GEOLOGIJA 45/2, 573–578, Ljubljana 2002
Lastnosti epikra{ke cone kra{kega vodonosnika in njen pomen v
kra{ki hidrogeologiji
Epikarst zone of a karst aquifer – its characteristics and importance in karst
hydrogeology
Branka TR^EK Geolo{ki zavod Slovenije, Dimi~eva 14, SI-1000 Ljubljana, Slovenia
Klju~ne besede: kra{ki vodonosnik, nezasi~ena cona, epikra{ka cona, hidrogeolo{ke in hidravli~ne lastnosti
Key words: karst aquifer, unsaturated zone, epikarst zone, hydrogeologic and hydraulic properties
Kratka vsebina
Predmet raziskave je epikra{ka cona, ki je pomemben del kra{kega vodonosnika, {e posebej s stali{~a hidrodinamike. Študijsko izhodi{~e je hipoteza, ki predpostavlja, da pomemben del napajanja kra{kega vodonosnika izvira hitro in v koncentrirani obliki iz epikra{ke cone. Hipoteza je argumentirana na podlagi rezultatov {tudije, ki se nana{a na kra{ki vodonosnik v zaledju izvira Hubelj, in rezultatov {tevilnih predhodnih raziskav {irom po svetu. Sinteza vseh podatkov je omogo~ila opis najpomembnej{ih lastnosti epi-kra{ke cone, njene vloge pri hidravli~nem obna{anju kra{kega vodonosnika ter posledic, ki iz tega izhajajo.
Abstract
The karst aquifer’s epikarst zone is a subject of the research. It is an important part of the aquifer, particularly from a hydrodynamic point of view. The study background is a hypothesis supposing that an important part of a karst aquifer’s recharge arrives, rapidly and in concentrated form, from the epikarst zone. The hypothesis is argued on basis of results of the study referring to the karst aquifer in the catchment area of Hubelj spring and results of many previous researches from all over the world. The synthesis of all data produces information on main characteristics of the epikarst zone, its role in aquifer’s hydraulic behaviour and the resulting consequences.
UVOD
V Sloveniji in drugje po svetu postaja podzemna voda kra{kih vodonosnikov vse po-gostej{i vir za vodooskrbo prebivalcev. S tem postaja vse pomembnej{i tudi {tudij mehanizmov toka in prenosa snovi v kra{kem vo-donosniku. Le-ta je bil tudi predmet mojega raziskovalnega dela, ki sem ga opravila v
okviru programa mladih raziskovalcev. Pro-u~evala sem obna{anje kra{kega vodonos-nika v zaledju izvira Hubelj (Tr~ek, 2001). Rezultati {tudije so signifikantni in v skladu z aktualnimi svetovnimi raziskovalnimi trendi. Potrjujejo hipotezo, ki predpostavlja, da pomemben del napajanja kra{kega vodonos-nika izhaja hitro in v koncentrirani obliki iz epikra{ke cone. Prav ta hipoteza je glavna
574
Branka Tr~ek
tema ~lanka. Poudarjena je vloga epikra{ke zone pri hidravli~nem obna{anju vodonos-nika.
LASTNOSTI EPIKRAŠKE CONE
Študijska problematika temelji na modelu kra{kega vodonosnika, ki je razdeljen na tri dele: 1) zgornjo nezasi~eno cono, ki vklju~uje vodo uskladi{~eno v a) tleh in v b) epikra{ki coni, 2) spodnjo nezasi~eno cono, ki vklju-~uje cono uskladi{~enja a) v kra{kih kanalih in ve~jih razpokah ter b) v okoli{kih blokih kamnin ter 3) zasi~eno cono, ki prav tako vklju~uje cono uskladi{~enja a) v kra{kih kanalih in ve~jih razpokah ter b) v okoli{kih blokih kamnin (Tr~ek, 2001; Tr~ek in Krothe, 2002).
