Numerical modelling in Polish hydrogeology – short review of results in 2004–2017 years

Przegląd ponad 200 publikacji z zakresu numerycznego modelowania w hydrogeologii stanowi podstawę do zaprezentowania postępu i rozwoju tej szeroko stosowanej metody, szczególnie w latach 2004–2017. Wskazano trzy etapy rozwoju badań metodami modelowania. Omówiono główne trendy w zakresie modelowania przepływu wód podziemnych, migracji mas i zanieczyszczeń, zastosowań praktycznych, badania procesów i doskonalenia warsztatu badawczego. Podkreślając wiele zalet tej metody, podano wybrane przykłady, jak również wskazano na jej ograniczenia i wady. Na zakończenie przedstawiono przegląd najczęściej używanych słów kluczowych. Z natury rzeczy tego typu przegląd jest subiektywnym opisem opartym na doświadczeniu autora i doniesieniach literaturowych.Review of more than 200 publications on numerical modelling in hydrogeology has been presented as a base for the presentation the progress and development of this widely used method, especially during the years 2004–2017. Three stages in the research methods of modelling has been noticed. The main trends in the field of modelling groundwater flow, the mass transport and pollutants migration, practical applications, research processes and improvement of the research method has been discussed. Highlighting the many benefits of this method are given some examples as well as indicated on the constraints and disadvantages during the groundwater modelling. At the end provides an overview of the most frequently used keywords. The nature of things the review is subjective descriptions based on the experience of the author and of literature review

On groundwater in crystalline rocks of the Sudetes and their foreland

W prezentowanym artykule przedstawiono ewolucję i postęp w rozwiązywaniu poszczególnych problemów badawczych, związanych z występowaniem wód podziemnych w skałach krystalicznych (o niskiej porowatości pierwotnej) Sudetów i bloku przedsudeckiego. Opisano trójstrefowy schemat występowania wód podziemnych i podkreślono rolę pokryw zwietrzelinowych w gromadzeniu wód oraz stref spękań w ich przewodzeniu. Przedstawiono uwarunkowania procesu zasilania. Otrzymano znaczne wartości zasilania wód podziemnych od 22 do 50% opadów. Wskazano jak różne wyniki otrzymuje się, stosując punktowe i regionalne metody analizy. Zaprezentowano tok postępowania dla poszukiwania obszarów perspektywicznych oraz stosowane metody badawcze, w tym nowe metody VLF i MRS. Dyskusji poddano zagadnienia zasobowe wód podziemnych. Udokumentowano, że zasoby obliczone różnymi metodami wykazują odpływ podziemny bazalny rzędu 3–5 l/s•km2. W tych warunkach najlepszą techniką ujmowania wód podziemnych są ujęcia drenażowe, źródeł oraz studni wierconych. Przedstawiono charakterystykę mineralizacji oraz odczynu chemicznego wód. Wskazano na podwyższone zawartości radonu oraz lokalnie fluoru oraz arsenu. W obszarach zarzuconej eksploatacji węgla kamiennego stwierdzono objawy kwaśnego drenażu.The paper presents the evolution and progress in research on groundwater occurrence and resources in low porosity crystalline formations of the Sudetes Mts. and the Fore-Sudetic block. Description a three-zone scheme of groundwater occurrence and circulation, and the important role of alterites (weathered and decayed rocks) and rock fracturing in the accumulation of water are described. Constraints on the groundwater recharge process are also discussed. High water infiltration rates in (22 to 50% of annual precipitation) were measured in the Sudetes Mts. The differences in the received results are explained by the application of the methods of punctual and regional analyses. A procedure in the evaluation of the most promising groundwater water zones and research methods are discussed, including the new methods of VLF and MRS. A discussion on groundwater resources is also presented. The groundwater resources calculated with different methods show that the value of basic groundwater runoff is 3–5 l/s•km2. Different techniques of groundwater supply including a drainage technique (horizontal intakes), natural springs and typical vertical water drillholes are evaluated. The groundwater is characterized by low mineralization values and slightly acidic pH. There is a large area of high radium content, and only locally of fluorine and arsenic contents. In areas of abandoned hard coal exploitation, an effect of acid drainage is noticed. Suggestions regarding future research and problems are included

