VOLNÁ ZVODEŇ V OBDOBÍ INFILTRACE ATMOSFÉRICKÝCH SRÁŽEK

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9

1

VOLNÁ ZVODEŇ V OBDOBÍ INFILTRACE ATMOSFÉRICKÝCH SRÁŽEK UNCONFINED AQUIFER EFFECTS DURING RAINFALL INFILTRATION Pav e l P racný , Tomá š K uc hovs ký ABSTRACT The Double Paradox is a phenomenon describing unchanged or increasing concentrations of minerals in surface waters following rainfall. One proposed solution to this phenomenon is piston flow. Flow and trace experiments were performed in a laboratory sand-box-model which is also known as the intermediate scale model. The flow velocity in the saturated zone rose to 17 % and the capillary fringe upper edge decreased by 1 – 2 cm immediately after infiltration of simulated rainfall. Simultaneously, water pressure rose in the central part of the model. According to laboratory data, piston flow could explain the First Paradox quite satisfactorily. The mechanism of the Second Paradox is more complicated, but piston flow could also be involved here. Flow and geo-chemical long-term field data from the Košetice field observatory were studied and investigated for signs of the Double Paradox in the conditions of a small watershed in the Czech Republic. The double paradox appears to flourish in these conditions. KEY WORDS Unconfined aquifer, infiltration, Piston effect, vadose zone, double paradox KLÍČOVÁ SLOVA Volná zvodeň, infiltrace, pístový efekt, vadózní zóna, dvojí paradox

ÚVOD Mezi nezodpovězené otázky v hydrologii malých povodí patří velká rychlost odezvy podzemního odtoku na srážky spojená se stabilní mineralizací odtokové vody po srážkové události. Tuto problematiku popsal Kirchner (2003) pod názvem Dvojí paradox (Double Paradox), se záměrem vyvolat diskuzi o příčinách tohoto jevu. První paradox popisuje situaci, kdy bezprostředně po srážkách výrazně narůstá objem vody v povrchových tocích a hydrogeochemické složení této vody se výrazně neliší od složení běžného podzemního odtoku. Jedná se pravděpodobně o vodu stejného původu. Druhý paradox situaci doplňuje o pozorovanou závislost složení uvolňovaných vod na velikosti průtoku. S rostoucím průtokem může obsah některých iontů růst a zároveň obsah jiných klesat. Zdá se, že kolektory dlouhou dobu zadržují vodu, kterou po srážkové události náhle uvolní a navíc mění její složení vzhledem k průtoku. Přesný původ vody a mechanismus uvolnění nejsou přesně známé. Poznání procesů probíhajících v podzemí je principiálně důležité z hlediska pozice hydrologie

a hydrogeologie malých povodí jako kvantitativních věd. Dvojí paradox ukazuje meze současného poznání, kdy pro nás povodí představují tzv. „black box systém“. Tedy systém, do kterého srážkami nalijeme vodu, a určité množství vody nám po nějakém čase na druhé straně opět vyteče. Tento systém jsme schopni chápat z bilančního hlediska, na základě empirie dobře kvantifikovat jednotlivé složky hydrologické bilance povodí, ale detailní průběh procesů probíhajících v podzemí je nám do značné míry skrytý. Prezentovaný výzkum byl inspirován nesrovnalostmi v představách o vztahu srážek a složení povrchových vod pozorovaných na datech z observatoře Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) v Košeticích (Forejtová, 2008), která se věnuje také dlouhodobému sledování hydrologie i geochemie vody na lokalitě Anenský potok (Váňa et al., 2001). Cílem byl (1) detailnější pohled na projevy dvojího paradoxu v podmínkách malého povodí na území ČR a (2) popis odezvy podzemní vody na infiltraci srážek na základě laboratorního modelu prostředí s průlinovou pórovitostí a (3) ověření vlivu pístového efektu.

