SVOJSTVA PODZEMNIH VODA

Nikola Barić,Ivan Goršek

Fizikalna svojstva podzemnih voda:• temperatura, mutnoća (prozirnost),

obojenje, električna vodljivost i radioaktivnost

Organoleptička svojstva:• okus i miris

Spomenuta svojstva ovise o: mineralnom sastavu geološke sredine, postanku podzemne vode, dubini zalijeganja, kemijskom sastavu, povezanošću s površinom

TEMPERATURA PODZEMNIH VODA

• Osnovni parametar koji utječe na hidrogeokemijske procese

• Uglavnom se kreće u granicama od 0C do 100C

• pothlađene podzemne vode u tekućem stanju (ispod 0C) - u predjelima vječnog leda

• pregrijane vode (iznad 100C) –u dubokim kanalima gejzira

• Smatra se da vode s višom temperaturom predstavljaju pregrijanu paru

• Najveća izmjerena temperatura podzemne vode je 161 C

Temperatura podzemnih voda ovisi o:

• geografska širina

• nadmorska visina

• dubina ispod površine zemlje

• brzina protjecanja

• geološka i fizikalna svojstva stijena

Na temperaturu vode koja se nalazi plitko ispod površine utječu oscilacije temperature zraka, insolacija, temperatura i količina oborina, antropogeni činitelji, itd

Primjer krivulje smanjenja dnevnih kolebanja temperature u tluq = koeficijent geometrijske progresije, r = razlika aritmetičke progresije, h = dubina mjerenja u tlu, Δt = temperatura

Amplitude oscilacije se prigušuju približno po geometrijskoj progresiji s aritmetičkim povećanjem dubine

Najprije se, po dubini, gube dnevne oscilacije pa sezonske, zatim godišnje.

U vezi s tim postoje četiri zone s obzirom na oscilacije temperature: • zona dnevnih oscilacija (do 0,8-1,0 m)• zona sezonskih oscilacija (5-8 m)• zona godišnjih oscilacija (15-40 m)• zona postojane temperature (više od 15-40 m) – termički neutralna

zona

• Dubina zona ovisi o : toplinskoj vodljivosti stijena, njihovoj teksturi i strukturi, vlažnosti i šupljikavosti, nagnutosti i izloženosti terena,…

• Temperature podzemnih voda se mijenjaju u skladu s temperaturama zraka, no sa zakašnjenjem od 1-2 mjeseca – to se tumači topinskom tromošću stijena

• Termički neutralna zona je ona u kojoj ne dolazi do oscilacije temperature.

Termičke zonePrema teoriji, postoje dvije termičke zone. Po jednoj

podjeli to su:• heliotermička zona – u kojoj na termiku stijena i voda

utjecaj ima sunčevo zračenje• geotermička zona – koja je ispod termički neutralne

zone i na nju utječe unutarnja toplina zemlje

A po drugoj:• heterotermička zona – koja seže do termiči neutralne

zone• homotermička zona – u kojoj porast temperature ovisi

o toplini iz dubine

• ispod zone postojane temperature se temperatura podzemne vode povećava u skladu s vrijednostima geotermijskog stupnja

• t = temperatura podzemne vode na dubini H C,• tpr = prosječna godišnja temperatura zraka na danoj lokaciji C,

• Ak = korekcijski član za nadmorsku visinu [ºC],

• H = dubina na kojoj se nalazi podzemna voda m,• Hconst = dubina na kojoj počinje zona postojane temperature m,

• gs = geotermijski stupanj m/C]

s

constkpr g

HHAtt

gzs G

1

tt

Hg

[m/ºC]

• tz = prosječna temperatura zraka C,Gg = geotermijski gradijent C/m.

