Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach. Piotr Freiwald, Robert Patorski, Krzysztof Witek

Transkrypt

1 DOI: Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 13 (3) 2014, Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach Hydrogeological cycles in the light of monitoring studies in the Carpathians Piotr Freiwald, Robert Patorski, Krzysztof Witek Oddział Karpacki Państwowego Instytutu Geologicznego Państwowego Instytutu Badawczego Streszczenie. W ramach monitoringu w Karpatach bada się zmiany wahań zwierciadła wód podziemnych i wydajności źródeł. Uwzględnione w artykule obserwacje prowadzone były przez PIG-PIB w okresie od 1989 r. do października 2013 r. oraz przez IMGW od lat 60 ubiegłego wieku do 2000 r. W ramach Państwowej Służby Hydrogeologicznej obserwacje realizuje się w 88 punktach badawczych, z czego 49 stanowią studnie wiercone, 35 źródła i 4 studnie kopane. W wielu punktach obserwacyjnych zaznaczają się wieloletnie (trwające około 20 lat), cykliczne zmiany wydajności źródeł i wahań zwierciadła wód podziemnych. Wyniki prowadzonych w ramach monitoringu wód podziemnych obserwacji zmian położenia ich zwierciadła dały podstawę do wyznaczenia cykli hydrogeologicznych związanych ze zmianami stanu retencji. Abstract. In the Carpathians, groundwater fluctuations and spring discharges are subjected to monitoring. The monitoring has been carried out by Polish Geological Institute National Research Institute (PGI-NRI) from 1989 until present and by Institute of Meteorology and Water Management (IMGW) from the 1960s until Currently (as of 2014) monitoring records, which are performed under the tasks of the Polish Hydrogeologic Survey, are taken in 88 study posts which comprise 49 wells, 35 springs and 4 dug-wells. In many posts, multi-year, cyclic (ca. 20-years) changes in spring discharges and groundwater fluctuations are observed. Results of the observed changes in groundwater level, formed the basis for identifying hydrogeologic cycles associated with changes in subsurface retention. Słowa kluczowe: Karpaty, wody podziemne, monitoring wód podziemnych, cykle hydrogeologiczne Key words: Carpathians, groundwaters, groundwater monitoring, hydrogeologic cycles Adres do korespondencji Corresponding authors: mgr inż. Piotr Freiwald, mgr inż. Robert Patorski, mgr inż. Krzysztof Witek, Oddział Karpacki Państwowego Instytutu Geologicznego Państwowego Instytutu Badawczego, ul. Skrzatów 1, Kraków, piotr.freiwald@pgi. gov.pl., robert.patorski@pgi.gov.pl., krzysztof.witek@pgi.gov.pl.

2 12 P. Freiwald, R. Patorski, K. Witek WSTĘP Krajowa sieć monitoringu wód podziemnych funkcjonuje w Państwowym Instytucie Geologicznym Państwowym Instytucie Badawczym (PIG-PIB) od początku lat 70. XX wieku. Od tego okresu następował sukcesywny rozwój sieci polegający na włączaniu do obserwacji nowych obiektów oraz unowocześnianiu systemu gromadzenia danych. W Oddziale Karpackim PIG-PIB (OK PIG-PIB) na obszarze Karpat od 1989 r. prowadzone są obserwacje dynamiki oraz stanu chemicznego wód podziemnych w ramach krajowej sieci obserwacyjno-badawczej. W początkowym okresie w Karpatach monitorowano