Współczynnik filtracji i przepuszczalność wody: Definicja i znaczenie

Szczegóły: Opublikowano: 15. December 2025

Współczynnik filtracji to miara określająca szybkość, z jaką woda przemieszcza się przez porowate ośrodki, takie jak gleba czy złoża filtracyjne. Jest wyrażany najczęściej w jednostkach prędkości (np. cm/s lub m/dzień).

Definicje i podstawy teoretyczne

Pierwszym, który zajął się zjawiskiem filtracji, był francuski badacz Darcy. Na podstawie swych badań Darcy stwierdził, że ilość wody przepływającej przez środowisko porowate w jednostce czasu jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego, przekroju poprzecznego środowiska filtracyjnego i współczynnika filtracji.

Wyraża ono liniową zależność fikcyjnej prędkości filtracji od spadku hydraulicznego, dlatego równanie to nazywa się liniowym prawem filtracji. Prawo Darcy ważne jest jedynie w warunkach ruchu laminarnego (przy małych prędkościach cząstek wody).

Ruch laminarny, czyli warstwowy jest to ruch cieczy, w którym cząstki wody poruszają się po torach równoległych do siebie i do osi przewodu, cząstki nie mieszają się, a ich drogi nie krzyżują się. Ruch laminarny występuje tylko przy małych prędkościach cząstek wody.

Filtracja ma miejsce zazwyczaj w skałach z porowatością intergranularną, a więc i w gruntach, fluacja - w skałach ze szczelinowatością i krasowatością. Woda w gruncie porusza się zawiłymi kanalikami o nieregularnych przekrojach.

Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej

Określenie rzeczywistych prędkości i długości dróg takiego ruchu jest niemożliwe, wobec czego posługujemy się pojęciem prędkości fikcyjnej. Wyznaczamy ją przyjmując umownie, że przepływ wody odbywa się nie tylko poprzez kanaliki zbudowane z porów między ziarnami, lecz przez cały przekrój strumienia - a więc łącznie z polami zajętymi przez te ziarna.

Różnice pomiędzy wartościami fikcyjnymi i rzeczywistymi są uwzględnione w definicji, we wprowadzonym do równania filtracji współczynniku proporcjonalności, zwanym współczynnikiem filtracji.

Z powyższej równości wynika, że współczynnik filtracji ma wymiar prędkości. Współczynnik filtracji zależy ód filtracyjnych właściwości ośrodka gruntowego, a przede wszystkim od wielkości i równomierności uziarnienia oraz od fizycznej właściwości filtrującej cieczy, mianowicie jej ciężaru właściwego, temperatury i lepkości.

A więc ten sam ośrodek gruntowy, w zależności od cieczy w nim przepływającej może wykazywać różne wartości współczynnika filtracji. Dążąc do określenia filtracyjnej zdolności podłoża gruntowego niezależnej od fizycznych własności cieczy, wprowadzono pojęcie współczynnika wodoprzepuszczalności.

Wymiarem współczynnika przepuszczalności jest cm², lub jednostka mniejsza zwana darcy, oznaczana literą δ. Współczynniki filtracji i przepuszczalności są miernikami własności filtracyjnych ośrodka porowatego.

Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów

Jakkolwiek wszystkie grunty będąc ośrodkiem porowatym posiadają zdolność przewodzenia wody, jednak te z nich, które zdolne są filtrować minimalne ilości wody, przyjęto nazywać nieprzepuszczalnymi.

Przepuszczalność hydrauliczna gruntów zwana wodoprzepuszczalnością oznacza zdolność gruntów do przewodzenia przez nie wody grawitacyjnie lub pod ciśnieniem. Przepuszczalność gruntów jest bardzo ważną własnością hydrogeologiczną. Między innymi od niej zależy prędkość z jaką przepływa woda przez ośrodek gruntowy i zasobność wody w złożu.

Przepuszczalne mogą być tylko grunty porowate, szczelinowate lub krasowate. Stopień przepuszczalności określony jest przez objętość wody, która w jednostce czasu przy określonej różnicy ciśnień hydrostatycznych przepływa przez określony przekrój gruntu.

Przepuszczalność gruntu zależy od jego struktury i tekstury, wielkości i kształtów porów, składu mineralnego, genezy gruntu, składu granulometrycznego, rodzaju spoiwa, temperatury i lepkości wody oraz ciśnienia hydrostatycznego. Jest ona tym większa im grunt jest bardziej krasowaty, szczelinowaty czy gruboziarnisty. Zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia hydrostatycznego wody.

