Schematyczne przedstawienie wód podziemnychStrefy dynamiki hydrogeologicznej wód podziemnych
Dział geografii zajmujący się wodami podziemnymi tohydrogeologia[1].
Modelowy przykład wód podziemnych to wody pochodzące zopadów atmosferycznych i wsiąkające w ziemię, czyliwody infiltracyjne. Woda opadowa przesiąka przez przepuszczalne utwory skalne, np. piaski i zatrzymuje się na spągu warstwy o niskiejprzepuszczalności lub nieprzepuszczalnej[2]. Zaczyna się gromadzić, wypełniając puste przestrzenie (pory i szczeliny) w skale przepuszczalnej[2]. Strefa, w której wszystkie szczeliny i pory są wypełnione wodą tostrefa saturacji (strefa nawodniona, strefa nasycenia wodą)[2][3]. Ponad strefą saturacji znajduje sięstrefa aeracji (napowietrzenia), która sięga powierzchniZiemi[2][3]. Granicę tych stref stanowizwierciadło wód podziemnych, czyli powierzchnia wód podziemnych[2][3]. Fizycznie jest to umowna linia równowagi międzyciśnieniem atmosferycznym, aciśnieniem hydrostatycznym wód podziemnych.
Zasoby wód podziemnychsłodkich są szacowane na 10 053 000 km³, co stanowi 30,1% całkowitej ilościwód słodkich[5], a wliczając słone wody podziemne to są one trzecim (powodach oceanicznych ilodowcach) zbiornikiem wód na Ziemi (23 400 000 km³ – ok. 1,7% zasobówhydrosfery)[a][6].
Wody podziemne przemieszczają się w skałach pod wpływemgrawitacji iciśnienia hydrostatycznego i gromadzą się w trzech strefach, wyróżnionych ze względu na intensywność wymiany[7]:
strefa utrudnionej wymiany – również uczestniczą wcyklu hydrologicznym, strefę drenażu stanowią głębokiedoliny rzeczne,depresje idna oceaniczne, czas całkowity wymiany jest zdecydowanie dłuższy i sięga kilkunastu tysięcy lat, są to wody dawne, występują na głębokościach ok. 400 metrów w głąbZiemi.
strefa stagnacji, strefa zredukowanej wymiany – większość z nich znajduje się w bezruchu, co jest spowodowane brakiem drenażu i zasilania, stanowią zdecydowaną większość zasobów wód podziemnych, ich całkowity czas wymiany sięga nawet kilkudziesięciu milionów lat, występują na głębokości nawet do 2 km od powierzchni Ziemi, ich udział wcyklu jest nikły.
Istnieje wiele klasyfikacji wód podziemnych. Najważniejsze to: klasyfikacja genetyczne (ze względu na sposób powstawania) oraz klasyfikacja ze względu na miejsce i sposób występowania.
wody reliktowe (szczątkowe) – powstają poprzez uwięzienie wód w nieprzepuszczalnych warstwach skalnych, przez co są one odizolowane, nieodnawialne i nie uczestniczą wcyklu hydrologicznym[13][15].
Wody podziemne mogą występować wstrefie aeracji oraz wstrefie saturacji. Przy czym w strefie napowietrzenia występująwody wolne i wody związane, zaś w strefie nasycenia tylko wody wolne.
woda krystalizacyjna – wchodzi w skład minerałów (np. gipsu, wodorotlenków żelaza, tlenków krzemu), nie uczestniczy wcyklu hydrologicznym, jest to woda związana chemicznie[16].
woda związana fizycznie (woda molekularna) – woda związana z cząstkami gruntu siłami molekularnymi[16].
woda higroskopowa – występująca w postaci cienkiej warstewki cząsteczek wody, pochodzącymi z adsorpcji pary wodnej, otaczającej ziarno skalne[17][18][19].
woda błonkowata – występująca w postaci cienkiej (grubszej niż higroskopowa) warstewki wody, powstająca kiedy adsorpcja pary wodnej nie zachodzi, dzięki zjawisku adhezji wiązane są cząsteczki z wody wsiąkowej i kapilarnej[20][18][21].
wody głębinowe – znajdują się głęboko pod powierzchnią i są uwięzione pod warstwami skał nieprzepuszczalnych (wody reliktowe), nie są zasilane (są nieodnawialne), są często silnie zmineralizowane oraz mogą być ogrzane ciepłem Ziemi[34][35][36].
Zwierciadło wód podziemnych może być swobodne lub napięte, czyli wymuszone przez nadległe warstwy skalne. Wyróżnia się w związku z tymwody swobodne iwody naporowe[37].
