prolog hidrogeologiegenerala

8/4/2019 PROLOG HidrogeologieGenerala

http://slidepdf.com/reader/full/prolog-hidrogeologiegenerala 1/19

Daniel Scr ădeanu PROLOG la … HIDROGEOLOGIA GENERALA

Nimeni nu-şi va aduce aminte de tine pentru gândurile tale secrete.

Cere-i Domnului t ăria şi înţ elepciunea pentru a le exprima.

Gabriel Garcia Marquez

PROLOG

De la pic ătura de apă “dincer “ şi până la cea de la robinet (Fig. PRO.1) este un drum lung şicomplicat care trece de cele maimulte ori prin structurile adânci alePământului. Dăruită cu energie dela Soare apa coboar ă în adâncuripentru a se purifica.

Vă propun, în acest prolog ,un traseu Darcy cu XII niveluri deiniţiere. Acest traseu Darcy

traversează lumea apelor subterane, univers complex alecărui secrete sunt descifrate deştiinţa apelor subterane numită Hidrogeologie.

Pe fiecare din cele XII niveluri de ini ţ iere hidrogeologic ă sunt definite noţiuni elementare iar fiecare nivel de initiere este o etapă a metodologiei de realizare a modelului conceptual al hidrostructurilor .

?

Fig.PRO.1. De la pic ătura „dincer” ână la cea de la robinet

Modelul conceptual al hidrostructurilor reprezintă spaţ iul în care curgapele subterane, curgere determinat

ăde caracteristicile hidrofizice

şi de distribu

ţia

energiilor pe frontierele şi în interiorul acestui spaţ iu. Realizarea modeluluiconceptual al hidrostructurilor este obiectivul Hidrogeologiei generale, iar reprezentativitatea acestui model conceptual condiţionează evaluarea corectă acurgerii apelor subterane.

Hidrogeologia: ştiinţă a naturii

Ş tiinţ ele naturii s-au născut din gândirea neliniştită, în permanentă pendulare între observaţ ie şi ipotez ă, gândire care încearcă să explice totul, cuscopul final de a putea totul.

Gândirea ştiinţ ific ă, în totalitatea ei, caută puterea, puterea în raport cunatura. Ca sistem, gândirea ştiinţifică, datorită existenţei numeroaselor grupuri deştiinţe dedicate diverselor probleme, este lipsită de unitate fiind dominată de tendinţade parcelare. Gândirea ştiinţ ific ă are trei func ţ ii prin care î şi atinge obiectivele:

• funcţia descriptiv ă: CE ANUME SE ÎNTÂMPL Ă? • funcţia explicativ ă: CUM ANUME SE ÎNTÂMPL Ă? • funcţia restructurant ă: S-AR PUTEA ÎNTÂMPLA Ş I ALTFEL?!

Funcţia primordială este descrierea, descrierea cât mai exactă, cât maiamănunţită, şi totuşi nu prea amănunţ it ă pentru a reţine esenţialul şi a estompadetaliile perturbatoare. Funcţia centrală a ştiinţei este explicarea iar produsulautentic este contribuţia ei restructurant ă.

Hidrogeologia este una din ştiinţ ele naturii şi ea este dedicată problematicii

complexe a apelor subterane: originea şi formarea, formele de zăcământ, legile decurgere, regimul şi resursele apelor subterane, interacţiunea cu rocile, calitatea şi

i/xix




condiţiile care determină folosirea în diferite scopuri, regularizarea sau eliminarea dinterenurile acvifere.

Apartenenţa Hidrogeologiei la ciclul ştiinţ elor geologice se datorează faptului că apa subterană este un corp geologic având o dinamică naturală, cuvariaţii cantitative şi calitative în timp şi spaţiu. Acumulările de ape subterane suntcorpuri geologice complexe care se deosebesc de minerale şi roci prin procesedinamice şi continui de dezvoltare, situaţie care provoacă dificultăţi în stabilirealimitelor convenţionale de clasificare.

Hidrogeologii încearcă pe baza unei descrieri complete să-şi explice totce se întâmplă cu apa subterană şi î şi doresc să poat ă dispune de toate resurseleacesteia în împrejur ări de o diversitate nelimitată (diversitate ce poate fi generată prinsimulare).

Corespunzător celor trei func ţ ii ale gândirii ştiinţifice Hidrogeologia esteseparată în trei subdiviziuni importante:

• Hidrogeologia general ă; • Dinamica apelor subterane; • Hidrogeologia aplicat ă.

Hidrogeologia general ă este dedicată în totalitate funcţiei descriptive aHidrogeologiei şi are ca obiectiv curgerea apei subterane. Descrierea seconcentrează asupra a patru categorii de informaţii:• factorii naturali ai alimentării şi regimului apelor subterane (cap. 1);• originea apelor subterane (cap. 2 );• caracteristicile hidrofizice ale terenurilor (cap. 3);• caracteristicile generale ale hidrostructurilor (cap. 4).

Descrierea ambianţei în care curge apa subterană se finalizează prinschematizarea hidrostructurilor (cap. 5 ) într-un model conceptual cu trei componente distincte:• spaţ iul în care se produce curgerea apelor subterane (denumit acvifer sau

hidrostructur ă în funcţie de complexitatea acestuia);• distribuţ ia spaţ io-temporal ă a caracteristicilor hidrofizice în spaţiul unde

curge apa subterană (caracteristici hidrofizice reprezentate de porozitate,umiditate, conductivitate hidraulic ă, difuzivitate hidraulic ă etc.);

• distribuţ ia spaţ io-temporal ă a energiei apelor subterane în spaţiul de curgereşi mai ales pe frontierele acestuia (numite condi ţ ii hidrodinamice ini ţ iale şicondi ţ ii de margine sau pe frontiere).

Dinamica apelor subterane îndeplineşte funcţia explicativ ă aHidrogeologiei şi se ocupă cu modelarea matematic ă a curgerii apelor subterane în ambianţa modelului conceptual, rezultat al exercitării complete a funcţieidescriptive a Hidrogeologiei generale.

