ZIVOTNE PROSTREDIE:
Organizacie / Granty / Casopisy / Tlacove spravy / Legislativa

Z d r o j:
Nazov casopisu: Zivotne prostredie
Vydavatel: Ustav krajinnej ekologie SAV Bratislava
Rocnik: 1996, Cislo: 6

K problematike rychleho prenosukontaminantov cez podu do podzemnej vody

L. Lichner: On the Rapid Transport of Contaminants Through Soils into Groundwater. Zivot. Prostr., Vol. 30., No. 6, ..., 1996.
Rapid transport of contaminants through the unsaturated zone of soils owing to macropore flow has an unpropitious effect on the groundwater quality. Soil macropores will be active only in the case if two conditions of macropore flow are fulfilled: the macropore network is open on the soil surface and rain (or irrigation) intensity exceeds a threshold value. If the intensity of irrigation following an application of agricultural chemicals is less than the saturated hydraulic conductivity of soil matrix, the chemicals will not be washed off from the soil surface with no benefit for plants but they will be settled in relatively immobile water in soil matrix. Destruction of macropore openings at the soil surface (e. g., by ploughing) also prevents a rapid macropore flow of chemicals into groundwater.

Rychly prenos rozpustenych latok cez nenasytenu zonu pody je nevyhodny z ekologickeho i ekonomickeho hladiska. Velka rychlost prenosu umelych hnojiv korenovou zonou sposobuje malu efektivnost hnojenia a navyse sa podiela na znecistovani podzemnej vody. Rychly prenos rozpustenych latok v telese skladky a v jej podlozi (napr. cez ilovite tesnenie, vysusene a rozpukane v priebehu prevadzkovania skladky) moze mat z hladiska kvality podzemnej vody katastrofalne nasledky. A prave znepokojivy rast znecistenia podzemnej vody podmienil prehodnotenie doterajsich predstav o prenose rozpustenych latok v nenasytenej zone pody.

Podne makropory

Poda je subjektom fyzikalnych, chemickych a biologickych procesov, ktorych dosledkom je vyvoj jej struktury. Z hydrologickeho hladiska to mozno interpretovat ako pritomnost makroporov, ktore su spojite na znacne vzdialenosti a dovoluju, aby prudiaca voda obtekala casti podnej matrice (Beven, 1991) rychlostou, ktora je o niekolko radov vyssia nez rychlost prudenia vody v poroch matrice.
Na zaklade morfologie mozno makropory rozdelit do troch skupin:

Prudenie vody v pode s makropormi

Makropory tvoria len malu cast celkovej porovitosti pody (obvykle menej ako 5 %), maju vsak podstatny vplyv na prudenie vody. Prudenie vody makropormi zavisi skor od rozdielnosti priemerov porov v makroporovej a matricovej domene, nez od ich priemeru. Informacia, ze priemer poru prevysuje nejaku hodnotu este neznamena, ze nim bude prudit voda. Prudenie podmienuje vertikalna spojitost makroporov (makroporova siet) a otvorenie makroporu na povrchu pody. Okrem toho musi byt prekrocena kriticka (prahova) vyska vytopy na povrchu pody, pricom hodnota kritickej vysky zavisi od mikroreliefu. Vytopa sa na povrchu pody vytvori vtedy, ked je intenzita zavlahy alebo zrazky vacsia ako nasytena hydraulicka vodivost podnej matrice.
Na zaklade tychto poznatkov nastali zmeny v klasifikaciach podnych porov. Odmietlo sa ich rozdelenie =podla velkosti== (priemeru) na mikropory, mezopory a makropory a pristupilo sa k ich rozdeleniu na zaklade ich =funkcie==. V klasifikacii, ktoru navrhol Skopp (1981), makroporovitost oznacuje taky porovy priestor, cez ktory sa voda a v nej rozpustene latky pohybuju relativne velkou rychlostou, pricom miesanie s podnym roztokom v matrici a prenos rozpustenej latky do porov matrice su velmi obmedzene. Matricova porovitost zasa oznacuje porovy priestor, ktory prenasa vodu a v nej rozpustene latky malou rychlostou (niekolkonasobne mensou nez je rychlost prudenia vody v makroporoch), co ma za nasledok rozsiahle miesanie a pomerne rychly prenos rozpustenej latky medzi roznymi pormi. Toto rozdelenie podnych porov na dve domeny s vyrazne odlisnymi vlastnostami, t. j. na makroporovu a matricovu domenu, ukazalo sa najvyhodnejsie a bezne sa pouziva.

