Wody podziemne

Wody podziemne stanowią jeden z bardzo istotnych  elementów obiegu wody w przyrodzie. Szacuje się że swoją objętością kilkakrotnie przekraczają one wszystkie wody wszechoceanu. Całkowita objętość wolnych wód podziemnych, czyli nie związanych w skałach jest szacowana na 60 mln km3. Znaczna ich część należy do wód głębinowych, które nie biorą aktywnego udziału w krążeniu. Woda zgromadzona w szczelinach, soczewkach między warstwami, w pułapkach skalnych, tworzy niekiedy całe jeziora podziemne. Bardzo często są to wody zasolone, które mają charakter solanki. Zasoby tych wód  ze względu na bardzo długi okres wymiany, trwającej tysiące a nawet miliony lat należy uznać za nieodnawialne. Wody podziemne, które występują płycej pod powierzchnią Ziemi aktywnie uczestniczą w obiegu wody w przyrodzie. Okres ich odnawiania waha się w bardzo dużych granicach: od corocznej wymiany wilgoci zawartej w glebie, po setki i tysiące lat dla głębszych poziomów wodonośnych. Średnio przyjmuje się, że wymiana wód podziemnych zachodzi co 300—500 lat. Źródłem ich zasilania są przede wszystkim opady, stąd też są to wody słodkie (poza nielicznymi wyjątkami). Ich zasoby szacuje się na ok. 4 mln km3, co stanowi
7 % wód podziemnych, a jednocześnie 14 % wszystkich wód słodkich.

Rozmiary zasilania wód podziemnych zależą zarówno od warunków klimatycznych, jak również od ukształtowania terenu, oraz przepuszczalności podłoża. Przepuszczalność wodna to zdolność do przewodzenia wody przez skały. Zależy ona od wielkości porów w skale, oraz od występowania połączeń pomiędzy tymi porami. Niektóre skały np. bazalty praktycznie nie wykazują przepuszczalności wodnej, inne (np. żwiry) są bardzo przepuszczalne. Przepuszczalność podłoża, oraz nachylenie terenu decydują o tym, jaka część odpływu przypadnie na zasilanie podziemne. Na stopień przepuszczalności podłoża ma wpływ nie tylko rodzaj skały, jej porowatość, lecz również stopień nawilgocenia oraz charakter pokrycia roślinnością. Na przykład gleby suche mogą w pierwszej fazie deszczu przyjmować cały opad. Po nasączeniu wodą stają się one mniej przepuszczalne i woda opadowa zaczyna spływać powierzchniowo. Spływowi powierzchniowemu sprzyja również pokrycie terenu roślinnością darniową. Pokrywa leśna sprzyja wsiąkaniu wody wzdłuż rozbudowanych korzeni. Warunki klimatyczne decydują o wielkości opadów, ich intensywności i rozłożeniu w ciągu roku, a także o rozmiarach parowania. Decydują one zatem o wielkości odpływu całkowitego. Ruchy wody podziemnej są rezultatem mechanicznych właściwości tych wód, sił którym one podlegają a także warunków środowiska. To, że woda występuje w ciekłym stanie skupienia pozwala jej wcisnąć się w najdrobniejsze szczeliny skalne. Lepkość wody, czyli jej tarcie wewnętrzne ogranicza ruch wody w ciasnych przewodach. Nawet przez czysty żwir  o ziarnach grubości kilu milimetrów wsiąkająca woda sączy się z prędkością nie przekraczającą kilku centymetrów na sekundę. W piaskach o ziarnach wielkości pół milimetra prędkość ta wynosi 1 mm na sekundę. W podłożu pylastym, a więc np. w mułach woda przemieszcza się w granicach 10 cm na dobę. Woda, która wsiąka w podłoże z działaniem siły ciężkości porusza się pod jej wpływem tak głęboko, jak pozwalają jej na to pory i szczeliny w skałach, oraz ciśnienie. Na pewnej głębokości od powierzchni gromadzą się wsiąkające wody i tworzy się warstwa wodonośna. Jest to nasycona wodą przestrzeń. Warstwę wodonośną od dołu tworzą nieprzepuszczalne, bądź trudno przepuszczalne osady. Pod względem ciśnienia gromadzonej wody rozróżnia się warstwy wodonośne o zwierciadle wody swobodnym i warstwy wodonośne o zwierciadle wody napiętym, które tworzy głównie woda gruntowa. W przypadku warstw wodonośnych, występujących bezpośrednio pod powierzchnią terenu, gdy zwierciadło wód podziemnych jest zbyt płytki powstają bagna. W poziomie wodonośnym woda porusza się w kierunku zgodnym z nachyleniem zwierciadła. Kiedy poziom wód podziemnych takich warstw podniesie się ponad powierzchnię terenu, powstają źródła a także zbiorniki wód powierzchniowych, które zasilane są wodami podziemnymi. Górna granica występowania wody we wszystkich porach i szczelinach nosi nazwę zwierciadła wód gruntowych. Może ono pozostawać pod wpływem ciśnienia atmosferycznego, co oznacza, że nad zwierciadłem wody w tej samej warstwie przepuszczalnej występuje przestrzeń bez wody. Przestrzeń ta umożliwia podnoszenie się zwierciadła. Ciśnienie zwierciadła wód gruntowych może być także wymuszone obecnością warstw nadległych. Jego położenie jest wtedy uwarunkowane występowaniem skał nieprzepuszczalnych, uniemożliwiających wzrost poziomu zwierciadła wody. Strefa, która znajduje się pomiędzy zwierciadłem wód gruntowych, a dolną granicą warstwy wodonośnej nosi nazwę strefy nasycenia (strefy saturacji). Jest to strefa wypełnienia porów wodą. Wody w niej zalegające, które występują niezbyt głęboko, ulegają wpływom atmosfery. Pierwsza warstwa wód podziemnych  najczęściej nie jest przykryta utworami trudno przepuszczalnymi. Cechuje ją swobodne występowanie zwierciadła wód o najczęściej pochyłym układzie. Pochylone zwierciadło wskazuje na istnienie ruchów wody w warstwie wodonośnej. Są to ruchy boczne (poziome) wód w gruncie. Każdorazowo, gdy powierzchnia terenu przecina górną powierzchnię strefy nawodnionej, dochodzi do powstawania wysięków lub źródeł. Ilość wody w strefie saturacji zależy od wielkości wolnych przestrzeni w skale. Górną granicą tej strefy jest zwierciadło wód podziemnych. Nie wszystkie wody w strefie saturacji poruszają się. W warstwach wodonośnych, które zawierają wodę podziemną znajdującą się w ruchu, można wyróżnić trzy strefy poziome:

