CZY MODELOWAĆ MAŁE ZLEWNIE W TERENACH GÓRSKICH?

BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: 159 166, 2010 R. CZY MODELOWAĆ MAŁE ZLEWNIE W TERENACH GÓRSKICH? A SMALL CATCHMENT IN MOUNTAINOUS AREAS ABLE TO BE MODELED? MAREK WCISŁO 1, STANISŁAW STAŚKO 1, SEBASTIAN BUCZYŃSKI 1 Abstrakt. W artykule zaprezentowano badania przeprowadzone na obszarze zlewni o zróżnicowanej morfologii i powierzchni nieprzekraczającej 15 km 2. Poszukiwano odpowiedzi na pytanie, jakie dane i rozwiązania metodyczne mogą umożliwić otrzymanie wiarygodnych wyników badań modelowych w przypadku słabego rozpoznania otworami wiertniczymi. Analizie poddano metodykę przygotowania danych, sposób kalibracji, wiarygodność wyników oraz stabilność modeli numerycznych realizowanych w warunkach wąskiego zakresu danych wejściowych. Badania wykonane na obszarze Sudetów oraz fliszu karpackiego pozwoliły na wyciągnięcie istotnych wniosków co do zakresu ograniczeń metodycznych w zależności od celu badań, liczby danych i stopnia komplikacji warunków hydrogeologicznych. Modele w skali lokalnej okazały się bardziej stabilne, wpływając na redukcję błędu wysokości hydraulicznej i bilansu wodnego. Pozwoliły precyzyjniej odwzorować drogi uprzywilejowanego przepływu oraz ich wpływ na strukturę przestrzenną zasobów wód podziemnych. Opisywane zjawiska nie mogły być dotychczas skutecznie symulowane na modelach obejmujących powierzchnię kilkudziesięciu i kilkuset kilometrów kwadratowych. Słaby stopień rozpoznania otworami wiertniczymi i wykorzystywanie analogii z innych obszarów zazwyczaj pozwalają jedynie na ocenę potencjalnych zagrożeń i możliwości związanych z eksploatacją wód podziemnych, jednak przy spełnieniu określonych warunków możliwe jest uzyskanie wiarygodnych, szczegółowych prognoz symulacyjnych. Realizacja modeli szczegółowych (o małych powierzchniach) ma wiele korzyści, jednak modele wymagają znacznego nakładu prac włożonych w realizację czasochłonnych procedur ich konstrukcji, a także zbierania bardzo wielu danych. Słowa kluczowe: lokalne modele wód podziemnych, małe zlewnie, obszary zasilania. Abstract. The paper describes research conducted in the river catchments in the mountainous region, the area less then 15 sq km. Authors are looking for the answers for question: what kind of data and methodological solutions are essential in case of poor recognition with boreholes. There were analyzed: methodology of field data preparing, ways of model calibration, outcomes accuracy and computing stability in conditions of limited range of available data. Investigation conducted in the Sudety Mts. and Carpathian area offer possibility to draw some important conclusions according to methodological limitations depending on goal, data range and complication of hydrogeological settings. Local-scale models appear to be more stable, what influence on water balance and head error reduction. It gave possibility to simulate with higher accuracy preferential flow paths and its influence on groundwater resources structure. This phenomena couldn t be efficient simulated up to now on the regional-scale model. In more cases poor recognition with boreholes and use of analogy allows only for assessing potential risk and perspectives connected to groundwater exploitation. On the other side, by fulfilling some additional conditions reasonable base for reliable prognosis and simulations is provided. Results of the research suggest, that local-scale models give many advantages, but require time-consuming procedures of model construction and gathering wide range of field data. Key words: small-scale groundwater models, small catchments, recharge areas. 1 Uniwersytet Wrocławski, Wydział Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska, Instytut Nauk Geologicznych, pl. Maksa Borna 9, 50-204 Wrocław; e-mail: marek.wcislo@ing.uni.wroc.pl; stanislaw.stasko@ ing.uni.wroc.pl; sebastian.buczynski@ ing.uni.wroc.pl

