CIRCULATIA APELOR SUBTERANE

Deplasarea apei prin porii si fisurile rocii se desfasoara dupa reguli hidrodinamice specifice, in functie de starea sa de agregare si de raporturile acesteia cu particulele rocilor.

Miscarea apei sub forma de vapori

Vaporii de apa care ocupa spatiile libere (fara apa) din roci se deplaseaza impreuna cu aerul, atunci cand tensiunile acestora sunt echivalente, sau in functie de diferentele de tensiune, atunci cand acestea exista.

Vaporii de apa din roci provin prin patrunderea lor odata cu aerul de la suprafata, sau prin evaporarea apelor subterane. Se cunoaste cresterea temperaturii odata cu adancimea. De asemenea multe strate acvifere sunt situate in regiuni vulcanice sau cu un metamorfism intens, care degaja caldura. Vaporii de apa se deplaseaza astfel:

de la zone cu tensiune mai mare spre zone cu tensiuni mai mici;

de la stratele mai calde spre cele mai reci;

din roci catre atmosfera, in cadrul unui schimb permanent si complex de gaze intre litosfera si atmosfera;

Miscarea apei legate

Dupa cum am mentionat intr-un subcapitol anterior (1) apa legata din roci poate fi: legata chimic, higroscopica si peliculara.

Apa legata chimic circula numai sub forma de vapori, la temperaturi foarte ridicate, capabile sa produca reactii cu degajare de apa.

Apa higroscopica circula tot numai sub forma de vapori, dar la temperaturi mai mici de 100 ^oC.

In cazul apei peliculare circulatia se efectueaza atat sub forma de vapori cat si in stare lichida. Atunci cand peliculele au grosimi diferite, exista tendinte de uniformizare a acestora. La grosimi egale ale peliculelor acest transfer inceteaza.

Cand peliculele sunt prea groase, depasind higroscopicitatea particulelor, o parte din apa legata trece in apa libera.

Circulatia apelor libere

Apa libera circula prin porii si fisurile rocilor sub actiunea a doua forte: capilara (ape capilare) si gravitationala (apa gravifica). Aceste forte care actioneaza intr-un complex extrem de variat de situatii reale (porozitate, dimensiunile porilor, existenta fisurilor si a golurilor etc) fac ca circulatia apelor libere din stratele acvifere sa fie foarte diferita. In functie de modul in care apa circula prin roci se pot deosebi:

roci acvifere prin care apa circula cu usurinta (grohotisuri, bolovanisuri, pietrisuri, prundisuri, nisipuri);

roci acvilude, cu pori mici, prin care apa circula cu viteze mici;

roci acvifuge, in care apa nu circula din cauza porozitatii reduse (roci eruptive, metamorfice si sedimentare cimentate).

In functie de gradul de saturatie al rocilor cu apa acestea sunt de doua categorii: nesaturate, prin care apa se infiltreaza si circula gravitational, sau se ridica prin capilaritate si saturate, respectiv stratele acvifere prin care apa circula sub actiunea legilor proprii.

In functie de marimea porilor si de dimensiunile fisurilor si a golurilor, apa circula laminar (in linii paralele) sau turbulent.

Circulatia apelor subterane se face in regim natural sau influentat antropic (prin drenuri, campuri de puturi de captare etc.).

1 Miscarea apelor capilare

Miscarea capilara a apelor subterane are loc sub actiunea fortelor capilare, rezultate din interactiunea fortei gravitationale cu forta tensiunii superficiale.

Tensiunea superficiala rezulta din atractia reciproca dintre moleculele de apa care ii confera acesteia o anumita coezivitate. La limita cu aerul apare si atractia moleculara a acestuia, mai slaba, dar existenta in realitate. Acest fenomen se numeste tensiune superficiala si se manifesta intre particulele de apa si pereti porilor din roci.

Fortele capilare apar ca urmare a atractiei pe care peretii porilor o exercita asupra apei, in sens contrar fortei gravitatiei. Cand aceste forte capilare sunt mai mari decat gravitatia, in conditiile unor dimensiuni reduse ale porilor apa se ridica pana la inaltimi diferite, in functie de aceste dimensiuni si de timp.