Nasytena hydraulicka vodivost

Nasytena hydraulicka vodivost Ks je vlastnost vodou nasytenej pody viest vodu, charakterizovana sucinitelom v Darcyho rovnici (ON 73 6518). Jej velkost zavisi od struktury a textury pody a od pritomnosti makroporov a meni sa nielen v priestore, ale aj v case (Starr, 1990).
Namerane hodnoty nasytenej hydraulickej vodivosti Ks v podach s makropormi mozu zavisiet od pouzitej experimentalnej metody a od objemu vzoriek, ak vzorky neobsahuju reprezentativny pocet makroporov (aspon 20 elementarnych jednotiek podnej struktury a takisto aspon 20 bioporov a plosnych porov). Dosledkom toho je vysoka variabilnost nasytenej hydraulickej vodivosti (obr. 1). Na obrazku su zaznamenane vysledky merani Ks na 16 neporusenych vzorkach (s priemerom 5 cm a dlzkou 6 cm) ilovitohlinitej pody odobratych na ploche 3O x 30 cm v hlbke 7 cm (Logsdon a kol., 1990).
Pri vyhodnoteni rozsiahleho suboru 90 merani nasytenej hydraulickej vodivosti pody pomocou vsakovacich pokusov, ktore vykonali pracovnici Inziniersko--geologickeho a hydrogeologickeho prieskumu (Repka a kol., 1985) v Trstine, sme sa presvedcili, ze rozmery vnutorneho valca infiltrometra casto vymedzuju objem mensi, nez je reprezentacny elementarny objem (REV) pody. Prejavilo sa to vysokou hodnotou variacneho koeficientu (CV = 402,43 %) nameraneho suboru hodnot Ks (Lichner a kol., 1990). Aj dalsie vsakovacie pokusy na siedmich miestach tejto lokality, pri ktorych sa na urcenie polohy cela omacania pouzil radioaktivny indikator 131I- (Lichner a kol., 1990), preukazali vysoku variabilnost hlbky prieniku indikatora do pody pod vnutornym valcom infiltrometra, co v pripade hlinitych alebo ilovitohlinitych pod svedci o pritomnosti makroporov.
Nasytena hydraulicka vodivost tazkych pod sa pocas sezony moze znacne menit v zavislosti od procesov tvorby a zaniku bioporov, napuciavania a zmrstovania pody a pod. Snaha, aby neporusene vzorky pody, pouzivane na laboratorne meranie Ks, neobsahovali makropory, je vlastne snahou o ziskanie casovo nezavislej hodnoty Ks. Bolo by vsak treba tuto skutocnost zvyraznit (napr. oznacenim Ksp), aby bolo zrejme, ze ide o nasytenu hydraulicku vodivost podnej matrice (v zmysle uz spominaneho rozdelenia podnych porov) alebo podnych pedov. Hodnota Ksp je pre prax velmi dolezita, lebo prudenie v makroporoch nastane len vtedy, ked intenzita dazda prekroci tuto hodnotu, co sa v nasich podmienkach stava len niekolkokrat rocne. Tato hodnota by sa mala vyuzivat aj pri navrhovani zavlazovacich systemov, lebo ked intenzita zavlahy prekroci tuto hodnotu (prejavuje sa to tvorbou vytopy na povrchu pody), zacne prudenie v makroporoch, a tym rychly prenos zivin z povrchu a korenovej oblasti rastlin do vacsich hlbok, kde uz ziviny nesluzia rastlinam, ale sposobuju znecistenie podzemnej vody.

