| Abstract | A wide variety of reliefs and transition zone between deep and shallow karst distinguishes northern Dinaric Croatian karst, characterised by abundant and valuable water resources, and belongs to the Black Sea basin. A good understanding of hydrogeological properties, dynamics, intrinsic groundwater vulnerability, and anthropogenic impacts is crucial for the sustainable management and protection of such immense and heterogeneous karst systems. In this Ph.D. thesis, karst catchments are characterised through the determination of hydrochemical water properties, analysis of recharge processes, time series and hydrograms, and the identification and assessment of potential anthropogenic impacts on groundwater. Spatial analyses of the water quality indices for surface water and groundwater were carried out in a GIS environment, and a detailed assessment of man-made hazards was conducted based on recommendations of COST Action 620. The produced maps offer insights into the qualitative status of water resources at a regional scale by indicating areas of potential negative impacts of land use, highlighting both point and diffuse sources of pollution. Higher values of the water quality indices for surface water and groundwater are observed in lowland areas, karst plateaus and poljes, where the impacts of anthropogenic activities such as agriculture and quarries take place on karstified permeable carbonate rocks. Hazard assessment showed how transport infrastructure induces a low hazard level. Based on the findings, hydrogeological researches were conducted in the narrowet research area, including the catchment areas of the Dobra, Mrežnica and Slunjčica Rivers.The main results and conclusions from the conducted hydrogeological, hydrochemical, and isotopic research are as follows: (I) the aquifers across Kapela Mt. mainly drain limestones; (II) water–rock interaction and carbonate weathering are significant contributors to water geochemistry; (III) there is a human impact on the Gojak and Tounjčica spring waters; (IV) the mean residence time of water in the observed aquifer is up to 1.5 years; (V) the new local meteoric water line (LMWL) was calculated for Kapela Mt. based on a three-year dataset (June 2018 – May 2021); (VI) in the north Dinaric karst, the predominant origin of precipitation is from the Mediterranean air mass; (VII) Velebit Mountain strongly influences the precipitation isotopic composition in the study area; (VIII) the deep karst zone is less developed than the shallow karst zone; (IX) groundwater exchange is significantly faster in shallow karst; (X) groundwater divides in the Kapela Mountain are zonal; (XI) the homogenisation of groundwater occurs during periods of high water levels; (XII) fast water exchange transpires without concurrent groundwater temperature homogenisation; and (XIII) the boundary between deep and fluviokarst in Croatia was defined.II This comprehensive regional-scale study is the first of its kind in this area. Although a regional study of the Kupa River catchment was conducted by Bojanić in 1972, it was limited by the instruments and methods available at that time. Previous research, made for the construction of hydrotechnical and water supply objects, was of local character and conducted only under specific hydrological conditions. For instance, around 20 tracer tests were carried out in the investigated area, but most of these date back to 1980 and should be critically reassessed and, if possible, conducted again under different hydrological conditions using more advanced in situ equipment and higher-resolution laboratory instruments. |
| Abstract (croatian) | Najsjeverniji dio dinaridskog krša u Republici Hrvatskoj pripada Crnomorskom slijevu, i do sada nije bio predmet detaljnih regionalnih hidrogeoloških istraživanja. Prostire se preko masiva Kapele na jugozapadu pa sve do Karlovca na sjeveroistoku i kondicira se sa slijevom rijeke Kupe. Hidrogeološki odnosi rezultat su kompresijske tektonike (Tari, 2002) i prirodno su vrlo zamršeni. Riječ je o prijelaznoj zoni dubokog krša u takozvani plitki krš ili fluviokrš. Područje dubokog krša predstavlja planinski prostor Kapele i Gorskog kotara koji je zastupljen pretežito tektonski razlomljenim vapnencima i dolomitima s velikom pukotinskom poroznošću. Razvoj krških formi u mezozojskoj stijenskoj masi rezultira rijetkim, povremenim površinskim tokovima. Zbog velikog volumena okršenih kanala i pukotina, okršena stijenska masa može