s Čia: K ( const) - filtracijos greitis, KH/s – kapiliarinio siurbimo greitis. Siurbimo greitis drėgmei skverbiantis gilyn mažėja ir tam tikrame gylyje infiltracija pereina į pastovaus greičio filtraciją (K). Infiltracijos intensyvumas (mm/min) – nepastovus dydis, kurio kaitą erdvėje ir laike labiausiai nulemia: a) Dirvožemio fizinės savybės; b) Vandens patekimo ant dirvožemio (drėkinimo) intensyvumas; c) Laikas praėjęs nuo drėkinimo pradžios. Tipiškos infiltracijos kreivės.  Skiriami keturi pagrindiniai vandens filtravimosi į dirvožemį atvejai: 1. Drėkinimo intensyvumas viršija sunkimosi greitį ir vanduo kaupiasi dirvos paviršiuje. Pagrindinis veiksnys – žemyn nukreipta meniskų siurbimo jėga Hs (aukštyn nukreiptos kapiliarinių meniskų jėgos neveikia dėl paviršiuje esančio vandens sluoksnio). 2. Drėkinimo intensyvumas lygus sunkimosi greičiui, bet didesnis už filtracijos koeficientą K. Paviršiuje vandens nėra, todėl veikia ne tik meniskų siurbimo, bet ir meniskų kėlimo jėga. Drėkinimui tęsiantis, paviršinis dirvos sluoksnis įmirksta ir vanduo pradeda kauptis dirvos paviršiuje. 3. Drėkinimo intensyvumas mažesnis už filtracijos koeficientą K. Visas ant dirvos paviršiaus patekęs vanduo susigeria ir vandens sluoksnis ant paviršiaus nesusidaro, nes meniskų siurbimo jėgos veikia ne tik judantį žemyn, bet ir į šalis sklindantį vandenį. 4. Pasibaigus drėkinimui H0 ir Hs išsilygina ir drėgmė tolsta gilyn nuo dirvos paviršiaus pastoviu greičiu. Hidrologijoje svarbūs grunto filtracinių savybių netolygumai ne tik laike, bet ir erdvėje. Didelio baseino hidrologiniam režimui grunto savybių vietiniai ypatumai paprastai turi mažesnę įtaką nei mažam baseinui. Purškiamasis infiltrometras – prietaisas, leidžiantis nustatyti grunto filtracinių savybių teritorinio pasiskirstymo ypatumus nedideliame plote. Į dirvožemį bei gruntą įsifiltravęs vanduo sudaro požemio vandens atsargas. Požeminio vandens sluoksniai ties Birutės vandenviete Šiauliuose.  Paprastai skiriami šie požemio vandens sluoksniai: a) Dirvožemio vanduo – požemio vanduo, esantis dirvožemio storymėje ir neturintis hidraulinio ryšio su žemiau slūgsančiu gruntiniu vandeniu; b) Gruntinis vanduo – nespūdinis, žemiau dirvožemio sluoksnio esantis vanduo, drenuojamas upių; c) Artezinis vanduo – spūdinis vanduo, slūgsantis vandeniui laidžiame uolienos klode, kurį iš viršaus bei apačios riboja vandensparos. https://www.youtube.com/watch?v=sW5UseHSYOE https://www.youtube.com/watch?v=dGhYUp_tT3s&t=2192s Vandenspara – nelaidi ar mažai laidi vandeniui uolienų storymė, virš kurios formuojasi prisotintas vandeniu grunto sluoksnis. Vandensparos skirstomos į: beveik nelaidžias (regionines) Ir pusiau laidžias (vietines). Jos skiriasi savo dydžiu ir pralaidumu. Giliau slūgsantis (artezinis) vanduo mažiau aktualus hidrologiniams procesams. Be to, dažnai sunku nustatyti vandensparų išsidėstymą. Todėl kartais apsiribojama tik prisotinto ir neprisotinto vandeniu sluoksnių išskyrimu. Neprisotinto sluoksnio procesai priklauso nuo dirvos drėgmės. Skiriantis dirvožemio prisotinimui vandeniu kinta ir vandens susigėrimo į jį galimybės. To paties klimato zonoje neprisotinto sluoksnio hidrologinis režimas lemia paviršinio nuotėkio dalį vandens balanse. Dirvos siurbimo jėgos