Hüdrogeoloogia lühikonspekt (TKTK) (0)

Hüdrogeoloogia on teadus põhjavetest. Põhjavete hulka kuuluvad kindlasti veed, mis on allpool maapinda, kuid siin on üks väikene aga. Maapinnast alates on harilikult tegemist mullaga. Mullas on mullavesi . Allapoole minnes võib olla tükk tühja maad enne kui ilmneb esimene tõeline põhjavee kiht mida nimetatakse pinnaseveeks. Seda tükki tühja maad nimetatakse aeratsioonivööks. Aeratsioonivöö kaudu toimib põhjavee toitumine ehk infiltratsioon . Sademed jaotuvad kolmeks:

Auruvad atmosfääri tagasi ja tarbitakse taimestiku poolt

Jooksevad pinnavette

Infiltreeruvad põhjavette
Aeratsioonivöös pesitseb veel üks liik vett. Tegemist on ülaveega, mis asetseb lokaalsel veerpidemel.
Aeratsioonivöös esineb vesi auruna , mille molekulid võivad olla pinnaseosakestega mitmeti seotud. Vaba vesi ehk gravitatsiooniline vesi võib olla kapillaarne rippuv vesi , kapillaarvesi ja vaba vesi mis moodustab pinnasevee või survelise ehk arteesiavee. Füüsikaliselt seotud vesi (hügroskoopsus- ja kilevesi) tekib kivimiosakeste pinna ja veemolekulide vahelise vastastikulise mõju tagajärjel.
Kapillaarveega on seotud mitmesugused probleemid teedeehituses meil ja muldade sooldumisega niisutatavatel kõrbealadel. Kapillaarjõud töötavad pumbana tõstes vett maapinnale kus ta siis külmub või toob sooli maapinnale. Selle vältimiseks on vajalik hoida pinnasevee tase nii sügaval, et kapillaarvesi ei saaks pahandust teha.
Paluks mitte segamini ajada termineid pinnavesi ja pinnasevesi .
Pinnavee all mõistetakse kõiki veekogusid: jõed, järved , tiigid , kraavid jne. Pinnasevesi on esimene, maapinnalähedane põhjavee kiht, kusjuures tegemist on vabapinnalise põhjavee kihiga (alternatiiviks on surveline põhjavesi).
Pinnasevee pealispind ehk pinnasevee peeglit eristab maapinnast aeratsioonivöö, mille kaudu toimub pinnasevee toitumine infiltratsiooni ja ka kondensatsiooni kaudu. Järelikult pinnasevee toiteala ühtib tema levialaga. Surveline ehk arteesiavesi paikneb veepidemete vahel. Tänu veepidemetele tekibki arteesiavee kihis rõhk. Niisiis on arteesiavete puhul tegemist kolme alaga: toite-, surve- ja drenaažialaga. Üldjuhul peaks levikuala olema suurem kui toiteala. Tasub silmas pidada ka seda, et arteesiavee toiteala, nii nagu juuresoleval pildil kujutatud, on samal ajal pinnasevee leviala.
Meie alal on infiltratsioon põhiline põhjavee toitumisallikas. Asi on selles, et keskmine sademete hulk ületab aurumise. Nende kahe näitaja vahe jaotub pinna- ja põhjavee vahel. Näiteks Pandivere kõrgustikul on see vahe umbes 350 mm. Kuna pinnavete võrk seal praktiliselt puudub, siis läheb kõik see vesi põhjavee toiteks.
Peale infiltratsiooni tuntakse veel teisigi põhjavee tekkimise viise. Nendeks on:

• Kondensatsioon – soe, veeauru sisaldav õhk, tungides jahedamatesse kivimitesse jahtub seal ning kondenseerunud vesi tekitabki põhjavett
  
• Juveniilsed veed tekivad magma ja tema aurude jahtumisel
  
• Kristallisatsiooni- või keemiliselt seotud vesi võib tingimuste (rõhk, temperatuur) muutudes vabaneda
  
