GEOLOGIJA 49/2, 371–381, Ljubljana 2006 Uporaba stabilnih izotopov za {tudij toka podzemne vode v nezasi~eni coni prodnega vodonosnika Selni{ke Dobrave The use of environmental isotopes in groundwater flow study in the unsaturated zone of the Selni{ka Dobrava coarse gravel aquifer (Slovenia) Nina MALI & Janko Urbane Geološki zavod Slovenije, Dimičeva 14, SI - 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: nina.mali@geo-zs.si janko.urbanc@geo-zs.si Ključne besede: podzemna voda, nezasičena cona, stabilni izotopi, lizimeter, Selniška Dobrava, Slovenija Key words: groundwater, unsaturated zone, stable isotopes, lysimeter, Selniška Dobrava, Slovenia Povzetek Poznavanje toka in transporta vode skozi nezasičeno cono vodonosnika postaja pomembno vprašanje pri varovanju vodnih virov. V terenskem laboratoriju - lizimetru Selniška Dobrava smo izvedli študij toka vode in transportnih procesov v visoko prepustnem vodonosniku na osnovi izotopskih metod. Vsebnost stabilnih izotopov 8180 smo spremljali v mesečnih vzorcih vode nezasičene cone in padavin skozi daljše časovno obdobje 2001-2005. Iz nihanj izotopske sestave 8180 v posameznih točkah lahko sledimo padavinski sezonski efekt 8180 v vzorcih vode v lizimetru s časovnim zamikom in dušeno amplitudo z globino. Srednje zadrževalne čase vode na posameznih globinah smo modelirali z integriranimi modeli (lumped parameter models - LP modeli) v programskem paketu FLOWPC 3.1. Ocena hitrosti vode skozi nezasičeno cono visoko prepustnega proda vodonosnika Selniške Dobrave z LP modeli je 0.015 m/dan. Na lokaciji lizimetra je ocena srednjega zadrževalnega časa vode v nezasičeni coni 5 let, oz. v redu velikosti 3,8 - 9,4 let. Raziskava je pokazala, da so izotopske metode primerne tudi za sledenje toka podzemne vode skozi nezasičeno cono visoko prepustnega prodnega vodonosnika in da so LP modeli primerno orodje za oceno srednjih zadrževalnih časov infiltrirane vode. Abstract The knowledge about water flow and transport properties in the unsaturated zone is becoming an important predisposition for groundwater protection. The water flow and transport processes were studied in a field laboratory - a lysimeter in the coarse gravel aquifer of Selniška Dobrava, using isotope methods. The 8180 isotope values were measured monthly in the sampled unsaturated zone water and precipitation during the long-term period from 2001 to 2005. The isotope oscillations in the measuring points show that the 8180 seasonal effect in precipitation can be observed in the unsaturated zone with some delay in peak and with amplitude reduction with depth. Mean residence times of the water in the unsaturated zone were modelled with the FLOWPC 3.1 computer package. The estimation of water flow velocity in the Selniška Dobrava coarse gravel unsaturated zone by lumped-parameter (LP) models is 0.015 m/day The estimation of water mean residence time at lysimeter location is 5 years, i.e. in the range of 3.8-9.4 years. The research confirmed that the isotope methods are suitable tools for water flow tracing in the coarse gravel unsaturated zone, and that lumped-parameter models can be used to estimate water mean residence time in the unsatuarated zone. 372 Uvod U~inkovito varovanje vodnih virov postaja vedno ve~ji problem. [irjenje onesna-‘enja v