15.03.2013 r. Wrocław

Hydrologia i ochrona wód

Nazwisko i Imię prowadzącego kurs: Dr hab. inż. Katarzyna Majewska-Nowak

ĆWICZENIE 4: ZMIANY JAKOŚCI WÓD I JEZIOR

Imię i nazwisko:	Dawid Kaczmarczyk
Wydział:	Inżynierii Środowiska
Nr albumu:	191845
Termin zajęć: dzień tygodnia, godzina	Pt: 13:15-16:00

Cele ćwiczenia:

• Określenie wpływu zmian zawartości pierwiastków biogennych na zawartość glonów oraz wpływ zmiany zawartości glonów na pierwiastki biogenne.

• Zapoznanie się z pojęciami: stratyfikacji termicznej, eutrofizacja, hipolimnion, epilimnion

• Wykreślnie wykresów za pomoca programu komputerowego

I. Wstęp teoretyczny:

Stratyfikacja termiczna wody w jeziorze – układ warstw wody w zbiorniku wodnym różniących się temperaturą. W warunkach naturalnych temperatura wód stojących zależy głównie od głębokości zbiornika, ruchu i mieszania się (miksja) mas wodnych. Znaczna głębokość zbiorników wodnych sprawia, że zmagazynowana w nich woda ma poziome uwarstwienie termiczne spowodowane poziomym zróżnicowaniem temperatury wody, a tym samym jej gęstością.

Jezioro rozdziela się w poziomej strukturze na części, które okresowo prowadzą samodzielną gospodarkę ekosystemową.

Temperatura wody obniża się w kierunku od powierzchni zwierciadła wody do dna w jeziorze i tworzy trzy warstwy:

• epilimnion – górna warstwa - znajdująca się pod wpływem wiatru i z związku z tym mieszana, o dość wyrównanej temperaturze

• metalimnion – warstwa przejściowa, znajduje się w nim termoklina

• hypolimnion – dolna warstwa

Przy tym typie stratyfikacji wody tych trzech warstw nie mieszają się ze sobą. Taki układ warstw wody w jeziorze spotyka się latem. Wyrównanie temperatury wody poprzez mieszanie się wody (miksja) w jeziorze w całej toni wodnej od powierzchni do dna występuje w jeziorach strefy umiarkowanej w ciągu roku dwa razy, wiosną i jesienią (cyrkulacja wiosenna i jesienna). Takie jeziora nazywa się dimiktycznymi - miksja ma miejsce dwa razy w roku.

Stan jednakowej temperatury w całym słupie wody w jeziorze nazywa się homotermią (homotermia wiosenna i homotermia jesienna. W strefie umiarkowanej występują także jeziora polimiktyczne - płytsze, których wody nie uwarstwiają się. Z uwagi na małą głębokość masa wody jest stale mieszana.

W jeziorach stratyfikowanych – dimiktycznych występuje również stratyfikacja termiczna wody odwróconej (tzw. katotermia), gdy wody cieplejsze zalegają pod zimniejszą, czyli w okresie zimy (stagnacja zimowa). Wtedy też tuż pod warstwą lodu, znajduje się woda o temperaturze bliskiej 0 °C, a poniżej dzięki większej gęstości wody, tuż przy dnie zalega woda cieplejsza o temperaturze 4 °C. Dzięki temu fauna i flora w jeziorze mogą przetrwać okres zimowy.

O rodzaju stratyfikacji termicznej wody w jeziorze decyduje położenie geograficzne zbiorników.

Stratyfikacja termiczna jezior

Eutrofizacja, proces gromadzenia się materii organicznej (spływającej w ściekach komunalnych i przemysłowych) w jeziorach (lub ogólnie w środowisku) w tempie przekraczającym jej zasymilowanie. Eutrofizacja może być pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego (antropopresja).

Termin eutrofizacji najczęściej odnosi się do wód i jest związany ze zwiększeniem się zanieczyszczenia ściekami, pestycydami i nawozami sztucznymi, które są spłukiwane przez opady atmosferyczne. Nadmierne użyźnienie (zwiększenie dostępności składników mineralnych, zwłaszcza azotu i fosforu) powoduje wzrost produktywności glonów (tzw. zakwity) i wyczerpanie zasobów tlenu w jeziorze, co prowadzi np. do śnięcia ryb i przyspieszenia sukcesji ekologicznej.

W przypadku ubogich siedlisk leśnych (np. borów) eutrofizacja może spowodować zanik roślin oligotroficznych, np. borówki czernicy.

