GEOLOGIJA 45/2, 465–470, Ljubljana 2002
Opazovanje transporta vode v nezasi~eni coni – primer lizimetra v
Selni{ki dobravi
Water transport monitoring in an unsaturated zone – Case study: lysimeter
Selni{ka dobrava (Slovenia)
Nina MALI
Geolo{ki zavod Slovenije Dimi~eva 14, SI-1001 Ljubljana, Slovenija
Klju~ne besede: hidrogeologija, nezasi~ena cona, lizimeter, monitoring, Selni{ka dobrava Key words: hydrogeology, unsaturated zone, lysimeter, monitoring, Selni{lka dobrava, Slovenia
Kratka vsebina
Transport onesna‘enja skozi vodonosnik je odvisen od zgradbe vodonosnika, zgornje nezasi~ene in spodnje zasi~ene cone. Za dobro poznavanje procesov v nezasi~eni coni je potrebno opraviti meritve parametrov za dolo~itev hidrogeolo{kih lastnosti. Namen terenskega laboratorija v Selni{ki dobravi je izpopolniti metodologijo terenskih meritev parametrov in procesov v nezasi~eni coni. V ~lanku so definirani problemi, ki jih re{ujemo z raziskavami v terenskem laboratoriju –lizimetru. Opisane so re{itve v konceptualni zasnovi lizimetra, konstrukciji in opremi lizimetra, izbira metod za oceno prepustnosti nezasi~ene cone ter sistem meritev in vzor~evanja vode za fizikalno-kemijske in izotopske analize.
Abstract
Pollution transport in an aquifer depends on its structure, upper unsaturated zone and lower saturated zone. In order to understand processes in the unsaturated zone, several hydrogeological field measurements must be done. A field laboratory- lysimeter in Selni{ka dobrava was installed for the improvement of field measurements, and explanation of the parameters and processes in the unsaturated zone. The problems, which can be solved by means of investigations in a lysimeter, are defined in this paper. Described are also: concept of investigation planning, construction and equipment of the lysimeter, measurements of unsaturated zone parameters and processes, water sampling for physical, chemical and isotope analysis.
Uvod
V zadnjih letih potekajo intenzivne raziskave vpliva urbanega okolja na podzemno vodo. Raziskave so usmerjene v detekcijo stanja kvalitete vodonosnika, razumevanje procesov migracije in razgraditve polutantov skozi vodonosnik. Ranljivost vodonosnika glede na onesna‘enje je neposredno povezana
s hidravli~nimi lastnostmi vodonosnika in zna~ilnostmi samega polutanta. Med infil-tracijo skozi zemljino in med transportom skozi vodonosnik se veliko polutantov naravno razgradi. Stopnja razgradnje je v posameznih primerih odvisna tudi od lastnosti poroznega medija (Sililo et al. 1999). ^e poznamo lastnosti poroznega medija in polu-tanta, lahko ocenimo vpliv onesna‘enja.
466
Transport onesna‘enja skozi vodonosnik je odvisen od zgradbe vodonosnika, zgornje nezasi~ene (vadozne) in spodnje zasi~ene (freati~ne) cone. Procesi v zasi~eni coni so dokaj dobro poznani, procesi v nezasi~eni coni pa so kljub intenzivnim raziskavam precej{na neznanka. Nezasi~ena cona je splo{no definirana kot geolo{ki medij med povr{ino in regionalnim nivojem podzemne vode (Stephens, 1996).
Hidrogeolo{ke raziskave in monitoring predstavljajo enega od na~inov za zbiranje podatkov potrebnih za re{evanje problemov v zvezi z antropogenimi vplivi na kvaliteto podzemne vode (Zaporozec, 1999). Osnoven opis sistema tvorijo hidrogeolo{ki podatki (stratigrafija, litologija, izdatnost vodonosni-ka), zna~ilnosti vodnega toka pa dolo~ajo hidrogeolo{ki podatki kot so: globina podzemne vode in njeno gibanje, robni pogoji vodonosnika, hidravli~ne zna~ilnosti vodonos-nika (poroznost, hidravli~ni gradient, koeficient prepustnosti, koeficient vskladi{~enja), smer toka podzemne vode, zna~ilnosti napajanja in praznenja vodonosnika. Pomemben del sistema dolo~ajo lastnosti nezasi~ene cone.
