Υδρογεωλογία

Γενικά

Η υδρογεωλογία (ύδωρ-σημαίνει νερό, και γεωλογία που σημαίνει τη μελέτη της Γης) είναι η περιοχή της γεωλογίας που ασχολείται με την κατανομή και την κίνηση των υπόγειων υδάτων στο έδαφος και τους βράχους του φλοιού της Γης (συνήθως στους υδροφορείς). Οι όροι υδρολογία υπόγειων υδάτων, γεωϋδρολογία, υδρογεωλογία και μηχανική των υπόγειων υδάτων, χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά. Η μηχανική των υπόγειων υδάτων, ένα άλλο όνομα για την υδρογεωλογία, είναι ένας κλάδος της μηχανικής που ασχολείται με την κίνηση των υπόγειων υδάτων και το σχεδιασμό των φρεατίων, των αντλιών και των αποχετεύσεων. [1] Οι κύριες ανησυχίες στη μηχανική υπόγειων υδάτων περιλαμβάνουν τη μόλυνση των υπόγειων υδάτων, τη διατήρηση των προμηθειών και την ποιότητα των υδάτων. [2] Τα πηγάδια κατασκευάζονται για χρήση σε αναπτυσσόμενες χώρες, καθώς και για χρήση σε ανεπτυγμένες χώρες, σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες με ενα σύστημα ύδρευσης πόλης. Τα πηγάδια/κατακόρυφα φρεάτια πρέπει να σχεδιάζονται και να συντηρούνται για να διατηρούν την ακεραιότητα του υδροφορέα και να αποτρέπουν την προσβολή των υπόγειων υδάτων απο μολυσματικές ουσίες. Η διαμάχη προκύπτει στη χρήση των υπόγειων υδάτων όταν η χρήση του επηρεάζει τα συστήματα επιφανειακών υδάτων ή όταν η ανθρώπινη δραστηριότητα απειλεί την ακεραιότητα του τοπικού συστήματος υδροφορέων.

Υδρογεωλογία σε σχέση με άλλες επιστήμες

Η υδρογεωλογία, όπως αναφέρεται παραπάνω, είναι ένας κλάδος των επιστημών της γης που ασχολούνται με τη ροή του νερού μέσω υδροφορέων και άλλων ρηχών πορωδών μέσων (συνήθως λιγότερο από 450 μέτρα κάτω από την επιφάνεια του εδάφους). Η πολύ ρηχή ροή του νερού στην επιφάνεια της γης (το ανώτερο 3 m) σχετίζεται με τους τομείς της επιστήμης του εδάφους, της γεωπονίας και της πολιτικής μηχανικής, καθώς και της υδρογεωλογίας. Η γενική ροή υγρών (νερό, υδρογονάνθρακες, γεωθερμικά υγρά, κ.λπ.) σε βαθύτερους σχηματισμούς αποτελεί επίσης ανησυχία επαγγελματιών γεωλόγων, γεωφυσικών, γεωλόγων πετρελαίου, γεωλόγων μηχανικών. Τα υπόγεια ύδατα είναι ένα αργό- κινούμενα υγρά (με αριθμό Reynolds μικρότερο της μονάδας). Πολλοί από τους εμπειρικά παραγόμενους νόμους της ροής των υπόγειων υδάτων μπορούν εναλλακτικά να προέρχονται από τη μηχανική των ρευστών από την ειδική περίπτωση της ροής Stokes (όροι ιξώδους και πίεσης, αλλά όχι αδρανειακός όρος). Ένα πιεζόμετρο είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της υδραυλικής κεφαλής των υπόγειων υδάτων.

Οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη ροή του νερού μέσω πορωδών μέσων είναι ο νόμος του Darcy και οι εξισώσεις διάχυσης και Laplace, οι οποίες έχουν εφαρμογές σε πολλά διαφορετικά πεδία. Η σταθερή ροή των υπόγειων υδάτων (εξίσωση Laplace) προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρικές, ελαστικές και αναλογίες θερμικής αγωγιμότητας. Η παροδική ροή υπόγειων υδάτων είναι ανάλογη με τη διάχυση της θερμότητας σε ένα στερεό, επομένως ορισμένες λύσεις σε υδρολογικά προβλήματα έχουν προσαρμοστεί από τη βιβλιογραφία της επιστήμης των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας. Παραδοσιακά, η κίνηση των υπόγειων υδάτων έχει μελετηθεί χωριστά από τα επιφανειακά ύδατα, την κλιματολογία, ακόμη και τις χημικές και μικροβιολογικές πτυχές της υδρογεωλογίας (οι διαδικασίες είναι αποσυνδεδεμένες). Καθώς το πεδίο της υδρογεωλογίας ωριμάζει, οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των υπόγειων υδάτων, των επιφανειακών υδάτων, της χημείας των υδάτων, της υγρασίας του εδάφους και ακόμη και του κλίματος γίνονται πιο σαφείς.