160 Marek Wcisło i in. WSTĘP Numeryczne badania modelowe przepływu wód w środowisku skalnym są obecnie podstawowymi metodami w hydrogeologii. Realizowane w szerokim spektrum skali, służą odwzorowywaniu większości procesów decydujących o przepływie wód i transportu masy. Niezwykle istotnym elementem systemów przepływu we wszystkich skalach są ich obszary zasilania, decydujące najczęściej o zasobach wód podziemnych danego rejonu. W południowej Polsce obszary zasilania generalnie zlokalizowane są w terenach górskich. Znaczne spadki hydrauliczne i strome zaleganie warstw tworzą problemy metodyczne, takie jak mała dostępność danych wejściowych, niestabilność przeliczeń programów modelujących czy wysoki stopień komplikacji warunków hydrogeologicznych. Z tych powodów obszary górskie rzadko obejmowane są modelami numerycznymi (Ruch, Kupfersberger, 2003) lub stosowane są znaczne uproszczenia. Kryza i Kryza (2004) zaproponowali model dla niecki środkowosudeckiej o powierzchni 1663 km 2, zbudowany z 6 warstw. Znacznym postępem pod względem dokładności odwzorowania systemu hydrogeologicznego była praca zrealizowana dla zlewni Kryniczanki (Ciężkowski i in., 1999). Ośmiowarstwowy model o kroku siatki równym 200 m pokrył powierzchnię 45 km 2. Osiem lat później w sąsiednim rejonie skonstruowano model opierający się na zbliżonej metodyce, z lokalnym zagęszczeniem siatki do 50 m (Staśko i in., 2007). WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE KRYSTALINIK SUDETÓW W wodonoścach obszarów krystalicznych Sudetów wyróżnia się od 2 do 4 stref wodonośnych (Wojtkowiak, 2000). Najczęściej spotyka się podział na trzy strefy, scharakteryzowane szczegółowo w pracach Staśki (2002) oraz Rzoncy i Buczyńskiego (2009). Strefa najpłytsza utożsamiana jest z przypowierzchniowymi pokrywami zwietrzelinowymi o parametrach μ = 0,18 oraz k = 1 10 6 m/s. Strefę drugą, zbudowaną z gęsto spękanych skał, cechują odmienne parametry: zasięg 10 50 m, μ = 0,008 0,05, k = 1 10 5 m/s. Strefa trzecia to głębokie uskoki tworzące drogi wgłębnego (regionalnego) krążenia wód o znaczeniu regionalnym (zasięg 100 500 m, μ = 0,0001 0,001, k = 1 10 8 1 10 6 m/s). Strefy te pozostają w bezpośrednich lub pośrednich związkach hydraulicznych (Staśko, Tarka, 2002). Dopływy boczne w przypadku zlewni o wyraźnie zaznaczonych w morfologii wododziałach najczęściej są minimalne (Kowalski, 1992). Miąższość poszczególnych stref jest bardzo zróżnicowana i zależna od lokalnych warunków rozwoju tektonicznego obszaru. W rejonie zlewni Złotego Potoku liczne obserwacje w sztolniach pozwoliły na oszacowanie miąższości pierwszej strefy na 5 m, a drugiej na 20 m. Drenaż systemu hydrogeologicznego odbywa się zazwyczaj poprzez źródła oraz dopływ korytowy. Duże zaangażowanie tektoniczne obszaru powoduje, że część odpływu w skali małej zlewni przechodzi do regionalnego systemu krążenia. Pomimo niewielkiego stopnia zagospodarowania zlewni Złotego Potoku (niemal w całości pokryta lasem), na system krążenia wód duży wpływ mają czynniki antropogeniczne. Ważnymi obiektami drenażu spękanego masywu są sztolnie, zaś całego systemu hydrogeologicznego ujęcia drenażowe. Średni drenaż za ich pośrednictwem wynosi 0,92 dm 3 /s km 2. Sztolnie drenują 