• strefa zasilania jest to obszar, na którym warstwa wodonośna wychodzi na powierzchnię terenu i gdzie następuje infiltracja wód opadowych lub powierzchniowych,
• strefa spływu obejmuje ona tę część warstwy wodonośnej, gdzie woda przemieszcza się od strefy zasilania do strefy drenażu, zachodzi tutaj poziomy ruch wód
• strefa drenażu jest to ta część warstwy wodonośnej, gdzie następuje całkowity lub częściowy odpływ wód podziemnych do sieci powierzchniowej  lub do głębszych poziomów wodonośnych.

Ponad zwierciadłem wody znajduje się strefa, która nie zawiera stałej wody. Woda przesącza się przez nią jedynie po opadach atmosferycznych. W przerwach między opadami pory i szczeliny skalne w tej strefie są wypełnione powietrzem. Strefa ta jest nazywana strefą aeracji, lub inaczej napowietrzenia. Może ona osiągać głębokość do 100 i więcej metrów, głównie na pustyniach i w górach. Na obszarach bagiennych strefa ta w ogóle nie wstępuje. Wody zawarte w warstwie napowietrzenia noszą nazwę wód zawieszonych, lub wód przypowierzchniowych.

Występowanie i ilość tych wód zależy od zmian temperatury powietrza i opadów atmosferycznych. Ulegają więc one przynajmniej częściowemu zamarzaniu. Ich poziom zmienia się intensywnie w zależności od warunków klimatycznych. Często bywają zanieczyszczane przez substancje organiczne, oraz przez działalność człowieka. Wody zawieszone występują nad skałami nieprzepuszczalnymi i charakteryzują się dużą zmiennością poziomu w zależności od ilości opadów oraz intensywności parowania. Woda występująca w strefie aeracji może być też pochłaniana z powietrza przez minerały. Woda występująca w tej postaci to woda higroskopijna. Gdy każdy drobny ułamek skalny pokryty jest niewidoczną warstwą wody, wtedy mówimy o wodzie błonkowatej. Kiedy natomiast wody strefy saturacji wznoszą się na skutek napięcia powierzchniowego zwierciadła wód, wtedy mamy do czynienia z wodą kapilarną.

