FULL TEXT

BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: 181–188, 2010 R.
MODELOWANIE WARUNKÓW PRZEPŁYWU I PRZEKSZTAŁCEŃ
SKŁADU CHEMICZNEGO WÓD OPADOWYCH W TRAKCIE PROCESU INFILTRACJI,
NA PRZYKŁADZIE DOŚWIADCZENIA LIZYMETRYCZNEGO
MODELLING OF WATER FLOW AND PRECIPITATION CHEMISTRY TRANSFORMATION
DURING INFILTRATION PROCESS IN THE LYSIMETER EXPERIMENT
ANNA ŻUREK1, MARIUSZ CZOP1
Abstrakt. W pracy zaprezentowano wstępne wyniki modelowania prędkości przepływu i przekształceń składu chemicznego wód
infiltrujących przez grunty wypełniające 4 lizymetry z poletka badawczego zlokalizowanego na terenie AGH w Krakowie. Czas przepływu
wody przez strefę aeracji, której modelem fizycznym są lizymetry, oceniono przy użyciu programu obliczeniowego MODFLOWSURFACT, z zastosowaniem modelu obliczeniowego opartego na równaniu van Genuchtena. Modelowanie hydrogeochemiczne
zrealizowano przy użyciu programu PHREEQCI, zaimplementowanego do programu AquaChem 2010.1. Obliczono indeksy nasycenia
minerałów stwierdzonych szczegółowym badaniem mineralogicznym. Zobrazowano przeobrażenia składu chemicznego wód opadowych
w trakcie procesu infiltracji przez grunty wypełniające lizymetry.
Słowa kluczowe: infiltracja, lizymetr, strefa aeracji, średni czas przepływu, modelowanie hydrogeochemiczne.
Abstract. The initial results of water flow modelling and chemistry transformation during infiltration process in 4 lysimeter station are
presented. The research station is localized in Cracow at AGH area. The vertical flow velocity in lysimeters – physical models of vadose
zone – was estimated by MODFLOW-SURFACT model. The van Genuchten equation was used for application. The hydrogeochemical
modelling was realized with PHREEQCI model which was implemented to AquaChem 2010.1 program. The saturation indexes (SI) for
the minerals identified by mineralogical analyses of lysimeter soils were calculated. The main transformations of the rain water chemistry
during infiltration process were illustrated.
Key words: infiltration, lysimeter, vadose zone, mean flow velocity, hydrogeochemical modelling.
WSTĘP
Skład chemiczny wód podziemnych ulega nieustannym
przekształceniom w trakcie ich przepływu od obszarów zasilania do stref drenażu. Woda opadowa, stanowiąca punkt
wyjścia dla procesu formowania się składu chemicznego
wód podziemnych, jest z reguły wodą ultrasłodką o bardzo
niskiej mineralizacji. Jednocześnie jest ona doskonałym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji występujących w środowisku wód podziemnych.
1
Procesy kluczowe dla przekształcania składu chemicznego wód infiltracyjnych zachodzą w obrębie strefy aeracji,
w skład której wchodzi także strefa glebowa. Skład chemiczny wód podziemnych jest również modyfikowany w trakcie
ich przepływu przez strefę saturacji. W typowych warunkach
zmiany te są jednakże relatywnie mało istotne, w porównaniu do zmian zachodzących w strefie aeracji. Przekształcenia
składu chemicznego wód w strefie aeracji są bardzo trud-
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków; e-mail: [email protected],
[email protected]
182
Anna Żurek, Mariusz Czop
ne do rozpoznania ze względu na zmienną zawartość wody
w przestrzeni porowej tej strefy i dodatkowo obecność powietrza glebowego o składzie mogącym znacznie odbiegać
od składu powietrza atmosferycznego (Rose, 2004).
