Υδρογεωλογία

Η υδρογεωλογία (ύδωρ δηλαδή 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. Οι κύριες ανησυχίες στη μηχανική υπόγειων υδάτων περιλαμβάνουν τη μόλυνση των υπόγειων υδάτων, τη διατήρηση των προμηθειών και την ποιότητα των υδάτων. Τα πηγάδια κατασκευάζονται για χρήση σε αναπτυσσόμενες χώρες, καθώς και για χρήση σε ανεπτυγμένες χώρες σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες με ένα σύστημα ύδρευσης πόλης. Τα πηγάδια και τα κατακόρυφα φρεάτια πρέπει να σχεδιάζονται και να συντηρούνται για να διατηρούν την ακεραιότητα του υδροφορέα και να αποτρέπουν την προσβολή των υπόγειων υδάτων από 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 Λαπλάς, οι οποίες έχουν εφαρμογές σε πολλά διαφορετικά πεδία. Η σταθερή ροή των υπόγειων υδάτων (εξίσωση Λαπλάς) 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. Για παράδειγμα: η ταπείνωση του υδροφόρου ορίζοντα ή η υπερπροσφορά και η άντληση ορυκτών υδάτων μπορεί να συμβάλουν στην αύξηση της στάθμης της θάλασσας.

 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.

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 () 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 () και το ύψος θέσης (). Η διαβάθμιση υδραυλικού φορτίου είναι η αλλαγή του υδραυλικού φορτίου ανά μήκος της ροής () 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 ). Το  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  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 ().

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.

 Παραπομπές 

 Περαιτέρω ανάγνωση 

 Γενική υδρογεωλογία 

  — Καλό βιβλίο για συμβούλους, έχει πολλά παραδείγματα από τον πραγματικό κόσμο και καλύπτει πρόσθετα θέματα (π.χ. ροή θερμότητας, πολυφασική και ακόρεστη ροή)
  — Πρακτικό βιβλίο που απεικονίζει την πραγματική διαδικασία γεώτρησης, ανάπτυξης και χρήσης φρεατίων νερού, αλλά είναι ένα εμπορικό φυλλάδιο, επομένως μέρος του υλικού είναι λοξό προς τα προϊόντα που κατασκευάζονται από την Johnson Well Screens.
  — Ένα κλασσικό βιβλίο, σαν την παλιότερη έκδοση των Domenico και Schwartz.
  — Κλασικό βιβλίο που προορίζεται για μηχανικούς με μαθηματικό υπόβαθρο αλλά μπορεί να διαβαστεί και από υδρολόγους και γεωλόγους.
 Καλή, προσβάσιμη επισκόπηση των υδρογεωλογικών διεργασιών.
   — Γράφτηκε από ασκούμενους υδρογεωλόγους, αυτό το περιεκτικό εγχειρίδιο παρέχει μια συνοπτική, εύχρηστη αναφορά για υδρολογικούς όρους, εξισώσεις, σχετικές φυσικές παραμέτρους και ακρωνύμια
  — Μελέτες περιπτώσεων και προβλήματα πραγματικού κόσμου με παραδείγματα



 Αριθμητική μοντελοποίηση υπόγειων υδάτων 

  — Μια εισαγωγή στη μοντελοποίηση των υπόγειων υδάτων, λίγο παλιά, αλλά οι μέθοδοι εξακολουθούν να είναι ακόμα πολύ εφαρμόσιμες.
  — Ενημερώνει την 1η έκδοση με νέα παραδείγματα, νέο υλικό σε σχέση με τη βαθμονόμηση μοντέλων και την αβεβαιότητα και προγράμματα στην Python (https://github.com/Applied-Groundwater-Modeling-2nd-Ed).








 Αναλυτική μοντελοποίηση υπόγειων υδάτων 

  — Εισαγωγή στις μεθόδους αναλυτικών λύσεων, ιδιαίτερα στη μέθοδος αναλυτικών στοιχείων.
  — μια άποψη από την σκοπιά της πολιτικής μηχανικής για τα υπόγεια ύδατα. περιλαμβάνει πολλά για τα flownet.

  — Καλή εξήγηση των μαθηματικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή λύσεων σε προβλήματα υδρογεωλογίας (μεταφορά διαλυμένης ουσίας, πεπερασμένα στοιχεία και αντίστροφα προβλήματα επίσης)
   — Βιβλίο για το BIEM (μερικές φορές αποκαλείται BEM) με παραδείγματα, κάνει καλή εισαγωγή στην μέθοδο. 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
International Association of Hydrogeologists — παγκόσμια ένωση για ειδικούς στα υπόγεια ύδατα.
UK Groundwater Forum — Υπόγεια ύδατα στο Ηνωμένο Βασίλειο
Centre for Groundwater Studies —Εκπαίδευση και Έρευνα Υπόγειων Υδάτων.
EPA drinking water standards — τα μέγιστα επίπεδα μόλυνσης (mcl) για τα διαλυμένα είδη στο πόσιμο νερό των ΗΠΑ.
US Geological Survey water resources homepage — ένα καλό μέρος για να βρείτε δωρεάν δεδομένα (τόσο για τα επιφανειακά όσο και για τα υπόγεια ύδατα των ΗΠΑ) και δωρεάν λογισμικό μοντελοποίησης υπόγειων υδάτων όπως MODFLOW.
US Geological Survey TWRI index — μια σειρά από εκπαιδευτικά εγχειρίδια που καλύπτουν κοινές διαδικασίες στην υδρογεωλογία. Διατίθενται ελεύθερα στο διαδίκτυο ως αρχεία PDF.
International Ground Water Modeling Center (IGWMC)  — ένα εκπαιδευτικό αποθετήριο λογισμικού μοντελοποίησης υπόγειων υδάτων που προσφέρει υποστήριξη για τα περισσότερα λογισμικά, μερικά από τα οποία είναι δωρεάν.
The Hydrogeologist Time Capsule — μια συλλογή βίντεο με συνεντεύξεις επιφανών υδρογεωλόγων που έχουν κάνει σημαντική διαφορά στο επάγγελμα.
IGRAC International Groundwater Resources Assessment Centre 
 US Army Geospatial Center  — Για πληροφορίες σχετικά με τα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα OCONUS.

Κατηγορία:Υδρογεωλογία