De regula capilaritatea se produce in cazul diametrelor mai mici de 0,5 mm si se poate constata prin introducerea unui tub cu un astfel de diametru intr-un vas cu apa. Lichidul nu ramane la acelasi nivel ci se inalta in tub pana la o anumita valoare h (inaltimea capilara) si face la partea superioara un menisc bine definit.

Inaltimea de ridicare capilara este direct proportionala cu valoarea tensiunii superficiale si invers proportionala cu diametrul tubului capilar, acceleratia gravitationala si densitatea lichidului (Figura nr. 1).

Porii mai mici ai rocilor reprezinta medii capilare complexe, prin care aceste forte se exprima in mod diferit.

In zona de aeratie a unui strat acvifer, in apropierea nivelului piezometric apa capilara este continua, ridicandu-se de la suprafata piezometrica la diferite inaltimi. Aceasta subzona se numeste zona de saturatie capilara sau franje capilara. In functie de locul de formare si modul de comportare, apa capilara din zona de aeratie poate fi ascendenta, descendenta (funiculara) si pendulara (manseta). Apa capilara ascendenta este situata deasupra nivelului freatic (pana la inaltimi de 10 - 15 m in cazul nisipurilor si 6 - 12 m in argile). Viteza ascensiunii capilare difera in functie de granulometria rocilor.

Mai sus, in sol si sub nivelul acestuia, apa capilara este suspendata si se mentine un timp dupa infiltrarea precipitatiilor.

2. Miscarea apei gravifice

Datorita diferentelor de presiune dintre zonele cu nivel mai ridicat si cele cu nivel mai coborat, apele subterane circula prin porii si fisurile rocilor, sub influenta fortei gravitatiei. Circulatia poate fi verticala, laterala sau mixta, in functie de gradul de umiditate al rocilor si de distributia cailor de acces.

a) Circulatia verticala este caracteristica zonei de aeratie si reprezinta miscarea de infiltratie de la suprafata solului si pana la nivelul freatic care imbogateste acviferul si ridica acest nivel (infiltratie eficace). Infiltratia prezinta o importanta deosebita pentru alimentarea panzelor acvifere si asigurarea starii de umiditate in zona de aeratie. Are un caracter de intermitenta, fiind legata de frecventa, intensitatea si durata ploilor, dar si de granulometria rocilor care-i determina viteza.

b) Circulatia laterala se desfasoara in zona de saturatie completa a acviferelor si se efectueaza in conformitate cu legile hidrulicii in medii poroase.

Curgerea apei subterane prin roci poate fi studiata sub doua aspecte: la un moment dat (cand se face de fapt o constatare a existentei sale) si in timp (pentru stabilirea directiilor de deplasare). Aceste metode permit determinarea liniilor de curenti si echipotentiale ale regimului de curgere. Masa de apa, in miscare, se caracterizeaza prin linii, suprafete, tuburi si filete de curent, iar caracterul poate fi laminar sau turbulent.

Curgerea apei se realizeaza sub influenta gradientului hidraulic (I), care reprezinta diferenta de nivel (depresiune) pe unitatea de lungime:

c) Regimul curgerii Daca viteza de curgere a apei prin pori se mentine intre anumite limite, deplasarea particulelor acesteia se face in mod linistit, nedispersat, iar regimul de curgere este laminar. La viteze mai mari, particulele de apa se disperseaza, iar regimul de curgere devine turbulent. Viteza la care se realizeaza trecerea de la regimul laminar la cel turbulent se numeste viteza critica. Regimul curgerii apei prin roci a fost studiat de Reynold.

c₁. Curgerea in regim laminar se desfasoara prin pori cu dimensiuni reduse, dar omogeni. Regimul laminar implica o curgere unitara permanenta, caracterizata prin filete de apa continui, paralele cu axul de scurgere. In porii fara asperitati numarul lui Reynold (Re) are valoare medie = 2300. In acest caz daca Re < 2300 curgerea este laminara, iar daca Re > 2300 curgerea este turbulenta. In porii rugosi Re coboara la 600, iar in porii cu sectiune variabila Re = 540. Numarul Re conditioneaza viteza critica, iar aceasta este invers proportionala cu diametrul porilor si temperatura apei.

Legea lui Darcy. Fiind vorba de curgerea apei subterane, este necesar sa cunoastem si debitele, care sunt deosebit de importante in proiectarea alimentarilor cu apa.