Biorąc pod uwagę głębokość zalegania wód podziemnych można je podzielić na:

• wody podskórne (zaskórne, przypowierzchniowe)- tworzą się one gdy tuż pod powierzchnią ziemi do głębokości 2 m występuje warstwa wzbogacona w minerały ilaste, które powstały na skutek procesów wietrzenia. Wody te występują się w dolinach rzecznych, w obniżeniach terenu, bądź na brzegach jezior na skutek obfitych opadów. Część wody opadowej może być zatrzymana tuż pod powierzchnią, tworząc podpowierzchniową nieregularną warstwę wody. Wody podskórne są na ogół pozbawione nad sobą strefy aeracji, bądź są oddzielone od powierzchni bardzo cienką strefą napowietrzenia. Podlegają one także dobowym wahaniom temperatury, oraz silnemu parowaniu. Często zanikają w okresach suchych .Wody podskórne nie tworzą ciągłego zwierciadła, a więc występują lokalnie. W czasie roztopów ich poziom podnosi się. Woda może wtedy pojawić się w piwnicach niektórych domów usytuowanych na dnie dolin. Wody podskórne są zanieczyszczone produktami rozkładu materii organicznej, tak więc są one niezdatne do picia. Wody te ulegają także dobowym zmianom temperatury powietrza.

• wody gruntowe zalegają nieco głębiej. Ich poziom także się zmienia. W czasie roztopów, oraz podczas dłuższych opadów podnosi się, a w okresach suchszych się obniża. Zwierciadło tych wód znajduje się na głębokości przynajmniej kilku metrów pod powierzchnią gruntu. Gdyby dolna granica warstwy wodonośnej, a także zwierciadło wody były płaszczyznami poziomymi, ruch wód gruntowych byłby wtedy niemożliwy. Taki stan jest jednak bardzo rzadki w przyrodzie. Woda pod wpływem siły grawitacji, oraz ciśnienia przemieszcza się. Prędkość przepływu wód gruntowych uzależniona jest od ułożenia warstw skalnych, oraz od ich porowatości. Wody gruntowe odznaczają się stałą temperaturą. Są one przefiltrowane, więc nadają się do spożycia. Główne gazy wchodzące w skład tych wód to tlen, dwutlenek węgla, oraz azot. Najczęściej spożywanymi wodami przez człowieka są właśnie wody gruntowe. Wody tego rodzaju obficie zasilają rzeki, oraz jeziora. Na obszarach Polski nizinnej wody gruntowe gromadzą się w przepuszczalnych osadach polodowcowych i rzecznych. W górach występują one w szczelinach skalnych, oraz w zwietrzelinach. Na obszarach krasowych woda przepływa podziemnymi kanałami tworząc jaskinie.

• wody wgłębne są to wody przykryte nieprzepuszczalnymi warstwami. Występują pod pewnym ciśnieniem hydrostatycznym, czyli ciśnieniem wywieranym przez słup wody o określonym ciężarze i wysokości. Wody wgłębne zasilane są wodami atmosferycznymi, a także wodami rzek i jezior. Mają one niewielki kontakt z powierzchnią gruntu. Ze względu na izolację od warunków zewnętrznych nie podlegają wahaniom temperatury, lub zaznaczają się tylko niewielkie wahania sezonowe. Poziom tych wód pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego podnosi się do określonej wysokości. Kiedy wody wgłębne samoczynnie wypływają na powierzchnię nazywamy je wtedy wodami artezyjskimi. Jeżeli pomimo podniesionego ich zwierciadła utrzymują się one pod powierzchnią terenu, wtedy są  to wody subartezyjskie. Wody te zasilane są głównie w miejscach, gdzie warstwa wodonośna wychodzi na powierzchnię. Wody artezyjskie pozwalają na zaopatrzenie w wodę ludności i zwierząt nawet na obszarach suchych, pozbawionych wód powierzchniowych. Nazwa „artezyjskie” pochodzi od regionu Artois we Francji. Wody, które przedostają się do basenów, czy niecek artezyjskich gromadzą się przez tysiące lat. Najbardziej znanym regionem występowania tego typu wód jest Wielki Basen Artezyjski w Australii, największym natomiast Wielki Basen Dakoty w USA. Wody artezyjskie występują w Polsce w okolicach Warszawy, Poznania, Lublina, a także na Niecce Nidziańskiej.