Mgr. Pavel Pracný, Mgr. Tomáš Kuchovský, PhD. Ústav geologických věd, Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity, Kotlářská 2, 611 37 Brno, [email protected], [email protected]

2 VODA PO SRÁŽKÁCH A DVOJÍ PARADOX V přírodní krajině zásadně neovlivněné lidskou činností obvykle při srážkách nepozorujeme povrchový odtok většího rozsahu, s výjimkou extrémně vydatných srážek. Srážková voda totiž neprodleně infiltruje. Schopnost povrchu vsakovat vodu je určena jeho infiltrační kapacitou. Ta je ovlivněna typem půdy, její strukturou a vlhkostí nebo obsahem koloidních částic. Za situace, kdy jsou srážky větší než infiltrační kapacita, se bude přebytečná voda hromadit v povrchových depresích a po jejich naplnění odtékat po povrchu dokud nedosáhne místa, kde může infiltrovat nebo nevyústí do povrchového vodního toku. Po ukončení srážek a infiltrace dochází k redistribuci vody v půdním profilu. Maximum vlhkosti v půdě je bezprostředně po srážkách u povrchu a dosahuje až hodnot pórovitosti. Voda z tohoto přípovrchového maxima se posouvá dolů – vzniká infiltrační fronta. Hodnota vlhkosti na čele s postupem fronty postupně klesá. Část vody zůstává zachycena kapilárními silami na zrna jako půdní vlhkost. Čelo infiltrační fronty může být lineární, ale může docházet také k prstovité infiltraci, kdy voda neinfiltruje v celém profilu, ale přednostně v jeho části. Příčinou může být anizotropní struktura média nebo nestabilita proudění na kontaktu

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9 fluid voda-vzduch (Wang et al., 2000). Voda může také přednostně infiltrovat po nehomogenitách v prostředí, například chodbičkami a norami živočichů. Po přechodu infiltrační fronty je ustavena nová rovnováha rozložení vlhkosti s maximem na úrovni hladiny podzemní vody. Směrem k povrchu obsah vlhkosti v pórech klesá. Vidíme tedy, že v krajině s normální retenční funkcí může srážková voda infiltrovat bez povrchového odtoku. V každém případě dochází po infiltraci srážek k nárůstu průtoku ve vodoteči, která doplňovaný kolektor odvodňuje. Z malých povodí severní Evropy je popsán jev (Kirchner, 2003), kdy po dešti rychle a výrazně narůstá objem průtoku, ale zároveň se hydrogeochemické vlastnosti vody mění jen minimálně. Obrázek 1 ukazuje konzervativní chování sodíku – jeho koncentrace ve vodě se s průtokem příliš nemění, hodnota variačního koeficientu je 11 % (Data z Anenského potoka u Košetic, období 2001 – 2005). Do povrchového toku jsou tedy z kolektoru ve větší míře uvolňovány vody stejného složení jako před srážkovou událostí. Jinak řečeno, voda není významně naředěná srážkami. První paradox, označovaný také jako paradox náhlé mobilizace staré vody, se dá shrnout do otázky po mechanismu, kterým zvodně po dlouhý čas zadržují vodu, kterou po srážkách uvolní s rychlostí v řádu minut.

Obr. 1 Koncentrace sodíku ve vodě Anenského potoka v závislosti na průtoku Fig. 1 Sodium concentrations in the Anenský potok with respect to flow

Situace se komplikuje jevem popsaným druhým paradoxem. V závislosti na průtoku v povrchových tocích se hydrogeochemie uvolňovaných vod mění. Koncentrace některých látek mohou klesat, zatímco jiných přibývá – pozorujeme tedy rozdíl mezi

základním odtokem a vodami uvolněnými po srážkách. To znamená, že existuje mechanismus, který mění složení uvolňované vody v závislosti na průtoku. Nejpravděpodobnější navržená řešení dvojího paradoxu jsou zpětná vazba transmisivity a pístový

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9 efekt (Bishop et al., 2004). Zpětná vazba transmisivity je založena na předpokladu vertikální nehomogenity prostředí s hydraulickou vodivostí vzrůstající směrem k povrchu. V takovém prostředí i relativně malé množství infiltrované vody vede k výraznému zvýšení hladiny podzemní vody a k mobilizaci vody dlouhodobě zachycené v nesaturované zóně. Rychlou odezvu průtoku v povrchové vodoteči po srážkách vysvětluje přítomností vrstvy o rozdílné vodivosti také Hewlettův odtokový model (také jako Variable Source Area) (Ward, Trimble, 2004). Jedná se o variantu hypodermického odtoku, kdy vertikálně infiltrující voda v kontaktu s nepropustnější vrstvou proudí horizontálně. Dochází tak k odvodnění do povrchového toku skrz vadózní zónu. Tato představa je platná zejména v prostředí s velkým sklonem svahů a mělkým půdním profilem, nevysvětluje však stabilní obsah minerálních látek ve vodě. Podstatou pístového efektu je tlak infiltrující vody na hladinu podzemní vody, změna tlakového gradientu vede k intenzivnějšímu odvodnění podzemní vody do povrchového toku a tedy k uvolnění vody ze saturované zóny do vodoteče. Cílem práce bylo na základě laboratorního modelu prostředí s průlinovou pórovitostí popsat odezvu podzemní vody na infiltraci srážek a ověřit existenci pístového efektu a jeho vlivu na odvodnění volné zvodně do vodoteče. Zároveň byla provedena analýza dat poskytnutých observatoří ČHMÚ v Košeticích.