Eden od glavnih ciljev raziskav nezasi-~ene cone v terenskem laboratoriju – lizime-tru v Selni{ki dobravi je dolo~itev hidrogeo-lo{kih lastnosti nezasi~ene cone, ki vplivajo na napajanje vodonosnika in njegovo ones-na‘enje. Terenski laboratorij je postavljen na obmo~ju dobro raziskanega pe{~eno prodnega vodonosnika Selni{ke dobrave, v katerem se predvideva zajem ve~jih koli~in vode za potrebe Mariborskega vodovoda. Z meritvami parametrov nezasi~ene cone v terenskem laboratoriju bo dopolnjen matemati~ni model toka podzemne vode. Na osnovi rezultatov bo opredeljeno optimalno izkori{~anje vodnega vira in njegova za{~ita.
Na~rtovanje raziskav in monitoringa v nezasi~eni coni
Na~rtovanje raziskav nezasi~ene cone lahko opi{emo v petih stopnjah (Stephen s , 1996):
1. Opredelitev problemov, na katere ‘eli-mo odgovore
– kak{no je naravno napajanje vodonos-nega sistema
– kak{no je pretakanje iz kmetijskih povr-{in ali pa{nikov
Nina Mali
– ali se bodo kemikalije iz zemljine izlu‘ile v podzemno vodo
– ali lahko kontaminanti v zemljini migre-rajo lateralno(obstransko)
– kak{na je najprimernej{a metoda in ko-lik{ni so stro{ki za monitoring nezasi~ene cone
2. Razvoj predhodnega konceptualnega na-~rta sistema. Pri tem koraku je potrebno obdelati obstoje~e podatke. Glavna podro~ja raziskav je potrebno izpostaviti v konceptualnem na~rtu.
3. Dolo~itev pristopa za re{itev problema. – V tej stopnji se dolo~i metodologijo za dosego ciljev.
4. Dolo~itev podatkov, ki so potrebni za re{itev problema. V tej to~ki je potrebno preveriti, katere podatke je mo‘no zbrati glede na omejitve, ki nam jih postavljajo lastnosti terena, omejitve merilne opreme in finan~ne mo‘nosti.
5. Razvoj delovnega na~rta. Na~rt sledi ciljem projekta. V na~rtu dolo~imo podatke, ki jih je potrebno zbrati in standarde ter procedure za zbiranje podatkov.
Monitoring nezasi~ene cone je bil hitro sprejet kot ena od mo‘nosti za u~inkovitej{o za{~ito okolja. Prvenstvena sta dva razloga za vklju~itev monitoringa nezasi~ene cone v raziskave; prvi je varstvo okolja in drugi ekonomske koristi. Z monitoringom nezasi-~ene cone dobimo informacije o stanju migracije toka vode skozi nezasi~eno cono. Monitoring v vadozni coni mora biti na~rtovan tako, da uporabimo najbolj primerno opremo in tehnike glede na zna~ilnosti nezasi-~ene cone v skladu s konceptualnim na~r-tom. Pri procesu na~rtovanja monitoringa je pomembno, da si zastavimo izvedljiv scenarij, da izberemo in{trumente glede na pogostost in trajanje meritev ter ob~utljivost senzorjev in da dolo~imo lokacije za monta‘o in{trumentov, s katerimi bomo zajali kar naj-ve~ podatkov (Havlena & Stephens, 1992).
