Metody znacznikowew badaniach hydrogeologicznych

Wykonano na zamwienieMinistra rodowiskaza rodki finansowewypacone przezNarodowy Fundusz Ochrony rodowiskai Gospodarki Wodnej

Metody znacznikowew badaniach

hydrogeologicznych

Poradnik metodyczny

pod redakcjAndrzeja Zubera

przy wsppracyKazimierza Raskiego

i Wojciecha Cikowskiego

Oficyna Wydawnicza Politechniki WrocawskiejWrocaw 2007

RecenzentJan DOWGIAO

Autorzy rozdziawWojciech CIKOWSKI 2.2, 2.3, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 4, 6Marek DULISKI I.6.3Stanisaw HAAS I.6.5, IV.5Elbieta LIBER 2.3Tadeusz PRZYLIBSKI I.6.6Kazimierz RASKI 2.7, 4, 5, I.6.1, I.6.4, I.6.7, IVStanisaw WITCZAK 2.10, 3.2Andrzej ZUBER 1, 2.1, 2.4, 2.5, 2.8, 2.9, 2.10, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, I.1, I.2, I.3, I.4,

I.5, I.6.2, II, III

Opracowanie redakcyjneAlina KACZAK

KorektaHanna JUREK

Projekt okadkiZofia i Dariusz GODLEWSCY

Wszelkie prawa zastrzeone. adna cz niniejszej ksiki, zarwno w caoci,jak i we fragmentach, nie moe by reprodukowana w sposb elektroniczny,fotograficzny i inny bez zgody wydawcy i waciciela praw autorskich.

Copyright by Ministerstwo rodowiska, Warszawa 2007

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCAWSKIEJWybrzee Wyspiaskiego 27, 50-370 Wrocawhttp://www.oficyna.pwr.wroc.ple-mal: oficwyd@pwr.wroc.pl

ISBN 978-83-7493-313-1

Drukarnia Oficyny Wydawniczej Politechniki Wrocawskiej. Zam. nr 256/2007.

Otrzymujecie Pastwo do rk kolejn prac wydan z serii poradnikw metodycz-nych z zakresu geologii, powstajcych z inicjatywy Departamentu Geologii i KoncesjiGeologicznych Ministerstwa rodowiska oraz na zamwienie Gwnego GeologaKraju. Poradniki te w rnych zakresach porzdkuj dotychczasow wiedz, uaktual-niaj j oraz zwracaj uwag na praktyczne aspekty jej wykorzystania.

Praca Metody znacznikowe w badaniach hydrogeologicznych. Poradnik metodycz-ny prezentuje zagadnienia, ktre do tej pory w polskiej literaturze przedmiotu byybardzo rozproszone. Wynikajca tak z potrzeb praktycznych, jak i z prawa geologicz-nego i grniczego konieczno wyznaczenia pochodzenia wody czy czasu jej przepy-wu podziemnego w dokumentowaniu zasobw wd podziemnych wymagaa przed-stawienia wiedzy w tym zakresie w sposb kompleksowy, ale i przystpny dla geologazajmujcego si takimi wodami. Stara si to uczyni zesp autorw, zajmujcych sitymi zagadnieniami od wielu lat w kraju i za granic, cho z pewnoci nie obejmujcywszystkich polskich badaczy czy orodkw, ktrych dokonania w tym zakresie sogromne i pionierskie. Dua cz pracy dotyczy problematyki genezy czci wdpodziemnych Polski, stanowicej najbardziej kontrowersyjny dzia hydrogeologii.Dyskusje oywione ukazaniem si niniejszego Poradnika przyczyni si zapewne doszerszego nawietlenia spornych kwestii, cho tematu z pewnoci nie wyczerpuj i niezreferuj wszystkich punkw widzenia. Pierwsz w Polsce prb usystematyzowaniawiedzy z zakresu geochemii izotopowej przeprowadzi prof. Antoni Polaski w dwchpracach o charakterze podrcznikowym Geochemia izotopw z 1961 r. oraz Izotopyw geologii z 1979 r. (obie wydane przez Wydawnictwo Geologiczne w Warszawie).Jako osoba zajmujca si badaniami zmiennoci stosunkw lekkich izotopw trwaychw przyrodzie, podjem take prb usystematyzowania wiedzy z zakresu geologiiizotopowej w oparciu o midzynarodowy zesp autorw (Course-book of IsotopeGeology, 1990 r., Uniwersytet Wrocawski) i rozumiem, jak trudno jest przedstawikompendium wiedzy w tym zakresie.

Mam nadziej, e Poradnik przybliajc uytkownikom relatywnie wskie zagad-nienia geologii izotopowej, jakimi s badania znacznikowe wd, przyczyni si do lep-szego ich rozpoznania, a tym samym zapewni racjonaln gospodark zasobami wdpodziemnych w Polsce.

prof. dr hab. Mariusz-Orion JdrysekPodsekretarz Stanu

Gwny Geolog Kraju

Wstp

Metody znacznikowe w badaniach wd podziemnych w wielu krajach stosuje sirutynowo, zwaszcza w okrelaniu genezy wd, procesw mieszania si wd o rnejgenezie lub rnych drogach dopywu oraz w badaniach wieku wd, sucych mi-dzy innymi do szybkiego i bezporedniego okrelania odpornoci na zanieczyszczeniaantropogeniczne. Coraz czciej metody znacznikowe s niezbdne do poprawnejkalibracji lub walidacji modeli numerycznych pola hydrodynamicznego i/lub migracjizanieczyszcze. W Polsce stale wzrasta zainteresowanie tymi metodami, gdy czstoumoliwiaj szybkie i stosunkowo tanie uzyskanie danych niemoliwych lub trudnychdo uzyskania innymi metodami. Jedn z przeszkd powszechnego stosowania tychmetod w kraju by brak pozycji literaturowej w jzyku polskim, kompleksowo oma-wiajcej zagadnienia metod izotopowych w odniesieniu do warunkw krajowych.Departament Geologii i Koncesji Geologicznych Ministerstwa rodowiska wystpiz inicjatyw przygotowania poradnika metodycznego, ujmujcego caociowo zagad-nienia dotyczce podstaw teoretycznych, projektowania, wykonania oraz interpretacjiwynikw bada izotopowych wd podziemnych. Poradnik ten przygotowano w latach20032006 przez nastpujcy zesp Andrzej Zuber (Pastwowy Instytut Geolo-giczny, Oddzia Karpacki w Krakowie), Wojciech Cikowski, Elbieta Liber i Tade-usz Przylibski (Instytut Grnictwa Politechniki Wrocawskiej), Kazimierz Raskii Marek Duliski (Wydzia Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Grniczo-Hutniczej w Krakowie), Stanisaw Witczak (Wydzia Geologii, Geofizyki i Ochronyrodowiska Akademii Grniczo-Hutniczej w Krakowie) oraz Stanisaw Haas (Insty-tut Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skodowskiej w Lublinie). Praca zostaa sfinan-sowana przez Narodowy Fundusz Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej.

W niniejszym poradniku omwiono przede wszystkim metody, w ktrych korzystasi ze znacznikw powszechnie stosowanych w praktyce hydrologicznej. Omwionorwnie znaczniki i metody bdce jeszcze w stadium badawczym, ale potencjalnierokujce perspektywy powszechnego zastosowania. Tylko marginalnie przedstawionometody, ktre z praktycznych wzgldw nie rokuj nadziei na wiksze wykorzystaniew najbliszym czasie z powodu wysokich kosztw i/lub trudnoci technicznychw pobieraniu i pomiarze reprezentatywnych prbek wody oraz braku odpowiednichlaboratoriw krajowych. Nie zostay one jednak cakowicie pominite, aby w razie

8

potrzeby uytkownik poradnika mg znale blisze informacje na temat danej meto-dy. Najnowsze publikacje metodyczne i przykady zastosowania metod znaczniko-wych mona znale w literaturze specjalistycznej. Szczeglnie poleca si czasopismaz tzw. listy filadelfijskiej (tzn. umieszczone w Internecie przez Institute for ScientificInformation, obecnie Thomson Scientific w Filadelfii), dostpne rwnie w wersjachelektronicznych w bibliotekach niektrych uczelni i instytutach naukowych. Poszuki-wanie interesujcych publikacji mona rwnie prowadzi w Internecie za pomocnarzdzi dostpnych w krajowych instytucjach naukowych lub oglnych wyszukiwa-rek.

W badaniach genezy i wieku wd podziemnych szczeglne znaczenie maj stosunkiizotopw trwaych tlenu (18O/16O) i wodoru (2H/1H) w czsteczkach wody oraz jony Cl,gdy s to znaczniki najbardziej zachowawcze, tzn. nie ulegajce zanikowi, a przy tymich pobieranie do analizy jest bardzo atwe. Moliwoci i specyfika zastosowania tychznacznikw w znacznym stopniu zaley od warunkw klimatycznych i geograficznychobszaru bada. W poradniku ograniczono si do omwienia tych zastosowa izotopwtrwaych tlenu i wodoru, ktre w kontekcie obecnych warunkw fizjograficznychi klimatu Polski sprawdziy si w praktyce. Niezbdne nawizania do innych klimatwdotycz jedynie przypadkw wystpowania na obszarze Polski wd zasilanych w po-przednich okresach klimatycznych. Bardzo wanym znacznikiem rodowiskowym sto-sowanym rutynowo do badania wd wspczesnych jest tryt powstay przede wszystkimw wyniku prb z broni jdrow w atmosferze. Potencjalnymi znacznikami do zastoso-wa rutynowych w Polsce s SF6 i He do datowania wd, gazy szlachetne (Ne, Ar, Kr,Xe) do okrelania temperatury panujcej w czasie zasilania badanych wd oraz skadizotopowy azotu i tlenu w azotanach (15N/14N i 18O/16O) do identyfikacji ich pochodze-nia. Poradnik zawiera opisy poszczeglnych metod znacznikw rodowiskowych, kt-rych znaczenie w wielu dziedzinach bada hydrogeologicznych stale wzrasta, jako na-rzdzia pomocniczego, a czasem nawet podstawowego. Podano take kilka przykadwzastosowania, gwnie z obszaru Polski.

Znaczniki sztuczne wprowadza si celowo do systemu wodnego przez ekspery-mentatora w celu zmierzenia okrelonych parametrw przepywu lub skay wodono-nej. Wrd znacznikw sztucznych mona wymieni niektre izotopy promienio-twrcze oraz barwniki fluorescencyjne, ktre mona stosowa w eksperymentacho duej skali, dziki dobrej wykrywalnoci. Maj one jednak marginalne znaczeniew dokumentowaniu zasobw wd, przede wszystkim ze wzgldu na wysokie kosztybada zwizane z koniecznoci prowadzenia dugotrwaych obserwacji, czsto bar-dzo lokalny charakter uzyskiwanych informacji oraz ze wzgldu na sprzeciwy spo-eczne towarzyszce wprowadzaniu substancji radioaktywnych do rodowiska i wyni-kajce z tego trudnoci w uzyskiwaniu licencji na tego typu badania. Sprzeciwspoeczny pojawia si czsto rwnie w odniesieniu do innych znacznikw sztucz-nych, np. barwnikw fluorescencyjnych, zwaszcza jeeli s one widoczne goymokiem w wypywach na powierzchni. Wiele innych znacznikw sztucznych, jak izo-

9

9

topy trwae, rnego rodzaju jony lub zwizki chemiczne, majce charakter zacho-wawczy stosuje si w eksperymentach o ograniczonej skali ze wzgldu na wysokiekoszty lub ma wykrywalno. W systemach krasowych bywaj take czasem stoso-wane rne znaczniki specyficzne, ktre nie s dokadniej omwione w niniejszymporadniku.

Po pocztkowej fascynacji, w latach szedziesitych ubiegego wieku, znacznikisztuczne s obecnie rzadko stosowane w badaniach zasobw wd podziemnych,z wyjtkiem ska krasowych, gdzie pozostaj najlepszym narzdziem do wykrywaniapocze midzy ponorami i wypywami oraz do badania charakteru i czasu przepy-wu midzy nimi. Znaczniki sztuczne s te przydatne w rnego rodzaju badaniachhydrotechnicznych i geotechnicznych, a take w innych lokalnych zastosowaniach,np. w badaniach parametrw ska i przepywu wd w planowanych lub wybranychlokalizacjach podziemnych skadowisk niebezpiecznych odpadw.

W niniejszym poradniku przyjto zasad ograniczenia tekstu do niezbdnego mi-nimum przy opisie podstaw fizycznych poszczeglnych metod, prezentujc przedewszystkim wystpujce efekty i przykady ich praktycznego zastosowania. Zarwnoukad poradnika, jak i jego zawarto znacznie rni si od podobnych opracowazagranicznych. Liczne odnoniki literaturowe pozwol zainteresowanemu czytelniko-wi znale w razie potrzeby uzupeniajce wiadomoci, niestety dostpne raczejw literaturze angielskiej. W wielu publikacjach oryginalnych oraz opracowaniachzbiorowych reprezentowane s czsto pogldy subiektywne, bardziej zwizane z wa-snymi dowiadczeniami autorw ni z oglnie dostpn wiedz. Dlatego podczas stu-diowania literatury, w tym take niniejszego poradnika, naley zachowa rozsdndoz krytycyzmu.

Problematyk dotyczc wd powierzchniowych ograniczono do przypadkw ichbezporednich zwizkw z wodami podziemnymi. Zagadnienia bada znacznikowychw hydrogeologii grniczej nie zostay specjalnie wyodrbnione, niemniej jednakomwiono genez wd wystpujcych w rejonach kopal wgla kamiennego w GZWi LZW oraz w kopalniach soli.

