Národné centrum pre popularizáciu vedy a techniky Vedecká kaviareň, január 2015

Transcript

1 Národné centrum pre popularizáciu vedy a techniky Vedecká kaviareň, január 2015 PODZEMNÁ VODA obnoviteľný zdroj - aj voda v zásobe Prof. RNDr. Igor Mucha, DrSc.

2 Voda, samá voda pri Bratislave v roku 1756 Povrchovú vodu vidíme Podzemnú vodu nie je vidieť. Na našom území predstavuje však viac ako 99% všetkej vody. Je zahalená závojom záhady.

3 Podzemná voda je naše prírodné bohatstvo Toto bohatstvo je obnoviteľné na rozdiel od iných nerastov, ropy a ropných plynov, ktoré ťažbou zanikajú. Voda je obyčajne v pohybe a v neustálom procese zmien svojho zloženia. Charakteristikou obnoviteľných zdrojov prírodného bohatstva voči neobnoviteľným je skutočnosť, že: nevyužívané úžitky obnoviteľných zdrojov sú navždy stratené! Podzemná voda vo väčšine prípadov prúdi. Zásoby sú neustále dopĺňané a vyprázdňované. Ak ju nevyužívame, nie je chránená ako iné suroviny a ložiská v zásobe. Potrebuje cielenú ochranu, čo do kvality a množstva, a to v priestore prúdenia a v čase.

4 Podzemná voda je súčasťou obehu vody v prírode

5 Zásoby podzemnej vody (obnoviteľnosť, vyčerpateľnosť) Podzemná voda je v geologickom prostredí. Množstvo vody v zásobe závisí od koeficienta zásobnosti a od poklesu hladiny (alebo tlaku), ktoré je možné dosiahnuť napríklad čerpaním, alebo stúpnutia hladiny podzemnej vody (alebo tlaku) pri jej dopĺňaní. Pre obyčajnú podzemnú vodu v zvodnenom prostredí, v ktorom hladina podzemnej vody klesá a stúpa, hovoríme o koeficiente zásobnosti voľnej hladiny S v. 1 studňa 2 odvodnený priestor 3 volná hladina podz. vody

6 Prúdenie podzemnej vody (obnoviteľnosť, vyčerpateľnosť) Podzemná voda sa nachádza v geologickom priepustnom prostredí. Od priepustnosti závisí množstvo podzemnej vody ktorá pri danom tlakovom spáde prúdi. To vyjadruje, že podzemná voda je obnoviteľná i vyčerpateľná. Pre obyčajné podzemné vody je priepustnosť vyjadrená koeficientom filtrácie k. 1 hydraulický gradient 2 nepriepustné nadložie 3 smer prúdenia 4 zvodnená vrstva 5 nepriepustné podložie Priepustnosť a zásobnosť geologického prostredia charakterizujú obnoviteľnosť zásob podzemnej vody.

7 Podzemná voda je súčasťou obehu vody v prírode Je dopĺňaná zrážkami (dažďom, snehom, rosou), dopĺňaná i drénovaná povrchovými vodami (riekami, prameňmi, kanálmi a i.), je odčerpávaná výparom z pôdy a transpiráciou porastov. Predstavuje zásoby na obdobia, keď je nedostatok povrchovej vody. Kvalita podzemnej vody sa v procese prúdenia mení v závislosti od geologického prostredia, času a od vonkajších vplyvov, vrátane vplyvov človeka. Procesy tvorby kvality a množstva podzemných vôd je možné ovplyvňovať, a tým realizovať to, čo sa rozumie pod ochranou a využívaním podzemných vôd. Týmto všetkým sa zaoberá hydrogeológia a jej predmetom výskumu je podzemná voda.

8 Hydrogeológia - vedný odbor o podzemnej vode Má definovaný svoj osobitný predmet, špecifické metódy výskumu, praktického prieskumu i využitia. Hydrogeológia ako vedný odbor začínala od základov na Slovensku spolu s inžinierskou geológiou na Fakulte geologicko-geografických vied na začiatku 50. rokov (1952). Vznikli v období povojnovej rekonštrukcie a hospodárskeho rastu. Obsah, metodika i formy výučby boli zamerané na výskum a praktické aplikácie na základe monitorovania, terénneho a teoretického poznania procesov v podzemných vodách a ich výpočtov so zreteľom na činnosť a potreby človeka a jeho životného prostredia.