U Hrvatskoj:

Dinaridi : gs = 67m/°C (Gg = 1,5°C/100m)

Dravska potolina : gs = 18m/°C (Gg = 5,5°C/100m)

Geotermijski stupanj

Hidrogeološka podjela (ovisi o prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka tpr):

• hladne podzemne vode t < tpr • obične podzemne vode t tpr• tople podzemne vode t > tpr

Fiziološka podjela (odnos temperature podzemne vode i temperature tijela čovjeka)

1. hladne podzemne vode t<20C2. termalne podzemne vode t>20C• hipotermalne 20C - 35C

• homeotermalne 35C - 40C• Hipertermalne > 40C

Slična klasifikacija (većina istočnoeuropskih zemalja): • 1. vrlo hladne: t = 0C - 4C 4. vruće: t = 37C - 42C• 2. hladne: t = 4C - 20C 5. vrlo vruće: t = 42C - 100C• 3. tople: t = 20C - 37C 6. kipuće: t = iznad 100C

PODJELA PODZEMNIH VODA PO TEMPERATURI

BISTROĆA I MUTNOĆA PODZEMNE VODE

• bistroća vode – ukazuje na sposobnost vode da propušta svjetlo

• mutnoća vode – ukazuje na sposobnost vode da apsorbira svjetlosne zrake

Podzemne vode su većinom vrlo bistre zbog filtracijskih sposobnosti sitnozrnatih propusnih stijena

Postoje i mutne podzemne vode. To su plitke vode koje komuniciraju s površinom, vode koje zbog brzine protoka za sobom u bušotinu povlače i mineralne čestice, vode koje sadrže željezni karboksid koji oksidira na zraku

• Bistroće - određivanje visine stupca vode kroz koji se može čitati etalonski tiskani uzorak (cm)

• Mutnoća - usporedba ispitivanog uzorka vode s odgovarajućim etalonskim uzorcima mutnoće (mg/L)

OKUS PODZEMNE VODE

Ovisi o :• otopljenim solima i

plinovima • količini i sastavu koloidnih

čestica• temperaturi vodeOsjet okusa se može ocijeniti

na temelju stupnja okusa i vrste okusa

Najintenzivniji okus - mineralne vode (M ≥ 1,0 g/L)

Vrsta okusa Uzrok okusa

slan natrijev klorid

gorak Na i Mg sulfati

sladak organske tvari

kiseo alauni

MIRIS PODZEMNE VODE

• u većini slučajeva nemaju nikakav miris• Jedino vode u kontaktu s močvarama i tresetastim

terenima, onečišćene vode ili neke mineralne imaju mirisRazlikuju se 3 vrste mirisa:• biljni mirisi - uzrokovani prisustvom prirodnih organskih

supstanci koje dospijevaju u vodu iz tla, tresetišta, pokošene trave i sl.

• truležni mirisi - uzrokovani prisutnošću prirodnih organskih tvari koje se raspadaju (mirisi po plijesni, gnjileži, sumporovodiku i sl.)

• specifični mirisi - uzrokovani uglavnom umjetnim kemijskim spojevima koji dospijevaju s površine (mirisi po željezu, nafti, benzinu, fekalijama, fenolu, kloru i sl.).

BOJA ( I OBOJENOST) PODZEMNE VODE

• većina podzemnih voda je bezbojna• ako postoji boja, to je od otopljenih tvari • stvarna boja vode - uzrokovana isključivo u njoj

otopljenim tvarima – predstavlja trajnu boju vode• obojenost vode (prividna ili privremena boja) -

posljedica prisustva suspendiranih čvrstih čestica

Označava se u jedinicama Pt-Co skale koje se zovu Hazenovi stupnjevi (1H = 1 mg platine u litri vode i 2,02 mg kobaltovog klorida u litri vode)

ELEKTRIČNA VODLJIVOST PODZEMNE VODE

• kemijski čista voda je vrlo loš električni vodič (specifični otpor: ρsp= 106Ωm, specifična vodljivost: γsp=10-6S/m, pri 18°C) (vode u prirodi nikad nisu kemijski čiste)

• ako je u vodi otopljen neki elektrolit, voda postaje bolji vodič

• Slatke vode (<0,5 g/L otopljenih mineralnih spojeva) => γsp=1,3 × 10-1 do 2,5 × 10-2 S/m

• 6 postotna otopina NaCl => γsp=8 S/m

tkA

CkGS

[mg/L]

S = ukupna mineraliziranost vode, (suhi ostatak) mg/L

G = električna vodljivost mjerena uređajem Sk = konstanta uređaja kojim se mjeri el. vodljivost

vode(ovisi o konstrukciji uređaja i za svaki se uređaj mora izmjeriti)

