Úvod do problematiky krasových podzemných vôd
Prudký rozvoj priemyslu, poľnohospodárstva a neustále pribúdanie populácie kladie sústavne vyššie nároky na využívané množstvá vody. Toto zvyšovanie požiadaviek je možné uspokojovať buď z podzemných, alebo povrchových vôd, pričom využívanie povrchových vôd, hlavne ako vôd pitných je niekoľkonásobne drahšie ako využívanie vôd podzemných. Preto ako potenciálny zdroj obrovských zásob pitných a úžitkových vôd pútali pozornosť vedcov už oddávna krasové územia.
Pre ujasnenie terminológie krasové vody sú typy podzemných vôd, ktorých výskyt sa viaže na karbonátové horniny, ako sú vápence, dolomity, sadrovce, karbonátové zlepence alebo morská soľ. Voda rozrušuje karbonátové horniny a vzniká tu komplikovaný systém oddelených tokov, ktoré majú vlastné povodia. Avšak kompaktná karbonátová hornina je prakticky nepriepustná. Infiltráciu a cirkuláciu vôd v nej umožňuje porušenosť a to buď rozpukaním a skrasovatením. Pokiaľ je vo vode pretekajúcou cez rozpukaný vápanec rozpustený oxid uhličitý, dochádza k premene nerozpustného uhličitanu vápenatého na rozpustný hydrogénuhličitan vápenatý. Tento proces môžeme zapísať chemickou rovnicou: CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3) 2. Týmto spôsobom vzniká krasový reliéf a formy krasového reliéfu, buď povrchové alebo podzemné. Niektorí autori krasové vody označujú ako krasovo-puklinové (podzemné) vody.
Poznanie rozvoja krasových foriem je podmienené poznaním zákonitostí krasovej hydrografie. Časť územia Slovenska má z hydrologického hľadiska veľmi vhodnú geologickú stavbu, ktorá umožňuje vznik a sústredenie významných zdrojov podzemných vôd. Ich najväčšie zdroje a zásoby sú v kvartérnych a karbonátových sedimentoch (vápencoch a dolomitoch) mezozoika Západných Karpát. Skutočnosť, že podzemné vody kvartérnych sedimentov sú už v značnej miere využité a dochádza k zvyšovaniu ich znečistenia a k ich znehodnocovaniu, spôsobila, že hydrogeológovia sa v poslednom období sústreďujú na výskum a využitie podzemných vôd z karbonátových krasovo-puklinových hornín. Tieto horniny vytvárajú významné rozlohy hlavne v jadrových pohoriach Západných Karpát a v Slovenskom Rudohorí. Zložitá tektonická stavba podmienená vrásovou a zlomovou tektonikou a charakteristická príkrovovou stavbou vytvorila celý rad krasovo-puklinových hydrogeologických štruktúr. Tieto hydrogeologické štruktúry zaberajú z celkovej povrchovej rozlohy mezozoika tvoriacej v Západných Karpatoch zhruba 9930 km2 rozlohu 3280 km2, čo predstavuje asi 33%.
Celkové množstvo zdrojov krasových podzemných vôd je podľa najnovších prognóz nad 27 m3. s –1. I z vyčísleného množstva zdrojov krasových podzemných vôd je využitá iba menšia časť. Ešte stále sú nevyužité významné zdroje a zásoby podzemných vôd. Doterajší a málo efektívny stupeň ich využitia je spôsobený dvoma skupinami problémov. Prvá skupina súvisí so zložitosťou a nie vždy dostatočnou objasnenosťou geologickej stavby a hydrogeologických pomerov. Problémy, ktoré si vyžadujú úsilie hydrogeológov sú kvantifikácia doplňovania podzemných vôd krasových hydrogeologických štruktúr a prestupov podzemných vôd z otvorených hydrogeologických štruktúr do priľahlých horninových prostredí. S druhou skupinou problémov súvisí variabilita režimu krasových vôd a ich akumulácia. Málo objasnená je najmä veľká rozkolísanosť výdatnosti krasových vôd a tiež nedostatok poznatkov o akumulovaných zásobách krasových vôd v jednotlivých hydrogeologických štruktúrach. Hoci existuje celý rad problémov, hlavným zostáva veľká rozkolísanosť výdatnosti zdrojov krasových vôd (najmä prameňov) znemožňujúca bez zložitých umelých zásahov optimálnejšie využite tohto typu podzemných vôd.
