TEMAT:
ZANIECZYSZCZENIA, OGNISKA ZANIECZYSZCZEŃ ORAZ OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH
Do elementów podstawowych środowiska należą: woda, powietrze i gleba. Woda jest niezbędnym warunkiem życia. Przyczynami powodującymi wzrost zapotrzebowania na wodę są przede wszystkim: intensywny rozwój przemysłu na całym świecie i urbanizacja, w wyniku której wzrasta ilość miast. Zwiększającemu się zapotrzebowaniu na wodę towarzyszy zjawisko powiększania się zanieczyszczenia systemów wodnych rzek i jezior w wyniku działania przemysłu i funkcjonowanie miast i osiedli. Proces ten powoduje stałe zmniejszenie się ilości wody nadającej się do celów spożywczych, higienicznych i do wykorzystania przez przemysł do celów technologicznych. Wzrastające pobory wody przez przemysł, gospodarkę komunalną i inne instytucje gospodarcze powodują zwiększającą się ilość ścieków odprowadzanych do wód powierzchniowych. Z przeprowadzonej oceny czystości wód wynika, że tylko ok. 25% długości rzek prowadzi wody I klasy czystości nadające się do celów spożywczych. Zasoby wodne są w znacznym stopniu narażone na niekorzystne zmiany ilościowe - zagrożenie zasobów - i jakościowe - zagrożenie czystości wód. W celach metodycznych i praktycznych używa się określenia zubożenia zasobów wód i degradacji jakości wód, choć zwykle oda te rodzaje niekorzystnych zmian są ściśle ze sobą powiązanych i należy je rozpatrywać łącznie.
Zagrożenie wód podziemnych
Ilościowe (zubożenie zasobów) |
Jakościowe (degradacja jakości) wprowadzenie substancji działania geotechniczne |
|
-nadmierna eksploatacja, -odwodnienia górnicze i budowlane, -przeszkody w zasilaniu (np. zabudowa terenów) |
Działania celowe: -odpady przemysłowe i komunalne -odpady rolnictwa -odpady komunikacji i transportu -zanieczyszczenie powietrza -zanieczyszczenie wód powierzchniowych Awarie: -nie kontrolowane ubytki mas z działań celowych -bakterie i wirusy -ropa naftowa i jej produkty -substancje radioaktywne -specjalne substancje chemiczne |
Działania celowe: -obniżenie zwierciadła wód przez eksploatację i odwodnienie (górnictwo, budownictwo) i towarzyszące zmiany chemiczne -zdjęcie warstw ochronnych -ingresja zanieczyszczonych wód powierzchniowych -podziemne magazynowanie gazu -nawadnianie rolnicze Awarie: -wiercenia, szyby i inne |
|
|
|
Degradacja jakości wód polega najczęściej na ich zanieczyszczaniu mechanicznym (zawiesina), chemicznym czy też biologiczno - organicznym (bakterie, wirusy, niektóre organizmy wyższe, substancja organiczna i produkty jej rozkładu). Mówi się także o skażeniu wód, gdy substancje zanieczyszczające nie występowały w warunkach naturalnych, lub o zatruciu wód, gdy niekorzystne zmiany wpływają radykalnie na biologiczne własności wody. Niekorzystną zmianą jakości jest także wzrost temperatury wody i zmniejszenie się w niej zawartości tlenu. W wodach podziemnych obniżenie jakości następuje wskutek wprowadzenia do nich substancji szkodliwych (wzrost zawartości substancji występujących lub wprowadzenie substancji obcych naturalnemu lub pierwotnemu stanowi wód) lub przez działania geotechniczne, nieraz nawet bez doprowadzenia substancji. Degradacji jakości wód może następować wskutek działań celowych, aczkolwiek nieukierunkowanych ma zanieczyszczenie wód oraz wskutek działań niezamierzonych - awarii.
Zubożenie zasobów polega na takim zaburzeniu równowagi w obiegu wód, które powoduje zmniejszenie się zasobów wód dyspozycyjnych na danym obszarze.
W głównej mierze zachodzi ono przez uszczuplenie odpływu stałego, regulowanego retencją gruntową. Regulacja i kanalizacja rzek oraz melioracje nastawione wyłącznie na osuszanie (drenaż) wywołują obniżenie zwierciadła wód podziemnych, przyspieszają obieg wody, zmniejszają retencję gruntową. Także niewłaściwa zabudowa potoków górskich i eksploatacja kruszywa z koryt rzecznych powoduje przyspieszenie odpływu powierzchniowego wód. Następuje intensywna erozja wgłębna, drenaż i obniżenie się poziomu wód gruntowych. Retencja powierzchniowa i gruntowa jest zmniejszana przez likwidację małych zbiorników wodnych, służących różnym celom gospodarczym. Na zubożenie zasobów wód wpływają także odwodnienia górnicze i budowlane oraz skupiona eksploatacja wód podziemnych. Zmniejszenie się infiltracji, a w następstwie spływu podziemnego, jest wywołane przez urbanizację i uprzemysłowienie. Zabudowa powierzchni ogranicza wsiąkanie, intensyfikuje spływ powierzchniowy, często ujmując go za pomocą kanalizacji. Zmniejszenie się powierzchni lasów wpływa niekorzystnie na retencję gruntową i wielkość odpływu stałego. Zubożenie zasobów wodnych następuje również w okresie suszy, a także przez parowanie zbiorników wodnych i płytkich wód gruntowych oraz nadmierną, nieproduktywną transpirację. Wreszcie do zmniejszenia się wód dyspozycyjnych przyczynia się świadome lub nieświadome odprowadzanie wody poza rozpatrywany obszar. Konieczność ochrony i jej sposoby wynikają z zagrożeń. Ochrona jest bądź bierno - negatywna, bądź aktywna, dzięki użyciu środków technicznych. Ochrona aktywna zasobów wodnych polega na zastosowaniu skomplikowanych, wysoko wyspecjalizowanych środków technicznych służących do kształtowania środowiska. Prowadzi się zarówno ochronę ilościową wód przecie zubożeniu ich zasobów, a nawet działania w kierunku ich wzbogacenia, jak też ochronę przeciw degradacji ich jakości. W drugim przypadku stosuje się nowoczesne technologie, umożliwiające np. całkowitą regenerację wody ze ścieków. Przykład ten świadczy, jak silnie są powiązane zagadnienia ilościowe i jakościowe w ochronie wód.
Działalność ochronna przeciwko zubożeniu wód powinna polegać na oszczędzaniu wody, regulowaniu jej odpływu przez różne typy przejściowego magazynowania, na przerzutach wody z obszarów zasobniejszych w nią do ubogich i poszukiwaniu nowych źródeł wody słodkiej. Źródła zaopatrzenia w wodę, a więc źródła wód podziemnych, obszary występowania wód podziemnych, warstwy wodonośne, złoża wód podziemnych, studnie, jeziora, sztuczne zbiorniki wodne i inne zabezpiecza się ustanawiając wokół nich strefy ochronne. W strefach ochronnych stosuje się odpowiednie środki profilaktyczne
i ograniczenia w użytkowaniu wód i terenów, gwarantujące ochronę jakości i ilości wód. Ochrona wód wiąże się w zakresie ilości nierozerwalnie z gospodarką wodną, w tym z zabiegami prowadzonymi w rolnictwie i leśnictwie. W zakresie jakości łączy się ona z gospodarką ściekami oraz odpadami komunalnymi i przemysłowymi, zarówno stałymi, jak
i emisjami pyłów i gazów, a także nawożeniem i chemizacją stosowanymi w rolnictwie
i leśnictwie. Realizacja ochrony środowiska napotyka na bardzo duże trudności techniczne
i ekonomiczne. Istnieją wyraźne przeciwieństwa. Rzeki i jeziora, podłoże z wodami podziemnymi, morza mają służyć jednocześnie jako źródła czystej wody dla różnych celów
i odbiorniki ścieków. Pogodzenie tych przeciwstawnych zadań nie jest łatwe. Poprzez regulację rzek, pogłębianie i umocnienie koryt przeciwdziała wezbraniom i powodziom, jednocześnie powoduje zubożenie wód podziemnych, a więc stałego przepływu, oraz wywołuje denudację i erozję wgłębną. Powstają sprzeczności między gospodarką wodną
a przemysłem i rolnictwem, między funkcjami rekreacyjnymi terenów a ich wykorzystaniem rolniczym, leśnym, w gospodarce wodnej i innym. Woda jest tak cennym i niezbędnym dobrem, że jej ilość i jakość jest jedną z barier rozwoju gospodarczego. Wobec małych zasobów wodnych konieczne jest ograniczenie wodochłonnej produkcji przemysłowej.