3 METODIKA Pro studium proudění podzemní vody byl sestaven laboratorní model simulující proudění v jednoduchém povodí. Tyto modely se označují jako Intermediate Scale Experiments (ISEs), případně Bench-Scale Tank Experiments (Klenk, Grathwohl, 2002). Výhodou modelu je možnost nastavit si parametry porézního média podle potřeby simulace přírodního systému a možnost omezit vnější vlivy a zaměřit se na studium dílčích mechanismů. Celková velikost modelu je omezena zejména potřebou řídit modelovací prostředí (Oostrom et al., 2004). Svou rozlišovací schopností jsou za použití kvalitní záznamové a měřící techniky tyto modely vhodné ke sledování migrace konzervativních stopovačů (Silliman et al., 1998). Zásadní výhodou oproti štěrbinovým modelům (Zajíček et al., 1960) je využití všech tří rozměrů. Použitý model představuje prostředí pod zemským povrchem jako homogenní průlinové prostředí s volnou zvodní. Pro potřeby modelu jsou uvažovány zjednodušené podmínky v povodí Anenského potoka (obr. 2). Laboratorní model simuluje dvourozměrný řez tímto povodím. Volná zvodeň je na bocích omezena dvěma okrajovými podmínkami (A, B). Pro zjednodušení funkčnosti modelu a zajištění stálého průtoku modelem je v místě rozvodnice okrajová podmínka prvního druhu – konstantní hladina (obr. 2 bod A) a v pozici drénující vodoteče (obr. 2 bod B) je rovněž

Obr. 2 Schéma hydrogeologických poměrů povodí Anenského potoka. Koncepční řez A-B je základem použitého laboratorního modelu (viz obr. 3) Fig. 2 Scheme of hydro-geological conditions in the Anenský potok catchment. Used laboratory model is based on the conceptual cross section A-B (see Fig. 3)

4 okrajová podmínka prvního druhu. Skrze bázi modelu uvažujeme nulový tok. Tělo laboratorního modelu je tvořeno kvádrem sestaveným ze skleněných desek o mocnosti 1 cm a celkových rozměrech x = 150 cm, y = 20 cm, z = 75 cm. Ve vzdálenostech 25 cm od okrajů jsou umístěny zarážky s propustnou přepážkou. Oddělují přítokovou a odtokovou nádrž od hlavního modelovacího prostoru (obr. 3). Ten je vyplněn skleněnými kuličkami (tzv. balotina) zrnitostní frakce 90-110 μm do ýšky v 65 cm. Pórovitost média byla experimentálně stanovena na 35 %, propustnost na 2,62·10-7 m2 a hydraulická vodivost 2,89·10-4 m·s-1. Měření odpovídají běžně uváděným tabulkovým rozmezím hodnot pro písky. Voda vystoupala kapilár-

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9 ním tlakem do výše 25 cm, což je také pozorovaná výška kapilární třásně. Propustnost přepážek je mnohem vyšší než propustnost substrátu a rychlost proudění neomezuje. Na čelní straně modelovacího prostoru jsou v patnácticentimetrových rozestupech rozmístěny skleněné trubice o průměru 5 mm sloužící jako pozorovací vrty pro měření výšky hladiny vody. Boční nádrže modelu jsou osazeny přepadem odvádějícím přebytečnou vodu, přítoková nádrž je napojena na stálý přítok vody. Změnou výšky přepadu se plynule reguluje hladina vody v bočních nádržích a tedy i proudění vody v hlavním modelovacím prostoru. Přepady mohou být také zastaveny, v tom případě může voda v přítokové nádrži stoupat – vsak do hlavního modelovacího prostoru je menší než přítok.