Wody naporowe znajdują się pod pewnym ciśnieniem, które jest zwaneciśnieniem piezometrycznym[38][35]. Jego wartość jest odzwierciedlana przez linię ciśnienie piezometrycznego i jeżeli znajduje się ona poniżej powierzchni terenu ciśnienie nazywa się subartezyjskim i odpowiednio wody naporowesubartezyjskimi, jeżeli jednak przebiega powyżej powierzchni topograficznej to będzie to ciśnienie artezyjskie i odpowiedniowody artezyjskie[38][35][39].
Podział ze względu na rodzaj skał, w których występują
wody warstwowe – wypełniają pory skalne, tworząc warstwy wodonośne, mogą być naporowe lub swobodne[40]. Mogą być wodami przypowierzchniowymi, gruntowymi, wgłębnymi i głębinowymi zarówno w zwierciadle napiętym, jak i swobodnym[41].
wody szczelinowe – wypełniają spękania w skałach litych[42][43][44]o różnej genezie, kształcie, wielkości i układzie. Ilość wód szczelinowych jest uzależniona od gęstości szczelin. Ruch wody w szczelinach odbywa się w zmiennym kierunku i z różną prędkością, w pionie i w poziomie. Jest podporządkowany tektonice i ciśnieniu hydrostatycznemu. Wyróżnia się zasilanie wód szczelinowych bezpośrednie (gdy szczeliny dochodzą do powierzchni i woda opadowa bezpośrednio spływa nimi w głąb) lub pośrednie (gdy szczeliny przykryte są utworami przepuszczalnymi, np. zwietrzlina lub osadami piaszczystymi). Zwierciadło wód szczelinowych na ogół jest swobodne i nie wykazuje związku z ukształtowaniem terenu. Wody szczelinowe występują na różnych głębokościach, mogą być zarówno przypowierzchniowe, jak i gruntowe (oba rodzaje w szczelinach wietrzeniowych) lub też szczelinowe wody wgłębne (te w szczelinach tektonicznych)[41].
wody krasowe – wypełniają próżnie w skałach powstałe w wynikuprocesów krasowych[45][43][46]. Wypełniają też kanały i kawerny powstające w wyniku ługowania wapieni, dolomitów, gipsów oraz halitu. Od wód szczelinowych różnią się wielkością próżni, w których występują. Są zasilane bezpośrednio lub pośrednio przez opady atmosferyczne lub wody powierzchniowe. Zasilanie wód krasowych jest intensywne. Zwierciadło wód krasowych zależy od zasilania opadowego i nie wykazuje związku z ukształtowaniem powierzchni. Krążenie wód w obszarach krasowych jest zależne zarówno od budowy geologicznej, jak i geomorfologii. W układzie krążenia wód krasowych wyróżnia się ruch pionowy, zasilający i poziomy wyprowadzający wody krasowe na powierzchnię często w postaciwywierzysk[41].
Istnieją również formy przejściowe: wody warstwowo-szczelinowe czy wody szczelinowo-krasowe.
Zawartośćzwiązków mineralnych w wodzie nazywamy jej mineralizacją. Istnieje bardzo duża ilość szczegółowych podziałów wód podziemnych ze względu na obecność konkretnych jonów lub grup jonów. Podstawowy podział wód podziemnych zaproponowany przezZdzisława Pazdrę, wyodrębnia poszczególne jej rodzaje na podstawie ilości tzw.pozostałości suchej (tu oznaczona jako S), czyli osadu pozostałego po odparowaniu H2O[50]:
Wody podziemne są szeroko wykorzystywane w gospodarce.
Najważniejszym wykorzystaniem wód podziemnych jest pozyskiwaniewody wodociągowej, ale przede wszystkim wody dlaprzemysłu[52]. Wykorzystuje się do tego celu np.studnie, które pozwalają na wydobycie wody z warstw wodonośnych. Specyficznym rodzajem studni są studnie artezyjskie, które do wydobycia wody na powierzchnię wykorzystująciśnienie piezometryczne wód naporowych, dzięki któremu woda wydostaje się przez studnie samoistnie. Najczęściej w tych celach eksploatuje sięwody wgłębne lubgruntowe (wgłębne są czystsze i często artezyjskie co ułatwia wydobycie).
Wody mineralne dzięki zawartości pewnych związków chemicznych mogą posiadać właściwościlecznicze i być wykorzystywane wuzdrowiskach[54]. Najszerzej wykorzystywanym wodami mineralnymi są tzw.solanki, czyli wody o dużej zawartościjonów chlorkowych isodowych[55].
Jerzy Kowalski: Hydrogeologia z podstawami geologii. Wyd. III. Wrocław: Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, 2007, s. 72–88.ISBN 978-83-60574-14-0.