Jak już wspomniano, nieodzownym warunkiem wodoprzepuszczalności gruntów jest ich porowatość, lecz decydujące znaczenie ma tu wielkość porów i ich kształt, a nie ogólna objętość porów. Im mniejsze pory, tym trudniej woda przeciska się przez nie, napotyka bowiem większe opory.

Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru

Grunty ilaste pomimo dużej porowatości praktycznie są nieprzepuszczalne. W gruntach drobnoziarnistych oprócz większych oporów napotykanych przez wodę, znaczną część porów zajmują wody fizycznie związane (duża powierzchnia właściwa tego rodzaju gruntów) oraz znaczną ich część stanowią pory subkapilarne niedostępne dla wody wolnej. Dlatego też, pomimo dużej porowatości gruntów drobnoziarnistych, ich wodoprzepuszczalność jest znikoma.

Charakteryzując ośrodek gruntowy pod względem jego wodoprzepuszczalności trzeba pamiętać, że nie jest ważna ogólna porowatość ośrodka (duży wskaźnik porowatości), lecz ta jej część, która dostępna jest dla wody wolnej biorącej udział w filtracji. Tę część porowatości nazwano porowatością efektywną.

Porowatość efektywna jest to część wolnych przestrzeni między cząsteczkami, którą może wypełnić woda wolna. Ilościowym wyrazem porowatości efektywnej jest stosunek objętości porów w próbce skały, czynnych w procesie filtracji (Ve ), do objętości całej próbki (V).

Porowatość efektywna jest mniejsza od porowatości ogólnej o procent porów, które wypełniają wody fizycznie związane, nie biorące udziału w przepływie wód podziemnych. 0 ile na porowatość ogólną nie ma wpływu wielkość ziarn budujących ośrodek gruntowy, o tyle porowatość efektywna zależna jest od średnicy ziarn i powiększa się z ich wymiarami.

W naturze bardzo rzadko zdarza się, aby ośrodek gruntowy składał się z ziarn jednakowej średnicy. Do rozważań teoretycznych wprowadzono model fikcyjny o odpowiedniej średnicy ziarn, nazwanej średnicą efektywną lub średnicą miarodajną (de). Wielkość średnicy miarodajnej dobiera się z warunku, aby grunt fikcyjny zbudowany z ziarn o dobranej średnicy wykazywał taką samą wodoprzepuszczalność jak grunt rzeczywisty.

Istnieje wiele metod wyznaczania średnicy efektywnej. Metoda Allen - Hazena za średnicę efektywną de przyjmuje d10, tj. tę średnicę, poniżej której zawartość ziarn w składzie granulometrycznym gruntu stanowi 10% ciężaru, powyżej zaś której 90%. Średnicę tę odczytuje się z krzywej uziarnienia.

Metoda Krugera oparta jest na założeniu, aby grunt fikcyjny zbudowany z ziarn o średnicy efektywnej miał powierzchnię jednostkową taką, jak powierzchnia jednostkowa badanej skały rzeczywistej. Współczynnikiem ilościowym wodoprzepuszczalności skał i gruntów jest współczynnik filtracji i współczynnik wodoprzepuszczalności.

Na podstawie wartości tych współczynników skały dzielimy na bardziej przepuszczalne i mniej przepuszczalne.

Znaczenie współczynnika filtracji w rolnictwie

Współczynnik filtracji odgrywa kluczową rolę w rolnictwie, ponieważ wpływa na dostępność wody dla roślin oraz jakość wody wykorzystywanej w hodowli zwierząt. Współczynnik filtracji gleby ma bezpośredni wpływ na efektywność systemów nawadniających. Gleby o wysokim współczynniku filtracji umożliwiają szybkie przenikanie wody do głębszych warstw, co może ograniczać dostępność wody dla korzeni roślin w warstwie ornej.

Współczynnik filtracji jest istotny przy ocenie jakości wody przeznaczonej do pojenia zwierząt gospodarskich. Czynniki meteorologiczne, takie jak opady atmosferyczne, temperatura oraz wilgotność powietrza, mają pośredni wpływ na współczynnik filtracji.

Metody określania współczynnika filtracji

Współczynnik filtracji można określić za pomocą kilku metod laboratoryjnych i terenowych. W warunkach laboratoryjnych próbki gleby umieszcza się w cylindrach i przepuszcza przez nie wodę, mierząc jej objętość w określonym czasie. Nowoczesne technologie wspierają optymalizację współczynnika filtracji poprzez precyzyjne monitorowanie parametrów gleby oraz automatyzację procesów nawadniania i drenażu. Wykorzystuje się m.in.