Prenos rozpustnych latok v pode s makropormi

V Berne sa v obdobi 1994--1996 riesil svajciarsko-- slovensky projekt =Terenne merania rychleho prenosu rozpustenych latok a castic v strukturnych podach==(s prispenim Svajciarskeho narodneho fondu na podporu vedy), ktoreho cielom bolo ziskat nove poznatky o vplyve prudenia preferovanymi cestami na prenos latok v pode. Spolocne merania pohybu vody oznacenej radioaktivnym jodom 131I- v strukturnej ilovito--hlinitej pode (podny typ: ciernozem karbonatova, stredne tazka), prebiehali v juli 1995 na experimentalnej stanici Vyskumneho ustavu zavlahoveho hospodarstva v Moste pri Bratislave (obr. 2).
Na ploche 1 x 1 m sa infiltrovalo 27 mm vody oznacenej 200 MBq 131I a aplikovanej postrekom s intenzitou 15 mm. hod-1. Pohyb jodu sa sledoval Geiger--Muellerovymi detektormi umiestnenymi v 12 zapichovacich sondach. Prve meranie bolo okamzite po skonceni infiltracie (t = 1 hod). Na druhy den sa najprv zmerali zmeny koncentracneho rozdelenia jodu po hlbke, sposobene redistribuciou (t = 21 hod), potom sa postrekom aplikovalo 27 mm vody a zmeralo sa koncentracne rozdelenie po aplikacii vody (t = 25 hod) a po jej redistribucii (t = 45 hod). Na treti a stvrty den nasledovali dalsie dve aplikacie po 27 mm vody spojene s meraniami koncentracneho rozdelenia po aplikacii (t = 49 hod, t = 73 hod) a po redistribucii vody (t = 69 hod, t = 99 hod). Schema rozmiestnenia meracich zariadeni je na obr. 3. Germann a Mdaghri z Univerzity v Berne sledovali prudenie vody piatimi vlhkomermi TDR, umiestnenymi v hlbkach 10, 30, 50, 70 a 90 cm (Mdaghri a kol., 1996). Lichner a Novak z Ustavu hydrologie SAV v Bratislave merali prenos rozpustenych latok v pode v 12 miestach do hlbky vacsej ako 100 cm radioindikatorovou metodou (Lichner a kol., 1994; 1996). Stredne hodnoty vysledkov, tychto merani uvadza tab. 1.
Z nameranych vysledkov vidno vplyv prudenia makropormi na prenos jodu v pode, ked po prvej aplikacii 27 mm vody (s radioaktivnym jodom) sa jod dostal do hlbky 50--60 cm a po troch dalsich aplikaciach rovnakeho mnozstva (cize spolu 81 mm vody) a redistribuciach sa hlbka prieniku jodu zvacsila len o 20 cm. V tomto pripade sa jod ako nereaktivny indikator (inkorporacii radioaktivneho jodu do podnych mikroorganizmov sme sa snazili zabranit nasytenim pody neaktivnym jodom pred zaciatkom merani) pohyboval rovnakou rychlostou ako voda. Na zaklade takychto zisteni by sa mali upravit pociatocne podmienky modelov popisujucich prenos rozpustenych latok v pode bez zohladnenia vplyvu makroporov, napr. do konvektivno--disperzneho modelu zaviest pociatocnu podmienku, ze v case t = 0 sa rozpustena latka nenachadza na povrchu, ale ze jej koncentracia v zavislosti od hlbky ma napr. lognormalne rozdelenie, ktoreho parametre mozno urcit z niekolkych radioindikatorovych merani. Vhodnejsie ovsem je vsak pouzivanie modelov zohladnujucich vplyv makroporov na prenos rozpustenych latok v pode, napr. modelu vyuzivajuceho teoriu kinematickej vlny (Levy, Germann, 1988).

