Application of macro and trace element analyses to identification of upward flow of water from Miocene aquifer into the Warsaw–Berlin ice-marginal valley aquifer (Śrem, Poland)
DOI:
https://doi.org/10.26485/AGL/2025/118/4Keywords:
groundwater quality, hydrogeochemistry, Quaternary aquifer, ICP-QQQ-MS, chloride migration, multilevel piezometerAbstract
The upward flow of Miocene aquifer waters into the Quaternary aquifer in the Wielkopolska region can negatively affect the quality of the recharged waters. One example of such an area is the Śrem region, where previous studies indicated the occurrence of groundwater upward flow. Accordingly, research was conducted to confirm the current occurrence of upward flow, determine its impact on the water quality of the Warsaw–Berlin ice-marginal valley aquifer, and assess the relationship between selected trace elements (TEs) and the migration of Miocene aquifer waters. For this purpose, cations (Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+) and anions (Cl˗, NO3˗, NO2˗, SO42˗, PO43˗) were determined using ion chromatography (IC), and TEs (Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) were measured using inductively coupled plasma triple quadrupole mass spectrometry (ICP-QQQ-MS). The results confirmed the continuous occurrence of upward flow in the Śrem area. This was determined based on the increasing concentrations of Cl⁻, Na⁺, and K⁺, whose rising levels in the waters of the Warsaw–Berlin ice-marginal valley aquifer are associated with the upward flow of Miocene aquifer water. Additionally, it has been shown that the upward flow of Miocene aquifer waters does not significantly affect overall water quality in the Warsaw–Berlin ice-marginal valley. It was also found that the increase in As, Cr, Cu and Zn concentrations with depth in Quaternary groundwater is likely associ-ated with the migration of these TEs from Miocene aquifer waters as a result of upward flow.
References
Alekin O.A. 1956. Podstawy hydrochemii. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
Dąbrowski S. 1995. Lowering of piezometric ground water sufrace in big area Wielkopolska region. Współczesne problemy hydrogeologii 7: 101-108.
Dąbrowski S., Olejnik Z., Trzeciakowska M. 2005. Annex no. 2 to "Dokumentacji zasobów eksploatacyjnych ujęcia wód podziemnych z utworów czwartorzędowych dla m. Śremu" określający obszar zasobowy ujęcia, przy Q=577 m3/h oraz obszar wpływu wody i granice strefy ochronnej ujęcia wody, przy eksploatacji z wydatkiem Q=430m3/h. Archive of the Department of Hydrogeology and Water Protection, Institute of Geology, Adam Mickiewicz University, Poznań.
Dąbrowski S., Rynarzewski W., Straburzyńska-Janiszewska R., Zachaś J., Pawlak A. 2011. The groundwater resources of hydrogeological system in the eastern Wielkopolska lake region. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 445: 75-86.
Dowgiałło J., Kleczkowski A.S., Macioszczyk T., Różkowski A. (eds.). 2002. Słownik Hydrogeologiczny. Ministerstwo Środowiska i Państwowy Instytut Geologiczny.
Dragon K., Górski J. 2003. The influence of ground water ascent from tertiary aqufer on ground water chemistry of the Wielkopolska Buried Valley Aquifer. Współczesne problemy hydrogeologii 11(2): 125-130.
Dragon K., Marciniak M., Górski J. 2003. The recognition of the reasons of brown water occurrence in the Wielkopolska Buried Valley Aquifer on the basis of multilevel pumping. Przegląd Geologiczny 51(2): 151-158.
Dragon K., Mądrala M., Górski J. 2005. The hydrogeochemical environment of the Warta river valley in the Śrem region and its changes during exploitation. Współczesne problemy hydrogeologii 12: 165-172.
Dragon K., Górski J., Marciniak M., Kasztelan D. 2006. Use of groundwater numerical modelling for the assessment of the “brown” water migration in the Joanka wellfield region near Poznan city. Geologos 10: 35-46.
Dragon K., Górski J., Marciniak M., Kasztelan D. 2007. The origin and conditions of brown water migration in the Wielkopolska Buried Valley Aquifer. Geologos 12, Monographiae 4.
