Hydrological and chemical water regime in the catchments of Bystra and Sucha Woda, in the Tatra National Park

• Autorzy: Sajdak M. , Siwek J. , Bojarczuk A. , Zelazny M.

Warianty tytułu

PL

Reżim hydrologiczno-chemiczny wód w zlewniach Bystrej i Suchej Wody (Tatrzański Park Narodowy)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The chemical composition of surface water and groundwater is subject to constant changes, which result primarily from meteorological factors (for instance, size and intensity of atmospheric precipitation), hydrological factors (for instance, the degree of hydration of the mountain massif and changes in river flows), and geological-lithological factors (the type of bedrock). The aim of the present research was to examine the hydrological and chemical regime of surface and underground waters in the Bystra and Sucha Woda mountain stream catchments. Between December 2013 and December 2016, 77 series of measurements were collected at the rhythm of twice a month (n = 611 water samples) from 8 sites, which represented both surface waters (watercourses, ponds) and underground waters (karst springs). The studied area possesses very distinct geological duality. The southern part is a crystalline region, and the northern part is made up of sedimentary rocks. During the field studies, the following have been measured: water levels of the watercourses, flow rates, and physicochemical characteristics of water, such as electrical conductivity, pH and water temperature. At the same time, water samples were collected for laboratory analyses, which included general mineralization and concentrations of Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, NH₄⁺, PO₄³⁻, NO₃⁻, Li⁺, Br⁻i F⁻ions. The geological structure had the greatest impact on the chemical composition of waters in the Bystra stream and Sucha Woda stream catchments. The waters representing the crystalline region were characterized by significantly lower total mineralization, lower specific electrical conductivity, and lower ion concentration than water in the crystalline-sedimentary (karst) region. The average value of total mineralization in the crystalline region was 14.3 mg · dm⁻³, and in the crystalline-sedimentary region – 81.2 mg · dm⁻³. The waters in the crystalline region were characterized by a demonstrably lower pH (average pH of 6.5) than the water in the karst region (average pH of 7.7). Low values of mineralization, electrical conductivity and concentration of main ions were accompanied by increased flows during the summer and autumn. In all the waters subjected to testing, there was also a marked decrease in the value of these parameters during the spring thaw. In the feeding of streams and karst springs during this time, slightly mineralized melt-waters had their significant share. In spring, there was also the greatest variation in the chemical composition of the studied waters. This variability was clearly lower in the lower Bystra karst spring than in the Goryczkowa karst string. It was most likely related to a different rate of melt-water inflow to the two karst springs. In all the tested waters, the highest values of total mineralization, electrical conductivity and concentration of main ions occurred during the winter low discharge, which resulted from the predominance of underground feed in the river’s runoff. In all the studied waters, a clear decrease in NO₃⁻ concentration was observed during the summer and autumn months. Most probably, this was associated with increased NO₃⁻ uptake by plants during the growing season. In the waters of streams draining the crystalline part of the Bystra stream catchment there was clearly lower nitrate concentration than in the Bystra stream waters draining the crystalline-sedimentary (karst) part. The chemical composition of the Bystra stream water, draining the crystalline-sedimentary (karst) part of the catchment, was strictly dependent on the chemical composition of groundwater from the Goryczkowy and lower Bystra karst springs.