Obmo~je raziskav
Dosedanje raziskave medzrnskega vodo-nosnika Selni{ke dobrave, ki le‘i 20 km vzhodno od Maribora, so pokazale, da je vodo-nosnik primeren za morebitno izkori{~anje ve~jih koli~in vode za potrebe vodooskrbe sistema   Mariborskega   vodovoda   (Mali,
Opazovanje transporta vode v nezasi~eni coni – primer lizimetra v Selni{ki dobravi
467
Sl. 1 Obmo~je raziskav – lokacija lizimetra Fig. 1. Study area – Location of the lysimeter
1993; Juren et al., 1996). Glavni vodonos-nik predstavlja prodni zasip stare struge Drave in obsega 3 km2, zaledje vodonosnika pa obsega 7,5 km2 (sl. 1). Vodonosnik se napaja iz Drave, z infiltracijo iz padavin in s pre-cejanjem iz vodonosnika zgornje terase, ki se napaja iz zaledja Kozjaka. Vodonosnik je precej dobro raziskan (Mali 1995; Mali & J a n ‘ a , 2001; M a l i et al., 2001). Opravljene so geofizikalne meritve podlage, izdelano je 12 opazovalnih piezometrov in en raziskovalni vodnjak. Ocenjujemo, da je povpre~na debelina omo~enega sloja 12 m, krovnih plasti je od 20-40 m, povpre~en koeficient prepustnosti pa je ocenjen na 5,75 10-3 m/s. Trenutno se iz vodnjaka GV-1 ~rpa 35 l/s.
V dosedanjih raziskavah so bile ve~krat opravljene kemijske analize vzorcev podtalnice glavnega vodonosnika Selni{ke dobrave, ki so pokazale, da je podtalnica primerne kvalitete za vodooskrbo.Ve~ji del glavnega vodonosnika je pogozden, naselja na robu vodonosnika pa niso komunalno urejena. ^etrtina vse povr{ine vodonosnika so kme-
tijske povr{ine. Na celotnem obmo~ju ni industrijskih objektov. V splo{nem lahko trdimo, da na obmo~ju vodonosnika Selni{ka dobrava {e ni bilo posegov v okolje, ki bi bistveno vplivali na kvaliteto vodonosnika in tako lahko govorimo o dobro ohranjenem vodnem viru.
Cilji
Dolo~anje hidravli~nih lastnosti materialov v nezasi~eni coni na podlagi terenskih meritev je eden od problemov preu~evanja nezasi~ene cone (Havlena & Stephens, 1992). Najpogosteje se terenske meritve v nezasi~eni coni izvajajo v lizimetrih. Za {tu-dij nezasi~ene cone smo izdelali lizimeter Jazbina na obmo~ju vodonosnika Selni{ka dobrava. V lizimetru smo postavili sistem monitoringa transporta vode v nezasi~eni coni.
Cilji raziskave v lizimetru Selni{ke dobrave so:
468
– dolo~itev hidrogeolo{kih lastnosti neza-si~ene cone
– dolo~itev vhodnih parametrov za anali-ti~ne in numeri~ne modele za napoved pre-cejanja, potovalnih ~asov in transporta podzemne vode;
– dolo~itev kriterijev za na~rtovanje monitoringa v nenasi~eni coni
Med problemi povezanimi z nezasi~eno cono ostajajo odprta vpra{anja v zvezi z ma-temati~nim modeliranjem toka podzemne vode in opisom ter meritvami parametrov, ki definirajo te procese ( J a n ‘ a , 2000).
Konstrukcija lizimetra in na~rt raziskav
Lizimeter Jazbina je lociran glede na tokovnice podzemne vode dolvodno od vodnjaka GV-1 ob piezometru PS-5. Lokacija ob piezometru nam omogo~a hkratno vzor~eva-nje vode v nezasi~eni in zasi~eni coni. Koncept je bil izdelan tako, da konstrukcija lizi-metra zajema kar se da globok profil in s tem omogo~i vzor~evanje v nezasi~eni coni. Pri konstrukciji smo upo{tevali dosedanje ocene hidravli~nih parametrov (visoka prepustnost). Odlo~ili smo se za zajem vode s
Sl. 2 Skica lizimetra
Fig. 2 Sketch of the lysimeter
Nina Mali
horizontalnimi drena‘ami, kar nam omogo~a ve~jo koli~ino vzorca, predvsem pa cenej{o opremo lizimetra. Vzorec odvzet v lizimetru z drena‘o je obi~ajno lahko ve~ji od vzorca odvzetega s poroznimi kapicami. To zmanj{a mo‘nost, da zaradi heterogenosti materiala in prisotnosti makropor pride do obtekanja infiltrirane vode.