Rozdzia 1 zawiera zwiz histori stosowania metod znacznikowych w hydroge-ologii oraz omwienie wanych definicji i wybranych zagadnie specjalnych, a takezarys najwaniejszych metod znacznikowych (rozdz. 1.3). Zamierzony jest jako przy-stpne wprowadzenie do metod znacznikowych, stanowic zarazem obszerne stresz-czenie najwaniejszych metod omawianych w poradniku. Szczegowy opis zastoso-wania poszczeglnych metod wykorzystujcych znaczniki rodowiskowe dorozwizywania okrelonych problemw hydrogeologicznych podano w rozdziale 2.Pozwala on zarwno na gbsze zrozumienie poszczeglnych metod, jak i na samo-dzieln interpretacj wynikw analiz otrzymywanych ze specjalistycznych laborato-riw znacznikowych. Krtki opis najwaniejszych metod bazujcych na stosowaniuznacznikw sztucznych zawiera rozdzia 3. Zawarto rozdziaw 4, 5 i 6 ma uatwiaplanowanie i prowadzenie bada znacznikowych oraz sporzdzanie dokumentacji.

10

Aneksy zawieraj bardziej szczegowe informacje dla czytelnikw, pragncychpogbi swoj wiedz na temat metod znacznikowych. Aneks I jest szczegowymopisem podstaw teoretycznych metod znacznikw rodowiskowych. Aneks II obej-muje omwienie modeli matematycznych stosowanych do interpretacji wieku wd napodstawie danych znacznikowych. Aneks III prezentuje najprostsze modele opisujcemigracj znacznikw sztucznych, Aneks IV zawiera krtk prezentacj technik labo-ratoryjnych stosowanych do pomiarw izotopw rodowiskowych. Podano take wy-kaz stosowanych symboli, indeks najwaniejszych terminw i spis polskich nazwgeograficznych pojawiajcych si w tekcie.

Przyjty ukad poradnika wynika w znacznym stopniu z zalece Komisji Doku-mentacji Hydrogeologicznych (KDH), wymuszajcych znaczne skrcenie pierwotnejwersji. Ta decyzja spowodowaa konieczno utworzenia kilku aneksw, aby nie utra-ci ju opracowanego materiau uznanego przez autorw za poyteczny dla czytelnika.

Nastpne zalecenia KDH dotyczyy zwikszenia poprzednio zalecanej objtoci,co wymusio kolejne zasadnicze zmiany redakcyjne. Zmienne zalecenia spowodowaytrudnoci w unikniciu pewnych powtrze, jednak niektre z nich wynikaj takez dwutorowego ujcia tematyki, gdy poradnik zawiera zarwno oddzielne omwienieposzczeglnych metod znacznikowych, jak i omwienie problemw rozwizywalnychrnymi metodami, w tym rwnie metodami stosowanymi kompleksowo. Poradnikzawiera take krtkie omwienia najwaniejszych zastosowa metod znacznikowychw Polsce, co take spowodowao pojawienie si pewnych powtrze, wynikajcychz koniecznoci przywoania metod zastosowanych w badaniach omawianych syste-mw wd podziemnych.

Poradnik jest przeznaczony przede wszystkim dla wykonawcw dokumentacji hy-drogeologicznych, ale take moe suy pracownikom organw koncesyjnych, orga-nom nadzoru grniczego, a take pracownikom instytucji naukowo-badawczych orazstudentom specjalizujcym si w dziedzinie hydrogeologii. Ma uatwia stosowaniemetod znacznikowych w badaniach hydrogeologicznych, obejmujc zarwno etapyprojektowania i wykonywania prac terenowych, jak i interpretacj danych znaczniko-wych dla sporzdzanych dokumentacji.

Poradnik wpisuje si w cykl hydrogeologicznych poradnikw metodycznych po-wstaych z inicjatywy Departamentu Geologii i Koncesji Geologicznych Ministerstwarodowiska (Macioszczyk i in., 1994; Paczyski i in., 1996; Kapuciski i in., 1997;Kazimierski i Sadurski, 1999; Cikowski, 2002; Paczyski, 2002; Dbrowski i in.,2004; Dbrowski i Przybyek, 2005; Maecki i in., 2006), stanowic take rozszerzeniewiadomoci zawartych w najnowszym podrczniku hydrogeologii (Macioszczyk,2006).

Wykaz waniejszych symboli

Alfabet aciski

Symbol Wielko fizyczna Wymiara parametr bdcy kombinacj kilku parametrw dyfuzyjnych T1/2

2b rozwarto szczeliny LARR(t) pozorny wzgldny odzysk sztucznego znacznika C stenie ML3

Ceq stenie okrelonego gazu w wodzie w rwnowadze z atmosfer ML3

Cex stenie okrelonego gazu wynikajce z nadmiaru rozpuszczonegopowietrza

ML3

CF stenie przepywowe; stenie w strumieniu ML3

CCFF stenie przepywowe wynikajce z iniekcji skokowej w strumieniu ML3

CIFF stenie przepywowe znacznika wynikajce z krtkotrwaej iniekcji wstrumieniu

ML3

CIRR stenie w systemie wynikajce z impulsowej iniekcji znacznika wbadanym orodku

ML3

Cm stenie w wodzie mieszanej ML3

C0, C(0) aktywno pocztkowa; pocztkowe stenie izotopu ML3

Cout(t) stenie znacznika na wyjciu z systemu lub w punkcie pomiaru ML3

C(t), C() aktywno waciwa mierzon dla czasu t lub ML3

CR stenie w systemie; rednie stenie mierzonej substancji w wodziebdcej w caym profilu systemu

ML3

d rednica otworu wiertniczego LD wspczynnik dyspersji hydrodynamicznej L2T1

Dp wspczynnik dyfuzji w mikroporach blokw skay L2T1

DL wspczynnik dyspersji podunej L2T1

DT wspczynnik dyspersji poprzecznej L2T1

Dw wspczynnik dyfuzji w swobodnej wodzie L2T1

E wielko parowania LT1; L3T1

F zmienny w czasie uamkowy udzia wody bez znacznika f uamkowy udzia wody infiltracyjnej w wodzie mieszanej g() funkcja przejcia opisujca rozkad czasw przepywu T1

h miszo warstwy wodononej LH wysoko nad poziomem morza (n.p.m.) Li redni gradient hydrauliczny I wielko infiltracji LT1; L3T1

12

JAr strumie zewntrzny 40Ar L3L2T1

JHe strumie zewntrzny 4He L3L2T1

k wspczynnik filtracji = wspczynnik wodoprzepuszczalnoci LT1

L dugo kolumny lub innego badanego orodka Lm masa lub aktywno radioizotopu M; Bqn wspczynnik cakowitej porowatoci odkrytej na wspczynnik porowatoci aktywnej, czyli warto porowatoci aktyw-

nej

nf wspczynnik szczelinowatoci, porowato szczelinowa nk wspczynnik porowatoci kawernistej, porowato kawernista np wspczynnik mikroporowatoci; mikroporowato blokw skay p uamkowy udzia wody dehydratacyjnej w ujciu; uamkowy udzia

wody powierzchniowej

P suma opadw LT1; L3T1

PAr produkcja in situ 40Ar L3T1

PHe produkcja in situ 4He L3T1

PD parametr dyspersyjny Pe liczba Pecleta pmc procent wgla wspczesnego (ang. percent of modern carbon) q wspczynnik poprawkowy Q wydatek przepywu; wydatek wypywu lub pompowania L3T1

QT cakowity odpyw ze zlewni L3T1

r odlego midzy otworem iniekcyjnym i pompowymR stosunek wagowy izotopw danego pierwiastka R(t) odzysk sztucznego znacznika M, BqRR(t) wzgldny odzysk sztucznego znacznika Rap wspczynnik opnienia wywoany wymian znacznika midzy wod a

ska w mikroporach (dla idealnego znacznika Rap = 1)

Rp wspczynnik opnienia, wspczynnik opnienia dyfuzyjnego S powierzchnia przekroju poprzecznego przepywu L2

t zmienna czasowa; czas od iniekcji sztucznego znacznika Tt1/2 pokres rozpadu Ttpom moment czasu kalendarzowego definiujcy funkcj F Ttt redni czas przepywu znacznika TT przewodno hydrauliczna warstwy L2T1

T.U. jednostka trytowa = T.R. = stosunek trytu u zmienna cakowania Tvf prdko filtracji zdefiniowana prawem Darcyego LT1

vt rednia prdko przepywu znacznika lub zanieczyszczenia LT1

vw rednia prdko przepywu wody LT1

Vcak cakowita objto wody L3

Vd rednia objto wody w strefie dynamicznej L3

Vd(t) objto dynamiczna wody, czyli ulegajca zmianie L3

Vf objto wody w szczelinach; woda mobilna w szczelinach L3

Vm objto wody mobilnej w systemielub minimalna staa objto wody istniejca w okresie Q = 0

L3

13

Vp objto wody stagnacyjnej znajdujcej si w mikroporach L3

VR objto wody; objto walca o promieniu r i wysokoci h L3

Vr objto cakowita (skaa plus woda) badanego systemu L3

Vs objto wody stagnacyjnej w kieszeni sedymentacyjnej L3

Vu objto wody w strefie nienasyconej L3

Vu r. rednia objto wody w strefie nienasyconej L3

Vw objto wody w systemie L3

wo wilgotno objtociowa L3L3

x zmienna przestrzenna; rednia droga przepywu od obszaru zasilania domiejsca pomiaru; odlego midzy otworami

L

14

Alfabet grecki

Symbol Wielko fizyczna Wymiar wspczynnik zaburzenia naturalnych linii przepywu wywoany obecnoci

otworu lub s/w

i wspczynnik infiltracji w i-tym okresie L staa dyspersji podunej Ls wspczynnik infiltracji letniej T staa dyspersji poprzecznej Lw wspczynnik infiltracji zimowej uamkowy udzia wody bez trytu w cakowitym wydatku rednia warto 18O lub 2H w kilkuletnich opadach d warto 18O (lub 2H) wody dehydratacyjnej g skad izotopowy (18O lub 2H) wody podziemnej i warto delta w i-tym okresie i warto 18O (lub 2H) wody infiltracyjnej in funkcja wejcia dla krtkotrwaych zmian 18O m warto 18O (lub 2H) wody mieszanej me warto 18O (lub 2H) wody z topniejcego niegur wspczynnik utrudnienia dyfuzji w mikroporach stosunek cakowitej objtoci wody w systemie do objtoci z przepywem

eksponencjalnym

staa rozpadu promieniotwrczego T1

f gsto wody ML3

r gsto materiau skalnego ML3

(Cta) odchylenie standardowe stenia ta (lub sygnau aparatury pomiarowejprzy zerowym steniu mierzonej substancji)

ML3

t2 wariancja czasowa mierzonego rozkadu T2

a czas rozpadu (wiek) znacznika radioizotopowego w systemie Tin czas pojawienia si znacznika na wejciu systemu Tp wspczynnik krtoci uwzgldniajcy wyduenie drogi dyfuzji w orodku

porowym w stosunku do drogi w samej wodzieT

t redni czas przepywu znacznika = redni wiek znacznika = redni wiekznacznikowy = czas przejcia znacznika

T

w redni czas wymiany wody = czas przepywu wody = wiek hydrodynamicz-ny = wiek wody mobilnej opuszczajcej system = wiek wody = wiek wodymobilnej

T

1. Zarys metod znacznikowych

1.1. Historia metod znacznikowych

Najstarszy opisany hydrogeologiczny eksperyment znacznikowy przeprowadzonook. 2 tys. lat temu (Flawiusz, 1991). W eksperymencie tym uyto sieczki i rzekomostwierdzono poczenie hydrauliczne midzy wodami maego wulkanicznego jeziorausytuowanego na zboczu gry Hermon, majcego obecnie nazw Ram, ze rdamiBanias dajcymi pocztek wodom Jordanu. Oczywicie sieczka nie jest odpowiednimznacznikiem dla wd podziemnych i mona powanie wtpi, czy rzeczywicie pojawiasi w rdach. Badania izotopowe przeprowadzone w latach siedemdziesitych ubie-gego wieku wykazay zupenie odmienny skad izotopowy wody w rdach i w jezio-rze, wykluczajc istotny udzia wd jeziora w rdach i pokazujc dominujcy udziawd zasilanych w szczytowych partiach gry Hermon (Mazor, 1976; p. rozdz. 1.3.1).

Wedug Biswasa (1970) ju Leonardo da Vinci stosowa barwniki do badaniaprzepyww wd. W 1871 r. wytworzono barwnik fluorescencyjny, zwany fluoresce-in, ktry ju sze lat pniej zastosowano do badania ucieczek wody z grnego Du-naju w utwory krasowe (http://www.dyetracing.com). Znacznik ten zosta po kilkulatach udoskonalony przez wytworzenie soli sodowej fluoresceiny, zwanej uranin.Pierwsze badania przeprowadzone z uyciem barwnikw, podobnie jak wiele innychwspczenie wykonywanych za pomoc tych i innych znacznikw sztucznych (tzn.wprowadzanych przez eksperymentatora), miay charakter eksperymentw jako-ciowych, tzn. nie okrelano parametrw przepywu, lecz jedynie wystpowanie lubbrak pocze hydraulicznych. Przez eksperyment ilociowy rozumie si ekspery-ment sucy do wyznaczenia wielkoci liczbowej jakiego parametru. Jako pierwszyilociowy eksperyment znacznikowy wymienia si zwykle pomiar prdkoci przepy-wu poziomego wody w materiale dennym rzeki za pomoc NaCl (Slichter, 1905).Liczne zastosowania znacznikw sztucznych pojawiy si w latach szedziesitychubiegego wieku, dziki dostpnoci sztucznych radioizotopw i stosowaniu komplek-sowych zwizkw chemicznych. Niektrzy badacze wyraali wtedy opinie o nieogra-niczonych moliwociach sztucznych znacznikw w badaniach wd podziemnych.Wkrtce jednak okazao si, e wskutek powolnego zazwyczaj ruchu wd podziem-

16

nych czas trwania wikszoci eksperymentw znacznikowych musiaby by zbyt dugidla racjonalnego i ekonomicznego ich przeprowadzenia. Dodatkowe ograniczeniawynikaj z niejednorodnoci warstw wodononych, trudnoci technicznych we wa-ciwym wprowadzaniu znacznikw do tych systemw i ich pomiarze in situ, jak rw-nie trudnoci w poborze prbek reprezentujcych wiarygodnie stenie znacznikai przepyw wody w badanej formacji.