Rezultati predhodnih {tudij
Epikra{ko cono so opisali predvsem M a n -gin (1975), Gunn (1981,1983), Williams (1983), Dodge (1983), Smart in Fried -
rich (1986), Bonacci (1987), Drogue (1992), Klimchouk (1995, 1996, 2000) ter Kiraly in sodelavci (2000). V podpoglavje povzemam rezultate njihovih {tudij.
Epikra{ko cono gradi zgornja plast izpostavljenih kamnin kra{kega vodonosnika, v katerih je prepustnost zaradi razpokanosti veliko ve~ja in bolj enotno razporejena kot v spodnji nezasi~eni coni. Coni se torej strukturno razlikujeta – razlike v razpokanosti so praviloma vidne do globine 15 do 30 m (Klimchouk, 2000). Posledica so razlike v hidravli~ni prevodnosti med epikra{ko in spodnjo nezasi~eno cono, kar omogo~ajo nastanek vise~ega epikra{kega vodonosnika (sl.1).
Zaradi zmanj{evanja {tevila in {irine razpok je razpr{eno vertikalno napajanje v epi-kra{ki coni z globino vse te‘je, zato tok znatno pridobiva lateralno komponento, ki kon-vergira proti najbolj prevodnim vertikalnim tektonskim razpokam. V bazi epikra{ke cone se voda uskladi{~i in skoncentrira v smeri proti glavnim oziroma najbolj prevodnim razpokam, ki so ponavadi dovolj {iroke, da zagotavljajo vertikalno napajanje spodnje ne-zasi~ene cone (sl. 1).
Sl. 1. Shema epikra{ke cone (E) (po M a n g i n u , 1975); (A) koncentrirano, (B) razpr{eno napajanje
Lastnosti epikra{ke cone kra{kega vodonosnika in njen pomen v kra{ki hidrogeologiji
575
Baza epikra{ke cone deluje glede na spodnjo nezasi~eno cono kot Faradayeva kletka (Kilary in sod., 1995), kar omogo~a uskladi{~eneje vode v njej. Razli~ne {tudije so pokazale, da se voda tam zadr‘i od nekaj dni do ve~ mesecev (Gunn, 1983; Williams, 1983; Klimchouk, 1995). Volumen uskla-di{~enja je odvisna od starosti epikra{ke cone, razlik v hidravli~ni prevodnosti med epi-kra{ko in spodnjo nezasi~eno cono ter ko-li~ine vode, ki se je uskladi{~ila v prej{njih obdobjih.
Tako kot so heterogeni kra{ki vodonosni-ki, je heterogena tudi epikra{ka cona. Zveznost epikra{kega vodonosnika je odvisna v najve~ji meri od porazdelitve in hidravli~ne kapacitete vertikalnih poti precejanja, preko katerih se drenira voda v spodnjo nezasi~eno cono.
Rezultati raziskav v zaledju izvira Hubelj
Epikra{ka cona je bila prou~evana na ob-mo~ju kra{kega vodonosnika v zaledju izvira Hubelj (sl. 2). Kot osnovna raziskovalna metoda je bila uporabljena tista s podro~ja naravnih sledil.
Raziskave so vklu~evale vzor~evanje a) zasi~ene in b) zgornje nezasi~ene cone vodo-nosnika. Prvo sem opazovala na izviru Hub-lja ( J a n e ‘ in s o d . , 1997), drugo pa 600 m nad izvirom, v bli‘ini Sinjega vrha, v umetnem rovu 10 do 20 m pod povr{jem (sl. 2 in 3) ( ^ e n ~ u r C u r k in V e s e l i ~ , 1999; ^en~ur Curk, 2002; Tr~ek in sod. 2000; T r ~ e k , 2001).