Η Καλιφόρνια και η Ουάσινγκτον απαιτούν ειδική πιστοποίηση υδρογεωλόγων για να προσφέρουν επαγγελματικές υπηρεσίες στο κοινό. Είκοσι εννέα πολιτείες απαιτούν επαγγελματική άδεια για γεωλόγους να προσφέρουν τις υπηρεσίες τους στο κοινό, η οποία συχνά περιλαμβάνει εργασία εντός των τομέων ανάπτυξης, διαχείρισης και / ή αποκατάστασης πόρων υπόγειων υδάτων. [3] Για παράδειγμα: η ταπείνωση του υδροφόρου ορίζοντα ή η υπερπροσφορά και η άντληση ορυκτών υδάτων μπορεί να συμβάλουν στην αύξηση της στάθμης της θάλασσας. [4]

Θέματα που απασχολούν την επιστήμη της υδρογεωλογίας

Ένα από τα κύρια καθήκοντα που συνήθως εκτελεί ένας υδρογεωλόγος είναι η πρόβλεψη της μελλοντικής συμπεριφοράς ενός συστήματος υδροφόρου, με βάση την ανάλυση των παρατηρήσεων του παρελθόντος και του παρόντος. Μερικές υποθετικές, αλλά χαρακτηριστικές ερωτήσεις που τέθηκαν θα ήταν:

• Μπορεί ο υδροφορέας να υποστηρίξει μια άλλη υποδιαίρεση;
• Θα στεγνώσει το ποτάμι εάν ο αγρότης διπλασιάσει την άρδευση;
• Τα χημικά από την εγκατάσταση στεγνού καθαρισμού, μπορούν να ταξίδεψαν μέσω του υδροφορέα στο πηγάδι μου και να με κάνουν άρρωστο;
• Μπορεί ο αγωγός των λυμάτων που αφήνει το σηπτικό σύστημα του γείτονά μου να ρέει στο πόσιμο νερό μου;

Οι περισσότερες από αυτές τις ερωτήσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν μέσω προσομοίωσης του υδρολογικού συστήματος (χρησιμοποιώντας αριθμητικά μοντέλα ή αναλυτικές εξισώσεις). Η ακριβής προσομοίωση του συστήματος υδροφορέων απαιτεί γνώση των ιδιοτήτων και των οριακών συνθηκών του υδροφορέα. Ως εκ τούτου, ένα κοινό καθήκον του υδρογεωλόγου είναι ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων του υδροφορέα χρησιμοποιώντας δοκιμές υδροφορέα.

Για τον περαιτέρω χαρακτηρισμό των υδροφορέων και των περατών εδαφικών στρωμάτων παρουσιάζονται παρακάτω ορισμένες βασικές και παράγωγες φυσικές ιδιότητες. Οι υδροφορείς ταξινομούνται ευρέως ως περιορισμένοι ή μη περιορισμένοι (υδροφορείς επιτραπέζιου νερού) και είτε κορεσμένοι είτε ακόρεστοι. Ο τύπος του υδροφορέα επηρεάζει τις ιδιότητες που ελέγχουν τη ροή του νερού σε αυτό το μέσο (π.χ., η απελευθέρωση νερού από την αποθήκευση για περιορισμένους υδροφορείς σχετίζεται με την αποθήκευση, ενώ σχετίζεται με τη συγκεκριμένη απόδοση για τους μη περιορισμένους υδροφορείς).

Υδροφόροι ορίζοντες

Ένας υδροφορέας είναι μια συλλογή νερού κάτω από την επιφάνεια της γης, σημαντικού μεγέθους ώστε να είναι χρήσιμη σε μια πηγή ή ένα πηγάδι. Οι υδροφορείς μπορούν να είναι απεριόριστοι, όπου η κορυφή του υδροφορέα ορίζεται από την άνω επιφάνεια της ζώνης κορεσμού, ή περιορισμένοι, όπου ο υδροφορέας υπάρχει κάτω από ένα στρώμα από σαφώς λιγότερο διαπερατό υλικό. [5]

Υπάρχουν τρεις πτυχές που ελέγχουν τη φύση των υδροφορέων: στρατογραφία, λιθολογία και γεωλογικούς σχηματισμούς και αποθέσεις. Η στρωματογραφία σχετίζεται με την ηλικία και τη γεωμετρία των πολλών σχηματισμών που συνθέτουν τον υδροφορέα. Η λιθολογία αναφέρεται στα φυσικά συστατικά ενός υδροφορέα, όπως η σύνθεση των ορυκτών και το μέγεθος των κόκκων. Τα δομικά χαρακτηριστικά είναι τα στοιχεία που προκύπτουν λόγω παραμορφώσεων μετά την απόθεση, όπως ρήγματα, ρωγματωσεις πετρωμάτων και πτυχώσεις. Η κατανόηση αυτών των πτυχών είναι υψίστης σημασίας για την κατανόηση του τρόπου σχηματισμού ενός υδροφορέα και του τρόπου με τον οποίο οι επαγγελματίες μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για την μηχανική των υπόγειων υδάτων.