Metody znacznikw sztucznych opisano przewanie cznie z metodami znaczni-kw rodowiska w kilku podrcznikach powstaych przede wszystkim w latach 19601980 (IAEA, 1968, 1983; Gaspar i Oncescu, 1972; Drost i in., 1972, 1974; Plata,1972). Brak jest jednak podrcznika podsumowujcego caociowo zastosowaniaznacznikw sztucznych, zwaszcza osignicia z ostatnich 25 lat, dotyczce gwniebada w maej skali przestrzennej zwizanych z lokalizacj skadowisk odpadw ra-dioaktywnych.

Znacznie powszechniejsze zastosowanie znalazy znaczniki rodowiskowe, tzn.naturalne, a take powstae w wyniku globalnej dziaalnoci ludzkiej. Rozwj metod,w ktrych korzysta si z tych znacznikw rozpocz si wraz z odkryciem trytu (3H)i stwierdzenia jego obecnoci w obiegu wody w przyrodzie (Kaufman i Libby, 1954;Libby i Begemann, 1957). Wane dla hydrogeologii okazao si rwnie odkrycieradioaktywnego izotopu wgla (14C) (Libby, 1946), ktrego znaczenie dla hydroge-ologii wykazano nieco pniej (Mnnich, 1957; Mnnich i Roether, 1967; Vogeli Ehhalt, 1967). Obydwa wymienione radioizotopy powstaj w atmosferze w wynikuoddziaywania neutronw pochodzcych z oddziaywania promieniowania kosmicz-nego z azotem. Znaczne iloci trytu i radiowgla pojawiy si w atmosferze w latach19521965, w wyniku prbnych eksplozji bomb termojdrowych. Tryt czy siz tlenem i tworzy czsteczki wody, a radiowgiel czy si z tlenem i tworzy czstecz-ki CO2, ktre za porednictwem rolin bior udzia w tworzeniu nieorganicznychzwizkw wgla rozpuszczonych w wodzie w obszarach zasilania wd podziemnych.

Skonstruowanie w latach pidziesitych XX wieku spektrometru masowego,umoliwiajcego okrelenie stosunkw izotopowych pierwiastkw lekkich z duprecyzj, zapocztkowao pomiary stosunkw trwaych izotopw tlenu (18O/16O)i wodoru (2H/1H) w czsteczkach wody obecnej w rodowisku (Nier, 1950). Zmien-no czasowa i przestrzenna skadu izotopowego tlenu i wodoru w czsteczkach wodywynika z czynnikw fizycznych zwizanych z przemianami fazowymi wody i jej kr-eniem w obrbie obecnego oraz przeszych cykli hydrologicznych, co pozwala okre-la w wiarygodny sposb jej genez.

Liczne prace podstawowe i badania terenowe wykazay szczegln przydatnotrytu, radiowgla oraz izotopw trwaych tlenu, wodoru i wgla w rnorodnych za-stosowaniach hydrologicznych, zwaszcza do okrelania czasu przebywania wodyw systemach podziemnych, genezy wd, identyfikacji pooenia obszarw zasilania,mieszania si rnych typw wd i oddziaywania wd podziemnych z powierzch-niowymi. W ostatnich dziesicioleciach coraz szersze zastosowanie znajduj pomiary

17

ste gazw szlachetnych rozpuszczonych w wodzie do okrelania temperatury,w jakiej zachodzio zasilanie (Ne, Ar, Kr i Xe) lub wieku wd (4He i 40Ar). Wszystkiete znaczniki rodowiskowe okazay si take bardzo przydatne, a czsto wrcz nie-zbdne do konstrukcji lub weryfikacji modeli koncepcyjnych badanych systemw wdpodziemnych oraz do kalibracji lub uwierzytelniania modeli numerycznych przepywuwody i migracji zanieczyszcze.

Istnienie laboratoriw pomiarowych i umiarkowane koszty analizy wymienionychznacznikw izotopowych przyczyniy si do powszechnego ich wykorzystania. W niekt-rych przypadkach interpretacja rezultatw analizy izotopw jest niezalena od hydroge-ochemii badanego systemu, a w innych powinna by prowadzona z uwzgldnieniem wy-nikw analizy hydrochemicznej. Dowiadczenie pokazuje, e czsto badania izotopowepozwalaj na waciwe zaplanowanie i przeprowadzenie bada hydrochemicznych, np.przez ograniczenie nadmiernej czstotliwoci wykonywania analiz chemicznych wd.

W cigu ostatnich kilku dziesicioleci opracowano take wiele innych metod ba-zujcych zarwno na znacznikach izotopowych, jak i innych substancjach ladowychobecnych w rodowisku i wykorzystywanych jako znaczniki. Prowadzi si badaniaskadu izotopowego wielu pierwiastkw wystpujcych w wodach (np. boru, azotu,siarki, chloru, strontu, radu, uranu) w celu identyfikacji pochodzenia geogenicznegolub antropogenicznego niektrych skadnikw wd podziemnych. Znaczenie tychmetod dla dokumentowania zasobw wd podziemnych jest jednak znacznie mniejszeni metod, w ktrych stosuje si izotopy wodoru, tlenu i wgla.

Coraz czciej stosowane s freony (zwaszcza F-11, F-12 i F-113) i szeciofluoreksiarki (SF6) rozpuszczone w wodach w wyniku obecnoci tych gazw w atmosferze odlat szedziesitych ubiegego stulecia. Datowania wd podziemnych za pomoc wy-mienionych gazw ladowych s wykonywane czasem jako uzupenienie metody try-towej, a najczciej jako zamiennik tej metody. Pomimo wielu ogranicze, nie wyst-pujcych w metodzie trytowej, ich znaczenie bdzie zwikszao si w najbliszychlatach wskutek zanikania trytu pochodzcego z wybuchw termojdrowych.

Liczne podrczniki, poradniki i monografie umoliwiaj dogbne poznanie metodznacznikowych stosowanych w hydrologii i hydrogeologii (Moser i Rauert, 1980; Fritzi Fontes, 1980, 1986; Ferronski i Poljakov, 1983; Clark i Fritz, 1997; Gat i Gonfiantini,1981; DVWK, 1995; IAEA, 1996; Dillon i Simmers, 1998; Gasse i Causse, 1998; Kss,1998; Kendall i McDonnel, 1998; Mazor, 1998; Cook i Herczeg, 2000; Mook, 2001,2005; Aggarwal i in., 2005). Czytelnikowi, ktry chce zapozna si bliej zarwnoz problematyk rozpatrywan w niniejszym poradniku, jak i z problematyk dotyczcinnych obszarw i stref klimatycznych, mona take poleci liczne artykuy w czasopi-smach hydrogeologicznych (np. Journal of Hydrology, Water Resources Research, Hy-drogeology Journal, Ground Water, Hydrological Processes, Advances in Water Resour-ces, Journal of Hydrologic Sciences). Publikacje dotyczce metod znacznikowychukazuj si rwnie w innych czasopismach naukowych (np. Geochimica et Cosmochi-mica Acta, Advances in Geochemistry, Chemical Geology, Applied Geochemistry i in.).

18

Cennym rdem informacji s rwnie materiay sympozjw i spotka roboczych orga-nizowanych przez Midzynarodow Agencj Energii Atomowej z siedzib w Wiedniu(IAEA, 1963, 1967, 1970, 1974, 1976, 1979a, 1979b, 1980, 1981, 1984, 1987, 1989,1990, 1992a, 1992b, 1993, 1995, 1996, 1998, 1999, 2002a, 2002b, 2003) oraz innychorganizacji. Wymienione pozycje nie obejmuj wszystkich midzynarodowych sympo-zjw i spotka dotyczcych tematyki znacznikowej w hydrogeologii. Aktualne informa-cje mona znale w Water & Environment News, ktre mona otrzymywa bezpatniepo skierowaniu proby do Isotope Hydrology Section, IAEA, Wagramer Strasse 5,P.O.Box 100, A-1400 Vienna, Austria. Cenne informacje zawiera ostatnio wydany po-radnik dotyczcy zastosowania ladowych gazw atmosferycznych (IAEA, 2006), cho-cia ograniczony jest do stosowania modelu tokowego, z pominiciem datowania wdza pomoc interpretacji dugookresowych obserwacji trytu.

W Polsce zastosowano po raz pierwszy sztuczne znaczniki (fluorescein) jeszczeprzed drug wojn wiatow do badania niektrych pocze krasowych w Tatrach.Sztuczne znaczniki radioizotopowe byy szerzej stosowane w latach siedemdziesi-tych ubiegego wieku (np. Borowczyk i in., 1964; Kreft i Zuber, 1972; Zuber, 1970,1971, 1974, 1983; Lenda i Zuber, 1970; Kreft i in., 1974; Maoszewski i in., 1978). Naznaczenie izotopw trwaych tlenu i wodoru w badaniach wd podziemnych po razpierwszy w pimiennictwie polskim zwrci uwag Dowgiao (1970), ktry opubli-kowa te pierwsze rezultaty analiz izotopowych wd mineralnych z obszaru Polskiwykonane w laboratoriach zagranicznych (Dowgiao, 1971, 1973, Dowgiao i Ton-giorgi, 1972). Potencjalne moliwoci wykorzystania trytu w hydrogeologii omwiKrotowicz (1968), a Rkowski i Przewocki (1974) przedstawili pierwsze wynikianaliz skadu izotopw trwaych i ste trytu wd w kopalniach GZW i LZW wyko-nane w IAEA. Pierwsze rezultaty analiz izotopw rodowiska wykonanych w labora-torium krajowym byy prezentowane w pracach Dowgiay i in. (1974), Dowgiayi Sawiskiego (1978), Grabczaka i in. (1978), Zubera i in. (1979), Raskiegoi Florkowskiego (1979), Dowgiay (1980), Leniaka (1980), Zubera (1983) Grabcza-ka i Zubera (1983) oraz Grabczaka i in. (1984). Niektre z wymienionych prac uka-zay si w wydawnictwach zagranicznych, ale tematyka izotopowa zacza si stop-niowo coraz szerzej pojawia take w materiaach krajowych sympozjwhydrogeologicznych, Przegldzie Geologicznym i Biuletynie PIG.

1.2. Podstawowe definicje i wybrane zagadnienia specjalne

1.2.1. Definicje i klasyfikacje znacznikw

Pocztkowo najbardziej oglnym podziaem znacznikw by podzia na znacznikinaturalne i sztuczne. Znaczniki sztuczne s produkowane przez czowieka i wprowa-

19

dzane do rodowiska przez eksperymentatora. Z rozwojem przemysu pojawiy siw atmosferze rne substancje ladowe, bdce wynikiem globalnej dziaalnociczowieka, ktre majc dobre waciwoci znacznikowe wczaj si w sposb natu-ralny w rodowisko, w tym w obieg wody w przyrodzie. Z tego wzgldu znacznikinaturalne i znaczniki powstae z globalnej dziaalnoci czowieka otrzymay wsplnnazw znacznikw rodowiskowych (ang. environmental tracers).

W stosowaniu znacznikw zarwno rodowiskowych, jak i sztucznych potrzebne spojcia charakteryzujce oglne waciwoci poszczeglnych rodzajw znacznikw.Z tego wzgldu wprowadzono pojcia znacznika zachowawczego (ang. conservative tra-cer), tzn. nie podlegajcego zanikowi i znacznika idealnego (ang. ideal tracer). Pojcia tes uyteczne w rozwaaniach teoretycznych, dla wyboru odpowiedniego sztucznegoznacznika w planowanych pracach terenowych, w poszukiwaniu nowych znacznikwi w badaniach laboratoryjnych (np. w badaniach sucych testowaniu modeli matema-tycznych stosowanych do interpretacji danych znacznikowych). Z kilku moliwych defi-nicji idealnego znacznika najbardziej oglna, a przy tym cisa definicja, okrela idealnyznacznik jako substancj zachowujc si w badanym systemie tak, jak znakowana sub-stancja w odniesieniu do badanych parametrw i ktra ma jedn waciwo pozwalajcj odrni od badanej substancji (Zuber, 1986a). Definicja ta oznacza, e idealny znacz-nik nie powinien powstawa lub zanika w systemie w inne sposoby ni te odnoszce sido badanych parametrw. Na przykad radioizotopy rozpadaj si, a wic nie s zacho-wawczymi znacznikami, ale wanie ich zanik w czasie suy zazwyczaj do datowaniawd. Dlatego za dobre znaczniki uwaa si take znaczniki majce inne rda dodatnielub ujemne (tzn. powstaj w systemie lub ulegaj zanikowi wskutek rozpadu lub sorpcji),jeeli wpyw tych rde moe by odpowiednio uwzgldniony.

