Metody oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego

Ramowy plan prezentacji:

1. Definicje

2. Skład wód podziemnych

3. Podatność wód na zanieczyszczenia i problematyka oceny podatności

4. Problemy zagrożeń antropogenicznych

5. Metody oceny podatności wód podziemnych

6. Katastrofy

Na początek warto zdefiniować, czym są wody podziemne.

Lądową część hydrosfery stanowią wody podziemne i wody powierzchniowe. Wody podziemne są związane ze skorupą ziemską. Są to wody wolne, niezwiązane chemicznie i fizycznie z ośrodkiem skalnym, a więc przemieszczające się w skałach pod wpływem grawitacji lub ciśnienia hydrostatycznego. W zależności od głębokości występowania i powiązania z siecią wód powierzchniowych wody podziemne uczestniczą w mniejszym lub większym stopniu w cyklu hydrologicznym, tj. w obiegu wody na Ziemi; są jedną ze składowych tego obiegu. W cyklu hydrologicznym uczestniczą przede wszystkim wody podziemne ze strefy aktywnej wymiany, czyli te, które są drenowane przez wody powierzchniowe. W krajobrazie nizinnym, w obiegu tym biorą też udział wody podziemne ze strefy utrudnionej wymiany, dla których strefami drenażu są doliny rzeczne, depresje i wszelkie obniżenia powierzchni. Występowanie, rodzaj i charakter wód podziemnych zależą od warunków geologicznych, w których występują.

Skład wód podziemnych.

Skład wód podziemnych zależy od:

• rodzaju i budowy skał, z którymi się kontaktują

• stopnia ich zwietrzenia i uziarnienia

• prędkości ruchu wody podziemnej

• stopnia kontaktu z wodami powierzchniowymi i opadowymi

W odróżnieniu od wód powierzchniowych, wody podziemne charakteryzują się raczej stałym składem fizyczno-chemicznym, a ich skład kształtują procesy hydrogeochemiczne, jakkolwiek wpływ maja również procesy fizyczne i biologiczne (głównie biochemiczne). Do procesów tych należą:

• utlenianie i redukcja

• rozpuszczanie (ługowanie) i strącanie

• hydratacja i hydroliza

• wietrzenie

• sorpcja, desorpcja, wymiana jonowa i procesy membranowe

• migracja (dyspersja)

• procesy biochemiczne

Poza wymienionymi procesami udział w kształtowaniu chemizmu wód podziemnych ma także mieszanie się różnego typu wód. Zachodzi ono stosunkowo szybko, obejmuje zwykle znaczne masy wód, i prowadzi do przesunięć stanów równowagi w tych wodach.

Do podstawowych efektów mieszania się wód należą:

• rozcieńczanie wód bez wydzielania jakichkolwiek substancji (gazów, minerałów)

• wytrącanie związków (cementacja)

• rozpuszczanie i ługowanie środowiska skalnego

Substancje występujące w wodach podziemnych:

- Gazy

a) występujące powszechnie (N₂, O₂, CO₂, CH₄)

b) występujące mniej powszechnie i najczęściej w małych ilościach (H₂, H₂S, He, Ar, ciężkie węglowodory)

c) występujące lokalnie (NH₃, SO₃, HCl, HF i in.)

- Substancje rozpuszczone

Poziom mineralizacji wód podziemnych jest większy niż powierzchniowych i zwiększa się wraz z głębokością warstwy wodonośnej. Do anionów dominujących należą: wodorowęglany, siarczany i chlorki, zaś powszechnie występującymi kationami są: wapń, magnez, sód, potas, żelazo i mangan.

- Zanieczyszczenia organiczne

Obecne w wodach podziemnych substancje organiczne pochodzenia naturalnego to głównie: związki humusowe, produkty przemiany materii organizmów żywych oraz związki pochodzące z rozkładu organizmów obumarłych. Poza organicznymi domieszkami naturalnymi niestety coraz częściej stwierdza się obecność związków organicznych pochodzenia antropogenicznego. Do tej grupy należą między innymi: fenole, chlorowe związki organiczne (ChZO), wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i substancje powierzchniowo czynne (SPC). Całkowita zawartość substancji organicznych zależy od zanieczyszczenia regionu, z którego woda pochodzi, i może się zmieniać od ilości śladowych do kilkuset g C/m³. Źródłem zanieczyszczeń antropogenicznych są przede wszystkim ścieki, odcieki z wysypisk odpadów, nawozy i środki ochrony roślin.

