Jos menet puutarhaan, metsään tai puistoon ja alat kaivaa, huomaat, että maaperä on kosteaa (ellet ole aavikolla), mutta se ei ole veden kyllästämä. Tämä tarkoittaa, että osa maaperän huokostilasta on veden vallassa ja osa huokostilasta on ilman vallassa (ellet ole suolla). Tätä kutsutaan kyllästymättömäksi vyöhykkeeksi. Jos voisit kaivaa tarpeeksi syvälle, pääsisit pisteeseen, jossa kaikki huokostilat ovat 100-prosenttisesti täynnä vettä (kyllästynyt), ja reiän pohja täyttyisi vedellä. Reiän vedenpinta edustaa pohjavesipintaa, joka on kylläisen vyöhykkeen pinta. Suurimmassa osassa Brittiläistä Kolumbiaa pohjavedenpinta on useita metrejä maanpinnan alapuolella.
Vesi, joka putoaa maanpinnalle sateena (sade, lumi, raekuuro, sumu jne.), voi valua mäen rinteeltä suoraan puroon valumana tai se voi imeytyä maahan, jossa se varastoituu kyllästymättömään vyöhykkeeseen. Kyllästymättömässä vyöhykkeessä oleva vesi voi mennä kasvien käyttöön (transpiraatio), haihtua maaperästä (haihtuminen) tai virrata juuristovyöhykkeen ohi alaspäin pohjavedenpinnan alapuolelle, jossa se täyttää pohjaveden.
Kuvassa 14.5 on esitetty poikkileikkaus tyypillisestä mäenrinteestä, jossa on rajoittamaton pohjavesialue. Alueilla, joilla on topografinen pinnanmuodostus, pohjaveden pinta seuraa yleensä maan pintaa, mutta pyrkii lähemmäs pintaa laaksoissa ja leikkaa pinnan siellä, missä on puroja tai järviä. Pohjavedenpinta voidaan määrittää veden syvyydestä kaivossa, josta ei pumpata vettä, mutta kuten jäljempänä kuvataan, tämä pätee vain, jos kaivo on rajoittamattomassa pohjavesialueessa. Tällöin suurin osa rinteestä muodostaa latautumisalueen, jossa sademäärästä tuleva vesi virtaa alaspäin tyydyttymättömän vyöhykkeen läpi pohjavedenpinnan tasolle. Puro- tai järvialue, johon pohjavesi virtaa, on purkautumisalue.
Miten vesi virtaa täyttymisalueilta purkautumisalueille? Muista, että vesi virtaa huokosissa, joissa on kitkaa, mikä tarkoittaa, että veden liikuttaminen vaatii työtä. Myös vesimolekyylien itsensä välillä on jonkin verran kitkaa, joka määräytyy viskositeetin mukaan. Veden viskositeetti on alhainen, mutta kitka on silti tekijä. Kaikki virtaavat nesteet menettävät aina energiaa kitkaan ympäristönsä kanssa. Vesi virtaa alueilta, joilla on paljon energiaa, alueille, joilla on vähän energiaa. Täydennysrakentamisalueet ovat korkeammalla, missä vedellä on suuri painovoiman energia. Auringon energia haihdutti veden ilmakehään ja nosti sen ylös latautumisalueelle. Vesi menettää tätä gravitaatioenergiaa virratessaan täydennysalueelta purkautumisalueelle.
Kuvassa 14.5 pohjavesipinta on kalteva; tämä kaltevuus edustaa veden gravitaatiopotentiaalienergian muutosta pohjavesipinnan kohdalla. Pohjavedenpinta on korkeammalla latautumisalueen alapuolella (90 m) ja alempana purkualueella (82 m). Kuvittele, kuinka paljon työtä olisi nostaa vettä 8 m korkealle ilmaan. Tämä on se energia, joka menetettiin kitkaan, kun pohjavesi virtasi mäen huipulta puroon.