Wytwarzając i eksportując surowce uzyskuje się wielkie ilości ścieków i odpadów.
W cenie produktu należałoby więc uwzględniać cenę wody, jej uzdatniania i oczyszczania ścieków oraz koszty wynikające ze skażenia środowiska, a nawet zwiększone wydatki na ochronę zdrowia, zmniejszoną wydajność pracy z uwagi na choroby związane z zanieczyszczeniem środowiska.
Zubożenie zasobów wód podziemnych zachodzi wówczas, gdy ich pobór związany z zaopatrzeniem ludności, przemysłu i rolnictwa oraz z odwodnieniem kopalń i budownictwem jest większy niż naturalne lub sztuczne zasilanie. Zmniejszenie się zasobów wód podziemnych prowadzi do obniżenia poziomu swobodnego zwierciadła wód i obniżenia ciśnienia w poziomach o charakterze naporowym. Oprócz nadmiernego poboru wód podziemnych zubożenie bywa powodowane przez zmniejszenie zasilania.
Czynniki powodujące zubożenie wód podziemnych - nadmierna eksploatacja (A), odwodnienie górnicze
i budowlane (B), intensyfikacja drenażu wód podziemnych przez wody powierzchniowe (C), zmiany użytkowania powierzchni, np. przez zabudowę (D), przez zagęszczenie gruntów lub gleb (E), zmiana szaty roślinnej (F)
Przeciwdziałanie zubożeniu zasobów wód podziemnych polega albo na ograniczeniu poboru czy drenażu wody podziemnej w grupie czynników A, B, C, albo na dążeniu do stabilizacji zasilania - czynniki D, E, F. W wielu wypadkach, zwłaszcza w odniesieniu do pierwszej grupy czynników, ograniczenia są trudne do zrealizowania lub wręcz niemożliwe ze względów technicznych. Zapotrzebowanie na wodę nie pozwala ograniczyć eksploatacji, a prowadzenie działalności górniczej czy też budowlanej jest w wielu wypadkach niemożliwe bez odwodnienia. Stosuje się wprawdzie różne sposoby ograniczenia dopływów wód, są one jednak najczęściej trudne w realizacji technicznej ponadto powodują zwykle zagrożenia wodnego wykonywanych robót, zarówno w sensie ich technicznego wykonania jak i bezpieczeństwa załóg. Aktywnie można przeciwdziałać zubożenie wód podziemnych przez ich wzbogacanie. Czynnikami intensyfikującymi odnowę wód podziemnych są np.: celowe obniżenie zwierciadła wód podziemnych w okresie poprzedzającym opady lub topnienie śniegu, nawadnianie rolnicze (a), piętrzenie wód powierzchniowych, a przez to i podziemnych (b), sztuczne zasilanie (c) oraz sztuczne piętrzenie wód podziemnych w celu ich zmagazynowania (d).
Czynniki powodujące wzbogacenie zasobów wód podziemnych - opisane w tekście
Sztuczne zasilanie wód podziemnych odbywa się zawsze kosztem wód powierzchniowych. Zmniejszenie spływu powierzchniowego trzeba więc uwzględnić przy kompleksowym wykorzystaniu wód i ich kompleksowej ochronie. Postępujące obniżenie zwierciadła lub ciśnienia wód wyraża się często po upływie kilkunastu lub kilkudziesięciu lat w dziesiątkach metrów. Tworzą się rozległe leje depresyjne, w których następuje obniżenie powierzchni terenu. Eksploatacja wód podziemnych w pobliżu morza prowadzi do intruzji wody morskiej w głąb terenu, przez co następuje zubożenie zasobów statycznych wód słodkich. Odwodnienia górnicze sięgają bardzo głęboko, w kopalniach odkrywkowych nawet do 500 metrów, a w kopalniach podziemnych przekraczają 1000 metrów. W przypadku wypompowywania znacznych ilości wody leje depresyjne osiągają średnicę dziesiątków, a nawet 100 km. Bardzo duże ilości wód podziemnych traci się przez nie kontrolowane i nie użytkowane samo wypływy z otworów artezyjskich. Nie kontrolowane i niewłaściwie likwidowane otwory są potencjalnymi, a często czynnymi ogniskami zanieczyszczenia wód podziemnych lub drogami łączącymi te ogniska z poziomami wodonośnymi.
Zmiany własności i składu wód związane z działalnością człowieka następują w skutek wypływów bezpośrednich przez wprowadzenie naturalnych lub sztucznych substancji do warstw wodonośnych oraz wskutek wypływów pośrednich przez zmianę warunków hydrologicznych, fizycznych, chemicznych czy też biochemicznych bez dopływu substancji. Zmiany własności wód następują pod wpływem czynników geogenicznych (zagrożenia naturalne) i antropogenicznych. Zanieczyszczenia wód podziemnych pochodzą najczęściej z poza warstwy wodonośnej. Ognisko zanieczyszczeń zwykle występuje na powierzchni ziemi lub ponad nią (w powietrzu), niekiedy poniżej niej, lecz najczęściej ponad poziomem wodonośnym, któremu zagraża wsiąkanie zanieczyszczeń. Ogniska zanieczyszczeń mogą mieć bardzo zróżnicowany charakter przestrzenny : punktowy (wiercenie chłonne) lub prawie punktowy, liniowy lub pasmowy (drogi, rurociągi, rzeki, kanały), mało powierzchniowy (małe składowiska), średniopowierzchniowy (duże składowiska, duże osadniki) oraz wielkopowierzchniowy (odpad gazów i pyłów z kominów, chemizacja rolnictwa i leśnictwa).
Niekorzystne zmiany i zagrożenia jakości wód, mogą być spowodowane przez czynniki biologiczne, fizyczne i chemiczne.
Zanieczyszczenia biologiczne zwłaszcza bakteryjne wód podziemnych jest w znacznym stopniu hamowane przez glebę, strefę aeracji i drobnoporowy ośrodek hydrogeologiczny. Poważne zagrożenie biologiczne istnieje wtedy, gdy brak jest grubszej strefy przesiąkania, a ogniska zanieczyszczeń leżą blisko zwierciadła wód podziemnych lub występują w ich obrębie i istnieje stały dopływ zanieczyszczeń. Sytuacja taka ma miejsce :
na wylewiskach, w pobliżu miejsc przemysłowej hodowli zwierząt, tam gdzie istnieją wykopane doły chłonne, przy uszkodzeniu kanalizacji
przy zanieczyszczeniu powierzchni w przypadku występowania ośrodka szczelinowo-krasowego lub szczelinowego
przy zrzucaniu ścieków do dołów chłonnych i otworów wiertniczych.
Przenikanie zanieczyszczeń biologicznych do wód artezyjskich jest możliwe przez otwory wiertnicze wskutek umyślnych zrzutów ścieków, uszkodzenia rur w otworach wiertniczych lub wskutek przepływu nie uszczelnioną przestrzenią między rurami a ścianą otworu.
Samooczyszczanie biologiczne następuje przede wszystkim w glebie i w strefie aeracji. W ośrodku szczelinowo-krasowym procesy te nie zachodzą lub przebiegają na małą skalę.
