Sledování 18 O na lokalitě Pozďátky Metodika Metodika monitoringu využívá stabilních izotopů kyslíku vody 18 O a 16 O v podzemních a povrchových vodách pro stanovení pohybu a retence infiltrujících srážek a napájení sledovaných vodních zdrojů. Izotopové složení lehkých stabilních izotopů jako je kyslík se standardně vyjadřuje hodnotou δ. Hodnoty δ se vyjadřují v v poměru k standardu o známém složení. δ hodnota se vypočítá podle vztahu: δ 18 Ο = ( 18 O/ 16 O x / 18 O/ 16 O st - 1 ) x 1000 [ ] (1) kde ( 18 O/ 16 O) x jsou poměry izotopů ve zkoumaném vzorku x a známém standardu st. δ 18 O se běžně uvádí v poměru ke standardu SMOW (Standard Mean Ocean Water) nebo VSMOW (Vienna SMOW). Data o izotopovém zastoupení 18 O ve vodách slouží k popisu pohybu vody uvnitř povodí, respektive od zasáknutí do půdy až do kolektoru podzemní vody. Jsou-li známé hodnoty ze vstupujících srážek během roku, lze ze zjištěných dat stanovit jejich zastoupení v podzemní vodě a odtoku. Hodnoty δ 18 O zároveň umožňují výpočet poměru infiltračních koeficientů v letním a zimním období (vegetační a mimovegetační období), při známé bilanci i množství infiltrujících srážek během výše uvedených období. Ze získaných dat lze vypočítat průměrné zastoupení okamžitých srážek v odtoku z povodí, respektive sledovat vliv mělce infiltrujících vod na podzemní vody a provést jednoduchý odhad průměrné doby zdržení srážek v systému, případně ověřit koncepční model bilančním modelem. Nejjednodušší model odtoku předpokládá, že odtok je tvořen pouze dvěmi složkami dlouhodobou (podzemní vodou gw) a krátkodobou (infiltrací - inf). Podíl těchto složek se určuje z bilance za pomocí parametru p, který určuje zastoupení infiltrace δ odtok *Q odtok = Q gw *δ gw *(1-p) + Q inf *δ inf * p (2) δ je izotopové složení kyslíku ve vodě δ 18 Ο,, Q - odtok, p - parametr. Výchozí řešení je pro jednotkový odtok, který je řešen v poměrném zastoupení. Pro bilanci je
důležité určení časového posunu mezi srážkami a jejich odtokem, který se určuje z časové variability srážek a odtoku. Z hlediska řešení této parametrické rovnice je nutné předpokládat konstantní izotopové složení obou složek a jejich numerická odlišnost. Rovnice 2 se používá jak pro jednotlivé srážkové události, tak pro delší časové období za využití vážených hodnot δ. Infiltrované srážky vyšší než zhruba 15mm ve vegetačním období a 5mm v mimovegetačním období v našich klimatických podmínkách působí dynamicky na odtok vody z povodí. Zasáknuté srážky naplňují nenasycenou (vadózní) zónu, čímž se zvyšuje hydrostatický tlak působící na odtok a dochází k následnému zvýšení hypodermického i základního odtoku. Tento jev lze popsat jako přímý a nepřímý. Nepřímo působí pouze tlak, který zvyšuje obecně odtok. Ten je zpočátku tvořen prakticky pouze dlouhodobou složkou odtoku. Následně dochází ke zvýšenému průsaku infiltrovaných srážek, resp. rychlé složky oběhu podzemních vod až do odtoku a přímému působení na odtok. Infiltrace nenasycenou zónou je primární proces přenosu polutantů do podzemní vody. Průměrná doba zdržení vody v povodí je důležitá informace, která umožňuje odhad velikosti objem mobilní vody V, resp. dynamické složky odtoku Q Tr = V/Q (3) Nejjednodušší odhad Tr je na základě analytického řešení - předpokládáme, že δ 18 Ο vstupujících srážek se mění s časem sinusově podobně jako např. teplota. Pak se doba setrvání v systému vypočte ze ztlumení amplitudy. δ prec = D + A sin(2πt) (4) A je amplituda δ 18 O variace ve srážkách, t nabývá hodnot mezi 0-1 (pro jeden rok). Za předpokladu konstantní infiltrace, odtoku a dokonalého míšení v povodí, je odtok ztlumen na δ odtok = D + B sin(2πt + φ) (5) tj. na faktor B/A a φ je časový posun. Střední doba zdržení se vypočte ze vztahu
T = 1/2π ((B/A) -2 1) 1/2 (6) Hodnota Tr má omezené využití, protože absolutní většina povodí obsahuje minimálně dvě složky odtoku, které se liší velikostí mobilního objemu vody. Těleso podzemní vody má průměrnou dobu zdržení v jednotkách až stovkách roků podle lokálních podmínek. V tom případě je odhad doby setrvání srážek výrazně závislý na přesnosti odhadu podílu této krátkodobé složky. Modely sdružených parametrů (lumped parameters models) při tomto způsobu řešení hledáme vhodnou analytickou funkci, která umožní fitování výstupu z povodí na základě známých vstupů - srážek. Tyto analytické funkce vycházejí z průměrné doby zdržení vody v povodí a předpokladů o infiltraci a proudění (pístový tok, exponenciální model, difúzní model). Nevýhodou těchto modelů je předpoklad ustáleného toku, který nepostihuje dynamiku odtoku. δvýstup (t) = Σ g(t, τ) δvstup (t-τ) dτ (7) ve které, je g(t, τ) analytická funkce popisující distribuci dob zdržení, a τ je časový posun mezi vstupem a výstupem sledovaného stopovače (v našem případě 18 O). Výsledky
Obr.1: Časová závislost δ 18 O vrtů VP1, V2, V5 (horní a dolní část). Nejvyšší podíl infiltrované srážkové vody má vrt VP1 (10-25%), dále pak V2 (8-15%) a V5 horní část. Dolní část V5 má minimální vstup přímé infiltrace. Vrty VP1 a V2 mají zřejmě shodnou kvalitu podzemní vody, jinou podzemní vodu má vrt V5, přičemž jen horní část nad pakrem má zřetelný vliv infiltrace, respektive vstupu z nenasycené zóny. Obr.2: Časová závislost δ 18 O vrtů HI1, HI3, HV6, HP14 drenáže. Nejvyšší vliv infiltrace je patrný na vrtu HP14 (15-25%), vstup je rozdílný zřejmě závisí na hladině vrtu a interakční zóně. HV6 má stejnoměrný podíl infiltrace (10-15%) časově posunutý od vstupu srážek ještě o měsíc déle než HP14 (3 měsíce). HI1, HV6 a HI3 vykazují minimální interakci, jde o jiný typ napájení. Drenáž vykazuje sezónní vstup infiltrace s 2 měsíčním zpožděním. Závěr Vzhledem k časovému posunu vstupu infiltrace do podzemních vod je nutné prodloužit monitoring do dalšího období. Odhady získané z analýzy 18 O dat je třeba porovnat s odečty hladin vrtů a chemismem vod. Na základě těchto dat můžeme upřesnit hladiny interakce podzemní vody s nenasycenou zónou, případně interakce mělké a hlubší zvodně, které jsou reálné vzhledem k různému časovému posunu vstupu infiltrace a středních hodnot podzemní vody.