położenie zwierciadła wód podziemnych i wydajności źródeł w 21 punktach badawczych, (9 otworów i 12 źródeł). Do października 2013 r. badania prowadzono w 81 punktach badawczych (49 studni wierconych, 29 źródeł i 3 studnie kopane tab. 1, ryc. 1). Od 1991 r. monitoruje się też skład chemiczny wód podziemnych w 70 punktach. W przyszłości planuje się monitoring ilościowy i jakościowy we wszystkich wymienionych 88 punktach. Punkty monitoringowe dzieli się na punkty I i II rzędu. Punkty I rzędu stanowią stacje hydrogeologiczne zlokalizowane w Zawoi (3 punkty obserwacyjne wód podziemnych oraz 1 punkt, w którym bada się wahania wód powierzchniowych na rzece Skawica) oraz w Jabłonce (3 punkty obserwacyjne wód podziemnych). Na stacji w Zawoi, w dwóch otworach obserwuje się paleogeński poziom wodonośny natomiast w jednym poziom czwartorzędowy. W Jabłonce monitoruje się zmiany położenia zwierciadła wód podziemnych neogeńskiego (2 otwory) oraz czwartorzędowego poziomu wodonośnego (1 otwór). Na stacjach I rzędu prowadzi się codzienne obserwacje zmian położenia zwierciadła wód podziemnych, natomiast na stacjach II rzędu czyni się to raz w tygodniu, w poniedziałki rano. W realizacji jest projekt na wykonanie 4 otworów hydrogeologicznych dla nowej stacji hydrogeologicznej I rzędu zlokalizowanej w Besku. W najbliższych latach przeprowadzona zostanie automatyzacja prowadzenia obserwacji w otworach hydrogeologicznych, która polegać będzie na elektronicznym odczycie położenia zwierciadła wód podziemnych. Obserwacje wahania zwierciadła wód podziemnych w studniach kopanych monitorował w przeszłości również Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMiGW). Obserwacje te prowadzone były w studniach kopanych od lat 60. ubiegłego wieku do r. 2000, a dane były ogólnodostępne na stronie Tabela 1. Stratygrafia poziomów wodonośnych w punktach obserwacyjno-badawczych Monitoringu Wód Podziemnych Table 1. The aquifer stratigraphy at Groundwater Monitoring measuring points Liczba punktów Number of the monitoring points Stratygrafia obserwowanego poziomu wodonośnego* Stratigraphy of the monitored aquifer* Q Ng Pg Cr 3 Cr 1 Cr Pg-Cr J 2 J-Cr Rodzaj punktu Type of the monitoring point Otwór Borehole Źródło Spring Studnia kopana Dug well * Q czwartorzęd Quaternary, Ng neogen Neogene, Pg paleogen Paleogene, Cr 3 kreda górna Upper Cretaceous, Cr 1 kreda dolna Lower Cretaceous, Cr kreda Cretaceous, Pg-Cr paleogen-kreda Paleogene-Cretaceous, J 2 jura środkowa Jurassic Middle, J-Cr jura-kreda Jurassic-Cretaceous Acta Sci. Pol.

3 Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach 13 Ryc. 1. Lokalizacja punktów obserwacyjno-badawczych należących do bazy danych monitoringu wód podziemnych Fig. 1. Location of monitored points belonging to the groundwater monitoring database Formatio Circumiectus 13 (3) 2014