Študija je temeljila na 1) multiparame-tri~nem pristopu – vodilna parametra sta
Sl. 2. Raziskovalno obmo~je
Sl. 3. Vzdo`ni prerez umetnega rova Sini vrh z
vzor~evalnimi mesti za izotopske in kemijske
analize vode
bila izotopska sestava kisika (d18O) in koncentracija raztopljenega organskega ogljika (DOC) v vzor~evanih vodah, ki je bil osnovan na 2) dvostopenjskem vzor~evanju: a) mese~-nem vzor~evanju (leta 1999 in 2000) ter b) podrobnem vzor~evanju med nevihtnim obdobjem (julij 2000).
V nadaljevanju so predstavljeni najpo-membnej{i rezultati posameznih stopenj vzor~evanj, ki dokazujejo obstoj epikra{ke cone v obravnavanem vodonosniku in opisujejo njeno hidravli~no obna{anje.
Najpomembnej{i rezultat mese~nega vzor-~evanja so ocene povpre~nih zadr‘evalnih ~asov vzor~evanih vod (sl. 4). Meritve iz-otopske sestave kisika ka‘ejo, da so pov-pre~ni zadr‘evalni ~asi vzor~evanih vod v rovu od 3 mesece pa do najmanj 10 let (za SVR-7 okoli 3 mesece, SVR-4 okoli 9 mesecev, SVR-3A 4-5 let, SVR-3B 5-6 let, za SVR-2 in SVR-1 pa najmanj 10 let), medtem ko je povpre~en zadr‘evalni ~as baznega toka Hublja 2-3 leta.
Predstavljeni podatki mese~nega vzor~e-vanja opozarjajo, da poteka rov verjetno tako v epikra{ki coni, kot v spodnji nezasi~eni coni.
Najpomembnej{i rezultati druge stopnje vzor~evanja izhajajo iz analiz nevihtnih hi-drogramov vzor~evanih vod, ki je temeljila na podatkih o d18O in DOC.
Hidrogrami vzor~evalnih mest v rovu so bili razdeljeni z dvo-komponentno metodo na komponenti stare in nove vode (Tr~ek, 2001). Podtaki so opozorili na batni efekt – nova voda je v vzor~evalna mesta v glavnem izpodrinila staro, predhodno uskladi{~eno vodo v epikra{ki coni.
Za razdelitev nevihtnega hidrograma Hub-lja je bila uporabljena tri-komponentna metoda. Hidrogram je bil razdeljen na naslednje kon~ne ~lene: a) vodo baznega toka, b) vodo zgornje nezasi~ene cone in c) novo vod ( T r ~ e k , 2001). Rezultati so pokazali, da je
576
Branka Tr~ek
Sl. 4 . Povpre~na letna izotopska sestava kisika v padavinah in vodah kra{kega sistema
treba zadnji dve komponenti zdru‘iti v eno komponento, ki predstavlja hiter tok po omre‘ju kra{kih kanalov. Ta tok sem poimenovala epitok (Kiraly et al. 1995). Definirala sem ga kot hiter tok a) vode, ki je bila predhodno uskladi{~ena v epikra{ki coni in b) nove vode, ki jih epikra{ka cona najprej skoncentrirala v svoji bazi, potem pa iz nje drenira v omre‘je kra{kih kanalov, kjer se lahko me{ajo tudi z vodo ponikalnic.
Slika 5 predstavlja kon~no razdelitev nevihtnega hidrograma Hublja na komponenti a) epitoka in b) baznega toka. V opazovanem obdobju sta bila njuna povpre~ena dele‘a 41 % in 59 %. Epitok je vseboval povpre~no 54 % nove vode in 46 % vode, ki je bila predhodno uskladi{~ena v zgornji nezasi~eni coni vodonosnika, ve~inoma v epikra{ki coni. Podatki opozarjajo na pomebno vlogo epikra-{ke cone v procesu napajanja vodonosnika.