6,03 dm 3 /s km 2 (26,57 dm 3 /s), przy czym 2,48 dm 3 /s km 2 (10,92 dm 3 /s) stanowi drenaż wód powierzchniowych, infiltrujących w wielu miejscach w masyw zmieniony przez działalność górniczą (Wcisło, 2008). Biorąc pod uwagę złożoność sytemu zlewni Złotego Potoku, uwidaczniającą się poprzez zaniki wód w przekroju wodowskazowym oraz przepływ w obrębie osadów korytowych, elementów krasu i niewykartowanych sztolni, całkowity odpływ podziemny pozostaje trudnym do oszacowania elementem bilansu (Ciężkowski, Błażej, 1995; Wcisło, 2008). Na Mapie hydrogeologicznej Polski 1:50 000, ark. Złoty Stok (Mroczkowska, 2000) niewielki fragment obszaru badań położony w górnej części zlewni został uznany za główny, paleozoiczno-proteroziczny poziom użytkowy o zasobach dyspozycyjnych jednostki <100 m 3 /d km 2 i potencjalnej wydajności studni <10 m 3 /h. Obszar ten został zakwalifikowany do obszarów o wysokim stopniu zagrożenia zanieczyszczenia wód podziemnych ze względu na brak izolacji poziomu użytkowego. Jednak brak ognisk zanieczyszczeń oraz pokrycie obszaru lasami sprawiają, że wody podziemne i powierzchniowe należą do I klasy czystości. W dolnej części zlewni Złotego Potoku stwierdzono obszar występowania zanieczyszczonych wód z nieczynnych kopalń. FLISZ KARPACKI Zgodnie z podziałem Paczyńskiego (1995), objęty modelowaniem rejon fliszu zaliczany jest do karpackiego regionu hydrogeologicznego (XIV). W regionie tym największe zasoby wód podziemnych występują głównie w dolinach rzecznych i kotlinach śródgórskich oraz w mniejszych ilościach w utworach facji fliszowej. Na podstawie dotychczasowych badań stwierdzono, że zasięg i miąższość formacji aluwialnych czwartorzędowych osadów w badanym górskim odcinku zlewni Muszynki i Mochnaczki jest niewielka (1 15 m) i stanowi lokalne źródło wód podziemnych (Szczepański, Szklarczyk, 2005). Największe zasoby zwykłych wód podziemnych zawarte są w paleogeńskich skałach fliszu. Formacja fliszowa nie tworzy typowych poziomów wodonośnych, a występowanie wód związane jest ze strefami przypowierzchniowych spę-

Czy modelować małe zlewnie w terenach górskich? 161 kań (Margielewski, 2006) i zwietrzałych skał, często różnego wieku. Dolna granica krążenia i wymiany słodkich wód podziemnych określana jest na 60 80 m p.p.t. (Chowaniec, 2006) lub do 100 m p.p.t. (Witczak, Duńczyk, 2004), zależnie od typu skał. O zasobności wodnej serii fliszowych decydują ogniwa piaskowcowe, ich wykształcenie, stopień spękania i porowatość. Zakres porowatości piaskowców krynickich z Piwnicznej i z Maszkowic wynosi od 1 do maksymalnie 10%. Intensywne procesy tektoniczne oraz wietrzeniowe tworzą korzystniejsze warunki do rozwoju sieci spękań, które z kolei podnoszą właściwości kolektorskie serii fliszowych. Chociaż intensywność wymiany wód maleje wraz z głębokością, rozkład ciśnień wynikający ze zróżnicowania morfologicznego terenu wskazuje na możliwość powolnej wymiany wód także na większych głębokościach, nawet rzędu 1500 m (Witczak, Duńczyk, 2004). Współczynniki filtracji ośrodka szczelinowo-porowego uzyskane podczas testów zmieniają się w granicach od 1,25 10 9 do 1,13 10 4 m/s (Nałęcki i in., 2004) i są to w większości przypadków wartości znacznie niższe o dotychczas przyjmowanych. Drenaż skał fliszowych odbywa się głównie w sposób naturalny: poprzez źródła oraz dopływ korytowy, jednak dość często wody podziemne eksploatowane są odwiertami należącymi do licznych rozlewni wód (Szczepański, Szklarczyk, 2005). Najczęstszymi przejawami zawodnienia w zlewni górnej Muszynki są źródła i wysięki, dla których