Test perkolacyjny - metoda badania przepuszczalności gruntu

Aby efektywnie zagospodarować wodę pościekową z oczyszczalni lub wodę deszczową poprzez rozsączanie w gruncie, kluczowe jest zrozumienie właściwości badanego gruntu. Pomocnym narzędziem w tym procesie jest test perkolacyjny, który pozwala określić zdolność gruntu do przesiąknięcia wody. Mimo że nie jest to metoda absolutnie dokładna, dostarcza ona cennych informacji dotyczących potencjalnego zastosowania systemów rozsączających.

Jak przeprowadzić test perkolacyjny?

Przygotowanie terenu:
- Wstępny wykop: Należy wykonać wykop o głębokości, na której planowana jest dolna część systemu rozsączającego.
- Wykop pomiarowy: Na dnie wstępnego wykopu przygotowuje się dołek o wymiarach 30 x 30 cm i głębokości 50 cm. Ważne jest, aby dolna część dołka miała przynajmniej 10 cm szerokości. Nie jest wymagane wygładzanie ścianek dołka; należy jedynie usunąć luźną ziemię.
Nawilżanie dołka:
Dołek należy zalać wodą i poczekać, aż zostanie ona wchłonięta przez glebę. Czynność tę powtarza się kilkakrotnie, aż do momentu, kiedy czas wsiąknięcia wody po przelaniu przekroczy 10 minut. Czas potrzebny na nawilżenie może różnić się w zależności od rodzaju gleby i pory roku, waha się od kilku godzin do całej doby.
Przeprowadzenie testu:
Po odpowiednim nawilżeniu gleby przystępuje się do właściwego testu, polegającego na obserwacji tempa, w jakim woda opada o 1 cm lub jest całkowicie wchłonięta. Pozwala to ustalić współczynnik filtracji gruntu.
Powtarzalność testu:
Aby uzyskać bardziej wiarygodne wyniki, zaleca się przeprowadzenie testu co najmniej trzykrotnie i obliczenie średniej z uzyskanych wyników.

Jak interpretować wyniki testu?

Klasa A: Głównie pospółki, żwiry, kamienie - filtracja do 2 min.
Klasa B: Piaski grube i średnie - filtracja od 2 do 18 min.
Klasa C: Drobnoziarniste piaski - filtracja od 18 do 180 min.
Klasa D: Piaski gliniaste - filtracja od 180 do 780 min.
Klasa E: Gliny i skały lite - filtracja powyżej 780 min.

Przepuszczalność gruntów w kontekście przydomowych oczyszczalni ścieków

Charakterystyka przepuszczalności gruntu oraz właściwości filtracyjne skał i gruntów są kluczowymi wskaźnikami ich zdolności do transportu wody, określanych mianem hydraulicznej przepuszczalności. Jest to parametr określający, jak grunt czy skała przewodzi wodę, co ma znaczący wpływ na procesy filtracyjne zachodzące przy obecności różnic ciśnień hydrostatycznych, kiedy to woda podziemna zaczyna przemieszczać się przez grunt.

Klasyfikacja gruntów pod kątem przepuszczalności

W praktyce, grunty klasyfikowane są na podstawie ich przepuszczalności jako przepuszczalne lub ograniczające przepływ wody. Wśród gruntów o wysokiej przepuszczalności znajdują się przede wszystkim piaski i żwiry, będące reprezentantami materiałów o większych frakcjach. Natomiast grunty o mniejszych frakcjach, takie jak iły, gliny czy pyły, charakteryzują się znacznie słabszą przepuszczalnością, co czyni je mniej przepuszczalnymi dla wody.

Szczegółowy podział skał ze względu na właściwości filtracyjne

Właściwości filtracyjne skał można podzielić zależnie od ich współczynnika filtracji, który może być wyrażony w metrach na sekundę (m/s), metrach na godzinę (m/h), lub w darcy.

