41 Skladišč enje vode v vadozni coni kraških vodonosnikov - primer izvira Malenšč ica Janja Kogovšek * Povzetek Pogosto so kraški vodonosniki zelo kompleksni sistemi, ki se napajajo tako z infiltracijo padavin in s površinskimi vodnimi tokovi. Pri pretakanju infiltriranih padavin skozi vadozno cono vodonosnika prihaja tudi do pomembnega skladišč enja vode in iztekanja z več jimi zakasnitvami. Prav ti procesi omogoč ajo, da imajo kraški izviri vodo tudi v daljših sušnih obdobjih z minimalnimi padavinami. Prispevek podaja dinamiko pretakanja in skladišč enja padavin v 100 m debeli vadozni coni Postojnske jame na osnovi več letnih zveznih meritev pretokov. Te procese primerja z dinamiko iztekanja vode skozi kraški izvir Malenšč ice, ki se napaja z infiltracijo padavin in s površinskimi tokovi. Poudarek je na sušnih obdobjih, ko reke ponikalnice presušijo ali pa imajo minimalen pretok in se izvir Malenšč ice napaja predvsem z infiltrirano, uskladišč eno vodo. Ključ ne besede: Kras, vodonosnik, vadozna cona, dinamika pretakanja, skladišč enje Key words: Karst, aquifer, vadose zone, hydrodinamics, storage Uvod V Evropi 35 % in v Sloveniji okoli 44 % površja gradijo karbonatne kamnine. Ocenjujejo, da 20 do 25 % svetovne populacije pije vodo iz kraških vodonosnikov (Ford in Williams 2007) in za prihodnost napovedujejo, da se bo ta delež še poveč eval (Forti 2007). Kraški vodonosniki so pogosto obsežni in zelo heterogeni, kompleksni vodni sistemi, ki se napajajo ne le z infiltracijo padavin, ampak tudi z rekami ponikalnicami in vodnimi tokovi, ki vanje zatekajo tudi z nekraškega sveta. Vsi ti viri napajanja pa pomenijo tudi možnost vnosa onesnaženja v vodonosnik. Vodni tokovi pomenijo hiter prenos onesnaženja, pomemben pa je tudi neposreden prenos onesnaženja s površja skozi vadozno cono vodonosnika, ki je vezan na dinamiko pretakanja. Kraški vodonosniki so v Sloveniji pomemben vir pitne vode. Zato je zelo pomembna kakovost njihove vode. V sušnih obdobjih, posebno ko prihaja do dalj č asa trajajoč ih suš v zaporednih letih, pa se na določ enih območ jih postavlja tudi vprašanje zadostnih količ in. Le dobro poznavanje dinamike pretakanja v kraških vodonosnikih je dobra osnova za njihovo nač rtno izrabo. Raziskave vadozne cone v preteklosti so nakazovale, da se padavine lahko v vadozni coni vodonosnikov zadržijo tudi daljši č as (Mangin, 1973, Bakalowicz in ostali, 1974, Kogovšek in Habič , 1981, Williams, 1983, Kogovšek, 1982, 1983, 2000, 2010, Pezdič et al., 1984, Smart in Friedrich 1986, Klimchouk 1995, Stichler in ostali, 1997, Jeannin in Grasso 1995, Maloszewski in ostali, 2002, Perrin in ostali, 2003a, Trč ek, 2003). * Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Titov trg 2, 6230 Postojna, Slovenija 42 Zvezne in soč asne raziskave kraškega izvira Malenšč ica in curkov prenikle vode z bistveno različ no prepustnostjo zaledja v vadozni coni Postojnske jame, 100 m pod površjem, so podale dinamiko pretakanja vode skozi vadozno cono in skozi kraški izvir. Območ je raziskav in metode dela Malenšč ica je kraški izvir na Planinskem polju, ki mu je pretok v obdobju 1981-2011 nihal med 1,1 in 11,2 m 3 /s (Pretoki Malenšč ice. Medmrežje: http://vode.arso.gov.si), in je zajet za oskrbo prebivalstva s pitno vodo. Raziskave pretakanja padavin skozi kraško vadozno cono so potekale na