4 14 P. Freiwald, R. Patorski, K. Witek Analiza zmian położenia zwierciadła wód podziemnych dała podstawę do wyznaczenia cykli hydrogeologicznych związanych ze zmianą stanu retencji. Na obszarze Karpat wyróżniono cztery dające się porównać wieloletnie cykle zmian stanu retencji. Jeden pełny cykl wyznacza rozstęp pomiędzy wieloletnimi stanami maksymalnymi wraz z zaznaczeniem występujących w nich stanów niżówkowych. Trendy zmian stanu retencji obliczone indywidualnie dla każdego punktu w całym okresie obserwacji poddano analizie regionalnej, która wykazała, że na badanym obszarze w większości przypadków można stwierdzić spadkową tendencję położenia zwierciadła wód podziemnych. Wszystkie analizowane w artykule punkty sieci obserwacyjno-badawczej wód pod ziemnych zlokalizowane są na obszarze karpackiego regionu hydrogeologicznego (XIV) charakteryzującego się skomplikowanymi warunkami geologicznymi i hydrogeologicznymi [Paczyński 1993, 1995, Chowaniec 2009]. Wody podziemne, których dynamikę i chemizm obserwuje się w ramach monitoringu, występują w obrębie pięciu pięter wodonośnych: czwartorzędowego związanego ze żwirowo-piaszczystymi osadami akumulacji rzecznej oraz z osadami fluwioglacjalnymi występującymi w kotlinach, neogeńskiego związanego z piaszczystymi osadami Kotliny Orawsko-Nowotarskiej, eoceńskiego związanego z utworami węglanowymi, fliszowego (kredowego, paleogeńskiego i kredowo-paleogeńskiego) związanego z utworami fliszowymi Karpat Zewnętrznych i Wewnętrznych, jurajskiego związanego z osadami węglanowymi pienińskiego pasa skałkowego. Punkty obserwacyjne ujmujące fliszowe piętro wodonośne stanowią 71% wszystkich punktów badawczych, natomiast czwartorzędowe 22%. W pozostałych 7% punktów badawczych obserwuje się dynamikę i jakość wód podziemnych neogeńskiego, eoceńskiego oraz jurajskiego piętra wodonośnego. Do specyfiki obszarów górskich, a w szczególności Karpat, należy duża gęstość występowania źródeł. Współczynnik krenologiczny jest bardzo zróżnicowany i waha się od kilku do ponad 30 źródeł na km 2 [Dynowska 1986]. Ma to zasadniczy wpływ na duży udział źródeł w sieci obserwacyjno-badawczej wód podziemnych Karpat. Stanowi on 39% wszystkich punktów obserwacyjnych. Monitoring wydajności źródeł należących do sieci obserwacyjno-badawczej wód podziemnych potwierdza niewielkie wydajności źródeł w Karpatach, rzadko przekraczające 1 dm 3 s 1 (3,6 m 3 h 1 ) [Kazimierski , MhP ]. Do źródeł o małej wydajności należy np. źródło nr 760 w Ponikwi, którego średnia wydajność w roku hydrologicznym 2013 wyniosła 0,36 m 3 h 1 (0,1 dm 3 s 1 ). Źródło to zlokalizowane jest w Beskidzie Małym i drenuje kredowy poziom wodonośny (warstwy godulskie). Podobnie niską średnią, roczną wydajnością: 0,32 m 3 h 1 (0,09 dm 3 s 1 ), charakteryzuje się źródło nr 803 w Kątach koło Żmigrodu, które drenuje Beskid Niski zbudowany w tym rejonie z oligoceńskich warstw krośnieńskich. Do najbardziej wydajnych źródeł z obszaru Karpat fliszowych należy źródło nr 758 w Kamesznicy o średniej wydajności rocznej wynoszącej 4,81 m 3 h 1 (1,35 dm 3 s 1 ) zlokalizowane na obszarze Beskidu Śląskiego, zbudowanego w tej okolicy z oligoceńskich warstw krośnieńskich. We wschodniej części Karpat stosunkowo wysoką wydajnością, wynoszącą 3,9 m 3 h 1 (1,09 dm 3 s 1 ), charakteryzuje się źródło w Bystrym-Rabe nr 820. Źródło drenuje zachodnią część Bieszczad Zachodnich zbudowaną z oligoceńskich warstw krośnieńskich (ryc. 2). Acta Sci. Pol.