Dragon K., Górski J., Marciniak M., Kasztelan D. 2009. Use of mathematical modeling to investigate inter-aquifer contamination by organic-rich water through an unplugged well (central Wielkopolska, Poland). Hydrogeology Journal 17: 1257-1564. DOI: 10.1007/s10040-009-0432-4
Drobnik M., Latour T. 2016. Basic physicochemical and chemical properties and possibility of usage of gradually coagulating brown ground waters from the Miocene aquifer of the Wielkopolska region. Przegląd Geologiczny 64(12): 1034-1039.
Fahimah N., Salami I.R.S., Oginawati K., Mubiarto H. 2024. Appraisal of pollution levels and noncarcinogenic health risks associated with the emergence of heavy metals in Indonesian community water for sanitation, hygiene, and consumption. Emerging Contaminants 10(3): 100313. DOI: 10.1016/j.emcon.2024.100313
Górski J. 1989. Główne problemy chemizmu wód podziemnych utworów kenozoiku środkowej Wielkopolski. Zeszyty Naukowe Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica 45.
Górski J. 2021. Ułatwiona migracja zanieczyszczeń do użytkowych poziomów wodonośnych w wyniku wad technicznych studni i otworów hydrogeologicznych. In: E. Krogulec (Ed.), Wybrane zagadnienia hydrogeo-logiczne oraz różne aspekty związane z eksploatacją wód podziemnych. Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział Częstochowa: 53-61. DOI: 10.18778/8220-655-5.05
Górski J. 2022. Ochrona wód podziemnych w Polsce. Wyd. Naukowe UAM, Poznań.
Górski J., Przybyłek J., Kasztelan D., Remisz W. 1998. Dokumentacja hydrogeologiczna strefy ochronnej ujęcia wody stanowiąca aneks do "Dokumentacji zasobów ujęcia wód podziemnych z utworów czwartorzędowych dla miasta Śremu". Archive of the Department of Hydrogeology and Water Protection, Institute of Geology, Adam Mickiewicz University, Poznań.
Górski J., Latour T., Siepak M., Drobnik M., Sziwa D. 2012. Prospects of using brown wa-ter from the Miocene aquifer of the Wielkopolska region for physiotherapy. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 452: 59-66.
Górski J., Latour T., Siepak M., Drobnik M., Sziwa D. 2014. Wody zabarwione w utworach miocenu środkowej Wielkopolski występowanie, geneza, możliwość wykorzystania w przyrodolecznictwie. Studia i Prace z Geografii i Geologii 40.
Jasechko S., Seybold H., Perrone D., Fan Y., Shamsudduha M., Taylor R.G., Fallatah O., Kirchner J.W. 2024. Rapid groundwater decline and some cases of recovery in aquifers globally. Nature 625: 715-721. DOI: 10.1038/s41586-023-06879-8
Kazimierski B. (ed.). 2005–2014. Hydrogeological Annual Report Polish Hydrogeological Survey. Hydrological year 2004–2013. Polish Geological Institute – National Research Institute, Warszawa.
Kaznowska E., Wasilewicz M., Hejduk L., Krajewski A., Hejduk A. 2024. The Groundwater Resources in the Mazovian Lowland in Central Poland during the Dry Decade of 2011–2020. Water 16(2): 201. DOI: 10.3390/w16020201
Kotowski T., Kachnic M. 2007. The formation of chemical composition of groundwaters from the Miocene and Pleistocene aquifers within of the buried valley near Wysoka (Krajeńskie Lake District). Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 427: 47-60.
Kubiak-Wójcicka K., Machula S. 2020. Influence of Climate Changes on the State of Water Resources in Poland and Their Usage. Geosciences 10(8): 312. DOI: 10.3390/geosciences10080312
Latour T., Drobnik M., Sziwa D. 2015. Studies to determine whether underground waters in Wielkopolska region (Poland) containing humus substances are suitable for practical purposes. Roczniki Państwowego Zakładu Higieny 66(1): 39-44.
Macioszczyk A. 1973. Chemizm wód podziemnych występujących w utworach miocenu niżowego Polski. Biuletyn Państwowego Instytut Geologicznego 277(3): 293-312.
Macioszczyk A., Dobrzyński D. 2007. Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód podziemnych. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa.
Macioszczyk A., Pich J., Płochniewski Z. 1972. Chemical nature of ground waters in tertiary formations within the area of Poland (except for the Carpatians). Kwartalnik Geologiczny 16(2): 428-445.