wskaźnik krenologiczny wyniósł 7,9 km 2 (Buczyński i in., 2007). Generalnie wydajności źródeł są małe (od 0,01 do 0,1 dm 3 /s), charakteryzują się niską mineralizacją (100 500 mg/dm 3 ) i wykazują skład HCO 3 Ca, typowy dla wód strefy intensywnej wymiany. Wodom słodkim towarzyszą wody mineralne i lecznicze oraz ekshalacje dwutlenku węgla, których objawy obserwuje się głównie w dolinach rzecznych założonych na strefach tektonicznych. Mineralizacja wód waha się od 840 do 3368 mg/dm 3, a pod względem składu jonowego należą do typów HCO 3 Ca lub HCO 3 Na oraz HCO 3 Ca Na, HCO 3 Mg Ca i HCO 3 Ca Mg Na (Buczyński i in., 2007; Zuber, Chowaniec, 2009). Wody mineralne podlegają, podobnie jak w sąsiednich obszarach Krynicy-Zdrój i Muszyny, mieszaniu z wodami zwykłymi, a model tego mieszania szczegółowo opisano w pracy Ciężkowskiego i in. (1999). MODELE NUMERYCZNE SUDETY W rejonie Sudetów (Góry Złote) wykonano model o powierzchni 4,4 km 2, obejmujący zlewnię Złotego Potoku (fig. 1). Celem prac było maksymalne doprecyzowanie i weryfikacja składników bilansu wodnego oraz ocena zasobów wód podziemnych. Badania zrealizowane w programie Feflow (metoda elementów skończonych) opierały się na dwuletnim ciągu pomiarowym przepływów wód powierzchniowych oraz infiltracji efektywnej za pomocą lizymetrów. Obszar podzielono na bloki trójkątne o zmiennej powierzchni (od 40 do 600 m 2 ) oraz na trzy warstwy symulujące poszczególne środowiska występowania wód podziemnych. Do struktury modelu wprowadzono zarówno elementy z przepływem zachodzącym zgodnie z prawem Darcy ego, jak i przepływu sześciennego (równanie Hagen-Poiseuille). FLISZ KARPACKI W latach 2007 2009 zrealizowano 4 modele na obszarze fliszu karpackiego (fig. 2). Cechują się one zbliżoną budową i metodyką przygotowania danych. Zastosowano budowę 7-warstwową, pozwalającą na odwzorowanie w pełni trójwymiarowej struktury przepływu w środowisku piaskowców, mułowców i margli. Powierzchnia poszczególnych modeli wykonanych w programie Visual Modflow wahała się od 2,7 do 13,1 km 2, zaś zastosowany zmienny krok siatki wynosił od 5 do 13 m. Wszystkie modele wykonywane były dla terenów o dużych spadkach, w większości przekraczających 20%. Prace skupiały się m.in. na wyjaśnieniu zjawisk mieszania wód leczniczych i zwykłych. CZY MOŻNA MODELOWAĆ BEZ DANYCH WEJŚCIOWYCH? Oczywiście nie można. Modelowanie małych zlewni górskich może się początkowo wydawać karkołomnym zadaniem, jeżeli np. na terenie badań nie ma żadnego odwiertu. Wystarczające dane jednak istnieją, chociaż ich zebranie wymaga ukierunkowania badań na wszelkie dostępne elementy systemu hydrogeologicznego. W trakcie pracy nad modelem Złotego Potoku w Sudetach przeanalizowano m.in.: odpływ podziemny, odpływ bazowy, warunkowany przepływem w głębokich partiach górotworu, drenaż za pośrednictwem sztolni, regresję źródeł, co pozwoliło na określenie odsączalności (dodatkowo obserwowano studnię gospodarską), niestacjonarny model lokalny, który (przy znajomości odsączalności) pozwolił określić współczynnik filtracji utworów powierzchniowych, dopływ wód infiltracyjnych do lizymetrów; po porównaniu z odpływem podziemnym pozwolił na określenie rozkładu zasilania w zlewni, pomiar wypływu ze szczelin w sztolniach oraz szczegółowe rozpoznanie budowy geologicznej; uzyskano mapę rozkładu stref o podwyższonej przewodności i ich parametrów, wydajne źródła (Qśr >0,1 dm 3 /s) potraktowano jako punkty o znanej wysokości hydraulicznej. Zgromadzona baza danych pozwoliła na kompletne określenie parametrów systemu hydrogeologicznego z dużą dokładnością.

