2011-12-04

1

Monitoring wód podziemnych,

metodyczne aspekty

j k

i i

i

projektowania sieci

i jej opróbowania

dr Ewa Kmiecik

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska

Katedra Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej

Kraków 2011

Monitoring wód podziemnych

Monitoring wód podziemnych

jest to proces skomplikowany

ze względu na:



ograniczony dostęp

do systemu wód podziemnych;



skomplikowane warunki krążenia

i

bardzo małe prędkości

przepływu

wód podziemnych: lata, dziesiątki…

(U=100 m/a), z wyjątkiem przepływu
w zbiornikach krasowo szczelinowych

w zbiornikach krasowo-szczelinowych



dużą

zmienność przestrzenną

składu chemicznego

wód podziemnych



zachowanie substancji zanieczyszczających

w wodach podziemnych, uzależnione od ich
właściwości fizycznych

Monitoring wód podziemnych

Monitoring wód podziemnych

to kompleksowy,

skomplikowany proces, na który wpływa wiele czynników.
Jakość wyników uzyskanych w ramach monitoringu
zależy od:

Sieci monitoringowej



właściwego zaprojektowania i konstrukcji



właściwego zaprojektowania i konstrukcji

punktu monitoringowego (studni)



odpowiedniego rozmieszczenia (lokalizacji)

punktów monitoringowych na badanym obszarze



równomiernego rozłożenia



ukierunkowanego rozmieszczenia

Badań



procesu opróbowania



określenia poziomu stężeń monitorowanych

parametrów fizykochemicznych w terenie i laboratorium

Projektowanie reprezentatywnej

sieci monitoringowej

Model konceptualny monitorowanego systemu
hydrogeologicznego

jest uproszczonym przedstawieniem lub

opisem roboczym rzeczywistego systemu hydrogeologicznego.

Opisuje,

jak

zdaniem hydrogeologów,

zachowuje się system

wód podziemnych

.



Jest to zbiór hipotez roboczych i założeń



Jest to zbiór hipotez roboczych i założeń.



Skupia się na cechach systemu, które są istotne

w odniesieniu do wymaganych prognoz lub ocen.



Opiera się na dowodach.



Jest to przybliżenie rzeczywistości.



Powinien być zapisany, żeby można go było przetestować

przy użyciu istniejących i/lub nowych danych.



Konieczny poziom udoskonalenia w modelu jest

proporcjonalny do (i) trudności przy przyjmowaniu
niezbędnych założeń oraz (ii) potencjalnych skutków
popełnienia błędu w tych założeniach.

Model konceptualny monitorowanego systemu

Najlepszy model

konceptualny

Poprawiony model

konceptualny

Pierwszy model

konceptualny

Założenia wstępne

Model konceptualny monitorowanego systemu

Prosty jakościowy

model konceptualny

test

C

d l

t

ż

Bardziej szczegółowy

półilościowy model konceptualny

test

C

d l ż

Najlepszy ilościowy

model konceptualny

test

Czy model ten może

rozwiązywać zadane

problemy z wymaganą

wiarygodnością?

tak

nie

Czy model może

rozwiązywać zadane

problemy z wymaganą

wiarygodnością?

tak

nie

Zastosuj model biorąc pod

uwagę jego wiarygodność

Zastosuj model

Zastosuj model

2011-12-04

2

Sieć monitoringowa



Właściwe

rozmieszczenie

(lokalizacja)

punktów monitoringowych:



równomierne (ocena stanu chemicznego GWB);



ukierunkowane (migracja zanieczyszczeń

z ognisk punktowych)



Konstrukcja punktów

monitoringowych



Konstrukcja punktów

monitoringowych



Zastosowanie

strefowego opróbowania

.

Pionowa strefowość hydrogeochemiczna

- strefowe opróbowanie wód podziemnych



Zmiany stężeń żelaza spowodowane zmianą Eh

Przykładowe konstrukcje otworów obserwacyjnych

do strefowego opróbowania wód podziemnych



A. konstrukcja wadliwa sprzyjająca przepływom pionowym w otworze,



B. konstrukcja optymalna w postaci zespołu otworów obserwacyjnych



C. konstrukcja sprzyjająca przepływom pionowym przez wspólną obsypkę

otworów obserwacyjnych

Trójwymiarowy charakter przepływu

wód podziemnych

Lokalizacja punktów monitoringowych i ich zafiltrowanie:



B. otwór obserwacyjny w płytkiej strefie zasilanej z opadów atmosferycznych,

niewłaściwe wnioski, ognisko zanieczyszczeń nie wpływa na jakość wód podziemnych



C. długi filtr powoduje przepływy pionowe w otworze



D. zespół otworów obserwacyjnych z filtrami o długości 2-4 m, pozwala właściwie

ocenić sytuację (pionową strefowość hydrogeochemiczną)

Strefa drenażu

Strefa zasilania

Ognisko zanieczyszczeń

Zbiornik wód
podziemnych

Zwierciadło
wody

Przepływ
zanieczyszczeń

Wpływ materiałów użytych do konstrukcji filtra,

bądź rur, na skład chemiczny wód podziemnych

Zmiany stężeń żelaza w próbkach wody podziemnej

ze zbiornika jurajskiego. Zdrój Królewski w Krakowie



I grupa - filtr stalowy



II grupa - filtr wykonany z materiałów niereaktywnych

Różne skale czasowe przepływu wód podziemnych

[dni, lata, setki, tysiące lat]

2011-12-04

3

Zróżnicowane właściwości fizyczne zanieczyszczeń.

Migracja wielofazowa zanieczyszczeń organicznych



Ciecze organiczne o gęstości mniejszej od wody tzw. LNAPL.

Lokalizacja punktów monitoringowych uzależniona

od opracowanego modelu konceptualnego



Ogniska

rozproszone

(

obszarowe

) - punkty równomiernie

rozmieszczone w całej GWB

(Wskaźnik reprezentatywności sieci monitoringowej

Ru ≥ 80%).



Ogniska

punktowe

(

składowiska odpadów

),

monitoring ukierunkowany,
śledzenie plamy zanieczyszczeń.

Reprezentatywność sieci monitoringowej

W zależności od celu monitoringu:



ocena stanu chemicznego GWB

(równomierne rozmieszczenie punktów monitoringowych)



ocena zasięgu strefy zanieczyszczonej

(monitoring ukierunkowany)



ocena trendów zmian jakości w układzie czasowym



ocena trendów zmian jakości w układzie czasowym

(częstotliwość opróbowania i liczba pomiarów)

Wyróżnia się reprezentatywność:



przestrzenną



czasową

Reprezentatywność przestrzenna

Próbka wody pobierana jest:



z określonego miejsca;



z konkretnej warstwy wodonośnej;



ze zdefiniowanego przedziału głębokościowego;



w określonym momencie czasu.

Wskaźnik reprezentatywności sieci monitoringowej R

u

R

u

≥ 80% sieć reprezentatywna

n

- liczba punktów monitoringowych

F

- powierzchnia GWB [m

2

]

d

śr

- średnia odległość [m]

F

n

d

R

śr

u

/

7

,

37



Reprezentatywność przestrzenna

R

u

= 80,6% - sieć reprezentatywna

o

d

e

l k

o

nc

e

p

tu

a

lny

Monitoring ukierunkowany

Migracja zanieczyszczeń z punktowego ogniska może spowodować degradację

jakości wód powierzchniowych i/lub ekosystemów lądowych uzależnionych od

wód podziemnych (odbiorników wód podziemnych).

•Wymagania dla

odbiorników

•Czas migracji
•Szybkość

samooczyszczania

?

M

o

Punkty monitoringowe

Projektowanie

monitoringu w celu

testowania modelu

konceptualnego

Wykorzystanie

uzyskanych

informacji w celu

zapobiegania

degradacji wód

powierzchniowych

i/lub ekosystemów

lądowych

Gd

zi

e

?

2011-12-04

4

Reprezentatywność czasowa

Częstotliwość opróbowania wód podziemnych (w miesiącach)
uzależniona jest od:



głębokości opróbowanej strefy;



prędkości przepływu wód podziemnych.

Głębokość

opróbowanej

Przeciętna prędkość przepływu wód podziemnych

[m/d]

opróbowanej

strefy

[m.p.p.t]

[m/d]

ponad 10

3-10

1-3

poniżej 1

0-10

10-50

50-100

> 100

0,25

1

3

24

1

3

6

24

3

6

12

24

6

12

12

24

Reprezentatywność czasowa

Liczba pomiarów do oceny trendu monotonicznego

Częstość prowadzenia badań

monitoringowych

Minimalna

liczba lat

w serii

Maksymalna liczba

lat

w serii

Minimalna

liczba

pomiarów

1 raz na rok

2 razy do roku

8

5

15

15

8

10

4 razy do roku (kwartalnie)

5

15

15

Reprezentatywność czasowa

Częstość prowadzenia badań

monitoringowych

Minimalna

liczba lat

w serii

Maksymalna liczba

lat

w serii

Minimalna

liczba

pomiarów

Liczba pomiarów do oceny odwrócenia trendu



Stężenie osiąga 75% wartości granicznej

dla danego parametru określonej w przepisach PL i UE.