Dinamica apelor subterane, fundamentează modele matematice pe legile

înmagazinării şi mişcării apei subterane (ale Hidraulicii subterane) din care se deducprincipalele ecuaţii, soluţii şi scheme de calcul.Modelele matematice ale curgerii apelor subterane şi fluidelor asociate sunt

ecuaţii diferenţiale care “explic ă” distribuţia energiei de care dispune apa în funcţiede variabilele independente x,y,z şi t (x,y,z - coordonate spaţiale într-un sistem dereferinţă tridimensional şi ortogonal, t - timp). Modelele matematice sunt diferenţiate în funcţie de:• variabilitatea în spaţiu şi timp a caracteristicilor hidrofizice ale terenurilor prin

care se deplasează apa subterană (modele omogene sau neomogene, modeleizotrope sau anizotrope);

• valorile debitelor care traversează limitele spaţiului în care se deplasează apelesubterane (modele conservative sau neconservative);

• variabilitatea în timp a energiei pe frontierele şi în interiorul spaţiului în care sedeplasează apele subterane (modele staţionare sau nestaţionare).

ii/xix




Gradul de precizie al rezultatelor modelelor matematice elaborate pentruevaluarea cantitativă a curgerii apelor subterane depinde în mare măsur ă de eroareade analogie introdusă de schematizarea condiţiilor naturale de curgere (spaţiul,distribuţia spaţio-temporală a caracteristicilor hidrofizice şi a energiilor în spaţiul decurgere şi mai ales pe frontierele acestuia).

Hidrogeologia general ă şi Dinamica apelor subterane constituie împreună Hidrogeologia teoretic ă.

Hidrogeologia aplicat ă are ca preocupare principală dezvoltarea funcţieirestructurante a Hidrogeologiei. Funcţia restructurant ă poate realiza simularea unor altfel de fenomene decât cele observate direct şi poate r ăspunde în modconcret la întrebarea:

S-AR PUTEA ÎNTÂMPLA Ş I ALTFEL ?

Funcţia restructurant ă se bazează pe modelele matematice ale curgeriiapelor subterane cu care se realizează proiectarea lucr ărilor necesare pentru

utilizarea apelor subterane în diferite scopuri sau combaterea acţiunii acesteiaasupra lucr ărilor inginereşti (ex.: monitorizarea dinamicii şi calităţii apelor subterane,testarea hidrodinamică a acviferelor, captarea apelor subterane şi stabilirea zonelor de protecţie hidrogeologică pentru sursele de apă subterană, asecarea,detensionarea sau drenarea acviferelor, refacerea rezervei acviferelor, remediereaacviferelor poluate).

Marea diversitate a problemelor în care apa subterană este implicată precumşi particularităţile problemelor abordate au f ăcut ca ramurile Hidrogeologiei aplicatesă capete o dezvoltare din ce în ce mai mare, unele dintre ele putând fi consideratediscipline ştiinţifice de sine stătătoare. Făr ă a face o enumerare exhaustivă, amintim:captări pentru alimentarea cu apă, hidrogeologie minier ă, hidrogeologie petrolifer ă,hidrogeologie inginerească, (se ocupă cu studiul şi îmbunătăţirea condiţiilor

hidrogeologice pe amplasamentul construcţiilor civile, industriale şi hidrotehnice),hidrogeologie hidroameliorativă (are ca obiect îmbunătăţirea condiţiilor hidrogeologice pe terenurile agricole în scopul creşterii fertilităţii solului),hidrogeologie balnear ă, hidrogeologia de prospecţiune, poluarea apelor subteraneetc.

Rezolvarea acestor probleme nu face decât să genereze altele şi maicomplexe. Avantajul rezolvării corecte a unei probleme de Hidrogeologie aplicat ă este că un adev ăr o dată stabilit, acest adevăr nici nu tinde spre imuabilitate, nici nuse transformă într-un neadevăr, ci î şi precizează limitele, condiţiile şi expresia înconcordanţă cu complexitatea şi particularităţile situaţiilor particulare studiate.

Dacă Hidrogeologia ca ştiinţă a naturii s-a născut din nelini şte, astăzi eagenerează nelini şte întrebându-se din ce în ce mai frecvent dacă:

• Apa subterană este o resursă regenerabilă?• Este suficientă apă pentru necesităţile în creştere ale oamenilor?• Degradarea calităţii apei este un pericol care ameninţă viaţa pe Pământ?• Ce trebuie f ăcut pentru a asigura apa necesar ă unei dezvoltări durabile pe

planeta noastr ă?

***

Pentru a putea r ăspunde provocărilor actuale ale Hidrogeologiei să parcurgem cele XII niveluri ale traseului apei „din cer” până în adâncurilePământului!

iii/xix




I. Cât ă apă subterană este?

O estimare avolumelor de apă din

Hidrosfer ă relevă faptul că apei sărate îi revine opropor ţie de 97,3%(Fig.PRO.2 ) din volumul totalde apă al acesteia. Numai omică parte din resursele deapă ale Pământului estedisponibilă pentru necesităţileoamenilor.

Oceanul planetar1362,2x106 km3

(97,3%)

Apa dulce: 37,8x106 km3 (2,7%)

Apa dulce din gheţari,lacuri, mlaştini şi dinatmosfer ă nu este utilizată în

mod curent pentru necesităţileindustriale şi potabile.Volumul de ape

subterane dulci de 8,467milioane km3 corespundeacviferelor situate până lacirca 200 m adâncime, dar apele subterane dulci se potgăsi şi la adâncimi mai mari. Până la 2000 m adâncime, acviferele au o capacitate de24 milioane km3, iar până la 5000 m adâncime, capacitatea totală se estimează la60 milioane km3 de apă subterană (Castany, G.,1980). Ultimele date UNESCO arată că numai 0,63 % din volumul total de apă al Pământului este la dispoziţia omului

(ape dulci în stare lichidă).