Povezava in obdelava podatkov obeh stopenj vzor~evanj je omogo~ila zasnovo konceptualnega modela kra{kega vodonosnika zaledja Hublja. K temu so pripomogli {e geo-lo{ki, hidrogeolo{ki, hidrometeorolo{ki, geofizikalni, petrografski in speleolo{ki podatki, kot tudi letna bilanca vzor~evanih vod.
Konceptualni model vklju~uje epikra{ko cono, ki ima podobne lastnosti kot tista na
raziskovalnem obmo~ju v umetnem rovu Sinji vrh.
Na podlagi {tevilnih argumentov model predpostavlja, da je mehanizem toka in prenosa snovi v kra{kem vodonosniku odvisen od obna{anja epikra{ke cone. Kot posledica batnega efekta, se po padavinah skoncentri-rajo v bazi epikra{ke cone a) predhodno uskla-di{~ene vode v zgornji nezasi~eni coni in b) nova voda. Epikra{ka cona prevaja to vodo v ni‘ja obmo~ja vodonosnika v odvisnosti od koli~ine vode v njej:
1) ~e je koli~ina vode majhna, se ve~ina vode zadr‘i in uskadi{~i v bazi epikra{ke cone; ta voda se po~asi izceja skozi serije ozkih razpok in razpr{eno napaja slabo prepustne bloke kamni spodnje nezasi~ene cone, le-ti pa razpr{eno napajajo zasi~eno cono vodonosnika;
2) ~e je koli~ina vode velika, a) se en del vode lahko zelo hitro drenira prek pove~anih in prevodnej{ih tektonskih razpok v omre‘je kra{kih kanalov in vzpostavi hiter koncentriran tok – epitok, medtem ko b) se drug del vode uskladi{~i v bazi epikra{ke cone.
Epitok napaja ni‘ja obmo~ja vodonosnika dokler je hidravli~ni tlak v omre‘ju kanalov vi{ji od tistega v okoli{kih blokih kamnin; ko pride do preobrata hidravli~nega gra-
Lastnosti epikra{ke cone kra{kega vodonosnika in njen pomen v kra{ki hidrogeologiji
577
25
20
15
*=-   10
o
o
Q.
11-jul 12-jul 13-jul 14-jul 15-jul 16-jul 17-jul 18-jul 19-jul 20-jul 21-jul 22-jul 23-jul 24-jul 25-jul 26-jul
SI. 5. Tri-komponentna razdelitev nevihtnega hidrograma Hublja
dienta, se začne voda iz epikraške cone razpršeno izcejati, kot je opisano v točki 1.
Obnašanje epikraške cone je popolnoma odvisno od trenutnih razmer in se s časom bistveno spreminja. Pri tem ima najpomembnejšo vlogo količine uskladiščene vode v epi-kraški coni. V opazovanem nevihtnem obdobju je naprimer izteklo iz Hublja le 18 % efektivnih padavin. Iz tega sledi, da se je moralo 82 % efektivnih padavin uskladiščiti v vodonosniku. Tu pa se zastavli vprašanje - Kje v vodonosniku? Rezultati kažejo,
> da se je morala večina nove vode, vsaj začasno, uskladiščiti v epikraški coni.
RAZPRAVA IN SKLEPI
Sinteza podatkov vseh obravnavanih raziskav opozarja na pomen epikra{ke cone pri hidravli~nem obna{anju kra{kega vodonos-nika. Številni argumenti potrjujejo, da ima komponenta hitrega toka – epitoka, ki izvira iz epikra{ke cone, veliko vlogo v procesu napajanja kra{kega vodonosnika. Ta fenomen ima lahko pomembne posledice na transport onesna‘evalcev in druge gospodarske probleme, ~esar ne smemo zanemariti pri za{~iti kra{kih podzemnih vodnih virov pred onasne‘evanjem in prekomernim izkori{~a-njem.
LITERATURA
B o n a c c i , O. 1987: Karst hydrology, weith special references to the Dinaric Karst. – SpringerVerlag, 184 pp., Berlin-Heidelberg.