C = numerički parametar (varira od 720 000 do 1 000 000)Atk = temperaturni korekcijski koeficijent

RADIOAKTIVNOST PODZEMNE VODE

• podzemne vode mogu sadržavati radioaktivne elemente koji im daju svojstvo radioaktivnosti, tj. sposobnost odašiljanja α-zraka,β-zraka i γ- zraka

Izvor prirodne radioaktivnosti podzemnih

voda su radioaktivni elementi koji spadaju u:

• uransko-radijski niz

• torijski niz

• aktinijski niz

U23892

Pb20682

16

Th23290

12Pb208

82

U23592

14Pb207

82

Stalna radioaktivnost:• postoji relativno rijetko • slabog je intenziteta• potječe od izotopa torija, radija, urana ili 40K koji su

otopljeni ili suspendirani u vodi • vrijeme poluraspada je veliko• produkti njihovog raspada su također radioaktivni.

Privremena radioaktivnost: • uzrokovana je prisustvom radona, torona ili aktinija• voda ih kod svog kretanja ispire iz stijena • vremena poluraspada su kratka • radioaktivnost podzemne vode brzo nestaje

• apsolutna jedinica za intenzitet radioaktivnosti je 1 Ci (Curie)• mjerna jedinica aktivnosti radioaktivnog tijela je 1 Bq

(Bequerel)• 1 Ci = 3,71010 Bq• kod voda se koristi jedinica prividne (relativne) radioaktivnosti:

Bq/L i ona predstavlja specifičnu radioaktivnost

Primjenjuje se sljedeća klasifikacija (1 nCi = 10-9 Ci/L):• slaba radioaktivnost <2 nCi/L• srednja radioaktivnost 2-10 nCi/L• velika radioaktivnost 10-100 nCi/L• vrlo velika radioaktivnost > 100 nCi/L

Najčešće su podzemne vode sa slabom radioaktivnošću.

• glavni čimbenik koji utječe na stupanj radioaktivnosti podzemnih voda je vrsta stijena

• treba ozbiljno računati na radioaktivnost iz umjetnih izvora (nuklearne elektrane, nuklearno naoružanje...)

Sadržaj radioaktivnih elemenata g/Mg

Element Kisele magmat. stijene

Sedimentne stijene

Bazične magmat. stijene

Uran 3,9 1,2 0,9

Torij 13,2 3,3 4,5

Kalij 40K 4,1 3,1 1,2

Rubidij 87Rb 141,4 81,6 4,9

Ukupno g/Mg 170 90 12

Ukupno % 0,017 0,009 0,0012

OSNOVNA TERMIČKA SVOJSTVA STIJENA

Neravnomjerni raspored temperature u stijeni uzrokuje protok topline kroz stijenu

Protjecanje topline u stijenama odvija se na sljedeće načine:

• kondukcija -karakteristična za čvrstu tvar stijene

• konvekcija - u kapljevitoj i plinovitoj materiji

• radijacija - u sva tri agregatna stanja

Termička svojstva stijena:• koeficijent temperaturne provodnosti (a) - brzina

promjene temperature stijena koja se odvija u jediničnom volumenu stijene zbog apsorbiranja topline

[ms-1] • koeficijent toplinske provodnosti (λ) - intenzitet prijenosa

topline na putu provođenja u razmatranoj stijenskoj masi

• specifični toplinski kapacitet stijene (C‘) - predstavlja

toplinski kapacitet jedinične mase

• gustoća površinskog toplinskog toka (q) - količina topline koja prolazi kroz jediničnu izotermičku površinu u jedinici vremena

q = - λ grad T [Wm-2]

11 a Cst

tTTs

Q

o

)( 1

[Wm-1K-1]

Tm

QC

st 1 [JK-1kg-1]

TOPLINSKA PROVODNOST LEŽIŠNIH FLUIDA

Vrsta ležišnog fluida

Toplinska vodljivost λ [Wm-1K-1]

Specifični toplinski kapacitet C

[Jkg-1K-1]

Gustoća fluida

[kgm-3]

ZRAK 0,026 1.007 1,177

VODA 0,613 4.180 1001

LED 2,23 2.120 920

NAFTA 0,14 2.093 790 960

METAN 0,031 2.160 0,71