• Settekivimid, mis on tekkinud veelises keskkonnas võivad säilitada osa veest
  

Põhjavesi võib toituda pinnaveest ja ka vastupidi. Kõik oleneb veetasemetest. Kui põhjavee tase on kõrgemal, siis võib ta olles hüdrauliliselt pinnaveega seotud sinna ka voolata. Kui hüdrauliline side puudub, siis voolates kõrgemal nõlvalt alla (olles muutunud juba pinnaveeks) toidab ta ju ikkagi pinnavett .
Selleks, et teada mis suunas põhjavesi liigub, on vaja põhjavee pinna samakõrguste (hüdroisohüpside) kaarti . Nii nagu iga tasapinna määravad ära, nii peab ka põhjavee puhul olema andmed vähemalt kolmest punktist. Kõrgused punktide vahel saadakse interpoleerimise teel ning ühesuguste kõrgustega punkte ühendavad jooned ongi hüdroisohüpsid. Nool mis on hüdroisohüpsiga risti näitab põhjavee liikumise suunda.
Tulles nüüd tagasi pinna- ja põhjavee seoste juurde, siis juhul kui hüdroisohüpside kaardi järgi on näha, et põhjavesi liigub pinnavee poole, siis on selge, et põhjavesi toidab ja vastupidi. Kolmas variant on see, et hüdroisohüpsid on pinnaveega risti. Siis seos puudub.
Pinnasevee tasemete kaart on hüdroisohüpside kaart. Põhimõtteliselt samasugune kaart on ka arteesiavete oma, ainult seda nimetatakse hüdroisopieeside kaardiks.
Küsimus kas antud punktis toimub side pinnasevee ja allpool lasuva survelise vee vahel sõltub hüdroisohüpside ja hüdroispieeside vahekorrast: see mis on kõrgemal võib toita madalamal olevat. Kas see ka tegelikult nii on saame teada vaadates paikkonda laiemalt. Kui ühtedel hüpsidel on seal muhk ja teistel lohk, siis on selge et toitumine on olemas. Kahjuks on nii hüdroisohüpside, kui ka hüdroisopieeside joonistamine eriti rohkem kunst kui teadus, sest andmeid on alati liiga vähe. Seetõttu ei satu muhud ja lohud sageli kohakuti või puuduvad hoopis. Sageli tuleb aga appi vete keemilise koostise analüüs. Näiteks kambriumi vendi põhjavesi on Lahemaal palju magedam kui mujal. See näitab, et on side sealsete pinnasevetega olemas.
Põhjavesi toidab pinnavett Pinnavesi toidab põhjavett Side puudub
Kuna eksisteerib kaks arvamust hüdrogeoloogia kohast:

• Kuivamaa hüdroloogia haru
  
• Geoloogia haru
  

Siis ei saa me üle ega ümber vooluhulkade mõõtmisest. Nii imelik kui see ei tundu maksustasid vanad roomlased oma veevärgi tarvitajaid mitte vooluhulga vaid kanali ristlõike pindala järgi. Ega see liiga ebaõiglane ei olnudki, sest ühes piirkonnas liikus vesi sama kiirusega, ehk kõik said seal ühtviisi kasu või kahju. Teiste sõnadega ühes kohas saadi ruutmeetri kaudu rohkem vett kui teisal.
Leonardo da Vinci oli üks esimesi kes jagas ära asjaolu, et jõe vooluhulk võrdub jõe ristlõike pindala ja voolukiiruse korrutisega:
kus Q on vooluhulk m3/s
F – ristlõike pindala m2
Ja v – voolukiirus m/s.
Samuti kui pinnavee vooluhulkade määramine on tahtis ka põhjavee hulga määramine. Nagu üks tuntud vene hüdrogeoloog Lange on ütelnud, et hüdrogeoloog tegeleb nii teoreetiliselt kui praktiliselt liiva tüüpi kivimitega, st põhiliselt poorse keskkonnaga. Poorsus on kivimis olevate pooride ja kivimi mahu jagatis .
Oluline parameeter on veega küllastunud kivimi omadus anda ära teatava hulga vett. Seda näitajat nimetatakse veeanniks. Veeannile vastand on küllastusvajak. See nätab kui palju veega küllasumata kivimisse vett juurde mahub . Veeand sõltub kivimi terasuurusest:

• Peeneteraline liiv ja saviliiv 0,1…0,15
  
• Väikeseteraline liiv ja savikas liiv 0,15…0,2
  
• Keskmiseteraline liiv 0,2…0,25
  
• Suureteraline liiv 0,25..0,35
  
• Savitsemendiga liivakivi 0,02…0,03
  

Eristatakse saviliiva ja liivsavi . Nendel on erinevad veeannid, sest saviliiv sisaldab vähem saviosakesi kui liivsavi. Savi enda veeand on aga nullilähedane.
Aastal 1856 lõbustas prantsuse insener Darcy end sellega, et laskis vett läbi mitmesuguse terasuurusega (mitmesuguse granulomeetrilise koostisega ehk lõimisega) liivade vett ja jõudis järeldusele et:
Q=kFI,
Kus k on filtratsioonimoodul,
F on ristlõile pindala ning
I – gradient ehk rõhumuutus jagatud teepikkusega (Vargamäe mehed rääkides kraavitusest kasutasid terminit vee kukkumine )
Darcy seade: 1 ja 2 kraan ja anum , 3 ja 4 kõverad torud millede abil mõõdeti veetasemeid h1 ja h2 ning määrati liivakihi paksus ehk filtreeruva vee teekonna pikkus l.
ning vastavalt . Selleks, et aru saada mis see filtratsioonimoodul siis on teeme järgmise viguri:

• pinnavee vooluhulga mõõtmisest teame, et jagades vooluhulga ristlõike pindalaga saame voolukiiruse
  
• teeme sama Darcy seadusega ning saame .
  