Tilanne muuttuu paljon monimutkaisemmaksi, kun kyseessä ovat suljetut pohjavesialueet, mutta ne ovat tärkeitä veden lähteitä, joten meidän on ymmärrettävä, miten ne toimivat. Kuten kuvasta 14.6 käy ilmi, pohjavesipinta on aina olemassa, ja tämä pätee myös silloin, kun pinnalla olevat geologiset materiaalit ovat hyvin vähän läpäiseviä. Jos kyseessä on rajoittunut pohjavesialue – eli sellainen, joka on erotettu pinnasta rajoittavalla kerroksella – tällä pohjavesialueella on oma ”pohjavedenpintansa”, jota itse asiassa kutsutaan potentiometriseksi pinnaksi, koska se on veden kokonaispotentiaalienergian mitta. Kuvassa 14.6 esitetty punainen katkoviiva on rajoitetun pohjavesialueen potentiometrinen pinta, ja se kuvaa veden kokonaisenergiaa rajoitetussa pohjavesialueessa. Jos porataan kaivo rajoittamattomaan pohjavesialueeseen, vesi nousee pohjavesipinnan tasolle (kaivo A kuvassa 14.6). Mutta jos porataan kaivo sekä rajoittamattoman pohjavesikerroksen että rajoittavan kerroksen läpi ja rajoittuneeseen pohjavesikerrokseen, vesi nousee rajoittuneen pohjavesikerroksen yläpinnan yläpuolelle sen potentiometrisen pinnan tasolle (kaivo B kuvassa 14.6). Tätä kutsutaan arteesiseksi kaivoksi, koska vesi nousee pohjavesikerroksen yläpinnan yläpuolelle. Joissakin tilanteissa potentiometrinen pinta voi olla maanpinnan yläpuolella. Tällaisessa tilanteessa rajoitettuun pohjavesialueeseen poratun kaivon vesi nousee maanpinnan yläpuolelle ja virtaa ulos, jos kaivoa ei ole suljettu (kaivo C kuvassa 14.6). Tätä kutsutaan virtaavaksi artesialaiseksi kaivoksi.
Tilanteissa, joissa pohjavesialueen laajuus on rajallinen, on mahdollista, että kyseessä on kuvan 14.7 mukainen perched aquifer. Vaikka ojitetut pohjavesikerrostumat voivat olla hyviä vedenlähteitä joinakin vuodenaikoina, ne ovat yleensä suhteellisen ohuita ja pieniä, joten ne voivat helposti tyhjentyä liiallisella pumppauksella.
Ranskalainen insinööri Henri Darcy teki vuonna 1856 kokeita, joiden perusteella hän johti menetelmän pohjaveden virtausnopeuden arvioimiseksi pohjavesikerroksen hydraulisen gradientin ja vedenläpäisevyyden perusteella, joka ilmaistaan K:n eli hydraulisen johtavuuden avulla. Darcyn yhtälö, jota hydrogeologit ovat siitä lähtien käyttäneet laajalti, näyttää seuraavalta:
V = K * i
(jossa V on pohjaveden virtausnopeus, K on hydraulinen johtavuus ja i on hydraulinen gradientti).
Voimme soveltaa tätä yhtälöä kuvan 14.5 skenaarioon. Jos oletetaan, että läpäisevyys on 0,00001 m/s, saadaan: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Tämä vastaa 0,000048 m/min, 0,0029 m/tunti tai 0,069 m/vrk. Tämä tarkoittaa, että veden kulkeminen 100 metrin matkan kaivon läheisyydestä puroon kestää 1450 päivää (lähes neljä vuotta). Pohjavesi liikkuu hitaasti, ja tämä on kohtuullinen aika, jonka vesi kulkee tuon matkan. Itse asiassa se kestäisi todennäköisesti kauemmin, koska se ei kulje suoraviivaisesti.
Harjoitus 14.1 Kuinka kauan se kestää?