Na znizenie strat agrochemikalii z korenovej zony v dosledku prudenia makropormi treba tieto latky (po ich povrchovej aplikacii) zaviest do pody takym sposobom, aby sa usidlili v pomerne nepohyblivej vode v matrici. Jednou z moznosti je znizenie rychlosti aplikacie vody pri postrekovej alebo kvapkovej zavlahe tak, aby sa na povrchu pody nevytvorila kriticka vyska vytopy. Intenzita zavlahy by teda mala byt mensia nez nasytena hydraulicka vodivost podnej matrice. Druhou moznostou je povrchova orba, ako ju demonstroval Bouma a kol. (1982). Na neporusenu vzorku pody nasypali vrstvu piesku a takto zamedzili pristup vody a rozpustenych latok do makroporov. Dosledok povrchovej orby je vytvorenie vrstvy s malymi agregatmi. Makropory v tomto pripade nie su otvorene na povrchu pody, co je jednou z podmienok existencie prudenia v nich. Beven, K., 1991: Modeling Preferential Flow: An Uncertain Future? In Proc. Nat. Symp. Preferential flow. Chicago 1991, p. 1--11.
Beven, K., Germann, P., 1982: Macropores and water flow in soils. Water Resour. Res., 18, 1982, 5, p. 1311--1325.
Bouma, J., Belmans, C. F. M., Dekker, L. W., 1982: Water Infiltration and Redistribution in a Silt Loam Subsoil With Vertical Worm Channels. Soil Sci. Soc. Am. J., 46, 1982, 5, p. 917--921.
Levy, B. S., Germann, P. F., 1988: Kinematic Wave Approximation to Solute Transport along Preferred Flow Paths in Soils. J. Contam. Hydrol., 3, p. 263--276.
Lichner, L. a kol., 1990: Prenos znecistenia v nenasytenej zone. (Vyskumna sprava). Inziniersko--geologicky a hydrogeologicky prieskum, Zilina.
Lichner, L., Majercak, J., Slabon, S., Stekauerova, V., 1994: Prenos rozpustenych latok v pode. Bratislava. Veda.
Lichner, L., Novak, V., Germann, P., Mdaghri, A., 1996: In-situ Measurements of Solute Transport in Structured Soils by Means of Nuclear Tracer Technique. Annales Geophysicae, Suppl. to Vol. 14, 1996, 323 pp.
Logsdon, S. D., Allmaras, R. R., Wu, L., Swan, J. B., Randall, G. W., 1990: Macroporosity and its Relation to Saturated Hydraulic Conductivity under Different Tillage Practices. Soil Sci. Soc. Am. J., 54, 4, p. 1096--1101.
Mdaghri, A., Germann, P., Lichner, L., Novak, V., 1996: Field Measurements of Water and Solute Transport in Structured Soil using TDR and Radioactive Tracer Technique. Annales Geophysicae, Suppl. II to Vol. 14, 1996, p. C 323.
ON 73 6518. Nazvoslovi v hydropedologii. Praha 1976.
Repka, T., a kol., 1985: Miera antropogenneho ovplyvnovania podneho systemu vo vztahu k hydrosfere na modelovom povodi Rosuchovskeho potoka. (Vyskumna sprava). Inziniersko--geologicky a hydrogeologicky prieskum, Bratislava Skopp, J., 1990: Comment on "Micro-, Meso-, and Macroporosity of Soil". Soil Sci. Soc. Am. J., 45, 1981, 6, 1246 pp.
Starr, J. L., 1990: Spatial and Temporal Variation of Ponded Infiltration. Soil Sci. Soc. Am. J., 54, 1990, 3, p. 629--636.

Tab. 1. Zavislost relativnej koncentracie 131I od casu vo vybranych hlbkovych intervaloch
Relativna koncentracia 131I v hlbke [cm]
Cas [hod]
0- 10
X.20
20- 30
30- 40
40- 50
50- 60
60- 70
70- 80
1
0,447
0,289
0,157
0,078
0,025
0,005
21
0,404
0,295
0,164
0,091
0,038
0,009
25
0,299
0,319
0,2
0,119
0,05
0,012
45
0,25
0,286
0,212
0,151
0,077
0,021
0,002
49
0,203
0,264
0,225
0,174
0,096
0,032
0,006
69
0,179
0,236
0,208
0,182
0,123
0,056
0,015
0,001
73
0,149
0,221
0,213
0,191
0,137
0,068
0,019
0,002
99
0,131
0,197
0,193
0,184
0,151
0,093
0,04
0,01

Text k obrazkom:
1. Priklad zmien nasytenej hydraulickej vodivosti Ks nameranej na 16 neporusenych vzorkach neobrabanej pody odobratych z plochy 30 x 30 cm v hlbke 7 cm
2. Sprava A. Mdaghri, P. Germann a L. Lichner pri spolocnych meraniach v Moste pri Bratislave
3. Schema rozmiestnenia meracich zariadeni pri experiment "Most 1995".


Z d r o j:
Nazov casopisu: Zivotne prostredie
Vydavatel: Ustav krajinnej ekologie SAV Bratislava
Rocnik: 1996, Cislo: 6
ZIVOTNE PROSTREDIE:
Organizacie / Granty / Casopisy / Tlacove spravy / Legislativa