Râuri (0,01%)Ape subterane (22,4%)

Gheţari (77,2%) Vapori înatmosfer ă 0,04%

Lacuri,mla tini 0,35%

Fig. PRO.2. Volumele de apă ale Hidrosferei

Un volum de apă de circa560x103 km3 (0,04 % din volumultotal de apă aflat pe planeta noastr ă)participă anual la un circuit denumitciclu hidrologic global , asigurândpermanenţa apei şi deci a vieţii pePământ (§1.1.).

Vapori deapă

Apă subterană

Hidrogeologia

Meteorologia

Hidrologia

Circulaţia apei, atât lasuprafaţă cât şi în subteran estesusţinută de energia furnizată înprincipal de radiaţ iile solare (§1.2.).Energia termic ă provenită de laSoare transformă apa de la nivelulOceanului Planetar (nivel cu energiepotenţială nulă) în vapori şi o ridică înatmosfer ă (niveluri cu energiepotenţială pozitivă).

Din atmosfer ă până înadâncurile structurilor geologice unde se purifică şi devine apă subterană este un drum lung şi plin

de aventuri meteorologice, hidrologice şi hidrogeologice (Fig.PRO. 3).

Fig. PRO.3. Din cer până înadâncurile structurilor geologice, apaeste studiat ă de meteorolog, hidrolog

şi hidrogeolog.

iv/xix




II. Care este sursa apelor subterane?

Principala sursă a apelor subterane sunt precipitaţiile generate de vaporii deapă din atmosfer ă. O parte din precipitaţii se transformă în apă subterană, apasubterană având şi surse endogene.

Precipitaţ iile, în funcţie de procesele la care participă (§1.3., §1.4.), suntreţinute sub formă de umiditate în atmosfer ă sau în zona de aerare/vadoasă aacviferelor (§1.5.). Umiditatea contribuie la alimentarea acviferelor prin condensare şiinfiltrare.

În condiţii hidrogeologice favorabile formării acviferelor (adică formaţiuniacoperitoare nisipoase-argiloase), 15 % până la 20 % din precipitaţii se transformă înapă subterană. Pentru valorile extreme ale precipitaţiilor din România rezultă că:

• la o precipitaţie minimă de 360 mm/an infiltrarea este de 72 mm/an;• la o precipitaţie maximă de 1200 mm/an, infiltrarea este de 240 mm/an.Raportul de 3,3 dintre valorile extreme ale infiltraţiei evidenţiază, la scara unei

compensări anuale, în condiţii hidrogeologice favorabile, alimentarea semnificativ ă prin infiltrare a apelor subterane din România, dar şi o variaţie importantă a

acestui proces, în funcţie de repartiţia precipitaţiilor (§1.6.).

Scurgere subterană

Scurgere

hipodermică

Refacerea umidităţiiprin infiltrare

Precipitaţii Scurgere desuprafaţă

Fig. PRO.4. Sursa principal ă a apelor subterane sunt precipitaţ iile generate devaporii de apă din atmosfer ă

Din momentul contactului precipitaţiilor cu suprafaţa terenului începe odistribuire continuă a acestora între scurgerea de suprafaţă, scurgereahipodermic ă, refacerea umidit ăţ ii şi scurgerea subterană (§1.7.). Scurgereahipodermică, cea subterană şi refacerea umidităţii din zona de aerare/vadoasă prininfiltrare constituie infiltrarea total ă, adică acea parte din precipitaţ ii care setransformă în apă subterană (Fig. PRO. 4 ).

v/xix




vii/xix

IV. Ce relaţ ii sunt între apele de suprafaţă şi cele subterane?

Relaţiile între apele subterane şi cele de suprafaţă sunt permanente şi au odinamică activă mai ales pentru acviferele de mică adâncime.

Efectul relaţiei hidrodinamice între apele subterane şi cele de suprafaţă seresimte vizibil în:

• variabilitatea debitelor reţelei hidrografice;• calitatea apelor subterane.

Râurile alimentate din subteran au un caracter permanent şi o variabilitateredusă a debitului, în timp ce râurile f ăr ă alimentare din subteran au o variabilitatemare a debitului şi un caracter sezonier (§1.11.).

NivelhidrostaticH

Nivel râu

t

Evaluarea cantitativă a contribuţiei acviferelor la alimentarea cursurilor de apă se face cu ajutorul hidrografului debitelor scurgerii totale. Metodologia deseparare a scurgerii subterane din

scurgerea total ă se bazează pe relaţia între evoluţia nivelului apei în râu şi anivelului apei în acviferul care îlalimentează. Cu cât cota nivelului apei înacvifer este mai mare în raport cu cotanivelului apei în râu, alimentarea râuluidin acvifer este mai importantă (Fig.PRO.6 ).

Q

Pentru evaluarea contribuţieiacviferelor la alimentarea cursurilor deapă se utilizează şi diferenţa dintrecalitatea apelor de suprafaţă şi

calitatea apelor subterane (metodahidrochimică). Vulnerabilitatea la poluarea apelor de suprafaţă fiind mai maredecât a apelor subterane, de cele maimulte ori comunicarea acviferelor cuapele de suprafaţă este în detrimentulcalităţii apelor subterane.

1

0t

Fig.PRO.6. Separarea scurgerii subterane pe hidrograful unui râu

limentat de un acvifer freatic f ăr ă leg ătur ă hidraulic ă cu râul.

• 1-variaţ ia debitului scurgerii totale;

• 2 -variaţ ia debitului scurgerii subterane

aBilanţ ul hidrogeologic alhidrostructurilor sau al unui acvifer,având o structur ă complexă şi unnecesar eterogen de informaţii, esterecomandat să fie precedat decunoaşterea bilanţ ului global al bazinului de recepţ ie în care estecuprinsă hidrostructura sau acviferul

aflate în legătur ă hidrodinamică cu apele de suprafaţă.