Hodnotenie krasových vôd hydrogeologických povodí ako celkov je najlepší a najpresnejší spôsob získania hodnoverných priemerných výsledkov a na riešenie celého radu základných hydrogeologických problémov. Realizuje sa prostredníctvom hydrologických bilancií, v rámci ktorých je možné hodnotiť zrážkovo-odtokové vzťahy, evapotranspiráciu, zmeny zásob krasových vôd, ako aj prírodné zdroje krasových vôd a ich zmeny v čase. Riešenie týchto načrtnutých problémov má základný význam pre komplexné zhodnotenie hydrogeologických pomerov krasových vôd, ako aj pre ocenenie ich zdrojov a efektívnejšie a ekonomickejšie využite pre ich ochranu.
Vývoj názorov na problematiku krasovej hydrografie
Zákonitosti krasovej hydrografie ešte dodnes nie sú úplne vysvetlené. Ako jeden z prvých hydrogeológov sa touto problematikou zaoberal A. Grund (1903, 1910). Podľa neho existuje v krasových terénoch jednotný zvodnený systém so súvislou hladinou. Tento zvodnený systém má dve zóny. Spodnú zónu s prevažne stagnujúcou podzemnou vodou nachádzajúcou sa v puklinách a kavernách vo veľkej hĺbke a vrchnú zónu – zónu tečúcej vody. Táto má vodnú hladinu naklonenú k oblasti odvodňovania. Stagnujúca vrstva má funkciu izolátora, na ktorom sa rozprestiera tečúca voda.
Proti tejto teórii vystúpil hydrogeológ F. Katzer (1909) s teóriou, že v rozpukaných a skrasovatených vápencoch existuje iba cirkulácia podzemných vôd v podzemných vodných tokoch podobných povrchových a odvádzajúcich infiltrované vody rozvetvenou sieťou podzemných tokov k výverom. Popieral akúkoľvek možnosť zastihnúť podzemnú krasovú vodu v karbonátovom komplexe mimo týchto privilegovaných ciest.
Prvú syntézu (model) režimu krasových podzemných vôd podal J. Cvijič (1918), ktorý rozlišuje tri hydrografické zóny s odlišnými formami cirkulácie podzemnej vody a objasňuje ich ako bezprostredný následok evolúcie krasového procesu. Sú to: suchá zóna, prechodná zóna a zóna so stálym prietokom podzemných vôd. Suchá zóna sa nachádza bezprostredne pod povrchom terénu. Vyznačuje sa bohatstvom prázdnych kavern, kanálov a puklín, cez ktoré voda prechádza prevažne vertikálne až po prechodnú zónu.
Prechodná zóna sa vyznačuje stálymi i občasnými hydrogeologickými prejavmi. V období zrážok prestup vody horninou sa zastavuje v tejto zóne. Dochádza v nej ku koncentrácii vôd a k formovaniu podzemných tokov. Táto zóna sa nachádza nad úrovňou krasových depresií, charakterizujú ju občasné pramene, prejavujúce sa v zrážkovom období. Zóna so stálym prietokom vody sa nachádza pod úrovňou krasových depresií. Najväčšia časť vôd z tejto zóny odtečie prameňmi. Je to zóna s riedkymi rozšírenými puklinami a so spomaleným pohybom podzemnej vody. Hranice medzi jednotlivými zónami sa krátkodobe menia podľa úhrnu zrážok.