162 Marek Wcisło i in. Fig. 1. Model w rejonie sudeckim, zlewnia Złotego Potoku Groundwater model in the area of Sudety Mts., Złoty Potok Stream catchment PROBLEMY Z NIESTABILNOŚCIĄ Modele wykonywane w obszarach górskich cechują się znaczną niestabilnością. Jest to związane ze zbyt dużym krokiem siatki dyskretyzacyjnej w przypadku metody różnic skończonych oraz z osuszaniem warstw w trakcie kalibracji i symulacji. Pierwszy problem można rozwiązać konstruując szczegółowe modele o powierzchni poniżej kilkunastu km2 i o kroku siatki ok. 10 m. Nieco bardziej skomplikowanych rozwiązań wymaga problem znacznych zmian poziomu zwierciadła w trakcie kalibracji i w symulacjach. W takich warunkach nie sposób uniknąć osuszania bloków obliczeniowych. Jeżeli niepowołane zjawisko zaczyna obejmować znaczne obszary modelu, przestaje on być wiarygodny, ponieważ zwiększa błąd bilansu wodnego nawet do kilkudziesięciu procent. Również wynikowy rozkład wysokości hydraulicznych staje się mało wiarygodny. Problem w przypadku metody elementów skończonych niejako rozwiązuje się sam: w programie wystarczy skorzystać z funkcji naśladowania przez siatkę dyskretyzacyjną powierzchni piezometrycznej i jedynie weryfikować, czy nie uległa ona zbytnim odkształceniom. Większym zaufaniem (nie zawsze słusznie) nadal cieszą się kody bazujące na metodzie różnic skończonych, które nie mają możliwości dopasowywania siatki do wysokości hydraulicznych. Autorzy rozwiązali ten problem poprzez ręczną modyfikację struktury siatki, wychodząc z założenia, że bloki osuszone i tak nie biorą udziału w przepływie. Procedura ręcznego dostosowywania siatki wygląda następująco: (i) po przygotowaniu modelu do kalibracji i pierwszym przeliczeniu otrzymuje się pewien rozkład wysokości hydraulicznych i mnóstwo osuszonych bloków; (ii) otrzymaną powierzchnię zwierciadła wprowadza się jako strop modelu, dostosowując w razie konieczności inne warstwy modelu; (iii) model kalibruje się, dokonując co pewien czas kontrolowanej weryfikacji przebiegu jego warstw, tak aby nazbyt nie odbiegać od modelu koncepcyjnego, zachowując jednocześnie stabilność obliczeń. Procedura ma charakter iteracyjny, gdyż kilkukrotnie wykorzystuje się otrzymany rozkład zwierciadła do weryfikacji przebiegu warstw, zaś przebieg warstw wywołuje zmiany w rozkładzie zwierciadła. Procedura taka umożliwia wykonanie stabilnych modeli w niemal dowolnym terenie i przy dowolnej miąższości warstw.