Water-bearing capacity of hard rocks in the Sudetes

W pracy przedstawiono nowe wyniki badań dotyczące występowania zwykłych wód podziemnych w środowisku szczelinowym skał krystalicznych Sudetów. Rozważania poprzedzono przeglądem dotychczasowych wyników badań i poglądów. Zaproponowano 3-strefowy model hydrauliczny gromadzenia i przepływu wód, wskazując na istotną rolę pokryw zwietrzelinowych. Model ten zmienia uproszczony, tłokowy schemat szybkiej wymiany wód podziemnych w tych obszarach. Pokrywy zwietrzelinowe powodują, że w modelu przepływu należy uwzględniać schemat mieszania się (przenikania się) wód wolno i szybko przepływających przez ośrodki o różnej pojemności i oporności hydraulicznej. Określono stopień zawodnienia skał krystalicznych w Sudetach, wskazując na wysoki odpływ podziemny i znaczną liczbę źródeł. Skały, z których wody eksploatowane są studniami wykazują średni i niski stopień zawodnienia, co pozwala uzyskać średnią wydajność 5 m3/h ze studni w strefach spękań. Ze względu na geometrię i właściwości hydrauliczne stref wodonośnych poziome ujęcia drenażowe dostarczają nawet do 100 m3/h wód w strefach regionalnych dyslokacji, np. Kletno-Stare Mesto. Propozycja wolnej wymiany wód została uzasadniona obserwacjami drenażu i poparta doniesieniami literaturowymi. Przemawiają za nią badania izotopowe, wskaźnikowe oraz składu chemicznego.This paper presents new results on fresh groundwater occurrence in fractured crystalline rocks in the Sudetes. Description has been followed by review of previous results and approaches. Three-zones hydraulic model of water storage and flow has been proposed and indicate important role of the weathering cover. Recent study modificate simple piston flow scheme and rapid water exchange in such a region. Weathering zone existence showed that the flow model must be considered as mixing water with different rate of flow through media of different capacity and transmissivity. Water-bearing properties of hard rock in the Sudetes has been evaluated and indicated high groundwater run of fand spring's density. Crystalline formation tapped by water wells indicate low and intermediate yield and provide 5 m3/h of water in fissured zone. Due to geometry and hydraulic properties of water bearing zones horizontal water intake is able to provide up to 100 m3/h of water in regional fracture zones, e.g. Kletno—Stare Mesto in the Śnieżnik Massif. Proposed low groundwater flow has been supported by drainage observation data and also by some publication. Results of isotopic and traser studies as well as water chemical composition support proposed model

Shallow groundwater temperature in Wrocław city

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów temperatury płytkich wód podziemnych na terenie Wrocławia oraz ich związek z tzw. miejską wyspą ciepła. Wyniki pomiarów terenowych wykazują wzrost temperatury wód podziemnych o 20% w relacji do obliczeń teoretycznych klasycznym wzorem dla obszarów niezurbanizowanych. Wykazano przesunięcie maksymalnej temperatury wód o okres 3 miesięcy w relacji do temperatury powietrza. Przedmiotowe badania mają istotne znacznie dla projektowania pomp ciepła.The paper presents the results of measurements of shallow groundwater temperature in the territory of Wrocław City and the relation to the so-called „urban heat island”. Field measurements indicate a higher groundwater temperature by approximately 20% as calculated by the classic formula in relation to the theoretical value in non-urbanized areas. Shift of the maximum water temperature in relation to the air temperature by three months has been noticed. Such results are important for heat pump designing

The influence of the heterogeneity of the aquifer on the assessment of groundwater disposable resources