V roku 1932 O. Lehman prichádza s novou teóriu o dynamike krasových vôd, pričom vychádza zo starého učenia o samostatnosti krasových tokov, ktoré sa viažu na široko rozvetvený rúrovitý systém. Podľa neho je prevládajúcim druhom pohybu vody sú jaskynné toky. Nazdáva sa, že vznik jaskynných priestorov bol tektonicky podmienený a jasykyne boli rozpúšťaním len o niečo rozšírené. Rozlišuje siršie, navzájom spojené pukliny, ktoré sú hydrograficky účinné a pukliny kapilárne, ktoré brzdia až znemožňujú pohyb vody. Celým týmto puklinovým systémom sa voda pohybuje pomaly a zväčša pod tlakom. Kedže celkové vývery krasových vôd sú menšie ako množstvo spadnutých zrážok, usudzuje sa, že značná časť vody sa v podzemí akumuluje v samostatných krasových nádržiach, ktoré sú tlakom preplavované a vyprázdňované. Krasovú hydrografiu predstavuje ako uzavretý puklinový systém. V rámci takéhoto systému badať smerom nadol spájanie rúrovitých ciev a jeho odvodňovanie krasovým prameňom. Tlakové prúdenie je nahradené veľkým prúdením a len v čase silných dažďov, keď sú zaplnené všetky jaskynné priestory, na krátku chvíľu tu prevláda tlakové prúdenie. Lehman odmieta existenciu jednotnej hladiny podzemnej vody z toho dôvodu, že prierezy rúrovitých ciev a rýchlosti prúdenia v nich si navzájom nezodpovedajú.
Krasové výskumy v šesdesiatich rokoch (D. Sokolov 1962, A. Bogli 1966, M. Maximovič 1963) vyvracajú Lehmanovu teóriu a potvrdzjú existenciu jednotlivých krasových nádrží s hydraulicky spojeným zvodneným horizontom, ktorých výšky sú závislé od úrovne odvodňovacej bázy. V krasovej nádrži vyčleňujú 3 – 5 vertikálnych hydrografických zón s obehom krasovej vody: vertikálnym, horizontálnym a sifónovým.
Obeh krasových vôd
Základným elementom krasovej hydrografie aplikovaným na podmienky Slovenského krasu sú samostatné krasové nádrže – rozsiahle sústavy krasových vôd s hlavným podzemným tokom a mnohými bočnými, často len epizodicky preplavovanými tokmi. V podmienkach planín Slovenského krasu je hydrografická sieť z karbonátového povrchu úplne prenesená do podzemia. Tu v krasových nádržiach v závislosti od odvodňovacích báz a nezávisle od geologickej štruktúry hornín a ich úložných pomerov vytvorili krasové dutiny – jaskyne s horizontálnym dnom. Krasové vody sú schopné znižovať svoju hladinu sledujúc pokles úrovne odvodňovacích báz. Pod vpylvom toho sa krasové dutiny poschodovite usporiadali a navzájom sú spojené komínmi a zvislými puklinami, po ktorých sa voda vodopádmi prepadá na nižšie úrovne.
Pre všetky krasové nádrže je príznačná vertikálna členitosť obehu krasových vôd, ktorú môžeme označiť ako zónu vertikálneho – zostupného obehu. Nachádza sa nad zónou úplného nasýtenia, t.j. nad hladinou krasových vôd. Táto zóna je aktívna hlavne v čase topenia snehu, kedy sa vody z krasového povrchu prostredníctvom závrtov, puklín ponorov pohybujú k hladine krasových vôd.
Hornou hranicou zóny horizontálneho obehu je hladina krasovej vody, ktorá neustále kolíše podľa množstva vytekajúcej vody. Určiť jej spodnú hranicu je komplikované, nakoľko prechádza do zóny sifónového obehu. Pohyb vody v tejto zóne je usmernený od miest doplňovania k miestam odvodňovania či už prameňmi občasnými – odvodňujúcich hornú časť tejto zóny, alebo stálymi – odvodňujúcimi dolnú časť zóny horizontálneho obehu. Zóna sifónového obehu vytvára spolu so zónou horizontálneho obehu hydraulický spojený zvodnený horizont krasových vôd, pričom sa v jeho vrchnej časti sa uskutočňuje horizontálny obeh a v spodnej časti vertikálny sifónový obeh. Táto zóna je odvodňovaná výstupnými prameňmi na úrovni odvodňovania, ale i pod ňou.