Rozróżniamy następujące kategorie:

Wysoka przepuszczalność: rumosze, żwiry, piaski gruboziarniste i równoziarniste, oraz skały masywne z bardzo gęstą siecią drobnych szczelin charakteryzują się bardzo dobrą przepuszczalnością, z współczynnikiem filtracji przekraczającym 10^-3 m/s, co odpowiada więcej niż 3,6 m/h.
Dobra przepuszczalność: piaski różnoziarniste, średnioziarniste, kruche i słabo spojone gruboziarniste piaskowce, oraz skały masywne z gęstą siecią szczelin mają współczynnik filtracji w zakresie 10^-4 do 10^-3 m/s, co daje od 0,36 do 3,6 m/h.
Średnia przepuszczalność: drobnoziarniste piaski i less mają współczynnik filtracji między 10^-5 a 10^-4 m/s, równy 0,036 do 0,36 m/h.
Słaba przepuszczalność: pylaste piaski, gliniaste, mułki, piaskowce i skały masywne z rzadką siecią drobnych spękań charakteryzują się współczynnikiem filtracji między 10^-6 a 10^-5 m/s, czyli 0,0036 do 0,036 m/h.
Półprzepuszczalne skały: gliny, namuły, mułowce i iły piaszczyste, z współczynnikiem filtracji w zakresie 10^-8 do 10^-6 m/s, co odpowiada 0,000036 do 0,0036 m/h.
Skały nieprzepuszczalne: iły, iłołupki, zwarte gliny ilaste, margle ilaste i skały masywne bez szczelin mają współczynnik filtracji poniżej 10^-8 m/s, czyli mniejszy niż 0,000036 m/h.

Tabela: Charakterystyka przepuszczalności skał

Charakter przepuszczalności	Przykłady materiałów	Współczynnik filtracji [m/s]	Współczynnik filtracji [m/h]
Bardzo dobra	Rumosze, żwiry, gruboziarniste piaski, skały z gęstą siecią drobnych szczelin	> 10^-3	> 3,6
Dobra	Piaski o różnej ziarnistości, słabo spojone piaskowce gruboziarniste, skały ze szczelinami	10^-4 - 10^-3	0,36 - 3,6
Średnia	Drobnoziarniste piaski, less	10^-5 - 10^-4	0,036 - 0,36
Słaba	Piaski pylaste, gliniaste, piaskowce, skały z rzadkimi spękaniami	10^-6 - 10^-5	0,0036 - 0,036
Skały półprzepuszczalne	Gliny, namuły, mułowce, iły piaszczyste	10^-8 - 10^-6	0,000036 - 0,0036
Skały nieprzepuszczalne	Iły, iłołupki, zwarte gliny ilaste, margle ilaste	< 10^-8	< 0,000036

Typy gruntów a efektywność rozsączania

Różnorodność typów gruntów decyduje o ich zdolnościach do przesączania ścieków. Przepuszczalność gruntu ma bezpośredni wpływ na efektywność rozsączania ścieków oczyszczonych w oczyszczalniach przydomowych.

Optymalna przepuszczalność gleby jest kluczowa dla skutecznego rozsączania ścieków i usuwania substancji zanieczyszczających. Gdy przepuszczalność gleby jest odpowiednia, proces rozsączania w gruncie przebiega efektywnie, umożliwiając skuteczne rozsączanie ścieków. Natomiast nieprawidłowa przepuszczalność gleby może prowadzić do różnych problemów, takich jak zablokowanie systemu rozsączającego lub wycieki ścieków do wód gruntowych.

W przypadku oczyszczania przydomowego, odpowiedni dobór technologii oczyszczania, takich jak biologiczne (tlenowe) oczyszczanie ścieków, jest kluczowy dla zachowania efektywności procesu. Podczas projektowania systemu rozsączającego należy uwzględnić przepuszczalność gleby, aby zapewnić odpowiednie rozsączanie ścieków. Dzięki temu możliwa jest długoletnia praca systemu i ochrona środowiska naturalnego.

Drenaż i studnia chłonna jako element przydomowej oczyszczalni ścieków

W dzisiejszych czasach coraz więcej gospodarstw domowych decyduje się na instalację przydomowych oczyszczalni ścieków. Jest to nie tylko ekologiczne rozwiązanie, ale także ekonomiczne i praktyczne, zwłaszcza w miejscach, gdzie dostęp do centralnej kanalizacji jest utrudniony. Dwa kluczowe elementy, które odgrywają ważną rolę w skutecznym funkcjonowaniu takich systemów, to drenaż i studnia chłonna.

Drenaż - najczęstsza metoda rozsączania wody pościekowej

Drenaż w kontekście przydomowych oczyszczalni ścieków jest systemem, który umożliwia bezpieczne odprowadzanie przetworzonych ścieków z oczyszczalni do gruntu. Składa się z perforowanych rur układanych w specjalnie przygotowanych rowach wypełnionych kruszywem o frakcji 16-32 mm, takim jak żwir czy otoczak. System ten rozprasza wodę na większym obszarze, co umożliwia jej naturalne wsiąknięcie do gruntu.