vodonosniku je direktno povezano s hidravli~nimi lastnostmi zgornje nezasi~-ene in spodnje zasi~ene cone. Pri re{evanju te problematike je zelo pomembno terensko dolo~anje hidravli~nih lastnosti materialov v nezasi~eni coni. Eden glavnih problemov je, kako ~im bolje dolo~iti lastnosti neza-si~ene cone. Izvedba in-situ meritev v zelo prepustni prodni nezasi~eni coni je zelo zahtevna, v~asih skoraj nemogo~a. Z metodami sledenja (tako z naravnimi kot umetnimi sledili) lahko izbolj{amo ocene hidravli~nih parametrov (Seiler & Zojer, 2001). Uporaba tako klasi~nih hidravli~nih metod za izra~un izcejanja vode kot metod sledenja omogo~a optimalne rezultate v povezavi z numeri~nimi simulacijami in primernimi konceptualnimi modeli. [tudij toka in transporta vode v nezasi~e-ni coni je tema {tevilnih raziskav. Pri tem se uporabljajo tudi naravni izotopi kot devterij (2H), tritij (3H) in kisik (18O) (Maloszewski et al., 2006). Pri raziskavah porazdelitve starosti vode in me{alnih procesov v Fon-tainebleau-jskem pe{~enem vodonosniku (Corcho et al., 2004) so uporabili naravna sledila (3H, 85Kr, 39Ar, 14C in stabilne ‘lahtne pline) v povezavi s kemijskimi parametri. V Sloveniji so izvedli ve~ {tudij transporta vode v nezasi~eni coni razpoklinskih in kra{kih kamnin. Ve~inoma gre za izvedbo sledilnih poskusov z umetnimi sledili (Ko-gov{ek & [abela, 2004; Veseli~ & ^en~-ur-Curk, 2001; ^en~ur-Curk, 2002). Tr~kova (2001) poro~a o uporabi naravnih izotopov (2H, 18O, 13C) pri {tudiju transportnih procesov v kra{ki nezasi~eni coni in njeni epikra{ki coni. Z indirektno raziskovalno metodo z uporabo naravnih izotopov so bile raziskane hidravli~ne lastnosti nezasi~ene cone kra{kega vodonosnika zaledja izvira Hubelj (Tr~ek et al., 2003). Rezultati so dali odgovore na vpra{anja o napajanju, skladi-{~enju in praznjenju vodonosnika kot tudi o mehanizmih, ki vplivajo na te procese. Naravna sledila so pomembno orodje za sledenje toka in transportnih procesov v ne-zasi~eni coni. Z metodo naravnih izotopov smo posku{ali z raziskavami na lizimetru opisati procese v visoko prepustni prodni nezasi~eni coni vodonosnika Selni{ke Dobrave. Vodni vir Selni{ke Dobrave le‘i 20 km zahodno od Maribora in je pomemben Nina Mali & Janko Urbanc potencialni vodni vir za regionalno vodo-oskrbo. Za njegovo u~inkovito za{~ito je potrebno poznati lastnosti nezasi~ene cone, na osnovi katerih bodo lahko predlagane omejitve rabe prostora z namenom za{~ite vodnega vira. Opis obmo~ja Selni{ka Dobrava le‘i v severo-vzhodni Sloveniji blizu Maribora (Slika 1). Glavni prodni vodonosnik le‘i na severni strani reke Drave. Vodonosnik se napaja iz reke Drave, z infiltracijo iz padavin in z izceja-njem iz zgornjega slab{e prepustnega vo-donosnika. Debelina prodnega zasipa je povpre~no 50 m. Gladina podzemne vode je na globini 25-37 m pod povr{jem, debelina zasi~ene cone pa je po osi vodonosnika med 7-14 m, na posameznih obmo~jih celo globlje. Prepustnost vodonosnika je ocenjena na 5.10-3 m/s (Mali & Jan‘a, 2005). Obmo~je pripada kontinentalnemu podnebju centralne Slovenije s tipi~nim celinskim de‘evnim re‘imom. Povpre~ne letne padavine so med 1200 in 1300 mm, srednja letna temperatura je med 8 in 12oC. Lokacija lizimetra je na glavnem vodo-nosniku Selni{ke Dobrave, dolvodno od ~rpalnega vodnjaka GV-1 ob piezometru