Wszystkie modele numeryczne symulujące przepływ
wód oraz przeobrażenia ich składu chemicznego w strefie
aeracji bazują na modelach pojęciowych tej strefy, zweryfikowanych na podstawie danych uzyskanych dla modeli fizycznych. Do najpopularniejszych modeli fizycznych strefy
aeracji należą lizymetry. Duże lizymetry skrzyniowe, których pierwotną funkcją były pomiary intensywności procesu
ewapotranspiracji, dostarczają wiarygodnych danych na temat wielkości infiltracji i warunków klimatycznych (głównie wysokości i rozkładu opadów oraz temperatury) w rejonie stanowiska pomiarowego. Możliwość kontrolowania
objętości i składu chemicznego odcieków stwarza także okazję do prowadzenia badań w zakresie formowania się składu
chemicznego wód w strefie aeracji.
Celem pracy jest wstępna interpretacja wyników badań
lizymetrycznych, prowadzonych na stanowisku badawczym
na terenie AGH w Krakowie.
CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA LIZYMETRYCZNEGO
Stanowisko lizymetryczne, umożliwiające badania strefy aeracji, zlokalizowane jest na terenie szkoleniowej stacji
hydrologiczno-hydrogeologicznej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Znajdują się tu: lizymetr automatyczny z ciągłą rejestracją danych, trzy lizymetry klasyczne,
deszczomierz automatyczny z możliwością poboru prób
wody opadowej oraz czujnik temperatury powietrza zainstalowany przy gruncie. Lizymetr automatyczny (A), produkcji niemieckiej firmy UGT GmbH, ma powierzchnię
1 m2 i głębokość 1 m. Jest wyposażony w system ważący,
urządzenie do pomiaru objętości odcieków oraz czujniki do
pomiaru siły ssącej, wilgotności i temperatury w gruncie.
Lizymetry klasyczne (I, II, III) mają podobną konstrukcję
przy nieco mniejszych rozmiarach. Są to cylindry ze stali
nierdzewnej o wysokości 1,5 m i średnicy 0,6 m (powierzchnia 0,283 m2).
Wszystkie lizymetry zostały wypełnione piaskami średnioziarnistymi pochodzącymi z trzech kopalń odkrywkowych (piaskowni). W lizymetrach A i I został umieszczony
piasek z kopalni Szczakowa, ze złoża Bukowno, w lizymetrze II – piasek także z kopalni Szczakowa, lecz pochodzący
ze złoża Bolesław, w lizymetrze III – piasek z doliny Wisły,
eksploatowany w miejscowości Cholerzyn, na zachód od
Krakowa. Powierzchnie wszystkich lizymetrów są odsłonięte. Nie występuje na nich ani warstwa gleby, ani nie są one
porośnięte roślinnością (Żurek, w druku).
Analiza składu mineralogicznego gruntów wypełniających lizymetry została wykonana przy użyciu mikroskopu
polaryzacyjnego przez prof. Macieja Pawlikowskiego z Katedry Mineralogii, Petrografii i Geochemii WGGiOŚ AGH
w Krakowie. Wyniki oznaczeń przedstawiono w tabeli 1.
Głównym składnikiem wszystkich piasków jest kwarc,
występujący zarówno w czystej postaci, jak i z domieszką
tlenków żelaza. Sumaryczna zawartość obydwu form kwarcu w piaskach wypełniających lizymetry waha się w granicach od 96,6% (Bolesław) do 97,9% (Bukowno). Największe znaczenie dla formowania się składu chemicznego wód
w warunkach przepływu przez lizymetry ma zawartość okruchów wapieni. Nie stwierdzono ich w piasku z Bukowna,
natomiast zawartość ich w piaskach z Cholerzyna dochodzi
0,8%, a w piaskach z Bolesławia do 2,8%. Zawartość innych
składników mineralnych w badanych piaskach jest niewielka, rzędu dziesiątych części procenta.