5 Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach 15 Ryc. 2. Wykresy wahań wydajności wybranych źródeł w roku hydrologicznym 2013 Fig. 2. Fluctuations of spring discharge of chosen springs in 2013 hydrological year Formatio Circumiectus 13 (3) 2014

6 16 P. Freiwald, R. Patorski, K. Witek Wyjątkiem są źródła krasowe (wywierzyska) występujące w Tatrach, których wydajność dochodzi nawet okresowo do m 3 h 1 (6000 dm 3 s 1 Wywierzysko Olczyskie) [Chowaniec i Freiwald 2010]. Źródłem odwadniającym systemy krasowe i obserwowanym w ramach monitoringu wód podziemnych jest źródło Pod Capkami (źródło nr II/141a/1), które wypływa z eoceńskich wapieni numulitowych na północnym stoku góry Krokiew. Maksymalna zmierzona wydajność w okresie prowadzenia pomiarów ( ) wyniosła 475 m 3 h 1 (132 dm 3 s 1 ) [Kazimierski ]. Niezależnie od pozycji morfologicznej źródła w Karpatach stanowią lokalną bazę drenażu. Często obserwuje się bardzo szybką reakcję wzrostu wydajności źródeł bezpośrednio po wystąpieniu opadów atmosferycznych, co świadczy o płytkim systemie krążenia wód podziemnych. Potwierdza to bardzo niska mineralizacja wód, często nieprzekraczająca wartości 100 mg dm 3 [Kazimierski ]. Zdecydowana większość źródeł, w których prowadzone są obserwacje wydajności, to źródła bardzo zmienne o wskaźniku zmienności wieloletniej powyżej 50 (np. źródła nr 156 w Dębnie, nr 752 w Ustroniu Dobce). Źródeł stałych, o wskaźniku zmienności wieloletniej 1 2, nie obserwuje się (tab. 2). Tabela 2. Wskaźniki zmienności wieloletniej źródeł wchodzących w skład sieci obserwacyjno-badawczej [Pazdro i Kozerski 1990] Table 2. Multiannual spring variability index at Groundwater Monitoring Net [Pazdro and Kozerski 1990] Wskaźniki zmienności wieloletniej Index of long-term variability Liczba punktów* Number of the monitoringpoints Źródła stałe Constant springs (1 2) Źródła mało zmienne Low variable springs (2 10) Źródła zmienne Variable springs (10 50) Źródła bardzo zmienne Highly variable springs (> 50) * liczba źródeł o obserwacjach dłuższych niż 10 lat number of springs with more than 10 years observation period W większości przypadków źródła w Karpatach odwadniają niewielkie systemy hydrogeologiczne, w których krążenie wód odbywa się w strefie przypowierzchniowej. Wskazuje na to duża amplituda wahań wydajności oraz krótki odstęp czasu pomiędzy opadem atmosferycznym a przyrostem wydajności źródła. Źródła, w których występuje również dopływ wód podziemnych głębszego krążenia, charakteryzują się stosunkowo niewielką amplitudą zmian wydajności oraz pewnym progiem minimalnej wydajności, który nie jest przekraczany nawet w okresach posusznych (np. źródło nr II/803/1 w Kątach w Beskidzie Niskim). Wskaźnik zmienności wieloletniej tego źródła wynosi 4, zatem zalicza się ono do małozmiennych. Złożone warunki geologiczne Karpat powodują, że systemy krążenia wód podziemnych w utworach fliszowych są bardzo skomplikowane i trudne do odwzorowania modelowego i kartograficznego. Rozbudowa sieci obserwacyjno-badawczej wód podziemnych o nowe punkty ujmujące piętro fliszowe umożliwi dokładniejsze rozpoznanie warunków hydrogeologicznych. W ramach tych prac w roku Acta Sci. Pol.