območ ju Postojnske jame z debelino vadozne cone 100, kjer smo merili curke prenikle vode I, J in L. Curek I v Postojnski jami doteka vrh kope, kjer smo naredili manjšo zajezitev z vgrajenim prelivom. Ob njem smo pritrdili sondo za merjenje nivoja (č asovni interval 30 minut) za izrač un pretokov ter sondo za meritve temperature in specifič ne električ ne prevodnosti (EC). Vodo curka J smo speljali v posodo z majhnim iztokom, v kateri smo s sondo merili višino vode in EC. Z obč asnimi vzporednimi roč nimi meritvami pretokov smo izdelali umeritveni krivulji za izrač un pretokov obeh curkov. Na površju nad raziskovalnim poligonom v Postojnski jami smo zvezno merili količ ino padavin. Slika 1: Območ je raziskav je bil kraški izvir Malenšč ica na Planinskem polju in pretakanje padavin na raziskovalnem poligonu v Postojnski jami. Meritve nivoja, temperature in električ ne prevodnosti Malenšč ice so potekale na č rpališč u s kombinirano sondo YSI in pretoka z 750 Area-Velocity Module v povezavi z 43 avtomatskim zajemalnikom ISCO 6700. Meritve padavin smo opravljali z dežemerom s shranjevalnikom podatkov HOBO Event Logger RG2-M, podjetja ONSET, ki zabeleži vsakih 0,2 mm padavin. Soč asno so v jamskem rovu potekale zvezne meritve pretoka, temperature in električ ne prevodnosti (Gealog S podjetja Logotronic) treh reprezentativnih curkov: več jega nestalnega curka I s pretokom do 4000 ml/min, stalnega curka J s pretokom do 130 ml/min in stalnega curka L s pretokom do 10 ml/min. Pretok curka L so potekale najprej s prirejenim evaporimetrom z mehansko uro, kasneje pa z dežemerom s shranjevalnikom podatkov HOBO Event Logger RG2-M. Rezultati Meritve padavin na površju nad Postojnsko jamo in pretokov izbranih curkov I, J in L 100 m pod površjem so v hidrološkem letu 2003-04 (1618,3 mm) z zvezno razporeditvijo padavin pokazale oblikovanje zaporednih poplavnih valov v curkih I in J (slika 2). Slika 2: Padavine na površju in hidrogrami curkov I, J in L v hidrološkem letu 2003-04. Slika 3: Padavine na površju in hidrogrami curkov I, J in L v hidrološkem letu 2004-05. 0 20 40 60 80 100 P (mm) 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 50 100 150 200 250 24.9.03 13.11.03 2.1.04 21.2.04 11.4.04 31.5.04 20. 7.04 8.9.04 Q - I (ml/min) Q - J (ml/min), Q - L (ml/h) J (ml/min) L (ml/h) I (ml/min) 0 50 100 P (mm)) 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 50 100 150 200 250 1.9.04 21.10.04 10.12.04 29.1.05 20.3.05 9.5.05 28.6.05 Q - I (ml/min) Q - J (ml/min), Q - L (ml/h) J (ml/min) L (ml/h) 44 Pretok najmanjšega curka L pa je nihal bistveno drugač e. Hidrološko leto omejujeta letna minimalna pretoka curka I v dveh zaporednih letih. V hidrološkem letu 2004-05, ki je sledilo, je bila količ ina padavin manjša (1560,7 mm), bistveno drugač na pa je bila njihova razporeditev. Od Januarja do marca 2005 so padle le minimalne padavine, še te kot sneg ob nizkih temperaturah, zato je curek I tedaj presušil, curka J in L pa sta dosegala minimalne pretoke (slika 3). V manjšem stalnem curku J s pretokom do 130 ml/min, kjer je letna iztekla količ ina več kot 20-krat manjša od curka I, prihaja do izrazitejšega dušenja infiltriranih padavin in curek prek leta nikoli ne presahne (tabela 1). Stalen je tudi najmanjši opazovani curek L, a je dinamika iztekanja vode skozi ta curek bistveno drugač