Zanieczyszczenia chemiczne pochodzą z różnych źródeł. Powstają one min. wskutek ługowania substancji z ośrodka skalnego, zwłaszcza drobnoziarnistego lub też wskutek ługowania produktów mineralizacji przez kwaśne produkty rozkładu substancji organicznej. Substancje chemiczne są przenoszone na znacznie większe odległości niż biologiczne. Wody podziemne mogą być zagrożone przez intruzję słonych wód morskich lub przez przesiąkanie zasolonych wód, albo też przez cząstki soli zawarte w atmosferze. Do płytkich wód mogą się dostawać drogą naturalną drobnoustroje i produkty rozkładu materii organicznej. Obecność w wodach słodkich podwyższonych ilości niektórych substancji stałych (stosunkowo duża zawartość Fe i Mn) i gazów (obecność H2S) jest często związana wyłącznie z warunkami naturalnymi. Wzrost ilości żelaza i manganu w wodach może następować przez wyługowanie związków tych metali z otaczających skał wskutek zmian kwasowości, potencjału redukcyjno-oksydacyjnego w środowisku hydrogeologicznym i innych procesów zachodzących podczas poboru wód. Główne substancje zagrażające wodom podziemnym: metale, chlorki, siarczany, azotany, detergenty, benzyna, roztwory ługowane z odpadów stałych pestycydy, herbicydy, rozpuszczalniki.
Główne źródła zanieczyszczenia wód podziemnych według Buscha i Strzodki
Sposoby przenikania zanieczyszczeń i ich rodzaje |
Główne branże przyczyniające się do zanieczyszczenia |
Wsiąkanie zanieczyszczonych wód powierzchniowych, przecieki z kanalizacji, osadników |
Przemysł, górnictwo |
Wsiąkanie odpadów zanieczyszczonych w atmosferze |
Przemysł, energetyka, gospodarka komunalna |
Wnikanie ropy naftowej i jej pochodnych |
Przemysł, transport |
Wnikanie soli i jej roztworów |
Transport |
Wnikanie odchodów zwierzęcych i soków kiszonkowych |
Rolnictwo |
Wnikanie składników z nawozów sztucznych i chemicznych środków ochrony roślin |
Rolnictwo leśnictwo |
Zmiany własności wody w skutek utlenienia minerałów siarczkowych w wyniku obniżenia i wtórnego podwyższenia jej zwierciadła |
Górnictwo |
Wsiąkanie substancji pochodzących z wymywania składowisk odpadów komunalnych, przemysłowych |
Przemysł, gospodarka komunalna |
Główne potencjalne zanieczyszczenia wód podziemnych według Mollweide
wiercenia; odkrywki gliny, piasku, żwiru; zwały; podziemne magazynowanie gazu i środków pędnych; eksploatację złóż
emisję substancji; zrzut ścieków; składowanie odpadów
nawozy mineralne; nawozy organiczne stałe i ciekłe; chemiczne środki ochronę roślin; soki kiszonkowe; środki poprawy gleb; nawadnianie
Eksploatację wody; zrzut ścieków; składowanie śmieci; cmentarze
Transport i składowanie produktów naftowych; zimową służbę drogową (środki przeciw śniegowi i gołoledzi) |
Odpady stałe mogą być gromadzone, składowane, kompostowane lub spalane. Niebezpieczeństwo dla wód podziemnych wynika z ługowania substancji rozpuszczalnych przez wody, zwłaszcza opadowe. Odpady stałe są składowane w postaci wysypisk nadpoziomowych lub podpoziomowych. Stopa wysypisk może znajdować się nad zwierciadłem wód podziemnych, na jego poziomie lub poniżej. Od charakteru położenia, na którym następuje składowanie, położenia i wahań zwierciadła wody i usytuowania składowiska zależy stopień zagrożenia wód. Według Flawna potencjalne zagrożenie odpadami składowanymi jest zdeterminowane:
własnościami odpadów - zawartością części organicznych i nieorganicznych, substancji rozpuszczalnych, ich stabilnością fizyczną, zmianami własności związanymi z rozkładem substancji,
warunkami hydrogeologicznymi i geologiczno-inżynierskimi w podłożu oraz rzeźbą terenu,
sposobem składowania,
warunkami klimatycznymi
położeniem.
Podział składowisk odpadów według pochodzenia przeważających składników:
śmieci z gospodarstw domowych bez innych odpadów,
śmieci z gospodarstw domowych i odpady organiczne (szlamy z oczyszczalni, odpady z placów targowych, odpady tworzyw sztucznych, odpady produkcyjne zakładów mięsnych i rybnych, zakładów produkcji żywności, odpady powstające przy wyrobie papieru
i tkanin), śmieci z gospodarstw domowych
śmieci z gospodarstw domowych i odpady nieorganiczne (ziemia z wykopów, grunt budowlany, stłuczka szklana, piaski formierskie, szlaki, odpady przemysłu kamieniarskiego i ceramicznego),
głównie nieorganiczne szlamy przemysłowe (przemysłu farmaceutycznego, przemysłu tworzyw sztucznych),
odpady radioaktywne, które podlegają specjalnym przepisom i z reguły są składowane podziemnie.
Słodkie wody podziemne wymagają szczególnej ochrony ze względu na własności zdrowotne, przyjemny smak, mało zmienny skład chemiczny, stałą niską temperaturę i brak zanieczyszczeń biologicznych.
Zagrożenie wód podziemnych wynika przede wszystkim z ich kontaktu z powierzchnią ziemi, z zwłaszcza z atmosferą, z wodami powierzchniowymi, a także z wodami glebowymi i niżej leżącymi wodami strefy aeracji.
Podział wód ze względu na zagrożenie i ochronę
P - wody płytkie nie chronione lub słabo chronione - ośrodek porowy, PA - wody płynące korytami rzek, S - wody płytkie lub głębsze nie chronione - ośrodek szczelinowy, ST - wody nie chronione (żyłowe) - ośrodek szczelin tektonicznych, N - wody chronione o zwierciadle napiętym
Elementem zagrożonym w profilu jest warstwa wodonośna występująca między warstwą podścielającą i przykrywającą ją. Wyróżnia się strefę przesiąkania zanieczyszczeń (strefa aeracji) i strefę wzniosu kapilarnego, ewentualnie strefę rozpływu tworzącą się wskutek podniesienia zwierciadła wód. Poniżej nie spiętrzonego zwierciadła wód następuje przepływ zanieczyszczeń (strefa przepływu).
Przesiąkanie i rozpływ zanieczyszczeń w obrębie wód gruntowych
1 - strefa wnikania, 2 - strefa przesiąkania, 3 - strefa rozpływu, 4 - strefa przepływu
Strefa wnikania zanieczyszczeń ma bardzo małą miąższość, obejmuje tylko najwyższą strefę gleby lub skały. W zależności od budowy geologicznej ośrodka warunki przenikania zanieczyszczeń do wód gruntowych mogą być sprzyjające, utrudniające i hamujące.
Klasyfikacja warunków przesiąkania zanieczyszczeń z powierzchni do wód gruntowych
A - warunki sprzyjające przesiąkaniu zanieczyszczeń, B - warunki utrudniające przesiąkaniu zanieczyszczeń,
C - warunki hamujące przesiąkaniu zanieczyszczeń
Sprzyjające warunki są wówczas, gdy przenikanie zanieczyszczeń może zachodzić łatwo, ośrodkiem są np. czyste piaski, utrudniające gdy występują soczewki nieprzepuszczalnych utworów i hamujące, gdy występują ciągle warstwy izolujące. Przenikanie zanieczyszczeń zależy także od przykrycia warstwy wodonośnej. O tym, czy utwory przykrywające poziom wodonośny spełniają rolę ochronną choćby w minimalny sposób, decyduje rodzaj i miąższość pokrywy.
Zanieczyszczenia mogą się dostawać dowód podziemnych:
bezpośrednio przez wtłaczanie ścieków do otworów wiertniczych lub wylewanie ścieków poniżej zwierciadła wód, wskutek bezpośredniego kontaktu z odpadami stałymi, składowanymi na poziomie zwierciadła wód podziemnych lub nawet poniżej niego,
pośrednio przez kontakt wód podziemnych z zanieczyszczonymi wodami powierzchniowymi, wodami glebowymi.
