Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Spatial distribution of the water exchange through river cross-section : measurements and the numerical model

Grodzka-Łukaszewska Maria, Pawlak Zofia, Sinicyn Grzegorz

Archives of Environmental Protection

|

2021

|

Vol. 47, no. 1

69--79

EN

The aspects of surface stability and groundwater exchange recognized by many researchers due to the intensification of agriculture and industry (manifested in, e.g., regulation and dredging of riverbed sediments of rivers) are now widely discussed on the international forum of water policy and management. It is essential to assess the spatial variability of water exchange through the river length and cross sections for the preparation of data and calculation of the groundwater flow model. This article presents research which describes the spatial distribution of the surface water-groundwater interaction within the river cross-section. Two measurement series were carried out to describe its variability. Additionally, a groundwater flow model was developed to simulate and represent the variable nature of water exchange in the hyporheic zone in the river’s cross-section. The model was successfully verified by means of measurements of water flux in the hyporheic zone. The precise spatial description of this variability is the first step to determine the possibility of introducing this variable in an accurate manner, within the limits of measurement uncertainties or simulation assumptions, in the construction of mathematical models of groundwater flow.

PL

Problem opisu interakcji wód powierzchniowych i podziemnych jest podejmowany przez wielu badaczy, między innymi ze względu na intensyfikację rolnictwa i przemysłu przejawiające się m.in. regulacją i pogłębianiem osadów rzecznych rzek. Problemy te są obecnie szeroko dyskutowane na międzynarodowym forum polityki i gospodarki wodnej. Do przygotowania danych i obliczenia modelu przepływu wód podziemnych niezbędna jest ocena zmienności wymiany wody na długości rzeki i jej przekrojach. W artykule przedstawiono badania opisujące przestrzenną zmienność interakcji wód powierzchniowych i podziemnych w przekroju rzeki. Aby opisać tą zmienność, przeprowadzono dwie kampanie pomiarowe. Dodatkowo opracowano model przepływu wód podziemnych w celu przedstawienia zmiennego charakteru wymiany wody w strefie hyporeicznej w przekroju rzeki. Model został pomyślnie zweryfikowany za pomocą pomiarów przepływu wody w strefie hyporeicznej. Dokładny przestrzenny opis zmienności przestrzennej intensywności wymiany wody pomiędzy rzeką a warstwą wodonośną jest pierwszym krokiem do określenia możliwości dokładnego wprowadzenia tej zmiennej do budowy modeli matematycznych przepływu wód podziemnych.

2

Badania modelowe uwarunkowań fluidyzacji strefy hyporeicznej

Marciniak Marek, Matusiak Magdalena, Szczucińska Anna, Kaczmarek Mariusz

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2019

|

nr 476, Hydrogeologia z. 17

79--85

PL

Strefa hyporeiczna jest obszarem współdziałania wód powierzchniowych i podziemnych. Warunki w jakich funkcjonuje ta strefa mają ważne znacznie dla organizmów roślinnych i zwierzęcych tam bytujących, ale także dla wymiany wód, ich składu chemicznego oraz reakcji zlewni na opady. W warunkach drenażu wód podziemnych przez wody powierzchniowe może dochodzić do fluidyzacji, czyli upłynnienia osadów dennych budujących strefę hyporeiczną. Zjawisko fluidyzacji zachodzi po przekroczeniu przez gradient hydrauliczny wartości jeden. Korzystając z tego warunku przeprowadzono badania symulacyjne funkcjonowania doliny rzecznej w zależności od wielu parametrów morfologicznych, hydrologicznych czy też hydrogeologicznych. Uwzględniono różnicę poziomu wody między warstwą wodonośną a rzeką, szerokość rzeki, współczynnik filtracji i anizotropię warstwy wodonośnej oraz przepuszczalność pionową strefy hyporeicznej. Realnie występujący zakres zmienności poszczególnych parametrów podzielono na podzakresy wartości niskich, średnich i wysokich. Metodą symulacji komputerowych, za pomocą oprogramowania Visual MODFLOW, poszukiwano takich warunków funkcjonowania doliny rzecznej, dla których może wystąpić zjawisko fluidyzacji. Stwierdzono, że fluidyzacja strefy hyporeicznej zależy proporcjonalnie od różnicy między zwierciadłem wód powierzchniowych i podziemnych. Wykazano, że większej skłonności do fluidyzacji można oczekiwać, gdy warstwa wodonośna ma wysoką przepuszczalność hydrauliczną, strefa hyporeiczna cechuje się niską przepuszczalnością pionową, a szerokość cieku jest niewielka.