na kot skozi curka J in I, kar je razvidno tudi iz slike 4. Ko se njegovo zaledje napolni do določ ene mere, prihaja do poveč anega iztoka, ko pa se sprazni do neke mere, se zač ne stalno skromno iztekanje (sliki 2 in 3). Tedaj minimalni pretoki curkov J in L dosegajo vrednosti pod 1 ml/min. Oba tipa curkov v vadozni coni (J in L) sta zelo pogosta in se kažeta kot pomembna v napajanju kraških izvirov v daljših sušnih obdobjih, ko pretakanje po prepustnejših razpokah izostane. Slika 4: Dinamika iztekanja vode skozi curke I, J in L (kumulativno - V sum) v hidrološkem letu 2003-04. Dinamika in izdatnost iztekanja vode skozi curek I v treh zaporednih hidroloških letih, ko je postopno upadala količ ina letnih padavin, je razvidna iz slike 5. Na iztekanje vplivata količ ina in razporeditev padavin, vendar po sušnih obdobjih prihaja do skromnejšega iztekanja oz. do poveč anega skladišč enja infiltriranih padavin v vadozni coni. V hidrološkem letu 2003-04 je bilo iztekanje dokaj zvezno in le s krajšimi presušitvami curka. Do sredine marca 2004 je padlo 53 % padavin v hidrološkem letu 2003-04, skozi curek I pa je izteklo le 39 % letne količ ine vode (tabela 1), kar pripisujemo poveč anem skladišč enju infiltriranih padavin. V nadaljnjih mesecih do konca hidrološkega leta je bilo iztekanje izdatnejše kot v prvem obdobju (47 % padavin in 61 % iztekle vode v hidrološkem letu). Na padavine julija in avgusta (okoli 140 mm) Curek I ni reagiral, ker so se infiltrirale in shranile v zaledju (slika 2). Ta vzorec skladišč enja ob koncu hidrološkega leta se ponavlja tudi v sledeč ih hidroloških letih (Kogovšek 2010), in se odvisno od razmer in padavin lahko prič enja že maja. V naslednjem hidrološkem letu 2004-05 je iztekla v prvih mesecih enaka količ ina vode in s približno enako dinamiko kot v predhodnem letu (slika 5). V daljšem zimskem sušnem obdobju (od januarja do sredine marca) s snežnimi padavinami in nizkimi temperaturami na površju (konec februarja in v zač etku marca) curek I skoraj tri mesece ni bil aktiven. V 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 V sum -J (m 3 ) V sum -I (m 3 ), V sum -L (l) Čas (dnevi) Vsum -I V sum L V sum -J 45 obdobju od marca 2005 do konca hidrološkega leta je nato padla približno polovica letnih padavin, prišteti pa bi morali še del snega, ki se je talil s č asovnim zamikom, je bila iztekla količ ina vode le 40 % letne količ ine (tabela 1). To nakazuje pomembne procese s vode v vadozni coni po daljših sušnih obdobjih. Kar izdatne padavine julija in avgusta (270 mm, I ef =170 mm) niso aktivirale curka I in so se shranile v zaledju (slika 3), podobno kot predhodno hidrološko leto. Slika 5: Dinamika iztekanja vode skozi curek I v treh zaporednih letih. Tabela 1: Iztekanje infitriranih padavin skozi curke I, J in L v zaporednih hidroloških letih: količ ina celoletnih padavin, količ ina in delež padavin ter delež iztekle vode v prvi polovici hidrološkega leta. Hidrološko leto Obdobje P (mm) P (%) V iztekle vode (%) Curek I Curek J Curek L 2003-04 celo leto do 15.3.2004 1618,3 857 100 53 100 39 100 47 100 97 2004-05 celo leto do 15.3.2005 1560,7 797 100 51 100 60 100 47 100 96 2005-06 celo leto do 15.2.2006 1525,5 706,6 100 43 100 39 100 45 100 13 Sledilo je hidrološko leto 2005-06, s še nekoliko manjšo količ ino padavin (tabela 1), ki so bile