9 Hydrogeológia nadväzuje na geologické a technické disciplíny Obsahuje nasledujúce základné súčasti: Regionálna hydrogeológia (vzťah geologického prostredia k podzemnej vode) Hydraulika podzemných vôd (prúdenie podzemných vôd v geologickom prostredí) Hydrogeochémia (procesy chemického zloženia a kvality podzemných vôd vrátane mikrobiológie) Metódy výskumu a prieskumu podzemných vôd (vŕtanie studní, budovanie studní, hydraulické skúšky, monitorovanie podzemných vôd, modelovanie procesov a mnohé iné) Vzťah a spojitosť povrchová voda podzemná voda prírodné prostredie sú základom všetkých foriem a procesov života na zemi

10 Ukážka dvoch základných učebníc ALFA, SNTL 1986, 429s ALFA, SNTL 1987, 343s

11 Komplexnosť vzťahov a procesov v podzemných vodách Podzemná voda je prepojená s povrchovou vodou, [riekou, riečnymi ramenami, zrážkami, ich infiltráciou do podzemných vôd, výparom, poľným a lesným hospodárstvom, všetkým, čo sa deje v prírode, ľudskou činnosťou (skládky, banské práce, stavby, priemysel a i.)]. Aby to nebolo také jednoduché, prúdenie je v geologickom prostredí priestorové, závislé od piezometrických tlakov v priestore podzemnej vody. Geologické prostredie je pórovité (štrky, piesky), puklinové i s podzemnými priestormi (skalné horniny, kras). Vlastnosti geologického prostredia voči podzemnej vode sú v priestore veľmi premenlivé.

12 Voda zo zrážok a riek môže dopĺňať podzemnú vodu Voda sa v geologickom priestore dočasne uskladňuje a následne počas sucha spätne dodáva potokom, pôde, vegetácii. Zásoby podzemnej vody sú v čase premenlivé Podzemná voda prináša úžitky pre človeka a prírodu: ako voda pitná, minerálna voda, voda pre vegetáciu a celý organický svet, voda pre priemysel a za určitých okolností ako voda liečivá, termálna a pod. Podzemná voda vyrovnáva prietoky a hladiny v rieke, a tým umožňuje aj využívanie riek pre vodnú dopravu, rekreáciu, šport a výrobu vodnej energie. Podzemná voda je OBNOVITEĽNÁ ZÁSOBA

13

14 Vzájomné súvislosti pri ochrane a využívaní vody Prírodné prostredie ochrana obnovenie, zachovanie funkcie záplavového územia starostlivosť o ekosystémy, poľné a lesné hospodárstvo Protipovodňová ochrana Plavebný koridor Vodná energia obnoviteľná a čistá, bez odpadov Zdroje vody pitnej a úžitkovej starostlivosť o ne Rozvoj infraštruktúry, šport, ochrana zdravia Vodohospodársky manažment vytvorenie nástrojov manažmentu: povrchová voda podzemná voda prestup medzi nimi, a mnohé iné

15 Počas maximálnych povodňových prietokov sa v podzemnej vode ukladalo okolo 580 m 3 /s = 5% z povodňového prietoku (do 1 m 3 štrkov sa zmestí l vody) Stúpnutie hladiny podzemnej vody 48 hodín po kulminácii povodne v auguste 2002 Prírodný polder v podzemnej vode Legend GWL difference in m

16 Dlhodobý problém: pokles hladiny podzemnej vody, riešenie vzdutím vodným dielom Bratislava Sap Komarno

17 Dlhodobý pokles hladiny podzemnej vody medzi

18 Zvýšenie hladiny podzemnej vody po uvedení VD Gabčíkovo do prevádzky Bratislava Cunovo reservoir Komarno Sap

19 Pôdna vlhkosť závisí od hladiny podzemnej vody dažďa a geologického zloženia Hladina podzemnej vody Pôdna vlhkosť

20 Príklad vodohospodárskeho manažmentu Priesakový kanál Tesnené dno zdrže Kalinkovo Studne Šamorín Pretekaná prehrádzka Vodná plocha Pre šport Oblasť s plytkou vodou pre vodné vtáctvo Derivačný kanáll Rusovce Zdrž Povodne Staré rameno vyplnené štrkom Dunaj Čunovo elektráreň Voda pre Mošonské rameno Dunaja Zdrž Zásobovanie ramien vodou Hydraulické stavby a vtáčí ostrov Dunaj Voda pre ramená Štrkové jamy Vojka Kaskády v ramenách Gabčíkovo Elektráreň