Sue, Joe’s 24-Hour Gas -yhtiön omistaja, on huomannut, että hänen maanalaisesta varastosäiliöstään (UST) vuotaa polttoainetta. Hän kutsuu paikalle hydrogeologin selvittääkseen, kuinka kauan voi kestää, että polttoaineen saastuminen pääsee lähimpään puroon. He saavat selville, että Joen kaivon vedenpinta on 37 metriä merenpinnan yläpuolella ja puron korkeus on 21 metriä merenpinnan yläpuolella. Alueen hiekkasedimentin läpäisevyys on 0,0002 m/s.
Arvioi V = K * i:n avulla pohjaveden virtausnopeus Joe’sista puroon ja määritä, kuinka kauan voi kestää, että saastunut pohjavesi virtaa 80 metrin matkan puroon.
On tärkeää ymmärtää, että pohjavesi ei virtaa maanalaisissa puroissa eikä muodosta maanalaisia järviä. Lukuun ottamatta karstialueita, joilla on luolia kalkkikivessä, pohjavesi virtaa hyvin hitaasti rakeisten sedimenttien läpi tai kiinteän kallion läpi, jossa on murtumia. Virtausnopeudet, jotka ovat useita senttimetrejä vuorokaudessa, ovat mahdollisia merkittävästi läpäisevissä sedimenteissä, joissa on huomattava hydraulinen kaltevuus. Monissa tapauksissa läpäisevyydet ovat kuitenkin pienempiä kuin tässä esimerkkinä käytetyt, ja monilla alueilla kaltevuudet ovat paljon pienempiä. Ei ole harvinaista, että pohjaveden virtausnopeus on muutamasta millimetristä muutamaan senttimetriin vuodessa.
Kuten jo todettiin, pohjavesi ei virtaa suoraviivaisesti. Se virtaa alueilta, joilla on suurempi hydraulinen korkeus, alueille, joilla on pienempi hydraulinen korkeus, ja tämä tarkoittaa, että se voi virrata ”ylämäkeen” monissa tilanteissa. Tätä havainnollistetaan kuvassa 14.8. Oranssit katkoviivat ovat ekvipotentiaaliviivoja eli viivoja, joilla on sama paine. Siniset viivat ovat ennustettuja pohjaveden virtausreittejä. Punaiset katkoviivat ovat virtausta estäviä rajoja, mikä tarkoittaa, että vesi ei voi virrata näiden viivojen yli. Tämä ei johdu siitä, että siellä olisi jotain, mikä estäisi sen virtaamisen, vaan siitä, että siellä ei ole sellaista painegradienttia, joka saisi veden virtaamaan kyseiseen suuntaan.
Pohjavesi virtaa suorassa kulmassa ekvipotentiaaliviivoihin nähden samalla tavalla kuin rinteessä virtaava vesi virtaisi suorassa kulmassa ääriviivoihin nähden. Tässä skenaariossa puro on paikka, jossa on alhaisin hydraulinen potentiaali, joten pohjavesialueen alempiin osiin virtaavan pohjaveden on virrattava ylöspäin päästäkseen tähän paikkaan. Paine-erot, esimerkiksi 112- ja 110-ekvipotentiaaliviivojen välinen ero, pakottavat sen ylöspäin.
Pohjavesi, joka virtaa luolien läpi, myös karstialueilla – joissa luolat ovat muodostuneet kalkkikiveen liukenemisen vuoksi – käyttäytyy eri tavalla kuin pohjavesi muissa tilanteissa. Pohjavedenpinnan yläpuolella olevat luolat ovat ilmatäytteisiä kanavia, ja niissä virtaavaan veteen ei kohdistu painetta, vaan se reagoi ainoastaan painovoimaan. Toisin sanoen se virtaa alaspäin luolan pohjan kaltevuutta pitkin (kuva 14.9). Monet kalkkikiviluolat ulottuvat myös pohjavesipinnan alapuolelle ja kyllästyneeseen vyöhykkeeseen. Täällä vesi käyttäytyy samalla tavalla kuin mikä tahansa muu pohjavesi, ja se virtaa hydraulisen gradientin ja Darcyn lain mukaisesti.
