Hydrogeologia

Autor: Michael Kühn

Head of Hydrogeology, GFZ German Research Centre for Geosciences 

Data publikacji: December 18, 2013

Woda gruntowa – jako surowiec i zasób naturalny

Woda gruntowa jest ważną częścią cyklu wody, która pozostaje pod kontrolą i na którą mają wpływ liczne procesy. Podziemne systemy obiegu wody gruntowej są złożone i trudne do zrozumienia ponieważ nie ma do nich bezpośredniego dostępu. Z tego powodu rejestrowanie i opisywanie systemów wód gruntowych oraz konstruowanie ich modeli stanowi wyzwanie dla naukowców. Obejmuje to naukową charakterystykę czynników i procesów, które mają wpływ na ilość i jakość wody gruntowej oraz ich rozwój w przestrzeni i czasie.

Woda gruntowa jest najczęściej występującym i najszerzej używanym surowcem naturalnym na świecie, a także stanowi jedyne źródło wody dla ludzi w wielu regionach świata. Najważniejszym zastosowaniem wody gruntowej jako zasobu dla ludzi są woda pitna i woda surowa. Obecnie pojawia się coraz więcej wyzwań badawczych, które dotyczą zastosowania zasobów geologicznych w systemach głęboko położonych wód gruntowych (n.p. przechowywanie CO₂, energia geotermalna, zbiorniki gazu niekonwencjonalnego, czy składowanie energii) oraz wynikających z tego czynników mających wpływ na cenne zasoby wody pitnej w płytkich systemach wód gruntowych, które wymagają ochrony i zachowania w jak najlepszym stanie. Z tej przyczyny naukowcy koncentrują się na zrozumieniu dynamicznych interakcji pomiędzy systemami płytkich i głębokich wód gruntowych oraz na ich opisie ilościowym przy zastosowaniu komputerowej symulacji procesów.

Termin woda gruntowa nie rozróżnia wody świeżej od słonej. Ta druga ma mniejsze, albo żadne, zastosowanie ponieważ nie nadaje sie do picia i nie może być używana jako źródło wody surowej. Pojęcie woda gruntowa zwykle obejmuje wszystkie wody poniżej powierzchni ziemi niezależnie od ich jakości. Skład wody gruntowej, a szczególnie zawartość w niej soli, różni się w zależności od miejsca, a szczególnie w zależności od głębokości.

Sondaże UNESCO przewidują, że już w roku 2050 połowa zasobów wody pitnej na ziemi nie będzie zdatna do użytku ze względu na salinizację lub zanieczyszczenie spowodowane czynnikami antropogenicznymi. Dowodzi to znaczenia ochrony wody w sposób prewencyjny i odnawialny. Gospodarowanie zasobami wody w sposób zrównoważony i odpowiedzialny musi być absolutnym priorytetem, między innymi aby uniknąć kryzysów i konfliktów wokół wody. Specjalnie ważne jest tu wykorzystanie geologicznych zasobów w systemach wody gruntowej położonej na dużej głębokości ponieważ zawsze ma ono – albo może mieć – również wpływ na płytkie systemy wody gruntowej. Hydrauliczne powiązania tych dwóch systemów wody gruntowej (płytkiej i głebokiej) i istniejące drogi migracji (strefy występowania defektów, nieciągłości) nie są w ogóle objęte obserwacją i badaniami, albo nie są objęte w stopniu obecnie wymaganym.

W grudniu 2000 Ramowa Dyrektywa Wodna UE (EWFD) [Pol. RDW] ustanowila jednolite ramy dla środków stosowanych na polu polityki wodnej przez kraje członkowskie. Głównym celem Dyrektywy jest ustanowienie dobrych warunków wodnych z punktu widzenia ilości i jakości oraz zachowanie tych waruków w przyszłości. Według EWFD jednym z kryteriów identyfikacji dobrej jakości wody gruntowej jest wyeliminowanie pollutantów [substancji zanieczyszczających] (również, na przykład, w formie napływu wody słonej).
W Niemczech 70% wody pitnej oraz surowej pochodzi ze źródeł wody gruntowej. Niedostatki wody spowodowane nadmiernym wydobyciem wody gruntowej stanowią problem tylko w kilku miejscach w Niemczech. Jednakże istnieje negatywny wpływ na jakość na terenach lokalnych i regionalnych, szczególnie w północnych Niemczech. Wykorzystanie wody gruntowej w Niemczech północnych jest skomplikowane, a w niektórych miejscach okazało się niemożliwe ze względu na skażenie geogeniczne i antropogeniczne. Jednym z czynników, który stwarza zagrożenie dla zaopatrzenia w wodę dla nas jest, na przykład, solankowość wody gruntowej.

Przy rozpatrywaniu zagrożenia dla płytko położonych zasobów słodkowodnych nową dziedziną badań jest ocena wpływu wykorzystania zasobów geologicznych w systemach głębokiej wody gruntowej (n.p. składowanie CO₂ w solankowych warstwach wodonośnych lub wydobycie węglowodorów niekonwencjonalnych z łupków). W przyszłości będzie to czynnik najwyższej wagi dla zrównoważonej gospodarki wodą gruntową.

