102

3. CARATERISTICI HIDROFIZICE ALE TERENURILOR (Daniel Scrdeanu i Alexandru Gheorghe)

Regimul special de deplasare al apei ajunse din cer n adncurile Pmntului este condiionat de caracteristicile spaiului disponibil i de prezena n acest spaiu a altor fluide.

Precizarea caracteristicilor acestui spaiu, ale fluidelor prezente i ale tuturor interaciunilor fizico chimice presupune definirea unor parametri uor de estimat i evaluarea corect a distribuiei spaio-temporale a acestora.

Evaluarea corect a dinamicii apei subterane ntr-o hidrostructur se poate face numai atunci cnd se cunoate distribuia spaio-temporal reprezentativ a parametrilor acesteia.

Caracteristicile hidrofizice ale terenurilor (terenuri reprezentate prin: sol,

sedimente i roci) definesc comportarea acestora n raport cu toate formele de ap subteran i fluidele asociate.

Termenul de caracteristic/proprietate acvifer are o sfer de cuprindere mai redus i este recomandat s fie utilizat doar n cazul interaciunii terenurilor cu formele de ap liber (capilar, gravitaional) care pot genera acvifere.

Caracteristicile hidrofizice le includ i pe acelea proprii terenurilor semipermeabile i impermeabile care condiioneaz fenomenele de comunicare a acviferelor prin drenan i contribuie la definitivarea echilibrelor hidrodinamice ale hidrostructurilor.

Formarea acviferelor i dinamica apelor subterane sunt condiionate n principal de proprietile colectoare i filtrante ale terenurilor acvifere (sol, sediment, roc) determinate de:

constituia litologic a terenurilor acvifere; cantitatea i calitatea apelor subterane i a fluidelor asociate; procesele la interfaa solid-fluid i fluid-fluid.

Constituia litologic a terenurilor acvifere determin caracteristicile structurale ale spaiului poros n care se colecteaz i prin care se deplaseaz apa subteran. Pentru caracterizarea structurii spaiului poros al terenurilor acvifere se apeleaz la doi parametri fundamentali: porozitatea i permeabilitatea. Cantitatea i calitatea apelor subterane i a fluidelor asociate sunt responsabile de vitezele cu care acestea se deplaseaz n cmpul gravitaional: cantitatea fluidelor prezente n porii terenurilor acvifere este exprimat prin

intermediu umiditii i gradului de saturaie; calitatea fluidelor prezente n spaiul poros al terenurilor acvifere este descris

prin intermediul parametrilor fizici (temperatur, densitate, vscozitate etc.) i chimici (concentraia n elemente anorganice sau organice).

Caracteristicile litologice ale terenurilor acvifere i cele ale apelor subterane sunt sintetizate n doi parametri globali ai acviferelor care exprim interaciunea dintre terenul permeabil i apa subteran: coeficientul de nmagazinare absolut prin care se evalueaz capacitatea

colectoare a acviferelor; conductivitatea hidraulic utilizat pentru evaluarea caracteristicilor filtrante

ale acviferelor (viteza de curgere a apelor subterane). Procesele la interfaa solid-fluid i fluid-fluid (ex.:capilaritatea, advecia, difuzia, sorbia etc.), de o mare complexitate i diversitate n zona nesaturat a acviferelor i n cazul asocierii apelor subterane cu fluide miscibile sau imiscibile,

103

sunt descrise tot prin intermediul unor caracteristici hidrofizice a cror cunoatere este esenial pentru corecta evaluare a curgerii apelor subterane. Pentru zona nesaturat, sediul unor complexe procese de poluare a acviferelor, modelarea corelaiei ntre presiunea capilar i umiditate este esenial pentru evaluarea curgerii, presiunea capilar fiind componenta potenialului curgerii alturi de potenialul gravitaional. Deplasarea fluidelor miscibile sau imiscibile asociate cu apele subterane n zona nesaturat/saturat a acviferelor freatice/sub presiune este guvernat de procese fizice i biochimice ale cror caracteristici (coeficient de difuzie, de dispersie, numr Peclet, izoterma de sorbie etc.) sunt determinate experimental i caracterizeaz particularitile curgerii pentru fiecare tip de acvifer. Diversitatea caracteristicilor hidrofizice ale terenurilor este prezentat n urmtoarea succesiune:

(1) caracteristici ale matricei minerale a terenurilor; o granulozitatea o porozitatea o permeabilitatea

(2) caracteristici fizice ale apelor subterane ; o greutatea specific o compresibilitatea o vscozitatea

(3) caracteristici ale interaciunii terenurilor cu apa subteran; o umiditatea

grad de saturaie deficit de saturaie

o tensiunea interfacial o fenomene de capilaritate

presiunea capilara parametrii van Ghenuchten parametrii Brooks & Corey

nlimea de ascensiune capilar o capacitatea de nmagazinare a acviferelor

coeficient de nmagazinare al acviferelor cu nivel liber; coeficient de nmagazinare al acviferelor sub presiune;

o conductivitate hidraulic conductan transmisivitate factor de drenan

o coeficient de piezoconductivitate (4) caracteristici ale interaciunii apei subterane cu fluide asociate

o parametri ai migraiei fluidelor miscibile; parametrii ai difuziei; parametrii ai adveciei; parametrii ai proceselor chimice i biochimice

o parametri ai migraiei fluidelor imiscibile parametrii ai fluidelor mai uoare dect apa parametri ai fluidelor mai grele dect apa.

