Filtracja Warstwowa w Hydrogeologii: Definicja i Znaczenie
- Szczegóły
Filtracja (ruch wody w gruntach) definiowana jest jako zdolność wody do przesączania się przez ośrodek porowaty pod wpływem różnicy ciśnień. Zależy głównie od właściwości fizycznych filtrującej wody oraz od właściwości fizycznych gruntu - zdolności gruntu do przepuszczania wody przez system połączonych porów (przepuszczalności hydraulicznej, wodoprzepuszczalności).
Rodzaje Filtracji
Wyróżnia się trzy rodzaje filtracji:
- Filtracja laminarna (warstwowa): ruch polegający na bardzo powolnym przesączaniu się wody przez system porów i kanalików, cząsteczki wody w poszczególnych warstwach poruszają się równolegle względem siebie; nie dochodzi do mieszania się cząsteczek wody pomiędzy różnymi warstwami; filtracja laminarna jest zależna liniowo od spadku hydraulicznego (stosunku różnicy wysokości wody gruntowej do długości jej przepływu).
- Filtracja turbulentna (burzliwa): ruch wody odbywający się z większą prędkością (przekraczającą prędkość krytyczną); cząsteczki wody poruszają się ruchem postępowym, wstecznym oraz wirowym, w związku z czym często dochodzi do ich zderzania się i mieszania; filtracja turbulentna jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego w potędze ½.
- Filtracja mieszana (nieliniowa): ruch wody odbywający się w niejednorodnych warstwach wodonośnych, charakteryzujący się występowaniem w poszczególnych warstwach ruchów o charakterze filtracji laminarnej i filtracji turbulentnej; filtracja nieliniowa zależy od spadku hydraulicznego o wykładniku potęgowym ½ < n < 1.
Prawo Darcy'ego dla Przepływów Laminarnych
Prawo Darcy’ego jest równaniem opisującym laminarny przepływ wody przez ośrodek porowaty (głównie osady drobnoziarniste). Nazwa upamiętnia francuskiego inżyniera i hydrologa Henry’ego Philiberta Gasparda Darcy’ego (1803-1858) prowadzącego badania nad przepuszczalnością warstw piasku dla wody w trakcie projektowania systemu fontann w mieście Dijon w latach 1855-1856. Badania te polegały na przepuszczaniu wody przez próbki piasku umieszczone w cylindrze metalowym w celu zmierzenia różnicy poziomów wody w cylindrze i naczyniu odpływowym oraz ilości wody przepływającej w danej jednostce czasu.
Zgodnie z treścią prawa Darcy’ego objętościowe natężenie filtracji, czyli ilość wody przepływającej przez ośrodek porowaty w jednostce czasu jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego, poprzecznego przekroju prowadzącego wodę oraz współczynnika filtracji:
gdzie:
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Q - objętość wody przepływającej w jednostce czasu [m³/s],
- k - współczynnik filtracji [m/s],
- A - powierzchnia przekroju prowadzącego wodę [m2],
- J - spadek hydrauliczny - różnica wysokości słupów wody bądź różnica ciśnień na drodze przepływu.
Prędkość przepływu wody (V) w przekroju prowadzącym wodę (A) określa zależność:
Powyższe równanie ukazuje liniową zależność prędkości filtracji od spadku hydraulicznego, w związku z czym prawo Darcy’ego określane jest również mianem liniowego prawa filtracji.
Zgodnie z treścią prawa Darcy’ego objętościowe natężenie filtracji, czyli ilość wody przepływającej przez ośrodek porowaty w jednostce czasu (Q) jest proporcjonalna do spadku hydraulicznego ( ∆ h = hb − ha ) na drodze przepływu (l ), poprzecznego przekroju prowadzącego wodę ( A ) oraz współczynnika filtracji (k).
Współczynnik Filtracji (k)
Współczynnik filtracji (k) (stała Darcy’ego) określa zdolność przesączania się cząsteczek wody poruszających się ruchem laminarnym przez system porów i kanalików gruntów porowatych i stanowi miarę przepuszczalności hydraulicznej (wodoprzepuszczalności) gruntów.
Współczynnik filtracji zależy od:
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
- właściwości filtrującej cieczy (wody):
- temperatury,
- składu chemicznego,
- gęstości,
- lepkości.
- właściwości fizycznych gruntu:
- uziarnienia,
- porowatości,
- składu mineralnego,
- struktury i tekstury.
Współczynnik filtracji ( k ) można wyznaczyć korzystając z prawa Darcy’ego:
gdzie:
- k - współczynnik filtracji [m/s ],
- Q - objętość przepływu w jednostce czasu, Q = V/t = v ∙ A ,
- V - objętość [m³ ],
- t - czas [ s ],
- v - prędkość filtracji [ m/s ],
- A - powierzchnia przekroju [m² ],
- J - spadek hydrauliczny, J = ∆ h / l ,
- h - różnica poziomów [ m ],
- l - długość pozornej drogi filtracji liczona w linii prostej od początku do końca, niezależnie od krętości kanalików porowych [m],
- v - prędkość wody [m/s].
Z powyższej zależności wynika, że spadek hydrauliczny ( J ) jest odwrotnie proporcjonalny do współczynnika filtracji ( k ):
Oznacza to, że w utworach cechujących się dobrą przepuszczalnością (piaski gruboziarniste, żwiry) spadki hydrauliczne są mniejsze w porównaniu z utworami trudno przepuszczalnymi (np. piaski drobnoziarniste, pylaste) przy tej samej wartości prędkości filtracji.
Znaczenie Prawa Darcy'ego
Prawo Darcy’ego oraz wynikające z niego zależności są powszechnie wykorzystywane w budownictwie ziemnym (m.in. w celu obniżenia poziomu wód gruntowych podczas robót fundamentowych) oraz budownictwie wodnym (m.in. w celu określenia przepuszczalności grobli ziemnych i dna zbiorników wodnych, projektowaniu uszczelnień). Technologie inżynierii środowiska wykorzystują znajomość tych praw do projektowania ujęć wód podziemnych, składowisk odpadów, zbiorników infiltracyjnych, złóż filtracyjnych (oczyszczanie ścieków) oraz określaniu czasu i kierunku rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w zbiornikach wód podziemnych.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
tags: #filtracja #warstwowa #hydrogeologia #definicja