21 NATURA 2000 územia (vtáky, habitaty) na území SR Podzemná voda celého územia alúvia Dunaja je chránená Poučenie: Väčšina silne modifikovaných a umelých vodných telies a okolitých území sú chránené

22 Zásoby podzemnej vody Zásoby podzemnej vody predstavujú časť podzemnej vody v priestore a v čase, ktorú je možné riadene alebo vedome využiť pre ciele stanovené človekom, vrátane starostlivosti o ekosystémy Zvláštnou kategóriou sú zásoby podzemnej vody, využiteľné pre zásobovanie spoločnosti vodou Podzemná voda a klimatické zmeny Od výparu, zrážok a prúdenia vody v rôznych skupenstvách na celej zemeguli závisí obeh vody a aj obeh podzemnej vody. Zásoby podzemných vôd závisia od tohto obehu a teda aj od klimatických zmien. Od zásob podzemných vôd v priestore a čase závisí prírodné prostredie a životné prostredie človeka.

23 Klimatické zmeny Tých, ktorí si robia starosti, aký vplyv budú mať klimatické zmeny a globálne otepľovanie na životné prostredie, bude určite zaujímať, ako tieto deje prebiehali v minulosti. Kniha: KONEC DOBY LEDOVÉ Angl. orig.: After the Ice Dejiny lidstva od r do r př. Kr. 733 p. By: STEVEN MITHEN Nakl. BB/art s.r.o Klimatické zmeny boli a budú. Dôležité je poučiť sa z minulosti, prítomnosti v aridných oblastiach a prijať opatrenia.

24

25

26 Voda pre človeka a životné prostredie sa dá získať z povrchovej a podzemnej vody, úpravou nevhodnej vody, čistením odpadovej vody, z morskej vody, zo vzdušnej vlhkosti i privedením vody z iných území. V Jemene je väčšia spotreba vody v poľnohospodárstve ako sú celkové zrážky. Zásoby podzemnej vody sa míňajú. Hladina podzemnej vody klesá do hĺbok vyše 100 m pod terénom, v hlavnom meste ešte podstatne hlbšie (vyše 1000 m). V Saudskej Arábii získavajú vodu odsoľovaním morskej vody a zavlažujú ňou aj polia. Cena za 1 m 3 odsolenej vody je 1 až 2 USD. Vody máme a budeme mať dosť, venujme sa starostlivosti o tvorbu množstva a kvality podzemnej vody. Je kvalitná, je čiastočne chránená v porovnaní s povrchovou vodou JE V OBNOVITEĽNEJ ZÁSOBE!

27 Množstvo Zraniteľnosť podzemných vôd Množstvo podzemných vôd závisí od dopĺňania jej zásob a od prirodzeného výtoku alebo čerpania jej zásob. Kvalita (chemické a mikrobiologické zloženie). Kvalita závisí od kvality vody dopĺňajúcej jej zásoby, od chemických a mikrobiologických procesov v podzemnej vode a od zdrojov a účinkov znečisťovania z povrchu. Človek ovplyvňuje kvalitu a množstvo podzemnej vody prakticky všetkou svojou činnosťou a to v kladnom i zápornom slova zmysle

28 Nebezpečné zoskupenie neodborne stavanej studne, záchodu a hnojiska (Schneiderová, 1935: Dobrá studňa dobrá voda, Praha) Studňa nemôže ležať v blízkosti zdroja organického znečistenia ani pri mokradiach hydraulicky prepojených s podzemnou vodou Pre zaujímavosť: Vodovod v Bratislave na ostrove Sihoť bol uvedený do prevádzky a oslávený spolu s novovybudovaným mestským divadlom 25. Augusta 1885

29 Ochrana povrchových a podzemných vôd je zároveň ochrana prírodného prostredia Dunajská inundácia zásobovaná prúdiacou vodou je chránené územie Ochrana prírody, to sú dnes nielen zákazy, ale hlavne starostlivosť o ekosystémy, napríklad manažmentom vodnej zložky

