piezometr
Piezometr, hydrogeologiczny otwór obserwacyjny – urządzenie w postaci małośrednicowego otworu wiertniczego bez urządzeń pompujących wykorzystywane w hydrogeologii głównie do wykonywania pomiarów poziomu zwierciadła swobodnego wód gruntowych w warstwie wodonośnej, określania temperatury wody, kierunku i prędkości filtracji oraz w monitoringu jakości i stopnia zanieczyszczenia wód gruntowych dzięki możliwości pobierania próbek wody do badań bakteriologicznych, geochemicznych i fizykochemicznych.
Zasada działania piezometru
Piezometr, określany również mianem hydrogeologicznego otworu obserwacyjnego, jest urządzeniem w postaci małośrednicowego otworu wiertniczego bez urządzeń pompujących, które wykorzystywane jest w hydrogeologii głównie do przeprowadzania pomiarów poziomu zwierciadła swobodnego wód gruntowych w warstwie wodonośnej, czyli granicy pomiędzy strefą aeracji (nawietrzenia) i strefą saturacji (nasycenia) pozostającej pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Pomiar piezometryczny służy również do określania temperatury wody, kierunku i prędkości filtracji, a także monitoringu jakości oraz stopnia zanieczyszczenia wód gruntowych dzięki możliwości pobierania próbek wody do badań bakteriologicznych, geochemicznych i fizykochemicznych.
Piezometr służy do pomiaru wysokości ciśnienia piezometrycznego w danym punkcie warstwy wodonośnej (p), co umożliwia wyznaczenie wysokości hydraulicznej (h), która definiowana jest jako suma wysokości położenia tego punktu ponad poziomem odniesienia (przeważnie ponad poziomem morza) (he) oraz wysokości ciśnienia piezometrycznego (hp) w tym punkcie, zgodnie z równaniem:
Pomiar ten polega na bezpośrednim wyznaczeniu poziomu hydraulicznego wody w warstwie wodonośnej, czyli wysokości hydraulicznej (h), która w przypadku zwykłych (słodkich) wód gruntowych odpowiada rzędnej zwierciadła wód gruntowych (jeżeli poziomem odniesienia jest poziom morza), bądź na pomiarze ciśnienia występującego w danym punkcie warstwy wodonośnej (p) i przeliczeniu otrzymanej wartości na wysokość ciśnienia w tym punkcie (hp) stanowiącą składową wysokości hydraulicznej, zgodnie z zależnością:
Mała średnica otworu obserwacyjnego (do 110 mm) jest niezbędna dla zachowania możliwie niewielkiej bezwładności piezometru, która może spowodować opóźnienie reakcji na zmiany ciśnienia w warstwie wodonośnej podczas przeprowadzania pomiaru. Piezometr powinien ujmować wodę z warstwy wodonośnej dnem otworu bądź perforowaną częścią czynną filtra, w celu przeprowadzenia dokładnych pomiarów dla danego punktu w warstwie wodonośnej.
Rodzaje piezometrów
Piezometr otwarty, zwany także piezometrem rurowym, jest rurą ze stali bądź tworzywa sztucznego o małej średnicy (do 20 mm), zakończoną filtrem o porowatej strukturze, przez który woda gruntowa dostaje się do jego wnętrza. Pierścień pomiędzy filtrem i otworem piezometru wypełniony jest piaskiem, którego górna i dolna powierzchnia uszczelniona jest dodatkowo bentonitem; zaś pozostała część otworu wypełniona jest zaprawą cementową. Piezometr otwarty instalowany jest wewnątrz odwiertu, z porowatym filtrem umieszczonym w obrębie warstwy wodonośnej na głębokości pomiaru poziomu zwierciadła swobodnego wody gruntowej. Ciśnienie porowe wody gruntowej (u) powoduje wypychanie wody przez filtr do wnętrza i w górę rury piezometru do momentu, gdy poziom wody w urządzeniu, czyli wysokość hydrauliczna (h), będzie równy ciśnieniu porowemu wody gruntowej na wysokości filtra. Pomiary z użyciem piezometru otwartego umożliwiają bezpośrednie wyznaczenie poziomu zwierciadła wody gruntowej, określanie innych parametrów (temperatury, kierunku oraz prędkości filtracji), a także pobieranie próbek do badań. Pomiary można przeprowadzać manualnie z wykorzystaniem świstawki hydrogeologicznej bądź automatycznie z użyciem czujnika ciśnienia hydrostatycznego umieszczonego wewnątrz piezometru.
Piezometr zamknięty jest rodzajem piezometru bez obudowy, instalowanym przez wbijanie, wciskanie bądź bezpośrednie umieszczenie w wykopie lub otworze wiertniczym, który po zainstalowaniu urządzenia wypełniany jest piaskiem albo zaprawą cementowo-bentonitową. Piezometr elektryczny z wibrującą struną, jeden z typów piezometru zamkniętego, składa się z porowatego filtra zakończonego odchylaną, stalową membraną, wibrującej struny i dwóch cewek. Filtr umieszczony jest w warstwie wodonośnej na głębokości pomiaru poziomu zwierciadła swobodnego wody gruntowej. Zasada działania piezometru tego typu opiera się na pomiarze ciśnienia porowego wody gruntowej (u), na podstawie którego wyznacza się poziom zwierciadła. Woda gruntowa wpływająca do filtra wywołuje zmiany ciśnienia porowego powodując odchylanie się membrany aż do momentu, gdy ciśnienie wewnątrz zbiornika piezometru (wysokość hydrauliczna, h) będzie równe ciśnieniu porowemu wody gruntowej na wysokości filtra. Odchylenie membrany powoduje drgania struny skutkujące zmianą pola magnetycznego w pobliżu cewki, z której z kolei wysyłany jest sygnał elektryczny o danej częstotliwości do urządzenia odczytującego, gdzie przetwarzany jest na równoważne ciśnienie porowe.
Zastosowania piezometrów
Piezometry typu otwartego i zamkniętego wykorzystywane są do wykonywania pomiarów poziomu wód gruntowych oraz określania kierunku i szybkości ich przepływu, co znalazło zastosowanie w monitoringu wód gruntowych w ziemnych budowlach hydrotechnicznych oraz w ich najbliższym sąsiedztwie, np. w zaporach, jazach, wałach przeciwpowodziowych, nasypach, czaszach zbiorników wodnych ze zboczami i skarpami. Piezometry używane są również w budownictwie w celu dostosowania projektu budowy do lokalnych warunków hydrogeologicznych, oceny ryzyka występowania podtopień oraz wprowadzenie rozwiązań przeciwdziałających bądź ograniczających ich potencjalne skutki, np. instalacji drenażu wokół budynku na poziomie fundamentów w celu stałego obniżenia poziomu wód gruntowych.
Piezometry (np. piezometry otwarte) wykorzystywane są również w regionalnym i lokalnym monitoringu jakości oraz stopnia zanieczyszczenia wód gruntowych dzięki możliwości okresowego pobierania próbek wody do badań hydrogeologicznych. Urządzenia te mają głównie zastosowanie we wszelkich obiektach oraz budowlach hydrotechnicznych, których działalność i funkcjonowanie mogą mieć negatywny wpływ na środowisko naturalne poprzez możliwość zanieczyszczenia wód gruntowych, takich jak składowiska odpadów komunalnych, przemysłowych i niebezpiecznych, stacje paliw, wyloty ścieków z oczyszczalni, elektrownie wodne, zapory wodne, obwałowania.
