15 ZNA ILNOSTI PRETAKANJA PADAVIN SKOZI VADOZNO CONO KRASA Janja Kogovšek * Povzetek Padavine na krasu prenikajo neposredno s površja v njegovo notranjost. Najprej se pretakajo skozi vadozno cono, nato pa prek stalno zalite cone koncentrirano iztekajo skozi kraške izvire, ki so na krasu skoraj edini vir pitne vode. Padavine se glede na padavinske razmere ter zapolnjenost prsti in zgornjega dela vadozne cone – epikraške cone z vodo zelo razli no pojavljajo globlje v krasu, kjer jih kot kapljanja ali curke opazujemo v podzemnih jamah. Pri tem padavine spirajo razpolo#ljive snovi s površja, tudi onesna#enje, ki tako lahko dose#ejo kraške izvire. Iste poti pa ubirajo tudi razlite snovi ob najrazli nejših nesre ah na kraškem površju. Preu evanje pretakanja padavin in prenosa snovi s sledenjem okoljskih parametrov in s sledilnimi poskusi z umetnimi sledili so pokazali sorazmerno hitro pretakanje in hiter prenos snovi v asu izdatnejših in pogostejših padavin jeseni (od 0,7 do 4,3 m/h) ter po asnejši in dolgotrajnejši prenos snovi v sušnejših razmerah. Sledenje, ko smo s sledilom injicirali tudi ve jo koli ino vode kot simulacijo razlitja nevarne snovi ob nesre i na kraškem površju, je pokazalo zelo hitro pretakanje po najprepustnejšem prevodniku (80 m/h) in zelo po asno po spletu slabo prepustnih prevodnikov (0,05 m/h), kar pomeni daljše zadr#evanje v jamskem stropu in zakasnelo spiranje v smeri izvirov. Uvod Za kraški svet, ki predstavlja ve kot 43 % Slovenije, je zna ilno, da padavine neposredno prenikajo skozi prst in karbonatne kamnine ter napajajo kraške vodonosnike. Padavine po prehodu prsti vstopajo v vadozno cono, ta lahko obsega od nekaj pa do ve sto metrov debele karbonatne kamnine, kjer je kamnina v stiku z vodo in zrakom. Dosedanje raziskave ka#ejo na veliko heterogenost. Na eni strani gre za pomembno zadr#evanje padavin v zgornjem delu vadozne cone, v epikraški coni, medtem ko se po prepustnejših razpokah voda pretaka hitreje. Pretakanje po kanalih, kot je pretakanje rek ponikalnic od ponora do izvira, pa je še hitrejše, saj so sledilni poskusi pokazali hitrosti do 4 oz. 5 cm/s, v nekaterih primerih pa celo ve je hitrosti (Kogovšek, 2000b). Seveda pa so hitrosti pretakanja zelo odvisne od hidroloških razmer. Padavinska voda, ki doteka v kraški vodonosnik, pogojuje najprej iztekanje stare, kasneje pa tudi nove vode skozi kraške izvire, od katerih so številni zajeti za oskrbo prebivalstva s pitno vodo. Padavine odnašajo s seboj tudi razpolo#ljivo onesna#enje (odlagališ a odpadkov, kmetijske površine, prometnice...), po teh istih poteh pa se pretakajo tudi teko ine, ki iztekajo ob razli nih nesre ah na kraškem površju (naftni derivati in druge). Vse to onesna#enje ogro#a kakovost kraških izvirov, zato je zelo pomembno poznavanje na ina pretakanja in prenosa snovi v krasu, kar nam omogo a ustrezno na rtovanje aktivnosti na površju, v primeru nesre pa hitro in pravilno ukrepanje. Naše raziskovanje pretakanja vode in prenosa snovi s površja skozi 100 m debele apnence do Glavnega rova v Postojnski jami je obsegalo sledenje okoljskih parametrov (fizikalno-kemi nih) in sledenja z umetnimi sledili ob razli nih padavinskih razmerah. V Postojnski jami, v neposredni bli#ini Kristalnega rova 100 m pod površjem, smo pri curkih in kapljanjih (I, J, L, G in H) z razli no izdatnostjo ugotovili onesna#eno preniklo vodo (Slika 1). Vir onesna#enja je bil manjši vojaški objekt na površju, kjer so do pomladi * mag. Janja Kogovšek, Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Postojna, Titov trg 2 16 1991, ko je jugoslovanska vojska zapustila obmo je, odpadne vode po usedanju v sedimentacijskem bazenu ponikale v izkopano ponikovalnico globine 4 m. Od pomladi 1991, ko ni bilo ve sve#ega onesna#evanja, se je spiralo le še staro onesna#enje po mre#i prevodnikov v Postojnsko jamo. Slika 1: Opazovana kapljanja in curki v Postojnski jami 100 m pod površjem (izdelala Stanka Šebela) Be leta 1988 smo za eli z ob asnimi meritvami in analizami 5 curkov in kapljanj ter jim dolo ali: pretok, pH, specifi no elektri no prevodnost, karbonate, kalcij, magnezij, kloride, nitrate, sulfate in o-fosfate. Te meritve in analize ob asno potekajo še danes. Zaradi razli ne stopnje onesna#enja v posameznih curkih in kapljanjih ob razli nih pretokih smo predvidevali razli en na in pretakanja skozi 100 m debel jamski strop. Razlike v pretakanju smo nato ugotavljali s sledilnimi poskusi. Novembra 1996 smo izvedli sledilni poskus v naravnih razmerah, tako da smo uranin injicirali tik pred padavinami, ki smo jih tako ozna ili in spremljali njihov pojav v jami. Ob sledenju junija 1993 pa smo v sušnih razmerah injicirani uranin zalili z ve jo koli ino vode. Metode dela Debelina jamskega stropa, dolo ena na osnovi stabiliziranega poligona v jami in prenosa poligonskih to k na površje, znaša 100 m z natan nostjo do 0,5 m. Izmera elementov poligona je bila napravljena z elektronskim razdaljemerom NIKON DTM-A10 LG. Meritve pretoka curkov in kapljanj smo opravljali z ustreznim merilnim valjem in štoparico. Na to ki I smo merili le del celotnega pretoka, ker je del vode polzel po sigovi kopi. Za podatke o koli ini padavin smo uporabili meritve Hidrometeorološkega zavoda RS za padavinsko postajo Postojna. Vzorce vode kapljanj in curkov smo zajemali ro no in 17 neposredno v polietilenske steklenice. V sledilnem poskusu smo zajemali vodne vzorce tudi z avtomatskim vzor evalnikom WTW PB 10/T. Specifi no elektri no prevodnost (referen na temperatura 25 °C) kot tudi temperaturo smo dolo ali takoj ob zajemu vzorca s prenosnim aparatom WTW LF 196, kasneje pa z LF 597. Vsebnost kloridov smo dolo evali po standardni metodi z #ivosrebrovim nitratom, sulfate po standardni turbidimetri ni metodi, o-fosfate po standardni metodi s kositrovim kloridom (Standard Methods, 1992), vsebnost nitratov pa po metodi z natrijevim salicilatom. Flourescenco vzorcev sledilnega poskusa smo merili z luminiscen nim spektrometrom PERKIN ELMER LS 30 pri ekscitacijskem maksimumu 492 nm in emisijskem maksimumu 515 nm z mejo dolo ljivosti 0,005 ppb. Hitrosti pretakanja vode smo podajali glede na razdaljo med to ko injiciranja in curkom, kjer se je pojavilo sledilo. Zato so tako dobljene vrednosti navidezne hitrosti pretakanja. Dejanske vodne poti so daljše in zato so tudi dejanske hitrosti pretakanja ve je. Sledilna poskusa V prvem sledilnem poskusu smo 7. junija 1993 v sorazmerno sušnih razmerah na dno ponikovalnice vlili 0,5 m 3 vode, nato injicirali raztopino 60 g uranina, ki smo jo sprali s 5,5 m 3 vode v asu 1 ure. V jami smo opazovali 20 curkov in kapljanj (Kogovšek, 1997). Pred injiciranjem je od januarja do maja 1993 padlo skupno le 160 mm padavin, maja le 26 mm, 4 dni pred injiciranjem pa še 30 mm. Pretoki curkov in kapljanj so bili zelo nizki. Po injiciranju so do za etka septembra, ko so vsi curki v jami prvi izrazito reagirali, sledile le neizdatne padavine, skupno 