priklausomybė nuo dirvos drėgmės esant skirtingoms sąlygoms. Ir drėkstant, ir džiūstant dirvos paviršiui didžiausia siurbimo jėga būdinga sausai dirvai. Prisotintame sluoksnyje vandens apytaka žymiai lėtesnė, čia vyrauja labai lėtas laminarinis vandens tekėjimas. Prisotintas vandeniu sluoksnis išsidėstęs daug žemiau už neprisotintą, todėl jį mažiau veikia atmosfera. Tiriant vandens apykaitos intensyvumą taikomas izotopų metodas (nustatomas sunkiųjų deguonies ir vandenilio izotopų santykis su bendru atomų skaičiumi). Šviežiai susidariusiam vandeniui būdinga dažna šio santykio kaita, o senesnio vandens sluoksniuose jis beveik nekinta. Deguonies ir vandenilio izotopų santykio kaita įvairiame vandenyje sezoninio klimato sąlygomis. Požemio vandens atsargų kaitai laiko atžvilgiu būdinga tokia bendroji tendencija: kuo giliau slūgso vandens sluoksnis, tuo mažiau jį veikia trumpalaikiai svyravimai. Giliau slūgsantys požemio vandens sluoksniai mažiau kinta laiko bėgyje pirmiausiai todėl, kad menkiau reaguoja į atmosferos poveikį. Juose susitelkusioms vandens atsargoms būdingas gana stacionarus teritorinis pasiskirstymas, labiausiai priklausantis nuo grunto hidraulinio laidumo. Įvairių tipų gruntų (dirvodarinių uolienų) hidrologinės savybės (Rawls, Brakensiek, Saxton, 1982). Gruntas Prisotinto grunto hidraulinis Grunto poringumas laidumas, cm/val. (santykinis porų tūris) Priesmėlis 2,59 0,45 Rudasis priemolis 0,68 0,50 Priemolis 0,23 0,46 Molis 0,06 0,475  Lietuvos požeminio vandens monitoringo tinklas (© Lietuvos geologijos tarnyba) Prisotintuose sluoksniuose susitelkusi didžioji dalis pasaulio požeminio vandens išteklių. Jų geografinį pasiskirstymą labiausiai lemia du veiksniai: a) regiono paviršių pasiekiantis kritulių kiekis b) regiono gruntų hidraulinis laidumas Mažuose regionuose požemio vandens pasiskirstymą veikia vietiniai veiksniai. Baseinuose su marga kraštovaizdžio struktūra, sudėtingomis hidrogeologinėmis sąlygomis, karstiniais procesais ir pan., požemio vandens atsargų pasiskirstymas laike ir erdvėje smarkiai skiriasi nuo aplinkinėms teritorijoms būdingų tendencijų. Gruntinio vandens slūgsojimo gylis (m) Lietuvoje © Lietuvos geologijos tarnyba Gruntinio vandens slūgsojimo gylis yra viena iš požemio vandens savybių, kurią dažniausiai lemia vietiniai faktoriai. Nuo to, kokiame gylyje slūgso prisotintas vandens sluoksnis, priklauso bendroji požemio ir paviršiaus vandens kontakto schema: jei požemio vandens lygis aukščiau paviršinio vandens telkinio lygio – jis maitina paviršiaus vandenį; jei požemio vandens lygis žemiau – paviršiaus vanduo maitina požemio vandenį. Nuo slūgsojimo gylio priklauso ir vandens atsinaujinimas: gilesni sluoksniai neturi kontakto su atmosfera bei paviršiaus vandeniu ir atsinaujina lėtai. Daugumoje regionų (išskyrus karstinius baseinus) požemio vandens atsinaujinimas vyksta labai lėtai: judėjimo greitis svyruoja nuo kelių mm iki kelių m per metus. Požeminio vandens slūgsojimo gylis lemia jo fizikines-chemines savybes. Požeminis vanduo: 1. – gėlas: mineralizacija iki 1 mg/l, 2. – gėlas ir mineralizuotas: mineralizacija iki 35 mg/l, 3. – gėlas, mineralizuotas ir sūrymai: mineralizacija virš 35 mg/l, 4. – gėlo vandens zonos storio izolinija. Nemenka dalis požemio