Podatność wód na zanieczyszczenia

Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie jest właściwością systemu

hydrogeologicznego charakteryzującą możliwość przemieszczenia się substancji

zanieczyszczającej z powierzchni terenu do określonego systemu wodonośnego.

Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie określa stopień

ryzyka negatywnego oddziaływania czynników antropogenicznych na jakość

wód podziemnych w określonych warunkach naturalnych. Oprócz czynników

naturalnych o podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie decydują

w dużym stopniu również właściwości substancji zanieczyszczającej oraz jej

ładunek. Tak określoną podatność określa się mianem podatności specyficznej

lub podatności zintegrowanej

Problematyka oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie

Problematyka ta najczęściej sprowadza się do sporządzenia mapy lub map podatności określonego obszaru. Mapy podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie są wykorzystywane jako element wspomagający podejmowanie decyzji w zakresie:

• planowania przestrzennego (zmiany użytkowania powierzchni terenu)

• podejmowania decyzji w zakresie działań związanych z ochroną Użytkowych Zbiorników Wód Podziemnych

• planowania lokalizacji sieci monitoringu jakości wód podziemnych

Problemy zagrożeń antropogenicznych

Działalność gospodarcza człowieka wywołuje z reguły zmiany w środowisku naturalnym, również w wodach podziemnych, w których występują zarówno zmiany ilościowe jak i jakościowe. O zanieczyszczeniu wód podziemnych mówimy wtedy, gdy następuje niekorzystna zmiana ich cech fizycznych (temperatura, barwa, zapach, smak, przewodnictwo elektryczne), chemicznych lub bakteriologicznych. Stanowią one zmiany jakościowe wód. Z ilościowymi mamy do czynienia kiedy zmniejszają się zasoby wód podziemnych. Najczęściej zanieczyszczenia wód podziemnych są konsekwencją zdarzeń niezamierzonych, takich jak np. nieszczelności i pęknięcia rurociągów i kanalizacji, awarie instalacji technologicznych, uszkodzenia zbiorników z substancjami niebezpiecznymi itp. Możemy również wyróżnić zdarzenia celowe, gdzie zanieczyszczenie wód podziemnych są spowodowane np. stosowaniem nawozów sztucznych i pestycydów. Ze względu na przyczyny dzielimy zagrożenia na:

• antropogeniczne

• geogeniczne.

Antropogeniczne

Wynikają bezpośrednio z prowadzonej przez człowieka działalności gospodarczej. Każda działalność, powodująca emisję do środowiska substancji lub energii mogącej przenikać do wód podziemnych i zmieniać ich naturalny skład i inne parametry, stanowi zagrożenie dla ich jakości. Zanieczyszczenia mogą być wprowadzane bezpośrednio do danej warstwy wodonośnej lub docierać do niej pośrednio migrując z krążącą w obiegu przyrodniczym wodą. Największe zagrożenie w tym przypadku stwarzają przemysł, rolnictwo, gospodarka odpadami oraz transport. Nadmierna eksploatacja lub ograniczenie zasilania wód podziemnych stanowi antropogeniczne zagrożenie dla ilości wód. Człowiek zmniejsza zasilanie wód podziemnych przez: kanalizację rzek, likwidacje małych zbiorników wodnych, zmniejszenie infiltracji przez zabudowę i wylesienia.

Geogeniczne

Zagrożenia te często pośrednio są skutkiem działalności człowieka. Wynikają z wywołania lub nasilenia procesów prowadzących do pogorszenia jakości i lub zubożenia zasobów, które w warunkach naturalnych nie zachodzą lub zachodzą w ograniczonym zakresie. Zagrożenie geogeniczne najczęściej zależy od pojawienia się w wodach substancji pochodzenia naturalnego, lecz nietypowych dla danego środowiska hydrogeologicznego, uruchomionych zmianami warunków hydrodynamicznych.

Ogniska zanieczyszczeń

Ogniska zanieczyszczeń to na ogół sztuczne nagromadzenie substancji zanieczyszczających lub stanowiących zagrożenie dla jakości wód podziemnych. Ogniska możemy dwojako klasyfikować, na kartograficzne oraz genetyczne. Podział kartograficzny odzwierciedla ich rozmieszczenie na mapie.

