Skąd bierze się woda w rzece i studni

Zaczniemy powrotu do szkoły. Gdzieś, kiedyś, podczas waszej edukacji na pewno zetknęliście się z pojęciem obiegu wody w przyrodzie i towarzyszącym mu charakterystycznym obrazkiem. Sprawdzian z geografii był to zapewne również ostatni raz, kiedy przemknął przez wasze głowy jakiś cień przemyśleń dotyczących spraw tak abstrakcyjnych jak możliwość istnienia wody gdzieś pod powierzchnią ziemi, więc przyda się krótka powtórka. Tym razem słuchamy ze zrozumieniem. 

1. Obieg wody

Obrazek tytułowy ukradłem i specjalnie szukałem pokracznego. Ogólnie pokazuje dobrze samą ideę. Woda paruje, w atmosferze jest transportowana na spore odległości a potem następuje opad. Od tego miejsca zaczniemy się zastanawiać co się z nią dalej dzieje. Pomijając zjawiska atmosferyczne, gdzie deszcze nie dociera do ziemi bo zdąży wyparować (zdarza się) parowanie odbywa się z powierzchni gruntu i podczas opadu i po. Czy dużo? Zależnie od temperatury i wilgotności, rodzaju nawierzchni, szaty roślinnej i sezonu wegetacyjnego może to być nawet większość tego co spadnie w postaci deszczu. Zarówno bezpośrednio z nagrzanego parkingu jak i później przez liście roślin wyciągających wodę z gleby. Drugi istotny element zaznaczony na obrazku to spływ powierzchniowy. Tu również pokrycie powierzchni jest głównym czynnikiem wpływającym na jego wielkość. Od kilku procent w lasach poprzez naście w terenach rolniczych i na nieużytkach po nawet dziewięćdziesiąt procent z wybetonowanych parkingów. Systemy rowów melioracyjnych, drenażu i kanalizacji burzowej kierują wodę jak najkrótszą drogą do najbliższej rzeki. To co zostaje zaczyna powolną podróż w głąb ziemi. 

2. Co nam chlupoce pod nogami.

No, może nie chlupoce bo choć mówi się o zbiornikach wód podziemnych to nie jest to takie “jeziorko” jak na naszym obrazku. A więc w jakiej formie woda znajduje się pod ziemią? Poniżej wygenerowany obrazek małego akwarium wypełnionego piaskiem pomoże nam to zrozumieć. Piasek wsypany do pojemnika chociaż wypełnia go całkowicie nie zajmuje jako substancja stu procent objętości! Pomiędzy ziarnami znajdują się wolne przestrzenie. Ile tej pustki tam jest? Możemy to sprawdzić wlewając do naszego akwarium wodę. Ta będzie powoli przepływać przez piasek w dół i wypełniać od spodu wolną przestrzeń międzyziarnową. Jeżeli piasek jest w miarę czysty i wyrównany pod względem wielkości ziaren, jego porowatość może sięgać 40%. Ze wzrostem różnicy uziarnienia i  wzrostem domieszek drobnego pyłu, porowatość będzie maleć.

Woda, która zaczyna wsiąkać w grunt po opadzie częściowo zostanie związana przez życie organiczne w glebie, zaabsorbowana przez korzenie roślin, związana chemicznie z substancjami mineralnymi czy fizycznie przez zjawiska kapilarne (te same, które powodują menisk w szklance). Reszta zaczyna swoją podróż w dół pod wpływem grawitacji i osiąga albo nieprzepuszczalne warstwy podłoża albo powierzchnię wody, która już wypełniła wcześniej przestrzeń porową czyli tzw. zwierciadło wód podziemnych.

3. Zwierciadła, zbiorniki i żyły.

Radiesteci, różdżki i krasnale. Krasnale są postaciami bajkowymi, radiesteci niestety nie. Istnieją i opowiadają bajki o żyłach i promieniowaniu. Tymczasem nie istnieje nic takiego jak żyły wodne. Za to są zbiorniki. Bo tak określa się tą część utworów pod powierzchnią ziemi, w których przestrzeń porową wypełnia woda. Podobnie jak w naszym przykładowym akwarium będzie to cała przestrzeń w dolnej jego części. Nie ma tu żadnej żyły, cieku ani pola geopatycznego. Jest jednorodna warstwa osadu nasycona wodą. Warstwa wodonośna.

Czas z modelowego akwarium wybrać się w teren. A przyroda to już nie jest przesiany piasek w szklanym zbiorniku. Pod stopami mamy zróżnicowane warstwy utworów o różnej przepuszczalności. Na wierzchu zazwyczaj gleba, poniżej skały i tu musimy zahaczyć o kwestie budowy geologicznej danego obszaru. Dla naszych rozważań możemy przyjąć, że znaczna część Polski pokryta jest osadami piaszczystymi i żwirowymi. Częściowo związanymi bezpośrednio z epoką lodową, częściowo z działalnością płynących w tamtym okresie i później dużych rzek. Tak będzie wyglądał w uproszczeniu cały Niż Polski, i wszystkie doliny rzeczne. Bardziej skomplikowana sytuacja jest w obszarach górskich i wyżynnych ale to sobie zostawmy na inną okazję. 

Nasz kolejny rysunek przedstawia taki schematyczny przekrój przez warstwy skalne, gdzieś na nizinach. Niech to będzie mały wycinek gdzie woda wypełnia do pewnej głębokości warstwę utworów piaszczystych i żwirowych, tworzy w nich warstwę wodonośną. Ponieważ od góry nic nie ogranicza wody w warstwie piasków i zwierciadło może swobodnie podnosić się i opadać wraz z ilością wody która dostaje się np. z powierzchni mówimy, że zwierciadło jest swobodne. A czy mogą być inne?