Υδραυλικό φορτίο

Οι διαφορές στο υδραυλικό φορτίο (h) προκαλούν τη μετακίνηση του νερού από το ένα μέρος στο άλλο. το νερό ρέει από υψηλότερο δυναμικό σε χαμηλότερο δυναμικό. Το υδραυλικό φορτίο αποτελείται από το ύψος πίεσης (h) και το ύψος θέσης (z). Η διαβάθμιση υδραυλικού φορτίου είναι η αλλαγή του υδραυλικού φορτίου ανά μήκος της ροής (s) και φαίνεται στο νόμο του Darcy ως ανάλογη με την εκφόρτιση. Το υδραυλικό φορτίο είναι μια άμεσα μετρήσιμη ιδιότητα που μπορεί να έχει οποιαδήποτε αξία (λόγω του αυθαίρετου δεδομένου που εμπλέκεται στον όρο z). Το ψ μπορεί να μετρηθεί με έναν μορφοτροπέα πίεσης (αυτή η τιμή μπορεί να είναι αρνητική, π.χ. αναρρόφηση, αλλά είναι θετική σε κορεσμένους υδροφορείς), και το z μπορεί να μετρηθεί σε σχέση με ένα δεδομένο στοιχείο (συνήθως το πάνω μέρος του περιβλήματος του φρεατίου). Συνήθως, στα πηγάδια που αγγίζουν μη περιορισμένους υδροφορείς, η στάθμη του νερού σε ένα πηγάδι χρησιμοποιείται ως πληρεξούσιο για τo υδραυλικό φορτίο, υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει κάθετη κλίση πίεσης. Συχνά απαιτούνται μόνο αλλαγές στο υδραυλικό φορτίο με το χρόνο, οπότε ο όρος σταθερoύ ύψους πίεσης μπορεί να παραλειφθεί (Δh = Δψ).

Μια καταγραφή του υδραυλικού φορτίου με την πάροδο του χρόνου σε ένα φρεάτιο είναι ένα υδρογράφημα ή, οι αλλαγές στο υδραυλική φορτίο που καταγράφονται κατά την άντληση ενός φρεατίου σε μια δοκιμή καλούνται πτώση της στάθμης.