Dodatkowo przeprowadzono badania mineralogiczne
osadu pojawiającego się okresowo w okresie letnim w odciekach z lizymetrów A i I, wypełnionych piaskiem z Bukowna. W związku z niejednoznacznymi wynikami badań
z mikroskopu polaryzacyjnego do analizy wspomnianego
osadu wykorzystano mikroskop skaningowy. Ostatecznie
badania te wykazały, że osad zawiera głównie minerały ilaste (glinokrzemiany) i mikroziarna kwarcu, a spoiwem jest
bezpostaciowa substancja o charakterze żelazistym. Związki
żelaza w przeliczeniu na tlenki stanowią wagowo około 20%
osadu. W osadzie stwierdzono także niewielkie ilości substancji organicznej.
Na stanowisku lizymetrycznym AGH w sposób ciągły
rejestrowane są parametry meteorologiczne (wysokość opadu i temperatura powietrza) oraz charakterystyczne parametry dla urządzeń (instalacji) typu lizymetru automatycznego,
m.in. objętość wód odciekowych odbieranych na dnie lizymetru i ciężar lizymetru. Systematycznie prowadzone jest
opróbowanie wszystkich lizymetrów. Próby wody odciekowej są pobierane od grudnia 2005 r., natomiast opróbowyTabel a 1
Skład mineralogiczny piasków wypełniających badane
lizymetry
Mineralogical composition of the soils filled lysimeters
Składnik
Lizymetry A i I,
złoże
Bukowno
[%]
Lizymetr II,
złoże
Bolesław
[%]
Lizymetr III,
złoże
Cholerzyn
[%]
Kwarc czysty
87,1
94,4
93,6
Kwarc z tlenkami Fe
10,8
2,2
3,4
Skalenie
0,2
0,4
0,0
Wapienie, okruchy
0,0
2,8
0,8
Piaskowce, okruchy
1,3
1,0
1,8
Inne skały, okruchy
0,0
0,0
0,2
Muskowit
0,0
0,0
0,1
Biotyt
0,1
0,0
0,0
Minerały ciężkie
0,3
0,1
0,0
Substancja organiczna
0,2
0,1
0,1
Modelowanie warunków przepływu i przekształceń składu chemicznego wód opadowych w trakcie procesu infiltracji...
wanie wód opadowych – od lipca 2006 r. Próbki wody do
analizy chemicznej są pobierane ze średnią częstotliwością
raz na 1–2 tygodnie.
Analizy jakościowe próbek wody opadowej i odciekowej
są wykonywane w laboratorium hydrogeochemicznym Katedry Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej AGH w Kra-
183
kowie. Analizy chemiczne wykonuje się z wykorzystaniem
spektrometru emisyjnego z plazmą wzbudzoną indukcyjnie
(PLASMA-40 firmy Perkin-Elmer) oraz spektrometru masowego z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-MS ELAN
6100). Związki azotowe (azotany i azotyny) oznacza się za
pomocą spektrometru SLANDI LF 250.
BADANIA MODELOWE
MODELOWANIE CZASU PRZEPŁYWU WÓD
PRZEZ GRUNTY W LIZYMETRACH
Uwarunkowania przepływu wód w strefie aeracji.
Czas przepływu wody w obrębie profilu utworów piaszczystych wypełniających lizymetry należy do czynników o kluczowym znaczeniu dla formowania się składu chemicznego
wód odciekowych. Następuje wówczas kontakt wody z minerałami budującymi ośrodek skalny i im czas ten jest dłuższy, tym woda przemieszczająca się w strefie aeracji zazwyczaj osiąga wyższy poziom mineralizacji.
Specyfika przepływu wody przez strefę aeracji związana
jest ze zmiennym w czasie i przestrzeni rozkładem ciśnień,
zależnym bezpośrednio od warunków wilgotnościowych.
W strefie aeracji ciśnienie porowe wody jest niższe od ciśnienia atmosferycznego (które równoważy się na poziomie statycznego zwierciadła wody) i ma wartość ujemną.
