Badania modelowe uwarunkowań fluidyzacji strefy hyporeicznej

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.

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.