Ważną rolę w przemieszczaniu się zanieczyszczeń odgrywają roboty górnicze, budowlane, a także wiercenia. Przyczyniają się one do powstania połączeń między wodami podziemnymi i powierzchnią, a także między warstwami wodonośnymi izolowanymi w naturalnych warunkach.
Zanieczyszczenie wód podziemnych z ogniska na powierzchni przez nieszczelną obudowę studni
Typy procesów związanych z zanieczyszczeniem wód podziemnych i z ich samooczyszczeniem zależą od charakteru ognisk zanieczyszczeń oraz od warunków hydrogeologicznych. Najważniejsze dla samooczyszczenia wód podziemnych są procesy fizykochemiczne:
rozcieńczenie,
działania buforowe pod wpływem zmiany pH,
wytrącanie się substancji przez kontakt z wodą lub substancjami stałymi w podłożu,
hydroliza,
rozkład substancji przez utlenianie i redukcję,
filtracja mechaniczna,
parowanie i uchodzenie w formie gazowej,
rozkład i asymilacja biologiczna,
rozpad radioaktywny,
filtracja membranowa,
sorpcja.
Według Clarka naturalne samooczyszczenie wód podziemnych następuje głównie wskutek rozcieńczenia substancji zanieczyszczonych, przez ich chemiczny i biologiczny rozkład oraz przez wytrącanie i sorpcję, a zależy od:
rozprzestrzenienia i typu utworów, przez które przepływają wody,
charakteru utworów z uwagi na wymianę jonową i sorpcję, a więc zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń,
charakteru utworów z uwagi na ich własności hydrogeologiczne, a zwłaszcza własności filtracyjne utworów (współczynnik filtracji i prędkość przepływu w kierunku poziomym
i pionowym),
geometrii przepływu,
ilości i jakości eksploatacji wód,
końcowego, lokalnego pogrążenia się substancji zanieczyszczającej.
W celu rozpoznania zanieczyszczeń, ich ognisk oraz procesów ich wnikania, przesiąkania
i przepływu wymagane jest podjęcie takich prac jak:
kartowanie hydrogeologiczne warunków ochrony wód podziemnych,
udoskonalenie rozpoznawania warunków hydraulicznych,
badania podstawowe w zakresie hydrochemii i dynamiki wód podziemnych,
ustalenie stopnia zabezpieczenia poziomu wodonośnego,]jednoznaczne ustalenie wpływu poszczególnych czynników środowiska,
oznaczenie stopnia toksyczności poszczególnych substancji szkodliwych, ustalenie norm dla wartości maksymalnych przy długotrwałym ich działaniu,
ciągłe stacjonarne badanie wód podziemnych uwzględniające wszystkie substancje szkodliwe,
ustalenie środków ochronnych również dla obszarów przyszłej eksploatacji,
wytyczenie kierunków technologii korzystnych dla środowiska,
wprowadzenie technik mogących poprawić warunki lub usuwać skutki zanieczyszczeń.
Wysoki stopień uprzemysłowienia i mechanizacji, wysoki standard życia, rozwinięte rolnictwo, gęste zaludnienie i sieć komunikacyjna niosą ze sobą obciążenie środowiska. Wody podziemne, jako cenna rezerwa o najwyższym stopniu czystości, pozostają również pod wpływam, które są wynikiem działalności człowieka i dlatega muszą podlegać społecznej ochronie.
Zanieczyszczenia antropogeniczne powodują następujące działy gospodarki:
przemysł z górnictwem, rolnictwo i leśnictwo, gospodarka komunalna i transport.
Główne grupy zanieczyszczeń to:
zanieczyszczenia biologiczne (przez bakterie, wirusy i wyższe organizmy), nawozy, środki ochrony roślin, odpady przemysłowej hodowli zwierząt, ścieki, odpady stałe, gazy i pyły przemysłowe i komunalne, szkodliwe substancje związane z transportem, wśród nich produkty naftowe, detergenty (substancje powierzchniowo czynne), substancje radioaktywne
i inne.
W rolnictwie potencjalne zagrożenie dla jakości wód stanowią nawozy organiczne
i nieorganiczne (mineralne), chemiczne środki ochrony roślin oraz odpady zwłaszcza płynne, pochodzące z przemysłowej hodowli zwierząt. W gospodarce komunalnej potencjalne zagrożenie wód podziemnych może pochodzić zarówno ze ścieków, jak i z odpadów stałych - śmieci. Ścieki komunalne zawierają: bakterie, wirusy, substancje organiczne oraz chlorki, siarczany, węglany, detergenty, fosforany, azotany. Z odpadów komunalnych są wyługowane: węgiel i azot organiczny, węglany, chlorki i siarczany, a wody przesiąkające przez śmietniska mogą wynosić bakterie i wirusy chorobotwórcze.
Szybki przyrost ludności i uprzemysłowienie prowadzą do wzrostu ilości produktów odpadowych oraz do wzmożonego użycia wody, a przez to do powiększenia się ilości ścieków. Wiążą się z tym zagadnienia składowania odpadów oraz zrzucania ścieków i ich oczyszczania. Ścieki komunalne odprowadzane wprost do wód powierzchniowych doprowadzają je do eutrofizacji lub do znacznych uszkodzeń fauny i flory. Ścieki przemysłowe można podzielić na ścieki zanieczyszczone substancjami nieorganicznymi, organicznymi oraz jednocześnie nieorganicznymi i organicznymi.
Ścieki zanieczyszczone substancjami nieorganicznymi to ścieki z trawienia stali, zanieczyszczone Cr, z koksowni zanieczyszczone fenolami, z rafinerii ropy naftowej, z kopalń.
Ścieki zanieczyszczone substancjami organicznymi pochodzą z mleczarń, rzeźni, browarów
i gorzelni, cukrowni, przetwórni owocowo - warzywniczych.
Ścieki zanieczyszczone jednocześnie substancjami nieorganicznymi i organicznymi pochodzą z przemysłu tekstylnego, pralni, przemysłu garbarskiego i skórzanego oraz z przemysły celulozowo - papierniczego.
Z uwagi na bardzo duże ilości odpadów przy ich składowaniu trzeba uwzględnić ochronę wód powierzchniowych i podziemnych. Chodzi przy tym o kontrole i pomiary przepływu wody w obrębie składowisk odpadów i w jego okolicy, zwłaszcza by określić kierunek i szybkość, z jaką przepływają ługowany roztwory. Na tym tle opracowuje się projekt rozmieszczania punktów kontrolnego, ostrzegawczego
i alarmowego oraz plan działania w przypadku awarii. Stosuje się wiele metod chemicznych, geofizycznych, a także modelowanie numeryczne w celu kontroli przebiegu zjawisk zanieczyszczenia wód.
Śmieci komunalne składają się z popiołu, papieru, szkła i tworzyw sztucznych, gruzu, ziemi z fundamentów oraz odpadów spożywczych, częściowo z odpadów przemysłu i rzemiosła. Usuwanie i składowanie śmieci komunalnych i przemysłowych należy do trudnych zadań ochrony środowiska i jest niesłychanie ważne dla ochrony wód podziemnych. Nieprawidłowo usytuowane składowiska śmieci mogą bezpośrednio wpłynąć na czystość wód podziemnych w ujęciach znajdujących się w ich pobliżu. Składowisko odpadów nie może doprowadzić do zanieczyszczenia wód podziemnych, źródeł i wód powierzchniowych, a poprzez nie substancje szkodliwe mogą się dostawać do podłoża.