30 Izolínie hladín podzemných vôd (rok 2000) Rusovce zmena smerov prúdenia ochrana a kvalita Rusovce Zdrž Čunovo Komárno Sap

31 Kvalita podzemnej vody Podmienkou tvorby kvalitnej podzemnej vody v podmienkach Žitného ostrova je kvalita dunajskej vody a možnosť jej infiltrácie cez kvalitné dno Dunaja do kvalitného štrkového geologického prostredia. Infiltrujúca voda nemá obsahovať zvýšené množstvo organického uhlíka. Znečistenie podzemnej vody z povrchu závisí aj od možnosti prieniku znečistenia k hladine podzemnej vody, od jej priestorového prúdenia a priestorového prieniku znečistenia v horizontálnom a vertikálnom smere. Okrem toho závisí od vlastností znečisťujúcej látky a reakcií tzv. samočistiacich procesov.

32 Prieskum a modelovanie infiltrácie vody z Dunaja Výskumný a experimentálny profil pri Kalinkove Dunaj Izolínie tlaku Studne - filter Prúdnice Nepriepustné podložie štrkov Piesčitý íl Štrk

33 Modelovanie konzervatívneho transportu chloridov z Dunaja do podzemnej vody Február Júl Dunaj 2/97 7/96 2/96 Sezónne kolísanie chloridov

34 Modelovanie reaktívneho transportu v podzemnej vode Aerobická respirácia Denitrifikácia Rozpúšťanie Mn-oxidov

35 Kvalita podzemnej vody v Šamorine kyslík, TOC, CHSK Mn, NO 3, Fe, Mn

36 Modelovanie priestorového prúdenia podzemnej vody z Dunaja k studniam (Rusovce) Ddoba zdržania 50 dní Vodárenské studne Miesto infiltrácie Priesak vody z povrchu do studní

37 Minerálne a termálne vody Hustotné prúdenie Thermo-lift Hĺbka [m] Teplota [ C] Hustota od teploty pri normálnom tlaku [kg/m 3 ] Teplotná rozťažnosť B*10-3 [1/K]

38 Hustotné prúdenie Thermo-lift termálne vody Termolift 4 až 8 m v.s. podľa teploty vo vrte a v okolí vrtu 10 o C termolift Terén Hladina podzemnej vody 2000 m 70 o C

39 Inžinirsko geologický a hydrogeologický prieskum priehrady v Nosiciach Prieskumné práce boli veľmi jednoduché, ale fyzicky náročné. Čo čert nechcel, v Nosiciach sa objavila vzácna minerálna voda (kúpele Nimnica). Dala zabrať geológom i stavbárom. V praxi sa overila nutnosť riešiť IG a HG problémy spoločne. A vznikla katedra IG a HG

40 Kúpele Nimnica, (Nosice na Váhu), v bradlovom pásme, chudobnom na minerálne vody. Objavenie vysoko minerálnej preplynenej studenej vody (10 11 o C) pri zakladaní Nosickej priehrady bolo veľkým prekvapením.

41 Hustotné prúdenie chladná voda Nosice - Nimnica V roku 1952 mala voda mineralizáciu mg/l a voľný CO 2 okolo mg/l (Hertlov prístroj). Vodu klasifikoval Hynie (1963) ako studenú, rýdze alkalickú, slanú, jodobrómovú kyselku s výdatnosťou okolo 17 l/s. Zaradil ju k najsilnejšie mineralizovaným vodám v Luhačoviciach. Zdravotníctvo malo záujem využiť vodu takého vzácneho typu. Mineralizácia postupne klesla na 4060 mg/l ešte pred rokom Z minerálnej vody v Luhačoviciach, z tej istej geologickej stavby, okrem priamych liečebných procedúr sa voda využíva aj na plnenie do fliaš (Vincentka) a tvorí súčasť aj mnohých liekov a potravinových doplnkov.

42 Výskyt minerálnej vody, tak ako ho poznáme dnes, je predovšetkým v puklinovom prostredí vápnitých pieskovcov a vápnitých bridlíc až slieňovcov. Prostredie je, hlavne v údolnej časti Váhu, tektonicky porušené. Priepustnosť je puklinová. Zásobnosť je dvojitá, puklinová s určitým podielom pórovej. Doteraz zistené piezometrické výšky, a to aj vo vrtoch odvŕtaných počas hĺbenia základovej jamy, nedokumentujú vyššie hodnoty ako bol pôvodný terén.