Obr. 3 Funkční schéma modelovacího zařízení Fig. 3 Functional chart of the model

Model v základním nastavení pro experimenty zaměřené na sledování pohybu vody simuluje volnou zvodeň omezenou vodotečí na odtoku (pravá strana modelu) a okrajovou podmínkou 1. typu na přítoku (levá strana modelu) – z jedné strany voda stále přitéká, na druhé je odváděna. Hladina vody v hlavním modelovacím prostoru se ustaví rovnovážně jako spojnice mezi hladinami ve vyrovnávacích nádržích po stranách modelu. Veškerá voda vstupuje do modelovacího prostoru z přítokové nádrže nebo v podobě simulovaných srážek infiltrací na povrchu. Srážky jsou simulovány pomocí perforované nádoby, ze které jsou na povrch modelu vykropeny 2 litry vody, což odpovídá vodnímu sloupci 10 mm. Výstup vody je možný pouze přes odtokovou nádrž. Výpar z modelu je vzhledem k jeho velikosti zanedbatelný. Před experimentem byl model nejprve zvolna zavodněn směrem od základny k povrchu. Snížením hladin v bočních nádržích bylo dosaženo rovnovážného proudění a rozložení vlhkosti v profilu při požadovaném

hydraulickém gradientu. Proudění vody bylo sledováno stopovačem (KMnO4), který byl přidáván do přítokové nádrže, do simulované srážkové vody nebo byl vstřikován bodově prostřednictvím skleněných trubic do modelovacího prostoru. Stopovač byl v popisovaných experimentech injektován (I) do výšky 3 cm nad bází pro pohyb pod hladinou podzemní vody, (II) do výšky 16 cm pro rozhraní kapilární třásně a hladiny podzemní vody a (III) do výšky 30 cm pro oblast kapilární třásně. Proudění bylo zaznamenáváno fotograficky nebo přímo na sklo modelu. Provedeny byly také infiltrační experimenty. Při těch má vlhkost normální rozložení v profilu. Rozdíl proti nastavení pro experimenty sledující pohyb vody spočívá v tom, že model je bez přítoku vody do přítokové nádrže a odvodňovací přepad v odtokové nádrži je nastaven na výšku 10 cm. Na počátku pokusu je tedy v modelu nulový hydraulický gradient, voda neproudí a hladina je vodorovná. Voda ale může při zvýšení hladiny odtékat pryč.

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9 Posledním experimentálním nastavením modelu byla varianta bez přepadu v přítokové nádrži. Cílem bylo zjistit, jak se v případě srážek mění vsak z přítokové nádrže. V tomto případě byl počáteční přítok do přítokové nádrže měněn, dokud nebyl stejný jako vsak z nádrže do hlavního modelovacího prostoru a hladina v přítokové nádrži se neustálila. Přepad v odtokové nádrži byl umístěn ve výšce 10 cm. V modelu se tedy ustanovilo rovnovážné proudění podobně jako v experimentu zaměřeném na pohyb vody. Hladina vody v přítokové jímce stoupá v případě, že by poklesl vsak do modelovacího prostru. Zhodnocení dvojího paradoxu v podmínkách České republiky bylo provedeno na datech poskytnutých observatoří ČHMÚ v Košeticích, která se věnuje dlouhodobému monitoringu kvality přírodního prostředí v regionálním měřítku (Váňa et al., 2001). Pro potřeby studie byla zpracována data z povodí Anenského potoka (obr. 2) za roky 2001 – 2005. Ten má celkovou plochu povodí 2,68 km2, z čehož les pokrývá 43 % a orná půda a louky přestavují 57 % rozlohy. Prvním souborem dat jsou údaje o průtocích na Lesním přítoku zaznamenávané v pětiminutových intervalech ultrazvukovým čidlem. Dalším souborem jsou průměrné denní srážky. Data neobsahují informace o začátku a délce srážek, a proto je není možné použít pro určení rychlosti odezvy průtoku na srážky. Posledním souborem jsou chemické rozbory povrchových vod (analýzy byly prováděny při průběžném monitoringu a některých významnějších srážkových událostech). Převzetí dat z dlouhodobého monitoringu sebou přináší několik nedostatků. Informace o chemickém složení vody nejsou vázány na žádné konkrétní srážkové události, což znemožňuje efektivní srovnání vlivu srážek na chemické složení