330 mm. Pri tem moramo upoštevati veliko evapotranspiracijo. Septembra in oktobra je nato padlo še blizu 700 mm de#ja. Drugi sledilni poskus smo izvedli 17. novembra 1996. Štiri tedne pred injiciranjem je padlo skupno le 15 mm de#ja, medtem ko so bili september in prvi dve dekadi oktobra dobro namo eni. Tik pred injiciranjem raztopine 15 g uranina je padlo 5.2 mm de#ja, ponovno je za elo de#evati 4 ure po injiciranju, naslednji dan pa je padlo prek 90 mm de#ja. Do konca meseca je padlo še dobrih 100 mm de#ja (Kogovšek, 2000). Vzor evali smo na 9 to kah v jami. V obeh primerih smo sledilo injicirali na dno izkopane ponikovalnice, 4 m pod površjem. Rezultati Sledenje junija 1993 Injicirano sledilo se je pojavilo v najizdatnejšem curku I, v manjših curkih J in H ter v kapljanjih G, L in K. Le 75 minut po kon anem zalivanju z vodo na injicirni to ki je prišlo do so asne reakcije pretoka izdatnejšega curka I in pojava sledila. Pretok je v 15 minutah dosegel maksimalno vrednost 670 ml/min, kar je le polovica maksimalnega pretoka curka, in je #e po 2 urah upadel na 50 ml/min. O itno je vlita voda potisnila raztopino uranina le po najprepustnejšem prevodniku v curek I. Ta je bil zaradi velike prepustnosti tedaj »brez vode«, kar nakazuje izredno visoka za etna koncentracija uranina, 22 mg/l. Hitrost pretakanja, ra unana glede na as injiciranja in pojav maksimalne koncentracije, je bila 80 m/h (Tabela 1). Del uranina se je spiral tudi skozi curke in kapljanja G, H, J, L in K, vendar šele po padavinah, ki so sledile (Slika 2). 18 Slika 2: Pojav uranina v opazovanih kapljanjih in curkih v Postojnski jami po injiciranju sledila junija 1993 Prve sledi uranina so se v curku H pojavile 3 dni po injiciranju, in sicer po prvih manjših padavinah (14 mm), ko se je za el oblikovati vodni val. Nadaljnjih 93 mm de#ja do 17. dne po injiciranju je pogojevalo oblikovanje zaobljenega sledilnega vala, kar nakazuje podobno zvezno odtekanje sledila kot skozi curek I ob sicer znatno manjši prepustnosti prevodnika v curek H. V kapljanju G se je pojavil uranin šele 17 dni po injiciranju ter oblikoval bolj strm in krajši sledilni val, medtem ko je pretok le minimalno zanihal. V kapljanju J in L ter ob asnem curku K smo uranin dolo ili šele septembra, 3 mesece po injiciranju, ko je padlo prek poletja 330 mm de#ja, tri dni pred pojavom sledila pa še 110 mm. Pretoki curkov in kapljanj so se prvi po injiciranju z nizkih ustaljenih vrednosti pove ali na 5-kratne ali celo ve kot 5-kratne vrednosti. Od opazovanih curkov je najve uranina izteklo skozi curek I. Do prvega intenzivnejšega de#ja 16 dni po injiciranju, ko je prej ve krat v manjših koli inah padlo skupno 47 mm de#ja, je skozi curek I izteklo 180 l vode in 1,1 % injiciranega sledila. To nakazuje, da se je ve ina uranina zadr#ala v jamskem stropu in so jo spirale nadaljnje padavine, in sicer kar nekaj let. Na obmo ju jamskih rovov smo s podrobnim vzor evanjem sicer zajeli vse dostopne curke in kapljanja, vendar dopuš amo mo#nost delnega odtoka vode s sledilom tudi izven obmo ja jamskih rovov. Tako ni mo#no narediti izra una bilance povrnjenega sledila. Spremljanje sledila v curkih tekom let pa je pokazalo dinamiko njegovega spiranja. Pred pojavom sledila je skozi kapljanja in curke izteklo od 10 do prek 400 l stare vode, ki je bila shranjena v zaledjih curkov. Ob pojavu uranina je za ela iztekati skozi curke stara voda iz epikraške cone med površjem in globino 4 m, nato pa