PL

Skład chemiczny wód powierzchniowych i podziemnych podlega ciągłym zmianom, których przyczyną są przede wszystkim czynniki meteorologiczne (np. wielkość i natężenie opadów atmosferycznych), czynniki hydrologiczne (np. stopień nawodnienia masywu górskiego i zmiany przepływu rzecznego) oraz geologiczno -litologiczne (rodzaj skał budujących podłoże). Celem badań było poznanie reżimu hydrologiczno-chemicznego wód powierzchniowych i podziemnych w zlewniach potoku Bystra i Suchej Wody. Od grudnia 2013 r. do grudnia 2016 r. zebrano 77 serii pomiarowych w rytmie 2 razy w miesiącu (n = 611 prób wody) z 8 stanowisk, które reprezentowały zarówno wody powierzchniowe (cieki, staw) jak i podziemne (wywierzyska). Badany obszar cechuje się wyraźną dwudzielnością geologiczną. Południowa część to region krystaliczny, a północna część jest zbudowana ze skał osadowych. W terenie mierzono stany wody cieków, natężenia przepływu oraz cechy fizykochemiczne wód, takie jak przewodność elektryczna właściwa, pH oraz temperaturę wody. Równocześnie pobierano próbki wód do analiz laboratoryjnych, które obejmowały mineralizację ogólną oraz stężenia jonów Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, HCO₃⁻ , SO₄²⁻, Cl⁻, NH₄⁺, PO₄³⁻, NO₃⁻ , Li⁺, Br⁻i F⁻. Największy wpływ na skład chemiczny wód w zlewni potoku Bystra i Suchej Wody miała budowa geologiczna. Wody reprezentujące region krystaliczny cechowały się znacznie niższą mineralizacją ogólną, przewodnością elektryczną właściwą i stężeniem jonów niż wody w regionie krystaliczno-osadowym (krasowym). Średnia wartość mineralizacji ogólnej w regionie krystalicznym wynosiła 14,3 mg · dm⁻³ a w regionie krystaliczno-osadowym ⁻81,2 mg · dm⁻³. Wody w regionie krystalicznym cechowały się wyraźnie niższym pH (średnia: 6,5 pH) niż wody w regionie krasowym (średnia: 7,7 pH). Niskie wartości mineralizacji, przewodności elektrycznej właściwej oraz stężenia głównych jonów towarzyszyły podwyższonym przepływom w czasie lata i jesieni. We wszystkich badanych wodach zaznaczał się również wyraźny spadek wartości tych parametrów w okresie wiosennych roztopów. W zasilaniu potoków i źródeł (wywierzysk) w tym czasie znaczny udział miały słabo zmineralizowane wody roztopowe. Wiosną występowała też największa zmienność składu chemicznego badanych wód. Zmienność ta była wyraźnie mniejsza w wywierzysku Bystrej Dolnym niż w wywierzysku Goryczkowym, co najprawdopodobniej było związane z różnym tempem dopływu wód roztopowych do obu wywierzysk. We wszystkich badanych wodach najwyższe wartości mineralizacji ogólnej, przewodności elektrycznej właściwej oraz stężenia głównych jonów występowały w czasie zimowej niżówki, co wynikało z przewagi zasilania podziemnego w odpływie rzecznym. We wszystkich badanych wodach obserwowano wyraźny spadek stężenia NO₃⁻ w czasie miesięcy letnich i jesiennych. Najprawdopodobniej związane było to ze zwiększonym poborem NO₃⁻ przez rośliny w sezonie wegetacyjnym. W wodach potoków odwadniających krystaliczną część zlewni potoku Bystra występowało wyraźnie niższe stężenie azotanów niż w wodach potoku Bystra odwadniającego część krystaliczno-osadową. Skład chemiczny wód potoku Bystra, odwadniającego krystaliczno-osadową część zlewni, był ściśle uzależniony od składu chemicznego wód podziemnych z wywierzysk Goryczkowego i Bystrej Dolnego.

Słowa kluczowe

EN

Tatras Mountains; Tatra National Park; mountain stream; Bystra Stream; Sucha Woda Stream; catchment; stream catchment; hydrological regime; water chemistry

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus
• Rocznik: 2018
• Tom: 17
• Numer: 3
• Opis fizyczny: p.161-173,fig.,ref.

Twórcy

autor

Sajdak M.

• Institute of Geography and Spatial Management, Jagiellonian University in Cracow, Gronostajowa 7, 30-387 Krakow

autor

Siwek J.

• Institute of Geography and Spatial Management, Jagiellonian University in Cracow, Gronostajowa 7, 30-387 Krakow

autor

Bojarczuk A.

• Institute of Geography and Spatial Management, Jagiellonian University in Cracow, Gronostajowa 7, 30-387 Krakow

autor

Zelazny M.

• Institute of Geography and Spatial Management, Jagiellonian University in Cracow, Gronostajowa 7, 30-387 Krakow

