GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4 Aleksandra CZAJKOWSKA Instytut Geologii Stosowanej, Gliwice STOPIEŃ ZANIECZYSZCZENIA ZWIĄZKAMI BIOGENNYMI PŁYTKICH WÓD PODZIEMNYCH W ZAGOSPODAROWANEJ ROLNICZO CZĘŚCI ZLEWNI BIERAWKI Streszczenie. W artykule scharakteryzowano wpływ zanieczyszczeń, generowanych przez rolnictwo, na jakość płytkich wód podziemnych w zlewni rzeki Bierawki. Wody te, ze względu na słabą izolację przed przenikaniem zanieczyszczeń z powierzchni terenu, są dobrym wskaźnikiem poziomu presji na środowisko. W artykule wykazano zależność stężeń związków azotowych, fosforanów i potasu w wodach gruntowych od pory roku, głębokości występowania zwierciadła wody oraz charakteru przepuszczalności gruntów, stanowiących nadkład ujmowanej warstwy wodonośnej. Uzyskane wyniki badań posłużyły do wykreślenia mapy obszarów występowania wód wrażliwych na zanieczyszczenia azotanami oraz obszarów wód czystych. ASSESSMENT OF BIOGENIC COMPOUNDS POLLUTION OF SHALLOW UNDERGROUND WATER IN AGRICULTURAL MANAGED PART OF BIERAWKA RIVER BASIN Summary. In this paper characterized influence of impurities generated by agriculture on quality of shallow underground water in Bierawka river basin. This water is a good indicator of pressure level on environment, because it is slightly isolated from infiltration impurities from land surface. In this paper showed dependence concentration of nitrate compounds, phosphate and potassium in ground water on seasons, depth of ground water level and on character of permeability of grounds, whose are the overlay of water-bearing layer. The analyses results were used for drawing the map of nitrate vulnerable zones and pure water areas. 1. Wprowadzenie Przestrzenny charakter działalności rolniczej ma bardzo istotny wpływ na przeobrażenia chemizmu wód podziemnych, a zwłaszcza wód gruntowych. Ich płytkie zaleganie, a co się
14
Embed
STOPIEŃ ZANIECZYSZCZENIA ZWIĄZKAMI BIOGENNYMI … · 0,2-1,2 mg PO4/dm 3, w opróbowaniu czerwcowym i 0,2-2,4 mg PO 4/dm 3, w próbkach pobranych w październiku (tab. 1). Stężenia
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4
Aleksandra CZAJKOWSKA Instytut Geologii Stosowanej, Gliwice
STOPIEŃ ZANIECZYSZCZENIA ZWIĄZKAMI BIOGENNYMI PŁYTKICH WÓD PODZIEMNYCH W ZAGOSPODAROWANEJ ROLNICZO CZĘŚCI ZLEWNI BIERAWKI
Streszczenie. W artykule scharakteryzowano wpływ zanieczyszczeń, generowanych przez rolnictwo, na jakość płytkich wód podziemnych w zlewni rzeki Bierawki. Wody te, ze względu na słabą izolację przed przenikaniem zanieczyszczeń z powierzchni terenu, są dobrym wskaźnikiem poziomu presji na środowisko. W artykule wykazano zależność stężeń związków azotowych, fosforanów i potasu w wodach gruntowych od pory roku, głębokości występowania zwierciadła wody oraz charakteru przepuszczalności gruntów, stanowiących nadkład ujmowanej warstwy wodonośnej. Uzyskane wyniki badań posłużyły do wykreślenia mapy obszarów występowania wód wrażliwych na zanieczyszczenia azotanami oraz obszarów wód czystych.
ASSESSMENT OF BIOGENIC COMPOUNDS POLLUTION OF SHALLOW UNDERGROUND WATER IN AGRICULTURAL MANAGED PART OF BIERAWKA RIVER BASIN
Summary. In this paper characterized influence of impurities generated by agriculture on quality of shallow underground water in Bierawka river basin. This water is a good indicator of pressure level on environment, because it is slightly isolated from infiltration impurities from land surface. In this paper showed dependence concentration of nitrate compounds, phosphate and potassium in ground water on seasons, depth of ground water level and on character of permeability of grounds, whose are the overlay of water-bearing layer. The analyses results were used for drawing the map of nitrate vulnerable zones and pure water areas.
1. Wprowadzenie
Przestrzenny charakter działalności rolniczej ma bardzo istotny wpływ na przeobrażenia
chemizmu wód podziemnych, a zwłaszcza wód gruntowych. Ich płytkie zaleganie, a co się
A. Czajkowska
92
z tym wiąże, słaba izolacja przed przenikaniem zanieczyszczeń z powierzchni terenu
sprawiają, że są one dobrym wskaźnikiem poziomu presji na środowisko wodne.