5 povrchové vody. Na datech byla provedena základní statistická analýza – pro posouzení vzájemné závislosti průtoků a koncentrací byl použit Spearmanův korelační koeficient, pro posouzení variability koncentrací pak variační koeficient. VÝSLEDKY Při experimentech zaměřených na sledování infiltrace srážkové vody byl pozorován nerovnoměrný pohyb infiltrační fronty. Voda se rychle vsákla, ale už po několika minutách se pohyb minimalizoval. Došlo k částečně prstovitému vyklínění a postup barviva se zastavil ve vzdálenosti 3 – 10 cm pod povrchem. Během 11 minut z modelu vyteklo 500 ml (25 % infiltrovaného množství vody) a za první hodinu 1400 ml (70 %), přestože infiltrační fronta se zastavila v profilu po několika centimetrech. Velmi důležitým zjištěním je to, že v experimentech sledujících množství vody protékající modelem (rozestavění je stejné jako při sledování pohybu vody) systém reagoval na infiltraci již v průběhu první minuty po simulovaných srážkách. Při hydraulickém gradientu 0,1 m došlo k opětovnému ustálení proudění na počáteční úrovni řádově po 4 hodinách. V rozestavění s přítokovou nádrží bez přepadu došlo v této nádrži po infiltraci k nárůstu hladiny. Experiment zaměřený na popis mechanismu pohybu vody v saturované zóně a kapilární třásni po infiltraci srážek prokázal rychlý vertikální pohyb ve svrchní části saturované zóny. Mrak stopovače v kapilární třásni i na hladině podzemní vody vykazoval po infiltraci rychlý vertikální pokles o 1 – 2 cm (obr. 4).

Obr. 4 Znázornění průběhu horního okraje mraku stopovače. Plná čára představuje pohyb mraku v experimentu bez infiltrace, přerušovaná čára pohyb mraku při infiltraci. Svislá tečkovaná čára označuje polohu stopovače na začátku infiltrace. Fig. 4 Rendition of the top edge of the tracer plume. The full line represents the progression of tracer in experiment without infiltration and the dashed line represents the progression of tracer in experiment with infiltration. The vertical dotted line marks the location of the tracer at the beginning of the infiltration.

6

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9

Tab. 1 Přehled statistických veličin pro vybrané ukazatele chemického složení povrchové vody Tab. 1 Summary of dissolved compounds’ statistical values Látka

Variační Koeficient

Spearmanův koeficient pořadové korelace

Kritická hodnota (α = 0,01)

Závislost

ClSO42NO3Mg2+ Na+ K+ NH4+ Ftot Ca2+

20,57 % 26,00 % 64,51 % 21,69 % 11,00 % 16,87 % 95,04 % 24,52 % 16,37 %

0,5609 0,5088 0,5920 0,3813 0,1770 0,3945 0,2640 -0,5683 0,3664

0,363 0,363 0,363 0,363 0,363 0,363 0,363 0,363 0,363

Středně silná přímá Středně silná přímá Středně silná přímá Slabá přímá Znaky jsou nezávislé Slabá přímá Znaky jsou nezávislé Středně silná nepřímá Slabá přímá

Vertikální pohyb rychle odezněl a další pokles oproti běžnému průběhu bez infiltrace nebyl pozorován. Na bázi modelu nebyla po infiltraci pozorována změna tvaru mraku stopovače. Laterální rychlost pohybu v kapilární třásni nevykazovala pozorovatelný rozdíl mezi prouděním bez infiltrace a s infiltrací. U stopovače na hladině podzemní vody došlo k mírnému nárůstu rychlosti. Největší rozdíl v rychlostech byl zaznamenán pro proudění na bázi modelu. Na prvních šesti centimetrech po infiltraci vzrostla rychlost z 6,38·10-3 cm·s-1 na 7,71·10-3 cm·s-1, což je rozdíl přes 17 %. Průměrná rychlost proudění od bodu infiltrace barviva po dosažení odtokové jímky je při infiltraci vyšší o 8,5 %. Vidíme tedy, že v horní části dochází k vertikálnímu pohybu, zatímco ve spodní části se voda pohybuje horizontálně Jak ukazuje tab. 1, z analýzy dat o povodí Anenského potoka vyplynulo, že nejmenší variabilitu koncentrací vykazují sodík (11 %), draslík (16 %) a vápník (16 %). Největší variabilitou se vyznačují dusičnany (64 %) a amonné ionty (95 %). Koncentrace sodíku jsou statisticky nezávislé na průtoku, draslík a vápník vykazují slabou přímou závislost. Středně silnou přímou závislost pozorujeme u dusičnanů, zatímco amonné složky jsou na průtoku nezávislé. Nepřímou středně silnou závislost koncentrací na průtoku vykazuje pouze fluor. DISKUZE Reakce modelového systému na srážkovou událost je velmi rychlá a byla pozorována na různých jevech. Povrch modelu srážkovou vodu okamžitě vsákl (obr. 5a) a během první minuty rapidně vzrostl výtok z modelu, u výtokového experimentu vyteklo z modelu 25 % srážek během prvních 11 minut. Bezprostředně po infiltraci poklesla horní hranice mraku stopovače a vzrostla rychlost proudění pod hladinou podzemní vody. Zastavení infiltrační vlny mělce pod povrchem může