Zazwyczaj przez znacznik idealny rozumie si substancj umoliwiajc w danychwarunkach odtwarzanie ruchu wody. W przypadku prowadzenia bada za pomocznacznikw sztucznych rozwaa si dodatkowo kilka innych istotnych czynnikw, jaknp. koszt znacznika, atwo transportu, brak toksycznoci itp. Dla znacznikw ro-dowiskowych definicja idealnego znacznika ma mniejsze znaczenie ze wzgldu naograniczone moliwoci sterowania eksperymentem. Niemniej jednak, interpretujcdane znacznikowe lub korzystajc z ich interpretacji, trzeba mie na uwadze cechyposzczeglnych znacznikw decydujce o ich wikszej lub mniejszej wiarygodnoci.

Znaczniki zarwno rodowiskowe, jak i sztuczne mog wystpowa w rnych for-mach, np. atomowej (gazy szlachetne), jonowej (np. 3

14COH Cl, Br, 131I), czstecz-kowej (np. woda trytowa, czyli 1H3HO i barwniki fluorescencyjne) lub jako zawiesina(np. spory). Najwczeniej i najczciej stosowanymi znacznikami sztucznymi byybarwniki fluorescencyjne, wykrywane za pomoc obserwacji wizualnych. Obecnie sto-suje si metody instrumentalne fluorymetry filtrowe, spektrofluorymetry i specjalnelasery Ar/Kr (www.epa.gov). Wrd tych znacznikw wyrni naley uranin (slsodow fluoresceiny), rodamin WT, eozyn, pyranin i ostatnio PTS ( pyrene-1,3,6,8tetra sulphonic acid Einsiedl i Maoszewski, 2005). Znaczniki fluorescencyjne nale

20

do najtaszych, s doskonale wykrywane, nawet z rwnoczesnym zastosowaniem wicejni jednego znacznika i zazwyczaj s zachowawcze w wodach o pH > 7.

Wrd znacznikw chemicznych wykrywanych rnymi metodami instrumentalny-mi mona wymieni Cl, Br, I i SF6 oraz kilka zwizkw organicznych wykrywanychmetodami chromatografii cieczowej (np. Meigs i Beauheim, 2001). Jako znaczniki sto-suje si niekiedy rwnie trwae izotopy niektrych pierwiastkw (np. 2H, 13C, 15N),gazy szlachetne (vzj.scijournals.org) oraz spory, bakterie i kilka innych substancji.

Znaczniki, bdce czci czsteczek wody, jak i niektre inne niepodlegajcesorpcji (np. Cl i Br), uwaane s czsto za idealne. Jednak nawet znaczniki bdceczci czsteczek wody nie zawsze oddaj wiernie przepyw masy wody, gdy mogone ulega wymianie z wod zwizan zawart w mineraach ilastych lub materialeorganicznym (Kaufman i Orlob, 1956; Knutsson i Forsberg, 1967). W takich przypad-kach znaczniki te oddaj zachowanie si moleku wody w badanym orodku, podczasgdy niektre aniony (np. Cl) mog lepiej reprezentowa ruch strumienia wody. Wy-mienione ograniczenia mog by istotne w badaniach znacznikowych procesw infil-tracji przez stref nienasycon w przypadkach znacznych zawartoci uwodnionychmineraw ilastych i/lub materii organicznej w systemie wodononym.

Reasumujc, za idealne znaczniki mona uwaa jedynie te, ktre wchodzw skad czsteczek wody (3H, 2H i 18O), jony Cl i Br oraz gazy szlachetne. Inneznaczniki mog podlega rnym procesom fizyczno-chemicznym, co narzuca pewneograniczenia bardziej szczegowo dyskutowane w omawianiu poszczeglnych me-tod. Znaczniki wchodzce w skad czsteczek wody (np. 3H, 2H, 18O) lub bdce sub-stancj rozpuszczon w wodzie (np. Cl), mona uwaa za znaczniki wody. Znacz-niki, bdce czci skadnikw rozpuszczonych w wodzie (np. 13C i 14C w 3HCO lub34S w 24SO ), s znacznikami substancji rozpuszczonych i nie reprezentuj wody wsposb bezporedni.

1.2.2. Definicje ste

Znaczniki sztuczne wprowadzane s zazwyczaj do badanego systemu wodnegopunktowo w czasie i w przestrzeni. W przypadku tych znacznikw niezwykle istotnyjest sposb ich wprowadzania (iniekowania) do systemu wody podziemnej oraz spo-sb pomiaru. atwo jest sobie wyobrazi, e iniekcja i/lub pomiar w le wybranejstrudze przepywu nie bd reprezentowa redniego przepywu wody przez system.Wikszo systemw wd podziemnych charakteryzuje si du niejednorodnoci,a wic dane uzyskane z zastosowania znacznikw sztucznych mog mie ma wiary-godno.

Nawet w przypadku iniekcji i pomiaru znacznika, zarwno na caym wejciu dosystemu, jak i na jego wyjciu, mierzone stenia znacznika mog nie reprezentowaodpowiednio urednionych wartoci. Dla przykadu rozwamy najprostszy przypadek

21

przepywu przez dwie jednorodne warstwy wodonone o miszociach i steniachbadanej substancji odpowiednio h1 i h2 oraz C1 i C2. W przypadku otworu obserwacyj-nego, udostpniajcego obie warstwy, mona pobra prbki wody prbnikiemz rnych gbokoci odpowiadajcych pooeniu obu warstw, unikajc mieszaniaw otworze. Wtedy rednie stenie mierzonej substancji w wodzie, bdcej w caymprofilu systemu (CR), jest wyraone jako (rys. 1.1 A):

21

2211

hh

hChCCR +

+= . (1.1)

Tak wyraone stenie (1.1), nazywane najczciej steniem w systemie (ang.resident concentration) lub steniem in situ, zgodne jest ze zwyk definicj ste-nia, czyli stosunkiem masy danej substancji (m) do objtoci wody (V ), tzn.:

CR = V

m. (1.2)

W przypadku pomiaru stenia badanej substancji w wodzie pompowanej z tychsamych dwch warstw, rednie stenie (CF) wyrazi si wzorem (rys. 1.1 B):

21

2211

QQ

QCQCCF +

+= , (1.3)

gdzie CF nazywane jest najczciej steniem przepywowym, steniem w stru-mieniu (ang. flux concentration) lub nawet steniem transportowym, a Q1 i Q2 towydatki wody dopywajcej do otworu z warstwy 1 i 2.

Wydatki te s proporcjonalne do przewodnoci poszczeglnych warstw (Ti), czylido iloczynw wspczynnikw wodoprzepuszczalnoci (ki) i miszoci (hi). Tak wy-raone stenie jest rwnie zgodne z ogln definicj jako stosunek m/V, ale V niejest tu czci przestrzeni zajtej przez wod, lecz objtoci wody (V = Qt), ktrawypyna z systemu w jakim skoczonym czasie (t):

.tQm

CF = (1.4)

Podobne rozwaania stosuje si do substancji pojawiajcej si na wejciu do sys-temu wodnego. Nie wchodzc w szczegy mona stwierdzi, e nawet idealny znacz-nik wiarygodnie reprezentuje przepyw wody jedynie w przypadku wprowadzenia dosystemu proporcjonalnie do wydatkw poszczeglnych strug wody i pomiaruw wodzie wypywajcej, tzn. przy urednieniu po wydatkach wypywu poszczegl-nych strug wody (Kreft i Zuber, 1978). Czytelnikowi bliej zainteresowanemu pro-blematyk zwizan z rnicami midzy CR i CF mona take poleci w charakterzewprowadzenia rozwaania dotyczcego najprostszego systemu, tzn. przepywu lami-narnego w kapilarze, gdzie rodzaj ksztatu krzywej przejcia znacznika zaley zarw-

22

no od sposobu iniekcji i detekcji, jak i od dugoci kapilary (p. rozdz. 1.2.5; Zuber,1986b; Maoszewski i Zuber, 1996). W praktyce hydrogeologicznej najczciej roz-waamy stenia typu CF, zwykle oznaczane skrtowo jako C.

Rys. 1.1. Przykad rnicy w steniach w zalenoci od sposobu poboru prbki:A stenie w systemie (CR), B stenie przepywowe (CF)

Znaczniki rodowiskowe, zwaszcza tryt i izotopy trwae w czsteczkach wody,pojawiaj si na caym wejciu do systemu wodnego (tzn. w obszarze zasilania)w infiltrujcej wodzie opadowej w ilociach proporcjonalnych do wydatkw przepy-wu poszczeglnych strug wody. Jeeli mierzone s one w wodzie wypywajcej (np.rda, woda pompowana z otworw), to wymienione wymagania s dokadnie spe-nione. W innych przypadkach (np. pobr indywidualnych prbek z poszczeglnychgbokoci) naley zachowa ostrono w interpretacji rednich wartoci, chociadysponowanie rozkadem gbokociowym znacznika dostarcza wielu innych wa-nych informacji, zwaszcza w modelowaniu numerycznym przepywu wodyi zanieczyszcze. Odpowiednia iniekcja i pomiar stenia znacznika w wodzie s nie-zwykle istotne w przypadku znacznikw sztucznych, natomiast w przypadku znaczni-kw rodowiskowych jest to problem drugorzdny, gdy w wikszoci przypadkwnatura sama realizuje wymagania iniekcji i detekcji w strumieniu wody. Dla prostoty

23

prezentacji w dalszych rozwaaniach zamiast CF bdzie stosowany symbol C, a roz-rnienie bdzie stosowane jedynie w koniecznych przypadkach.

1.2.3. Stenia znacznikw w wodach mieszanych

W rozdziale 1.2.1 rozrniono znaczniki wody i znaczniki substancji rozpuszczo-nych w wodzie. W przypadku mieszania si rnych wd stenia znacznikw wodyw wodzie mieszanej reprezentuj proporcjonalnie udzia poszczeglnych mieszaj-cych si wd. Stenie w wodzie mieszanej (Cm) wyraa si wtedy wzorem:

.i

iim Q

CQC

= (1.5)

Rys. 1.2. Przykady zalenoci stenia znacznika w wodzie mieszanej (Cm)od proporcji mieszajcych si dwch wd na tle przypadku znacznika wody.

Linia prosta dla przypadku znacznika wody. Linie krzywe dla znacznika substancji (np. 14C w 3HCO ).

Krzywa wypuka dla stosunku stenia substancji Cs1/Cs2 = 5, a wklsa dla Cs1/Cs2 = 0,2. Dla prostotyprezentacji stenia znacznika w substancji 1 przyjto jako rwne 1, a w substancji 2 jako rwne 0

Inaczej wyglda proces mieszania si wd w przypadku znacznikw substancji roz-puszczonych w wodzie. W tym przypadku stenia w wodzie zmieszanej zale zarwnood ste znacznikw w substancjach, jak i od ste substancji w wodach ulegajcychmieszaniu (Csi). W tym przypadku stenie w wodzie zmieszanej wyraa si wzorem:

.sii

isiim CQ

CCQC

= (1.6)

24

Na rysunku 1.2 pokazano przykadowo stenia w wodzie zmieszanej w przypad-ku mieszania si dwch wd ze znacznikiem wody (linia prosta) oraz dwch wdo rnych stosunkach ste substancji rozpuszczonej w skadnikach wyjciowych.Dla prostoty rysunku przyjto stenia znacznika w substancji 1 (zawartego w wodzie1) jako rwne jednoci, a w substancji 2 (zawartej w wodzie 2) jako rwne 0. atwozauway, e przy wikszym steniu substancji rozpuszczonej w wodzie 1 niw wodzie 2 (Cs1/Cs2 >1) stenia obserwowane w wodzie zmieszanej, interpretowaneza pomoc prostoliniowej zalenoci, daj zawyony udzia wody 1. I odwrotnie przyCs1/Cs2 < 1 udzia wody 1 bdzie zaniony. W kracowym przypadku braku substancjirozpuszczonej w wodzie 2 stenie znacznika substancji w wodzie zmieszanej jestrwne steniu pocztkowemu w wodzie 1, a jedynie stenie samej substancji roz-puszczonej ulega zmianie w zalenoci od proporcji mieszania si obu wd. Z rysunku1.2 wida, e stenie znacznika nie zawsze reprezentuje proporcje zmieszanych wd.Te efekty czsto maj istotne konsekwencje dla datowania wd metod 14C, co jestomwione bardziej szczegowo w Aneksie I.3.

1.2.4. Dyspersja

Przez dyspersj hydrodynamiczn rozumie si zmiany w czasie i w przestrzenistenia substancji rozpuszczonej (lub zawieszonej) w wodzie, zachodzce wskutekprzepywu. Na wielko dyspersji hydrodynamicznej ma wpyw dyfuzja molekularna,rnice w szybkoci przepywu poszczeglnych strug wody i ewentualne istnienieturbulencji. Dyspersja hydrodynamiczna ma zasadnicze znaczenie w przypadku ekspe-rymentw ze znacznikami sztucznymi i w prognozowaniu przepywu zanieczyszcze,zwaszcza o ogniskach punktowych i/lub zmiennych w czasie. W przypadku metodznacznikw rodowiskowych dyspersja odgrywa zdecydowanie mniejsz rol, chociazazwyczaj nie moe by pominita w przypadku znacznikw o zmiennymw czasie steniu na obszarze zasilania lub podczas dopywu znacznika z innych r-de zewntrznych, np. z podoa. Dla oglnego zrozumienia procesw dyspersji hy-drodynamicznej i jej konsekwencji rozwaymy kilka najprostszych systemw, zaczy-najc od przepywu laminarnego przez kapilar.