II. Część doświadczalna:

1.Parametry rzeki bazowej:

Badane jezioro charakteryzowało się następującymi parametrami początkowymi:

• Objętość – 6,0 km³

• Roczny dopływ – 0,07 km³/r

• Udział epilimnionu – 0,4

• Stopień recyrkulacji – 0,1

Na modelu komputerowym wprowadzano kolejno zmienne wartości stężeń dla pierwiastków biogennych i glonów:

• Zmienne stężenia glonów

• Zmienne stężenia fosforu

• Zmienne stężenia azotu

2. Wpływ zmiany stężenia glonów na stężenie azotu i fosforu w strefie epilimnionu i hipolimnionu

WYKRES 1a: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 5mg Chl/m³ w strefie epilimnionu

WYKRES 1b: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 5mg Chl/m³ w strefie hipolimnionu

WYKRES 2a: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 10mg Chl/m³ w strefie epilimnionu

WYKRES 2b: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 10mg Chl/m³ w strefie hipolimnionu

WYKRES 3a: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 20mg Chl/m³ w strefie epilimnionu

WYKRES 3b: Stężenia azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia glonów 20mg Chl/m³ w strefie hipolimnionu

2. Wpływ zmiany stężenia azotu i fosforu na stężenie glonów i fosforu w strefie epilimnionu oraz azotu w hipolimnionie.

Wykres 1a: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 10g N/m³ i fosforu 0,5g P/m³ w strefie epilimnionu

Wykres 1b: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 10g N/m³ i fosforu 0,5g P/m³ w strefie hipolimnionu

Wykres 2a: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 15g N/m³ i fosforu 1,0g P/m³ w strefie epilimnionu

Wykres 2b: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 15g N/m³ i fosforu 1,0g P/m³ w strefie hipolimnionu

Wykres 3a: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 20g N/m³ i fosforu 2,0g P/m³ w strefie epilimnionu

Wykres 3b: Stężenia glonów, azotu i fosforu w okresie 10-olecia dla początkowego stężenia azotu 20g N/m³ i fosforu 2,0g P/m³ w strefie hipolimnionu

III. Wnioski:

• Stratyfikacja termiczna wody w jeziorze – układ warstw wody w zbiorniku wodnym różniących się temperaturą. W warunkach naturalnych temperatura wód stojących zależy głównie od głębokości zbiornika, ruchu i mieszania się (miksja) mas wodnych

• Eutrofizacja, jako zjawisko naturalne należy do wolno przebiegających procesów.

Według definicji jest to "wzrost trofii, czyli żyzności wód". Na podstawie troficzności określa się jakość wody. Wzrost troficzności wiąże się ze wzrostem produkcji pierwotnej organizmów wodnych. Przyspieszenie produktywności jest skutkiem wysokiego stężenia fosforu i azotu, trafiających do zbiorników wodnych w postaci mineralnej lub jako materia organiczna. Nadmierna eutrofizacja zaburza równowagę prowadząc do bujnego wzrostu występującej roślinności wodnej, zbyt intensywnej aktywności drobnoustrojów zużywających duże ilości tlenu, jak również zmniejszenia populacji wielu gatunków.

• Do najczęstszych przyczyn eutrofizacji zalicza się:

• Spływające nawozy mineralne z pól,

• Ścieki rolnicze (np. odchody z ferm zwierzęcych),

• Dopływ ścieków z miast (np. fosforany z detergentów),

• Wody odpadowe z przemysłu.

• Dostępność substancji odżywczych i niewielkie ruchy wody w jeziorze, powodują wzrost ilości materii organicznej, co prowadzi do zakwitów glonów w zbiorniku,
  tzw. Eutrofizacji

• Wraz ze zwiększaniem początkowych stężeń glonów można zaobserwować, iż stężenie fosforu i azotu w epilimnionie maleje na przestrzeni 10 badanych lat. Spowodowane jest to zwiększającą się liczbą glonów, które wykorzystują azot i fosfor na procesy życiowe. Natomiast stężenie azotu i fosforu w głębokiej warstwie jeziora – hypolimnionie maleje tylko wskutek wymieszania wiosennego i jesiennego, zaś pomiędzy mieszaniami stężenie utrzymuje się na takim samym poziomie bądź nieznacznie obniża się.

• Można również zauważyć, że stężenia badanych pierwiastków są nieco wyższe
  w hypolimnionie niż w epilimnionie. Jest to spowodowane tym, iż w hypolimnionie panują warunki niesprzyjające rozwojowi glonów, których obecność doprowadziłaby do obniżenia stężenia azotu i fosforu (tak jak dzieje się to w przypadku epilimnionu).

• Wszystkie te procesy wpływają negatywnie na jakość wody w jeziorze.