Hydrogeologian perusteita
Hydrogeologian määritelmä
"Hydrogeologia on luonnontiede, joka tutkii pohjaveden ja sen geologisen ympäristön vuorovaikutussuhteita ja pohjavesi-ilmiöitä, erityisesti geologisten tekijöiden vaikutusta pohjaveden fysikaaliseen käyttäytymiseen ja kemialliseen koostumukseen." (Tieteen termipankki)Lyhyesti sanottuna hydrogeologia siis tutkii pohjavesiä. Alaan liittyy kuitenkin paljon muutakin kuin vain pohjavesien etsiminen ja veden ottaminen hyötykäyttöön.
Pohjavedet
Pohjavedet ovat maan pinnan alapuolella olevaa vettä, jotka täyttävät maaperän huokoset ja kallioperän halkeamat. Pohjavedet ovat yksi maapallon tärkeimmistä luonnonvaroista. Geologisine ympäristöineen ja eri ilmiöineen ne ovat nousseet 1950-luvulta lähtien tutkimuksen valokeilaan. Pohjavettä on otettu käyttöön sieltä, mistä sitä on helpoimmin saatavilla. (Mälkki, 1999)
Pohjaveden syntyminen
Pohjavettä syntyy, kun mantereelle satava vesi tai pintavesi imeytyy maahan tai virtaa kalliorakoihin. Maaperän täytyy olla karkearakeista ja huokoista, jotta vesi voi imeytyä siihen. Pohjavesi on yleensä erittäin puhdasta, sillä se suodattuu vajotessaan maakerrosten läpi.
Pohjavesitutkimus
Pohjavesitutkimuksella on alunperin tarkoitettu lähinnä pohjavesien löytämiseen ja antoisuuden määrittämiseen tarvittavaa tutkimusta.Tehtävät ovat kuitenkin monipuolistuneet kehityksen myötä. Nykyisin pohjavettä tutkitaan esiintymien kokonaisvesivarannon, käyttökelpoisuuden, suojaamistarpeiden ja säännöstelymahdollisuuksien selvittämiseksi. Lisäksi tutkitaan pohjaveden laatua, selvitetään likaantumisen syitä ja mahdollisuuksia tekopohjaveden muodostamiseksi. (Mälkki, 2005) Lisäksi ymmärrys pohjavesien kestävän käytön tärkeydestä on kasvanut ja noussut suureksi prioriteetiksi pohjavesien hyödyntämisessä. Pohjavesitutkimuksissa yhdistyvät geologiset, geomorfologiset, hydrologiset ja hydrogeologiset tutkimusmenetelmät.
Akviferit
Akviferit ovat maaperän tai kallioperän kerrostumia, jotka pystyvät varastoimaan ja siirtämään pohjavettä. Akviferit toimivat pohjavesivarastoina, ja niitä käytetään usein vedenhankintaan kaivoista ja pohjaveden pumppauksesta.
Akviferit voidaan jakaa eri tyyppeihin perustuen siihen, miten ne varastoivat ja välittävät vettä:
Pintavesiakviferi
Tämä on yleisin akviferityyppi, jossa pohjaveden pinta on avoimessa yhteydessä maanpinnan kanssa. Pintavesiakviferissa on yleensä kyllästetty vyöhyke, joka on täynnä vettä ja kyllästymätön vyöhyke, joka sisältää sekä vettä että ilmaa. Vesi liikkuu helposti ylös- ja alaspäin, ja akviferi on herkempi saastumiselle, koska se ei ole suojassa maanpäällisiltä epäpuhtauksilta.
Paineellinen akviferi
Paineelliset akviferit sijaitsevat läpäisemättömän kerroksen, kuten saven tai kiven, alla ja päällä. Nämä akviferit ovat puristuksissa vettä läpäisemättömien kerrosten välissä, ja ovat yleensä täynnä vettä koko paksuudeltaan, eli ne ovat kyllästyneitä. Paineellisissa akvifereissa vesi on usein korkeassa paineessa, ja kun niitä porataan, vesi voi nousta itsestään ylös (arteesiset kaivot). Luonnollisen eristyksen ansiosta nämä vesivarastot ovat hyvin suojattuja saastumiselta.
Semi-paineellinen akviferi
Semi-paineellinen akviferi on osittain paineellinen akviferi, joka sijaitsee läpäisemättömän tai puoliläpäisevän kerroksen alla. Kun paineellisessa akviferissa läpäisemättömät kerrokset estävät veden pääsyn, semi-paineellisen akviferin läpi voi virrata jonkin verran vettä. Se tarjoaa sekä paineellisen että pintavesiakviferin ominaisuuksia ja voi olla alttiina saasteille, mutta ei samalla tavalla kuin pintavesiakviferi.
Kallioperäakviferi
Kallioperän kiviaines on yleensä tiivistä ja vettä läpäisemätöntä, mutta sen halkeamissa ja raoissa voi virrata vettä, muodostaen kallioperäakvifereja. Kallioperäakviferit voivat olla erilaisia vedenpidätyskyvyltään ja virtausominaisuuksiltaan riippuen kalliotyypistä ja sen murtumarakenteista.
Vesi voi täyttää kallioperäakviferin joko murtumien kautta suoraan pintavedestä tai virtaamalla toisista maakerroksista. Täyttyminen voi olla hidasta, sillä vesi tunkeutuu kallioon vain murtumien, rakojen ja halkeamien kautta. Myös veden ottaminen on usein haastavaa.
