Hydrogeologia - temat rzeka

Zacznę książkowo: "Hydrogeologia", czyli nauka zajmująca się wodami podziemnymi, a dokładniej pochodzeniem, rozmieszczeniem, dynamiką oraz ustrojem, nauka, która bada  zasoby i właściwości fizyczno-chemiczne wód podziemnych. Można by było napisać wiele na ten temat, gdyż hydrogeologia ma wiele odłamów, kierunków  i dziedzin - ciekawskich odsyłam do mądrych ksiąg.

W tym poście nie będę  pisał o samej hydro, ale o wykorzystaniu geofizyki w badaniach hydrogeologicznych, a dokładniej w poszukiwaniach wody.

Ale czemu właśnie o tym ?? Najprościej - bo jest fajne, może nie aż tak fajne jak uprawianie łomżingu na trawce ale w końcu nie o to na tym blogu chodzi. 

Poszukiwaniem wody za pomocą metod geofizycznych zainteresowałem się dwa lata temu, podczas luźnej rozmowy z moim kolegą, który opowiedział mi o swoich problemach z wysychającą studnią. Nic miłego, brak wody w domku jednorodzinnym może prowadzić do dużych problemów, kłótni a nawet walki na noże. Jednym słowem duży problem (to dwa słowa) nad którym zastanawiałem się jak go rozwiązać.

Trochę faktów : działka zlokalizowana w warunkach geologicznych czwartorzędowych, których warstwą podścielającą są warstwy mioceńskie wykształcone w tym rejonie jako iły krakowieckie. Wg. mapy geologicznej warstwy "Q" reprezentowane są w tym rejonie przez gliny, pyły, piaski. 

Studnia została wykonana w latach 90 tych z 20 kręgów, czyli ma 16m głębokości.

Po tych informacjach, które zebrałem nasuwa się proste stwierdzenie - studnie postawiono w złym miejscu !! Najprawdopodobniej została wykopana w glinie a zakończona w iłach (pewnie ił był tak twardy, że nie było możliwości wykopać więcej), swoją drogą szacun dla ludzi którzy kopią takie studnie, nie wiem czy bym się odważył zejść na 20m i kopać łopatą z myślą że zaraz może zalać mnie woda??!!

Idealne zadanie dla elektrooporówki, zwłaszcza że działka mojego kolegi miała dwa ha, więc można się było pobawić i poszukać lepszego miejsca. 

Zakładam że jeżeli ktoś czyta ten tekst to wie na czym polega i jak w praktyce wygląda elektrooporówka, więc nie będziemy bić nad tym piany, za to napiszę trochę o podstawie zastosowania: 

Podstawą zastosowania metody obrazowania elektrooporowego do rozwiązania zadania geologicznego jest fakt, iż oporność elektryczna warstwy wodonośnej jest znacząco wyższa, niż oporność warstw okalających. Stąd wysoki gradient oporności występujący na granicy warstw jest podstawą do wyznaczenia stropu i spągu warstwy wodonośnej. 

Na podstawie przebiegu granicy elektrooporowej pomiędzy warstwą wysokooporową a warstwami niskooporowymi można wnioskować na temat miąższości warstwy wodonośnej oraz jej przebiegu i zróżnicowania litologicznego.

Już po pierwszym profilu wszystko było jasne, a dokładnie tak jak opisałem powyżej. Istniejąca studnia została wykonana w warstwach niskooporowych, pomiędzy dwoma wysokooporowymi soczewkami. Studnia miała prawo wysychać, gdyż nie została wykonana w warstwach gdzie dopływ wody mógł zasilić ją odpowiednio z warstw piaszczysto żwirowych, a zasilany był z warstw gliniastych uzależnionych od infiltracji wód atmosferycznych.

Po badaniach wskazałem miejsce gdzie miąższość warstwy wysokooporowej jest największa, a oporności świadczą o najlepszym wysortowaniu materiału. Dodatkowo zaproponowałem aby studnia w nowej lokalizacji została wykonana przez wiercenie. Wyniki zostały potwierdzone, kilka butelek niskobudżetowego burbona wypite a sukces odtrąbiony.

Lubię kiedy geofizyka zostaje potwierdzona przez odwierty, czuję wtedy lekkie spełnienie co do zastosowania mojej wiedzy w konfiguracji z geofizyką ;) , bo robienie badań geofizycznych bez potwierdzonego repera jest jak obietnice prezydenckie bronka i jędrka.