7 Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach odwiercono dwa nowe piezometry (w Jaworzynce i Mucznym), w których rozpoczęto obserwację dynamiki fliszowego piętra wodonośnego. Pod względem chemizmu wody podziemne na obszarze Karpat charakteryzują się dobrą jakością. Najczęściej spotykane typy wód to: HCO 3 -Ca-Mg oraz HCO 3 -Ca. Rzadziej występują wody typu HCO 3 -SO 4 -Ca-Mg, HCO 3 -Ca-Mg-Na, HCO 3 -Na-Ca, oraz HCO 3 -Na. Obecność jonów sodu w wodzie wskazuje na udział wód głębszego krążenia. Wody takie występują np. w otworach w Zawoi nr I/828/2, w Jabłonce nr I/847/3 oraz w Jaworzynce nr II/1650/1. Najczęściej spotykane przekroczenia dopuszczalnych norm dla wód do spożycia przez ludzi dotyczą jonów Fe i Mn (Jabłonka nr I/847/2, Jaśliska nr II/1653/1, Lipnica Wielka nr II/1651/1). Badanie reżimu wód podziemnych, a w szczególności zmian stanu retencji, stanowi istotne zagadnienie w aspekcie właściwej gospodarki wodami podziemnymi. Określenie trendów zmian położenia zwierciadła wód podziemnych jest kwestią stosunkowo rzadko poruszaną zarówno w hydrologii, jak i w hydrogeologii. Badanie tych tendencji może przynieść odpowiedź na pytanie, czy mamy do czynienia z okresem, kiedy to poziom wód podziemnych ulega wyraźnemu obniżaniu się, czy trend jest odwrotny. Istotnym problemem jest tu określenie cykliczności tych zmian. Poznanie charakteru wahań zwierciadła wód gruntowych, ich trendu oraz okresowości głębokości zalegania poziomu wód ma zasadnicze znaczenie w prognozowaniu stanu retencji, a co za tym idzie, w racjonalnym szacowaniu zasobów wód podziemnych. Na obszarze Karpat, w wielu punktach obserwacyjnych, wyraźnie zaznaczają się wieloletnie (trwające około 20 lat), cykliczne zmiany wydajności źródeł czy wahań zwierciadła wód podziemnych. Cykle te składają się z czterech etapów: obniżania się zwierciadła wody w okresie posusznym (a), względnej równowagi hydrodynamicznej w okresie posusznym (b), podnoszenia się zwierciadła wody w okresie mokrym (c) i względnej równowagi hydrodynamicznej w okresie mokrym (d) [Herbich i in. 2009]. W celu porównania zmian stanu retencji w oparciu o schemat cykli hydrogeologicznych (rys. 3) sporządzono wykresy zmian w położeniu zwierciadła wód podziemnych (rys. 4). Jeden pełny cykl wyznacza rozstęp pomiędzy wieloletnimi stanami maksymalnymi wraz z zaznaczeniem występujących w nich stanów niżówkowych. Ponieważ czas obserwacji dynamiki wód podziemnych na obszarze Karpat jest zbyt krótki, przy wyznaczeniu cykli zmian wydajności źródeł czy wahań zwierciadła wody posiłkowano się wieloletnimi obserwacjami prowadzonymi w punktach monitoringowych należących do Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMiGW). Punkty posterunkowe IMiGW (studnie kopane) obejmują okres prowadzenia obserwacji zmian dynamiki wód podziemnych najczęściej od lat 60 ubiegłego wieku do roku W okresie tym wyróżnić można i porównać trzy wieloletnie cykle zmian stanu retencji. Każdy z wymienionych cykli rozpoczyna się wysokimi stanami wód podziemnych, następnie obserwowane są stany niżówkowe, po czym obserwuje się stany wysokie kończące dany cykl. Na obszarze Karpat, na podstawie wieloletnich obserwacji, stwierdza się spadkową tendencję wydajności źródeł oraz położenia zwierciadła wód podziemnych (ryc. 2, 4). Obserwowane niższe stany wód podziemnych wynikają prawdopodobnie z faktu, iż obecnie trwa okres względnej równowagi w okresie posusznym. W związku z tym tendencja niskich stanów wód podziemnych może jeszcze potrwać nawet kilka lat [Chowaniec i in. 2007, 2008]. Formatio Circumiectus 13 (3) 2014

8 18 P. Freiwald, R. Patorski, K. Witek Etapy: a obniżanie się zwierciadła wody w okresie posusznym b względna równowaga hydrodynamiczna w okresie posusznym c podnoszenie się zwierciadła wody w okresie mokrym d względna równowaga hydrodynamiczna w okresie mokrym Stages: a lowering of the groundwater level during the dry period b relative hydrodynamic balance during the dry period c raising the groundwater level during the wet period d relative hydrodynamic balance during the wet period Ryc. 3. Ideowy schemat zwierciadła wód podziemnych w cyklu wieloletnim obejmującym okresy posuszne i mokre [Freiwald i in. 2013] Fig. 3. Schematic diagram of groundwater level in a multi-year cycle comprising drought and wet periods [Freiwald at al. 2013] Ryc. 4. Wieloletnie cykle zmian położenia zwierciadła wód podziemnych na przykładzie średnich rocznych wahań wydajności źródła nr 722 Młynne i średnich rocznych wahań zwierciadła wody w studni nr 148 w Limanowej Fig. 4. Long-term cycles of groundwater table changes based on annual average spring discharge fluctuations in the spring 772 Młynne, and annual average fluctuations of water table in the well 148 at Limanowa Acta Sci. Pol.