Akvitardit
Akvitardit ovat maakerroksia, jotka pystyvät varastoimaan ja kuljettamaan vettä, mutta paljon hitaammin kuin akviferit. Akvitardit toimivat siis veden liikkeen hidastajina. Akvitardit koostuvat aineksista, joilla on heikko vedenläpäisevyys kuten savista ja silteistä.
Akvitardien rooli
Akvitardit ovat hyödyllisiä, koska hidas valuminen alaspäin maakerroksen läpi puhdistaa vettä. Veden valumisen kesto akvitardin läpi riippuu sen tiiviydestä ja aineksesta, paksuimpien akvitardien veden suodattamisessa voi kestää satoja tai jopa tuhansia vuosia.
Kallioperän murtumat ja epäjatkuvuuskohdat
Murtumat ja epäjatkuvuuskohdat ovat keskeisiä geologisia rakenteita, jotka vaikuttavat merkittävästi kallioperän veden varastointiin ja liikkeeseen. Näitä rakenteita esiintyy lähes kaikissa kivilajeissa, ja niiden ominaisuudet määrittävät, kuinka vesi kulkee kiviainesmassassa.
Murtumat ovat rikkoumia kallioperässä, joissa kiviaines on menettänyt osittain koheesionsa jännityksen vaikutuksesta. Ne tarjoavat läpäiseviä reittejä pohjavedelle ja lisäävät kallioperän hydraulista johtavuutta. Murtumien matriisit voivat olla vähäläpäiseviä, mutta suuret murtumat ja jatkuvuuskohdat voivat varastoida ja johtaa merkittäviä määriä vettä.
Epäjatkuvuuskohtia ovat kaikki geologiset epäjatkuvuuskohdat, kuten kerrostustasot, siirrokset, liuskeisuus ja murtumat, jotka rikkovat kallioperän yhtenäisyyden. Epäjatkuvuuskohdat voivat joko lisätä veden virtausta tai estää sitä toimimalla esteinä. Näiden rakenteiden suuntaus, tiheys ja yhteensopivuus ovat keskeisiä veden virtauksen ennustamisessa ja pohjaveden hallinnassa.
Pohjaveden vesitase
Vesitase on laskelma, joka kuvaa veden määrän muutoksia tietyllä alueella tai vesijärjestelmässä ajan kuluessa. Laskelmassa on mukana kaikki luonnolliset ja keinotekoiset veden tulot ja lähdöt, mukaan lukien muutokset varastoituneessa vesimäärässä ajan myötä.
Vesitaseen avulla voidaan arvioida, onko tietyn alueen vesivarojen käyttö kestävällä tasolla. Positiivinen vesitase tarkoittaa, että alueelle kertyy enemmän vettä kuin sitä poistuu, kun taas negatiivinen vesitase osoittaa, että vettä poistuu enemmän kuin sitä tulee, mikä voi pitkällä aikavälillä johtaa vedenpuutteeseen.
Vesitaseyhtälö:
P = Q + E + ΔS
P = Sadanta
Q = Valunta
E = Haihdunta
ΔS = Alueelle varastoitunut vesi
Pohjaveden virtaus
Pohjaveden laatu
Veden laatu tarkoittaa pinta- tai pohjavesimuodostuman kemiallista, fysikaalista, biologista tai radiologista tilaa. Hydrogeologiassa pohjaveden laadun arviointi on monimutkainen tehtävä. Pohjaveden laatuun voivat vaikuttaa haitallisesti sekä ihmisen toiminta että luonnolliset prosessit, jotka aiheuttavat tiettyjen aineiden pitoisuuksien nousua pohjavedessä. Pohjaveden metallipitoisuus voi nousta esimerkiksi silloin, kun mineraalit liukenevat luonnollisesti pohjaveteen. Korkeita arseeni- ja uraanipitoisuuksia esiintyy usein akvifereissä ja pohjavesijärjestelmissä eri puolilla maailmaa.
Pohjaveden saastuminen ja saasteet
Pohjaveden saastuminen tarkoittaa pohjaveden laadun heikkenemistä, joka johtuu haitallisten aineiden pääsystä veteen. Kaikki vesi, joka sisältää tauteja aiheuttavia tai myrkyllisiä aineita, määritellään saastuneeksi. Tämä määritelmä ei tee eroa mahdollisten saastumisen lähteiden tai saasteiden tyyppien välillä – mikä tahansa luonnollista tai synteettistä alkuperää oleva aine, joka on myrkyllistä ihmisille tai voi aiheuttaa sairauksia, määritellään pohjaveden saasteeksi. Alla olevasta linkistä voit katsoa listauksen erilaisista saasteista ja niiden pitoisuuksien vaatimuksista.
Lähteet
- Kresic, N. (2008). Groundwater resources: sustainability, management and restoration. McGraw Hill Professional.
- Leppäranta, M., Virta, J. & Huttula, T. (2017). Hydrologian perusteet. Helsingin yliopisto, Helsinki.
- Mälkki, E. (1999). Pohjavesi ja pohjaveden ympäristö. Tammi.
- Mälkki, E. (2005). Pohjavesitutkimusopas: Käytännön ohjeita. Suomen vesiyhdistys.
- Singhal, B.B.S. & Gupta, R.P. (2010). Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2nd edition). Springer Science+Business Media.
- Suomen YK-liitto. Puhdas vesi ja sanitaatio. Noudettu 23.6.2024 osoitteesta https://www.ykliitto.fi/puhdas-vesi-ja-sanitaatio.
- Tieteen termipankki 2.7.2024: Geologia:hydrogeologia.