šele nova voda. Ugotavljamo, da je uranin iztekal skozi curke in kapljanja G, H, J in L ve kot dve leti, ko je padlo skupaj 3600 mm padavin. Po dveh letih je koncentracija uranina v curkih in kapljanjih namre prvi upadla do meje dolo ljivosti. Verjetno se je uranin v manjših koncentracijah pojavljal še kasneje ob spiranju po padavinah. Le curek I je po dveh letih še vedno dosegal koncentracije uranina okoli 0.7 ppb. Ponovne meritve fluorescence pred izvedbo sledenja novembra 1996 so pokazale nekoliko povišane signale curka I v primerjavi z vrednostmi pred sledenjem 1993, zato sklepamo, da se je junija 1993 injicirani uranin spiral v sledeh še po treh letih in pol, ko je po injiciranju padlo skupno 6000 mm padavin. To pomeni, da je skozi curke iztekal tudi del vsaj tako stare vode. 1,E-03 1,E+00 1,E+03 1,E+06 1. 6. 30. 8. 28. 11. 26. 2. 27. 5. 25. 8. 23. 11. 21. 2. 22. 5. Koncentracija uranina (mg/m 3 ) I G H J L 1993 1994 1995 19 O itno je z vodo slabo zapolnjena mre#a prevodnikov v zaledju curkov ob to kovno vliti vodi 4 m pod površjem, ki je potisnila uranin globlje v epikraško cono, omogo ala odtok le po najprepustnejšem osrednjem prevodniku v curek I. Šele kasnejše padavine, ki so razpršeno zapolnjevale zaledja curkov, pa so pogojevale pretakanje vode po širši mre#i razpok in spiranje zastalega uranina, a skozi najslabše prepustne perevodnike v curek J in kapljanje L šele po 3 mesecih, po prvih izdatnih jesenskih padavinah. Bakalowicz et al. (1974) so ugotavljali vlogo epikrasa, ki odvaja vodo v sistem šele, ko je dovolj zapolnjen z vodo. Tudi Williams (1983) ugotavlja, da je iztok iz epikraške cone po asnejši kot dotok vanjo. Zato zadr#evanje v epikraški coni povzro a znatne zakasnitve v odtoku vstopajo ih razpršenih padavin (Klimchouk, 1995). Raziskave Gunn-a (1983) v Novi Zelandiji in Williams-a (1983) v Zdru#enih dr#avah Amerike ka#ejo, da taka zakasnitev lahko traja od 2-14 tednov. Sledenje novembra 1996 v naravnih razmerah Tudi v asu sledenja v naravnih razmerah novembra 1996 so imeli curki sorazmerno nizke pretoke, vendar smo sklepali na boljšo zapolnjenost epikraške cone z vodo. Intenzivne padavine, ki so sledile, ko je v 5 urah padlo 40 mm de#ja, so povzro ile hiter porast pretokov, najprej v curku I. Prve sledi uranina so se pojavile v curku I s 4-urno zamudo za porastom pretoka (21 ur po injiciranju), ko je iz zaledja curka #e izteklo okoli 300 l vode brez sledila, torej vode, ki je bila uskladiš ena v njegovem zaledju #e pred de#jem. De# jo je potisnil v curek I podobno kot kasneje uranin (Slika 3). Slika 3: Pojav uranina v opazovanih curkih in kapljanjih po injiciranju novembra 1996 Pretok kapljanj L in K je reagiral 10 ur za curkom I, po nadaljnjih 3 urah pa se je pojavil tudi uranin (30 ur po injiciranju). Skozi kapljanje L so do pojava uranina iztekli le 4 l stare vode, skozi K pa 22 l. Curek K je imel vodo le pet dni. Pretok stalnega curka J je za el naraš ati 6 ur za curkom I, vendar pa se je sledilo pojavilo v curku J nekako 20 ur po reakciji njegovega pretoka (43 ur po injiciranju), ko je skozi curek izteklo okoli 60 l stare vode. Ve ja zakasnitev in oblika sledilne krivulje nakazujeta po asnejše pretakanje po obširnejši mre#i slabo prepustnih prevodnikov v curek J (Kogovšek, 2000a). V curkih G in H smo bele#ili vrednosti fluorescence le nekoliko nad mejo detekcije. Glede na sledenje junija 1993, ko smo uranin to kovno zalili z vodo in je uranin oblikoval 0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 22. 