být způsobeno velikostí kapilárních sil. V malých pórech může být část vody kapilárně vázána. Velikost pórů spolu s neexistencí odvzdušňovacích cest může být příčinou prstovitého čela infiltrační fronty (obr. 5b). Vzduch z hlavního modelovacího prostoru nemůže unikat a tlačí na kapilární třáseň a saturovanou zónu.

Obr. 5 Koncepční model pístového efektu. Písmena označují jednotlivé projevy pístového efektu popsané v textu, a – srážky, b – infiltrační fronta, c – velmi stlačená voda v horní části kapilární třásně, d – méně stlačená voda ve spodní části třásně, e – voda pod hladinou podzemní vody, f – vsak z přítokové nádrže, g – stoupající hladina v přítokové nádrži Fig. 5 Conceptual model of the piston effect. The letters mark various manifestations of the piston effect described in the text, a – precipitation, b – infiltration front, c – highly compressed water at the top of the capillary fringe, d – less compressed water at the bottom of the capillary fringe, e – water below the water table, f – infiltration from the inlet tank, g – rising water level in the inlet tank

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9 V horní části kapilární třásně je vliv na boční proudění minimální, vertikální pokles je maximální (obr. 5c) – voda se může tlakem posouvat do nesaturovaných pórů níže a bude narůstat celková vlhkost. Blíže k hladině podzemní vody je vertikální posun menší (obr. 5d). Pod hladinou podzemní vody jsou všechny póry saturovány vodou a voda se nemá kam posouvat. Vzroste hydrostatický tlak a voda se rychleji odvádí z modelu laterálním pohybem (obr. 5e). Volná zvodeň se tak v důsledku existence infiltrační fronty v nadloží stává po určitou dobu zvodní s napjatou hladinou. Nárůst tlaku způsobí pokles hydraulického gradientu. Klesne infiltrace vody z přítokové nádrže (obr. 5f), v extrémním případě by mohl být model odvodňován do odtokové i přítokové nádrže, což se projeví nárůstem hladiny v přítokové nádrži (obr. 5g) a zvýšeným odtokem z odtokové nádrže. V každém případě je prokazatelným důsledkem pístového efektu zintenzivnění laterálního pohybu podzemní vody při bázi kolektoru, čímž se do vodoteče ve zvýšené míře dostávají podzemní vody z tohoto prostoru. Proces probíhá v této formě v homogenním prostředí (simulováno modelem). V nehomogenním prostředí bude zintenzivnění laterálního proudění dominantně ovlivněno vertikální distribucí transmisivity v jednotlivých částech kolektoru. Ukazuje se, že pístový efekt by mohl být řešením prvního paradoxu – infiltrující voda způsobí nárůst tlaku ve zvodni a rychle se uvolní voda ze saturované zóny. Ta se nebude hydrogeochemicky příliš lišit od odtoku z období bez srážek. Na druhou stranu neposkytuje pístový efekt dostatečné vysvětlení pro druhý paradox. Nevylučuje to jeho zapojení jako součást složitějšího mechanismu (Bishop, 2004). Z analýzy terénních dat vyplývá, že je více-méně splněna podmínka platnosti prvního paradoxu. Koncentrace některých iontů jsou v povrchových vodách stabilní (zejm. Na+, K+, Cl-, Mg2+, Ca2+) a odpovídají tak předpokladu uvolňování chemicky „staré“ vody z kolektoru po srážkách. Požadavek druhého paradoxu po proměnlivém složení vzhledem k velikosti průtoku je naplněn méně přesvědčivě. Koncentrace některých látek vykazují středně silnou závislost na velikosti průtoků (Cl-, SO42-, NO3-), ale vzhledem k faktu, že velkou část povodí Anenského potoka představuje zemědělská půda, je možné, že např. vysoké koncentrace dusičnanů mají antropogenní původ