razporejene prek celega leta, podobno kot v hidrološkem letu 2003-04, kar se je odrazilo tudi v iztekanju iz vadozne cone (slika 5). V prvih mesecih, ko je padlo 43 % letnih padavin (tabela 1) je iztekel nekoliko manjši del vode (39 %) v primerjavi s preostalimi meseci v letu (tabela 1), vendar pa je bila količ ina iztekle vode v hidrološkem letu 2005-06 kar za č etrtino manjša kot v hidrološkem letu 2003-04, medtem ko je bila količ ina padavin le dobrih 5 % manjša. Dogajanje v zaledju curka J je bolj dušeno in delež iztekle vode v hidroloških letih 2004-05 in 2005-06 je bil v primerjavi s curkom I vse več ji (slika 6, tabela 1). Sklepamo, da je iztekanje iz vadozne cone po različ no prepustnih razpokah odvisno od razmer na površju in v vadozni coni prek hidrološkega leta (daljša sušna obdobja) in ne le od količ ine padavin. V hidrološkem letu 2004-05 se je več ji del infiltriranih padavin shranil v vadozni coni v primerjavi s sledeč im hidrološkim letom, ko je sledilo sorazmerno več je iztekanje predvsem iz slabo prepustnega dela (curka J in L). 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 V iztekle vode (m 3 ) Čas (dnevi) Vsum 05-06 Vsum 04-05 46 Slika 6: Deleži iztekle vode skozi curke I, J in L v zaporednih hidroloških letih glede na hidrološko leto 2003-04 ter količ ina padavin. Izvir Malenšč ice na Planinsklem polju se napaja z infiltracijo padavin na širšem območ ju Javornikov in s površinskimi vodami s Cerniškega polja. V dalj č asa trajajoč ih sušnih obdobjih, poleti in jeseni, dotok s Cerkniškega polja celo presuši. Z izrač unom povrnjenega sledila v Malenšč ici (sledenje z injiciranjem na površju na območ ju Javornikov) v posameznih č asovnih obdobjih in količ ino padavin v istih obdobjih, smo ugotavljali dinamiko pretakanja oz. skladišč enja padavin in sledila v vadozni coni (Kogovšek 1999). Intenzivnejšemu prenosu uranina od 5.7. do 12.9.1997 je sledilo sušno obdobje s skladišč enjem padavin in minimalnim iztekanjem iz vadozne cone (slika 7). Glede na to, da se je tedaj napajal izvir pretežno iz vadozne cone, sklepamo na veliko zaledje na območ ju Javornikov, ki še ni v celoti raziskano. Slika 7: Deleži padavin in deleži povrnjenega sledila glede na vse padavine v opazovanem obdobju od 10.6.1997 do 18.2.1998 oz. na glede na celotno povrnjeno sledilo. V s padavinami zelo skromnem letu 2012 smo v spomladanskem in poletnem obdobju vzporedno spremljali pretakanje vode skozi vadozno cono in iztekanje skozi izvir (slika 8). Konec julija 2012, ko je pretok Malenšč ice upadel pod 2,5 m 3 /s, je njena temperatura dosegla vrednost 8,6 ⁰ C, od 13. avgusta do konca meseca pa vrednost 8,5 ⁰ C pri pretoku 1,76 m 3 /s. Sklepamo, da se je v tem obdobju Malenšč ica napajala predvsem s shranjeno vodo z območ ja Javornikov, saj je bil Rak v Rakovem Škocjanu na izviru suh, Kotlič i pa 1000 1500 2000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 2003-04 2004-05 2005-06 P (mm) V/V 2003-04 I J L P 0 10 20 30 40 50 60 70 Deleži padavin in deleži izteklega uranina (%) Delež dežja 47 so imeli komaj zaznaven pretok. V omenjenem obdobju je padlo le 28,2 mm dežja, skoraj ves v zadnjih dneh avgusta. Soč asne meritve v vadozni coni so pokazale, da so bili tedaj v vadozni coni aktivni le curki oz. kapljanja kot sta bila opazovana curka J in L s pretokom pod 1 ml/min. V takih