10. 21. 11. 21. 12. 20. 1. 19. 2. 21. 3. 20. 4. 20. 5. 19. 6. 19. 7. 18. 8. Koncentracija uranina (mg/m 3 ) I J L K 1996 1997 20 izraziti sledilni krivulji ob minimalnih porastih pretokov, je prišlo po padavinah novembra 1996 do razpršenega napajanja s celotnega zaledja curka in do ve jih razred itev. V prvem mesecu po injiciranju, ko je padlo 270 mm de#ja, je izteklo skozi curek I le 0,1 % injiciranega sledila. Koncentracija uranina je v kapljanju L upadla pod mejo dolo ljivosti (0.005 mg/m 3 ) #e po dveh mesecih, v curku J pa po 4 mesecih iztekanja. V curku I smo zabele#ili prvi upad koncentracije uranina do meje dolo ljivosti po 20 mesecih, ko je padlo skupaj 2250 mm padavin. Predvidevamo, da je prihajalo do dokon nega spiranja uranina še ob padavinah, ki so sledile. V primerjavi z ugotovitvami sledenja junija 1993 v sušnih razmerah je v razmerah bolje zapolnjene epikraške cone z vodo in izdatnejših padavinah, ki so sledile, pretakanje vode in prenos topnih snovi zvezen in opazno hitrejši, z manjšimi razlikami med razli no prepustnimi prevodniki. Prenos onesna enja Ob asne analize vsebnosti kloridov, nitratov, sulfatov in o-fosfatov ter specifi ne elektri ne prevodnosti curkov in kapljanj G, I, J, L, so v asu od 1988 do 2002 pokazala razlike med curki ter nihanja in upadanje teh parametrov s asom. Meritve do pomladi 1991 odra#ajo vpliv aktivnega onesna#evanja s površja, po tem datumu pa le še spiranje starega onesna#enja z dna ponikovalnice, kjer je ostala plast finega organskega sedimenta in onesna#enja iz jamskega stropa. Analize so zajele razmere razli nih pretokov, za primerjavo pa smo so asno zajemali in vzor evali tudi » isti« curek, ki le#i izven obmo ja onesna#enja. Analize nitratov, kloridov, sulfatov in o-fosfatov so pokazale najve je onesna#enje curkov I in J, nekoliko manj kapljanja L, najmanj pa curkov G in H. Curka I in J imata zelo podobna poteka nitratov in kloridov (Kogovšek, 1997), tako po velikosti kot po asovni razporeditvi. Po prenehanju aktivnega onesna#evanja je prišlo v asu treh let do intenzivnega spiranja in hitrega upadanja koncentracij, nato pa do po asnejšega spiranja in pribli#evanja izhodnim vrednostim v asu nadaljnjih 8 let, pri kloridih celo nekoliko hitreje. Spiranje sulfatov in o-fosfatov je po asnejše in po 11 letih še traja. Najve je razlike smo ugotavljali pri prenosu o-fosfatov, kjer asovni potek ka#e bistveno po asnejše spiranje skozi curek J v primerjavi s curkoma I in L. Zaklju$ki Meritve sestave prenikle vode na štirih to kah v jami: v izdatnejšem curku I, stalnejšem in manj izdatnem curku J ter kapljanjih G in L ter vzporedno na referen ni to ki ( ista prenikla voda) so pokazale na razli no stopnjo izhodne onesna#enosti glede na meritve SEP, nitrate, kloride, sulfate in o-fosfate. Spiranje s padavinami tekom let po prenehanju aktivnega onesna#evanja je pokazalo razlike v spiranju posameznih snovi kot tudi razlike v spiranju po razli no prepustnih prevodnikih. Nitrati in kloridi so se spirali skozi najbolj onesna#ena curka I in J ter kapljanje L intenzivno 3 leta, v nadaljnjih 8 letih pa so dosegli vrednosti referen nega neonesna#enega curka. Spiranje sulfatov in o-fosfatov je po asnejše in po 11 letih še traja. Najve je razlike smo ugotavljali pri prenosu o-fosfatov, ki se bistveno po asneje spirajo skozi curek J v primerjavi z drugimi curki. Kapljanje G je izkazovalo ves as manjše onesna#enje, kar nakazuje slabšo povezavo z virom onesna#enja na površju. 