7 v hnojivech. Zároveň by to vysvětlovalo vazbu na velikost srážek – z polí dochází k povrchovému odtoku a přímému odnosu materiálu z polí do potoka. ZÁVĚR Tato práce se soustředila na laboratorní ověření mechanismu odvodnění malých povodí po srážkových událostech pístovým efektem. Voda odtékající v povrchových tocích totiž vykazuje stabilní hydrogeochemické vlastnosti před srážkami i po nárůstu průtoku po srážkách. Byly provedeny průtokové a stopovací experimenty v laboratorním modelu průlinového prostředí, který simuluje podmínky ve volné zvodni ohraničené dvěma povrchovými toky. Tento model umožňuje simulovat srážkovou událost a pomocí konzervativního stopovače a změn průtoků v modelu sledovat odezvu systému. Z výsledků vyplývá několik závěrů o hydraulických podmínkách ve volné zvodni v období infiltrace atmosférických srážek. Ukazuje se, že pístový efekt může být procesem v pozadí rychlého uvolňování vody s větším obsahem rozpuštěných minerálních látek po srážkách. Vzduch nemůže před infiltrační frontou ze substrátu volně unikat a tlačí na kapilární třáseň a podzemní vodu. Tlak infiltrující fronty se projeví poklesem kapilární třásně (o 1 – 2 cm) a zvýšením rychlosti proudění podzemní vody (až o 17 %). Volná zvodeň se po srážkách dočasně chová jako zvodeň s napjatou hladinou. Zvýšený odtok ze systému pochází ze saturované zóny a bude mít podobné hydrogeochemické složení jako základní odtok. Bylo provedeno také základní zhodnocení průtokových, srážkových a hydrogeochemických dat z povodí Anenského potoka, ze kterého vyplývá, že jevy popisované dvojím paradoxem mohou být pozorovány i v podmínkách České republiky. PODĚKOVÁNÍ Práce vznikla s podporou projektu OPVK 2.3. – CZ.1.07/2.3.00/20.0052. Za poskytnutá data děkují autoři Českému Hyrometeorologickému Ústavu zejména RNDr. M. Váňovi a Ing. J. Pekárkovi z observatoře Košetice.

LITERATURA BISHOP, K., SEIBERT, J., KOHER, S., LAUDON, H. 2004: Resolving the Double Paradox of rapidly mobilized old water with highly variable responses in runoff chemismy. Hydrological Processses. ISSN 0885-6087, vol. 18, no. 1, p. 185-189. FOREJTOVÁ, L. 2008: Hydrogeologické poměry povodí Anenského potoka na lokalitě Košetice. Diplomová práce. Brno, Masarykova Univerzita, 2008. 69 s. KIRCHNER, J.W. 2003: A double paradox in catchment hydrology and geochemistry. Hydrological Processes. ISSN 0885-6087, 2003, vol. 17, no. 4, p. 871-874.

8

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9

KLENK, I.D., GRATHWOHL, P. 2002: Transverse vertical dispersion in groundwater and the capillary fringe. Journal of Contaminant Hydrology. ISSN 0169-7722, 2002, vol. 58, no. 1-2, p. 111-128. OOSTROM, M., WIETSMA, T.W., FOSTER, N.S. 2004: The Subsurface Flow and Transport Experimental Laboratory: A New Department of Energy User’s Facility for Intermediate-Scale Experimentation. In: Ramírez, J.A. (Ed.): Proceedings of the Twenty Fourth Annual American Geophysical Union Hydrology Days. Fort Collins, American Geophysical Union, 2004. p. 182-189. SILLIMAN, S.E., ZHENG, L., CONWELL, P. 1998: The use of laboratory experiments for the study of conservative solute transport in heterogenous porous media. Hydrology Journal. ISSN 1431-2174, vol. 6, no. 1, p. 166-177. VÁŇA, M., HOLOUBEK, K., PACL, A., PEKÁREK, J., SMRČKOVÁ, V. MACHÁLEK, P., HELEŠIC, J., ŠEDA, Z., ADAMEC, V., JANOUCH, M., HONZÁK, J., ANSORGOVÁ, A., KOHOUTEK, J., HOLOUBKOVÁ, I., SHATALOV, V., DUTCHAK, S., FOTTOVÁ, D., HRUŠKA, J., HOFMAN, J., ANDĚL, P. 2001: Quality of the natural environment in the Czech Republic at the regional level. Results of the Košetice Observatory. Praha, ČHMÚ, 2001. 189 s. ISBN 80-85813-88-2. WANG, Z., WU, Q.J., WU, L., RITSEMA, C.J., DEKKER, L.W., FEYEN, J. 2000: Effects of soil water repellency on infiltration rate and flow instability. Journal of Hydrology. ISSN 0022-1694, vol. 231-232, p. 265-276. WARD, A.D., TRIMBLE, S. W. 2004: Environmental hydrology. 1. vyd. Boca Raton, CRC Press, 2004. 475 p. ISBN 15-66-70616-5. ZAJÍČEK, V., HÁLEK, V., ČIŠTÍN, J., GYALOKAY, M. 1960: Vztahy povrchových a podzemních poříčních vod. Bratislava, Slovenská akademie věd, 1960. 176 s.