Olichwer T., Tarka R. 2015. Impact of climate change on the groundwater run-off in south-west Poland. Open Geosciences 7(1): 1-14. DOI: 10.1515/geo-2015-0001
Piper A.M. 1944. A graphic procedure in the geochemical interpretation of water-analyses. Eos, Transactions American Geophysical Union 25(6): 914-928. DOI: 10.1029/TR025i006p00914
QGIS Development Team 2024. QGIS Geographic Information System. Open Source Geospatial Foundation Project.
Regulation of the Minister of Health (2017) on the quality of water intended for human consumption (Journal of Laws 2017 item 2294).
Sadurski A. (ed.) 2015. Hydrogeological Annual Raport Polish Hydrogeological Survey. Hydrological year 2014. Polish Geological Institute – National Research Institute, Warszawa.
Siepak M. 2005. Arsenic, antimony and selenium occurred in ground water of the Warta River valley between Poznań and Śrem. Geologos 7, Monographiae 1.
Siepak M., Sojka M. 2017. Application of multivariate statistical approach to identify trace elements sources in surface waters: A case study of Kowalskie and Stare Miasto reservoirs, Poland. Environmental Monitoring and Assessment 189: 364. DOI: 10.1007/s10661-017-6089-x
Siepak M., Lewandowska A., Sojka M. 2023. Variability in the Chemical Composition of Spring Waters in the Postomia River Catchment (Northwest Poland). Water 15(1): 157. DOI: 10.3390/w15010157
Siepak M., Novotný K., Vaculoviè T., Górski J., Przybyłek J. 2010. Variability of chemical composition of groundwater at the Miocene aquifer in the Poznań-Gostyń fault graben region (Poland). Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 441: 145-156.
Solon J., Borzyszkowski J., Bidłasik M., Richling A., Badora K., Balon J., Brzezińska-Wójcik T., Chabudziński Ł., Dobrowolski R., Grzegorczyk I., Jodłowski M., Kistowski M., Kot R., Krąż P., Lechnio J.R., Macias A., Majchrowska A., Malinowska E., Migoń P., Myga-Piątek U., Nita J., Papińska E., Rodzik J., Strzyż M., Terpiłowski S., Ziaja W. 2018. Physico-geographical mesoregions of Poland: Verification and adjustment of boundaries on the basis of contemporary spatial data. Geographia Polonica 91(2): 143-170. DOI: 10.7163/GPol.0115
Stosch H.G. 2022. Excel template to plot hydrochemical data into a Piper diagram (Version 1.0). Zenodo. DOI: 10.5281/zenodo.5994292
Śniady I., Orzechowska W., Smardz E., Siepak M. 2024a. Trace elements in Turkusowe Lake waters and bottom sediments (Wolin National Park, Poland. Przegląd Geograficzny 96(4): 459-471. DOI: 10.7163/PrzG.2024.4.3
Śniady I., Zięba M., Wojciechowska J., Majewski M., Siepak M. 2024b. Condition of the post-reclamation Przykona reservoir (Turek, Poland): water and sediment chemistry. Acta Geographica Lodziensia 114: 19-34. DOI: 10.26485/AGL/2024/114/2
Tyagi S., Sharma B., Singh P., Rajendra Dobhal R. 2013. Water Quality Assessment in Terms of Water Quality Index. American Journal of Water Resources 1(2): 34-38. DOI: 10.12691/ajwr-1-3-3
United Nations 2015. Sustainable development goal 6: ensure availability and sustainable management of water and sanitation for all. United Nation, New York.
Walna B., Siepak M. 2012. Heavy metals: Their pathway from the ground, groundwater and springs to Lake Góreckie (Poland). Environmental Monitoring and Assessment 184: 3315-3340. DOI: 10.1007/s10661-011-2191-7
Zakir H.M., Sharminb S., Akter A. Rahman M.S. 2020. Assessment of health risk of heavy metals and water quality indices for irrigation and drinking suitability of waters: a case study of Jamalpur Sadar area, Bangladesh. Environmental Advances 2: 100005. DOI: 10.1016/j.envadv.2020.100005
Ziętkowiak Z. 1988. Chemistry of groundwater and its regional variability, as exemplified by a selected portion of middle Greater Poland. Badania Fizjograficzne nad Polską Zachodnią, Seria A, Geografia Fizyczna 40: 75-85.
Żurek A. 2002. Nitrates in groundwater – an overview. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 400: 115-141.