1 raz na rok

2 razy do roku

4 razy do roku (kwartalnie)

14

10

10

30

30

30

14

18

30

Badania monitoringowe



Opróbowanie wód podziemnych



Pomiary terenowe i laboratoryjne wskaźników chemicznych

Schemat opróbowania i obróbki próbek

stosowany w monitoringu wód podziemnych



Wg Witczaka i Adamczyka (1994)

ETAP

Inspekcja punktu

monitoringowego

(MWP)

Filtracja

wody

Oznaczenie

terenowe

wskaźników

nietrwałych

Pobór próbek

wody

i utrwalanie

Przechowywanie

i transport do

laboratorium

CZYNNOŚĆ

•pomiary

wydajności
•pomiary

zwierciadła
•wymiana

stagnującej wody
•charakterystyka

punktu MWP

filtracja

„on line”
filtr

membranowy

0,45 μm

1. temperatura
2. przewodność
3. ph
4. Eh
5. mętność
6. osad w leju

Imhoffa
7. barwa
8. zapach
9. zasadowość
10. kwasowość

•próbki

normalne
•próbki

kontrolne:

-dublowane

(10%)
- zerowe

(5%)
- znaczone

(5%)
(utrwalone

zgodnie z

protokołem)

•oznakowanie

próbek
•sporządzenie

protokołu
•schłodzenie

próbek do temp.

0-4

o

C

•transport

(dostarczenie

do laboratorium

w czasie t<48 h

od momentu

pobrania próbki)

Źródła błędów w procesie opróbowania

wg EPA (1987)

Lp. Czynności

Źródła błędów

1. Selekcja i/lub

wykonanie punktu
monitoringowego

Błędy związane z selekcją i/lub konstrukcją punktów obserwacyjnych

(głębokość i długość strefy monitorowania).
Źle dobrane materiały obudowy i wyposażenia punktu monitoringowego.

2. Pomiary terenowe

parametrów

hydrogeochemicznych

Nieprawidłowe funkcjonowanie instrumentów pomiarowych.
Błędy wykonującego pomiar (operatora).

3. Pobór próbek wody

z warstwy wodonośnej

Wybór niewłaściwego sprzętu do opróbowania.
Błędy opróbowującego (operatora).

4. Transfer próbek wody

do pojemników

Niewłaściwa instrumentacja i/lub metodyka transferu próbek wody

do pojemników (odgazowanie wody, natlenienie, itp.), wpływ warunków
polowych (temp., nasłonecznienie, kurz, spaliny), błędy związane

z oznakowaniem pojemników.

5. Pomiary terenowe

parametrów

hydrogeochemicznych

Nieprawidłowe funkcjonowanie instrumentów pomiarowych.
Błędy wykonującego pomiary (operatora).

Wpływ warunków polowych (np. kurz, spaliny, itp.).

6. Przygotowanie próbek

kontrolnych: zerowych
i znaczonych

Błędy przygotowującego (operatora).
Interferencje innych składników.

7. Konserwacja próbek

i ich przechowywanie

Niewłaściwy dobór odczynników do konserwacji próbek.

Błędy wykonującego konserwację (operatora).

Pomyłki w oznakowaniu.

8. Transport do

laboratorium

Zbyt późne dostarczenie próbek do laboratorium.

Niewłaściwe warunki transportu (zmiany składu chemicznego próbek
wody).

2011-12-04

5

Etapy badania jakości wód i względny udział

błędów powstających w poszczególnych etapach

Wielkości

błędów

powstających w

poszczególnych

etapach

(wg Nielsena

1991)

P

kt

30%

60%

P bó óbki i

Obróbka i

D k

t

i

PN-EN ISO/IEC 17025

Ogólne wymagania

dotyczące kompetencji

laboratoriów badawczych

i wzorujących

10%

Punkt

monitoringu

jakości wód

Pobór próbki i

transport do

laboratorium

Obróbka i

przygotowanie

próbki do

analizy

Pomiar

analityczny

Opracowanie

wyników

Dokumentowanie

danych

(Raport z badań)

Zasada

pomiaru

Metoda analityczna

Postępowanie analityczne



www.khgi.agh.edu.pl