Lizimeter smo skonstruirali kot betonsko {katlo dimenzij 2mx2mx5,4m s stenami debeline 0,2m (sl. 2). V dve steni so bile ‘e vnesene prerezane cevi, ki so predstavljale vzor~na mesta in v zalitem betonu omogo-~ajo dostop do stene. Dno lizemetra ni popolnoma zaprto, da je mo‘en odtok vode. Drena‘e so izdelane iz nerjave~ega jekla. Odtok predstavlja cevka premera 1 cm. Vstavili smo 10 drena‘. Na izliv drena‘e so montirane teflonske cevke, ki so speljane v steklene transfuzijske steklenice, ki v primeru zadostne koli~ine vode prelivajo v dodatne steklenice (sl. 3). Na povr{ini lizimetra je postavljen zbiralnik padavin, ki ima speljan odtok v notranjost lizimetra.
Pri raziskavah nezasi~ene cone smo sledili koncept, ki je prikazan v shemi v sliki 4.
Ena od tehnik za kvantificiranje stopnje napajanja skozi plast nezasi~enega aluvija, ki se omenja v literaturi, je tudi uporaba stabilnih izotopov ( K n o w l t o n et al., 1992). Z uporabo stabilnih izotopov d 2H in d18O lahko ocenimo transport vode, posredno pa lahko ocenimo stopnjo napajanja (Urbanc, 1999). Trenutno je te‘i{~e na{ih raziskav do-lo~itev dinamike precejanja vode skozi neza-si~eno cono na podlagi izotopske sestave vode.
Sl. 3 Monitoring nezasi~ene coni v lizimetru
Fig. 3. Unsaturated zone monitoring in the lysimeter
Opazovanje transporta vode v nezasi~eni coni – primer lizimetra v Selni{ki dobravi
469
NAČRT RAZISKAV LIZIMETER JAZBINA   |
-C -C
Analiza dosedanjih podatkov
Konstrukcija lizimetra
—I  Preiskave v času izgradnje lizimetra —I                  Terenske meritve
-C
-t
Monitoring v nezasičeni coni
Baza podatkov
—|     Statistična obdelava podatkov
-T
Matematični model
Vizualizacija
SI. 4 Načrt raziskav Fig. 4. Investigation planning
Meritve
V ~asu izgradnje lizimetra so bile opravljene pedolo{ke in granulometri~ne preiskave tal in prodnega zasipa. Vzorci proda za granulometri~ne analize so bili odvzeti na razli~nih globinah. Za dolo~itev infiltracije in prepustnosti smo opravili teste z infiltro-metrom sistema dvojnih obro~ev na povr{ini lizimetra na razli~nih lokacijah in na dnu lizimetra. Po za~etni konstrukciji lizimetra smo opazovali aktivacijo drena‘. Vsa vzor-~na mesta omogo~ajo odvzem vode v zadostnih koli~inah, ki jih potrebujemo za kemijske in izotopske analize. Od za~etka merimo volumen zajete vode, fizikalno-kemijske parametre vode in enkrat mese~no vzor~imo za kemijske in izotopske analize. Isto~asno vzor~imo za izotopske analize vode iz vrtine in padavinske vode.