Wpływ składowisk na wody podziemne zależy od ich usytuowania w terenie, położenia wód powierzchniowych i zwierciadła wód podziemnych, a także warunków hydrogeologicznych w podłożu, zwłaszcza od charakteru ośrodka hydrogeologicznego. Istnieje możliwość minimalizowania niekorzystnego oddziaływania składowisk przez ich odpowiednią lokalizację. W USA opracowano w formie schematu opisowego warunki składowania śmieci w zależności od ich lokalizacji. Wyróżniono 3 klasy i 2 podklasy warunków składowania śmieci:
I - dogodne - wzgórze lub inne obszary pokryte lessem, pod którym znajdują się gliny morenowe,
IIa - dogodne - osiągalne po wykonaniu niewielkich robót zabezpieczających - obszary a glinami morenowymi blisko powierzchni ziemi, w nich występują wodonośne mułki (6m od powierzchni i głębiej), w pobliżu znajdują się odkrywki żwirów i piasków,
IIb - mało dogodne - obszary, na których gliny morenowe występują na powierzchni ziemi, na zboczach, często blisko cieków lub w korytach rzek,
IIIa - niedogodne bez znacznych robót zabezpieczających - obszar pokrywają lessy, a wody podziemne występują płytko,
IIIb - niedogodne - zwierciadło wód podziemnych występuje płytko pod powierzchnią w piaskach i żwirach, w pobliżu znajduje się ciek.
Schemat ten można zastosować z pewnymi zmianami w każdym kraju.
Główne procesy oczyszczania w strumieniu wód podziemnych to rozcieńczanie, mechaniczne filtrowanie, przemiany biochemiczne, sorpcja i wymiana jonowa. W rozkładzie substancji organicznych duże znaczenie mają procesy:
mikrobiologiczny rozkład substancji w strefie redukcyjnej i utleniającej, redukcja siarczanów i azotanów,
wypadanie pierwiastków śladowych,
wiązanie z minerałami ilastymi i substancjami próchniczymi - humusowymi (kwasy huminowe),
wydzielanie się gazów przez profil glebowy ku powierzchni,
mechaniczne filtrowanie,
rozcieńczanie i dyspersja.
Wpływ składowisk komunalnych i przemysłowych na wody podziemne zaznacza się niekiedy daleko w kierunku spływu wód podziemnych, nawet do 3000 m.
Przy składowaniu odpadów powinno się brać pod uwagę głównie ochronę powierzchni, uwzględniając możliwość jej użytkowania, w tym użytkowania rolniczego, oraz ochronę wód podziemnych i powierzchniowych. Z punktu widzenia geologii i hydrogeologii składowisko uporządkowane musi spełniać następujące warunki:
powinno się znajdować poza obszarem zasilania ujęcia wody lub źródła,
zwierciadło wód podziemnych powinno leżeć możliwie głęboko i nie sięgać do stopy składowiska, nawet przy stanach maksymalnych, konieczne jest dobre rozpoznanie kierunku przepływu wód podziemnych,
podłoże powinno być szczelne, w tym celu, jeśli jest to potrzebne, należy uszczelnić dno
i baki dołu składowiskowego, może to być warstwa iłu o miąższości 0,25 - 0,5 m lub folia
polietylenowa o grubości 0,2 mm odporna na ciśnienie, kładziona na wyrównanym
podłożu i podsypce piaskowej, odległość między stopą składowiska a zwierciadłem wód
podziemnych powinna wynosić przynajmniej 1m.
O potencjalnym zagrożeniu wód podziemnych decyduję rodzaj uporządkowanego składowiska. Wynika to z układu przestrzennego między składowiskiem a warunkami hydrogeologicznymi w podłożu. Składowiska uporządkowane są zakładane w zagłębieniach - nieckach (podpoziomowo), w rowach (podpoziomowo) i jako kopce (nadpoziomowo). Osobną grupę stanowią osadniki, które najczęściej są lokalizowane w naturalnych obniżeniach terenu, ale bywają także sztucznie obwałowywanie z jednej lub kilku stron. Uszczelnia się dno składowiska uporządkowanego, często jego boki, a nawet wierzch. Stosuje się ponadto warstwy izolujące między poszczególnymi partiami osadów.
Ważną rolę odgrywa także system odprowadzania wymywanych wód, wyługowanych roztworów, a więc rowów i drenów. Prace hydrogeologiczne dla zabezpieczenia wód podziemnych przed wpływem składowiska dzieli się na wstępne rozpoznanie, prace dla projektu składowiska z wyznaczeniem bilansu wodnego i bilansu mas oraz badania kontrolne w składowisku.
Aby zapobiegać zagrożeniom pochodzącym nawet z uporządkowanego składowiska, należy przestrzegać następujących zasad:
zachowywać w miarę możliwości centralne położenie składowiska w stosunku do źródeł składowanych materiałów i małą powierzchnię,
uwzględnić korzyści wynikające ze wspólnego składowania różnych odpadów, np. płynne odpady, szlamy z oczyszczalni, stare oleje i inne zmieszane z odpadami stałymi,
stopa składowiska powinna leżeć ponad zwierciadłem wód podziemnych i to możliwie wysoko,
jeśli to możliwe, składowisko należy założyć na obszarze o jak najniższej średniej opadów (mniejsza ilość wód przesiąkowych) lub chronić je przed opadami, a zwłaszcza przed wsiąkaniem wód (pokrywa izolacyjna, rowy, dreny),
w dnie składowiska powinny się znajdować warstwy z substancjami sorpcyjnymi, jeśli ich nie ma, powinny być wprowadzone.
Korzystne jest sytuowanie składowiska tam gdzie prędkości przepływu wód podziemnych są małe. Przy dużych prędkościach substancje szkodliwe są transportowane szybko i daleko. W przypadku składowania na obszarach o płytkim zwierciadle wód podziemnych należy je umieszczać tam, gdzie wody mają dużą zdolność samooczyszczania. Utrzymanie niskiej infiltracji do podłoża wymaga szczególnie starannego wykonania warstwy izolacyjnej w dnie składowiska. Ma to sens tylko wtedy, gdy gwarantowany jest odpływ piętrzących się wód przesiąkowych drenami. Obszary zalewowe nie powinny być brane pod uwagę jako miejsca zakładania składowisk uporządkowanych. Warstwy wodonośne w otoczeniu składowiska należy kontrolować siecią otworów obserwacyjnych. Zakłada się je w kierunku spływu w ilości i w układzie uzależnionym od wielkości składowiska, wielkości obszaru wpływu, skomplikowania warunków hydrogeologicznych. Otwory te powinny być regularnie obserwowane (stan zwierciadła, warunki hydrochemiczne i biologiczne). Rentowniejsze
(w warunkach ochrony środowiska, a zwłaszcza wód podziemnych) są składowiska, które mogą przyjmować po ok. 15 tys. ton w ciągu ok. 20 lat. Należy też zauważyć, że obiekty przyjmujące poniżej 10 tys. ton są tańsze jako składowiska lokalizowane w obniżeniach terenu (podpoziomowe), natomiast większe składowiska jako kopce (nadpoziomowe).
Golwer i Schneider przeprowadzili badania nad szkodliwością substancji związanych z komunikacją i transportem drogowym dla wód podziemnych. Wydzielili oni dwie grupy zanieczyszczeń: organiczne i nieorganiczne.
Do substancji organicznych zaliczane są: materiały pędne, pozostałości po ich spaleniu, smary, oleje, dodatki organiczne do produktów naftowych, pozostałości środków oczyszczających, środki konserwujące, środki denaturujące sole drogowe
(alifatyczne i aromatyczne węglowodory), woski, silikony, substancji powierzchniowo czynne, smoły i inne).
Zanieczyszczenia nieorganiczne stanowią: sole rozmrażające (głównie chlorek magnezu), środki przeciwkorozyjne, związki Na, Mg, Ca, Si, fosforany, CO2, Cr, Pb i inne metale ciężkie.
Podczas badań na konkretnych obiektach stwierdzono wyraźne podwyższenie zawartości Cl w podłożu (w wodzie przesiąkowej i wodach podziemnych do 1500 mg/dm3) spowodowane stosowaniem soli rozmrażających w czasie zimy, występujące do kwietnia. Obserwacji wieloletnie wykazały, że zaznacza się powolny efekt kumulacyjny, a więc zwiększanie się zawartości chlorków przez cały rok. W pobliżu dróg o ożywionym ruchu zauważono również
podwyższenie zawartości metali: Pb, Cr, V, Ni, Zn, Cu i innych.
