BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 2010 R.

Transkrypt

1 BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 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 ŻUREK 1, MARIUSZ CZOP 1 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 MODFLOW- SURFACT, z zastosowaniem modelu obliczeniowego opartego na równaniu van Genuchtena. Modelowanie hydrogeochemiczne zrealizowano przy użyciu programu PHREEQCI, zaimplementowanego do programu AquaChem 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 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. 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- 1 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, al. Mickiewicza 30, Kraków; zurek@agh.edu.pl, mariucz@agh.edu.pl

2 182 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 m 2 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 m 2 ). 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 opróbowy- Tabela 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

3 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 Krakowie. 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 (h s ), które często wyrażane jest w postaci wskaźnika pf = log 10 (h s ), dla h s 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 (k a ) 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 (k a ) od wartości porowego ciśnienia wody dla piasku i gliny piaszczystej. Przy dodatnich wartościach ciśnień wody (w strefie saturacji) współczynnik filtracji ma wartość stałą, 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 m/s dla piasku i 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 k r (θ) w funkcji wilgotności objętościowej k r (θ) = k a /k, czyli odpowiada stosunkowi współczynnika filtracji w strefie aeracji (k a ) 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 MODFLOW- SURFACT firmy HydroGeoLogic. Demonstracyjna wersja Fig. 1. Przykładowe zależności współczynnika filtracji w strefie aeracji (k a ) od ujemnego ciśnienia porowego wody (ψ) dla piasków i glin piaszczystych (na podstawie GeoSlope, 2007) Hydraulic conductivity in unsaturated zone (k a ) versus negative pore water pressure (ψ) for sands and sandy loams (after GeoSlope, 2007)

4 184 Anna Żurek, Mariusz Czop Parametry wykorzystane w badaniach modelowych Properties used for modelling Parametr 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 (k a ) w zależności od stopnia nasycenia porów wodą (θ r ) 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 k x = k y = k z wynosił 1, 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 zasobnością 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 (w i = 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 Tabela 2 Wartość Współczynnik filtracji k x = k y = k z [m/s] 1, Współczynnik zasobności spreżystej S s [1/m] Współczynnik odsączalności S y [ ] 0,20 Współczynnik porowatości efektywnej n e [ ] 0,22 Współczynnik porowatości całkowitej n [ ] 0,23 VANAL [1/m] 4 VANBT [ ] 3 VANSR [ ] 0,02 Zasilanie (infiltracja) I [mm] 600 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 mg/dm 3 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

5 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

6 186 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 (HCO 3 ), siarczany (SO 4 ) i krzemionkę (SiO 2 ). 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 Przeprowadzono obliczenia indeksów nasycenia SI (saturation index) minerałów, których obecność została potwierdzona w badanych próbkach piasków czwartorzędowych. Główne znaczenie mają w tym przypadku kalcyt (CaCO 3 ) oraz amorficzna forma krzemionki (SiO 2 (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-

7 Modelowanie warunków przepływu i przekształceń składu chemicznego wód opadowych w trakcie procesu infiltracji 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 równowagi 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 przypadku 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 oraz stanowi część badań statutowych Katedry Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej AGH, umowa

8 188 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: 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: GeoSlope, 2007 SEEP/W example file: lysimeters. 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: 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: 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. ŻUREK A., w druku Wstępna ocena składowych naturalnego bilansu wodnego na podstawie obserwacji w lizymetrach. Prz. Geol.