Efectele cantitative şi calitativeale relaţiilor hidrodinamice între apele desuprafaţă şi cele subterane exprimateprin diver şi parametri (§1.12.) permit oprimă evaluare a extinderii şi potenţialuluihidrostructurilor, validată pe bazabilanţ ului mediu anual al bazinului derecepţ ie (§1.13.).

2




VI. Apă subterană este până la Moho!

Sub diversele ei forme, de la starea de vapori până la starea supracritic ă (§2.2.1.) apa este prezentă până la baza scoar ţei terestre (Fig. PRO.8 ).

Fig.PRO.8 . Zonalitatea vertical ă a hidrosferei subterane (după Obsciaiaghidogheologhia, 1980): 1-zona de îngheţ ; 2-zona de saturaţ ie; 3-zona cu apă înstare supracritic ă; 4-mantaua superioar ă; 5-limita dintre pătura sedimentar ă si

cea granitic ă; 6-suprafaţ a Conrad (limita dintre pătur ă granitic ă şi cea bazaltic ă );7-suprafaţ a Mohorovicic.

Distribuţia apelor subterane în scoar ţa terestr ă se face prin trei tipuri de formegeologice de mişcare (§2.2.4.):

• mi şcarea meteogenă a apei subterane este localizată în parteasuperioar ă a scoar ţei terestre (adâncimi de 0,5-1,0 km, mai rar 3 km,iar în condiţii favorabile se dezvoltă până la 5 km);

• mi şcarea litogenă a apei subterane se produce în cadrul proceselor de diageneză a complexelor sedimentare, la adâncimi mai mari de 1-3km;

• mi şcarea magmatogenă a apei subterane este caracteristică pentrudomeniile de mare adâncime, acolo unde se formează sistemehidrominerale.

În cadrul marilor bazine hidrogeologice, ca rezultat al mişcării apei se potsepara, de sus în jos, trei zone hidrogeodinamice (§2.2.5.):

• Zona schimbului activ este cea care drenează reţeaua hidrografică şi se găseşte sub influenţa factorilor climatici sezonieri. Ea se dezvoltă până la baza local ă de eroziune, apele sunt dulci, cu o mineralizaţietotală sub 1 gram/litru iar durata schimbului de apă este de ordinullunilor şi a anilor , ajungându-se la adâncimi mai mari şi la sute deani.

• Zona schimbului lent de ape este slab influenţată de reţeaua

hidrografică iar factorii climatici se manifestă numai prin ciclurile devariaţie de lungă durată. Această zonă se dezvoltă sub baza locală deeroziune, mineralizaţia apelor este cuprinsă între 1 gram/litru şi 35 grame/litru (deci apele sunt sărate), iar durata schimbului de apă ajunge la mii sau chiar zeci de mii de ani.

• Zona schimbului pasiv de ape, cu regim practic stagnant, prezintă mineralizaţii mai mari de 35 grame/litru (saramuri) şi durate aleschimbului de apă de ordinul milioanelor de ani .

Distribuţia apelor subterane la scara scoar ţei terestre şi zonarea lor hidrogeodinamică, validate şi pe baza originii şi vârstei lor izotopice (§2.3.), suntcriterii generale care stau la baza proiectării prospecţiunilor pentru ape subterane.

ix/xix




VII. Apa subterană este un corp dinamic

Ajunsă în subteran apa ocupă spaţiul pus la dispoziţie de formaţiunilegeologice şi î şi consumă energia de care dispune deplasându-se pe traseeleaccesibile.

Cât spaţiu poate să ocupe chiriaşul şi cât de dinamic poate fi, depinde degazd ă, adică matricea minerală a terenurilor (terenuri reprezentate prin: sol,sedimente şi roci). Caracteristicile matricei minerale pot fi exprimate cantitativ prindoi parametri sintetici:

• Porozitatea care precizează spaţ iul total pe care îl poate ocupaapa subterană într-un anumit volum de teren permeabil;

• Permeabilitatea care cuantifică dimensiunea golurilor prin carese poate deplasa apa subterană .

Porozitatea total ă a unui teren este definită de propor ţia de goluri, de formeşi dimensiuni diferite (Fig.PRO.9) pe care le conţine într-un anumit volum. Ea

determină capacitateacolectoare (de stocare)

a terenului, esteexprimată în procente şiare valori de la 1%(calcare, granite,bazalte) la 87% (piatra ponce; §3.1.2.1). Oparte din goluri suntizolate, reţin apa şiconstituie porozitateade retenţ ie, restulgolurilor, care permitcirculaţia liber ă a apei,

definesc porozitateaactiv ă. Mai riguros, porozitatea activ ă esteexprimată prin raportul

dintre volumul de apă liber ă pe care un teren saturat îl eliberează sub efectul unuidrenaj complet (drenare liber ă, gravitaţională, a apei din golurile aflate încomunicare) şi volumul său total. Domeniul de variaţie al porozităţii active este mairestrâns în raport cu cel al porozităţii totale: de la 0,1 % (pentru granite fisurate) până la 25 % (pentru nisipuri şi pietrişuri; §3.1.2.3.).

Granulă minerală

Goluri izolate în care apaeste reţinută

Goluri izolate în care apaeste reţinută

Fig.PRO.9. Matrice mineral ă granular ă cu porozitateactiv ă de 25% (pietri şuri şi nisipuri).

Deplasarea apei subterane depinde nu numai de propor ţia golurilor încomunicare hidraulică ci şi de forma şi dimensiunea acestor goluri.Permeabilitatea este caracteristica intrinsecă a matricei minerale dependentă deforma şi dimensiunea golurilor prin care se pot deplasa fluidele şi se cuantifică prinintermediul coeficientului de permeabilitate (K p).