vandens atsargų (ir netgi šiuo metu eksploatuojamų telkinių) yra susiformavę itin seniai. Kai kurių vandeningų klodų amžius siekia dešimtis ar šimtus tūkstančių ir daugiau metų. Pavyzdžiui, žemiau nei 2 km gylyje slūgsančio požeminio vandens amžius Lietuvos pajūryje yra daugiau nei 1,3 mln. metų. Lietuvos požeminio vandens baseinai. Daugelis itin giliai slūgsančių požemio vandens sluoksnių susidarė esant visai kitoms klimato sąlygoms ir šiuo metu negalėtų iš naujo susiformuoti tuose regionuose vien dėl kritulių trūkumo. Požeminio vandens gavybos augimas Šiaurės Vakarų Sacharos regione (Mamou, Besbes,..., 2006). Vandens lygio pokyčiai (mm/metus) stambiausiuose pasaulio požeminio vandens baseinuose. Mėlynai nuspalvintuose baseinuose požeminio vandens atsargų kiekis didėja, geltonai ir raudonai nuspalvintuose – mažėja. Intensyvi požemio vandens sluoksnių eksploatacija dažnai lemia artezinio bei gruntinio vandens lygio pažemėjimą. Kartais ilgas vandenviečių naudojimas sukelia ne tik požemio vandens lygio, bet ir žemės paviršiaus aukščio pokyčius. Pokyčiai Santa Klaros slėnio šiaurinės dalies žemės Požemio vandens lygio nuosmukis (pėdomis) paviršiuje – prie ilgalaikės San-Francisko vandenvietės prie Čikagos ir Milvokio nuo 1864 m. iki 1980 m. (USGS, 2005). (USGS, 2003). Kartais tokios problemos išryškėja net gausiomis požeminio vandens atsargomis pasižyminčiuose regionuose. Modelinis požeminio vandens lygio pažemėjimas viršutinės kreidos vandeningajame sluoksnyje Pagėgių – Sovetsko – Nemano vandenviečių apylinkėse.  Požemio vandens naudojimas veikia ir jo kokybę. Ypač gilių vandens sluoksnių kokybė gali būti pažeista tik dėl tiesioginio žmogaus kišimosi: a) Dirbant giliose šachtose; b) Keičiant siurblių įrengimo vietas bei koreguojant jų įtvirtinimą vandenvietėse.  Esminės priežastys, galinčios dirbtinai pakeisti viršutinių požemio vandens sluoksnių kokybę šiuo metu: 1)žemės ūkio veikla (tręšimas šalia upių, ežerų, pelkių ir daubų per kurias vėliau vandeniu maitinami požeminiai sluoksniai bei gyvulininkystės, paukštininkystės nevalytų atliekų išleidimas į paviršinio vandens telkinius); 2)komunalinės ir pramonės nuotėkos (išleidžiamos į paviršiaus vandens telkinius). Globalių vandens problemų žemėlapis, kompleksiškai įvertinantis vandens pasiekiamumą, išteklių sezoninę kaitą, potvynių, poplūdžių ir sausrų rizikos lygį, teritorijos aprūpinimo požeminiu vandeniu galimybes, paviršinio vandens užterštumą ir pan. (World Resources Institute) http://www.wri.org/applications/maps/aqueduct-atlas/#x=65.13&y=38.35&s=ws!20!28!c&t=waterrisk&w=def&g=0&i=BWS-16!WSV- 4!SV-2!HFO-4!DRO-4!STOR-8!GW-8!WRI-4!ECOS-2!MC-4!WCG-8!ECOV-2!&tr=ind-1!prj-1&l=3&b=terrain&m=group http://www.wri.org/our-work/project/aqueduct Lietuva – viena iš nedaugelio Europos šalių, sugebančių centralizuotą vandens tiekimo sistemą pilnai aprūpinti tik požeminiu vandeniu! Lietuvos požeminio vandens ištekliai ir jų suvartojimas vandenvietėse 1945–2019 m. (pagal Lietuvos geologijos tarnybos ir Statistikos departamento duomenis)  Virš 20 % Lietuvos gyventojų naudoja kastinių šulinių vandenį. Daugiau nei 65 % Lietuvos kastinių šulinių vanduo užterštas didesniais nei leistina nitratų Kastiniai kiekiais. šuliniai 22% Centralizuota sistema 78%