Czy modelować małe zlewnie w terenach górskich? 163 Fig. 2. Lokalizacja modeli w rejonie karpackim; od lewej zlewnia Wojkowskiego Potoku, Pustej, środkowej Muszynki i górnej Muszynki Location of groundwater models in the Carpathian area; from the left catchment of Wojkowski Potok Stream, Pusta River, middle Muszynka River, upper Muszynka River LINEAMENTY, USKOKI I KRYSTALINIK Stopień komplikacji budowy geologicznej zdominowanej przez skały metamorficzne oraz różne formy nieciągłości stanowi duże wyzwanie dla modelu numerycznego. W przypadku metody różnic skończonych (Visual Modflow) jedynym wyjściem jest odpowiednie zagęszczenie siatki dyskretyzacyjnej w celu maksymalnie precyzyjnego odwzorowania granic pomiędzy poszczególnymi elementami. Przy kroku siatki ok. 5 m możliwe jest symulowanie obecności pojedynczych stref oraz trójwymiarowych zjawisk przepływu. Na figurze 3 zaprezentowano przekrój przez szczegółowy model zrealizowany na obszarze fliszu karpackiego. Celem była dyskusja możliwości i zbadanie natężenia zjawiska przenoszenia wpływu poprzez dolinę rzeczną eksploatacji hipotetycznego otworu. Pokazano to na przykładzie struktury nieciągłej przebiegającej pod korytem rzecznym. Jej precyzyjne odwzorowa- nie wynikało z zastosowania odpowiednio gęstego kroku siatki (5 10 m). Innym przykładem rozwiązania skomplikowanej struktury geologicznej jest model zlewni w regionie sudeckim. Wyróżniono elementy dyskretne odpowiedzialne za przepływ typu Darcy, cechujące się jednolitą przepuszczalnością w poszczególnych warstwach, oraz towarzyszący im rozkład struktur uprzywilejowanego przepływu typu kanałowego, który decyduje o zróżnicowaniu parametrów filtracyjnych (fig. 1). PROBLEM SKALI Odwzorowanie strumienia przepływających wód podziemnych i transportu masy wiąże się ściśle z problemem skali w hydrogeologii (np. Nawalany, 1999). Niezgodność wyników pomiarów polowych w punktach czy strefach li-

164 Marek Wcisło i in. Fig. 3. Schematyczny przekrój przez model lokalny w rejonie karpackim Schematic cross-section across the model domain in the Carpathian region niowych (rzeki) z wynikami obliczeń na modelu jest rezultatem ignorowania problemu skali lub przyjmowania zbyt daleko idących uproszczeń w trakcie schematyzacji. Rodzi się więc pytanie o tok postępowania w przypadku realizacji badań modelowych w skalach lokalnych. Jak wykazują liczne badania w warunkach modelowania bloku (Xiang-Huan Wen, Gomez-Hernadez, 1996), co odpowiada małej zlewni w badaniach regionalnych, ważne jest określenie wartości blokowego współczynnika filtracji. Ten parametr odbiega od potocznie pojmowanej wartości skalarnej i jest tensorem, który nie jest równy średniej arytmetycznej wartości z pomiarów punktowych. Co więcej, jego wartość zależy od geometrii pola przepływu, a tym samym od warunków brzegowych wymuszających przepływ. Wyznaczenie wartości blokowego współczynnika filtracji możliwe jest na drodze pośredniej (deterministycznej) lub bezpośredniej (stochastycznej), opisanej m.in. w pracy Bierkensa i van der Gaasta (1998). WYNIKI BADAŃ Opisane modele zostały zrealizowane w różnym celu i przedstawienie wszystkich wyników i wyciągniętych wniosków nie jest możliwe ze względu na ograniczoną objętość artykułu. Poniżej zaprezentowano dwa przykłady. Problemem sygnalizowanym w kolejnych dokumentacjach zasobów dyspozycyjnych fliszu karpackiego (Ciężkowski i in., 1999; Staśko i in., 2007) jest wyraźna rozbieżność między zasobami eksploatacyjnymi wód podziemnych, określonymi na podstawie kilkutygodniowych pompowań, a rzeczywistym poziomem eksploatacji osiąganym w dłuższym okresie. Robocze teorie o nakładaniu się wpływu poszczególnych ujęć, jako głównym czynniku, zostały zweryfikowane w wyniku prac modelowych. Na ich podstawie do głównych czynników spadku wydajności zaliczono długi czas stabilizacji warunków filtracji oraz kolmatację otworów (fig. 4). Do trudnych zagadnień w warunkach górskich należy określenie zagrożeń jakościowych. Tereny górskie generalnie są wolne od zanieczyszczeń. Głównym, potencjalnym ogniskiem zanieczyszczeń są szamba i studnie gospodarskie spełniające funkcje szamba. Odrębny problem stanowi przenoszenie wpływu głębokich ujęć pod korytem rzecznym. Oba zagadnienia znalazły rozwiązanie w trakcie próbnych symulacji hipotetycznych otworów zlokalizowanych blisko koryta rzecznego. Na figurze 5 przedstawiono sytuację, w której depresja wywołana eksploatacją opiera się na korycie rzecznym, natomiast swobodnie rozwija się w kierunku przeciwnym. Linie prądów wyraźnie wskazują, że możliwy jest przepływ zanieczyszczeń do ujęcia z ogniska zlokalizowanego po drugiej stronie doliny. Opisane przykłady świadczą o możliwości otrzymania skutecznej weryfikacji rozwiązań modelowych w obszarach górskich pod warunkiem zachowania właściwej metodyki oraz zebrania odpowiedniego zasobu danych wejściowych.