PS-5, v katerem je mogo~e meriti gladino podzemne vode in izvajati vzor~enje. Vegetacijski pokrov predstavlja me{ani gozd, tla so distri~na rjava tla. Litolo{ka struktura proda je me{ana, sestavljena iz metamorf-nih in karbonatnih kamnin, mestoma inkru-striranih s kalcitom. Na lokaciji lizimetra je prepustnost proda na osnovi granulometri~-nih analiz ocenjena na 2,9.10-3 do 6,8.10-2 m/ s. Ocena prepustnosti zemljine z infiltracij-skimi testi je 1,3.10-5 - 3,8.10-5 m/s. Konceptualno smo obmo~je lizimetra definirali kot homogen prodni vodonosnik. Metodologija Eksperimentalni sistem Lizimeter je izdelan kot betonska {ka-tla velikosti 2 m x 2 m, globine 5 m, z 0,2 m debelimi stenami (slika 2). Ima 10 vzor~nih mest na razli~nih globinah z oznakami JV-1 do JV-10 (Mali et al., 2006a). Lega vzor~-nih mest je naklju~na. Za vzor~evanje vode v nezasi~eni coni so name{~ene drena‘e. Uporaba stabilnih izotopov za {tudij toka podzemne vode v nezasi~eni coni prodnega vodonosnika... 373 SI. 1. Območje raziskav - Lokacija lizimetra v Selniški Dobravi Fig. 1. Study area - Location of the lysimeter Selniška Dobrava Sl. 2. Prerez lizimetra; lokacije vzor~nih mest od JV-1 do JV-10 Fig. 2. Lysimeter cross-section; locations of sampling points from JV-1 to JV-10 374 Nina Mali & Janko Urbanc Drena‘e so 1,7 m dolgi profili iz nerjave~ega jekla (10 cm x 10 cm), z inverznim perfori-ranim profilom (5 cm x 5 cm) ter z zbiralnim sistemom vode na koncu. Jeklene drena‘e so vtisnjene horizontalno v neporu{eno steno. Ob lizimetru je postavljen merilec koli~ine padavin z izhodom za zbiranje in vzor~enje padavin. Vzor~enje in analitika Od l. 2002 smo mese~no zbirali vzorce vode iz nezasi~ene cone na razli~nih globinah v lizimetru. Iz zbranega mese~nega vzorca vode smo odvzeli vzorec za analizo izotopov ?2H in ?18O v 120 ml plastenke. Vzorce smo zbirali do konca l. 2005. V aprilu 2004 smo izvedli sledilni poskus na obmo~-ju lizimetra z vodo, obogateno z devterijem, zato je bila od takrat v mese~nih vzorcih analizirana samo vsebnost 18O. Mese~no so bili odvzeti tudi vzorci zbranih padavin. Nekajkrat letno smo podzemno vodo vzor~ili tudi v piezometru PS-5. Vse analize stabilnih izotopov so bile opravljene v Gradcu v laboratoriju Joanne-um Research Forshungsgesellschaft GmbH, Institute of Water Resources Management, Hydrogeoloy and Geophysics. Vrednosti iz-otopske sestave ?18O in ?2H so podane glede na VSMOW standard (Vienna Standard Mean Ocean Water). Razmerje je predstavljeno z ?: R, 1000%o VSMOW (1) Rx - razmerje izotopov (O18/O16) v vzorcu, Rst - razmerje izotopov (O18/O16) v VSMOW standardu. Integrirani modeli (Lumped parameter models) Z uporabo integriranih modelov (lumped parameter models) lahko z izotopskimi metodami ocenimo zadr‘evalne ~ase vode v sistemu, to je dol‘ino obdobja, v katerem se voda nahaja v vodonosniku (Ozyurt & Ba-yari, 2003). Ker je podzemna voda v razli~-nih situacijah me{anica preteklega napajanja z razli~nimi zadr‘evalnimi ~asi, je bolj primeren izraz srednji zadr‘evalni ~as (mean residence time - MRT). Analiza MRT je pomembna, ker podaja informacijo o ~asovni porazdelitvi podzemne vode v vodonosniku. Integrirani modeli omogo~ajo dolo~itev in analizo MRT v vodonosniku, kjer teh informacij nimamo. Pri integriranih modelih je podro~je toka podzemne vode (vodonosnik) vzeto kot ~rna skrinjica (black-box) v kateri je vhodna koncentracija sledila (signal) pretvorjena v izhodno koncentracijo (odmev) glede na izbrano reakcijsko funkcijo. ^e izbrana reakcijska funkcija dobro opisuje tok podzemne vode v sistemu, se bo teoreti~na izhodna serija prilagajala opazovanim ~asovnim serijam. Reakcijska funkcija sistema se imenuje tudi tehtana funkcija, ker ocenjuje te‘o preteklega impulza v vsakem ~asu. Ute‘eno funkcijo g(t) lahko izrazimo splo{no z 9(t) = l Cin(t) Cin(t)Q jCin(W M (2) C (t) ie vstopna koncentracija sledila v času t, Q je pretok in M je vsa količina ali aktivnost sledila, vnesenega v sistem (Ma-loszewski, 1996). Rezultat g(t) je povprečna tehtana funkcija koncentracije sledila v toku. V uravnoteženem sistemu podzemne vode, ie izhodna koncentracija C (t) v času J out t odvisna od vstopne koncentracije sledila C (t) v dotoku v času t’ z naslednjim konvo-lucijskim integralom: r=o Cou((f)= \Cin(t')g(t -t')exp(-X(t -t'))dt' (3) f'=-oo (t - t’) je pripadajoči zadrževalni čas, g(t - t’) je utež posamezne vstopne koncentracije C (t) v času vstopa (f), in X ie konstanta radioaktivnega razpada sledila. Iz enačbe 3 sledi, da je izhodna koncentracija sledila v času t seštevek vstopnih koncentracij v preteklosti v času (t - t’), pomnožena s pripadajočo utežjo g(t - t’) in korigirana z radioaktivnim razpadom (ali sorpcijo) v času (t -1'). Zadrževalni čas sledila (ali vode) v sistemu lahko opišemo tudi z izrazom: c=o \tCin(t)dt J« MRT-- jCin(t)dt (4) V sistemu toka, kjer se delci sledila gibljejo enako kot vodne molekule, je ena~ba 4 enaka izrazu: Uporaba stabilnih izotopov za {tudij toka podzemne vode v nezasi~eni coni prodnega vodonosnika... 375 MRT Q (5) V in Q sta volumen in pretok vode. V tem primeru imenujemo MRT tudi povratna doba sistema, kar se nana{a na ~as, ki je potreben za napolnitev celotnega volumna V s pretokom (izdatnostjo) Q. Obstaja ve~ ra~unalni{kih programov z razli~nimi integrirnimi modeli, kjer vsak opisuje razli~ne tokovne sisteme, ki jih lahko simuliramo z batnim, eksponencialnim, kombiniranim, linearnim in disperzijskim tokovnim sistemom. Srednje zadr‘evalne ~ase smo izra~unali s programskim paketom FLOWPC 3.1 (Maloszewski, 1996), ki vsebuje naslednje modele: - Model batnega toka (piston flow model - PFM) - Eksponencialni model (exponential model - EM) - Linearni model (linear model - LM) - Disperzijski model (dispersion model - DM) - Model eksponencialno-batnega toka (exponenial-piston-flow model - EPM) - Model linerno-batnega toka (linear-piston flow model - LPM) Podroben opis modelov lahko najdemo v ~lankih Maloszewski & Zuber (1982, 1996) in Zuber (1986). Rezultati in diskusija Rezultati meritev Rezultati meritev izotopske sestave ?18O in ?2H mese~nih vzorcev podzemne vode neza-si~ene kot zasi~ene cone in padavin so predstavljeni na sliki 3. V analizo podatkov ?18O smo vklju~ili niz podatkov celotnega opazovalnega obdobja (2002-2005). Pri analizi ?2H smo upo{tevali samo niz podatkov za obdobje 2002 - aprila 2004, ker po tem datumu me- KD r~l rn i r~\ ' \\ rn 1 1 r~l ^^^^^y^W^^]^^ * * * w * « 1 - sr. vred. X X ^'N / ^ / / ^ / ¦ ;¦ - / / «^ ž 3 r\ -10 Ki -12 -14 -16 -18 ^ JTx 6 II Fl ?- I x _X_________________________________ i — medija na — sr. vred. Vs ^ V> \h fi \& V" J* \& * >