Wyróżniamy tutaj:

• punktowe (szamba, doły chłonne)

• liniowe (drogi rurociągi, cieki kanały powierzchniowe)

• małopowierzchniowe (składowiska odpadów)

• wielkoprzestrzenne (obszary zwartej nieskanalizowanej zabudowy, tereny rolnicze)

Podział genetyczny związany jest z pochodzeniem zanieczyszczeń. Znajdują się tu działy gospodarki narodowej jak:

• przemysł, górnictwo

• rolnictwo, hodowla, leśnictwo

• gospodarka komunalna

• transport i komunikacja

Zagrożenia dla wód podziemnych związane z przemysłem i górnictwem to głównie odpady, ścieki przemysłowe, oddziaływanie przemysłu związane z wpływem wycieków substancji z urządzeń kanalizacyjnych i technicznych, tereny źle magazynowanych produktów, emisje pyłów gazów. Górnictwo zaś wpływa na jakość wód przez wpłynięcie na rozwój procesów hydrogeochemicznych związanych z utlenieniem siarczków i związków organicznych. Ścieki stanowią zagrożenie dla wód jeżeli dojdzie do awaryjnych wycieków lub są one w niewystarczającym stopniu oczyszczone i wrzucone do niewielkich cieków. Zależnie od sektora gospodarki zanieczyszczenia mogą mieć różny charakter, jak też różny zakres stężeń zanieczyszczających substancji. Najbardziej zróżnicowane są zanieczyszczenia przemysłowe.

Nawet w określonej gałęzi przemysłu mogą się bardzo różnić, bo to co przenika do wód podziemnych zależy od rodzaju produkcji, wykorzystywanych surowców, produktów, sposobu przechowywania, stosowanych technologii. Do przykładów rolniczych zanieczyszczeń wód podziemnych należy:

• stosowanie w nadmiarze nawozów naturalnych (zanieczyszczają substancjami organicznym i nieorganicznymi podlegające mineralizacji w glebie)

• niewłaściwe stosowanie nawozów mineralnych (substancje nieorganiczne pochodzące z ługowania nawozów azotowych, potasowych, wapniowych, fosforowych)

• niewłaściwe stosowanie pestycydów (specyficzne substancje organiczne i nieorganiczne)

• hodowla (substancje organiczne, ścieki hodowlane- gnojowica, gnojówka oraz ścieki gospodarcze)

W wyniku dostania się zanieczyszczeń do wód podziemnych może dojść do skażenia lub zatrucia wód. Skażenie występuje wtedy, gdy zanieczyszczenie spowodowane jest odpowiednimi substancjami lub substancjami nie występującymi naturalnie w wodzie (najczęściej występują w niskich stężeniach np. pestycydy, detergenty). Z zatruciem wód podziemnych mamy do czynienia, gdy zanieczyszczenia oddziałują toksycznie na organizmy żywe (np. ścieki pogalwaniczne zawierające cyjanki, chrom.)

Metody oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenia

Istnieje wiele metod oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie. Najogólniej można je podzielić na takie, które za podstawę przyjmują wymierne kryterium dające się wyrazić ilościowo (np. miąższość osadów izolujących, czas przesączania wody lub migracji zanieczyszczeń konserwatywnych z powierzchni terenu do warstwy wodonośnej) oraz te oparte na systemie rangowym, gdzie określonym parametrom przypisuje się określoną wagę punktową. Metody rangowe, wśród których jako najpopularniejsze można wymienić metody DRASTIC i DIVERSITY z założenia są stosowane w opracowaniach regionalnych w odniesieniu do pierwszego od powierzchni terenu poziomu wodonośnego.

Metoda DRASTIC

Bardzo popularną metodą oceny podatności naturalnej wód podziemnych na

zanieczyszczenia jest DRASTIC, metoda zalecana przez amerykańską organizacje EPA i

stosowaną w wielu krajach. System klasyfikacji (oceny) podatności w metodzie DRASTIC jest standardowym narzędziem wykorzystywanym w zarządzaniu zasobami wodnymi i używany jest w legislacji, kontroli oraz stosowany w technicznych aspektach zarządzania wodami w wielu krajach. W nazwie metody zawarte są symbole siedmiu kryteriów(parametrów) uwzględnianych w ocenie:

• głębokość do zwierciadła wody

• infiltracja efektywna

• litologia warstwy wodonośnej

• rodzaj gleb

• topografia

• wpływ strefy aeracji

• współczynnik filtracji warstwy wodonośnej

Każdemu z kryteriów, w zależności od jego roli w procesie migracji potencjalnych

zanieczyszczeń, przypisany jest różny stopień ważności, czyli waga, w skali od 1 do 5. Każdy

parametr posiada także odpowiednią klasę wartości i przypisuje mu się rangę, czyli określoną

ocenę punktową w skali od 1 do 10. Ostatecznej oceny podatności wód podziemnych na

zanieczyszczenia metodą DRASTIC dokonuje się na podstawie tzw. indeksu podatności IPZ,

będącego sumą iloczynów wag i rang poszczególnych kryteriów:

$$\sum_{1}^{7}{(waga*ranga\ parametru)}$$

Metoda ta zakłada, że:

• zanieczyszczenia docierają do warstwy wodonośnej z powierzchni terenu

• zanieczyszczenia przemieszczają się w warstwie wodonośnej wraz z wodą podziemną

( mają charakter zanieczyszczeń konserwatywnych)

• przepływ wód podziemnych odbywa się liniowo ( ośrodek porowy)

Indeks podatności jest wartością względną i pozwala w obrębie badanego obszaru

po przyjęciu określonych przedziałów wielkości indeksu, wydzielić obszary mniej lub

bardziej podatne. Metoda DRASTIC jest w założeniu przeznaczona do ocen regionalnych

(minimalny obszar oceny powinien być większy od ok. 0,5 km²) i wymaga stosowania danych

zgeneralizowanych. Ze względu na zastosowane kryteria oceny odnoszą się do określenia

podatności płytkich systemów wodonośnych.

Metoda DIVERSITY

Do popularnych metod rangowych należy także metoda DIVERSITY, której celem jest ocena

podatności szczelinowo-krasowych zbiorników wód podziemnych. Ocenę tą można uzyskać już na bazie trzech cech warstwy wodonośnej, a są to:

• wielkość zasilania

• prędkość przepływu

• kierunek rozpływu zanieczyszczeń

Stosowanie dla zbiorników szczelinowych innych metod oceny podatności często powoduje zaniżenie przyjmowanych metod podatności, a tym samym nie odzwierciedla rzeczywistych warunków panujących w środowisku.

Metoda LeGranda

Kolejną metodą oceny podatności wód jest nomogram LeGranda opracowany w 1964 roku,

który służy do oceny pozbawionych nieprzepuszczalnego nakładu zbiorników wód podziemnych w aluwiach zagrożonych przez składowiska odpadów. Czynnikami, które wpływają na podatność wód na zanieczyszczenia są:

• głębokość do zwierciadła wody

• zdolności sorpcyjne utworów strefy aeracji

• przepuszczalność utworów

• spadek zwierciadła wód podziemnych

• kierunek przepływu wód

• pozioma odległość zbiornika od źródła zanieczyszczenia.

Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenia określa suma uzyskanych punktów. Suma do 4 punktów oznacza bardzo wysokie prawdopodobieństwo zanieczyszczenia, a suma powyżej 23 punktów – zanieczyszczenie praktycznie niemożliwe.

Metoda GOD

Kolejnym przykładem procedury zmierzającej do oceny podatności wód jest propozycja

Fostera (1987). W opracowanym przez niego systemie GOD oceniamy najpierw stopień

izolacji zbiornika, typ utworów i głębokość do zwierciadła, a potem, przy pomocy diagramu,

przypisujemy poszczególnym cechom wartość mnożnika. Uzyskany iloczyn odpowiada,

przymiotnikowo wyrażonej, podatności zbiornika wód podziemnych na zanieczyszczenie.

Metoda GPSRI

Jeszcze inny przykład oceny zagrożeń wód podziemnych stanowi procedura zastosowana

przez Holmana (1985). By uzyskać ocenę, której miarą jest indeks GPSRI, należy odczytać z

tabeli odpowiednie wagi; oddzielnie- w odniesieniu do czynników ryzyka, czyli istniejących

ognisk potencjalnych zanieczyszczeń (litery A, B, C, D) i oddzielnie-w odniesieniu do

czynników ochrony, czyli zdolności środowiska do unieszkodliwiania zanieczyszczeń (litery E, F, G). Indeks GPSRI oblicza się mnożąc odpowiednie wagi:

GPSRI= (A x B x C) x (E x F x G)

Indeks zagrożenia danego obszaru, otrzymujemy przez pomnożenie indeksy GPSRI przez

obszar zajmowany przez potencjalne ognisko zanieczyszczeń.

Do metod ilościowych m.in. zaliczamy czas przesączania. Może on być kryterium oceny

podatności wód podziemnych na zanieczyszczenia, a jest to czas przebywania zanieczyszczeń

konserwatywnych rozpuszczonych w wodzie i migrujących z powierzchni terenu do warstwy

wodonośnej. Czas ten jednak jest uzależniony od:

• litologii skał

• porowatości skał

• stopnia nasycenia wodą

• miąższości strefy aeracji

• intensywności zasilania (infiltracji)

Czas migracji zanieczyszczeń konserwatywnych przez strefę aeracji jest sumą przesączania się przez strefę aeracji i ewentualnego przesiąkania przez głębszą pokrywę ochronną

tp (t=ta+tp

Katastrofy

Często możemy przewidzieć skutki naszych działań zanieczyszczających wody podziemne i w porę im zapobiegać, czasami jednak zdarzają się wypadki losowe, katastrofy, na które nie jesteśmy przygotowani.