EN

The hyporheic zone is a contact zone of surface and subsurface waters. One of the specific processes occurring in this zone is hyporheic zone sediment fluidization. The aim of the present study is to define the hydrogeological conditions in a river valley for which the fluidization of the hyporheic zone sediments may occur. The following factors were tested: the difference between the groundwater table and the river water surface, width of the river channel, hydraulic conductivity, and anisotropy of the aquifer sediments, as well as the vertical permeability of the hyporheic zone. The modelling experiments were carried out using the Visual MODFLOW program. The simulations were conducted on three river widths: 3, 6 and 9 m. It was found that the occurrence of fluidization of the hyporheic zone is favoured mainly by the difference between surface water and groundwater table elevation, in the order of 30 m, and the strong anisotropy of aquifers. The likelihood of fluidization occurrence depends on the value of vertical hydraulic conductivity and increases when the hydraulic gradient exceeds 1. The smaller the width of the river, the more favourable conditions for fluidization to occur. It was found that the fluidization of the hyporheic zone depends proportionally on the difference between the surface and ground water table. It has been shown that greater tendency to fluidization can be expected when the aquifer has a high hydraulic conductivity, the hyporheic zone is characterized by low vertical permeability, and the width of the river is small.

3

Model matematyczny fluidyzacji strefy hyporeicznej

Marciniak M., Kaczmarek M., Szczucińska A.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2018

|

nr 471, Hydrogeologia, z. 15

89--96

PL

W strefie hyporeicznej dokonuje się wymiana wód powierzchniowych i podziemnych. W warunkach drenażu wód podziemnych, przy wzroście gradientu hydraulicznego, może dojść do fluidyzacji tej strefy. W artykule przedstawiono model matematyczny fluidyzacji strefy hyporeicznej, który wyprowadzono z bilansu sił związanych z filtracją wody przez strefę hyporeiczną. Model matematyczny umożliwia prognozowanie wystąpienia fluidyzacji w zależności od wzrostu położenia zwierciadła wód podziemnych. Przeprowadzono serię testów laboratoryjnych, które potwierdziły prognozę obliczoną z modelu. Przeanalizowano także konsekwencje hydrologiczne i hydrogeologiczne fluidyzacji strefy hyporeicznej takie jak: zanik dobowych fluktuacji zwierciadła wody w strefach źródliskowych oraz zmiana tempa opadania wody w rzece po wezbraniu.

EN

In the hyporheic zone, exchange of surface water and groundwater takes place. During the groundwater drainage and the increase in hydraulic gradient, this zone can be fluidized. The paper presents a mathematical model of hyporheic zone fluidization. It has been obtained from a balance of forces related to the water filtration through the hyporheic zone. The mathematical model makes it possible to predict the occurrence of fluidization depending on the increase in water table position. A series of laboratory tests were carried out, which confirmed the predictions according to the model. The hydrological and hydrogeological influences of hyporheic zone fluidization were also analyzed, namely: the decline of diurnal water level fluctuations in headwaters and the variable rate of decline of water level after rainfall flood.

4

Zmienność współczynnika filtracji w strefie hyporeicznej w świetle badań laboratoryjnych

Marciniak M., Szczucińska A., Kaczmarek M.