Zmieńmy perspektywę i popatrzmy jeszcze szerzej. Na kolejnym schemacie nasz poprzedni rysunek to jakiś mały fragment w górnej części. Utwory nieprzepuszczalne, kóre podścielają naszą warstę wodonośną (na rysunku te brązowe, niech to będą jakieś gliny) stanowią jednocześnie izolację dla wody uwięzionej w niższym poziomie, w piaskach i żwirach znajdujących się pod gliną. Jak tam się znalazła woda to temat na osobny rozdział. Tutaj powiedzmy jeszcze tyle, że jeżeli wykopiemy sporą dziurę np. pod fundament albo uruchamiając żwirownię, to jeżeli dokopiemy się do poziomu gdzie znajduje się zwierciadło wód podziemnych, to będziemy mieli taką sytuację jak po prawej stronie.

To powinno być dla was kluczowe spostrzeżenie:

• Kiedy widzicie powierzchnię wody w stawie czy jeziorze to możecie sobie wyobrazić, że lustro wody kontynuuje się w miarę swobodnie pod powierzchnią ziemi na zbliżonej głębokości. Wnika w grunt i jest gdzieś pod waszymi stopami!

Jeżeli zajrzycie do studni (ostrożnie!) to zobaczycie tę samą powierzchnię wody. To zwierciadło przecina powierzchnię gruntu w naturalnych obniżeniach i wtedy pojawia się jezioro albo rzeka.

3. Wszystko płynie

Na jednym z powyższych diagramów była niebieska strzałka, która sugerować może, że woda pod ziemią się porusza. I jest tak istotnie. Stałe dostawy wody opadowej  z powierzchni bez jakiegoś systemu jej odprowadzania z warstwy wodonośnej spowodowałyby, że prędzej czy później woda podeszła by do powierzchni gruntu (co się czasem zdarza). W całym systemie to właśnie rzeki wodę odbierają nie tylko ze spływu powierzchniowego ale także z warstwy wodonośnej. Jak wspomnieliśmy przed momentem, zwierciadło wody ma kontakt z powierzchnią wody w rzece. Dopóki poziom tego zwierciadła jest wyżej niż dno koryta woda z warstwy wodonośnej zasila rzekę albo możemy powiedzieć, że rzeka drenuje warstwę wodonośną. Przy czym woda przemieszcza się nie tylko na samej powierzchni warstwy wodonośnej ale przez całą jej objętość. Odbywa się to dosyć wolno - w porównaniu do wód powierzchniowych - ale przez przestrzeń porową odbywa się stały przepływ wody. Można określić kierunki tego przepływu, jego nasilenie, modelować jego zachowanie w przypadku eksploatacji czy rozchodzenia się ewentualnych zanieczyszczeń. 

Jeżeli dokopiemy się warstwy wodonośnej np. rowem melioracyjnym będziemy z warstwy wodonośnej drenować wodę i obniżać zwierciadło wody w rejonie rowu. Podobnie możemy robić to pompując wodę ze studni. Lokalnie, wokół miejsca gdzie jest studnia, zwierciadło wody obniży się tworząc tak zwany lej depresji. Jego rozmiar zależny będzie od ilości pompowanej wody oraz prędkości dopływu wody do studni (przez czysty piach i żwir woda filtruje szybciej niż przez gliny czy iły). Takie zjawisko jest wykorzystywane bardzo często kiedy chcemy obniżyć zwierciadło wody na jakimś obszarze, np. wokół wykopu fundamentowego czy kopalni.

Zazwyczaj po zaprzestaniu pompowania zwierciadło wraca do pierwotnego stanu. Czasem efekt może być jednak trwały. Na skutek intensywnej eksploatacji dokonano istotnych zmian w strukturze podziemnych zasobów wód nie tylko w USA o czym wspominała we wpisie niedawno jedna z hejtowiczek ale mamy też lokalny przykład. Tzw. niecki artezyjskie Łódzka i Warszawska zostały na przestrzeni ok. stu lat przeeksploatowane i zwierciadło obniżyło się tam o nawet kilkadziesiąt metrów, tzn. zasilanie poziomu wodonośnego nie nadążą za eksploatacją. Co prawda jest to inny układ hydrogeologiczny ale pokazuje, że wydawałoby się niewyczerpane zasoby są jednak ograniczone. 

4. Na koniec garść linków.

Każde z poruszonych powyżej zagadnień można oczywiście rozszerzyć. Jeżeli macie jakieś pytania to zapraszam, mogę zrobić artykuł o szczególnie interesującym was temacie. Ale w Internetach jest już prawie wszystko. Na filmikach pan bawi się ze szklanym akwarium https://www.youtube.com/watch?v=bG19b06NG_w&t=582s pokazując przepływ wody i jak działa studnia.

Zmiany w ilości opadów i ich rozkładzie można podejrzeć np. tutaj https://www.youtube.com/watch?v=P-7jYUAznXU

Występowanie tzw. niżówek hydrogeologicznych jest opracowane tutaj https://www.pgi.gov.pl/psh/materialy-informacyjne-psh/informatory-psh/4715-nizowki-hydrogeologiczne-w-polsce-w-latach-1981-2015.html

Nie wdaję się w dyskusje dotyczące retencji, wycinek, melioracji i podlewania trawnika bo to całe uniwersum do którego zgłębiania macie być może po tym artykule odrobinę większe pojęcie skąd pod ziemią bierze się woda a taki był mój cel.

***
Część rysunków ukradłem, cześć wygenerowałem a część zrobiłem prawie sam, przeczyta to maksymalnie ze 100 osób więc nie przejmowałem się podawaniem źródeł ilustracji.

#przyroda #woda #geologia #pogodaiklimat