uskladištiti značajne količine vode, te ima veliki potencijal akumulirane vode u podzemlju. Izvori su povremeni, ili s velikim oscilacijama u izdašnosti, tipični krški. Nailaskom na dolomitnu barijeru vode izviru na površinu i formiraju vodene tokove duž krških polja, koji poniru u zoni plitkog krša te ponovo izviru nakon 5 do 15 km na stotinjak metara nižoj krškoj zaravni, kao niz izdašnih krških izvora. U zoni plitkog krša ili fluviokrša baza okršavanja relativno je poznata i vezana je uz erozijske baze kordunskih rijeka – Kupu, Koranu, Mrežnicu i Dobru. Sredinom prošlog stoljeća granica prijelaza dubokog u plitki krš deskriptivno je opisana (Bahun, 1968), a obilježena je velikim krškim izvorima kordunskih rijeka. U ovom je radu, na temelju detaljne analize prethodno izvedenih hidrogeoloških istraživanja (prvenstveno trasiranja), te provedenih statističkih analiza, utvrđeno da se vodonosnici planinskog masiva i vodonosnici podno krških polja bitno razlikuju. Stoga je zona razdvajanja između plitkog i dubokog krša pomaknuta na zapad, neposredno podno masiva Kapele (Boljat et al., 2024a). Promatrano područje najokršeniji je dio dinaridskog krša na prostoru RH prema gustoći ponikvi (Pahernik 2012).Trijaske vodonepropusne klastične stijene znatno su manje zastupljene, ali njihova raspodjela ima važan utjecaj na prostorni raspored vodnih pojava. U zasebnu kategoriju ulaze naslage kvartarne starosti, koje ispunjavaju krška polja i ponikve, nastale erozijskim procesima karbonatnih i klastičnih stijena. Propusnost ovih naslaga ovisna je o litološkom sastavu, debljini, tektonskoj poremećenosti, a njihova hidrogeološka funkcija ovisi i o hipsometrijskom i strukturnom položaju. Hidrogeološki odnosi u promatranom krškom sustavu u velikoj su mjeri izmijenjeni ljudskim intervencijama, uglavnom vezanim uz hidroenergetiku. Jezera, brane, kanali i tuneli već desetljećima utječu na inicijalne hidrogeološke odnose te se danas mogu smatrati nultimIV stanjem ovog terena. Ukratko, 1959. godine na širem području Ogulina izgrađena je i puštena u pogon HE Gojak. Za svoj rad koristi vode Ogulinske Dobre i Zagorske Mrežnice. Nizvodno od izvora Zagorske Mrežnice izgrađena je brana visine 9 m, kojom je formirano jezero Sabljaci. Iz jezera voda se hidrotehničkim tunelom voda provodi u slijev Ogulinske Dobre do akumulacije Bukovnik i dalje do HE Gojak. Tim zahvatom se bitno smanjuje prihranjivanje rijeke Mrežnice preko njene glavne pritoke Tounjčice i preusmjerava u slijev rijeke Dobre. 2010. godine nizvodno od HE Gojak, izgrađena je vršna HE Lešće čija brana radi 12 km dug uspor na rijeci Dobri. Potencijal proizvodnje električne energije pokušat će se dodatno povećati retencijom u Drežničkom polju kojom se planira produžiti zadržavanje vode u slijevu Sabljaka, izgradnja je započela 2021. godine. Ciljevi istraživanja bili su (i) hidrokemijskim i izotopnim metodama okarakterizirati područje istraživanja, odrediti srednje vrijeme zadržavanja i nadmorske visine područja prihranjivanja izvora, (ii) utvrditi nulto stanje dinamike sustava kao temelj za praćenje utjecaja novih hidrotehničkih zahvata unutar područja istraživanja, (iii) unaprijediti metodologije za istraživanje regionalnih krških sustava, s naglaskom na definiranje zone prelaska dubokog u plitki krš ili fluviokrš, (iv) izrada konceptualnog modela grupiranja izvora u zajedničke slijevne površine prema dinamičkim i hidrokemijskim značajkama. U skladu s navedenim su postavljene sljedeće hipoteze: (i) korištenje prostora i hidrogeološke značajke vodonosnika izravno utječu na kakvoću podzemnih voda u kršu, (ii) izvori istraživanog područja mogu se grupirati prema dinamičkim i hidrokemijskim značajkama u zajedničke podsljevove, (iii) prosječno zadržavanje podzemnih voda u vodonosnicima istraživanog područja dinaridskog krša je manje od dvije godine, i (iv) iz razlike sadržaja stabilnih izotopa kisika i vodika u oborinama mogu se izdvojiti utjecaji mediteranskih i kontinentalnih oborina koje napajaju izvorske vode istraživanog područja. Prije uspostave hidrogeoloških istraživanja u okviru ovog rada, za cijelo područje slijeva rijeke Kupe, uključujući i područje u Republici Sloveniji, prikupljeni su i obrađeni svi dostupni literaturni i prostorni podatci, podloge, analize te točkasti i linijski podaci koji imaju ili mogu imati utjecaj na vodonosnik. Na temelju rezultata analiza prikupljenih podataka (1) uspostavljeno je hidrogeološko istraživanje u središnjem dijelu područja i (2) izrađena je