Režim a výdatnosť krasových prameňov
Krasové vody sa fomujú pod komplexným vplyvom fyzickogeografických podmienok, z ktorých sú dôležité litologické, chemické štruktúrno-tektonické, geomorfologické, klimatické, hydrologické a vplyv pôdneho krytu a vegetácie. Žiaľ, na území Slovenského krasu sa nerobili pozorovania na základe ktorých by sme mohli stanoviť mieru spätosti fyzickogeografických podmienok a ich vplyvu na režim krasových vôd. Poznatky sú prevzaté z výskumov Aggtelekského krasu (Maďarsko), krasovej planiny Dolného vrchu v Slovenskom krase a z pozorovania niektorých prameňov Slovenského krasu. Ale tento pozorovací materiál je dosť heterogénny, jednotlivé pramene neboli merané v rovnakom úseku a nedá sa jednoznačne vyhodnotiť režim krasových vôd.
Režim krasových vôd Slovenského krasu študoval M. Zaťko (1966). Pramene začlenil do prvého výškového stupňa výškovej zonálnosti režimu podzemných vôd a to na základe toho, že v dlhodobom priemere maximum výdatnosti pripadá na jar (marec, apríl) a minimum na jeseň (október, november). Nasledujúca tabuľka uvádza najvýdatnejšie pramene Slovenského krasu a z nameraných hodnôt je zrejmá značná rozkolísanosť výdatnosti prameňov. Tie pramene, ktoré dostávajú aj vodu z nekrasového územia, majú oveľa viacej nevyrovnené výdatnosti ako pramene živené len krasovou vodou.
Podľa zložitosti obehových ciest môžeme rozlíšiť 4 základné druhy prameňov:
Skupina prameňov vyživovaných vlastnou vodou prostredníctvom úpätných ponorov. Tieto ponory sa vyskytujú na styku krasovej a nekrasovej krajiny na úpätí krasových planín. Ponory sú nízko položené a voda vstupuje skoro priamo do zóny horizontálneho obehu. Topenie snehu alebo dažďová perióda sa prejavuje na výdatnosti prameňa náhle a zakalením vyvierajúcej vody. Režim výdatnosti prameňov je hlavne odrazom režimu povrchových vôd nekrasového územia. Rozkyv výdatnosti prameňov je veľký.
Skupina prameňov vyživovaných vlastnou vodou prostredníctvom aktívenho povrchu, ale hlavne planinovými ponormi. Planinové ponory odvodňujú rozsiahlejšie planinové depresie. Toky sa v nich ponárajúce sú len epizodické. Topenie snehu a dažďová perióda sa prejavia v režime výdatnosti jej stúpnutím s malou časovou stratou za dažďovou periódou nakoľko voda cirkuluje celým hydrografickým systémom.
Skupina prameňov vyživovaných vlastnou krasovou vodou len prostredníctvom aktívneho krasového povrchu (závrty a iné vertikálne pukliny). Voda z roztopeného snehu a z dažďových period je odvádzaná do podzemia rozsiahlou sieťou hydrograficky aktívnych puklín, voda cirkuluje celým hydrografickým systémom a preto zásoby krasových vôd sa dopĺňajú plynule, čo sa prejavuje zvýšenou výdatnosťou prameňov oneskorene za časovou periodou.
Skupina prameňov zóny sifonového obehu. Vyživované sú vodou jednotného zvodneného horizontu a ich výdatnosť je závislá od veľkosti hydrostatického tlaku a priepustnosti odvodňovacích puklín. Režim meterologických faktorov sa v ich režime už skoro neodráža.