Nagu näha on filtratsioonimoodul võrdne filtratsioonikiirusega kui gradient võrdub ühega.
Filtratsioonimoodul sõltub oluliselt kivimi tühemelisusest ja lõimisest:

• veerised üle 100 m/ööp
  
• veeristega liiv 20…100
  
• mitmesugused liivad 1..60
  
• saviliiv 0,01…1
  
• liivsavi 0,001…0,01
  
• savi alla0,001
  

Lähtudes Darcy seadusest saame arvutada näiteks põhjavee vooluhulka kraavi jooksva meetri kohta ühelt kaldalt:

• kui meil on andmeid veetasemete kohta punktides 1 ja 2 vastavalt h1 ja h2
  
• on teada nende punktide vahekaugus L
  
• on teada filtratsioonimoodul k
  

, siin esimene suhtarv on pinnasevee kihi keskmine paksus ja teine suhtarv on gradient.
Analoogiliselt võime arvutada ka arteesiavee vooluhulka. Ainukene vahe on selles, et keskmise kihipaksuse arvutamise asemel kasutame teadaolevat kihipaksust m:
Filtratsioonimooduli määramiseks on mitmeid võtteid, nii laboratoorseid kui ka välikatseid. Viimastest on olulisemad katsepumpamised puurkaevudest millega tegeles juba üleeelmisel sajandil teine prantsuse teadlane Dupuit, kes leidis, et kui:

• puurkaevu raadius on r
  
• veetaseme alandus puurkaevus on S
  
• puurkaevu mõjuraadius on R
  
• ning filtratsioonimoodul on k,
  
• puurkaevu toodang on Q:
  

Mõjuraadiusest R saab lahti siis, kui määrata veetaseme alandust lähedalasuvas vaatluskaevus. Dupuit valem eeldab, et tegemist on statsionaarse ehk ajas muutumatu režiimiga (toodang ja veetaseme alandused ajas ei muutu).
Ameeriklane Theis avastas, et mittestatsionaarsel režiimil
ning on võimalik lahti saada õnnetust mõjuraadiusest R mis on võrdne , kus t on pumpamise kestus ja , siin murru nimetajas on juba tuttav veeand.
Igasugused põhjavee rehkendused on seotud praktiliste vajadustega milleks on igasugune veetarbimine:

• Joogiveeks
  
• Tehniliseks veeks tööstuses
  
• Maavarade kaevandamine
  
• Maade kuivendamine
  
• Maade niisutamine
  
• Hüdrotehniline ehitus
  
• Põhjavee kaitse.
  

Põhjavee kaitstus ennekõike reostuse eest sõltub sellest kui pika teekonna peab reoaine läbima enne kui ta põhjavette jõuab. Pinnasevee puhul siis aeratsioonivöö paksusest ja selle koostisest. Olulised on nii filtratsiooniomadused kui ka kivimosakeste keemilised ja füüsikalised omadused. Mida paksem on aeratsioonivöö ja mida suurem on selle savisisaldus, seda paremini on pinnasevesi kaitstud. Kuna survelised põhjaveed toituvad pinnasevetest. Siis oleneb lõppude lõpuks nendegi kaitstus pinnasevee kaitstusest.
Pumpamine tähendab veetasemete alanemist. Kui möödunud sajandi alguses tõusis Tallinnas Koplis puurkaevust vesi paar meetrit üle maapinna, siis nüüdseks on see mitukümmend meetrit allpool. Kardetakse merevee sissetungi põhjavette. Seda on juhtunud mitmel pool saartel ja läänerannikul.
Intensiivne maaparandus ja soode kuivendamine on samuti alandanud veepinda ja seda soodest üpris kaugel. Magistraalkraave on lõhatud paesse, sellega on avatud survelist põhjavett, mis omakorda on esile kutsunud kaevude kuivenemist suurtel aladel. Soodest tuleb rääkida eraldi. Teatavasti on neid kolme tüüpi:

• Madalsood , mis toituvad põhiliselt põhjavetest. Põhiliselt sellepärast, et juurde tuleb ka sademete vett
  
• Siirdesood , mis on üleminekualaks
  
• Kõrgsood ehk rabad , mis toituvad ainult sademete vetest.
  