Toate caracteristicile hidrofizice ale terenurilor sunt implicate n evaluarea dinamicii apei subterane i a proceselor de transport din acvifere. Stabilirea valorilor reprezentative ale acestor caracteristici este o necesitate a corectitudinii evalurii curgerii apelor subterane realizat pe baza modelelor matematice.

104

3.1. Caracteristici ale matricei minerale Caracteristicile matricei minerale se sintetizeaz n valoarea coeficientului de permeabilitate pentru a crui evaluare este necesar parametrizarea caracteristicilor spaiului poros, caracteristici determinate de granulozitatea terenurilor. 3.1.1. Granulozitate Granulozitatea terenurilor este reprezentat de variabilitatea geometric a granulelor componente exprimat prin dimensiunea acestora i ponderea lor procentual. Tehnicile de laborator i metodologia general de prelucrare a datelor de granulozitate constituie obiectul Mecanicii rocilor (Florea M.,1983). Pentru rocile nisipoase analiza de granulozitate se face prin metoda cernerii, iar la rocile argiloase se folosete metoda prin sedimentare.

Rezultatele se reprezint grafic n histograme i curba de granulaie (curba cumulativ), care exprim distribuia procentual a granulelor n funcie de dimensiunea acestora (Fig.3.1). Curba de granulaie este utilizat pentru calculul parametrilor necesari estimrii proprietilor filtrante i colectoare ale formaiunilor reale. Aceti parametri sunt: coeficientul de neuniformitate (U), coeficientul de sortare (So), diametrul efectiv (def), suprafaa specific ( S ). 3.1.1.1. Coeficient de neuniformitate

Coeficientul de neuniformitate (U) este calculat cu expresia:

10

60

d

dU = (3.1)

n care

60d - diametrul corespunztor fraciunii de 60%;

10d - diametrul corespunztor fraciunii de 10%.

Coeficientul de neuniformitate indic gradul de rspndire al dimensiunii granulelor i pe baza valorilor sale se realizeaz o separare a rocilor n trei categorii:

roci foarte uniforme cu 5U

Gradul de neuniformitate al unui teren granular determin n mod direct capacitatea de colectare a acestuia: cu ct terenurile sunt mai uniforme capacitatea lor colectoare este mai mare.

1,0 0,1 0,01 10

100

10

50

Logaritmul diametrului granulelor

%

(mm)

d10 Fig.3.1 Curba de granulaie

(curba cumulativ)

60

d60

105

3.1.1.2. Coeficient de sortare

Coeficientul de sortare estimeaz gradul de apropiere relativ a

dimensiunilor granulelor i se calculeaz pe baza curbei de granulaie (Fig.3.1) cu relaia:

25

750

d

dS = (3.2)

n care,

75d - diametrul corespunztor fraciunii de 75%;

25d - diametrul corespunztor fraciunii de 25%;

Nisipurile, n funcie de coeficientul de sortare sunt clasificate n: nisipuri cu o bun sortate cu 5,10 U ) diametrul efectiv se calculeaz ca o medie armonic (Kozeny):

=

=

+

=

ni

i i

i

e

d

g

d

gd

2 1

1

2

3

100 (3.4)

unde:

ig - ponderea procentual a fiecrei fraciuni granulometrice cu diametrul mediu di.

1d - diametrul mediu al ultimei fraciuni granulometrice ( 1g cu ponderea 1g ) care se ia n calcul, cu o pondere mai mare (3/2=1,5), numai dac d1

106

id - diametrul mediu al fiecrei fraciuni care se calculeaz ca o medie armonic

simpl ntre diametrele limit ale fraciunii i ( 'id i ''

id ):

''''''

121

3

iiii

i

dddd

d

++

+

= (3.5)

Diametrul efectiv este utilizat n relaiile empirice pentru estimarea conductivitii hidraulice a terenurilor permeabile granulare. 3.1.1.4. Curb granulometric medie i domeniu granulometric

n cazul unui volum mare de date, de o mare utilitate pentru caracterizarea

formaiunilor granulare sunt curba granulometric medie i domeniul granulometric definite pe baza tuturor curbelor granulometrice, ca o msur a variabilitii granulozitii (Gheorghe A., 1973).

Curba granulometric medie se obine prin calculul mediei aritmetice a tuturor fraciunilor granulometrice ale probelor recoltate dintr-un acvifer sau orizont acvifer. Ea este util pentru estimarea tendinei granulozitii pe domeniul de dez