Przepyw znacznika idealnego przez kapilary by teoretycznie i dowiadczalniebadany przez Taylora (1953, 1954) oraz Gardnera i in. (1973), a typowe krzywe przej-cia znacznika zostay zebrane przez Zubera (1986b) oraz Maoszewskiegoi Zubera (1996). Wyobramy sobie, e w kapilarze z przepywem laminarnym pojawiasi jaki znacznik w postaci cienkiego plasterka na caym przekroju poprzecznym (rys.1.3A). Po krtkim czasie (t1) rozkad przestrzenny znacznika wewntrz kapilary b-dzie paraboliczny wskutek takiego rozkadu prdkoci poszczeglnych linii przepy-wu, z najwiksz prdkoci wzdu osi kapilary. Rozkad przestrzenny w ukadziejednowymiarowym jest pocztkowo liniowy (rys. 1.3B), a rozkad czasowy mierzonyw jakim przekroju w odlegoci x1 jest wysoce asymetryczny (rys. 1.3C), przy czym

25

wysoko maksimum stenia zaley od sposobu iniekcji i detekcji znacznika (ste-nia CR i CF, p. rozdz. 1.2.2). W znacznie wikszej odlegoci czas przepywu (t2) stajesi wystarczajco dugi, aby dyfuzja molekularna znacznika zupenie zmienia obrazrozkadu znacznika.

Rys. 1.3. Dyspersja znacznika sztucznego podczas przepywu laminarnego przez kapilar:A znacznik w kapilarze w chwili t = 0, po krtkim czasie przepywu (t = t1), w ktrym wpyw dyfuzji

molekularnej nie zdy si zaznaczy i dla dugiego czasu (t = t2) z dominacj dyfuzji;B jednowymiarowe rozkady przestrzenne obserwowane z zewntrz kapilary dla momentw t1 i t2,

gdzie x(Cpocz) oznacza miejsce pojawienia si znacznika po czasie t1, a x(Cmax) miejsce z maksymalnymsteniem dla czasu t2; C rozkad czasowy znacznika w maej odlegoci (x1)

bez wpywu dyfuzji oraz w duej odlegoci (x2) z dominujcym wpywem dyfuzji

Wskutek dyfuzji znacznik przechodzi z najszybszych linii przepywu wzdu osikapilary do wolniejszych linii, a rwnoczenie w ogonie z najwolniejszych liniiprzy ciankach w kierunku linii szybszych. Wskutek tego znacznik zaczyna byrwnomiernie rozoony na przekroju kapilary, tworzc chmur (rys. 1.3A). red-nie stenie znacznika w przekroju kapilary staje si opisane rozkadem normalnymz maksimum dla x = vt2, gdzie v jest redni prdkoci przepywu (rys. 1.3B). Roz-kad czasowy mierzony w jakiej odlegoci x2 od miejsca iniekcji ma charakter

26

lekko asymetryczny (rys. 1.3C), a redni czas przepywu znacznika idealnego (zde-finiowany dalej wzorem (1.12)) rwny jest redniemu czasowi przepywu wody(tw = x2S/Q, gdzie S jest przekrojem kapilary, a Q wydatkiem przepywu). Na po-rednich dugociach rozkady znacznika s nieopisane matematycznie, chocia wbardzo szerokim zakresie czas pojawienia si znacznika jest rwny czasowi prze-pywu najszybszej linii przepywu, czyli jest dwa razy krtszy ni redni czas prze-pywu wody (tw = 2 tpocz) (Zuber, 1970, 1986b). Tak wic dyspersja znacznika jestprocesem bardzo skomplikowanym nawet w przypadku przepywu przez pojedynczkapilar.

Jednorodna skaa porowata moe by w przyblieniu traktowana jako systempoczonych i przeplatajcych si kapilar. Na rysunku 1.4 pokazano schematyczniemechanizm powstawania dyspersji hydrodynamicznej podunej (wzdu linii prze-pywu) i poprzecznej dla kilku czsteczek, ktre w chwili pocztkowej znajdowaysi w orodku porowym w przekroju jednej z kapilar. Efekty te wynikaj zarwnoz rnic prdkoci midzy poszczeglnymi wolnymi przestrzeniami, jak i z rnicw ramach poszczeglnych przestrzeni (kapilar). Rwnie drobne rnice w upako-waniu ziaren skay sypkiej lub pocze w zwizej skale porowej przyczyniaj sido efektw objtych nazw dyspersji hydrodynamicznej.

Rys. 1.4. Schematyczna prezentacja powstawania dyspersji w skale porowatej

Znacznik wprowadzony krtkotrwale (iniekcja impulsowa, iniekcja chwilowa) dozafiltrowanej czci otworu bdzie wdrowa w kierunku przepywu i rwnoczenierozprzestrzenia si wskutek dyspersji w sposb pokazany orientacyjnie na rysunku1.5 (A przekrj pionowy, B widok z gry). Rozkad czasowy stenia znacznikamierzony w odlegoci x1 i x2 pokazano na rysunku 1.6A dla iniekcji krtkotrwaeji na rysunku 1.6B dla iniekcji cigej, opisanej funkcj skokow (C = 0 dla t < 0 i C =constant dla t 0).

Istniej rne opisy teoretyczne procesw dyspersji hydrodynamicznej. Najcz-ciej stosowanym opisem do celw praktycznych jest tzw. rwnanie transportu lubrwnanie dyspersji, ktre czy formalizm matematyczny rwnania dyfuzji z przepy-

27

wem. Dla przepywu prostoliniowego w jednorodnym trjwymiarowym orodku i dlaosi x przyjtej zgodnie z kierunkiem przepywu rwnanie to ma bardzo uproszczonposta:

x

Cv

z

C

y

CD

x

CD

t

CTL

+

+

=

2

2

2

2

2

2

(1.7)

gdzie jest prdkoci przepywu, DL jest wspczynnikiem dyspersji podunej, a DTjest wspczynnikiem dyspersji poprzecznej po zaoeniu takiej samej dyspersjiwzdu osi y i z (Dy = Dz). Zazwyczaj dyspersja poduna jest duo wiksza ni po-przeczna, najczciej DL = (210)DT. W danym przyblieniu wspczynniki dyspersjis skalarami. W najbardziej oglnej postaci wspczynnik dyspersji jest tensorem(Bear, 1961, Scheideger, 1963).

Rys. 1.5. Schematyczna prezentacja rozprzestrzeniania si zainiekowanego impulsowoznacznika sztucznego do jednorodnej warstwy wodononej dla dwch rnych momentw czasowych:

A w przekroju pionowym warstwy, B w przekroju poziomym

Wyidealizowany przykad rozprzestrzeniania si znacznika w warstwie wodono-nej w przypadku stosowalnoci rozwiza rwnania (1.7) pokazano na rysunku 1.5,a na rysunku 1.6 pokazane s przykady krzywych przejcia (zalenoci czasowe)mierzonych na dwch rnych odlegociach (Fried and Combarnous, 1971; Fried,1975).

Wspczynniki dyspersji hydrodynamicznej s w dobrym przyblieniu proporcjo-nalne do prdkoci przepywu, a wic zamiast nich czciej uywa si tzw. staychdyspersji wyraonych jako L = DL/v i T = DT/v (odpowiednio staa dyspersji podu-nej i poprzecznej, ang. longitudinal dispersivity i axial dispersivity lub transverse di-spersivity) przyjmujc, e stae te charakteryzuj badan ska. Zamiast staej podu-nej dyspersji, czasem wygodniej jest uywa bezwymiarowej liczby Pecleta (Pe),bdcej ilorazem dugoci drogi przepywu i staej dyspersji (Pe = x/L = vx/DL) lub

28

odwrotnoci tej liczby, nazywanej parametrem dyspersyjnym (PD = 1/Pe = DL/vx).Parametry te mona uwaa za zdefiniowane przez rwnanie dyspersji, tzn. musz oneprzyjmowa wartoci speniajce rozwizania rwnania dyspersji dla okrelonychwarunkw brzegowych i pocztkowych, opisujc rozkady przestrzenno-czasowe sub-stancji rozpuszczonej w wodzie. Im wiksze s stae dyspersji, tym bardziej szerokies rozkady znacznika zarwno w czasie, jak i w przestrzeni.

Staa dyspersji ma w przyblieniu wielko odpowiadajc liniowym rozmiaromniejednorodnoci skay, a wic dla jednorodnych piaskw jest zbliona do rednicyziaren (efekt ten moe by nazywany mikrodyspersj), a w utworach niejednorod-nych zaley przede wszystkim od skali niejednorodnoci (jest to wtedy makrody-spersja). W przypadkach przepywu przez rne utwory geologiczne mona mwio megadyspersji. W konsekwencji im wiksza skala eksperymentu, tym wikszabdzie staa dyspersji, gdy eksperyment obejmuje nowe elementy niejednorodnocibadanego systemu (np. Gelhar i in., 1979, 1992). Z tego powodu wysuwane s naj-powaniejsze zastrzeenia dotyczce poprawnoci rwnania dyspersji, gdy staedyspersji nie s staymi, a rwnanie dyspersji nie pozwala przewidzie wartocitych parametrw. Stae dyspersji zale te od przyjtego modelu (na przykadrne modele pokazane na rys. 1.11 w rozdziale 1.2.6, opisujce ten eksperyment).

Rys. 1.6. Krzywe przejcia znacznika sztucznego wzdu osi przepywuw przestrzeni trjwymiarowej mierzone na dwch rnych odlegociach

w przypadkach: A iniekcji chwilowej, B iniekcji cigej przy staym steniuznacznika wprowadzanego w sposb cigy od momentu t = 0

Prowadzone s prace teoretyczne, majce na celu znalezienie innych opisw pro-cesu migracji lub powizania staych dyspersji ze stochastycznymi wartociami para-metrw ska, np. przepuszczalnoci i porowatoci lub parametrami szczelin (Gelhari in., 1979; Gelhar i Axness,1983; Neuman i in., 1987; Tompson i Gelhar, 1990; Da-gan, 1998). Jednak dla przewidzenia wartoci staej dyspersji niezbdna jest przy-

29

najmniej znajomo rozkadw przepuszczalnoci i porowatoci (Gelhar i Axness,1983), co rzadko jest osigalne.

Wedug Himmelblaua i Bischoffa (1968), pomimo sabego uzasadnienia teore-tycznego, przydatno rwnania dyspersji mona uwaa za udowodnion wielomasukcesami praktycznymi, zwaszcza w interpretacji eksperymentw znacznikowychwymagajcych stosowania tzw. rozwiza odwrotnych, czyli szuka si wartoci para-metrw z dopasowania modelu teoretycznego do danych dowiadczalnych. W takichprzypadkach im mniejsza jest liczba szukanych parametrw, tym rozwizanie jestwiarygodniejsze. W badaniach procesw dyspersji i migracji zanieczyszcze zazwy-czaj stosuje si modele uwzgldniajce maksymalnie duo czynnikw wpywajcychna te procesy. Wikszo tych modeli ma bardzo skomplikowany opis matematyczny,nawet w przypadku przepywu przez pojedyncz szczelin (Bodin i in., 2003a, 2003b).Dla wikszoci zastosowa praktycznych wszystkie te skomplikowane modele smao przydatne ze wzgldu na du liczb parametrw.

Jeeli rozwizanie rwnania dyspersji stosuje si do interpretacji przepywu ideal-nych znacznikw lub zachowawczych substancji przez prbki ska w warunkach labo-ratoryjnych, to staa dyspersji zazwyczaj reprezentuje czyst dyspersj hydrodyna-miczn. W innych przypadkach substancja rozpuszczona w wodzie moe podlegarnym innym czynnikom, takim jak dyfuzja do stref stagnacyjnych, odwracalna lubnieodwracalna sorpcja lub te niestabilny przepyw (np. wahania zwierciada wodyi drobne zmiany kierunku przepywu). Wszystkie te czynniki bd wpyway na war-to staej dyspersji, przy czym najsilniejszy wpyw zazwyczaj pochodzi od dyfuzjido wody stagnacyjnej w mikroporach skay. Jeeli jednak zastosuje si np. rwnaniedyspersji cznie z rwnaniem dyfuzji do mikroporowatej matrycy, to dyspersja wyni-kajca z dyfuzji bdzie zredukowana, a staa dyspersji bdzie duo mniejsza, cowynika tylko z hydrodynamiki. W konsekwencji staa dyspersji bardzo zaley odmodelu przepywu przyjtego do interpretacji danych znacznikowych lub uytego dosymulacji (np. Maoszewski i Zuber, 1985; rozdz. 1.2.6).

Podczas definiowania parametrw ska, a take warunkw przepywu, istotnympojciem jest reprezentatywna elementarna objto (ang. REV, representativeelementary volume) zdefiniowana jako najmniejsza objto, dla ktrej warto dane-go parametru nie ulega zmianie przez dodanie dalszych elementw objtoci. Dlaniektrych, bardzo niejednorodnych systemw wd podziemnych, zwaszcza skakrasowych, elementarna objto moe okaza si nie mniejsza ni cay system.