Kuna siin läks jutuks toitumisest, siis ei saa enam üle ega ümber põhjavee keemilisest koostisest.
Teadagi on vihmavesi väga mage . Sisaldab olenevalt paikkonnast 20…30 mg/l mitmesuguseid sooli. Ookeanivesi on oluliselt soolasem ca 35000 mg/l. Põhja- ja pinnavesi on enamasti nende kahe äärmuse vahel. Joogiveeks loetakse kõlblikuks vett, mille soolsus ei ületa 1 g/l ehk 1000 mg/l.
Vees lahustunud soolad esinevad anioonidena ja katioonidena. Peamised anioonid on OH-, Cl-, SO42-, NO2-, NO3-, HCO-3, SO32 -, PO43-. Levinumad katioonid on Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Mn2+. Meie tingimustes oleks vajalik teada et SO42- satub põhjavette sageli püriidi ehk FeS2 oksüdeerumisel, mis omakorda on tingitud maavarade kaevandamisega, mil püriit satub kokku hapnikurikka veega.
NH4+, NO2-, NO3 vastavalt ammoonium-, nitrit -ja nitraat- ioonid näitavad põhjavee reostust kusjuures ammoonium on värske reostuse tunnus ja nitraatioon on protsessi lõpp produkt.
Vete hindamisel on oluline selle bakterioloogiline koostis. Harilikult määratakse kolibakterite arvu spetsiaalses toitekeskkonnas kuhu on lisatud 1 cm3 uuritavat vett. Kolitiiter on ühe bakteri kohta tulev veehulk . Joogivee liitris ei tohi olla üle kolme bakteri ehk joogivee norm oleks kolitiiter 333.
Vete klassifitseerimisel kasutatakse valdavate anioonide ja katioonide sisaldust. Harilikult tehakse seda Kurlovi valemit kasutades, kus murru lugejas on need anioonid mille mg-ekv % ületab 20 ning murru nimetajas on vastavad katioonid. Mis on milligramm-ekvivalent? See on iooni mass milligrammides jagatud tema ekvivalentmassiga. Viimane on aga ioonmassi ja iooni oksüdatsiooniastme (mõlemad saadakse Mendelejevi tabelist) jagatis. Näiteks Na ioonmass on 23 tema oksüdatsiooniaste on 1, siis Na ekvivalentmass on 23/1=23.
Kuna vees peaks olema anioone ja katioone milligramm-ekvivalentides ühepalju, siis jagades mingi aniooni sisalduse mg-ev kõigi anioonide vastavate sisalduste summaga ning korrutades sajaga saamegi selle aniooni sisalduse mg-ekv%.
Liikudes Jäämerest lõunasse on pinnaveed nii nagu meilgi vesinikkarbonaatse koostisega. Lõunapool valdavad sulfaatsed veed ning päris kõrbealadel on tegemist juba päris kloriidsete vetega. Samasugune on pilt meil liikudes maapinnalt sügavusse. Ülemised põhjavee kihid on vesinikkarbonaatsed, sügavamal esineb ka sulfaatset vett ja aluskorral juba kloriidset vett.
Lõpetuseks loeks kokku Eesti põhilised põhjavee ladestikud:

• Kvaternaaris sisaldavad kõik settetüübid rohkem või vähem põhjavett ja üldjuhul on tegemist pinnaseveega, sageli moodustab kvaternaari pinnasevesi aluspõhja veega ühtse põhjaveekihi
  
• Devonis on kolm põhjaveekihti: ülemdevoni, keskdevoni ja kesk-alamdevoni
  
• Siluri ja Ordoviitsiumi kihtides on ühine siluri-ordoviitsiumi veeladestik, mis on vettkandev ülemises, maapinnale kõige lähemas kuni 70 meetrises osas
  
• Ordoviitsimi-kambriumi veeladestik paikneb samanimelistes liivakivides ja on oluliseks tsentraliseeritud veesaamise allikaks, eriti kui ülemised ordoviitsiumi veekihid on saastunud
  
• Kambriumi vendi veeladestik jaguneb ida Eestis kaheks : voronka ja gdovi põhjaveelademeks. Kuna tegemist on kuni 70 m paksuste sinisavidega kaetud põhjaveega,siis on tegemist ka parimaga. Gdovi lademe põhjavesi idas on üle normi soolane , mistõttu teda tarbitakse koos Voronka lademe põhjaveega
  
• Ka aluskorra murenemiskoorikus on soolast põhjavett.