regionalna karta ranjivosti i hazarda za krško područje slijeva rijeke Kupe u Republici Hrvatskoj i Sloveniji (Selak et al., 2020).V Karta ranjivosti temelji se na izračunu Indeksa kvalitete podzemne vode (WQIgw) prema metodi uspostavljenoj u projektu CC-WARE (Čenčur Curk et al., 2014) i karta hazarda prema COST620 metodi (Zwahler, 2004). WQIgw dobiven je izračunom hidrogeoloških parametara, parametara načina korištenja pokrova i koeficijenta efektive infiltracije, dok je karta hazarda bazirana na identifikaciji mjesta mogućih opasnosti s procjenom utjecaja i rizika. Područje istraživanja u kojem je uspostavljeno hidrogeološko istraživanje obuhvaća sljevove rijeka Dobre, Mrežnice i Slunjčice. Sjevernu granicu područja istraživanja definira razvodnica neposrednog slijeva rijeka Kupe i Dobre, zapadna se podudara s razvodnicom Jadranskog i Crnomorskog slijeva, južna se proteže od Plitvičkih jezera do Slunja, dok istočnu definiraju izvori rijeka Donje Dobre, Mrežnice i Slunjčice, odnosno prijelazna zona dubokog krša u plitki krš ili fluviokrš. S ciljem definiranja krškog hidrogeološkog sustava područja koje se istražuje, uspostavljen je trogodišnji hidrološki i hidrokemijski monitoring, koji uključuje i monitoring stabilnih izotopa vode. U tu svrhu, postavljen je sakupljač oborina te na 7 lokacija automatski mjerači razina, elektolitičke vodljivosti i temperature. Također, prikupljeni su meteorološki i hidrološki podaci Državnog hidrometerološkog zavoda Republike Hrvatske i Hrvatske elektroprivrede te podatci o kakvoći voda koja se koristi u vodoopskrbi. U sklopu ove disertacije obrađeni su podatci prikupljeni na 8 izvora. Krški dio slijeva rijeke Kupe klasificiran je u 5 klasa prema indeksu kvalitete podzemne vode. Zbog rijetke naseljenosti i slabe ljudske aktivnosti oko 95% površine nema negativni utjecaj na podzemnu vodu. Na području istraživanja nisu zabilježeni hazardi visoke opasnosti. Identificirani su hazardi srednje opasnosti u koje su uvrštena naselja bez kanalizacije, prometne trase, industrija, odlagališta otpada, te nisko rizični s poljoprivredom kao glavnim hazardom. Statistički gledano upotreba prostora sjevenog dinaridskog krša u vrlo malom postotku utječe na kvalitetu podzemne vode, no utvrđeno je da je područje izrazito okršeno i da se potencijalni onečišćivači vrlo brzo mogu infiltrirati u podzemlje i pojaviti na izvorima u roku od tri četiri dana na izvorima podno Kapele, odnosno od par sati do maksimalno dva i pol dana na izvorima podno Ogulinskog polja, ovisno o hidrološkim uvijetima. Sjeverni dinaridski krš u Hrvatskoj razlikuje se od ostatka dinaridskog krša po dubini okršavanja i dubini cirkulacije podzemne vode kroz vodonosnik. U području istraživanja izdvojene su dvije zone koje se razlikuju prema navedenom kriteriju, zona dubokog krša u kojem su krški sustavi razvijeni do dubine od nekoliko stotina metara i zona plitkog krša iliVI fluviokrša u kojem je okršavanje maksimalno razvijeno do dubine od 200 metara, odnosno do erozijske baze kordunskih rijeka. Analize kroskorelacija, recesijskih krivulja i rezultati trasiranja ustvrdili su 10 puta brži protok vode u zoni plitkog krša nego u zoni dubokog krša odnosno u vodonosnicima razvijenim u planinskom masivu Kapele. U sklopu disertacije kritički su sagledana povijesna trasiranja i objašnjeni su kontradiktorni rezultati. Izrađen je konceptualni model područja istraživanja u vrijeme niskih i visokih voda i objašnjeno je različito kretanje podzemne vode ovisno o hidrološkim uvijetima u slijevu. Hidrokemijskim analizama utvrđen je razvoj krških vodonosnika dominantno u vapnencu s manjim udjelom dolomita bez kontakta s drugim vrstama stijena. Izvori pitke vode imaju izrazito kvalitetnu vodu sa zanemarivim ljudskim pritiskom. Ljudski pritisak zabilježen je na izvorima u zoni plitkog krša, odnosno nizvodno od krških polja. Konstruirana je nova meteorska linija vode za planinu Kapela na temelju trogodišnjeg seta podataka prikupljenih u mjecečnim intervalima u periodu od lipnja 2018 godine do svibnja 2021 godine. Na temelju prostorne raspodjele stabilnih izotopa kisika i vodika u izvorskim vodama konstatiran je značajan kontinentalan efekt oborinskih voda na jugu područja. Razvijeni reljef planinskog masiva Velebita utječe na osiromašenje oborine težim izotopima kisika i vodika koja dolazi s prostora Mediterana. Izračunato je prosječno zadržavanje vode do godine i pol u planinskom masivu Kapele, odnosno do godine dana u vodonosnicima nizvodno od krških polja. |