Q = K x S x H/L = K x S x I (l/s)

unde: Q = debitul filtrat, in cm³/s;

K = coeficient de proportionalitate, in cm/s;

S = suprafata sectiunii de scurgere, in cm²;

H = inaltimea coloanei de apa, in cm;

L = lungimea coloanei de nisip, in cm;

I = H/L = gradientul hidraulic (pierderea de sarcina).

Aceasta formula a fost stabilita de H. Darcy si sta la baza a numeroase calcule practice de studiu si valorificare a rezervelor de ape subterane.

Din formula se poate calcula viteza de filtrare (de curgere):

V = Q/S formula generala

V = K x S x I/S = K x I. Aceasta viteza este in aparenta mica, deoarece ne referim la toata sectiunea de roca. Daca avem in vedere numai sectiunea porilor (Sn), obtinem viteza medie a lichidului (Vm).

Vm = Q/Sn = KI/n , iar daca tinem cont ca prin acesti pori circula numai apa gravifica, sectiunea de scurgere devine reala (S x ne), iar viteza reala efectiva este data de relatia :

Ve = Q/S x ne = KI/ne.

Vitezele determinate prin aceasta formula corespund cu cele masurate cu diferiti trasori colorimetrici, electrometrici, ionici, radioactivi.

c2.Coeficientii de permeabilitate. Circulatia apelor printre roci este determinata de porozitatea acestora, care este diferita in ceea ce priveste numarul (volumul) si dimensiunile porilor. Marimea porilor conditioneaza cel mai mult circulatia apelor, iar aceasta influenta este definita prin coeficientii de permeabilitate. In hidrogeologie se opereaza cu coeficientul de permeabilitate Darcy (K sau Kf) si coeficientul de permeabilitate intrinsec.

Coeficientul de permeabilitate Darcy (coeficientul de permeabilitate sau coeficientul de filtrare) are valoarea unei viteze (lungime/timp) si se poate exprima in functie de debit sau de viteza, considerate intr-un anumit timp t.

Permeabilitatea reprezinta volumul de apa gravifica infiltrata intr-o unitate de timp pe o unitate de suprafata.

V = Kf x I

Daca gradientul hidraulic = 1

Kf = V

Coeficientul de permeabilitate intrinsec (Ki), are dimensiunile unei suprafete si se exprima, conform legii lui Darcy:

Q = Ki x (σ_a./μ) x S x l σ = greutatea specifica a lichidului (fiind mineralizat);

Ki = (μQ/S)/δa x I    μ = vascozitatea apei, dependenta de temperatura.

Relatia dintre coeficientul de permeabilitate Darcy si coeficientul de permeabilitate intrinsec este data de formula:

Kf = Ki x σ_a/μ unde se pastreaza semnificatiile de mai sus.

Coeficientul de permeabilitate intrinsec prezinta importanta pentru studiul zacamintelor petroliere, situate la adancime mare, unde densitatea lichidului, mineralizarea si temperatura sa trebuie luate in calcul in contextul presiunilor mari.

Coeficientul de permeabilitate depinde de diametrul granulelor (d), suprafata lor specifica (Sg), porozitate (n) si temperatura (T).

Kf = f(d x Sg x n x T)

c Curgerea turbulenta a apelor subterane este asemanatoare cu cea din rauri si din canale. Viteza se determina cu formula Chezy - Krasnopolski:

V = viteza (cm/h);

Kf = coeficient permeabilitate (cm/s)

C = coeficient rugozitate Chezy

R= raza hidraulica

I=gradientul hidraulic

Considerand Kf x C x √R = Kt (coeficient de curgere turbulenta)

V = Kt x √I = KtI^1/2

cCurgerea in regim de tranzitie (mixt) are loc in conditiile unor roci cu granulatii diferite, fapt ce determina o alternare pe intervale scurte, a scurgerii laminare si turbulente.

V = Km x I^1/m m depinde de permeabilitate

si are valori intre 1 -2

Q = Km x S x I^1/m la porozitate si 1.75 - 2 la fisuri.

c5. Directiile de curgere ale apelor subterane. Cunoasterea directiei de curgere a apelor freatice este deosebit de importanta pentru necesitati practice.

In practica se folosesc trasori (coloranti, radioactivi etc.) sau procedee geometrice (grafice).