Valoarea coeficientului de permeabilitate pentru terenurile granulare estepropor ţională cu pătratul diametrului mediu al granulelor din care este constituit,valorile extreme fiind cuprinse între 0,001 darcy (pentru argilă, silt) şi 1000 darcy(pentru pietriş bine sortat; §3.1.3; 1 darcy = 9,87x10-9 cm2).

x/xix




VIII. Relaţ iile apei subterane cu matricea mineral ă

Relaţiile apei subterane cu matricea minerală sunt controlate decaracteristicile fizice ale apei (§3.2.), de gradul de saturaţ ie cu apă al matriceiminerale (§3.3.1.) şi de starea de tensiune de la contactul apă-matrice minerală

(§3.3.2.). Din aceste relaţii rezultă r ăspunsul la următoarele întrebări:• Cât spaţ iu are la dispoziţie apa subterană (evaluat princapacitatea de înmagazinare; §3.3.4.)?

• Cât de repede se poate deplasa apa subterană (estimarerealizată prin conductivitatea hidraulic ă; §3.3.5 )?

• Cât de elastice sunt relaţiile între apa subterană şimatricea minerală (sintetizate prin difuzivitateahidraulic ă; §3.3.6 )?La înmagazinarea apei în acvifere cu nivel liber

( ; Fig.PRO.10 ) porozitatea este practic invariabilă înraport cu presiunea apei astfel încât coeficientul deînmagazinare este identic cu porozitatea. În cazul înmagazinării

apei în acvifere sub presiune (h ), variaţia greutăţiispecifice, a porozităţii şi grosimii acviferului, datorate variaţieipresiunii nu pot fi neglijate iar valorile coeficientului specific deînmagazinare sunt mai mici decât porozitatea având valori

cuprinse în intervalul 10 (corespunzător unei variaţiiunitare a presiunii!!).

M h <

M

−÷

≥

3510

− 1−m

N r

M

h

Fig.PRO.10. Capacitatea deînmagazinare

Gr

Deplasarea apei subterane în terenurile nesaturate se face cu atât mai uşor cu cât gradul de saturaţie este mai mare (§3.3.3.). După saturare, deplasarea apei

subterane este favorizată de creştereadimensiunii golurilor, reducereavâscozităţii şi creşterea greutăţii

specifice (§3.3.4.). Conductivitateahidraulic ă este parametrul caresintetizează caracteristicile deplasăriiapei subterane prin intermediul valoriivitezei de deplasare a apei încondi ţ ii hidrodinamice standard (§3.3.5.; Fig.PRO.11). Domeniul devariaţie a conductivităţii hidraulice estefoarte mare: de la mai mult de 1000

m/zi pentru bolovănişuri şi pietrişuri la mai puţin de 0,001 m/zi pentru argile şi marne.Vitezele reale cu care se deplasează apa subterană sunt mult mai mici decât valorileconductivităţii hidraulice deoarece, în acvifere, gradienţii hidraulici sunt sub 1%.

L

K Q

Q

LFig.PRO.11. Experimentul lui Darcy

Propagarea perturbării echilibrelor hidrodinamice în acvifere este condiţionată de caracteristicile elastice ale apei şimatricei minerale. Ritmul de propagare alacestor perturbaţii este evaluat prinintermediul coeficientului de difuzivitatehidraulic ă a cărui valoare reprezintă suprafaţa baleiată de unda de perturbare în unitatea de timp. Forma frontului deperturbare poate fi circular ă dacă acviferuleste izotrop sau eliptică dacă acviferul esteanizotrop (Fig.PRO.12 ). Valorile maxime ale acestor suprafeţe ating 106 m2/zi pentru

nisipuri fine.

Fig.PRO.12. Difuzivitateahidraulic ă într-un mediu anizotrop

xi/xix




IX. Relaţ iile apei subterane cu fluidele miscibile

Apa subterană nu tolerează mult timp alţi „chiriaşi” în acvifere!Substanţele care prin dizolvare se asociază intim cu apa subterană

(solide/fluide/gazoase) sunt supuse unui proces complex care are ca rezultat final

eliminarea lor şi purificarea apei. Procesul, numit autoepurare, este perfid şinemilos chiar dacă în unele cazuri durează aşa de mult că este necesar ă intervenţiaantropică pentru ameliorarea calităţii apelor subterane.

La primul contact, noul chiriaş este primit cu braţele deschise, înglobat înmasa apei subterane prin difuzie şi antrenat în mişcare prin advec ţ ie. Autoepurarease face prin sorbţ ie, dezintegrare radioactiv ă, precipitare chimic ă, degradarebiologic ă etc.

Procesele de difuzie molecular ă şi de advec ţ ie care nu pot fi separate suntevaluate cu ajutorul coeficientului de dispersie hidrodinamic ă, similar cudifuzivitatea hidraulică (Fig.PRO.11).

0 / C C

1,0

0,5

0t

Direcţia de curgere aapelor subterane

1t

2t

00,0

1 x

2 x

Fig.PRO.11. Schematizarea transferului unui fluid solubil prin dispersie şi advec ţ ie

x0 a

Lσ

Coeficientul de dispersie hidrodinamic ă exprimă suprafaţ a pe care se“împr ăştie” fluidul dizolvat în unitatea de timp sub efectul difuziei şi dispersiei . Raportul dintre masa dizolvată transportată prin advec ţ ie şi cea transportată prindifuzie este în funcţie de caracteristicile matricei minerale, viteza de curgere a apeişi gradientul de concentraţie.

Substanţele dizolvate în apă sunt fixate fizic prin sorbţ ie de granuleleminerale ale terenurilor în care sunt acumulateacviferele, fixate chimic de carbonul organic din apă,

precipitate în reacţie cu diver şi compuşi din apă,degradate biotic sau abiotic.Ca efect al proceselor de fixare (sorbţ ie),

unele substanţe (contaminanţi) se deplasează mai încet (retardare) decât apa care-i transportă.

Întârzierea depinde de caracteristicileprocesului de sorbţie care pe baze experimentale semodelează sub forma izotermelor de sorbţie(Fig.PRO.12 ) în care se sintetizează corelaţia întreconcentraţia fluidului dizolvat în apă (C ) şi cantitateafixată prin sorbţie pe substratul solid (C* ).