obdobjih je kakovost Malenšč ice glede na kemijske parametre sorazmerno dobra, podobno smo ugotavljali tudi glede bakteriološkega stanja (skupne koliformne bakterije in E. Coli) (Kogovšek, 2013). Padavine v zač etku septembra so pogojevale oblikovanje manjšega poplavnega vala s povišanjem temperature do 11,3 ⁰ C, kar je pokazalo na dotok vode tudi iz smeri Cerkniškega polja (Kogovšek in Petrič , 2010). Vendar je sprememba temperature zaostajala za porastom pretoka kar za 32 ur, kar nakazuje najprej iztekanje shranjene vode s temperaturo 8,6 ⁰ C. Nadaljnje padavine so č ez 10 dni oblikovale več ji poplavni val, s č asovnim zamikom je sledilo poveč anje temperature, zanihala pa je tudi električ na prevodnost (EC). Na osnovi tega sklepamo na dotok vode s Cerkniškega polja, predvsem Cerknišč ice. Šele ob nadaljnjih padavinah se je poveč al prispevek iz vadozne cone (slika 8), najprej po prepustnejših razpokah (kot je curek I), z dve-dnevnim zamikom pa še po slabše prepustnih razpokah (curek J). Slika 8: Soč asne meritve pretakanja vode skozi vadozno cono (curki I, J in L) in skozi izvir Malenšč ice. Sklepi Več letno zvezno opazovanje pretakanja padavin skozi 100 m debelo vadozno cono je pokazalo na pomembno skladišč enje infiltriranih padavin v daljših sušnih obdobjih. Tudi več ja količ ina manj intenzivnih padavin v poletno-jesenskem obdobju (do 390 mm padavin 0 40 80 P (mm), Q - L (ml/h) P Q - L 0 20 40 0 1000 2000 3000 4000 Q - J (ml/min) Q - I (ml/min) Q - I Q - J 250 350 450 0 2 4 6 8 10 12 14 12.3.12 12.4.12 13.5.12 13.6.12 14.7.12 14.8.12 14.9.12 15 .10.12 EC (µS/cm) Q (m 3 /s), T ( o C) T Q EC Malenščica 48 oz. 180 mm infiltriranih padavin) se pretežno shranjuje in prihaja le do minimalnega iztoka iz vadozne cone ali pa ta celo izostane (Kogovšek, 2010). Več ji nestalni curki, kot je opazovani curek I, po padavinah hitro odvajajo shranjeno vodo globlje v vodonosnik, ki se meša s sveže infiltriranimi padavinami. Manjši stalni curki in kapljanja (kot sta opazovana curka J in L), ki so vezani na slabše prepustne razpoke, kar omogoč a dobro homogenizacijo infiltriranih padavin, pa reagirajo na padavine z določ enim č asovnim zamikom. Ti curki pomembno napajajo kraške izvire v sušnih obdobjih, ko curki kot je curek I, niso aktivni in ko izostane tudi napajanje prek rek ponikalnic. Vzporedno spremljanje kraškega izvira Malenšč ica nakazuje v sušnih obdobjih ob minimalnih pretokih napajanje izvira s shranjeno vodo iz vadozne cone. Prve izdatnejše padavine (kot je bilo septembra 2012), ki sprožijo poveč anje njenega pretoka, potiskajo skozi izvir najprej shranjeno vodo. Nadaljnje padavine, ki poveč ajo pretok Cerknišč ice na Cerkniškem polju, sprožijo dotok njene vode, šele dodatne, dovolj izdatne padavine pa aktivirajo intenzivno iztekanje iz vadozne cone po hierarhiji različ no prepustnih razpok. Na dinamiko pretakanja pa je vezan prenos onesnaženja iz različ nih delov vodonosnika. Zahvala Raziskave so potekale v okviru programa Raziskovanje krasa (ARRS) in ob podpori Slovenske nacionalne komisije za UNESCO - IHP program. Literatura Bakalowicz, M., Blavoux, B., Mangin, A. 1974. Apport du traçage isotopique naturel à la connaissance du fonctionnement d'un système karstique – teneurs en oxygène-18 de trois systèmes des PyrenØes, France. Journal of Hydrology, 23, 1-2: 141-158. Forti, P. 2002. Speleology in the Third Millennium: Achievements and Challenges. Theoretical and Applied Karstology, 15: 7-26. Ford, D., Williams, P. 2007. Karst Hydrogeology and Geomorphology. John Wiley & Sons: 562 p, Chichester. Jeannin, P.