1.2.5. Wiek a czasy przepywu wody i znacznika

Rozdzia ten i nastpny s wprowadzeniem w problematyk okrelania czasu prze-pywu i/lub wieku wd z danych znacznikowych. Wiek wody nie moe by jedno-znacznie zdefiniowany, gdy naley odrni systemy z wod stagnacyjn od syste-mw z wod mobiln, tzn. podlegajc wymianie wskutek istnienia zarwno strefy

30

zasilania, jak i strefy drenau. Dla systemu stagnacyjnego (czyli dla wd pogrzeba-nych) przez wiek wody rozumie si w zasadzie czas liczony od momentu separacji tejwody od strefy aktywnej wymiany wd. Jeeli w wodzie stagnacyjnej znajduje sijaki radioizotop, ktrego aktywno w wodzie ulega zmianie jedynie wskutek rozpa-du promieniotwrczego, to wiek znacznika radioizotopowego w systemie (a), uto-samiany w tym przypadku z wiekiem wody stagnacyjnej, okrelony jest ze wzoru narozpad promieniotwrczy:

C/Co = exp(a), (1.8)

czyli:

=

C

Ca

01 ln , (1.8a)

gdzie C0 i C s odpowiednio pocztkowym i mierzonym steniem radioizotopu,a jest sta rozpadu promieniotwrczego badanego izotopu. Aby wyznaczy wiek C0i musz by znane, a czsto zaoenie REV obejmuje cay badany system, tzn. odobszaru zasilania do miejsca poboru. Znaczenie wzoru (1.8) dla systemw aktywnegoprzepywu, czyli zwizek wieku znacznika radioizotopowego z wiekiem wody, om-wiono w rozdz. 2. Wzory (1.8) i (1.8a) nie dotycz wd stagnacyjnych bdcychw kontakcie z wodami mobilnymi.

W zasadzie brak jest odpowiednich znacznikw promieniotwrczych nadajcychsi do okrelania wieku wody w wodach pogrzebanych i w systemach z bardzo wol-nym przepywem, cho obiecujcym znacznikiem dla takich wd wydaje si by 81Kr.Wiek wody w takich systemach moe te by w sprzyjajcych warunkach okrelanyze stenia znacznikw produkowanych in situ, jak np. 4He i 40Ar (Aneksy I.4 i I.6.1),jeeli ich szybko powstawania w skaach jest wyznaczona z bada prbek ska re-prezentujcych dany system, a take jeeli znany jest dopyw tych gazw z gbszychwarstw.

Niekiedy mona okreli przybliony wiek wody przez ustalenie klimatu panuj-cego w czasie zasilania na podstawie skadu izotopowego tlenu i wodoru w czstecz-kach wody (rozdz. 2.1.4 i Aneks I.1) i/lub ste rozpuszczonych takich gazw szla-chetnych, jak Ne, Ar, Kr i Xe (rozdz. 1.3.6, Aneks I.5).

W zasadzie nie ma systemw naturalnych o staym przepywie wody, jednakw wielu przypadkach zaoenie staego przepywu daje zadowalajc dokadno pa-rametrw uzyskiwanych z modeli interpretacyjnych. I tak, dla systemw z przepywa-jc wod w stanie ustalonym, redni czas wymiany wody (czas przepywu wody,wiek hydrodynamiczny lub wiek wody mobilnej opuszczajcej system, redniwiek wody; w) zdefiniowany jest jako:

Q

Vmw = , (1.9)

31

gdzie Vm jest objtoci wody mobilnej w badanym systemie (lub w czci systemu),przez ktry zachodzi przepyw Q. Angielskie terminy najczciej stosowane w aktyw-nych systemach to age of water, turnover time, timescale i mean residence time.

redni czas przepywu wody w strefie nasyconej mona te wyrazi w nastpujcysposb:

ww v

x= , (1.10)

gdzie x jest drog przepywu, a vw jest redni prdkoci rzeczywist przepywuwody zdefiniowan przez prdko filtracji (vf), wynikajc z prawa Darcyego:

aa

fw n

ik

n

vv == , (1.11)

gdzie na jest porowatoci aktywn (tzn. porowatoci, w ktrej zachodzi przepyw,czsto nazywan porowatoci efektywn), i jest rednim gradientem hydraulicznym,a k jest wspczynnikiem filtracji (wodoprzepuszczalnoci).

redni czas przepywu znacznika (redni wiek znacznika na wyjciu z syste-mu) (t) mona zdefiniowa dla rzeczywistej lub wyimaginowanej iniekcji impulso-wej jako arytmetyczne urednienie czasw przepywu poszczeglnych czstek znacz-nika, reprezentowanych przez mierzone na wyjciu jego stenia w funkcji czasu:

dC

C

t

)(

)(

0

0

= , (1.12)

gdzie C() jest steniem znacznika na wypywie, wynikajcym z iniekcji w strumie-niu wody, wchodzcym do systemu (zazwyczaj jest to iniekcja impulsowa). W Anek-sie II omwiono sposoby wyznaczania wieku dla przypadkw dowolnej iniekcjiznacznika na wejciu do systemu podziemnego, czyli na obszarze zasilania.

Okrelanie wieku byoby bardzo proste, gdyby t i a zawsze byy zgodne z wie-kiem wody mobilnej (w). Jednak nawet dla znacznikw idealnych mog wystpowaomwione dalej rnice midzy t i w (lub midzy a i w). Inne przyczyny duychrnic, wystpujcych w skaach o podwjnej lub potrjnej porowatoci, omwiono wrozdz. 1.2.6.

Wiek pozorny (ang. apparent age) oznacza wiek znacznikowy systemu mobilne-go lub stagnacyjnego w przypadkach wtpliwoci co do zgodnoci z wiekiem wody.

Wiele systemw wodononych znajduje si w stanie nieustalonym, wynikajcymprzede wszystkim ze zmian w wielkoci eksploatacji. Szczeglnie ostronie trzeba

32

stosowa przyblienia stanu ustalonego dla przepyww przez due systemy wd pod-ziemnych, zawierajce wody zasilane w rnych okresach klimatycznych. W takichprzypadkach moe si zdarzy, e system bdcy aktualnie w ustalonym stanie hydro-dynamicznym niekoniecznie ma ustalony stan znacznikowy. Wiek hydrodynamicznyw takim systemie, zdefiniowany wzorem (1.9), rni si od wieku znacznika (wzr1.8a), ktry w zaoeniu ma reprezentowa czas, jaki upyn od momentu zasilaniadanej porcji wody.

Na rysunku 1.7 pokazano schemat prostego przepywu poziomego przez warstwwodonon, przy upraszczajcym zaoeniu braku dyfuzji i dyspersji (jest to tzw. mo-del tokowy dyskutowany bliej w Aneksie II.1.2). W stanach ustalonych wiek hydro-dynamiczny rwna si wiekowi wyznaczonemu metodami znacznikowymi (wiekznacznikowy), czyli wiekowi zasilania. Na rysunku jest to wiek wynoszcy 100 lat wpierwotnym stanie (grna cz rysunku). Wyobramy sobie, e zwikszamy prdkoprzepywu wody w stosunku do pierwotnego stanu ustalonego o czynnik 2. Nowyhydrodynamiczny stan ustalony bdzie osignity w krtkim czasie, gdy cinienieprzenosi si stosunkowo szybko (np. po 10. latach rodkowa cz rysunku). Usta-lony wiek hydrodynamiczny bdzie wynosi 50 lat, ale na wypywie bdzie wodao wieku zasilania 90 lat (jest to rzeczywisty wiek wody, w zaoeniu wskazywanyprzez znacznik). W tym przykadzie, dopiero po upywie 50 lat (10 + 40 = 50 lat),ustali si nowy stan znacznika, a wiek znacznikowy i hydrodynamiczny bd sobierwne (dolna cz rysunku).

Rys. 1.7. Schemat przepywu jednowymiarowego, ilustrujcy rnice pomidzy wiekiemhydrodynamicznym a wiekiem znacznikowym (szersze objanienie w tekcie)

33

Rys. 1.8. Przykad wd stosunkowo modych drenowanych przez przesikanie (A).Wskutek intensywnej eksploatacji zmienia si kierunek przesikania (B), ale przez kilka

dziesicioleci wiek wody nie ulega zasadniczej zmianie, pki modsza woda przesikajca z grynie dotrze do warstwy wodononej

atwiejsze do zrozumienia powinny by dwa dalsze przykady. Pierwszy pokazanyi objaniony na rysunku 1.8, przypuszczalnie odpowiada w przyblieniu sytuacji nie-ktrych studni w rejonie intensywnej eksploatacji wody z piaskw bogucickich oma-wianych w rozdziale 2.1 i 2.10.

Drugi przykad pokazano na rysunku 1.9 i dotyczy on wd z piaskw oligocenuw rejonie Warszawy (GZWP-215A), omawianych szerzej zwaszcza w rozdz. 2.1.5i 2.9. Wody te miay pocztkowo charakter artezyjski. Wedug Pazdry i Kozerskiego(1990) woda nawiercona z tych piaskw w 1897 r. przy ul. Zbkowskiej w Warsza-wie miaa statyczne zwierciado ok. 15 m ponad powierzchni terenu. Obecniewszystkie otwory w rejonie Warszawy wymagaj pompowania wskutek silnegoobnienia si zwierciada wody. Oznacza to, e ten obszar drenau piaskw oligoce-nu zamieni si obszar poredniego zasilania przez przesikanie. W wyniku zmianykierunku przesikania, woda w piaskach oligocenu tego rejonu, majca wiek znacz-nikowy przekraczajcy 10 tys. lat (rozdz. 2.1.5), bdzie miaa nawet wyduajcy siwiek znacznikowy, a starsza woda nie zostanie cakowicie wypartaz pprzepuszczalnych sedymentw przez przesikajce w d wody modsze, jak topokazano na rysunku 1.9. W tym caym okresie, modelowanie hydrodynamicznemoe wskazywa na znacznie modszy wiek, na przykad rzdu 1. tys. lat (Kazi-mierski i Macioszczyk, 1988). W takim przypadku uzyskanie zgodnoci metodznacznikowych i hydrodynamicznych moe by trudne lub nawet niemoliwe, zewzgldu na trudnoci w rekonstrukcji stanw nieustalonych w caej przeszoci,obejmujcej zakres obserwowanych wiekw. W takich przypadkach metody znacz-nikowe po prostu dostarczaj inny rodzaj informacji ni modelowanie hydrodyna-miczne.

34

Rys. 1.9. Fragment przekroju przez centraln cz niecki mazowieckiej (wg Kleczkowskiego i in., 1990)pomocny w zrozumieniu dugiego wieku znacznikowego wd. W warunkach naturalnych wiek

znacznikw i wody w piaskach oligocenu przekracza 10 tys. lat. Wskutek intensywnej eksploatacjinastpia zmiana warunkw przepywu i wiek hydrodynamiczny mg ulec znacznemu skrceniu,

ale nawet w przypadku czasu przesikania, wynoszcym tylko ok. 500 lat, wiek znacznikowyw oligocenie nie skrci si, a nawet moe ulec wydueniu, wskutek powrotu starszej wody:

1 utwory sabo przepuszczalne, 2 utwory dobrze przepuszczalne, 3 utwory pprzepuszczalne,4 pprzepuszczalne utwory pliocenu przykrywajce piaski oligocenu, 5 kierunki przesikania,

6 orientacyjny poziom cinienia wody w piaskach oligocenu przed eksploatacj (A) i w czasieeksploatacji (B), 7 orientacyjny poziom cinienia wody w piaskach czwartorzdowych,

8 gwne kierunki przepywu w piaskach oligocenu, 9 i 10 schematyczne zaznaczenie otworwi eksploatacji wody z piaskw oligocenu

Takie trudnoci nie powinny wystpowa, jeeli eksploatacja nie powoduje istotnychzmian w kierunkach przepywu i przesikania. Na przykad w centralnej czci utworwtriasu pnocnego GZW (GZWP-327), metody znacznikowe wykazay obecno wody owiekach przekraczajcych 10 tys. lat, co okazao si pomocne do sformuowania modelukoncepcyjnego, stanowicego podstaw do numerycznego modelu hydrodynamicznegooraz lepszego rozpoznania badanego systemu (Kowalczyk, 2003).

1.2.6. Migracja znacznikww skaach szczelinowo-porowych i krasowych

Rola i znaczenie dyfuzji w migracji substancji rozpuszczonych w wodzie przez skayszczelinowe byy wykazane teoretycznie i dowiadczalnie przez wielu autorw (np. Freeze

35

i Cherry, 1979; Grisak i in., 1980; Bibby, 1981; Sudicky i Frind, 1982; Maoszewski i Zuber,1985, 1993a). Wymiana dyfuzyjna midzy wod mobiln w szczelinach i wod stagnacyjnzawart w mikroporach blokw skalnych (matrycy) zasadniczo wpywa na migracj znacz-nika. Znaczniki rodowiskowe rwnie podlegaj dyfuzji, jak to pierwszy sugerowa Foster(1975) i nastpnie potwierdzili inni autorzy (np. Neretnieks, 1981; Barker i Foster, 1981;Maoszewski i Zuber, 1984, 1985; Zuber i Motyka, 1992, 1994, Kendall i McDonnel, 1998;Hinsby i in., 2002; Bodin i in., 2003b; Katz i in. 2004; Cook i in., 2005).

Mimo istnienia wielu niezaprzeczalnych dowodw wpywu dyfuzji do stref stagna-cyjnych na migracj znacznikw, efekt ten jest niestety cigle ignorowany przez niekt-rych autorw. Na przykad w podrczniku pod redakcj Cooka i Herczega (2000) jedy-nie w rozdziale 1. jest wzmianka o moliwoci dyfuzji 14C do ssiednich warstw. Brakjest jednak jakiejkolwiek wzmianki, e efekt ten dotyczy wszystkich znacznikw, a tak-e nawizania do innych efektw dyfuzji (np. do matrycy), wpywajcych na migracjznacznikw, chocia aspekty hydrochemiczne migracji 14C dyskutowane s bardzoszczegowo (Kalin, 2000). Podobnie Geyh (2000), omawiajc metod 14C, wymieniaefekt fizyczny rozwaony w jednej ze swoich poprzednich prac, tzn. rozcieczenieznacznika w wyniku przesikania pionowego w d przez warstw izolujc, pomijajcwszystkie inne efekty. Rwnie w monografii Clarka i Fritza (1997) rozwaono tylkoproblem dyfuzji molekularnej 14C do matrycy na podstawie pracy Maoszewskiegoi Zubera (1991), a pominito wystpowanie tego efektu w przypadku migracji wszyst-kich substancji. Takie pominicia mog by rdem wielu nieporozumie.