43 Geologický rez zakladaním Nosickej priehrady

44 Viac mineralizovaná chladná voda sa snaží poklesnúť do väčšej hĺbky a prípadne vytlačiť menej mineralizovanú vodu do vyšších polôh. Nosická priehrada bola postavená. Nad priehradou sa zvýšila hladina vody a piezometrický tlak v podzemenej vode. Pod priehradou sa piezometrický tlak mierne znížil. Nastal pomalý presun a pretvorenie telesa minerálnej vody

45 Kóta m n.m Schematizácia možnosti presunu mineralizovanej vody -100

46 Hustotné prúdenie gas-lift Prúdenie vody vo vrte môže byť vyvolané plynom, napríklad CO 2, ak tlak klesne pod tlak nasýtenia. Tlak nasýtenia môžeme určiť približne podľa vzorca P nas = (35563 Γ/α) kde, Γ je plynový faktor V plyn /V voda [m 3 /m 3 ] α je rozpustnosť plynu vo vode [m 3 /m 3 ] obe pri normálnom tlaku kpa Vylučovanie plynu (bublinky) znižuje hustotu vody vo vrte Vylučovanie plynu v horninovom prostredí upcháva póry

47 Gas - lift Príklad Lipany

48 Gas lift Hustota preplynenej vody

49 Takmer uzatvorená štruktúra

50 Monitorovanie podzemných vôd Monitorovanie - pozorovanie receptorov a faktorov a ich popísanie merateľnými parametrami má pokrývať signifikantné environmentálne vplyvy (negatívne, pozitívne, predpokladané i nepredpokladané) Cieľ: umožniť realizovať príslušný vodohospodársky manažment, úpravné činnosti a pomôcť objasniť a porozumieť prebiehajúcim procesom a možnému následnému vývoju procesov

51 Hierarchia monitorovania pre komplexný výskum podzemných vôd je: 1. Klimatické parametre 2. Hydrologické údaje vrátane podzemnej vody 3. Hladina povrchovej vody a hladina podzemnej vody 4. Kvalita povrchovej vody a podzemnej vody 5. Pôdna vlhkosť, vlastnosti a zloženie pôd 6. Morfologické procesy rieky a terénu 7. Základné druhy terestrickej a akvatickej flóry 8. Rast a zdravotný stav prírodného a komerčného lesa 9. Hygienické parametre 10. Technické zmeny, a iné parametre podľa cieľa

52 Rozsah monitorovania Kvalita podzemných vôd Rozhodujúce je identifikovať data reprezentatívne a relevantné pre územie vodohospodárskeho manažmentu a data rozlišujúce medzi vplyvom manažmentu a vplyvom iných faktorov Režim povrchovej vody Kvalita povrchovej vody Režim podzemných vôd Biota, Les, pôda Riečne sedimenty

53 Návrh monitorovania v rámci SEA a vodného manažmentu

54 Príklad monitorovania prietokov a hladiny Dunaja Prietoky v Bratislave Komárne m3/s Hladiny m Hladiny sa menia od miesta a zmien koryta Dunaja

55 Denné prietoky v Dunaji v Bratislave ( ) Červenou farbou sú údaje z extrémne suchého roku 2003 Dvojtýždenné úhrny zrážok v Bratislave ( )

56 Teplota dunajskej vody v Bratislave ( ) Červenou farbou sú údaje z extrémne suchého roku 2003 Teplota vzduchu v Bratislave ( )

57 Kvalita a ochrana podzemnej vody Závisí predovšetkým od: - kvality vody, ktorá dopĺňa jej zásoby; - kvality a priepustnosti dna rieky, pôdy, záplav územia - znečisťovania na i pod povrchom terénu; - geologického zloženia a priepustnosti zvodneného prostredia; - vzdialenosti studní od miest dopĺňania zásob (napr. rieky), alebo miest znečisťovania; - hĺbky priepustnej vtokovej časti studne; - správneho zabudovania a izolovania studne od povrchu; - priestorového prúdenia a premiešavania sa podzemnej vody - medzivrstevného prestupu vôd; - zmien v čerpanom množstve v čase - zmena prúdenia; - rôznych hydraulických opatrení v súvislosti s možným znečistením (hydraulická clona, vertikálne tesniace steny...)