-Y., Grasso, A.D. 1995. Recharge respective des volumes de roche peu permØable et des conduits karstiques, rôle de l'Øpikarst. Bulletin d'Hydrologie, 14, 95-111. Klimchouk, A. 1995. Karst Morphogenesis in the epikarstic zone. Inter. Symp. on changing karst environments, Oxford and Huddersfield. Cave and karst science, 21, 2: 45-50. Kogovšek, J. 1982. Vertikalno prenikanje v Planinski jami v obdobju 1980/81. Acta carsologica, 10: 110-125. Kogovšek, J. 1983. Prenikanje vode in izloč anje sige v Pisanem rovu Postojnske jame. Acta carsologica, 11: 63-76. Kogovšek, J. 1999. Nova spoznanja o podzemnem pretakanju vode v severnem delu Javornikov (Visoki kras). Acta carsol. 28, 1: 161-200. Kogovšek, J. 2000. Ugotavljanje nač ina pretakanja in prenosa snovi s sledilnim poskusom v naravnih razmerah. Annales, 10, 1=19: 133-142. Kogovšek, J. 2010. Characteristics of percolation through the karst vadose zone, (Carsologica, 10). Ljubljana: Založba ZRC. 168 str. Kogovšek, J. 2013. Vpliv sušnih razmer na kakovost kraških vodnih virov (primer izvira Malenšč ice). Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2012. Ljubljana, 111-120. Kogovšek, J., Habič , P. 1981. Preuč evanje vertikalnega prenikanja vode na primerih Planinske in Postojnske jame. Acta carsologica. 9: 129-148. Kogovšek, J., Petrič , M. 2010. Water temperature as a natural tracer - a case study of the Malenšč ica karst spring (SW Slovenia). Geologia Croatica, 63, 2: 171-177. 49 Maloszewski, P., Stichler, W., Zuber, A., Rank, D. 2002. Identifying the flow systems in a karstic- fissured-porous aquifer, Schneealpe, Austria, by modelling of environmental 18 O and 3 H isotopes. Journal of Hydrology, 256, 1-2: 48-59. Mangin, A., 1973: Sur la dyinamique des transferts en aquifère karstique. Proc. of the 6th Inter. Cong. of Speleology, Olomuc, 4: 157-162. Perrin, J, Jeannin, P.-Y., Zwahlen, F. 2003a: Epikarst storage in a karst aquifer: a conceprual model based on isotopic data, Milandre test site, Switzerland. Journal of Hydrology, 279, 1: 106-124. Pezdič , J., Leskovšek-Šefman, H., Dolenec, T., Urbanc, J. 1984. Isotopic study of karst water. Final Report on IAEA Research Contract No.2845/RB. J.Stefan Institute, 47p, Ljubljana. Pretoki Malenšč ice. Medmrežje: http://vode.arso.gov.si/hidarhiv/ (5.11.2013). Smart, P.L., Friedrich, H. 1986: Water movement and storage in the unsaturated zone of a maturely karstified carbonate aquifer, Mendip Hills, England, In: Proceedings of the Conference on environmental problems of karst terranes and their solutions, National Water Well Association, 59-87, Dublin. Stichler, W., Trimborn , P., Maloszewski, P., Rank, D., Papesch, W., Reichert, B. 1997. Isotopic investigations. Acta carsologica 26,1. In: Kranjc A.(Ed) Karst Hydrogeological Investigations in South-Western Slovenia, 213-235, Ljubljana. Trč ek, B. 2003. Epikarst zone and the karst aquifer behaviour. A case study of the Hubelj catchment, Slovenia. Geološki zavod Slovenije, 100 p, Ljubljana. Williams, P.W. 1983: The role of the subcutaneous zone in karst hydrology. Journal of Hydrology, 61: 45-67.