Czy modelować małe zlewnie w terenach górskich? 165 średnia prędkość opadania zwierciadła [m/rok] mean velocity of groundwater drawdown [m/yr] 100,00 10,00 1,00 0 5 10 15 0,10 0,01 20 25 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 miesiące months depresja [m] depression miesiące months Fig. 4. Wykresy stabilizacji zwierciadła wody dla trzech wybranych otworów z rejonu Karpat The graphs showing groundwater table stabilization in three intakes in the Carpathian area 120 132 Fig. 5. Przekrój przez model: symulacja studni zlokalizowanej ok. 150 m od koryta rzecznego Cross-section across model domain: simulation of the well located ca 150 m away from river bed WNIOSKI W artykule w sposób możliwie zwięzły zaprezentowano problematykę realizacji modeli numerycznych przepływu wód podziemnych w obszarach o zróżnicowanej rzeźbie terenu. Dotychczas podobne badania stanowiły rzadkość na gruncie polskim. Przedyskutowano podstawowe problemy metodyczne towarzyszące badaniom i zaproponowano ich skuteczne rozwiązania na praktycznych przykładach. Powyższe rozważania można zamknąć w następujących wnioskach: modele w warunkach znacznych spadków terenu są możliwe do wykonania i mogą stanowić źródło wartościowych danych przy zastosowaniu specyficznych parametrów rozpoznania terenowego i odpowiedniej metodyki; w badaniach małych zlewni, o słabym stopniu rozpoznania zwierciadła wody, należy skupić się na dokładnym określeniu pozostałych parametrów systemu hydrogeologicznego (budowa geologiczna, zasilanie, struktura odpływu rzecznego, formy drenażu, przepuszczalność stref uprzywilejowanych); duże spadki hydrauliczne i zapadania warstw wymagają zastosowania metody elementów skończonych lub wielokrotnego modyfikowania struktury modelu wykonywanego metodą różnic skończonych przy znacznym zagęszczeniu siatki dyskretyzacyjnej (często <20 m); symulowanie przepływu szczelinowego (równanie Hagen-Poiseuille) umożliwia skuteczne symulowanie obecności stref uprzywilejowanego przepływu oraz rozróżnienie środowisk: pokryw zwietrzelinowych, silnie spękanego masywu oraz głębokich uskoków; należy zmierzać do możliwie szczegółowego modelowania zlewni o charakterze górskim, stanowiących obszar zasilania dla większych jednostek hydrogeologicznych; równie istotne jest zastosowanie zaproponowanej metodyki w badaniach w obszarach współwystępowania wód zwykłych i leczniczych.