Dla hydrogeologa istotne s zasoby dynamiczne (czyli wielko przepywu wody)i zasoby statyczne (czyli objto wody mogca podlega przepywowi wskutek r-nicy cinie lub grawitacji). Jednak znaczniki wystpujce w postaci izotopw wbu-dowanych w czsteczki wody lub jako atomy, jony oraz molekuy substancji rozpusz-czonych w wodzie nie s idealnymi znacznikami wody mobilnej, gdy ich migracjanie jest jednoznaczna z przepywem strumienia wody. Wymiana dyfuzyjna midzywod mobiln i wod stagnacyjn powoduje powstanie rnic midzy czasem prze-pywu wody w strefie mobilnej a czasem przepywu znacznika, ktry przez jaki czasprzebywa w strefie stagnacyjnej. Prdko przepywu wody w strefie mobilnej nieulega zmianie, gdy na miejsce oznakowanych moleku wody, ktre weszy do strefystagnacyjnej wskutek dyfuzji, pojawiaj si nie oznakowane molekuy wody, ktreprzeszy ze strefy stagnacyjnej do strefy mobilnej. Wskutek tego masa i strumie mo-bilnej wody nie ulegaj zmianie, ale przepyw znacznika ulega opnieniu. Efekt tenjest niezwykle istotny, zwaszcza dla ska o podwjnej lub potrjnej porowatoci,gdzie woda stagnacyjna (lub prawie stagnacyjna) znajduje si zwaszcza w mikropo-rach matrycy skalnej. Efekt ten wystpuje take w mniejszym stopniu wskutek wy-miany dyfuzyjnej midzy wod mobiln w strefach aktywnej wymiany i stagnacyjn(lub prawie stagnacyjn) wod porow znajdujc si w ssiednich utworach, saboprzepuszczalnych przewarstwieniach i kieszeniach sedymentacyjnych, prowadzc dozawyonych wartoci wieku wyznaczonego metod znacznikow.

36

Rozwamy ska o podwjnej porowatoci, tzn. spkany grotwr, w ktrym ruchwody zachodzi w szczelinach, a bloki skalne charakteryzuj si mikroporami z wod sta-gnacyjn,lub prawie stagnacyjn (quasi-stagnacyjn). Wielko i szybko procesu wy-miany dyfuzyjnej zaley od parametrw szczelin (rozwarto szczelin, odlego midzyszczelinami i ich rozkad przestrzenny), parametrw matrycy (porowato, wspczynnikdyfuzji w porach zaleny od wzajemnych relacji midzy wielkoci moleku znacznika iwielkoci por) oraz wspczynnika swobodnej dyfuzji danego znacznika w wodzie.

Rwnanie dyspersji nawet dla najprostszego modelu szczelin, tzn. rwnolegychszczelin o jednakowych odlegociach i rozwartociach, poczonego z rwnaniemdyfuzji w matrycy daje skomplikowane rozwizania (Sudicky i Frind, 1982; Mao-szewski i Zuber, 1985, 1991).

Jednak w wyjtkowych przypadkach eksperymentw ze znacznikami sztucznymi,zwaszcza w skaach o maej porowatoci matrycy, mona efekt dyfuzji czasem zanie-dba (Aneks III). W innych przypadkach cay system szczelin czsto zastpuje simodelem jednej szczeliny o parametrach reprezentujcych urednione wartoci. Rw-noczesne stosowanie kilku znacznikw o zrnicowanych wartociach wspczynni-kw dyfuzji uatwia uzyskanie jednoznacznych rozwiza (Maoszewski i Zuber,1985, 1990a, 1993a; Maoszewski i in., 1999). W maej skali (kilka do kilkudziesiciumetrw) i dla ska o maej gstoci szczelin (powiedzmy nie mniej ni kilka szczelinna 1 m2) nawet migracj znacznikw rodowiskowych trzeba opisywa modelaminumerycznymi, np. Cook i in. (2005) do opisu profili pionowych rnych znacznikw(3H, freony, 14C i 36Cl) zastosowali numeryczny program FRAC3DVS (Therrieni Sudicky, 1996). Rwnie w przypadku koniecznoci uwzgldnienia przepywu przezmikroporowate bloki (matryc skaln) problem opisu migracji staje si bardzo skom-plikowany (Mathias i in., 2005).

Przepyw znacznikw rodowiskowych jest zazwyczaj obserwowany w skali umo-liwiajcej zastosowanie bardzo prostych przyblie. Kilku autorw wykazao niezale-nie, e redni czas przepywu znacznika zachowawczego jest taki, jak gdyby ruchznacznika zachodzi w caej objtoci wody, tzn. zarwno w systemie mobilnym, jaki w wodzie stagnacyjnej znajdujcej si w mikroporach (Neretnieks, 1981; Maoszewskii Zuber, 1985; Golz i Roberts, 1987). Schematyczna prezentacja przepywu i istniejceproste zalenoci dla przepyww w duej skali pokazane s na rysunku 1.10.

rednie opnienie przepywu znacznika w stosunku do wody mobilnej monawyrazi wspczynnikiem opnienia (Rp = vw/vt = t /w), ktry zaley jedynie odstosunku objtoci wody w caym systemie do objtoci wody mobilnej (wzr 1.13)i jest podobny w skutkach do opnienia wynikajcego z wymiany kationowej

m

mpp V

VVR

+= (1.13)

gdzie Vp jest objtoci wody stagnacyjnej znajdujc si w mikroporach, Vm jest ob-jtoci wody mobilnej, z zaoenia znajdujc si w systemie szczelin.

37

Rys. 1.10. Model komorowy pokazujcy rnic pomidzy rednim czasem przepywu znacznika (t)a rednim czasem przepywu wody mobilnej w szczelinach (w= Vf /Q, gdzie Q jest wydatkiemprzepywu), wynikajc z wymiany dyfuzyjnej znacznika midzy wod mobiln i stagnacyjn.

Czas przepywu znacznika w zaoeniu wyznaczony jest z relacji midzy steniem wejciowym (Cin)a wyjciowym (Cout). Stosunek objtoci wody w szczelinach i mikroporach reprezentowany jest

w sposb wzgldny przez stosunek wspczynnikw szczelinowatoci (nf) do mikroporowatoci (np),i wtedy tw tt nf /(np+nf) (Maoszewski i Zuber, 1985). Sorpcja moe by uwzgldniona przez trzeci

komor poczon z drug (Maoszewski i Zuber, 1990a, 1991)

Objtoci wody we wzorze (1.13) mona wyrazi poprzez wspczynniki porowa-toci i szczelinowatoci:

f

p

f

fp

pf

fp

f

fpfp n

n

n

nn

nn

nn

n

nnnR

+

+

=+

=)1(

, (1.13a)

gdzie np jest mikroporowatoci blokw skalnych (matrycy) wyraon na jednostkobjtoci bloku, a nf jest wspczynnikiem szczelinowatoci (porowatoci szczelino-w), wyraonym na jednostk objtoci caej skay.

W dobrym przyblieniu mona przyj nf = na i wtedy, korzystajc ze wzoru(1.11), otrzymuje si:

vf = navf = nf vw = (np + nf)vt npvt =

tp

xn

, (1.14)

gdzie np + nf zazwyczaj moe by zastpione przez np, poniewa prawie zawszenp >> nf (Motyka i Zuber, 1992).

Z rwnania (1.14) wynika wzr (1.15), wyraajcy zwizek midzy prawem Dar-cyego i wiekiem znacznikowym (Zuber i Motyka, 1994):

i

xn

i

vn

i

vnnk t

ptptfp

+

=)(

, (1.15)

38

gdzie k jest wspczynnikiem wodoprzepuszczalnoci, a i rednim gradientem hy-draulicznym na drodze x. Stosowalno i przydatno podanych wzorw do interpre-tacji hydrogeologicznej wiekw znacznikowych (t) okrelonych z uyciem znaczni-kw rodowiskowych zostaa wykazana w kilku pracach (np. Zuber i Motyka, 1992,1994, 1997, 1998; Zuber i Cikowski, 1997, 1999; Zuber i Michalczyk, 2001; Zuber iin., 1995, 2001a, 2004; Maoszewski i in., 1999, 2002; Katz i in. 2004). Inne moliwo-ci interpretacji ilociowej, odnoszce si do znacznikw rodowiskowych, omwionow rozdz. 2.1. W skaach okruchowych porowato ziaren jest zaniedbywalnie maa wporwnaniu z porowatoci aktywn, ale ze wzgldu na powolny proces dyfuzji moeona mie istotne znaczenie przy usuwaniu niektrych zanieczyszcze (Adamczyk iWitczak, 1985; Wood i in., 1990).

Przy odpowiednio duej skali przestrzennej wzory (1.131.15) stosuje si take doopisu migracji zanieczyszcze, jak to np. wykazano dla wglanowych utworw triasurejonu olkuskiego (Motyka i in., 1994).

Korzystajc ze wzoru (1.15), mona atwo okrela regionaln warto k, znajcredni czas przepywu znacznika t i gradient hydrauliczny i oraz mikroporowatoskay np, bez znajomoci parametrw systemu szczelin, od ktrych zaley k. I odwrot-nie, znajc redni warto k, mona atwo przewidzie redni czas przepywu zanie-czyszczenia. Praktyczne znaczenie tego wzoru wynika z nieprzezwycialnych trud-noci w bezporednich terenowych pomiarach wartoci na i/lub nf. Parametry te spraktycznie niemierzalne i pozostaj zazwyczaj nieznane, a mikroporowato jestatwo mierzalna w laboratorium na prbkach ska pobranych w odkrywkach lubz rdzeni wiertniczych (np. Motyka i Zuber, 1992).

Dla zrozumienia przepywu substancji ulegajcych sorpcji lub wymianie izotopo-wej z faz sta, mona do modelu pokazanego na rysunku 1.10 wprowadzi nastpnkomor reprezentujc pojemno sorpcyjn na powierzchni kontaktu wodaskaa,ktra jest szczeglnie dua w mikroporach i ma szczeglne znaczenie przy stosowaniumetody 14C w skaach wglanowych (Maoszewski i Zuber, 1984, 1989, 1991). Wtedyistnieje trzeci zbiornik, ktrego objto dla 14C moe by bardzo dua, co prowadzido zawyonego wieku, jak to dyskutowane jest bardziej szczegowo w rozdz. 2.1.3i Aneksie I.3.

Przepyw substancji rozpuszczonych w wodzie jest znacznie bardziej skompliko-wany w utworach krasowych, gdzie zawsze wystpuje potrjna porowato (Motyka,1998). W takich utworach cakowita porowato (n) moe by wyraona jako odpo-wiednia suma poszczeglnych porowatoci (Zuber i Motyka, 1997, 1998):

n = nk + (1 nk)nf + (1 nk nf)np, (1.16)

gdzie nk jest porowatoci kawernist. Zazwyczaj wielkoci objte nawiasami s bar-dzo bliskie jednoci i wzr (1.16) przyjmuje uproszczon posta:

n nk + nf + np. (1.16a)

39

Dla wikszoci systemw krasowych woda zawarta w mikroporach zajmuje naj-wiksz objto, speniajc nierwno (Motyka, 1998; Zuber i Motyka, 1997, 1998):

np >> nk + nf. (1.17)

Rozwarto (rednice) kanaw krasowych jest jednak duo wiksza ni rozwar-to szczelin i w konsekwencji przepyw wody mobilnej przez takie kanay jest wielo-krotnie szybszy ni przez szczeliny. W takich przypadkach opnienie przepywuznacznikw sztucznych iniekowanych bezporednio w kanaach lub ponorach, wyni-kajce z wymiany dyfuzyjnej midzy wod w kanaach a wod w szczelinach i mikro-porach, jest zazwyczaj mae i moe by pominite. Z tego powodu istnienie poczekrasowych midzy ponorami i rdami jest zazwyczaj badane za pomoc znacznikwsztucznych, a czas przepywu wody jest przyjmowany za rwny czasowi przepywuznacznika (w = t), okrelonemu np. za pomoc wzoru (1.12). Interpretacja wiekuwody w systemie jest zazwyczaj uzyskiwana z pomiarw znacznikw rodowiskaw czasie przepywu podstawowego i wtedy uzyskany wiek odnosi si jedynie do cz-ci systemu, w ktrym ten przepyw zachodzi. Stosuje si wtedy zalenoci od (1.13)do (1.15), jeeli zachodzi nierwno (1.17).

Niektre utwory krasowe charakteryzuj si niecigymi formami krasowymiw sensie przepywu poziomego (pionowe formy krasowe w postaci niepoczonychwzajemnie lejw i kominw). W tych przypadkach wzr (1.15) jest szczeglnie do-brym przyblieniem dla okrelenia wartoci k w skali regionalnej lub nawet skali cae-go systemu (Zuber i Motyka, 1997, 1998), gdy wtedy REV obejmuje du cz sys-temu.