To ujemne ciśnienie wody porowej określa się symbolem ψ
i jest ono odwrotnością siły ssącej, a właściwie ciśnienia ssania (hs), które często wyrażane jest w postaci wskaźnika pF
= log10(hs), dla hs podanego w cm (Czop, 2009). Wielkość
ciśnienia porowego wody wynika bezpośrednio ze stopnia
nasycenia porów wodą, czyli wilgotności objętościowej
(θ). Im większa wilgotność, tym mniejsze ciśnienie ssania
i wyższe ciśnienie porowe. Rozkład wilgotności, czyli jednocześnie ciśnień, w profilu strefy aeracji warunkuje proces
infiltracji (ruch wody w dół) i ewapotranspiracji (ruch wody
w górę, ku powierzchni). Modele konceptualne przepływu
wody w strefie aeracji dla typowych procesów przedstawia
praca Fredlunda i Rahardjo (1993).
Główną różnicą w zakresie opisu parametrów hydrogeologicznych niezbędnych do modelowania przepływu
wody przez strefę aeracji, w stosunku do strefy saturacji, jest
bardzo duże zróżnicowanie współczynnika filtracji w pionie
i poziomie. Ma ono związek nie tyle z potencjalnym urozmaiceniem utworów geologicznych tworzących strefę aeracji, lecz wynika ze znacznego zróżnicowania wilgotności
gruntu. Znaczenie zależności wielkości współczynnika filtracji dla strefy aeracji (ka) od stopnia nasycenia porów wodą
wyrażane jest przez stosowanie symbolu k(θ) dla jego opisu
(Miyazaki, 2006; Poehls, Smith, 2009). Zmienność wielkości współczynnika filtracji dla różnych gruntów strefy aeracji w zależności od wilgotności uzyskuje się doświadczalnie
(Constantz, 1982; Rose, 2004; Miyazaki, 2006).
Na figurze 1 przedstawiono typową funkcję zależności
współczynnika filtracji w strefie aeracji (ka) od wartości porowego ciśnienia wody dla piasku i gliny piaszczystej. Przy
dodatnich wartościach ciśnień wody (w strefie saturacji)
współczynnik filtracji ma wartość stałą, 10–5 – 10–4 m/s.
W strefie ujemnych ciśnień wody (strefa aeracji) wartości
współczynnika filtracji obniżają się gwałtownie o kilka rzędów wielkości i przykładowo dla ciśnienia porowego ψ =
–100 kPa wynoszą około 10–12 m/s dla piasku i 10–15 m/s dla
gliny piaszczystej.
Do określenia zmienności współczynnika filtracji w strefie aeracji w zależności od wilgotności stosowane są też
wzory empiryczne (Miyazaki, 2006), z których najpopularniejszy jest wzór van Genuchtena (1980). Wzór ten określa tzw. relatywny (względny) współczynnik filtracji kr(θ)
w funkcji wilgotności objętościowej kr(θ) = ka/k, czyli odpowiada stosunkowi współczynnika filtracji w strefie aeracji
(ka) do współczynnika filtracji dla warunków pełnego nasycenia (k).
Założenia do zastosowanego modelu przepływu wody
w lizymetrach. Istnieje wiele programów modelujących
przepływ wody i proces migracji w strefie aeracji (Šimůnek,
Bradford, 2008). Badania modelowe czasu przepływu wody
przez strefę aeracji w obrębie poszczególnych lizymetrów,
tj. dla warunków niepełnego nasycenia porów wodą, wykonano przy użyciu programu obliczeniowego MODFLOWSURFACT firmy HydroGeoLogic. Demonstracyjna wersja
Fig. 1. Przykładowe zależności współczynnika filtracji w strefie
aeracji (ka) od ujemnego ciśnienia porowego wody (ψ) dla piasków i glin piaszczystych (na podstawie GeoSlope, 2007)
Hydraulic conductivity in unsaturated zone (ka) versus negative
pore water pressure (ψ) for sands and sandy loams
(after GeoSlope, 2007)
184
Anna Żurek, Mariusz Czop
tego programu – MODFLOW-SURF – została dołączona
do nowszych wersji programu VISUAL MODFLOW firmy Schlumberger Water Services. Modelowanie wykonano
zgodnie z metodyką zaproponowaną przez Czopa (2009).