Specjalnego potraktowania wymagają zagadnienia ropy naftowej i jej produktów pochodnych w wodach podziemnych ponieważ z tymi substancjami jest związane wielkie niebezpieczeństwo dla wód. Czas, w którym faza olejowa rozprzestrzenia się w podłożu
np.: w skałach luźnych (środek porowy) może wynosić od kilku dni do wielu lat.
Ropa naftowa i jej produkty psują zapach i smak wody pitnej. Ich dopuszczalna zawartość na podstawie kryteriów organoleptycznych wynosi 0,3 - 0,01 mg/dm3. Najważniejszymi własnościami produktów naftowych od których zależy ich zachowanie się lub migracja w ośrodku skalnym, są rozpuszczalność w wodzie, gęstość właściwa i lepkość. Poszczególne węglowodory różnią się między sobą znacznie rozpuszczalnością w wodzie, która wynosi dla płynnej parafiny i węglowodorów naftenowych 40-150 mg/dm3, natomiast dla jednocząstkowych aromatycznych węglowodorów jest znacznie większa, np. dla toluenu ok. 500 mg/dm3, a dla benzenu 1800 mg/dm3.
Ropa i produkty naftowe są z reguły lżejsze od wody słodkiej i wykazują większą od niej lepkość. W związku z tym strefa zanieczyszczona płynnymi węglowodorami jest ograniczona do stropowej części warstwy wodonośnej. Węglowodory nie mieszające się z wodą mogą tworzyć na powierzchni wód podziemnych warstwę, plamy, soczewki. Ogólnie można przyjąć, że istnieją węglowodory rozpuszczające się w wodzie (np. węglowodory aromatyczne), tworzące z nią emulsje i nie mieszające się. Ropa naftowa i jej produkty mogą pochodzić z cystern, zbiorników, przewodów itp.
Zagrożenie wód podziemnych przez ropę naftową z cystern i zbiorników
Przenikając w głąb, w strefie aeracji (przemieszczanie pionowe) zachodzi zjawisko zwilżenia wokół fazy olejowej, później dochodzi do strefy wzniosu kapilarnego i zwierciadła wód podziemnych, gdzie rozprzestrzenia się (przemieszcza się w poziomie).
Wydziela się trzy stadia rozprzestrzeniania się ropy naftowej. Wytwarza się przy tym strefa olejowa, strefa rozpuszczenia w wodzie i strefa gazowa. Wielkość i kształt strefy olejowej w strefie aeracji zależy od przepuszczalności ośrodka porowego. W ośrodku szczelinowym rozprzestrzenianie się ropy naftowej i jej produktów jest nieregularne i zależy od układu szczelin, ich rozwartości, charakteru itd.
Stadia rozprzestrzeniania się ropy naftowej w ośrodku porowym (A - według Scheillego, B - Arbeitskreis Wasser und Mineralol...)
a - przesiąkanie - stadium początkowe, b - rozprzestrzenianie się - stadium pośrednie, c - - rozprzestrzenianie się - stadium końcowe; 1 - faza olejowa, 2 - faza rozpuszczenia, 3 - faza gazowa, 4 - strefa wzniosu kapilarnego
Rozprzestrzenianie się ropy naftowej w porowym ośrodku warstwowym o zróżnicowanej przepuszczalności
Zależnie od stopnia wpływu zanieczyszczeń olejowych na podłoże można wyróżnić cztery strefy:
strefa impregnacji - olej mineralny występuje jako faza obok wody;
strefa zapachowa i smakowa - substancje zapachowe i smakowe są wyczuwalne organoleptycznie w wodach podziemnych;
strefa analityczna - zanieczyszczenia nie są wyczuwalne organoleptycznie, można je natomiast stwierdzić analitycznie, głównie za pomocą metod chromatografii gazowej;
strefa bez wpływów (neutralna) - nie stwierdza się olejów mineralnych ani organoleptycznie ani analitycznie.
Strefy wpływu zanieczyszczeń ropą naftową lub jej produktami w doświadczeniu wykonanym w warstwie żwirowo-piaszczystej
A - po 9 dniach, B - po 120 dniach, C - po 812dniach; 1 - strefa impregnacji, 2 - strefa smakowa, 3 - strefa analityczna, 4- strefa neutralna
Ponieważ oleje mineralne i ich produkty pochodne są wyczuwalne organoleptycznie w bardzo dużych rozcieńczeniach - 1:1000000, we wszystkich krajach istnieją odpowiednie przepisy zabezpieczające i ochronne. Najlepszą metodą usunięcia impregnacji oleju ze skał luźnych jest wymiana gruntu. Trzeba przy tym zachować odpowiednie środki ostrożności, aby nie uszkodzić instalacji i budynków. Innym sposobem jest odpompowanie wody z olejem lub też przewidzenie środków zabezpieczających w kierunku spływu wód w formie otworów obserwacyjnych, ekranów izolujących, rowów opaskowych, zwłaszcza gdy zwierciadło wód podziemnych znajduje się płytko (do1,5 m). Wybierany materiał impregnowany należy składować na podłożu szczelnym z natury lub uszczelnionym gliną, iłem lub folią i w miarę możliwości chronić przed odpadami, aby zapobiec wymywaniu i zawilgoceniu, tak aby impregnat pozostał możliwie suchy aż do czasu wyprażenia. W przypadku wylania się benzyny i paliw do silników odrzutowych, ze względu na ich wybuchowość w mieszaninie z powietrzem, trzeba zachować odpowiednie środki ostrożności (nie wolno używać otwartego ognia, palić tytoniu, silniki muszą być zabezpieczone przed wybuchem). Wprowadzenie wód zawierających benzynę do kanalizacji jest możliwe tylko po odpowiednim ich odgazowaniu.
Składowanie olejów, materiałów pędnych i innych pochodnych ropy naftowej jest regulowane specjalnymi przepisami i powinno być podejmowane na wydzielonych obszarach, w specjalnych zbiornikach. Jeżeli substancje mimo środków zabezpieczających przenikają do wód podziemnych, to istnieje możliwość odpompowania warstwy oleju pływającego na powierzchni wody i oddzielenia go w osadniku. Należy uważać, by nie stosować zbyt wielkich depresji, które mogłyby doprowadzić do zanieczyszczenia głębiej leżących wód. Ponieważ olej rozprzestrzenia się niekiedy bardzo wolno, to w zależności od wsiąkającej ilości trzeba się liczyć z bardzo długimi okresami pompowania, od miesięcy do wielu lat. Oleje i inne pochodne ropy oddzielone pompowaniem, powinny być dostarczone na specjalne składowiska, jeśli nie ma innych możliwości ich nieszkodliwego usunięcia (np. regeneracja lub spalenie). Zbiornik olejowy wykonuje się w nie zagęszczonych śmieciach miejskich. Należy go wyłożyć piaskiem lub granulowaną szlaką, a więc materiałem o dużych porach. Pod zbiornikiem olejowym powinna się znajdować warstwa zagęszczonych śmieci o miąższości ok. 4 m.
W stanie normalnym cieki powierzchniowe i wody stojące są zasilane przez wody podziemne, stanowią bowiem ich podstawę drenażową, poprzez którą następuje obniżenie zwierciadła wód lub zmniejszenie ciśnienia. W czasie wysokich stanów wody powierzchniowe zasilają wody podziemne w ograniczonym zasięgu, jest wówczas możliwy przepływ wód powierzchniowych zanieczyszczonych do wód podziemnych. Również wtedy, gdy zwierciadło wód podziemnych zostanie obniżone poniżej położenia wody na powierzchni, np. przy infiltracji brzegowej lub też w pobliżu stawów infiltracyjnych czy osadników, powstaje spadek hydrauliczny od wód powierzchniowych do wód podziemnych i możliwe jest migrowanie zanieczyszczeń. Wody powierzchniowe są z natury rzeczy bardziej narażone na potencjalne zanieczyszczenie niż wody podziemne, chronione zawsze w jakimś stopniu przez podłoże geologiczne. Przepływ wód powierzchniowych zanieczyszczonych substancjami organicznymi do wód podziemnych wywołuje procesy hydrogeochemiczne, powodujące intensywne rozpuszczanie, a następnie wytrącanie się żelaza, co prowadzi m.in. do kolmatacji filtrów studziennych.