Bibliografia

• Arheimer B., Andersson L., Lepistö A. (1996). Variation of nitrogen in forest streams – influences of flow, seasonality and catchment characteristics. J. Hydrol., 179, 281–304.
• Barczyk G. (2008). Tatrzańskie wywierzyska: krasowe systemy wywierzyskowe Tatr Polskich. Zakopane: Wydawnictwa Tatrzańskiego Parku Narodowego.
• Betton C., Webb B.W., Walling D.E. (1991). Recent trends in NO3-N concentrations and loads in British rivers. IAHS Publ., 203, 169–180.
• Bhangu I., Whitfield P.H. (1997). Seasonal and long-term variations in water quality of the Skeena River at Usk. British Columbia. Water Res., 31(9), 2187–2194.
• Burns D.A., Murdoch P.S., Lawrence G.B., Michel R.L. (1998). Effect of groundwater springs on NO3 concentrations during summer in Catskill Mountain streams. Water Resour. Res., 34(8), 1987–1996.
• Cameron E.M. (1996). Hydrogeochemistry of the Fraser River, British Columbia: seasonal variation in major and minor components. J. Hydrol., 182, 206–225.
• Clark M. J., Cresser M.S., Smart R., Chapman P.J., Edwards A.C. (2004). The influence of catchment characteristics on the seasonality of carbon and nitrogen species concentrations in upland rivers of Northern Scotland. Biogeochemistry 68, 1–19.
• Feller M.C, Kimmins J.P. (1979). Chemical characteristic of small streams near Haney in Southwestern British Columbia. Water Resour. Res. 15(2), 247–258.
• Gaweł A. (1959). Zagadnienia petrograficzne trzonu krystalicznego Tatr Zachodnich, Biuletyn– Instytut Geologiczny 149, 107–116.
• Gromadzka M., Wolanin A., Żelazny M., Pęksa Ł. (2015). Physical and chemical properties of the Goryczkowe and Bystrej Górne vaucluse springs in the Tatra Mountains, Hydrol. Res. 46(6), 954−968.
• Hem, J.D. (1985). Study and interpretation of the chemical characteristics of natural water. US Geological Survey Water-Supply Paper 2254.
• Hess M. (1996). Klimat. W: Mirek Z., Głowaciński Z., Klimek K, Piękoś-Mirkowa H. (red.), Przyroda Tatrzańskiego Parku Narodowego, Tatry i Podtatrze 3. Kraków-Zakopane: Tatrzański Park Narodowy, 53−68.
• Holloway J.M., Dahlgren R.A. (2001). Seasonal and event-scale variations in solute chemistry for four Sierra Nevada catchments, J. Hydrol. 250, 106–121.
• Johnson N.M., Likens G. E., Bormann F.H., Fisher D.W., Pierce R.S. (1969). A working model for the variation in stream water chemistry at the Hubbard Brook Experimental Forest, New Hempshire, Water Resour. Res. 5, 1353–1363.
• Klimaszewski M. (1988). Rzeźba Tatr Polskich, Warszawa: PWN.
• Kondracki J. (2002). Geografia regionalna Polski. Warszawa: Wydaw. Naukowe PWN.
• Lepistö A. (1995). Increased leaching of nitrate at two forested catchments in Finland over a period of 25 years, J. Hydrol., 171, 103–123.
• Likens G. E., Bormann F. H., Johnson N. M., Pierce R. S. (1967). The Calcium, Magnesium, Potassium, and Sodium budgets for a small forested ecosystem. Ecology, 48(5), 772–785.
• Likens G. E., Bormann F. H. (1995). Biogeochemistry of a Forested Ecosystems. New York: Springer-Verlag.
• Lovett G. M., Likens G. E., Buso D. C., Driscoll C. T., Bailey S. W. (2005). The biogeochemistry of chlorine at Hubbard Brook, New Hampshire, USA. Biogeochemistry, 72, 191−232.
• Lynch J.A., Corbett E.S., 1989. Hydrologic control of sulfate mobility in a forested watershed. Water Resour. Res., 25(7), 1695–1703.
• Małecka D. (1989). Wpływ opadów atmosferycznych na kształtowanie chemizmu wód w obrębie masywu tatrzańskiego. Przegląd Geologiczny, 37(10), 504−510.
• Małecka D. (1997). Źródła masywu tatrzańskiego. Acta Univ. Lodz., Fol. Geograph. Phys., 2, 9–26.
• Miller J. D., Hirst D. (1998). Trends in concentrations of solutes in an upland catchment in Scotland. Sci. Total Environ., 216, 77–88.