9 Cykle hydrogeologiczne w świetle badań monitoringowych w Karpatach 19 Analiza wyników systematycznych obserwacji zmian dynamiki i chemizmu wód podziemnych umożliwia prognozowanie stanu retencji tych wód, bilansowanie ich zasobów, tworzenie map tematycznych dla prezentacji ocen stanu ich jakości, np. w układzie wskaźników czy też pięter wodonośnych dla całego obszaru kraju bądź dla jego wybranych rejonów. PIŚMIENNICTWO Chowaniec J., Studium hydrogeologii zachodniej części Karpat polskich. Biul. PIG-PIB 434. Warszawa. Chowaniec J., Freiwald P., Atlas hydrogeoróżnorodności województwa małopolskiego. Wyd. Kartograficzne COMAPSS Kraków Chowaniec J., Freiwald P., Witek K., Wahania zwierciadła wód podziemnych i wydajności źródeł na obszarze zachodniej części fliszowych Karpat Zewnętrznych. XIII Symp. Współczesne problemy hydrogeologii. Kraków Krynica, czerwca 2007, Chowaniec J., Freiwald P., Witek K., Trendy zmian położenia zwierciadła wód podziemnych w rejonie Pogórza Dynowskiego. [W:] Walory przyrodniczo-historyczne pogórzy. Monografia. Materiały pokonferencyjne. Dąbrówka Starzeńska, Dynowska I., Regionalne zróżnicowanie źródeł w Polsce. Folia Geogr., ser. Geogr.-Physica 18, Freiwald P., Owsiak P., Witek K., Specyfika sieci monitorujących wody podziemne na obszarze Karpat. Biul. Państwowego Instytutu Geologicznego 456, Herbich P., Prażak J., Przytuła E., Dynamika stanu retencji płytkich wód podziemnych w hydrogeologicznych jednostkach bilansowych. Biul. Państwowego Instytutu Geologicznego 436, Kazimierski B. (red.), Roczniki hydrogeologiczne państwowej służby hydrogeologicznej. PIG-PIB Warszawa. MhP, Mapa hydrogeologiczna Polski 1 : , ark NAG PIG-PIB Warszawa. Paczyński B. (red.), Atlas hydrogeologiczny Polski 1 : Cz. I. Systemy zwykłych wód podziemnych. Wyd. Geol. Warszawa. Paczyński B. (red.), Atlas hydrogeologiczny Polski 1 : Cz. II. Zasoby, jakość, ochrona zwykłych wód podziemnych. Wyd. Geol. Warszawa. Pazdro Z., Kozerski B., Hydrogeologia ogólna. Wyd. Geol. Warszawa. Zaakceptowano do druku Accepted for print: Formatio Circumiectus 13 (3) 2014