58 Kvalita, množstvo a ochrana podzemnej vody sa zabezpečuje hydrogeologickým prieskumom podľa požiadaviek na využívanie a ochranu podzemných vôd na základe: - hydrodynamických skúšok, zameraných na cieľ prieskumu, - výsledkov dlhodobého monitorovania a jeho interpretácie, - hydrometeorologických a klimatických predpokladov, - hydrogeochemických a mikrobiologických analýz vôd, - požadovanej ochrany prírodného prostredia, - iných relevantných požiadaviek a záujmov. Základnou metódou spracovania návrhu ochrany je modelovanie súboru požiadaviek a faktorov, vplývajúcich na kvalitu, množstvo a ochranu podzemných vôd.

59 Závery ku vode Pitná voda má okrem splnenia noriem byť krištáľovo čistá, iskrivá a ponúkajúca sa, chladná a osviežujúca. Voda riadi ekologické procesy a je súčasťou klimatických podmienok, je základom pre pôdnu úrodnosť a mnohé iné. Klimatické zmeny sa nás dotknú primárne cez vodu. Vodohospodársky manažment je prvým a okamžitým opatrením proti klimatickým javom, preto je treba pripraviť komplexnú vodohospodársku stratégiu a jej nástroje. Voda je súčasťou rôznych biologických, chemických a fyzikálnych procesov, stále je s nimi v interakcii, mení svoje vlastnosti, zloženie, podlieha znečisťovaniu a tzv. samočistiacim procesom. Najdôležitejší je obeh - prúdenie vody vytvárajúce rieky, jazerá a podzemnú vodu.

60 Závery k ochrane podzemných vôd Ochrana a využívanie podzemných vôd vyžaduje komplexné vedomosti, terénny prieskum, monitorovací systém, experimentálne práce a laboratóriá, interpretačné a modelovacie systémy a k tomu vyškolený personál Ochrana a využívanie podzemných vôd vyžaduje správnu koncepciu, organizovanú spoluprácu početných vedeckých disciplín i medzinárodnú spoluprácu Základom je odborná a riadiaca organizácia, ktorá spája a koordinuje veľmi rôznorodé požiadavky a procesy súvisiace so synergickým využívaním a ochranou podzemných vôd

61 Celkom na záver Ochrana množstva a kvality podzemných vôd sa realizuje na základe poznania ich konkrétnych lokalít, procesov tvorby, prúdenia, možností ovplyvňovania, znečisťovania a využívania podzemných vôd. Pod využívaním rozumieme všetky ľudské a prírodné procesy, v ktorých má podzemná voda určitú úlohu a tie ľudské činnosti, ktoré môžu ovplyvniť podzemnú vodu pre ich využitie na ľubovoľnom mieste ich výskytu a prúdenia. Ochrana sa realizuje na základe príslušného prieskumu a monitorovania podzemnej vody a jej príslušného prírodného prostredia. Výsledky ochrany sa kontrolujú cieleným priebežným monitorovaním.

62 Informácie ku hydrogeologickým pomerom v SR nájdete predovšetkým na webových stránkach: Napríklad : Podzemna-voda-v-geologickom-priestoresr.pdf, Stránky Štátneho geologického ústavu Dionýza Štúra

63 Ďakujem za Vašu trpezlivosť Viac informácií o komplexnom monitorovaní podzemných vôd a prírodného prostredia nájdete na: WWW. GABCIKOVO. GOV. SK / DOC / Publikácie:

64 Na zamyslenie doma Väčšinu našich vedomostí o svete v ktorom žijeme najpravdepodobnejšie získavame z nášho okolia, hoci radi predstierame, že máme viac informácií z našich univerzít, knižníc a komplexných počítačových systémov internetu, ako mali ľudia predchádzajúcich vekov. Nesmierne množstvo dosažiteľných údajov predstavuje pre nás problém, akým spôsobom využívame tieto údaje, aby mali zmysel v praktickom živote? Zdá sa, že v tom sme ďaleko za našimi predchodcami a sme skutočne odtrhnutí od prírodného prostredia do alarmujúceho nami upraveného životného priestoru. {from the Foreword to J. Bruchac s book Keepers of the animals }