Meritve fizikalno-kemijskih parametrov so pokazale, da se je sistem stabiliziral v petih mesecih. Delno so bile opravljene analize izotopske sestave kisika v vodi. Iz dosedanjih podatkov lahko pri~akujemo, da bo pri ve~jem ~asovnem nizu izotopskih podatkov mo‘no opredeliti zna~ilnosti transporta in zadr‘evalne ~ase vode v nezasi~eni coni, kar je razvidno tudi iz diagrama izotopske sestave kisika na dveh vzor~nih mestih v
lizimetru in padavin na sliki 5. Analiza zbranih podatkov poteka vzporednoz vzor~eva-njem.
Zaklju~ki
Uspe{nost terenskih raziskav nezasi~ene cone je zelo odvisna od dobrega predhodnega na~rtovanja. Poseben problem predstavljajo konstrukcija lizimetra za opazovanje neza-si~ene cone, izbor metod za opazovanje in opremljenost lizimetra. V lizimetru Jazbina v prodnem vodonosniku Selni{ke dobrave smo postavili lizimeter, ki smo ga opremili s horizontalnimi drena‘ami, ki omogo~ajo vzor~evanje nezasi~ene cone. V dalj{em opazovalnem obdobju se je izkazalo, da so horizontalne drena‘e primerne za zajem vode za monitoring v nezasi~eni coni zelo prepustnega prodnega vodonosnika. Zajem vode z drena‘ami nam omogo~a ve~jo koli~ino vzorca od vzorca odvzetega z poroznimi kapicami, predvsem pa cenej{o opremo lizimetra.
Dosedanji monitoring izotopske sestave d 2H in d18O v vodi nezasi~ene cone je pokazal, da bomo lahko na podlagi rezultatov dalj-{ega ~asovnega niza ocenili transport skozi nezasi~eno cono, zadr‘evalne ~ase v nezasi-~eni coni in ocenili napajanje (sl. 5).
Iz granulometri~nih analiz prodnega zasipa iz razli~nih globin smo ocenili koeficient prepustnosti zasi~ene cone po USBR (Aljtovski, 1973) na od 7.10-3 do 6.10-2 m/s, kar potrjuje dosedanje rezultate, da gre za visokoprepusten vodonosnik. Testi za dolo~itev infiltracije in prepustnosti z in-filtrometrom po sistemu dvojnih obro~ev na povr{ini lizimetra na razli~nih lokacijah in na dnu lizimetra so se izkazali kot nezanes-
Llzlmeter Jazbina
JV-3 JV-8
Ftadavine
okt-00      9-Jan-01      19-apr-01     28-Jul-01      5-nov-01     13-feb-02
Sl. 5 Izotopska sestava kisika v vodi
Fig. 5. Oxygen isotope composition in the water
470
Nina Mali
ljivi, zato jih bomo ponovili z drugimi metodami.
V prihodnje bomo raz{irili izbor meritev razli~nih parametrov. V monitoring nezasi-~ene cone bomo vklju~ili meritve toka vode skozi nezasi~eno cono. Opravili bomo sledilni poskus skozi nezasi~eno cono. Infiltra-cijski poizkus bo izveden s ciljem opazovanja migracije vode in polutantov od povr{ine skozi nezasi~eno cono do vodonosnika. V ta namen bosta vzor~evani tako nezasi~ena kot zasi~ena cona. Z nadaljnimi raziskavami se bomo osredoto~ili tudi na re{evanje odprtih vpra{anj v zvezi z matemati~nim modeliranjem toka podzemne vode in opisom ter meritvami parametrov, ki definirajo te procese.
Zahvala
Raziskave nezasi~ene cone v terenskem laboratoriju- lizimetru v Selni{ki dobravi sta omogo~ila Mariborski vodovod in Ministrstvo za {olstvo, znanost in {port v okviru aplikativnega raziskovalnega projekta Urbana hidrogeologija.
Literatura
A l j t o v s k i , M.E. 1973: Hidrogeolo{ki priru~-nik. – Gra?evinska knjiga, 616 pp., Beograd.