Problem przeprowadzenia wiarygodnej oceny zasobowej w środowisku szczelinowym wiąże się ściśle z zagadnieniami dotyczącymi stopnia rozpoznania rzeczywistych parametrów tego środowiska i dróg przepływu, formujących się w jego obrębie. W zastosowaniu modelu ciągłego ośrodka są liczne ograniczenia, związane m.in. z brakiem możliwości przewidywania rozkładu zwierciadła wód podziemnych i ograniczonej łączności między składowymi sieci hydraulicznej (Motyka, 1998; Nawalny, 1999). Podstawą rozważań były dwa przykłady, pierwszy z obszaru występowania krasowo-szczelinowych formacji triasu opolskiego, drugi z utworów szczelinowo-porowych fliszu karpackiego.W obu przypadkach stosowano metodę różnic skończonych (Modflow). Jak wykazały badania, stosowanie modelu deterministycznego analogu środowiska porowego (EPM) może prowadzć do błędnych wniosków odnośnie zasobności systemu. O ile depresje w poszczególnych rzeczywistych ujęciach w większości przypadków są możliwe do symulacji, o tyle próba symulacji ich wzajemnego oddziaływania może zakończyć się niepowodzeniem. Przypadek rejonu Tarnowa Opolskiego stanowi potwierdzenie powyższych uwag. Ośrodek szczelinowo-krasowy triasu opolskiego (szczególnie przykryty młodszymi utworami izolującymi) pozostaje nierozpoznany pod względem rzeczywistego rozkładu sieci spękań i kanałów. W artykule podjęto próbę analizy możliwości istnienia dotychczas niewyinterpretowanych uprzywilejowanych dróg przepływu i ich oddziaływania na ostateczną ocenę zasobową. W przypadku fliszu Karpat badania modelowe odwzorowujące w ostatecznym stopniu zgodność strumienia wód podziemnych i zasoby w skali regionalnej nie pozwalają na wierne odwzorowywanie lokalnych ujęć. Zasoby eksploatacyjne pojedynczego otworu, zatwierdzone zgodnie z procedurami, okazują się zawyżone dwu-, trzykrotnie w warunkach wieloletniej eksploatacji. Przedstawiono dyskusję i przyczyny błędów oraz ograniczenia stosowanych metod modelowania.Reliable assessment of groundwater resources in fractured medium requires a reasonable degree of recognition of real parameters of the rock environment and flow path network. There are numerous limitations in the use of the model of the equivalent porous medium, related e.g. both to the impossibility of prediction of the groundwater table distribution and the limited communication between the constituents of the hydraulic system (Motyka, 1998; Nawalany, 1999). The present considerations are based on two examples. The first one is from the area of the occurrence of karstic-fractured formations of the Opole Triassic aquifer, whereas the second one is from porous-fractured Flysh deposits of the Carpathian aquifer. In either case, a method of finite differences (Modflow) has been applied. As shown by the research, the usage of the deterministic approach and the analogue equivalent porous medium (EPM) could create incorrect conclusions in relation to water resources of the system. Depressions in individual wells are in most cases possible to be simulated, but the attempt to simulate an interaction between them can fail. The case study of the Tarnów Opolski region confirms the above remarks. The karstic-fractured Opole aquifer (especially if covered with younger sediments acting as an isolating layer) remains unrecognized in respect of the real network of fractures and channels. The article is an attempt to analyse the possibility of the existence of previously uninterpreted zones of preferential flow and their influence on the final estimation of resources. In case of the Carpathian Flysh, the modeling research, representing finally the conformity of the groundwater flow pattern and the amount of resources in the regional scale, do not allow for acquiring realistic images of local captures. Asafe yield limit of a single well, approved in compliance with standard procedures, appears to be two to three times exaggerated in a long-term period of exploitation. The discussion and reasons of errors and limitations of the applied modelling methods are also presented

Chemical composition of groundwater of Kamieńczyk catchment area in Sudety Mts. in relation to groundwater flow systems

The present study has shown that in small, mountainous Kamieńczyk catchment (Sudety Mts.) is possible to identify hydrodynamical conditions and chemical parameters typical for different zones of local groundwater flow systems: spring discharge, discharge variability, relationships between bicarbonate and sulphate ions, pH and silica contents. Furthermore regional flow zone was clearly chemically identified through high groundwater mineralization and strongly metamorphosed hydrogeochemical facies. This proves that studies of groundwater flow zones in mountain catchments can be effectively supported by chemical analysis of groundwater

Groundwater infiltration based on lysimeter measurements in the Sowie Mountains (SW Poland)