C

*C

Fig.PRO.12. Izotermă Langmuir:

xii/xix




X. Relaţ iile apei subterane cu fluidele imiscibile

Când în acvifer sunt prezente fluide imiscibile, mai uşoare sau mai grele decât apa subterană, apar

probleme de intoleranţă grave. Priorităţile pentruocuparea spaţiului disponibilşi deplasările fluidelor suntreglate de caracteristicilefluidelor şi ale matriceiminerale.

Pentru descriereadeplasării fiecărui fluid seutilizează parametrul permeabilitate relativ ă.Permeabilitatea relativă este

condiţionată de gradul desaturaţ ie a formaţiunii cu fluidprecum şi de unghiul decontact dintre fluid şi fazasolidă:• dacă un fluid ocupă o

fracţiune mai mic ă dinspaţiul poros disponibil şiud ă matricea minerală seva deplasa mai greu ;

Acvifer

Direcţia de curgere

Fig.PRO.13. Acumularea fluidelor imiscibile mai u şoare decât apa ( fu ).

Cucuş impermeabi

Zona capilar ă

Zona vadoasă

Deversare fluid

Fluid rezidual

Fluid dizolvat

Fluid mobil

• dacă fluidul ocupă ofracţiune mai mare din

spaţiul poros disponibilşi nu ud ă matriceaminerală se va deplasamai uşor .

Fluidele imiscibileşi mai uşoare decât apa (fu: gazolina, motorina etc.),migrează vertical în zonavadoasă şi dacă există ocantitate suficientă care să asigure depăşireasaturaţ iei reziduale (§3.4.2.1), fluidele imiscibilese acumuleaz ă la parteasuperioar ă a zonei capilare(Fig.PRO.13).

Fluidele imiscibileşi mai grele decât apa (fg :tricloroetilena, penta-clorofenol), traversează zona vadoasă, nesaturată cu apă, zona capilar ă, saturată cu apă, zona saturat ă (acviferul) şi dacă fluidul este în cantitate suficientă ajunge pe culcuşul

impermeabil al acviferului unde se poate acumula în zonele depresionare sau sedeplasează în funcţie de morfologia acestuia şi de dinamica acviferului (§3.4.2.2 ).

NP

Zona cu fg dizolvat în apă

Curgereaapei

subterane

Zona cu fg vapori

Zona c

Zonasaturată

ufg

Curgerea fg mobil

fg mobil

Culcuş impermeabil

Deversare

Zonanesaturată

Fig.PRO.14. Distribu ţ ia fluidului imiscibil mai greu decât apa ( fg ) în zona vadoasă şi în acvifer.

xiii/xix




XI. Hidrostructura şi acviferul Hidrostructura este spaţiul geologic în care se produce curgerea apelor

subterane, fiind constituită dintr-un ansamblu finit de terenuri diferenţiate după caracteristicile lor geologice (vârstă, litologie, structur ă etc.) şi comportamentul lor înraport cu apa (permeabile, impermeabile), conectate printr-o legătur ă hidraulică

permanentă. Acviferul este componenta elementar ă a hidrostructurilor , fiind situat peprima treaptă într-o scar ă a complexităţii hidrogeologice care mai cuprindecomplexul acvifer , suita acvifer ă şi bazinul acvifer (§4.1). Acviferul este parteasaturat ă cu apă a unei formaţiuni permeabile suficient de conductoare pentru apermite curgerea semnificativ ă a unui curent acvifer şi captarea profitabil ă a apeisubterane. De la acviferele cu nivel liber cu drenaj activ, capacitate mare destocare şi vulnerabile la poluare, la cele sub presiune, cu dinamică mai lentă şiprotejate la poluare (Fig.PRO.15 ), acviferele sunt sediul unor procese dinamice

complexe.

Acvifer cu nivel

liber Acvifer

ascensionalAcvifer

ascensional

Acvifer artezianAcvifer cu nivel

liber

Profil

piezometric

Profiltopografic

Izvor

Zonă dealimentare

Zonă de

descărcare

Fig.PRO.15. Structur ă acvifer ă sinclinal ă

Diferenţiate după caracteristicile litologice ale terenurilor permeabile în carese dezvoltă există hidrostructuri în sedimente neconsolidate, în formaţ iuni sedimentare, în roci vulcanice şi în roci intruzive şi metamorfice.

Sedimentele neconsolidate (nisipuri grosiere, pietrişuri şi bolovănişuri) aucele mai mari conductivităţi hidraulice şi se plasează de cele mai multe ori în

vecinătatea surselor de alimentare a acviferelor (râuri şi lacuri). Plasate în zonaschimbului activ de ape, acvifere dezvoltate în sedimente neconsolidate au o marevulnerabilitate la poluare dar şi un potenţial de autoepurare considerabil (§4.2 ).

Acviferele din rocile sedimentare detritice au un potenţ ial acvifer mediu, ocontinuitate hidrodinamică semnificativă şi o variabilitate parametrică relativ redusă, în comparaţie cu cele din rocile sedimentare carbonatice. Plasate la adâncimi maimari decât acviferele din sedimente neconsolidate, aceste acvifere sunt mai puţinvulnerabile la poluare fiind de cele mai multe ori captive sau sub presiune (§4.3).Rocile vulcanice (tufuri, cenuşi, curgeri de lave, bazalte) cu o foarte mare porozitateprimar ă şi o permeabilitate redusă datorită izolării golurilor pot acumula acvifere cupotenţial mare în condiţii speciale (§4.4). Rocile intruzive şi metamorfice au o porozitate primar ă foarte mică în raport cu cele sedimentare, prezenţa acviferelor în

aceste roci fiind condiţionată de existenţa fracturilor, faliilor sau zonelor de alterarecare determină apariţia porozit ăţ ii secundare (§4.5 ).

xiv/xix




XII. Schematizarea hidrostructurilor

Schematizarea hidrostructurilor este o operaţiune de simplificare acomplexităţii structurii spaţiale, a distribuţiei caracteristicilor hidrofizice şi a energieicare determină curgerea apelor subterane. Rezultatul schematiz ării este un model

conceptual al hidrostructurii care se obţine în trei etape de prelucrare:• Schematizarea spaţ ial ă pentru precizarea geometriei spaţ iului încare are loc curgerea apelor subterane;

• Schematizarea parametric ă pentru evaluarea distribuţ iei spaţ iale acaracteristicilor hidrofizice ce descriu proprietăţile acvifere aleterenurilor (porozitatea, conductivitatea hidraulică, transmisivitatea,difuzivitatea hidraulică etc.);

• Schematizarea hidrodinamic ă pentru precizarea condiţiilor hidrodinamice (energetice) pe frontierele sistemului acvifer şi acondi ţ iilor hidrodinamice ini ţ iale în interiorul acestuia.