• Wody głębinowe są to wody, które znajdują się głęboko pod powierzchnią Ziemi. W zdecydowanej większości pochodzą one z dawnych epok geologicznych, a więc są wodami reliktowymi. Są one najczęściej silnie zmineralizowane, oraz ogrzane ciepłem pochodzącym z wnętrza Ziemi. Wody te są obecnie zamknięte pomiędzy nieprzepuszczalnymi warstwami skalnymi. Znajdują się one pod dużym ciśnieniem. Wody głębinowe są nieodnawialne. Nie ma możliwości, aby po ich wyczerpaniu zgromadzić je na nowo. Wody głębinowe stanowią ok. 90 % wszystkich wód podziemnych.

Jako że wody podziemne są związane z litosferą ich pochodzenie jest różne. Można je zatem także podzielić ze względu na genezę na:

• wody infiltracyjne, które tworzą się w warstwach Ziemi wskutek przesiąkania opadów atmosferycznych. Podziemne wody infiltracyjne występują głównie w przypowierzchniowych warstwach skorupy ziemskiej. W dogodnych warunkach wody infiltracyjne mogą przenikać na duże głębokości, nawet do kilku kilometrów w głąb Ziemi. Stanowią one niewielki procent wszystkich wód podziemnych.
• wody kondensacyjne powstają w wyniku kondensacji pary wodnej bądź to na samej powierzchni Ziemi, bądź też bezpośrednio pod powierzchnią. Ilość powstającej w ten sposób wody jest zazwyczaj niewielka, wody te nie odgrywają większej roli w zasilaniu wód podziemnych. Występują one na obszarach o niskich opadach atmosferycznych i wysokich temperaturach powietrza.
• wody juwenilne powstają w ostatnim etapie krzepnięcia magmy podczas jej wędrówki ku powierzchni Ziemi. Magma stygnąc uwalnia wodę. Występowanie wód juwenilnych ograniczone jest do obszarów występowania aktywności wulkanicznej. Obecnie spotyka się te je w głębokich rozpadlinach skorupy ziemskiej w obszarach, gdzie istnieje działalność tektoniczna.
• wody reliktowe to wody podziemne występujące na znacznych głębokościach. Znajdują się one poza strefą aktywnej wymiany wód, więc nie biorą udziału w globalnym obiegu wody. Wody te powstały w dawnych epokach geologicznych. Przykryte są one nieprzepuszczalnymi warstwami młodszych okresów geologicznych. Wody reliktowe są wodami dawnych mórz. Niektóre z nich na skutek wysłodzenia nie są słone. Wody reliktowe występują na terenie Karpat w miejscach występowania złóż ropy naftowej.

Część wód podziemnych związana jest także w postaci lodu. Na rozległych obszarach północnej Azji i Ameryki występuje zjawisko wieloletniej zmarzliny. Do głębokości 500 m, a miejscami nawet głębiej, wody podziemne występują w stanie stałym tworząc wraz z zamarzniętymi skałami nieprzepuszczalną warstwę. Wody te w większości są również wyłączone z krążenia.

Wody podziemne odgrywają istotną rolę w ogólnym bilansie wodnym danego obszaru. Szacuje się ze w 55 % są one źródłem zasilania rzek. Wody podziemne mają ponadto duże znaczenie gospodarcze. Pozostają głównym rezerwuarem wód pitnych dla potrzeb ludności i przemysłu spożywczego. Ich wykorzystanie wiąże się jednak z koniecznością kosztownego oczyszczania i uzdatniania, a ponadto główne ścieki tych wód (rzeki) są często nazbyt oddalone od miejsc osadnictwa. Daje się to zauważyć zwłaszcza na rzadko zaludnionych obszarach wiejskich. Wody podziemne na skutek działalności człowieka ulegają zanieczyszczeniu. Najsilniej na degradację jakości wód narażone są wody gruntowe, których zwierciadło występuje na głębokości poniżej 5 m, w obrębie obszarów zurbanizowanych oraz intensywnych upraw rolnych. Jest to spowodowane brakiem występowania utworów trudno przepuszczalnych izolujących warstwę wodonośną od powierzchni. Podstawowymi antropogenicznymi źródłami zanieczyszczenia wód podziemnych są przemysł, górnictwo, a także działalność rolnicza.