Field research on effective infiltration has been carried out in the Sowie Mountains area in the Sudetes Mountains (SW Poland) in a lysimeter installed 0.9 m below the surface of the ground in a forest. The annual rainfall in 2011 has been measured in the range 520.9–644.8 mm for the three station, while the average precipitation of the long term observation indicate 880 mm. Air temperature was 2°C higher during experiment period from the typical to the region. During annual study (from April 2011 to May 2012) it has been measured effective infiltration volume as 78.1 mm of water in comparison total precipitation of 596.7 mm in nearest station. Groundwater recharge by infiltration is changing during the year as well as in longer period, occurs mainly in cool season (spring, autumn) and indicate impulsive nature. The highest rate was reported in the October-November period, infiltration has exceeded the 30% of the precipitation, what could be explained by the high degree of saturation of the aeration zone. The departure value recorded in the summer relates to the degree of saturation of the aeration zone and there is high rainfall of the order of 200 mm. Then at the turn of July and August there has been measured a 54 mm percolating water. However, in August and September when rainfall over 107 mm water percolation was only 0.5 mm. Recharge and water supply in summer precipitation requires an initialization precipitation value order of 30–50 mm to supplement the state of moisture contains and high transpiration of plants. Infiltrating water showed of nitrate-sulphate-bicarbonate-calcium-sodium chemical type. In the process of infiltration increase of total dissolved solids almost twice has been measured.Water are enriched in the ions+, Mg2+, K+, Ca2+, Cl–, NO3–, SO42– is observed while the reduction of the concentration of HCO3–and NH4+. Chemical water composition is quite similar to the water in the stream located close to the lisymeter point

Extreme weather events and their effect on the groundwater level. Examples from Lower Silesia

This article presents the impact of meteorological and hydrologic droughts on the groundwater level (so-called hydrogeological drought) based on selected examples from Lower Silesia (SW Poland). The reduction in discharge rate and size in springs, and the duration of low stages in relation to the selected river flows are presented. Groundwater level fluctuations in shallow and deeper aquifers are discussed. The study shows the length of delayed reaction of groundwater in deeper aquifers levels. Examples of effects due to flooding by surface water on the position of groundwater levels in river valleys are presented. Description of the reaction in groundwater, in terms of temporal and spatial extent, is also given. Both periods of hydrogeological drought and flooding events create significant problems for rational water management, especially in the areas of water intakes for individual, rural and large agglomerations

Anisotropy modelling of the fissure-karstic aquifer of the Opole–Zawadzkie Major Groundwater Basin (south-west Poland)

The problem of the anisotropy and heterogeneity of karstic aquifers has been previously described. The Opole–Zawadzkie Major Groundwater Body (south-west Poland) was chosen for this investigation. The parameters for anisotropy were analysed on the basis of well yield and observation of macro-fractures (field scale) compared with micro-fractures. Statistical tools were used to assess the directions and values of anisotropy. The estimated parameters were tested on two different models realized in Visual Modflow code. The anisotropy of hydraulic conductivity was recognized as an essential factor for groundwater flow direction and water table depletion prognosis as well as for water budget modification. The second model (M2), representing anisotropy flow conditions, gave an 11% lower value of safe yield in comparison with the first model (M1-isotropic). Additionally, anisotropy conditions caused water table lowering and limitation of aquifer recharge. The results of these studies indicate the need for more attention to be paid to the anisotropy problem in the area, where fracture-karstic aquifers are the main source of groundwater supply

Groundwater and mass transport modelling for documentation and protection of groundwater resources

Short history of mathematical modeling of groundwater flow and transport in Poland is described. It shows brilliant and long tradition of this advanced aspect of hydrogeology. Mathematical modeling has been extensively used in Poland for years in solving practical problems concerning mainly groundwater abstraction, protection of groundwater resources and, recently, as a routine tool for environmental impact assessment whenever groundwater is involved. Use of numerical models in documenting groundwater resources and conditions of their restoration within regional water balance units are recalled. In particular - documenting admissible volumes of groundwater to be abstracted including wells operating in river valleys, determining protection zones for water supply wells and groundwater reservoirs, in particular for major groundwater basins (in Polish: GZWP), investigating optimal ways of abstracting fresh groundwater in areas where mineral waters occur, investigating alternative groundwater sources for supplying large agglomerations. Three examples: defining changes in groundwater chemical composition in conditions of intensive anthropogenic stress on the environment - impact from urban and industrial waste landfills, agriculture, transportation and municipal facilities on groundwater; coexistence of fresh and mineral waters and, finally, quantitative assessments of impacts from open-pit mines on groundwater in the mining stricken area are described in more detail. Last paragraph of the paper is a future looking assessment of aspects of mathematical modeling in Polish hydrogeology that need to be further developed. The aspects concern scientific issues like: scale problem, inverse problems and chemical reactions in subsoil. Also a need of developing specialized software, setting hardware infrastructure and training staff are addressed as the necessary conditions for keeping pace with world's hydrogeology