Modelul conceptual al hidrostructurii defineşte în detaliu condiţiile pentrucare se elaborează modelul matematic al curgerii apelor subterane.

Corectitudinea evaluării cantitative a curgerii apelor subterane se bazează pereprezentarea fidelă în model a hidrostructurii reale.

Asigurarea reprezentativit ăţ ii modelelor este o operaţiune delicată carenecesită o integrare completă şi corectă a tuturor informaţiilor disponibile şi ocunoaştere profundă a metodelor de prelucrare a datelor.

Dificil de obţ inut , reprezentativitatea modelelor este uşor de verificat pebaza diferenţei dintre caracteristicile curgerii apelor subterane calculate cu ajutorulmodelului (ex.: sarcina piezometrică calculată: Hcalculat) şi cele măsurate în

hidrostructurile reale (ex.: sarcina piezometrică măsurată: Hmăsurat; Fig.PRO.18 ). Cucât diferenţa (Hmăsurat –Hcalculat) este mai mică, cu atât mai bună estereprezentativitatea modelului hidrostructurii.

x

Fig.PRO.18 .Evaluarea reprezentativit ăţ ii modelelor hidrostructurilor

Hcalculat

Hmăsurat

H

Pentru maximizarea reprezentativităţii modelelor hidrostructurilor,schematizarea trebuie să fie o operaţiune iterativ ă realizată concomitent cumodelarea matematică a curgerii apelor subterane. În prima etapă a schematizării serealizează o ini ţ ializare hidrodinamic ă şi parametric ă a modelului hidrostructurii,schematizarea definitivându-se în etapa de calare a modelului matematic.

xv/xix




Schematizarea spaţ ial ă

Schematizarea spaţ iului în care are loc curgerea apelor subterane trebuiesă ţină seamă de: complexitatea structurii geologice, extinderea în spaţiu a zoneicercetate, modalitatea de soluţ ionare (analitică/numerică) a ecuaţiilor modeluluimatematic (§.5.1).

Gradul de simplificare a formei hidrostructurii depinde de flexibilitateametodelor de prelucrare utilizate de modelul matematic ales:

• modelele matematice simple cu soluţii analitice exacte impun osimplificare drastic ă a formei hidrostructurilor;

• modelele matematice complexe cu soluţii obţinute prin metode numericepermit o redare detaliat ă a formei reale a hidrostructurilor.Schematizarea spaţială se face cu ajutorul sec ţ iunilor geologice şi hăr ţ ilor

structurale şi este definitivată în concordanţă cu caracteristicile modelul matematicales pentru evaluarea curgerii apelor subterane (§5.1.3).

Forma reală a volumului în care are loc curgerea apelor subterane (Fig.PRO.19) se poate schematiza printr-o prismă dreptunghic ă pentru modelele matematicecu soluţii analitice (Fig.PRO. 19.a) sau printr-o reţea de prisme dreptunghice în cazulmodelelor matematice rezolvate numeric (elemente finite/diferenţe finite; Fig.PRO.19.b). Fidelitatea redării spaţiului în care are loc curgerea apelor subterane este

invers propor ţională cu dimensiunea prismei elementare utilizată pentruschematizare.

a bVolumul

realVolumul

real Volumulreal

Volumulschematizat

Fig.PRO.19. Schematizarea spaţ ial ă pentru modele matematice cu solu ţ ii analitice ( a ) şi pentru modele matematice cu solu ţ ii numerice ( b ).

Există numeroase metode şi instrumente care pot creşte fidelitatea redăriigeometriei hidrostructurilor complexe. Eficienţa schematizării spaţiale ahidrostructurilor este condiţionată de:

• precizia cu care este cunoscută forma structurii reale (erorile demăsurare a coordonatelor spaţiale);

• sensibilitatea (senzitivitatea) modelului matematic la morfologialimitelor acviferului (acoperiş, culcuş, limite în plan orizontal etc.).

xvi/xix




Schematizarea parametrică

Rezultatul schematizării parametrice este imaginea distribuţiei spaţiale aparametrilor studiaţi (porozitatea, conductivitatea hidraulică, coeficientul de înmagazinare etc.) în interiorul spaţiului definit prin schematizarea spaţială.

Distribuţia spaţială a parametrilor este reprezentată sub forma hăr ţ ilor şisec ţ iunilor realizate pe baza valorilor parametrilor determinate în diferite puncte din spaţiu (aflorimentele cartate, forajele de cercetare, probele recoltate, profilele derezistivitate, carotajele geofizice etc.).

Sunt posibile două variante de realizare a schematizării distribuţiei spaţiale aparametrilor hidrostructurilor (Fig.PRO.20; §5.2 ):• estimarea celei mai probabile distribuţii spaţiale, prin kriging , pe baza

minimizării varianţei erorilor de estimare;• simularea domeniului de variabilitate maximă, prin simulare condi ţ ional ă, pe

baza legilor de distribuţie a parametrilor.

Mai mult decât schematizarea formei acviferelor, metodele de schematizare adistribuţiei parametrilor acviferelor trebuie să ţină seamă de particularităţile modeluluimatematic ce va fi utilizat pentru evaluarea cantitativă a curgerii apelor subterane:

Valoaremăsurată

Valoareaparametrului

Direcţia de calcul

Profilul variabilităţii reale

Profilul variabilităţii estimate prin kriging

Profilul variabilităţii simulate condiţionatFig.PRO.20. Schematizarea variabilit ăţ ii reale a parametrilor prin

kriging şi simulare condi ional ă.