Tak oto zaczęła się moja przygoda z lokalizacją warstw wodonośnych która trwa do tej pory. Wykonałem ponad zylion pomiarów w różnych warunkach geologicznych które sie sprawdziły, a najlepsze że nadal się sprawdzają.

Wygrzebane z szuflady .

WYKRYWANIE NIEJEDNORODNOŚCI W OBRĘBIE OBWAŁOWAŃ RZECZNYCH Z WYKORZYSTANIEM METOD SEJSMIKI INŻYNIERSKIEJ

1.     WSTĘP

Od czasu powodzi w 1997 roku zaczęto zwracać większą uwagę na przyczyny takich tragedii oraz podjęto działania mające na celu zapobieganiu im w przyszłości (rys.1). Jedną z wielu przyczyn powodzi jest źle wykonana konstrukcja obwałowań rzecznych, lub niedostateczna ich konserwacja. Duży wpływ na kondycję obwałowań i powstające tam miejscowe strefy rozluźnionego materiału mają głównie: opady atmosferyczne, przemarzanie gruntu, aktywność człowieka, zwierząt itp. Czynniki takie mogą być przyczyną przeciekania lub nawet przerwania ciągłości nasypu.

Do tej pory kontrola stanu technicznego obwałowań rzecznych była prowadzona w sposób inwazyjny, tzn. poprzez nawiercenie otworów i pobranie próbek do badań laboratoryjnych.  Jest to jednak bardzo czasochłonne i dostarcza tylko punktowej  informacji o nasypie.  Dlatego przedstawione poniżej metody sejsmiczne, nie tylko mogą odgrywać ważną rolę w kontroli jakości wałów oraz w wykrywaniu miejscowych osłabień dając nam ciągłą informację na temat ich stanu technicznego, ale też charakteryzują się  nieinwazyjnością tj. nie naruszają ich struktury.

Rys. 1.  Powódź z 1997 roku w Krakowie.

2.     LOKALIZACJA BADAŃ

Pomiary sejsmiczne zostały wykonane w maju i we wrześniu 2008 roku. Rejonem badań był fragment wału Wiślanego zlokalizowany we wschodniej części Krakowa, w okolicy Elektrociepłowni Łęg (rys.2).[2]

           

                   

 Rys. 2. Rejon badań                                                                      Rys. 3. Rozmieszczenie profili

Przeprowadzono 6 profili, wzdłuż lewego wału Wisły, z których każdy miał 47 metrów długości  (rys. 3). W rejonie pierwszego profilu zlokalizowany był otwór geotechniczny WL 14, który wykorzystano do dowiązania wyników badań do budowy geologicznej nasypu. Rozmiar obwałowania w zależności od miejsca pomiaru wynosił ok. 4-6 m wysokości oraz 3-4 m szerokości.

Do rejestracji użyto systemu pomiarowego ABEM Terraloc MK6 (rys.4)[6]. Na każdy profil (o rozciągłości W-E) składa się 48 geofonów, których częstotliwość zróżnicowana była w zależności od używanej metody. Jako źródło sejsmiczne, posłużono się młotkiem o wadze 5 kg, którym uderzając w płytę generowano sygnał o częstotliwości okol 80 Hz(rys.5)[6].

                                                                              

    Rys. 4. System pomiarowy ABEM Terraloc MK6        Rys. 5. Wzbudzanie sygnału sejsmicznego             

3.     Metodyka badań

3.1.   Wykorzystane metody

W badaniach wykorzystano metody refrakcji, tomografii refrakcyjnej, metodę MASW (Wielokanałowa Analiza Fal Powierzchniowych), oraz land streamer.

3.1.1.     Refrakcja

Metoda refrakcyjna, inaczej podłużnych fal załamanych – jest to metoda służąca do kartowania pojedynczych granic sejsmicznych, przy czym prędkość w warstwie leżącej wyżej musi być mniejsza niż w warstwie leżącej niżej[1]. W badanym przypadku warunek ten jest spełniony, tzn. w górnej części wału znajduje się gleba, w której prędkości wynoszą ok. 800 – 900 m/s, poniżej natomiast znajdują się piaski, w których prędkość wynosi ok. 1500-1700 m/s(rys. 6). Głębokość do granicy między warstwami wynosi około 8m.

3.1.2.     Tomografia refrakcyjna

Natomiast powierzchniowa Tomografia refrakcyjna jest metodą pozwalająca na odtworzenie rozkładu prędkości propagacji fal sprężystych warstw przypowierzchniowych,  przy czym musi być spełniony warunek jak dla metody refrakcyjnej tzn. V2>V1[1]. W metodzie tej punkt wzbudzania sygnału przesuwano o krok pomiarowy wynoszący 6 m, zaczynając i kończąc na odsunięciu   12 m.