Współzależności pomiędzy systemami warstw wodonośnych wód gruntowych położonych głęboko i plytko spowodowane frackingiem

Fracking może stworzyć lub przywrócić związki hydrauliczne pomiędzy warstwami wodonośnymi położonymi głęboko w zbiorniku oraz płytkimi warstwami wodonośnymi używanymi do produkcji wody pitnej. Zagrożenia, które mogą powstać z powodu tego faktu powinny być zbadane indywidualnie w każdej lokalizacji, gdzie ma być zastosowana technologia szczelinowania hydraulicznego. Jeśli to możliwe, należy zapobiec możliwości przemieszczenia się płynów frackingowych do warstw wodonośnych blisko powierzchni.

Wszystkie oceny zagrożeń są przeprowadzane dla konkretnej lokalizacji. Oznacza to, że każda wybrana lokalizacja musi być oceniona w sposób wyczerpujący, tak aby umożliwić wydanie oświadczenia co do możliwych zagrożeń dla podpowierzchniowych systemów wody gruntowej. Jednym z kluczowych czynników tutaj jest zbadanie lokalizacji, biorąc pod uwagę funkcję bariery stworzonej przez nadklad.

W zagłebiu pólnocnym Niemiec, jednym z potencjalnych terenów docelowych dla wydobycia gazu łupkowego, warstwy podziemne skladają się głównie z charakterystycznej sekwencji warstw hydrogeologicznych. Użytkowalne złoża wody słodkiej znajdują się w płytkiej wodzie gruntowej blisko powierzchni. W zależności od charakterystyki geologicznej danego miejsca warstwy zawierające solankę położone są w odległości pionowej od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Wody słodkie i słone są zwykle oddzielone na dużą skalę regionalną przez niskoprzepuszczalne warstwy gliny. Warstwy te zwykle zapobiegają przemieszczaniu się wody słodkiej z wartw górnych do dolnych i odwrotnie - przemieszczaniu się w górę wody słonej. Jeśli chodzi o wydobycie niekonwencjonalego gazu naturalnego techniką szczelinowania hydraulicznego, warstwy te stanowią dodatkowe bariery, które zapobiegają pionowemu przemieszczaniu się płynów frackingowych, wspomagając wielobarierowe systemy skał pokrywczych, które znajdują się bezpośrednio powyżej każdego potencjalnego zbiornika, i które są konieczne i muszą nadal być wymagane.

Zagrożenia oceniane są przez komputerowe symulacje procesów, które mają oddawać tak wiernie jak tylko to jest możliwe warunki geologiczne podziemia. Ten układ jest potem używany do testowania dużego wachlarza scenariuszy produkcyjnych. Przy zastosowaniu tej metody dokonuje się oceny ilościowej przepływu płynów oraz procesów transportu masowego związanych z metodami stosowanymi przy frackingu. Obowiązuje zasada, że symulacje takie przeprowadzane są przy użyciu "podejscia konserwatywnego", biorąc pod uwagę charaketerystyczny dla danego miejsca efekt kumulatywny indywidualnych czynników negatywnych w celu określenia potencjalnych zagrożeń.

Jednym z pytań, które należy wziąć pod uwagę jest powstawanie szczelin, które mogą spowodować lub reaktywować hydrauliczną konduktywność pomiędzy płytkimi i głębokimi systemami warstw wodonośnych, jeśli istnieją niesprzyjające warunki. Z zasady szczelinowanie hydrauliczne stara się unikać wytwarzania szczelin rozprzestrzeniających sie poza formację docelową. Teroretycznie jest możliwym ocenienie długości szczelin w oparciu o praktyczny rezerwuar doświadzenia inżynieryjnego. Według tych ocen nie należy oczekiwać powstawania szczelin w warstwie wodonośnej dostarczającej wody pitnej jeśli wybrany horyzont docelowy jest położony na wystarczającej głębokości.

Konserwatywne scenariusze symulacyjne powiązanych ze sobą procesów podziemnych (biorą one pod uwagę mechanikę, przepływ, transport i reakcje chemiczne) przeceniają możliwe odległości transportowe w rezultatach symulacji ze względu na wybrane parametry i warunki graniczne. W ten sposób stosuje się symulacje w celu zminimalizowania ryzyka dla konkretnych sytuacji w terenie. Jednakże w sposób fizyczny nie da sie wyeliminować przemieszczania się płynów ze zbiornika, czy płynów frackingowych ze zbiornika do sąsiedniego systemu wody gruntowej.

Niemniej jednak wierzę, że jakość wody gruntowej w warstwach zawierających wodę pitną nie ulegnie zmianie pod warunkiem, że bariery geologiczne zasadniczo pozostaną nienaruszone, zbiornik docelowy przeznaczony do wydobycia gazu jest wystarczająco głęboki, szczelinowanie hydrauliczne prowadzone jest w prawidłowy sposób oraz zapewnione są wszelkie możliwe środki bezpieczeństwa. Najistotniejszym warunkiem wstępnym dla każdej potencjalnej lokalizacji jest wszechstronne zbadanie warunków geologicznych i hydrogeologicznych pod względem potencjalnej konduktywności dla płynów frackingowych. Miarodajna ocena zagrożeń może być przeprowadzona tylko w oparciu o wyczerpujące badania, które zawsze powinny obejmować dokonanie jednego lub więcej odwiertów badawczych.