• pentru modelele cu soluţii analitice se procedează la echivalarea acviferelor neomogene şi anizotrope cu acvifere echivalente omogene şi izotrope prindistorsiune parametrică sau geometrică (§5.2.3.1);

• pentru modelele cu soluţii numerice se discretizează distribuţia parametrilor într-oreţea a cărei orientare şi densitate se aleg în funcţie de caracteristicileanizotropiei şi neomogenităţii (§5.2.3.2 ).

Senzitivitatea modelului matematic este determinantă pentru alegereacorectă a gradului de detaliere cu care este schematizată distribuţia spaţială aparametrilor hidrogeologici ai acviferului:• dacă variaţia unui parametru se reflectă semnificativ în valoarea variabilei

calculate prin model (senzitivitatea modelului este mare), schematizarea trebuiesă reflecte cât mai detaliat distribuţia reală a parametrului din hidrostructuramodelată;

• dacă variaţia unui parametru are efect nesemnificativ asupra valorii variabileicalculate prin model (senzitivitate redusă a modelului), se reduce gradul dedetaliu al schematizării distribuţiei acestuia.

xvii/xix




Schematizarea hidrodinamic ă

Schematizarea hidrodinamică precizează contextul energetic în care sedesf ăşoar ă curgerea apelor subterane prin două categorii de condiţii:• condi ţ iile hidrodinamice pe frontierele hidrostructurilor în care are loc curgerea

apelor subterane (§5.3.1);• condi ţ iile hidrodinamice ini ţ iale în interiorul hidrostructurilor (§5.3.2 ).

Frontierele hidrostructurilor sunt reprezentate de:• zonele de alimentare ale acviferelor reprezentate prin ariile de aflorare a

formaţiunilor geologice permeabile sau cursurile de apă care le alimentează;• zonele de drenaj al acviferelor reprezentate prin linii de izvoare sau cursurile

de apă care le drenează;• acoperi şul şi culcuşul acviferelor constituite din terenuri impermeabile sau

semipermeabile care stopează sau favorizează transferul apei prin drenanţă;• accidentele tectonice (falii) care pun în contact formaţiunile permeabile cu cele

impermeabile sau semipermeabile etc.Energia de care dispune apa subterană pentru curgere (∆H) este egală cu

diferenţa dintre energia cu care intr ă în hidrostructur ă (H o) şi cea cu care iese (H f ).Această energie este reprezentată prin sarcina piezometric ă a acviferelor pefrontiere (Fig.PRO.21) sau de debitele care tranzitează frontierele hidrostructurilor.

În consecinţă, succesul schematiz ării hidrodinamice este asigurat dacă pefrontierele fizice ale hidrostructurilor se cunosc sarcinile piezometrice şi debitele care le traversează.

Zonă dealimentare

Izvor

Zonă dedescărcare ∆H

H f

H o

Fig.PRO.21. Energia potenţ ial ă a apei subterane la “intrare” ( H o ) şi la“ieşire” ( H f ) dintr-o hidrostructur ă sinclinal ă.

Particularităţile curgerii apelor subterane în interiorul hidrostructurilor suntdeterminate de structura geologică, distribuţia spaţială a caracteristicilor hidrofiziceale terenurilor şi de perturbaţiile hidrodinamice interne (pompări sau injecţii de apă),sintetizate în distribuţia spaţială a sarcinii piezometrice (harta piezometrică) la unmoment dat. Cunoaşterea distribuţiei sarcinii piezometrice în regim natural decurgere (condi ţ iile hidrodinamice ini ţ iale) completează, alături de condi ţ iilehidrodinamice pe frontiere, schematizarea hidrodinamică a hidrostructurii.

xviii/xix




Epilog la Prolog

Misiunea Hidrogeologiei generale se încheie cu schematizareahidrostructurilor. Rezultatul exercitării complete a funcţiei descriptive aHidrogeologiei generale este modelul conceptual al hidrostructurii.

Tot ce urmează în cercetarea hidrogeologică, fundamentală şi aplicativă sebazează pe rezultatul schematizării şi dacă modelul rezultat nu reflectă corectrealitatea, orice tentativă de evaluare cantitativă a curgerii apelor subterane estesortită eşecului.

Suntem într-o perioadă în care ambianţa informatică a începutului de mileniueste confortabilă. La orice adresă de pe internet găsim o ofertă generoasă de coduripentru evaluarea debitelor unor captări, migraţiei unui poluant, duratei de asecare aunui perimetru, zonei de protecţie a unei captări etc.

Nu trebuie decât să alegem modelul adecvat hidrostructurii în care curge apasubterană şi să precizăm condiţiile parametrice şi energetice reprezentative.

Atenţie la descrierea condiţiilor hidrogeologice:

• Nu ignoraţi structura geologică a acviferelor!• Stabiliţi cu atenţie zona de influenţă a modelului utilizat!• Evaluaţi corect precizia de determinare a parametrilor şi distribuţia lor

în spaţiu şi timp!• În etapa de calare a modelului ales nu neglijaţi valorile parametrilor

corect determinaţi doar pentru asigurarea erorii admisibile! E posibil camodelul să fie ales greşit!

• Determinaţi cu rigoare condiţiile energetice pe frontierele modelului (înplan orizontal şi vertical) pe toată durata de modelare a curgerii apelor subterane!

Şi la final nu uitaţi că puteţi greşi!

Orice model conceptual confruntat prin modelul matematic cu condi ţiilespecifice ale aplicaţiei poate fi ameliorat în etapa de evaluare cantitativă. Reveniţi laschematizare dacă „nu puteţi pune de acord” modelul cu datele experimentale! Emult mai corect decât să introduceţi valori aberante ale caracteristicilor hidrofizicenumai pentru a reuşi calarea modelului.

Există un final ?

prolog hidrogeologiegenerala

Documents