Naslov Origin, fate and transport modelling of nitrate in the Varaždin aquifer : doctoral dissertation Naslov (hrvatski) Podrijetlo, ponašanje i modeliranje transporta nitrata u varaždinskom vodonosniku : doktorski rad Autor Igor Karlović Mentor Kristijan Posavec (mentor)Član povjerenstva Željko Duić (predsjednik povjerenstva)Član povjerenstva Jelena Parlov (član povjerenstva)Član povjerenstva Tamara Marković (član povjerenstva)Ustanova koja je dodijelila Sveučilište u Zagrebu Datum i država obrane 2022-07-14, Hrvatska Znanstveno / umjetničko TEHNIČKE ZNANOSTI Univerzalna decimalna klasifikacijaUDC ) 55 - Geologija. Meteorologija. Hidrologija Sažetak Over the last decades, high nitrate concentrations in Varaždin alluvial aquifer raised public concern regarding groundwater quality. The aquifer is the main source of drinking water for the local population in the Varaždin County in NW Croatia. For better understanding of nitrate distribution in groundwater and formulating appropriate management strategies for groundwater quality protection, it is necessary to investigate the origin, fate, and transport of nitrate within the Varaždin aquifer. The conducted research combined different methods (hydraulic, geochemical, isotope, microbiological, statistical, modelling), which resulted in numerous findings about the alluvial aquifer, its interaction with surface water and precipitation, and nitrate behaviour within the aquifer. The stable water isotopes (δ18O and δ2H) indicated that groundwater and surface water are recharged by precipitation. The average estimated recharge from precipitation using Wetspass-M model was 34% of total precipitation. Analysis of head contour maps showed that aquifer is recharged from the Drava River and accumulation lake Varaždin, which was supported by stable water isotopes, and quantified by water budget analysis: surface waters participate in groundwater recharge with 68%, and precipitation infiltration with 32%. Dual isotopes of nitrate (δ15N and δ18O in NO3) indicated that manure, wastewater, soil organic N, and ammonia fertilizers are the possible sources of nitrate in groundwater. Chemical, isotope, bacterial, and hierarchical cluster analysis displayed grouping of wells in agricultural, urban, and natural area. Nitrification was identified as the main nitrogen transformation process, while denitrification can occur locally, but does not have significant impact on regional scale. The results of isotope mixing model showed that manure is the dominant nitrate source in agricultural, wastewater in urban, and soil organic N in natural group. The calibrated groundwater flow and nitrate transport model was used to simulate nitrate concentrations in groundwater in the next two decades. Model simulations predict continued downward trend of nitrate concentrations in the central part, and steady low nitrate concentrations in the northern part of the model. The modelling results demonstrated that management of agricultural practices is the most important aspect to gradually reduce nitrate contamination in the Varaždin aquifer, but it takes decades for nitrate concentrations in groundwater to respond to changes in nitrogen input from the surface.
Sažetak (hrvatski) Tijekom posljednjih desetljeća visoke koncentracije nitrata u varaždinskom aluvijalnom vodonosniku izazvale su zabrinutost javnosti u pogledu kakvoće podzemnih voda. Vodonosnik je glavni izvor pitke vode za lokalno stanovništvo u Varaždinskoj županiji u sjeverozapadnoj Hrvatskoj. Radi boljeg razumijevanja raspodjele nitrata u podzemnoj vodi i formuliranja odgovarajućih strategija upravljanja za zaštitu kakvoće podzemne vode, neophodno je istražiti podrijetlo, ponašanje i transport nitrata unutar varaždinskog vodonosnika. U provedenim istraživanjima korištena je kombinacija različitih metoda (hidrauličke, geokemijske, izotopne, mikrobiološke, statističke, modeliranje), što je rezultiralo brojnim saznanjima o aluvijalnom vodonosniku, njegovoj interakciji s površinskim vodama i oborinama te ponašanju nitrata unutar vodonosnika. Tijekom četverogodišnjeg razdoblja, u sklopu terenskih istraživanja prikupljani su na mjesečnoj bazi uzorci podzemne i površinske vode za mjerenje osnovnih kationa i aniona, ukupnog i otopljenog organskog i anorganskog ugljika te analizu stabilnih izotopa kisika i vodika iz vode (δ18O i δ2H). Također, prikupljane su i mjesečne oborine na kišomjeru u Hrašćici za analizu δ18O i δ2H. Na terenu su povremeno uzimani uzorci za analizu stabilnih izotopa kisika δ18O i dušika δ15N u otopljenom nitratu u vodi, za analizu izotopa ugljika δ13C u vodi te za analizu bakterija u podzemnoj vodi. Uzorkovanje se provodilo tijekom različitih hidroloških i vegetacijskih ciklusa kako bi se pratile moguće sezonske promjene. Uz uzorke vode, uzeti su uzorci kultura koje se uzgajaju na varaždinskom području, tlo, sediment vodonosnika te gnojiva za analizu izotopa δ13C i δ15N u krutim tvarima. Rezultati stabilnih izotopa vode upućuju da oborine obnavljaju podzemne i površinske vode. Analiza karata ekvipotencijala pokazala je da se vodonosnik napaja iz rijeke Drave i akumulacijskog jezera Varaždin, što je potvrđeno stabilnim izotopima vode. Efektivna infiltracija oborine procijenjena je pomoću Wetspass-M modela te u prosjeku iznosi 34% od ukupne oborine. Analiza bilance vode pokazala je da površinske vode sudjeluju u napajanju podzemne vode sa 68%, dok infiltracija oborina ima sekundarni učinak s 32%. Dvostruki izotopi nitrata upućuju da su mogući izvori nitrata u podzemnoj vodi organska gnojiva, otpadne vode, organski dušik iz tla te gnojiva na bazi amonijaka. Kemijska, izotopna, bakterijska i hijerarhijska klaster analiza pokazale su grupiranje bušotina ovisno o načinu korištena zemljišta u poljoprivrednim, urbanim i prirodnim područjima. Nitrifikacija je identificirana kao glavni proces transformacije dušika, dok se denitrifikacija može dogoditi lokalno, ali nema značajan utjecaj u regionalnom mjerilu. Korištenjem izotopa δ15N-NO3, δ18O-NO3 i δ13C u modelu miješanja određeni su dominantni izvori nitrata u pojedinim grupama: organsko gnojivo u poljoprivrednim, otpadne vode u urbanim te organski dušik iz tla u prirodnim područjima. Kalibrirani model tečenja podzemne voda i transporta nitrata korišten je za simulaciju koncentracija nitrata u podzemnoj vodi u sljedećih 20 godina. Simulacije modela predviđaju nastavak silaznog trenda koncentracija nitrata u središnjem dijelu i stabilno niske koncentracije nitrata u sjevernom dijelu istraživanog područja. Rezultati modeliranja pokazali su da je upravljanje poljoprivrednim aktivnostima najučinkovitiji pristup postupnom smanjenju onečišćenja nitratima u varaždinskom vodonosniku. Međutim, potrebna su desetljeća da koncentracije nitrata u podzemnim vodama reagiraju na promjene u unosu dušika s površine pa pozitivne učinke bilo kakvih potencijalnih mjera treba očekivati nakon dužeg razdoblja.
Ključne riječi
nitrate
water and nitrate stable isotopes
bacteria
statistical analyses
mixing model
numerical model
Varaždin alluvial aquifer
Ključne riječi (hrvatski)
nitrati
stabilni izotopi vode i nitrata
bakterije
statističke analize
model miješanja
numerički model
varaždinski aluvijalni vodonosnik
Jezik engleski URN:NBN urn:nbn:hr:169:757842 Projekt Šifra: IP-2016-06-5365 Studijski program Naziv: Primijenjene geoznanosti, rudarsko i naftno inženjerstvo URL zapisa u katalogu http://katalog.nsk.hr/F/?func=direct&CON_LNG=ZAG&local_base=ZAG01_WEB&doc_number=000704556 Vrsta resursa Tekst Opseg 146 str. ; 30 cm Način izrade datoteke Izvorno digitalna Prava pristupa Otvoreni pristup Uvjeti korištenja Datum i vrijeme pohrane 2022-08-29 13:03:35