Rozpatrując zagadnienie ochrony wód podziemnych należy mieć na uwadze obieg wody w przyrodzie, tzn. traktować wody podziemne łącznie z wodami powierzchniowymi (w atmosferze i na powierzchni ziemi), oraz obszar zasilania, przepływu (ewentualnie akumulacji czy magazynowania) i drenażu wód. Najbardziej odpowiedzialne zadania ochrony skupiają się na obszarze zasilania, czyli odnowy wód podziemnych, w którym wyróżnia się strefę aeracji, gdzie następuje wnikanie i przesiąkanie wody, oraz strefę saturacji, gdzie zaczyna się rozpływ i przepływ podziemny wody. Wypływy wody na powierzchnię, np. źródła lub rzeki, stanowią naturalny obszar drenażowy, natomiast ujęcia wód podziemnych, np. studnie, stanowią sztuczny obszar drenażowy. Zabiegi ochronne koncentrują się na obszarach zasilania i obszarach drenażu naturalnego - źródła lub sztucznego - ujęcia innych typów.
Kierunki ochrony i środki służące do zabezpieczenia wód są ściśle powiązane z zagrożeniami. Ochrona dotyczy ilości, czyli zasobów, i jakości, czyli degradacji. Ochronę jakości realizuje się często przez ochronę ilości, często bowiem przy ograniczeniu poboru wody do ściśle określonych wielkości zanieczyszczenia nie zagraża, a po ich przekroczeniu jakość wody ulega pogorszeniu. Wyróżnia się całkowitą i częściową ochronę ilościową wód podziemnych. Pierwsza z nich znajduje zastosowanie w przypadku zasobów nieodnawialnych, druga - odnawialnych. Odnawialność rozpatruje się albo w odniesieniu do roku hydrologicznego, albo do całego przewidzianego okresu eksploatacji. Ochrona wód podziemnych przed zanieczyszczeniem wymaga rozpoznania w sensie przestrzennym i czasowym:
ognisk zanieczyszczeń i dróg ich przemieszczania się (strefy wnikania, przesiąkania, rozpływu i przepływu zanieczyszczeń);
procesów geochemicznych, biochemicznych, fizycznych i biofizycznych zachodzących na drodze od ogniska do miejsca eksploatacji;
cech ośrodka i czynników hydrogeologicznych.
Dopiero po takim rozpoznaniu można przystępować do opracowywania wytycznych i sposobów zabezpieczania wód.
Ochronę wód podziemnych podejmuje się w zależności od sytuacji jako:
wstępną - gdy planujemy eksploatację wód podziemnych dopiero w dalszej przyszłości;
bieżącą - podczas realizacji zamierzeń eksploatacyjnych;
następczą - gdy eksploatacja wody już trwa jakiś czas i wyłania się potrzeba działań ochronnych.
Środki ochrony wód podziemnych mogą być bierne, wyrażające się zakazami i ograniczeniami, i czynne, zawierające nakazy. Coraz częściej wymienia się również element obserwacyjno - alarmowy ochrony jako ogniwo między ochroną bierną (prewencyjną) a czynną (naprawczą). Ochronę realizuje się na drodze administracyjno - prawnej, przyrodniczej i technicznej. Ma ona charakter ogólny lub ukierunkowany.
Elementami biernymi ochrony są tzw. strefy ochronne, w których obowiązują zakazy i ograniczenia różnych czynności gospodarczych (np. działalności górniczej, wiercenia, nawożenia). Elementem czynnym w strefie ochronnej może być nakaz usunięcia lub zabezpieczenia potencjalnego ogniska zagrożenia czystości wód podziemnych. Powszechnie stosuje się pojęcie stref ochronnych, zaznacza się potrzeba trójwymiarowego traktowania poczynań ochronnych. Wprowadza się w związku z tym pojęcie bloku ochronnego. Pod tym określeniem należy rozumieć tę część przestrzeni podziemnej, w której działalność człowieka może wywołać niekorzystne naruszenie jakości lub ilości wód. Granice bloku ochronnego w kierunku pionowym stanowią zwykle warstwy izolujące, w kierunku poziomym zaś, gdy brak warstw izolujących, obszar spływu wód do ujęcia, wynikający z układu pola hydrodynamicznego po określonym upływie czasu. Blok ochronny sięga albo do powierzchni, albo do warstwy izolującej. W pierwszym przypadku granica bloku na powierzchni ziemi wyznacza obszar ochronny, który nie pokrywa się ze strefami ochronnymi wyznaczonymi przepisami dla pojedynczych studzien lub nawet zespołów studzien, stanowiących ujęcie wód podziemnych.
Czynna ochrona wymaga środków technicznych. Polega ona w głównej mierze na:
likwidacji ognisk zagrożenia, uzdatnianiu lub oczyszczaniu wody w gruncie oraz na różnorakich zabezpieczeniach izolujących potencjalne lub rzeczywiste ogniska zanieczyszczeń, np. w postaci ekranów, częsta w połączeniu z drenażem,
tworzenie barier hydraulicznych, tj. studni uniemożliwiających napływ wód zanieczyszczonych do ujęcia, ustawionych na drodze przepływu zanieczyszczeń i działających zwykle na zasadzie odpompowywania i odprowadzania wód zanieczyszczonych (bariera depresyjna), rzadziej na zasadzie studzien chłonnych czy też tłocznych (bariera represyjna) albo też jako połączenie obu sposobów.
W celu oddzielenia wody czystej od ognisk zanieczyszczeń stosuje się bariery statyczne i dynamiczne lub ich połączenie. Ekrany zabezpieczające mogą być ułożone:
poziomo lub skośnie, np. w celu zabezpieczenia ogniska zanieczyszczeń stałych (składowiska odpadów), czy też ciekłych (ścieki, zanieczyszczone wody) lub ciekło-stałych (szlamy) w rzekach, jeziorach, kanałach, osadnikach itd.
pionowo w celu przecięcia przepływu wód zanieczyszczonych.
Ekrany pionowe mają charakter urządzeń całkowicie zamykających, izolujących lub półzamkniętych, a więc nie zamkniętych w poziomie lub nie zamkniętych w pionie, czyli zawieszonych - nie sięgających do warstwy nieprzepuszczalnej. Ekrany, czyli ścianki uszczelniające mogą być różnego rodzaju.
Cazenove wyróżnił ścianki, w których głównym tworzywem jest grunt - materiał miejscowy, przesłony lekkie, przesłony ciężkie, iniekcje oraz ścianki wykonane wibracyjnie (wibroflotacja). Można jeszcze dodać, że istnieją możliwości ekranowania przez tłoczenie powietrza.
Ekranowanie często połączone z drenażem, a także hydrauliczne bariery ochronne stosuje się najczęściej w otoczeniu ognisk zanieczyszczeń, np. u brzegów morza, aby chronić słodkie wody podziemne na lądzie przed zasoleniem, w dnie i na bokach składowisk odpadów stałych i stawów osadnikowych. Mimo istnienia wokół ujęcia (np.studni) strefy ścisłej ochrony, również jej obudowa powinna zabezpieczać poziom wodonośny przed bezpośrednim kontaktem z powierzchnią czy też z innymi nie ujmowanymi poziomami wodonośnymi, leżącymi nad ujmowanym czy też poniżej niego. Środkiem zabezpieczenia wód przed zanieczyszczeniem jest także odpowiedni reżim eksploatacji, np. zachowanie przepisowej depresji, równomierny pobór wody. Założenie sieci kontrolno-obserwacyjnej powinno umożliwić na tyle wczesne stwierdzenie postępującego przemieszczenia się zanieczyszczeń, aby móc na czas podjąć odpowiednie środki zaradcze ochrony czynnej, prowadzące do zabezpieczenia ujęcia. System obserwacyjno-kontrolny powinien obejmować w miarę możliwości wszystkie procesy związane z zanieczyszczeniem wód podziemnych, poczynając od obserwacji w ognisku zanieczyszczeń poprzez jego powierzchnię, strefy wnikania, przesiąkania, rozpływu aż do strefy przepływu w strumieniu wód podziemnych w różnych punktach między ogniskiem zanieczyszczenia i ujęciem wód podziemnych. W pracach obserwacyjno-kontrolnych można wydzielić następujące etapy:
wstępne wyznaczenie sieci obserwacyjno- kontrolnej i gromadzenie informacji;
założenie sieci, wstępne obserwacje;
uzupełnienie sieci, weryfikacja wstępnych danych;
cykl obserwacyjny;
okresowe opracowywanie wyników obserwacji.