^ e n ~ u r C u r k , B. & V e s e l i ~ , M. 1999: Laboratory and Experimental Study of Contaminant Transport in Fractured and Karstified Rock. – Rudarsko-metalur{ki zbornik, 46/3, 425-442, Ljubljana.
^en~ur Curk, B. 2002: Tok in prenos snovi v kamnini s kra{ko in razpoklinsko poroznostjo. Doktorska disertacija.- Univerza v Ljubljani, 253 str., Ljubljana.
D o d g e , M. 1983: Structure, fonctionment hydrodinamique et vulnérabilité des aquiferes karstiques. In: Journées d’étude sur la protection des eaux karstiques, novembre 1982. – Soc. Nationales de distribution d’eau et commission de la protection des sites speleologiques, 42-46, Bru-xelles.
D r o g u e , C. 1992: Hydrodynamics of karstic aquifers: Experimental sites in the Mediterranean karst, southern France. In: Hydrogeology of Selected Karst Regions. – Heise1, 133-149, Hannover.
G u n n , J. 1981: Hydrological processes in karst depressions. – Zeitschrift für Geomorphologie, 25, 313-331.
G u n n , J. 1983: Point recharge of limestone aquifers – A model from New Zealand karst. – Journal of Hydrology, 61, 19-29.
J a n e ‘ , J., ^ a r , J., H a b i ~ , P. & P o d o b n i k , R. 1997: Vodno bogastvo Visokega krasa. Ranljivost kra{ke podzemne vode Banj{ic, Trnovskega gozda, Nanosa in Hru{ice. – Geologija d.o.o, 167 str., Idrija.
K i r a l y , L., Perrochet, P. & Rossier, Y. 1995: Effect of the epikarst on the hydrograph of karst springs: A numerical approach. – Bulletin d’Hydro-géologie, 14, 199-220.
578
Branka Tr~ek
Klimchouk, A.B. 1995: The nature and principal characteristics of epikarst. In: Proceedings of 12thInternational Congress of Speleology, 306 str., La Chaux-de-Fonds.
Klimchouk, A.B., Sauro, U. & Lazza-r o t t o , M. 1996: “Hiden’’ shafts at the base of the epikarstic zone: A case study from the Sette Com-muni Plateau, Venetian Pre-Alps, Italy. – Cave and Karst Science, 23/3, 101-107.
Klimchouk, A.B. 2000: The Formation of Epikarst and its Role in Vadose Speleogenesis. In: Speleogenesis, Evolution of Karst Aquifers, January 2000 Edition. – National Speleological Society Inc., 91-99.
M a n g i n , A. 1975: Contribution a l’étude hydrodinamique des aquiferes karstiques. DES thesis. – Ann. Speleol., 29/3, 282-332, Paris.
S m a r t , P.L. & F r i e d r i c h , 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
T r ~ e k , B., C a r , M. & V e s e l i ~ , M. 2000: The use of isotopic, hydrogeochemical and ground-penetrating radar investigations in the study of the unsaturated zone of the karst aquifer. – Ru-darsko-metalur{ki zbornik, 47/3-4, 335-344, Ljubljana.
T r ~ e k , B. 2001: Spremljanje prenosa snovi v nezasi~eni coni kra{kega vodonosnika z naravnimi sledili. Doktorska disretacija. – Univerza v Ljubljani, 125 str., Ljubljana.
Tr~ek, B. & Krothe, N.C., 2002: The importance of three and four components storm hydrograph separation techniques for karst aquifers. In: Proceedings of the Symposium “Evolution of Karst: Form Prekarst to Cessation’’ (Postojna, 2002). – Zalo`ba ZRC, 395-401, Ljubljana.
W i l l i a m s , P.W. 1983: The role of the subcutaneous zone in karst hydrology. – Journal of Hydrology, 61, 45-67.