Βιβλιογραφικές αναφορές

1. The Ohio State University, College of Engineering (2018). Groundwater Engineering (5240). https://ceg.osu.edu/courses/groundwater-engineering-5240-0
2. ^ Walton, William C. (November 1990). Principles of Groundwater Engineering, p. 1. CRC Press. ISBN 978-0-873-71283-5.
3. ^ "10 TPG • JAN/FEB 2012 www.aipg.org What Geology Students Need To Know About Professional Licensure" (PDF). American Institute of Professional Geologists. AIPG. Retrieved 2017-04-24.
4. ^ "Rising sea levels attributed to global groundwater extraction". University of Utrecht. Retrieved February 8, 2011.
5. ^ North Carolina Department of Environmental Quality (2018). Basic Hydrogeology.https://www.ncwater.org/?page=560
6. ^ Birzeit University, Groundwater Engineering. Groundwater potential and Discharge Areashttp://www.hwe.org.ps/Education/Birzeit/GroundwaterEngineering/Chapter%204%20-%20Groundwater%20Potential%20and%20Discharge%20Areas.pdf
7. ^ Bense, V.F.; Gleeson, T.; Loveless, S.E.; Bour, O.; Scibek, J. (2013). "Fault zone hydrogeology". Earth-Science Reviews. 127: 171–192. Bibcode:2013ESRv..127..171B. doi:10.1016/j.earscirev.2013.09.008.
8. ^Hadley, Daniel R.; Abrams, Daniel B.; Roadcap, George S. (2020). "Modeling a Large‐Scale Historic Aquifer Test: Insight into the Hydrogeology of a Regional Fault Zone". Groundwater. 58 (3): 453–463. doi:10.1111/gwat.12922. ISSN 0017-467X. PMID 31290141.
9. ^ Gelhar, W., Welty, C., Rehfeldt, K., (1992). A Critical Review of Data on Field-Scale Dispersion in Aquifers. Retrieved from http://www.cof.orst.edu/cof/fe/watershd/fe537/labs_2007/gelhar_etal_reviewfieldScaleDispersion_WRR1992.pdf
10. ^ Oklahoma State. Henry Darcy and His Law September 3, 2003. https://bae.okstate.edu/faculty-sites/Darcy/1pagebio.htm
11. ^ "Meinzer, Oscar Edward" http://go.galegroup.com/ps/i.do?id=GALE%7CCX2830902895&v=2.1&u=nclivensu&it=r&p=GVRL&sw=w&asid=88753af7557df17de94c1979354d8c74
12. ^ The energy balance of groundwater flow applied to subsurface drainage in anisotropic soils by pipes or ditches with entrance resistance. International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands. On line : [1]Archived 2009-02-19 at the Wayback Machine . Paper based on: R.J. Oosterbaan, J. Boonstra and K.V.G.K. Rao, 1996, “The energy balance of groundwater flow”. Published in V.P.Singh and B.Kumar (eds.), Subsurface-Water Hydrology, p. 153-160, Vol.2 of Proceedings of the International Conference on Hydrology and Water Resources, New Delhi, India, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. ISBN 978-0-7923-3651-8 . On line : [2] . The corresponding free computer program EnDrain can be downloaded from web page : [3], or from : [4]
13. ^ ILRI, 2000, Subsurface drainage by (tube)wells: Well spacing equations for fully and partially penetrating wells in uniform or layered aquifers with or without anisotropy and entrance resistance, 9 pp. Principles used in the "WellDrain" model. International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands. On line: [5] . Free download "WellDrain" software from web page : [6], or from : [7]
14. ^ "OpenGeoSys". Helmholtz centre for environmental research. Retrieved 18 May 2012.
15. ^ "OpenGeoSys Website". Helmholtz centre for environmental research. Retrieved 28 April 2014.
16. ^ LeVeque, Randall J., 2002, Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press, Aug 26, 2002 ISBN 0521009243
17. ^ Toro, 1999
18. ^Tegel, Willy; Elburg, Rengert; Hakelberg, Dietrich; Stäuble, Harald; Büntgen, Ulf (2012). "Early Neolithic Water Wells Reveal the World's Oldest Wood Architecture". PLoS ONE. 7 (12): e51374. doi:10.1371/journal.pone.0051374. PMC 3526582. PMID 23284685.
19. ^ "Introduction to Ground Water Extraction Technologies: Borehole, Shallow Well, and Tube Well" http://www.wateringmalawi.org/Watering_Malawi/Resources_files/Boreholewells.pdf
20. ^ Harter, Thomas. ANR Publication 8086. Water Well Design and Constructionhttp://groundwater.ucdavis.edu/files/156563.pdf
21. ^ Sutton, Deb. Alberta Agriculture and Forestry (May 2017). Design and Construction of Water Wells https://www1.agric.gov.ab.ca/$department/deptdocs.nsf/all/wwg408
22. ^ Jump up to:^{a b c d e f g h} Matlock, Dan. 'Fundamentals of Water Well Design, Construction and Testing.' Pacific Groundwater Group.
23. ^ Groundwater Foundation (2018). Groundwater Contaminationhttp://www.groundwater.org/get-informed/groundwater/contamination.html
24. ^ Vaidyanathan, Gayathri. Scientific American (April 2016). Fracking can contaminate groundwater https://www.scientificamerican.com/article/fracking-can-contaminate-drinking-water/
25. ^ Scheck, Tom and Tong, Scott. APM Reports (December 2016). EPA reverses course, highlights fracking contamination of drinking waterhttps://www.apmreports.org/story/2016/12/13/epa-fracking-contamination-drinking-water
26. ^ Jump up to:^{a b} "Groundwater, Rivers, Ecosystems, and Conflicts" http://waterinthewest.stanford.edu/groundwater/conflicts/index.html
27. ^ "Colorado mulls state limit for groundwater contamination from PFCs" https://www.denverpost.com/2017/09/17/colorado-state-limit-pfcs-contamination-groundwater/
28. ^ “Groundwater.” Colorado Geological Survey, 5 Mar. 2018, coloradogeologicalsurvey.org/water/groundwater/
29. ^ Jump up to:^{a b c}
30. ^ Foster, Stephen D; Hirata, Ricardo; Howard, Ken W. F (2010). "Groundwater use in developing cities: Policy issues arising from current trends". Hydrogeology Journal. 19 (2): 271–4. doi:10.1007/s10040-010-0681-2.
31. ^ Groundwater Foundation (2018). What is groundwater? http://www.groundwater.org/get-informed/basics/groundwater.html
32. ^ Perlman, Howard, and USGS. “Groundwater Use in the United States.” Groundwater Use, the USGS Water Science School, water.usgs.gov/edu/wugw.html.