H a v l e n a , J.A. & S t e p h e n s , D.B. 1992: Va-dose zone characterizations using field parameters and instrumetation. In: Nielsen, D.M. & Sara, M.N. (eds), Current practicesin ground water and vadose zone investigations. – ASTM, 93-110. Philadelphia.
J a n ‘ a , M. 2000: Integration of GIS and hyd-rological modelling for groundwater protection. In: Proceedings of 2nd International conference on GIS for Earth science applications, 11-14 September, 2000. – 7 pp., Menemen-Izmir, Turkey
J u r e n , A., M a l i , N., J e c e l j , S. & C a j n -k a r , A. 1996: Outlines on the drinking water solution in Maribor. In: 1st International Conference The Impact of Industry on Groundwater Resources, 22-24 May 1996, Villa Erba-Cernobbio
(Como) : Proceedings – 25-33. Villa Erba-Cerno-bbio (Como)
Knowlton, R.G.,JR., Parsons, A.M. & G a i t h e r , K.N. 1992: Techniques for quantying the recharge rate through unsaturated soils. In: Nielsen, D.M. & Sara, M.N. (eds), Current practi-cesin ground water and vadose zone investigations. – ASTM, 93-110. Philadelphia.
M a l i , N. 1995: Dolo~itev varstvenih obmo~ij in vodnih zalog podtalnice kvartarnega zasipa Selni{ke Dobrave : 2. faza: In{titut za geologijo, geotehniko in geofiziko, 1995. 22 str., [13] pril. Ljubljana.
M a l i , N. 1993: Selni{ka Dobrava – alternativni vodni vir za vodooskrbo Maribora in okolice. V: Lah, A., Premzl, V. & Rezman, V.(ur.): Primarno gospodarstvo in okolje : zbornik prispevkov s posveta Sveta za prou~evanje in varstvo okolja Slovenske akademije znanosti in umetnosti na Svetovni dan Zemlje, 22. april. – Aram, 26-29. Ru{e.
Mali, N. & Jan‘a, M. 2001: Matemati~ni model vodonosnika kot osnova za upravljanje vodnega vira – (primer Selni{ka dobrava). V: Horvat, A. (ur.). 15. Posvetovanje slovenskih geologov : povzetki referatov (Geolo{ki zbornik, 16). – Univerza v Ljubljani, NTF, Oddelek za geologijo, 59-60. Ljubljana.
M a l i , N., J a n ‘ a , M. & H e r i ~ , J. 2001: Vpliv urbanega okolja na kvaliteto vodnega vira – vodo-nosnik Selni{ka dobrava : letno poro~ilo (1999-2000). V: Urbanc, J.(ur.) Urbana hidrogeologija – vpliv infrastrukturnih objektov na podzemneo vodo : letno poro~ilo o rezultatih opravljenega aplikativno raziskovalnega projekta v letu 2001. – Geolo{ki zavod Slovenije, 10 str., 13 pril.. Ljubljana.
Sililo, O.T.N., Conrad, J., Murphy, K.O.H., T r e d o u x , G., E i g e n h u i s , B., F e r g u s o n , M.C.D. & M o o l m a n , J.H. 1999: Investigation of the contaminant attenuation characteristics of the soil aquifer system with special emphasis on the vadose zone: Final report to the Water research commission – Cape Water Programme, Division of Water, Environment and Forestry Technology, CSIR & Department of Soil and Agricultural Water Science, University of Stellenbosch, 9 chapters, Stellenbosch
Stephens, D.B. 1996: Vadose zone hydrology. – Lewis publishers, 339 pp., Boca Raton.
U r b a n c , J. 1999: Baseflow retention time estimation on the basis of water isotope composition. V: Isotope techniques in water resources development and management : proceedings, (IAEA-CSP-2/C).: IAEA, 42-48. Vienna.
Zaporozec, A. 1999: Advances in contamination studies and remediation of ground water. In: Proc. Of XXIX IAH Congress: Hydrogeology and land use management, 581-586, Bratislava.