Przegląd Geologiczny

|

2017

|

Vol. 65, nr 11/1

1115--1120

EN

The interaction between surface water and groundwater throughout the hyporheic zone determines the diurnal water level fluctuations in springs, streams and lakes. The previous studies have listed evapotranspiration, variability of hydraulic conductivity in the hyporheic zone, melting andfreeze-thawing processes, thermal expansion and water viscosity among the factors responsible for the water level diurnal fluctuations. The aim of the research was to investigate the variability of hydraulic conductivity in the hyporheic zone and its impact on the diurnal fluctuations of the water level. Experimental series were performed in laboratory conditions using seepage columns. Four types of sand sediments, with a hydraulic conductivity ranging from 6x10-6 to 5x10-4 m/s, were tested. The obtained values of hydraulic conductivity appeared to depend on the sand grain size, temperature, the direction of the hydraulic gradient, and the fluidization of the sediment (flowing sand). In all tests, higher hydraulic conductivity values were observed when water was set to flow in the direction opposite to gravity (flow up) rather than downward (flow down). In the sediments, which have not reached the state of fluidization, with an increase of the hydraulic gradient, values of hydraulic conductivity were two times higher during flow up than in the case of flow down. In the case of sediments being fluidized, the obtained values of hydraulic conductivity were roughly 3 times higher. The initiation of the fluidization process has been observed at the hydraulic gradient close to one. The results of laboratory experiments allow for a better understanding of the factors that have impact on diurnal fluctuations of the water level, especially when seepage of groundwater is present. Fluidization of the hyporheic zone after precipitation or thawing events may inhibit diurnal fluctuations.

5

Minerały autigeniczne i osady w strefie hyporeicznej aluwiów Białej Przemszy zanieczyszczonej przez górnictwo rud metali

Ciszewski D., Kucha H., Skwarczek M.

Przegląd Geologiczny

|

2017

|

Vol. 65, nr 10/1

650--660

EN

Sediments and waters of the hyporheic zone have been investigated in the middle reach of the Biala Przemsza River (southern Poland). The river is polluted with mine waters dischargedfrom lead-zinc ore mines, and ground waters sampled from piezometers in a sand bar are polluted to a similar degree down to a depth of at least 3 m. Very high content of heavy metals in the upper 1 m-thick strata of the bar indicates that their accumulation follows start-up of the lead-zinc mining in the mid-20th century. Common authigenic pyrite, gypsum and other less widespread heavy metal minerals are observed in the sediments of both the mining- and pre-mining times. It is related to the intense infiltration of sulphate-rich waters into the sand bar and microbially controlled anoxic conditions, which favour pyrite formation.

6

Strefa hyporeiczna: znaczenie i zarządzanie

Ciszewski D.

Gospodarka Wodna

|

2017

|

Nr 10

318--324

PL

Wymiana wód rzecznych i gruntowych w aluwiach piaszczystych i żwirowych tworzy ekoton nazywany strefą hyporeiczną. Jej znaczenie jest znacznie większe niż wynikałoby ze stosunkowo małych rozmiarów ograniczonych morfologią dna doliny i jej spadkiem oraz miąższością, a także granulometrią aluwiów. Strefa ta stanowi miejsce bytowania wielu organizmów oraz ich refugium w czasie wezbrań. Jest miejscem intensywnej bakteryjnej transformacji zanieczyszczeń płynących rzeką. W obszarach użytkowanych przez człowieka strefa ta jest jednak znacząco zmieniona wskutek regulacji rzek, działalności górnictwa, rolnictwa, rozbudowy miast oraz działalności przemysłowej. Przykładem jest silnie zanieczyszczona rzeka – Przemsza, w której została ona ograniczona wskutek regulacji do pojedynczych niewielkich łach piaszczystych stanowiących miejsce intensywnej bakteryjnej transformacji związków azotu, żelaza i siarczanów. Efektem działalności bakterii jest redukcja ilości tych związków w wodzie rzecznej. Brak świadomości znaczenia tej strefy aż do niedawna przyczyniał się do nieuwzględniania jej w zarządzaniu rzekami. Współcześnie coraz częściej podejmuje się działania zmierzające do jej utrzymania lub odtworzenia; również projekty regulacji nie powinny ograniczać możliwości napływu wód rzecznych w aluwia.

EN

Hyporheic zone is a dynamic ecotone created by active exchange of river and ground waters in sandy and gravelly alluvia. Its importance is much higher than its relatively small dimensions would suggest, limited by the valley bottom morphology and gradient, as well as the thickness and the grain size of the alluvia. The hyporheic zone is a habitat of many organisms and their refuge during floods. It is a place where intensive bacteria transformation of contaminants flowing down the river occurs. In intensively anthropologically changed areas this zone is heavily affected as a result of channelization, mining, agriculture, urbanization and industrial activity. The Przemsza River is an example of a strongly contaminated river with the hyporheic zone confined to small sand bars sparsely dispersed over the riverbed, where intensive bacterial transformation of nitrates, iron compounds and sulphates takes place. Bacterial activity contributes to reduction of these compounds in the river water. Lack of awareness of the role of this zone has until recently been the reason for neglecting it in the river management policy. At present, the activities oriented towards maintenance and rehabilitation of this zone are the more and more frequent, and the river channelization project should not hinder the possibility of the river water inflow into the alluvia.