Chemické zloženie krasových vôd
Vody krasových prameňou sú najčastejšie slabo alkalické až alkalické, stredne mineralizované (okolo 300 mg/l) a dosť tvrdé až tvrdé (13 – 22 ºN). Na základe chemických rozborov môžeme vyčleniť dva základné typy hydrochemických krasových vôd:
-vody kalcium-bikarbonátového charakteru viazané na vápence
-vody kalcium-magnezium-bikarbonátového charakteru viazané na vápencovo-dolomitické a dolomitické horniny
Využitie krasovo podzemným vôd
Vápencovo-dolomitické komplexy Západných Karpát majú veľké množstvá krasových podzemných vôd. Ich veľkou nevýhodou vo vzťahu k vodohospodárskemu využitiu je vo väčšine hydrogeologických štruktúr veľký rozkyv odtokou podzemných vôd, ktorý rastie so vzrastom filtračnej homogenity horninového prostredia. V horninových prostrediach s väčšou až veľkou filtračnou heterogenitou trvale zabezpečená výdatnosť zdrojov tvorí často iba 10 - 20% priemernej výdatnosti zdroja.
Z vedeckého hľadiska sa problematike využitia krasovo podzmených vôd v horských oblastiach napriek jej dôležitosti nevenuje primeraná pozornosť i keď vzhľadom na veľké rozkyvy výdatnosti väčšiny prameňov má veľký, hlavne praktický a ekonomický význam. Najväčšou brzdou rozvoja tejto problematiky a hlavne jej konkrétnych riešení je odborná a finančná náročnosť a ako to potvrdzujú i doterajšie výsledky v zahraničí, aj veľké riziko neúspešnosti.
Existuje viacero foriem využívania krasovo podzemných vôd. Z nich možno uviesť:
-využívanie krasovo podzemných vôd kombináciou čerpania využiteľných zdrojov a akumulovaných zásob podzemných vôd (zo záchytných objektov tvorených kombináciou šachiet a štôlní, úpadnicami a hydrogeologickými vrtmi)
-budovanie povrchových a podzemných priehrad umožňujúcich zvýšenie akumulácie podzemných vôd vo vhodných krasovo podzemných hydrogeologických štruktúrach
-exploatáciou podzemných vôd krasových prameňov so sezónnym využívaním akumulovaných zásob podzemných vôd z hydrogeologickej štruktúry priľahlej k prameňu
Uvedené riešenia na našom území ešte neboli realizované, avšak v zahraničí už boli zaznamenané pozitívne výsledky.
Prvá forma riešenia bola úspešne realizovaná v Chorvátsku hydrogeológom B. Mijatovičom v roku 1972 a 1984. Avšak realizácia šachtami, štôlňami a úpadnicami je veľmi nákladná a nie vždy úspešná ako to dokumentujú výsledky z oblasti Švajčiarskej jury pod vedením A. Burgera v roku 1983.
Druhá forma riešenie pomocou povrchových a podzemných priehrad je zatiaľ teoreticky rozpracovaná v Chorvátsku J. Peričom.
Tretej forme riešenia je venovaná zvýšená pozornosť vo svete aj u nás, lebo sa javí ako najoptimálnejšia. V tomto smere boli už urobených niekoľko pokusov, z ktorých za úspešné možno považovať výsledky G. Durozoya (1957) na krasovom prameni Ain Bou Merzoung v Alžírsku. Na tieto výsledky nadviazalo málo úspešných pokusov vo Francúzsku. Výnimku tvorí úspešné využitie významného krasového prameňa ,,LEZ´´ zásobujúce mesto Montpelliér vo Francúzsku. Hlavnými problémami sú výber vhodného krasového prameňa a k nemu priľahlej hydrogeologickej štruktúry, ako aj možnosť sústredenia podzemných vôd do vrtov a vyčíslenie akumulovaných zásob podzemných vôd pre sezónne nadlepšovanie odberu.
Na Slovensku sa riešením tejto problematiky začalo v spolupráci E. Kullmana s Vodnými zdrojmi Bratislava v roku 1968 na krasovom prameni pri Maníne v Strážovských vrchoch. Na tieto poznatky nadviazal rad terénnych výskumov na viacerých lokalitách v Západných Karpatoch.