Stosowalność programu MODFLOW-SURF w wersji
demonstracyjnej jest ograniczona jedynie do obliczenia warunków przepływu wody. Można nim zamodelować maksymalnie 5 warstw, 50 bloków obliczeniowych (zarówno
w kolumnach, jak i w wierszach) oraz 50 przedziałów czasowych.
Wybór programu MODFLOW-SURFACT dla potrzeb
modelowania przepływu wód podziemnych daje możliwość
prowadzenia obliczeń dla warunków niepełnego nasycenia
porów, tj. dla strefy aeracji. Uaktywnieniu ulega zakładka
Vadose Zone w module programu VISUAL MODFLOW,
służącym do wprowadzania danych (Input) odnoszących się
do właściwości hydrogeologicznych, koniecznych do modelowania przepływu wody (Flow Properties).
W przypadku używania programu obliczeniowego
MODFLOW-SURFACT należy stosować warstwy, dla
których indeks LAYCON wynosi 40 lub 43. Parametr ten
ustawia się w module obliczeniowym programu VISUAL
MODFLOW (Run), wybierając komendę Layer z sekcji
Modflow-Surf.
Obliczenia zmian współczynnika filtracji w obrębie
strefy aeracji (ka) w zależności od stopnia nasycenia porów
wodą (θr) lub też ujemnego ciśnienia wody (ψ) mogą być
prowadzone z wykorzystaniem kilku modeli analitycznych.
W opisywanym przypadku wybrano jeden z powszechnie
stosowanych modeli – model równania van Genuchtena.
Funkcje tego modelu obrazują zależność przepuszczalności
względnej od stopnia nasycenia porów wodą, jak również
relacje pomiędzy stopniem nasycenia a wartością ujemnego
ciśnienia wody (Panday, Huyakorn, 2008).
W programie VISUAL MODFLOW do obliczeń modelowych z wykorzystaniem równań van Genuchtena wymagane
jest podanie trzech parametrów, które w zakładce Vadose
Zone mają kolejno oznaczenia: VANAL (parametr „a” z równania van Genuchtena), VANBT (parametr „b” z równania
van Genuchtena) oraz VANSR (resztkowa wartość stopnia
nasycenia porów wodą). Wartości parametrów dla równania
van Genuchtena przyjęto na podstawie referencji podanych
w podręczniku do programu VISUAL MODFLOW (Visual
Modflow User’s Guide, 2010).
Lizymetr automatyczny został odwzorowany jako jednolity pod względem parametrów hydrogeologicznych ośrodek
skalny, podzielony na 4 warstwy: pierwszą od góry o miąższości 1 cm, a trzy pozostałe o miąższości 33 cm każda. Najniższa, piąta warstwa modelu o miąższości 20 cm odwzorowywała odpływ wody z systemu i w jej obrębie przyjęto
warunek brzegowy I rodzaju (H = const). Lizymetry klasyczne odwzorowano podobnie: miąższość warstwy górnej
1 cm, zaś kolejne warstwy 2, 3 i 4 – po 50 cm. Współczynnik
filtracji przyjęty dla wszystkich warstw kx = ky = kz wynosił
1,85×10–4 m/s, zaś jego wartość była równa średniej uzyskanej na podstawie badań laboratoryjnych piasków wypełniających lizymetry, wykonanych metodą rurki Kamieńskiego
(Żurek, w druku). Wartości parametrów związanych z zasob-
Tabel a 2
Parametry wykorzystane w badaniach modelowych
Properties used for modelling
Parametr
Współczynnik filtracji kx = ky = kz [m/s]
Współczynnik zasobności spreżystej Ss [1/m]
Wartość
1,85×10–4
1×10-4
Współczynnik odsączalności Sy [–]
0,20
Współczynnik porowatości efektywnej ne [–]
0,22
Współczynnik porowatości całkowitej n [–]
0,23
VANAL [1/m]
4
VANBT [–]
3
VANSR [–]
0,02
Zasilanie (infiltracja) I [mm]
600
nością przyjęto na podstawie źródeł literaturowych jak dla
typowych piasków.