Kluczowym aspektem projektowania systemu drenażowego jest dostosowanie go do warunków gruntowo-wodnych danej działki. Nieprawidłowo zaprojektowany lub wykonany drenaż może nie spełniać swojej funkcji, co w konsekwencji prowadzi do problemów z odprowadzaniem wody i może negatywnie wpłynąć na środowisko.

Studnia chłonna - alternatywa dla drenażu

W przypadku gdy pierwsza warstwa gruntu jest nieprzepuszczalna i tradycyjny drenaż nie jest możliwy lub wystarczający, na ratunek przychodzi studnia chłonna. Jest to specjalnie skonstruowany zbiornik bez dna, do którego odprowadza się oczyszczone ścieki z przydomowej biologicznej oczyszczalni. Budowa studni chłonnej pozwala na bezpieczne odprowadzenie wody pościekowej, bezpośrednio do warstw przepuszczalnych, minimalizując ryzyko słabej absorbcji gruntu.

Studnia chłonna musi być odpowiednio zaprojektowana, biorąc pod uwagę charakterystykę gleby oraz poziom wód gruntowych, aby zapewnić efektywne i bezpieczne infiltracje wód oczyszczonych.

Co lepsze: studnia chłonna czy drenaż rozsączający?

Zarówno drenaż, jak i studnia chłonna są nieodzownymi elementami systemów przydomowych oczyszczalni ścieków, które mają kluczowe znaczenie dla ochrony środowiska i efektywnego gospodarowania zasobami wodnymi. Wybór odpowiedniego rozwiązania zależy od wielu czynników, w tym od warunków gruntowych i wymogów prawnych. Dlatego tak ważne jest, aby na etapie projektowania skonsultować się ze specjalistami, którzy pomogą dobrać najbardziej optymalne i efektywne rozwiązanie dla Twojego domu.

Odprowadzenia oczyszczonych ścieków w trudnych warunkach gruntowo-wodnych

Oczyszczalnie ścieków typu biologicznego doskonale sprawdzają się w różnorodnych warunkach geologicznych, oferując skuteczne rozwiązania nawet wtedy, gdy standardowe metody rozsączania nie są wystarczająco efektywne. Problemy takie jak wysoki poziom wód gruntowych czy niska przepuszczalność gleby wymagają implementacji innowacyjnych technologii odprowadzania ścieków. Do najbardziej efektywnych należą:

Rozsączanie napowierzchniowe z wykorzystaniem zbiorników do gromadzenia wody po oczyszczalni, wyposażonych w pompy, pozwalające na wykorzystanie przetworzonej wody do nawadniania zieleni.
Systemy rozsączające realizowane w nasypach, np. przez zastosowanie drenażu, które skutecznie radzą sobie z odprowadzeniem wody w miejscach, gdzie bezpośrednia infiltracja jest niemożliwa.
Bezpośrednie odprowadzenie oczyszczonych ścieków do wód powierzchniowych, co jest możliwe tylko po spełnieniu kryteriów ochrony środowiska i regulacji prawnych.

Wymagania dotyczące lokalizacji systemów rozsączających na działce

Zalecenia dotyczące lokalizacji biologicznych oczyszczalni ścieków oraz systemów rozsączających podkreślają konieczność zachowania odpowiednich odległości od różnych elementów infrastruktury i przyrody, aby zapewnić ich bezpieczne i efektywne funkcjonowanie. W kontekście instalacji biologicznych oczyszczalni ścieków bezzapachowych, które nie wykorzystują osadnika gnilnego, a co za tym idzie, nie generują nieprzyjemnych zapachów, nie istnieją szczegółowe przepisy regulujące minimalną odległość takich urządzeń od budynków mieszkalnych. Regulacje prawne umożliwiają instalację podziemnych, hermetycznie zamkniętych zbiorników osadnikowych w bezpośrednim sąsiedztwie budynków mieszkalnych.

Warunkiem jest, aby systemy odpowietrzające były wyprowadzone na wysokość co najmniej 0,6 metra nad najwyższy punkt okien lub drzwi zewnętrznych budynku, zgodnie z obowiązującymi normami.

Tabela: Zalecane odległości systemu rozsączającego od różnych obiektów na działce

Element zabudowy/zagospodarowania terenu	Odległość od systemu rozsączającego
Granica posesji lub droga	2 metry
Dom	Brak norm
Studnia (ujęcie wody)	30 metrów
Rurociągi (gaz, woda)	1,5 metra
Przewody elektryczne	0,8 metra
Drzewa i krzewy	3 metry

tags: #filtracja #przepuszczalność #wody #definicja