Podczas pomiaru w wyżej wymienionych metodach rejestrowano fale podłużne przy użyciu 48 geofonów o częstotliwości 100 Hz stosując różne położenie punktu strzałowego. Aby uzyskać informację o granicy refrakcyjnej, należało wzbudzać sygnał na skrajnych geofonach (pierwszy i ostatni geofon) i z odsunięciem wynoszącym 24 m (refrakcja) oraz 12 m (tomografia refrakcyjna) w celu wyeliminowania strefy cienia.

Rys. 6.  Warunek powstawania fali w metodzie refrakcyjnej

Zarejestrowane w ten sposób dane sejsmiczne w postaci sejsmogramu (rys. 7a) zostały następnie odpowiednio przetworzone przez program sejsmiczny Reflexw w celu uzyskania hodografów zbieżnych (rys. 7b), które w kolejnym etapie pozwoliły na odtworzenie głębokości do granicy refrakcyjnej.   Na sejsmogramie wyraźnie została zarejestrowana fala refrakcyjna.

Rys. 7.  Przetwarzanie danych a) rekord sejsmiczny ; b) hodografy zbieżne

3.1.3.      MASW

Metoda MASW (ang. Multichannel Analysis of Surface Waves) – wykorzystuje własności dyspersji fal powierzchniowych rozchodzących się poziomo wzdłuż powierzchni Ziemi, bezpośrednio od źródła energii do odbiorników[4]. W wyniku inwersji krzywych dyspersji fal powierzchniowych uzyskuje się informacje o rozkładzie prędkości fali poprzecznej (V_s) zarówno w postaci modelu 1D (głębokość) jak i 2D. Metoda ta umożliwia określenie modułów dynamicznych w warstwach nadkładu oraz ich zmian z głębokością. W metodzie MASW wzbudzano sygnał z krokiem pomiarowym co 4 m z odsunięciem 12, 8 oraz 4 m (rys.8a)[3], pozostałe parametry (rozstaw, etc.) zastosowano takie jak we wcześniejszych metodach (rys. 8b)[5].

Rys. 8a. Metodyka pomiarów w metodzie MASW

Rys. 8b.  Schemat układu pomiarowego w metodzie MASW

Ze względu na brak dostatecznej ilości jednego typu geofonów, w metodzie posłużono się czterema ich rodzajami (rys. 9)[6].  Zastosowano geofony różnej produkcji, wśród których znalazły się również te polskiego pochodzenia o częstotliwości 4,5 Hz.

Rys. 9. Geofony wykorzystane w metodzie MASW

W następnym etapie przetworzono uzyskane z pomiarów dane sejsmiczne w celu uzyskania krzywych dyspersji, obrazujących zależność prędkości fazowej od częstotliwości. Należy zwrócić uwagę, że w procesie inwersji dla użytej metody wykorzystano tylko główną modę  jako krzywą dyspersji.

3.1.4.      Land streamer

Jako ostatnią zastosowano pionierską w naszym kraju metodę Land Streamer (kabel przesuwny) (rys. 10a)[6]. Należy zaznaczyć, że została ona użyta tylko w celach poznawczych, mających na celu dopracowanie jej oraz wyeliminowanie wszelkich wykrytych wad. Cechuje się on prostą konstrukcją, a zarazem szybkością i efektywnością działania. Podczas pomiaru streamer jest połączony z samochodem (rys. 10b)[6], w którym znajduje się aparatura pomiarowa.

                                     

 

                                                 

   Rys. 10.     a) Land Streamer                                           b) Streamer podłączony z samochodem

Następuje wzbudzenie sygnału - rejestracja i szybka zmiana punktu pomiarowego. Warto wspomnieć, że takie działanie skraca czas pracy i pozwala na częściowe przetwarzanie danych już w terenie(rys. 11a,b)[6]. Metoda ta cały czas jest dopracowywana, aby w przyszłości dawała jak najlepsze rezultaty.

                           

3.2.    NAPOTKANE PROBLEMY

Podczas badań napotkano się na pewne problemy. Głównie chodzi tu o szumy z otoczenia, takie jak: opady atmosferyczne, przebiegająca w pobliżu trakcja kolejowa, maszyny przemysłowe z pobliskich zakładów, ruch samochodowy, a nawet przelatujące samoloty. Innym problemem okazała się słaba jakość zapisu, która mogła wynikać z geometrii wału oraz samego faktu, że jest to konstrukcja sztuczna. Innym powodem takiego stanu rzeczy może być wzajemne znoszenie się fal spowodowane kształtem obwałowania.