Zasilanie lizymetrów w wodę pochodzącą z opadów atmosferycznych przyjęto na poziomie 600 mm, co odpowiada
około 80% średniej ilości sumy opadów atmosferycznych.
Tak wysokie wartości wskaźnika infiltracji (wi = 0,8) wynikają z braku warstwy glebowej i pokrycia roślinnością powierzchni piasków wypełniających lizymetry (op. cit.).
Wszystkie parametry wykorzystane w omawianych badaniach modelowych przedstawiono w tabeli 2.
Wyniki modelowania. Dla lizymetru automatycznego
o miąższości profilu piasków równym 1 m uzyskano średni
czas przepływu wód równy 131 dni (4,3 miesiąca). Z kolei
w przypadku lizymetrów klasycznych (I–III), o miąższości
piasku 1,5 m, uzyskano średni czas przepływu wody na poziomie 201 dni (6,9 miesiąca). Wizualizację średniego czasu
przepływu wód infiltrujących przez profil utworów piaszczystych w poszczególnych lizymetrach przedstawiają linie prądu (fig. 2). Linie prądu zostały zlokalizowane w centralnej
części modelowanego profilu w celu ograniczenia wpływu
ścianek lizymetru, odwzorowanych na modelu jako granica
nieprzepuszczalna.
MODELOWANIE HYDROGEOCHEMICZNE
Modelowanie hydrogeochemiczne transformacji składu
chemicznego wód opadowych podczas ich migracji przez
warstwę piasków wypełniających lizymetry przeprowadzono
dla pierwszego roku funkcjonowania instalacji badawczej.
W wyniku przepływu przez strefę aeracji wody opadowe
o mineralizacji ogólnej 16–56 mg/dm3 ulegają przeobrażeniu na drodze:
– nieznacznego zwiększenia mineralizacji – lizymetry A
i I;
– bardzo znacznego zwiększenia mineralizacji – lizymetry II i III (fig. 3).
Wyniki te są zgodne z oczekiwaniami powziętymi
w efekcie przeprowadzonych badań mineralogicznych piasków wypełniających lizymetry. W lizymetrach A i I znajduje
Modelowanie warunków przepływu i przekształceń składu chemicznego wód opadowych w trakcie procesu infiltracji...
Fig. 2. Linie prądu odwzorowujące przepływ wód infiltrujących przez profil utworów piaszczystych w lizymetrach
Flow paths depicting flow rate of infiltrating water in soil profiles of lysimeters
Fig. 3. Zmiany mineralizacji ogólnej wód opadowych oraz wód odciekających z lizymetrów
The changes of TDS (total dissolved solids) in rain water and outflow water in lysimeters
185
186
Anna Żurek, Mariusz Czop
Fig. 4. Wykresy skrzynkowe (box-plot) wybranych składników chemicznych dla wód opadowych
oraz wód odciekających z lizymetrów
Box-plots for different chemical constituents in rain water and outflow water in lysimeters
się piasek ze złoża Bukowno o największym udziale kwarcu
(97,9%), który nie zawiera kalcytu. Z kolei piasek z lizymetrów II i III, pochodzący ze złóż w Bolesławiu i Cholerzynie,
zawiera kalcyt w ilości odpowiednio 2,8% oraz 0,8%.
Mineralizacja wód odciekających z poszczególnych lizymetrów jest kształtowana głównie przez cztery składniki
chemiczne: wapń (Ca), wodorowęglany (HCO3), siarczany
(SO4) i krzemionkę (SiO2). Lizymetry A i I, z których pochodzi odciek o mineralizacji ogólnej tylko nieznacznie wyższej
w stosunku do wody opadowej, nie zawierają żadnych łatwo
rozpuszczalnych minerałów (węglanów lub siarczanów).