Ca trasori se pot folosi: fluoresceina, fuxina, uranina, fenolftaleina sau izotopi radioactivi.

Procedeul grafic (geometric) consta in alegerea pe un plan a cotelor absolute ale Np in 3 puncte dispuse pe cat posibil in triunghi echilateral. Directia de curgere este data de perpendiculara coborata din punctul cu cota maxima pe linia care le uneste pe celelalte doua (Figura nr. 2).

Cercetarea si valorificarea apelor subterane

Studiul apelor subterane prezinta o importanta deosebita pentru cunoasterea raspandirii, regimului, particularitatilor si posibilitatilor de valorificare ale acestora. Alimentarile cu apa, desecarile, irigatiile, constructia barajelor, exploatarea substantelor minerale situate sub nivelul freatic sunt numai cateva din directiile de explorare a apelor minerale.

Pentru lucrarile hidrogeologice cercetarea se face de regula in doua etape: studiu general realizat prin prospectiuni si studii hidrogeologice speciale, respectiv lucrari de explorare hidrogeologica. Este de inteles ca se valorifica pe cat posibil, toate studiile si lucrarile efectuate anterior.

1. Prospectiunea hidrogeologica

Ca prima faza a lucrarilor hidrogeologice, prospectiunea hidrogeologica are ca obiective identificarea structurilor acvifere si intocmirea hartilor hidrogeologice asupra regiunii studiate. Prospectiunea hidrogeologica se executa prin cercetari in deschideri naturale si cu ajutorul metodelor geofizice. Pe cat posibil se apeleaza si la modelarea hidrogeologica. Produsul de baza al prospectiunilor este harta hidrogeologica.

Pe scurt, iata cum se procedeaza:

a) Cercetarea in deschideri naturale: se efectueaza observatii in zone de aflorimente asupra geologiei rocilor magazin, a existentei stratelor acvifere, a calitatii apei. In zonele lipsite de deschideri naturale se executa derocari, santuri si chiar foraje de mica adancime.

b) Metode geofizice de prospectiune hidrogeologica. Acestea ajuta la clarificarea structurilor geologice in zonele prospectate si pot fi electrometrice, seismice si radiometrice. Se bazeaza fie pe vitezele diferite de propagare a undelor electromagnetice si seismice prin stratele geologice, fie pe intensitatea diferita a radiatilor gamma emanate de roci. Prin aceste metode se obtin informatii privind structura si litologia, pozitia si grosimea acviferelor, adacimea apelor freatice, directia si viteza lor de curgere etc.

Urmeaza operatia de precizare a caracteristicilor apelor subterane identificate prin metodele de mai sus: presiunea, temperatura, debitul, compozitia chimica, zonele de alimentare si de drenaj etc.

c) Modelarea hidrogeologica consta in efectuarea unor experimente, la scara, in laborator pentru precizarea mai buna a caracteristicilor. Modelele pot fi reduse (reproducere la o scara convenabila) sau analoage (fenomenele sunt transpuse in domeniul fizicii si cercetate prin alte mijloace). In ultimii ani se practica tot mai mult modelarea pe calculator, modelele cu flux hidraulic (pentru curgere laminara) si modele cu flux electric.

d) Hartile hidrogeologice Reprezinta produsul final, sintetic, al prospectiunilor din teren. Pot fi:

- generale - definirea structurilor acvifere in ansamblu;

- speciale - pentru scopuri tehnice diferite (lucrari hidrotehnice, constructii etc.).

d1) Continutul general al hartilor hidrogeologice:

baza geologica: litologie, structuri, acvifere, granulometrie;

date geomorfologice: linii generale de relief, lunci, terase etc.;

date de tectonica

reteaua hidrografica

regimul precipitatiilor;

influente artificiale;

d2) Intocmirea hartilor hidrogeologice:

Pe harta topografica, la scari convenabile (1:50 000;1:25 000;1:10 000;1:5 000;1:2 000; 1:1 000) se trec punctele cautate in teren sub forma de fractii: cota terenului / adancimea nivelului freatic;

Se traseaza izoliniile cu foarte mare atentie;

d3) Harti care se pot intocmi:

Harti cu hidroizohipse (izopieze) - cotele NP;

Harti cu hidroizobate - adancimea NP;

Harti hidrochimice;

d4) Interpretarea hartilor cu hidroizohipse:

Pe aceste harti se poate masura:

adancimea suprafetei piezometrice;

directia de curgere a apei: perpendiculara pe izopieze;

gradientul hidraulic: l = (H1 - H2)/L;

construirea profilului de depresiune: un profil care urmareste topografia, izopiezele si baza freaticului (patul impermeabil).

e) Prospectiuni hidrogeologice pentru scopuri practice:

- pentru alimentari cu apa potabila si industriala;

- pentru irigatii;

- pentru substante minerale utile: saruri de potasiu, hidrocarburi, bor, mercur.