21 Razlike v pretakanju in prenosu snovi, ki sta jih pokazala sledilna poskusa (Tabela 1), pripisujemo predvsem razlikam v zapolnjenosti epikraške cone v asu injiciranja ter koli ini in razporeditvi padavin, ki so sledile, kar je pogojevalo razli en prenos sledila. Trickle G H I J K L V dom (m/h) : 6.1993 0,23 0,12 80 0,05 0,05 0,05 V dom (m/h) :11.1996 4,3 0,7 1,0 1,0 Tabela 1: Navidezne hitrosti pretakanja sledila (v dom v m/h) v posamezne curke v sledenjih junija 1993 in novembra 1996, ra unane glede na as injiciranja Dvakrat dalj asa trajajo e spiranje uranina, ko je padlo 2,5-krat ve padavin, ob injiciranju 60 g junija 1993 v primerjavi z injiciranjem 15 g novembra 1996, je do dolo ene mere odraz ve je koli ine sledila, predvsem pa posledica razli ne zapolnjenosti vadozne cone pred injiciranjem in na ina za etnega spiranja oz. zastajanje uranina v slabo prepustnem delu. Dotok padavin v curke, ki sicer dobivajo vodo tudi po prepustnejših prevodnikih, je v daljših sušnih obdobjih minimalen ali celo izostane. Vendar pa so taki prevodniki sposobni prevajati teko ine tudi v sušnih razmerah v primeru ve jih to kovnih izlitij ob raznih nesre ah. Torej lahko pri akujemo hiter pojav izlite snovi, tudi nevarnih snovi, brez ve jih razred itev. Na obmo jih slabše prepustnosti pa ne pride do takojšnjega prenosa, temve do uskladiš enja v slabo prepustnem delu vadozne cone (v našem primeru do 3 mesecev) in iztekanja šele po dovolj izdatnih padavinah, ki potisnejo izlite snovi v prepustnejše dele vadozne cone. V razmerah boljše zapolnjenosti slabše prepustnega dela vadozne cone in izdatnejših padavin, kot je bilo v sledenju novembra 1996, pa izdatne padavine pogojujejo postopno, sorazmerno hitro zapolnjevanje celotnega zaledja curkov, vklju no z mre#o najslabše prepustnih razpok, ter so asno iztiskanje in potiskanje uskladiš ene vode iz epikrasa v vadozno cono. Gre za zvezen prenos snovi po vseh razpolo#ljivih razpokah, za hitrejše pretakanje ter za krajše zadr#evanje v slabše prepustnih delih vadozne cone, ko prihaja tudi do ve jih razred itev. Literatura American Public Health Association, 1992: Standard methods for the Examination of Water and Wastewater 18 th Edition, Washington D.C. Bakalowicz, M., Blavoux, B. & A. Mangin, 1974: Apports du tracage isotopique naturel a la connaissance du fonctionnement d'un systeme karstique – teneurs en oxygene-18 de trois systemes des Pyrenees, France. Journal of Hydrology 23:141-158. Gunn, J., 1983: Point-recharge of limestone aquifers – a model from New Zealand karst. Journal of Hydrogeology 61:19-29. Klimchouk, A., 1995: Karst morpogenesis in the epikarstic zone. Cave and Karst Science 21(2):45- 50. Kogovšek, J., 1997: Pollution transport in the vadose zone. In: Günay G & Johnson A.I., Karst waters & environmental impacts: proceedings. A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfield, pp 161- 165. Kogovšek, J., 2000a: How to determine the way of percolation and transport of substances by water tracing test in natural conditions. Annales 10/1(19):133-142. Kogovšek, J., 2000b: Underground water Velocities in Slovene Karst (Tracing Experiments). Proceedings of Second Croatian Geological Congress/Cavtat – Dubrovnik/17-20.May 2000/ Ed. I. VlahoviR & R. BiondiR/ 629-633, Institut za geološka istra#ivanja, Zagreb. Williams, P.W., 1983: The role of the subcutaneous zone in karst hydrology. Journal of Hydrology 61:45-67.