166 Marek Wcisło i in. LITERATURA BIERKENS M.F., van der GAAST J.W.J., 1998 Upscaling hydraulic conductivity: theory and examples from geohydrological studies. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 50: 193 207. BUCZYŃSKI S., OLICHWER T., TARKA R., STAŚKO S., 2007 Zawodnienie formacji fliszowej Karpat w oparciu o wyniki badań źródeł Beskidu Krynickiego w rejonie Tylicza. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 13, cz. 2: 403 412. Kraków Krynica. CHOWANIEC J., 2006 Hydrogeologia Karpat. Prz. Geol., 54, 10: 846 845. CIĘŻKOWSKI W., BŁAŻEJ R., 1995 Ciekawostki bilansu wodnego Złotego Jaru w Złotym Stoku. Mat. Konf. Nauk. Góry Złote geologia, okruszcowanie, ekologia: 86 88. Wrocław Złoty Stok. CIĘŻKOWSKI W., JÓZEFKO I., SCHMALZ A., WITCZAK S., 1999 Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne wód leczniczych oraz dwutlenku węgla (jako kopaliny towarzyszącej) ze złoża w uzdrowisku Krynica oraz ustalająca zasoby dyspozycyjne wód podziemnych (zwykłych, leczniczych i o właściwościach leczniczych) w zlewni Kryniczanki. Arch. PWroc., Wrocław. KOWALSKI S., 1992 Czynniki naturalne warunkujące występowanie wód podziemnych w regionie sudeckim. Pr. Geol.-Min., 25. KRYZA J., KRYZA H., 2004 Model przepływu wód podziemnych niecki wewnątrzsudeckiej baza danych, budowa i wykorzystanie w gospodarce wodnej. W: Modelowanie przepływu wód podziemnych: 129 147. Wyd. UWroc., Wrocław. MARGIELEWSKI W., 2006 Structural control and types of movements of rock mass in anisotropic rocks: case studied in the Polish Flysch Carpathians. Geomorphology, 77: 47 68. MROCZKOWSKA B., 2000 Mapa hydrogeologiczna Polski 1:50 000, ark. Złoty Stok. Państw. Inst. Geol., Warszawa. NAŁĘCKI P., REŚKO D., SCHMALZ A., WITCZAK S., 2004 Charakterystyka parametrów hydrogeologicznych szczelinowo-porowego złoża wód leczniczych w Krynicy. Biul. Państw. Inst. Geol., 404: 144 164. NAWALANY M., 1999 Zagadnienie skali w hydrogeologii. Biul. Państw. Inst. Geol., 388: 179 190. PACZYŃSKI B. (red.), 1995 Atlas hydrogeologiczny Polski 1:500 000 cz. II. Zasoby, jakość i ochrona zwykłych wód. Państw. Inst. Geol., Warszawa. RUCH C., KUPFERSBERGER H., 2003 Modeling the groundwater flow over four years in a small alpine crystalline headwater catchment. Proc. of the IAH Intern. Conf. on Groundwater in Fractured Rock: 173 174. Prague. RZONCA B., BUCZYŃSKI S., 2009 Water mixing processes within a crystalline massif: Sudety Mountains, SW Poland. Hydrol. Res., 40, 1: 53 64. STAŚKO S., 2002 Zawodnienie szczelinowych skał krystalicznych w Sudetach. Biul. Państw. Inst. Geol., 404: 249 262. STAŚKO S., OSZCZYPKO N., MODELSKA M., BUCZYŃSKI S., OLICHWER T., TARKA R., WCISŁO M., 2007 Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby dyspozycyjne wód podziemnych w rejonie Tylicza. Arch. UWroc., Wrocław. STAŚKO S., TARKA R., 2002 Zasilanie i drenaż wód podziemnych w obszarach górskich na podstawie badań w Masywie Śnieżnika. Acta Univ. Wratisl., Seria Hydrogeol., 2528. SZCZEPAŃSKI A., SZKLARCZYK T., 2005 Zagrożenia w gospodarowaniu zasobami wód leczniczych na przykładzie rejonu Krynicy i Muszyny. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 12: 696 700. UMK, Toruń. WCISŁO M., 2008 Zastosowanie modelowania numerycznego do określania zasobów i dróg przepływu wód podziemnych w systemach szczelinowych na przykładach obiektów Śląska Dolnego i Opolskiego. Rozprawa doktorska. Arch. UWroc., Wrocław. WITCZAK S., DUŃCZYK L., 2004 Regionalny wielowarstwowy model pola hydrodynamicznego w utworach fliszu karpackiego na przykładzie zlewni Kryniczanki (płaszczowina magurska). Biul. Państw. Inst. Geol., 404: 263 290. WOJTKOWIAK A., 2000 Reżim źródeł obszarów krystalicznych Sudetów Zachodnich. Biul. Państw. Inst. Geol., 390: 167 206. XIAN-HUAN WEN, GOMEZ-HERNANDEZ J., 1996 Upscaling hydraulic conductivity in heterogeneous media: an overview. Journal of Hydrology, 183: 9 32. ZUBER A., CHOWANIEC J., 2009 Diagenetic and other highly mineralized waters in the Polish Carpathians. Appl. Geochem., 24, 10: 1889 1900.