2 Explorarea hidrogeologica

Prin explorare hidrogeologica se completeaza cunostintele obtinute prin prospectiuni. Lucrarile obisnuite de explorare hidrogeologica sunt: dezvelirile de strate, gropile, santurile, transeele, galeriile, puturile si forajele. Fiecare dintre aceste lucrari au scopuri bine determinate, in functie de ceea ce se urmareste: ex: galeriile (pentru baraje), puturile (pentru debite), forajele (complexe).

In perioada 1960 - 1990 explorarea prin foraje in scopul cunoasterii resurselor subterane in ansamblul lor a cunoscut un avant deosebit in tara noastra. Au fost executate, in scopul cercetarii, la nivelul tarii, un numar de peste 5400 de foraje de mica adancime si 650 foraje de adancime (pana la 250 - 300 m). O parte dintre aceste foraje au trecut in exploatare.

Executia forajelor de studiu s-a facut pe baza unor planuri de cercetare bine definite, urmarindu-se principalele depozite de ape freatice (luncile si terasele - foraje de ord. I), freaticul pe interfluvii - foraje de ord. II - si structura acviferelor de adancime (FA - foraj de adancime).

In reteaua hidrogeologica din tara noastra se executa cu continuitate observatii si masuratori, pe baza unor programe standard, definite asupra nivelurilor piezometrice (la 3 zile), temperaturii apei subterane (la 6 zile), chimismului (pe baza unei planificari speciale, care vizeaza atat caracteristicile naturale, cat si influentele antropice) si a debitelor de apa (pe baza unui program de pompari experimentale). Toate aceste date se centralizeaza si se prelucreaza prin metodologii specifice, apoi se stocheaza intr-o banca electronica de date.

Informatiile care se obtin prin programele de observatii si masuratori permit cunoasterea aspectelor principale privind rezervele de ape subterane, calitatea si regimul acestora, in scopul valorificarii lor cat mai complexe.

Rezervele de ape subterane

Rezerva de apa subterana reprezinta cantitatea de apa pe care o contine un strat acvifer.

In functie de aportul prin precipitatii si pierderile prin drenare si evapotranspiratie, rezervele de ape subterane se impart in patru categorii de baza.

a) Rezerve de regularizare - respectiv cantitatea de apa subterana cuprinsa intre suprafata piezometrica minima si cea maxima, raportata la o perioada mai mare de timp (sezon sau an). Calculul acestor rezerve se face prin doua metode:

- studiul variatiei nivelului piezometric;

- studiul relatiei intre variatia NP si debitul de curgere.

Calculele se fac de catre personal de specialitate.

b) Rezerve naturale - reprezinta cantitatea de apa subterana libera cuprinsa intre patul impermeabil si suprafata piezometrica. Se calculeaza astfel:

b₁. Q = A x H x Kf x I    A = suprafata luata in calcul;

H = grosimea stratului de apa;

Kf = coeficientul de permeabilitate;

I = gradientul hidraulic.

b2. In functie de coeficientul de transmisivitate (T), plecand de la formula lui Darcy:

Q = Kf x I x S;

S = L₁ x H (lungimea sau grosimea stratului);

Q = Kf x H x I x L₁.

Produsul (Kf x H) se numeste coeficient de transmisivitate (cm²/s), deci

Q = T x I x L₁.

c) Rezervele de exploatare. Reprezinta cantitatea maxima de apa care poate fi exploatata fara distrugerea echilibrului orizontului acvifer.

Q = h x A x Sm h = denivelarea optima;

A = suprafata stratului acvifer;

Sm = coeficientul de inmagazinare.

d) Rezervele geologice: stocul de apa subterana din care numai o parte se exploateaza. Reprezinta diferenta dintre rezervele naturale si cele de regularizare.