Środki i metody badania i kontroli warunków w strefach ochronnych wg Pfannkucha i Labno
Metody badania |
warunki geologiczne |
warunki hydrologiczne |
warunki hydrogeologiczne |
warunki hydrochemiczne |
bezpośrednie |
-wiercenia -pobieranie próbek -analizy laboratoryjne |
-obserwacje klimatyczne -obserwacje hydrologiczne |
-otwory obserwacyjne -otwory pompowe -analizy laboratoryjne -badania poziomu wodonośnego |
-pobieranie próbek wody -pomiary polowe -analizy laboratoryjne (pojemność jonowymienna i sorpcja) |
pośrednie |
-płytka geofizyka |
-modelowanie bilansu wodnego -modelowanie działów wodnych |
-analiza siatki hydrodynamicznej -modele analogowe i numeryczne |
-mapa równych koncentracji -badania geofizyczne -opracowanie bilansu składników |
W Polsce strefy ochronne wyznacza się na podstawie Rozporządzeń Rady Ministrów. Według obowiązujących przepisów wydziela się dwie strefy ochronne: strefę ochrony bezpośredniej
i strefę ochrony pośredniej.
Na terenie ochrony bezpośredniej należy:
zapewnić odprowadzenie wód odpadowych w taki sposób, aby nie mogły one przedostać się do urządzeń służących do ujęcia i poboru wody;
zapewnić szczelne odprowadzenie poza granice strefy ochronnej ścieków z urządzeń sanitarnych przeznaczonych do użytku osób zatrudnionych przy urządzeniach służących do ujęcia poboru wody;
Na terenie ochrony pośredniej można wprowadzić ograniczenia w użytkowaniu gruntów i korzystania z wód w szczególności w zakresie:
wprowadzenie ścieków do wód powierzchniowych i podziemnych, znajdujących się na całym terenie;
pojenia bydła i trzody chlewnej;
rolniczego wykorzystania ścieków;
grzebania zwierząt;
urządzania obozowisk;
urządzania pastwisk;
lokalizacji zbiorników i rurociągów do magazynowania lub transportu olejów, materiałów łatwopalnych;
W strefach ochronnych zabrania się:
- zakładania cmentarzy;
- wykonywania wierceń i odkrywek;
gromadzenia ścieków i składowania odpadów, które mogą zanieczyszczać wody;
wnoszenia urządzeń i wykonywania robót lub czynności, które mogą zmniejszyć przydatność wody lub wydajność ujęć wody oraz źródeł;
Przy określaniu zasięgu i granic terenów strefy ochronnej i dla podziemnych ujęć i źródeł wody należy stosownie do potrzeb uwzględnić następujące dane hydrogeologiczne:
budowę geologiczną terenu;
głębokość zalegania i rozprzestrzenienia utworów wodonośnych;
głębokość zalegania nie eksploatowanych utworów wodonośnych;
strukturę przepuszczalności eksploatowanych utworów wodonośnych i utworów je pokrywających;
obszar powierzchniowego zasilania eksploatowanych utworów wodonośnych oraz jego położenie;
poziom zalegania zwierciadła wody i jego wahania;
kierunki i prędkość przepływu wody w eksploatowanych utworach wodonośnych;
zasady eksploatacyjne wody w eksploatowanych utworach wodonośnych;
cechy fizyczne, chemiczne i bakteriologiczne wody w podziemnym źródle wody w miejscu ujęcia;
wielkość depresji, zasięg leja depresyjnego wywołanego eksploatacją ujęcia wody i wielkości poboru wody;
Oprócz stref ochronnych ujęć dąży się do wydzielenia obszarów ochrony wód podziemnych, w których wydziela się tzw. rezerwową strefę ochronną. Jest to strefa, która zapewniłaby ochronę przy rozbudowie ujęcia w przyszłości, poza umowne 25 lat jego pracy, czy też przy działaniu ujęcia przez czas niż przyjęte do wyznaczania trzeciej strefy ochronnej.
Obszary te mogą być wydzielane jako stałe lub tymczasowe, np. w celu dokładniejszych badań hydrogeologicznych.
Kryteriami wydzielania stref ochronnych i działalności w ich obrębie są:
-granice obszarów zasilania, ukształtowanie powierzchni i jej użytkowanie (lasy, rolnictwo, budownictwo, transport);
-rodzaje gleb;
-budowa geologiczna podłoża;
-warunki hydrologiczne i hydrogeologiczne łącznie z klimatycznymi;
-sposób i rodzaj ujęcia oraz jego stan techniczny;
-zasięg oddziaływania ujęcia;
-jakość wód podziemnych;
-górnictwo;
-ochrona przyrody i krajobrazu;
Poczynania ochronne zależą od wymienionych warunków przyrodniczo-technicznych, ale głównie od możliwości przenikania zanieczyszczeń do eksploatowanego poziomu wodonośnego z istniejących lub potencjalnych ognisk zanieczyszczeń. Ich rozpoznanie obok wiadomości o zasobach i jakości chronionych wód stanowi podstawę prawidłowego wyznaczania stref, wymiarowania oraz zaprojektowania sieci obserwacyjno-kontrolnej i ewentualnie dodatkowych zabezpieczeń.
Przy wymiarowaniu strefy ochrony pośredniej uwzględnia się kierunek przepływu wody do ujęcia oraz szereg innych okoliczności. Głównym kryterium jest jednak minimalny czas przepływu wody podziemnej potrzebny do samooczyszczenia się wody z bakterii chorobotwórczych. Często nie uwzględnia się ani roli nadkładu, a więc warunków panujących ponad zwierciadłem wód podziemnych, ani możliwości wyznaczania następnej strefy ochronnej.
Występuje coraz silniej potrzeba znacznie szerszego spojrzenia na strefy ochronne nie tylko od strony zanieczyszczeń biologicznych (bakterie, wirusy i inne organizmy), ale także ze względu na możliwość zanieczyszczeń substancjami chemicznymi i energiami, zwłaszcza energią cieplną oraz w związku z ochroną ilości wód, tzn. ich zasobów. Zanieczyszczenia chemiczne mogą się rozprzestrzeniać bardziej niż biologiczne i mogą wykazywać znacznie większą trwałość. Z tego względu coraz częściej mówi się o strefach ochrony biologicznej i zasobowej, przy czym dwie ostatnie mają szersze zasięgi (obszary zasilania) niż pierwsze (obszary w pobliżu ujęcia).
Okresy obliczeniowe do wymiarowania stref ochronnych wyznacza się często metodą znaczników. Polega ona na wprowadzeniu do wód znaczników sztucznych lub wykorzystuje się jako znaczniki naturalne izotopy otoczenia i inne substancje nie wprowadzane do wód sztucznie lub niektóre jony obojętne wprowadzane z innymi zanieczyszczeniami do gruntu, np. chlorki. Poza tym bierze się pod uwagę warunki hydrodynamiczne w wyeksploatowanej warstwie wodonośnej posługując się w tym celu ustaleniem hydroizohips linii prądu.
LITERATURA
S. Kleczkowski “Ochrona wód podziemnych” Warszawa 1984
J. Grabowski “Problemy ochrony środowiska” Kielce 1984