SUMMARY The Double Paradox phenomenon describes a rapid release of water following rainfall in small catchment regions with unchanging or even increasing mineral concentrations (Fig. 1). It is divided into two paradoxes. The first describes the rapid release of mineralized water after rainfall – this water must have been stored underground and released immediately by some mechanism. The second paradox adds the fact that the mineral concentration can change depending on flow intensity. Here, there is a simultaneous increase in the concentration of some ions and a decrease in others. The conclusion from these observations is that these small catchments store water underground and then release it rapidly after rainfall, and its properties are sometimes altered depending on the intensity of the flow. Proposed explanations of this double paradox include transmissivity feedback and piston flow. Transmissivity feedback resolves the double paradox using vertical differences in soil transmissivity, while piston flow operates through the pressure of infiltrating water on the underground water. A laboratory sand-box-model, also called the intermediate scale model, was set up in the laboratory (Fig. 3). This model represents a homogenous porous soil environment between two surface watersheds. It is composed of the two water tanks for water input and output, and the main modelling tank. The two first mentioned water tanks are separated from the main tank by a highly permeable barrier, and fixed flow is provided by overflows. The modelling tank is 100 cm wide and 65 cm high and it is filled with a glass ball fraction of 90 – 110 μm, so that there is 35 % porosity. A coefficient of permeability of 2.62·10-7 m2 and hydraulic conductivity of 2.89·10-4 m·s-1 were specified experimentally. All water flows into the model through the input water tank, or it is infiltrated as simulated rainfall on the surface of the modelling tank. The water infiltration volume was usually retained at two litres. Flow and trace experiments were conducted using this model, and a rapid response to water flow was observed following simulated rainfall. The infiltrated water soaked rapidly and formed a fingering infiltration front which stopped after few minutes approximately 3 – 10 cm beneath the surface. In the experiment set without initial hydraulic gradient and flow, 25 % of the infiltrated water was released in the first 11 minutes and 70 % in the first hour. However, when the hydraulic gradient was set at 0.1 m, the discharge increased within first minute after infiltration and reached a steady state after 4 hours. Trace experiments focused on the following three areas – (1) a capillary fringe 30 cm above the model base, (2) the boundary between the capillary fringe and the water table 17 cm above the base, and (3) the saturated zone. The tracer movement was examined in both conditions of simulated rainfall and without infiltration (Fig. 4). Following the rainfall, the tracer rapidly moved 1 – 2 cm downwards in the capillary fringe and mildly downwards directly above the water table, but no visible vertical movement was observed in the saturated zone. On the other hand vertical movement was most intense in the saturated zone, where velocity increased by 17 % in the first 6 cm. The average velocity of the tracer from the point of infiltration to the discharge tank increased by 8.5 %. Meanwhile, increased lateral movement in the capillary fringe was largely unobservable. In rainfall infiltration, it appears that the water pushes air into pores in the soil and, pressure increases because this air cannot escape. The pressure in the capillary fringe is released by vertical water movement into unsaturated pores (Fig. 5c). Since lateral movement is the only option to relieve pressure in the saturated zone, the water discharges into water tanks and velocity increases (Fig. 5e). Until the pressure is relieved the system acts as a confined aquifer.

PODZEMNÁ VODA, 19(1), 2013, 1 – 9

9

Our laboratory data suggests that piston flow could satisfactorily explain the First Paradox. Although the mechanism behind the Second Paradox is obviously more complicated, piston flow could also be involved here. In addition, the flow and geochemical and climatic long-term field data from the Košetice field observatory was investigated for signs of Double Paradox existence in Czech Republic conditions. Although mineral concentrations, especially those of natrium, chlorides, potasium, manganese and kalcium are quite stable, some other ions have complicated development and may be affected by anthropogenic influences such as agriculture. The available data forms part of long-term monitoring with wide step between measurements, therefore it does not provide sufficiently detailed information for deeper analysis. However it appears that the double paradox is observable in this data