Wody opadowe mogą rozpuszczać jedynie krzemionkę, stąd
składnik ten występuje w wodach odciekowych w największym stężeniu w całej populacji analiz. Pozostałe składniki,
tj. wapń, wodorowęglany i siarczany, występują w wodach
z lizymetrów A i I na bardzo niskim poziomie, który jest jednocześnie bardzo zbliżony do poziomu mierzonego w wodzie opadowej (fig. 4).
Lizymetry II i III, z uwagi na występowanie w materiale
piaszczystym wapieni i innych stosunkowo łatwo rozpuszczalnych minerałów, charakteryzują się odciekami o relatywnie bardzo wysokich stężeniach wapnia i wodorowęglanów,
a także okresowo siarczanów. Stężenia krzemionki w wodach odciekających z lizymetrów II i III są tylko nieznacznie
wyższe niż w wodzie opadowej i istotnie niższe niż w lizymetrach A i I, wypełnionych bardzo czystym pod względem
mineralnym piaskiem ze złoża Bukowno (fig. 4).
Modelowanie hydrogeochemiczne dla próbek opadów
i wód odciekowych z lizymetrów wykonano przy użyciu
programu PHREEQCI, zaimplementowanego do programu
AquaChem 2010.1. Przeprowadzono obliczenia indeksów
nasycenia SI (saturation index) minerałów, których obecność została potwierdzona w badanych próbkach piasków
czwartorzędowych. Główne znaczenie mają w tym przypadku kalcyt (CaCO3) oraz amorficzna forma krzemionki
(SiO2(a)) (fig. 5). Pod względem zawartości obu wspomnianych form mineralnych wody opadowe są bardzo niedosycone, a wskaźniki SI wynoszą: (−6) ÷ (−3) dla kalcytu oraz
(−2,5) ÷ (−1,5) dla krzemionki.
Ewolucja składu chemicznego wód opadowych, jak zasygnalizowano wyżej, przebiega w dwóch kierunkach. Agresywne wody opadowe (pH 4,5–6,0) rozpuszczają minerały
występujące w piaskach. W przypadku gdy w piaskach występuje kalcyt, jest on rozpuszczany aż do osiągnięcia stanu
równowagi ze względu na ilość tego minerału, tj. do SI = 0.
Jeśli w obrębie piasku, w porach którego przemieszczają się
agresywne wody opadowe, nie ma okruchów wapienia, obserwowany jest proces rozpuszczania ziaren kwarcu. Z uwa-
Modelowanie warunków przepływu i przekształceń składu chemicznego wód opadowych w trakcie procesu infiltracji...
187
Fig. 5. Przeobrażenia składu chemicznego wód opadowych w trakcie przepływu przez profil utworów
piaszczystych wypełniających lizymetry
Rain water chemistry transformation during infiltration process through sandy soils filled lysimeters
gi na niską rozpuszczalność tego minerału, istotnie zależną
od wartości pH wody (Stumm, Morgan, 1995; Appelo, Postma, 2005), w profilu lizymetru nie jest osiągany stan rów-
nowagi względem rozpuszczonej krzemionki, lecz następuje
wydatne zmniejszenie niedosycenia roztworu w stosunku do
wspomnianej fazy mineralnej.
PODSUMOWANIE
Systematyczne pomiary lizymetryczne dostarczają interesującego materiału do badania zarówno warunków przepływu wód przez strefę aeracji, jak również transformacji
składu chemicznego wód opadowych w trakcie ich infiltracji. Duża częstotliwość prowadzenia pomiarów na stacji
lizymetrów pozwala na lepsze zrozumienie skomplikowanych procesów fizykochemicznych zachodzących pomiędzy
agresywnymi wodami opadowymi, o niskim odczynie pH
(4,5–6,0), a minerałami budującymi skały w strefie aeracji.