• Mirkowa-Piękoś H., Mirek Z. (1996). Zbiorowiska roślinne. W: Mirek Z., Głowaciński Z., Klimek K., Piękoś-Mirkowa H. (red.), Przyroda Tatrzańskiego Parku Narodowego, Tatry i Podtatrze 3. Kraków–Zakopane: Tatrzański Park Narodowy, 237−274.
• Muscutt A.D., Whithers J.A. (1996). The phosphorus content of rivers in England and Wales. Water Res, 30(5), 1258–1268.
• Murdoch P.S., Stoddard J.L. (1992). The role of nitrate in the acidification of streams in the Catskill Mountains of New York. Water Resour. Res., 28 (10), 2707–2720.
• Oleksynowa K., Komornicki T. (1990). Materiały do znajomości wód w Tatrach. Cz. X. Dolina Bystrej. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej im. H. Kołłątaja w Krakowie 247, Rolnictwo, 29, 3–31.
• Oleksynowa K., Komornicki T. (1996). Chemizm wód. W: Mirek Z., Głowaciński Z., Klimek K, Piękoś-Mirkowa H. (red.), Przyroda Tatrzańskiego Parku Narodowego, Tatry i Podtatrze 3. Kraków–Zakopane: Tatrzański Park Narodowy, 197−211.
• Pekarova P., Miklanek P., Konicek A., Pekar J. (1999). Water quality in experimental basin, National report 1999 of the IHP UNESCO project 1.1 FRIEND and of the project European Reference Basins. Bratysława: IH SAS.
• Piotrowska K., Danel W., Iwanow A., Gaździcka E., Rączkowski W., Bezák V., Mgalay J., Polák M., Kohút M., Gross P. (2015). Mapa Geolgiczna. W: Dąbrowska K., Guzik M. (red.), Atlas Tatr – Przyroda nieożywiona, Ark. IV.1 Budowa Geologiczna, Zakopane: Tatrzański Park Narodowy.
• Reynolds B., Emmett B.A., Woods C. (1992). Variations in stream water nitrate concentrations and nitrogen budgets over ten years in a headwater catchment in mid-Wales. J. Hydrol., 136, 155–175.
• Rice K.C., Bricker O.P. (1995). Seasonal cycles of dissolved constituents in streamwater in two forested catchments in the mid-Atlantic region of the eastern USA. J. Hydrol., 170, 137–158.
• Sajdak M. (2017). Krótkookresowe zmiany stanu wody i chemizmu wód potoków w części krystalicznej i osadowej na przykładzie potoku Bystra Woda (Tatry Zachodnie). Praca magisterska.
• Siwek J. P., Żelazny M., Chełmicki W. (2011). Influence of Catchment Characteristics and Flood Type on Relationship Between Streamwater Chemistry and Streamflow: Case Study from Carpathian Foothills in Poland. Water, Air&Soil Pollution, 214, 547–563.
• Siwek J. P. (2012). Zmienność składu chemicznego wód w małych zlewniach na progu Pogórza Karpackiego. Kraków: IGiGP UJ.
• Skiba S., Koreň M., Drewnik M., Kukla J. (2015). Gleby. W: Dąbrowska K., Guzik M. (red.), Atlas Tatr – Przyroda nieożywiona, Ark. VI.1 Gleby. Zakopane : Wydawnictwa Tatrzańskiego Parku Narodowego.
• Sullivan A.B., Drever J.I. (2001). Spatiotemporal variability in stream chemistry in a high-elevation catchment affected by mine drainage. J. Hydrol., 252, 240–253.
• Wit K., Ziemońska Z. (1960). Hydrografia Tatr Zachodnich: objaśnienia do mapy hydrograficznej „Tatry Zachodnie” 1:50 000. Kraków: Polska Akademia Nauk, Instytut Geografii, Zakład Geomorfologii i Hydrografii Gór i Wyżyn.
• Wolanin A., Żelazny M. (2010). Sezonowe zmiany chemizmu wywierzysk tatrzańskich na przykładzie wywierzysk: Chochołowskiego i Lodowego. W: Kotarba A. (red.), Nauka a zarządzanie obszarem Tatr i ich otoczeniem, t. 1, Nauki o Ziemi, Materiały IV Konferencji Przyroda Tatrzańskiego Parku Narodowego a Człowiek, Zakopane, 14–16 października 2010. Zakopane: Tatrzański Park Narodowy, 151–156.
• Wójcik S. (2012). Zróżnicowanie i sezonowa zmienność chemizmu wybranych źródeł zlewni potoku Olczyskiego w Tatrach. Prace Geograficzne IGiGP UJ 128, 61–75.
• Żelazny M. (2012). Czasowo-przestrzenna zmienność cech fizykochemicznych wód Tatrzańskiego Parku Narodowego. Kraków: IGiGP UJ.
• Żelazny M., Siwek J.P. (2012). Determinants of seasonal changes in streamwater chemistry in small catchments with different land use: case study from Poland’s Carpathian Foothills. Pol. J. Environ. Stud., 21, 791–804.

Identyfikatory

DOI

10.15576/ASP.FC/2018.17.3.161