7

Dissolved organic matter transformation in the hyporheic zone of a small lowland river

Zieliński P., Jekatierynczuk-Rudczyk E.

Oceanological and Hydrobiological Studies

|

2010

|

Vol. 39, No.2

97-103

EN

The objective of this study was to examine dissolved organic carbon (DOC) concentration and specific ultraviolet absorbance (SUVA) changes in porewaters that occur over a small scale (cm) in the hyporheic zone (HZ) of a lowland stream in the Knyszynska Forest in northeast Poland. Hyporheic zone porewaters were sampled at different depths of 10, 30, 50, 70 cm at two study sites with different sediment material. The results showed significant differences in DOC concentrations between the upper and lower stream HZ. The current results indicate that small lowland sediments provide both a source and a sink of DOC for stream water, depending on the river course. The higher DOC level observed in the hyporheic zone suggests that porewater can be an autonomic site of biogeochemical changes of dissolved organic matter, which is very clear in the SUVA fluctuations.

8

Tracer test in Hobol Creek, Norway, under different flow conditions

Wörman A., Klove B., Wachniew P., Czupryński P., Packman A.

Acta Geophysica Polonica

|

2005

|

Vol. 53, nr 4

517-526

EN

The current paper describes a repetition of a tracer test using tritiated water in Hobol Creek, Norway, under two markedly different flow conditions in August and in October 2002. By carefully fitting a one-dimensional model of the solute trans-port in the creek, various mixing parameters could be evaluated and compared be-tween the two occasions. The change in residence time in and exchange rate with the hyporheic zone caused by the difference in flow could be well accounted for in terms of the "pumping" theory. The pumping theory represents the hydro-mechanics of the exchange flow. Further, we found that at least 70% mass recovery is needed to provide an accurate evaluation of model parameters and this can only be achieved up to a limited stream distance.

9

Kinematic model of solute transport in stream networks: example with phosphate retention in Morsa Watershed, Norway

Wörman A., Klove B., Wachniew P.

Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics

|

2004

|

Vol. 51, nr 1

41-53

EN

A theoretical description of reactive solute transport in a network of stream channels is derived by convoluting unit solutions based on a physical representation of transport and topographical information of the distributions of solute load as well as pathways. The theory is applied to a generic analysis of the phosphate export in Morsa watershed due to the load from 620 individual households with a local wastewater treatment. Essential factors for the phosphate export is filtering of the water in stream-bed sediments through a distribution of hyporheic flow paths of various lengths. This generic study indicates that a significant portion of phosphate is retained in the hyporheic zones for a long time. The 90\% recovery time following a hypothetical remediation action in the households is expected to be in the order of one decade.

10

Coupling of hydrodynamical, biological, and geochemical processes in streambeds

Packman A. I., Battin T. J., Newbold J. D.

Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics

|

2003

|

Vol. 50, nr 2

107-123

EN

Recent interest in the effects of streambed and near-subsurface (benthic and hyporheic) processes on stream ecosystems has motivated study of the hydrodynamics of stream-subsurface interactions. Hydrodynamic transport places an important control on the delivery of reactive species such as contaminants and ecologically-relevant substances such as nutrients to the benthic and hyporheic zones. Conversely, biological pro-cesses such as biofilm growth and physicochemical processes such as colloid deposition can alter the transport environment within sedimentary systems. Multiple feedbacks between biological, chemical, and transport processes make these interfacial sedimentary environments very com-plex. Experimental results are presented to illustrate the feedbacks be-tween hydrodynamic stream-subsurface exchange, biofilm development, and fine particle deposition. These studies demonstrate that a compre-hensive interdisciplinary approach is required to assess even the most basic dynamic processes in these systems, such as the evolution of in-terfacial fluxes over time. We suggest that it is useful to consider these processes to be biophysicochemical in nature. That is, in such complex environmental systems, it is misleading to attempt to consider processes in isolation; rather, understanding of system dynamics can only come from an integrated approach that considers feedbacks among and be-tween biological, physical, and chemical processes.