Niezwykle interesujący jest fakt, że procesy te przebiegają w różny sposób, nawet w obrębie wydawać by się
mogło bardzo podobnych utworów, jakimi są piaski czwartorzędowe pochodzące z rejonu olkuskiego oraz z doliny Wisły. Nawet niewielka domieszka minerałów węglanowych,
głównie kalcytu, sprawia, że wody opadowe wskutek jego
rozpuszczania znacząco zwiększają swoją mineralizację
ogólną i szybko osiągają stan równowagi pod względem
ilości rozpuszczonych minerałów węglanowych. W przy-
padku braku bardzo dobrze rozpuszczalnych węglanów i/lub
siarczanów agresywne wody opadowe rozpuszczają ziarna kwarcu. Z uwagi na dużą odporność kwarcu proces ten
przebiega bardzo wolno, a wody opadowe tylko nieznacznie
zwiększają swoją mineralizację.
Dla opisywanego stanowiska lizymetrycznego w dalszej
perspektywie ciekawe wydają się być zaawansowane badania znacznikowe w celu miarodajnego określenia tempa
migracji wód przez strefę aeracji, badania wpływu warstwy
glebowej oraz roślinności na wartość wskaźników infiltracji
opadów atmosferycznych, a także badania mające na celu
określenie współczynnika filtracji różnych utworów geologicznych w warunkach niepełnego nasycenia porów wodą.
Praca została zrealizowana w ramach projektu badawczego MNiSW nr NN 525 2058 33 oraz stanowi część badań
statutowych Katedry Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej
AGH, umowa 11.11.140.139.
188
Anna Żurek, Mariusz Czop
LITERATURA
APPELO C.A.J., POSTMA D., 2005 – Geochemistry, groundwater
and pollution. Balkema, Rotterdam.
CONSTANTZ J., 1982 – Temperature dependence of unsaturated
hydraulic conductivity of two soils. Soil Sc. Soc. Am. J., 46:
466–470.
CZOP M., 2009 – Metodyka oceny czasu pionowego przepływu
wód poprzez strefę aeracji i nadkład dla GZWP karpackich (fliszowo-dolinnych), z zastosowaniem rozwiązań w środowisku
MODFLOW. Arch. AGH, Kraków.
FREDLUND D.G., RAHARDJO H., 1993 – Soil mechanics for
unsaturated soils. John Wiley & Sons, NewYork.
van GENUCHTEN M.Th., 1980 – A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sc.
Soc. Am. J., 44: 892–898.
GeoSlope, 2007 – SEEP/W example file: lysimeters. http://downloads2.geo-slope.com/geostudioresources/2007/examples/Lysimeters.pdf
MIYAZAKI T., 2006 – Water flow in soils. CRC Press, Taylor &
Francis Group.
PANDAY S., HUYAKORN P.S., 2008 – MODFLOW SURFACT:
a state-of-the-art use of vadose zone flow and transport equations and numerical techniques for environmental evaluations.
Vadose Zone Journal, 7, 2: 610–631.
POEHLS D.J., SMITH G.J., 2009 – Encyclopedic dictionary of hydrogeology. Academic Press, Elsevier.
ROSE C.W., 2004 – An introduction to the environmental physics
of soil, water and watersheds. Cambrige University Press.
ŠIMŮNEK J., BRADFORD S.A., 2008 – Vadose zone modeling: introduction and importance. Vadose Zone Journal, 7, 2:
581–586.
STUMM W., MORGAN J.J., 1995 – Aquatic chemistry. chemical
equilibria and rates in natural waters. 3rd Ed., John Wiley &
Sons, New York.
VISUAL MODFLOW User’s Guide, 2010 – Demonstration instructions for Visual MODFLOW. The standard software package for
professional, three-dimensional groundwater flow and contaminant transport modeling. www.ground-water-models.com
ŻUREK A., w druku – Wstępna ocena składowych naturalnego
bilansu wodnego na podstawie obserwacji w lizymetrach. Prz.
Geol.