4.     ANALIZA WYNIKÓW

Jako wynik refrakcji i tomografii refrakcyjnej uzyskano informacje na temat położenia poziomu wodonośnego (zielona przerywana kreska), który zaznaczył się na głębokości około 5 m oraz otrzymano rozkład prędkości fali P pod wałem, jednak nie uzyskano szczegółowych informacji o budowie samego wału(rys. 12). Głębokość do litego podłoża wyniosła ponad 7 m.

Rys. 12.  Rozkład prędkości fali P

Szczegółowa informacja o budowie nasypu natomiast,  uwidoczniła się w wyniku przetwarzania MASW (rys. 13). Można zaobserwować rozkład prędkości wzdłuż całego profilu. Obraz ten pozwala również na lokalizację poziomu wód gruntowych, który zaznacza się na głębokości około 5 m, co jest zgodne  z wynikiem uzyskanym w metodzie refrakcyjnej. Widoczne zagłębienie na samym początku profilu prawdopodobnie wskazuje na granicę strefy pomiędzy częścią wału utwardzoną i nieutwardzoną.

Rys. 13. Rozkład prędkości fali S

5.     PODSUMOWANIE

Zaprezentowane metody sejsmiki inżynierskiej pozwalają stosunkowo szybko i w sposób bezinwazyjny określić przypowierzchniową budowę nasypów oraz wzajemnie się uzupełniają tworząc razem przejrzysty obraz faktycznego stanu obwałowań. Mogą więc być one wykorzystywane na innych podobnych do obwałowań obiektach inżynieryjnych, takich jak : nasypy kolejowe, tamy, zapory ziemne a także do monitoringu osuwisk, wykrywanie pustek, czy też w badaniach archeologicznych.

LITERATURA :

 [1]       Chao Chen, Jiangping Liu, Jianghai Xia, Zhenyu Li, Integrated geophysical techniques in detecting hidden dangers in river embankments, Journal of Environmental & Engineering Geophysics; June 2006; v. 11; issue. p. 83-94; DOI: 10.2113/JEEG11.2.83

 [2]      www.google.maps.pl

 [3]      http://www.kgs.ku.edu/software/surfseis/masw.html

 [4]       Park C.B., Miller R.D., Xia J. 1999 Multichanel analisis of surface waves, Geophysics, 64, 800-808

 [5]       Siata R., Chodacki J., Zastosowanie metody MASW do wyznaczania profilu prędkościowego warstw przypowierzchniowych, Wyższy Urząd Górniczy, 6 (130), 2, Katowice, 2005.

 [6]       Zdjęcia z albumów własnych

RESTART

Dziś mija 585 dni od ostatniego wpisu na tym blogu. Dlatego z bananem na twarzy z okazji tej  okrągłej jak stół rocznicy postanowiłem coś dać od siebie i napisać post. Post nie będzie o geofizyce, ale można go potraktować jako nowy rozdział do tego bloga.

Czy  ktoś się zastanawiał dlaczego tyle nie pisałem ?
Można by było powiedzieć że miałem ogrom pracy, dużo ciekawych projektów lub  wdrażałem nowe technologie.

Otóż nie (po części) , prawda jest taka że po prostu mi się nie chciało.  

Teraz można by zapytać , co się stało że mi się nagle zachciało??

Otóż nie wiem. Po prostu siadłem jak co dzień do mojego komputera i jak zwykle zacząłem przeglądać:  fejs, mistrzowie, jbzd, chamsko, pudel, joemonster, porntube, wiocha, tor...... i tak dalej , a gdy byłem już na końcu internetu, stwierdziłem że mam dość  - tym razem dam coś od siebie. I oto piszę to coś, czyli tego posta.

Wiele się zmieniło przez te 19 miesięcy przerwy w pisaniu bloga i  wiem że  to szmat czasu, dlatego podejrzewam, że to tak jak bym startował z pisaniem od początku. Mam nadzieję że kilku najwierniejszych fanów dalej będzie czytać moje przemyślenia niesfornego geofizyka.

Założyłem sobie że opublikuję jeden post tygodniowo, i choć wiem że to bardzo ambitny plan, postaram się mu sprostać. Jako bezrobotny geofizyk mam teraz sporo wolnego czasu, dlatego jestem dobrej myśli.