Porowato aktywna mylona jest niekiedy z odsczalnoci, zdefiniowan jakostosunek objtoci wody uwalnianej z nasyconej skay pod wpywem siy cikoci doobjtoci skay. Odsczalno moe by mniejsza ni suma porowatoci krasoweji szczelinowej, jeeli nie wszystkie formy krasowe i szczeliny maj poczenia umo-liwiajce odpyw lub moe by wiksza, jeeli niektre pory matrycy maj wymiarywystarczajco due dla swobodnego odpywu czci wody (Motyka, 1998; Zuberi Motyka 1997).

Odchyki od podanych wzorw mog wystpi w dwch przypadkach dla substan-cji nieulegajcych sorpcji. Pierwszy, jeeli czsteczki znacznika lub innej rozpuszczo-nej substancji s zbyt due, aby mogy spenetrowa ca przestrze zajmowan przezmikropory matrycy (Motyka in., 1994). Drugi, gdy znacznik (substancja) ulega rozpa-dowi i szybciej ulegnie cakowitemu rozpadowi nim zdy spenetrowa ca prze-strze midzy ssiednimi szczelinami i powrci do szczelin (Maoszewski i Zuber,1984; Maoszewski, 1994; Zuber i Motyka, 1994). Oba wyniki prowadz do zawyo-nej wartoci k okrelonej ze wzoru (1.12) w stosunku do k znanego, np. z prbnegopompowania, gdy uyta we wzorze prawdziwa warto np przekracza warto fak-tycznie dostpn dla znacznika. Drugi z wymienionych efektw jest szczeglnie istot-

40

ny w skaach o maej gstoci szczelin, przy odlegociach szczelin dochodzcych do1 m lub wicej. Okrelenie wartoci liczbowych poprawek dla tych procesw jestpraktycznie niemoliwe i z tego wzgldu s one zazwyczaj pomijane w obliczeniach,ale ich istnienie nie powinno by ignorowane.

Rys. 1.11. Przepyw znacznika (Cl) przez blok spkanej skay o duej porowatoci,dla iniekcji opisanej funkcj skokow (C/C0 zmienione nagle od zera do 1; dane dowiadczalne

oraz krzywe 1 i 2 wg Grisaka i in., 1980; krzywe 3 i 4 wg Maoszewski i Zuber, 1984).1 przejcie znacznika obliczone wzorem (1.18) dla znanego vw i po zaoeniu braku dyfuzji;2 przejcie znacznika dopasowane rozwizaniem numerycznym uwzgldniajcym dyfuzj;

3 przejcie znacznika obliczone ze wzoru (1.18) z uyciem redniej prdkoci znacznikawedug wzoru (1.19) i po dopasowaniu jedynie L; 4 przykad przejcia znacznika obliczonego

ze wzoru (1.18) po dopasowaniu v i L (przy duej dyspersji rne pary v i L daj takie same krzywe)

Dla atwiejszego zrozumienia roli dyfuzji, a take dla wykazania pewnych trudno-ci w dobieraniu odpowiednich modeli matematycznych procesu migracji, omwionorezultaty eksperymentu Grisaka i in. (1980), uzupenione rozwizaniami Maoszew-skiego i Zubera (1984). W eksperymencie tym nienaruszony blok spkanej glinyzwaowej o dugoci 0,76 m i rednicy 0,65 m by umieszczony w cylindrycznymzbiorniku. Siatka spka miaa charakter ortogonalny, a szczeliny miay przebieg pio-nowy, zgodny z osi cylindra. Po uzyskaniu penego nasycenia wod i ustalonegowydatku przepywu zaczto dodawa Cl o staym steniu (iniekcja opisana funkcjskokow). Na rysunku 1.11 rezultaty pomiaru stenia znacznika pokazano jakopunkty, krzywa 1 reprezentuje krzyw przejcia znacznika oczekiwan w przypadkubraku dyfuzji (np. w przypadku np = 0) wyraon przez jednowymiarowe rozwizanie

41

rwnania dyspersji (wzr 1.18), przy czym v okrela zarwno prdko przepywuwody, jak i idealnego znacznika:

+

+

=)4(

exp21

)4(21

0 Dt

vtxerfc

D

xv

Dt

vtxerfc

C

C, (1.18)

gdzie C0 jest staym steniem na wejciu do modelu (x = 0), ktre pojawio siw chwili t = 0, C jest steniem znacznika w wodzie wypywajcej z modelu, x jestdugoci modelu, a D jest wspczynnikiem dyspersji hydrodynamicznej.

Krzywa 2 pokazuje rozwizanie numeryczne rwnania migracji uwzgldniajcewymian dyfuzyjn z matryc dla nastpujcych znanych parametrw: prdko rze-czywista przepywu wody vw = 29,7 m/d, rozwarto szczelin 2b = 40 m i porowatomatrycy np = 0,35. Dopasowanymi parametrami byy: staa dyspersji (L = 0,04 cm),wspczynnik dyfuzji molekularnej w matrycy (Dp = 0,51010 m2/s) i odlego szcze-lin (L = 6 cm).

Zgodnie ze wzorem (1.13a) rednie opnienie przepywu znacznika wynosi:

2641080

635,01

41

6=

+=+=

+= b

Ln

n

nnR p

f

fpp , (1.19)

gdzie 4b/L = nf jest wspczynnikiem porowatoci szczelinowej dla systemu ortogo-nalnych szczelin (dla systemu rwnolegych szczelin nf = 2b/L).

Krzywa 3 na rysunku 1.11 reprezentuje rwnie rwnanie (1.18), ale zamiast prd-koci wody mobilnej (vw), do rwnania podstawiona jest prdko znacznika (vt), wy-noszca:

112,0264

7,29 ===p

wt R

vv m/d, (1.20)

a warto podunego wspczynnika D wynika gwnie z istnienia poprzecznej wy-miany dyfuzyjnej, prowadzcej do rozmycia krzywej przejcia.

Z opisanego eksperymentu i rezultatw oblicze, prezentowanych na rys. 1.11,mona wycign kilka wanych wnioskw:

(1) Nawet w krtkotrwaych eksperymentach znacznikowych, przeprowadzonychw maej skali, dyfuzyjna wymiana znacznika midzy wod mobiln w szczelinachi wod stagnacyjn w matrycy skalnej moe zasadniczo wpywa na proces migracji.W rozpatrywanym przypadku, interpretujc prdko przepywu wody z krzywejprzejcia znacznika za pomoc zwykego modelu dyspersyjnego (tzn. bez czonuuwzgldniajcego dyfuzj, krzywa 3), otrzyma si bdn prdko wody, mniejsz odrzeczywistej prdkoci wody w szczelinach o czynnik bliski 300 razy. Jednak zwykymodel dyspersyjny umoliwia wyznaczenie bezporednio redniej prdkoci przepy-wu zanieczyszczenia.

42

(2) (L y- o- ! "#

(3) $ ! ! warunkiem koniecznym, nie jest warunkiem dostatecznym do uznania modelu zareprezentatyw # ! #

(4) Praktycznie rwnie dobre dopasowanie tego samego typu modelu, ale o r- ! s- # a-! !! Kreft, 1983).

(5) % a- " " "z-

# % & o- # ' & przez ( ) *+, *+, ! o- "(ang. PFDM parallel fracture dispersion model " ! # - Snchez-Vila i Carrera (2004), ! r- ! " mikropor #'& ! ! "# . d-niku ( # / # !! # a- " " # $

z- #

! o- # ! ! s- " mikroporach, ale dla & # & pracach (( Zuber, 1985, 1993b, Zuber i Motyka, 1994; (

43

1994; Zuber i Michalczyk, 2001; Zuber i 0 *++12 Zuber i in., 1995,2001a, 2004; ( # *+++ #

Na tej zasadzie oparte jest zastosowanie modeli komorowych, opisanych w Anek-

33 ! # ' &

# 4 a- ! !

# ' Rp razy wolniejsza (a wiek Rp razy

#

& ! i-! o- # $

! & #. " # '

!

e-zentuje starszy wiek (Hinsby i in., 2002). Smith i in. (1970) pokazali istnienie ! " # 0 ! i- & Journal of Hydrology(Vol. 294, 2004).

! a- #) & wieku hydrodynamicznego z prawa 56 ! r- ! !- # ' !& d- # ) & i znacznika.

$ o- & & !# ) ! "

# $o-& " ! o-

#

44

w badaniach wd podziemnych

) !w- ! ! ! ' o-

! 7

! ! icznych; # ! # " a-

! " !

! 2

! nia antropogeniczne; !-

! ! " ! i pod ! !2

! y-fikowanie obszaru zasilania;

!2 " " ! ! mnych; kalibracja 8

# ! !

! # 18O/16O i 2H/1H),

# 39 92-

14C)

# ' ! ! -cy 12,32 lat, a ! 1 # $ e- 13C/12C.

3 !

! # : 85; ! t1/2 =10,76 lat), 39Ar (t1/2 = 269 lat),

36Cl (t1/2 = 3,01105 lat) i 81Kr (t1/2 = 2,1105 lat) orazstosunek 234U/2384# 0 ! ! ! # ! ! e-nia siarczanw), chloru i strontu.

! ! a- ! He, Ne, Ar, Kr i

45

Tabela 1.1.

Znacznik Charakterystyka Zastosowania

Izotopy promieniotwrcze3H

14C

222Rn

85Kr

39Ar

81Kr

t1/2 = 12,32 latWytwarzany naturalnie z wybuchw termojdrowych

t1/2 = 5730 lat

t1/2 = 3,824 dnia

t1/2 = 10,76 lat

t1/2 = 269 lat

t1/2 = 2,1105 lat

identyfikacja wd zasilanych po 1952 r.,

datowanie wd zwykle w zakresie 230 tys.

o-wierzchniowych

identyfikacja wd zasilanych po 1957 r.,

datowanie wd w zakresie 102103 lat

datowanie bardzo starych wd

1.3.2, 2.1.2,I.2, II.2.2.1

1.3.4; 2.1.3,I.3

I.6.6

I.6.1, II.2.2.3

I.6.1

I.6.1

2H, 18O(w H2O)

3He

4He

13C

34S, 18O(w )SO24

15N, 18O(w )NO3

e-mian fazowych i transportuwody w atmosferze

Produkt rozpadu 3

Produkt rozpadu naturalnychszeregw promieniotwrczych

chemicznych i biochemicznych

chemicznych i biochemicznych

chemicznych i biochemicznych

identyfikacja pochodzenia wd, mieszanie

3H/3He lub 3H + 3He

szerokim zakresie

14C

pochodzenie siarczanw w wodach

1.3.1, I.1,II.2.2.5

I.2, II.2.2.2

1.3.8, 2.1.5.I.4

I.3, I.6.3

I.6.5

I.6.4

!

Ne, Ar,Kr, Xe,

SF6 iFreony(F-11, F-12, F-113)

Atmosferyczne gazy szlachetne

" pochodzenia antropogeniczne-go

i-kacja paleoinfiltracji

1.3.6, 2.1.5,I.5

1.3.3, 2.1.2,I.6.2, II.2.2.6

46

Rys. 1.12. # $Zmiany sezonowe 18O i 2

$ %& 18O i 2 ' dnie)

Wybr metod znacznikowych i sposobw ich realizacji (tzn. wyboru miejsc poboru ! ! a-

! "# ) genezy i wieku wd podziemnych, zestawiono w tabeli 1.1, a orientacyjne zakresy da- ! ! # *#* ! ! ! # y- # . i ! ! *##* *##/#

: ! a- oceanicznej i podawane w , odpowiednio jako 18O i 29# 3 " "

# !

$ *#* ! i-

! ! ! -

# #+#

(a) Zachowane wody oceaniczne zawarte w osadach badenu w rejonie GZWi k. ? 18O i 29 @# ' o- ! !

47

" ! 8 u-gowania soli.

(b) 0 a-

# *#*# & a- ! oceanicznej.

Rys. 1.13. ( #lski.()(* '2H = 818O + 10);

$ ) gdzie wyraz wolny w rwnaniu prostej wynosi 22

(c) A ! ! cznych # . *#*

A #

(d) $ ! - 8 # ' $

! # 9,3 do ok.10,5 dla 18O oraz od ok. 63 do ok. 75 dla 29 # $

! *#* # B ! ! ! " d- ! ! " l-

48

!# . *#* " o- : ! " ! !mineralnych i termalnych tego rejonu (p. rozdz. 2.3).

(e) " a- ! ! !

! 8 ! a- #

Rys. 1.14. !

$ $ $ k

(f) ! A A "

!# *#*

! ! A & ! e-

! owych.

(g) 18O i 29 m- " ! # *C@ #C*@# -& ! ! $# ! ?) malmu rejonu Krakowa i wody mineralne;>( ! 9 0 ) #

! # #+ D 3#*# E !stosuje skrtowy termin wody glacjalne (ang. glacial waters). Ten prosty i wygod- ! ! nkach.

49

(h) &

! ! ! a-cjalnych 8 o-# $ # t-kie wody siarczkowe Buska Zdroju oraz wody albu, jury i stropowych warstwkarbonu centralnego rejonu LZW.

A "

# A ! " b-

nadmiernej eksploatacji.

Rys. 1.15. ( # ' enia punktw i zakresy zasolenia).! o

(i) o- " 18O-29 ! !(WMWL). Do jednoznacznej identyfikacji takich wd konieczne jest wykorzystanie ! & ! ! " a- # : ! o-

50

$ !>

# 0 ; C # *#*# IIIs w silnie zasolonej wody acjalnego.

( j) . ! ?) 4 " 2H opadw od temperatury )# ) ! ! *#*# A

! " ! wzbogacenie w wyniku parowania (p. Aneks I.1.5).

(k) Wody ! diagenezy " 18- # F@ #+6,5 i 2H od ok. 30 do ok. @# ' ; "o-wych (Aleksandra w ( : !

: B ) :# $

!