Jedna z takich sytuacji miała miejsce 24 lutego 2001 roku, kiedy to przy przejeździe kolejowym przed miejscowością Miały gm. Wieleń miała miejsce katastrofa kolejowa. Wykoleiło się 5 cystern kolejowych, w których przewożony był olej napędowy (4 wagony) i ług sodowy (1 wagon). W wyniku katastrofy do gruntu i wód gruntowych przedostało się wg danych Państwowej Straży Pożarnej około 45 ton paliwa. Badanie laboratoryjne próbki gruntu z punktu P1 wykazało skażenie na głębokości , na poziomie 23 900 mg/kg s. m. oznacza to iż skażenie badanego gruntu przekroczone jest ponad 796 - razy. Badanie laboratoryjne próbki wody z punktu P16 wykazało skażenie na poziomie 114500 ng/kg s. m. oznacza to iż skażenie pobranej wody podziemnej przekroczone jest ponad 2290 - razy.

Doprowadzenie do zanieczyszczenia zbiornika wód podziemnych jest tragedią dla wód, ponieważ rzeka zanieczyszczona związkami azotu, metali ciężkich czy ropopochodnymi, oczyści się sama, natomiast wody podziemne – już nie. Np. w niecce łódzkiej wody kredowe bardzo dobrej jakości zużywał przemysł, który było stać na zrobienie głębokich odwiertów i studni. Mieszkańcy natomiast pili i piją wodę z zanieczyszczonej Pilicy. Skutki tego są takie, że zbiornik został przeeksploatowany, a wody zanieczyszczone. Zaprzestano więc eksploatacji tej niecki kredowej, bo zbiornik musi się odbudować. Podobnie stało się w niecce warszawskiej z wodami oligoceńskimi, nadmiernie eksploatowanymi. Problem z zanieczyszczaniem wód podziemnych mają też zakłady petrochemiczne, gdzie na olbrzymią skalę prowadzi się rewitalizację wód podziemnych.

 

W początku lat 80. w Białogonie, gdzie pracuje ujęcie wód podziemnych dla Kielc, stwierdzono - przez przypadek - zanieczyszczenie ropopochodne w jednej ze studni i żeby sprawdzić, skąd ono jest, m. in. przebadano 47 (wszystkie) stacji paliw w Kielcach. Okazało się, że w pełni szczelne były tylko trzy. W latach 90., kiedy w Polsce pojawiło się tysiące stacji paliwowych, zaczęły one stanowić olbrzymi problem dla środowiska. Dopiero w 1994 r. wyszło rozporządzenie - jeden z nielicznych przepisów, gdzie jest dobra egzekucja prawa - nakładające duży reżim bezpieczeństwa stacji.

LITERATURA:

• „Hydrologia ogólna” Elżbieta Bajkiewicz-Grabowska, Zdzisław Mikulski; Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 2006

• „Infrastruktura i ekologia terenów wiejskich” Nr 9/2008, Polska Akademia Nauk, Oddział w Krakowie, Ireneusz Kajewski

• „Podstawy hydrogeologii stosowanej”, redakcja naukowa Aleksandra Macioszczyk, wyd PWN Warszawa 2006

• „Degradacja i ochrona wód. Część pierwsza-jakość” Wojciech Chełmicki; Uniwersytet Jagielloński, Instytut Geografii, Kraków1997

• Maciaszczyk A., Hydrogeochemia, Wyd. Geologiczne, Warszawa 1987

• „ Ocena podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie w dolinie rzecznej na podstawie przesłanek hydrodynamicznych” Krogulec E.; Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2004

• „Oczyszczanie wody” Apolinary L.Kowal, Maria Świderska-Bróż; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa-Wrocław 1996

• http://manhaz.cyf.gov.pl/zpr/ETAP_1/Zalacznik%203.htm

• http://www.sprawynauki.edu.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=1652&Itemid=51

Pracę wykonały:

Małgorzata Wawrzyniak

Martyna Kajoch

Joanna Grzelczak

Katarzyna Urban

Aneta Nowak

Natalia Bocian

Katarzyna Salamon

Magdalena Marczak