Dotychczasowe badania jakości wód w zlewni Bierawki (prawobrzeżny dopływ Odry)
pozwoliły stwierdzić silne przekształcenia chemizmu i wysoki stopień degradacji jakości wód
gruntowych [2]. W znacznej mierze wynika to z realizacji produkcji rolniczej, niewłaściwego
stosowania zabiegów agrotechnicznych, przechowywania i stosowania nawozów,
pochodzenia mineralnego i organicznego oraz środków ochrony roślin. Obecność w płytkich
wodach podziemnych zanieczyszczeń pochodzenia rolniczego, przede wszystkim związków
azotu, wpływa na walory konsumpcyjne tych wód, ograniczając lub wykluczając możliwość
spożycia. Wysokie stężenie związków biogennych w wodach gruntowych ma również
niekorzystny wpływ na środowisko wód wgłębnych i powierzchniowych.
Celem przeprowadzonych badań było rozpoznanie stopnia zanieczyszczenia płytkich
systemów wód podziemnych, stanowiących często źródło zaopatrzenia ludności w wodę
pitną, jak również wskazanie obszarów szczególnie wrażliwych na zanieczyszczenia
substancjami generowanymi przez rolnictwo.
2. Charakterystyka obszaru badań
Obszary użytków rolnych wraz z zabudową wiejską, o słabo rozwiniętej infrastrukturze
wodno-kanalizacyjnej koncentrują się we wschodniej i środkowej części zlewni Bierawki,
stanowiąc ok. 50% całkowitej jej powierzchni. Badaniami objęto zagospodarowane rolniczo
tereny, znajdujące się pod względem administracyjnym w granicach gmin: Sośnicowice,
Pilchowice, Knurów i Czerwionka – Leszczyny (rys. 1). W ogólnej powierzchni użytków
rolnych przeważają grunty orne (77,3%), użytki zielone, tj. łąki i pastwiska zajmują łącznie
21,5%, a sady 1,2% [1] (rys. 2).
Użytki rolne oraz zabudowania gospodarstw na analizowanym obszarze zlokalizowane są
w sposób rozproszony. Ziemia uprawiana jest w większości przez gospodarstwa
indywidualne. Na obszarze badań występuje różnorodnie ukształtowana zabudowa wiejska,
która w obrębie poszczególnych obejść łączy zarówno obiekty gospodarcze, jak i mieszkalne,
będące również źródłem powstawania substancji chemicznych, zanieczyszczających obszary
wiejskie. W konsekwencji oddziaływanie na środowisko wodne jest wypadkową wielu
czynników, związanych nie tylko bezpośrednio z rolnictwem, ale również z działalnościami
okołorolniczą i osadniczą.
Stopień zanieczyszczenia związkami biogennymi...
93
Obszar badań pokrywa się z obszarami występowania Głównych Zbiorników Wód
Podziemnych i Użytkowych Zbiorników Wód Podziemnych, podlegających szczególnej
ochronie (Jednolite Części Wód Podziemnych nr 129, 133 oraz fragmentarycznie 140 i 142),
z których zasadnicze znaczenie dla gospodarki komunalnej i przemysłu w zlewni mają płytkie
wody czwartorzędowe.
Na przeważającej części obszaru badań dominują gleby bielicowe i pseudobielicowe,
wykształcone z piasków luźnych, słabo gliniastych i gliniastych oraz glin zwałowych. Na
północ od rzeki Bierawki przechodzą one w pseudobielicowe piaszczyste, gliniaste i pyłowe
oraz miejscami lekkie, mieszane rędziny. Dna dolin Bierawki i jej dopływów wypełniają
mady brunatne, pyłowe i piaszczyste oraz piaski rzeczne, a miejscami kompleksy gleb
mułowo-bagiennych. Na podwyższonych terasach występują pseudobielice i gleby brunatne.
Rys. 1. Położenie i podział administracyjny zlewni rzeki Bierawki Fig. 1. Location and administrative division of Bierawka river basin
W obrębie obszarów miejsko-przemysłowych i górniczych Knurowa, Szczygłowic,
Czerwionki-Leszczyn grunty uległy znacznej antropogenizacji. Gleby w tych rejonach zostały
zdegradowane w wyniku zawodnienia (niecki osiadań) lub przesuszenia (leje depresji),
spowodowanego eksploatacją złóż węgla kamiennego oraz oddziaływania zanieczyszczeń
atmosferycznych [4, 5, 6]. Grunty antropogeniczne występują także na obszarach
A. Czajkowska
94
zabudowanych gminy Sośnicowice i Pilchowice. Charakter przepuszczalności gruntów
w obszarze badań przedstawia rys. 3.
Rys. 2. Struktura użytków rolnych w obszarze badań Fig. 2. Structure of arable land on the researches area
Pierwszy poziom wodonośny, który był przedmiotem badań, występuje na różnej
głębokości, w zależności od budowy geologicznej, warunków hydrogeologicznych i rzeźby
terenu. Osady wodonośne wykazują dość duże zróżnicowanie litologiczne. Wykształcone są
jako piaski drobno- i średnioziarniste, pospółki oraz żwiry rozdzielone wkładkami glin i iłów
[2]. Zwierciadło wód gruntowych ma przeważnie charakter swobodny i stabilizuje się na
głębokości 1 – 2 m p.p.t. w obrębie dolin rzecznych (Bierawki i jej dopływów) oraz 5 –
10 m p.p.t., na terenach wysoczyznowych. Z wód tego poziomu korzystają liczne studnie
gospodarskie [2].
Stopień zanieczyszczenia związkami biogennymi...
95
Rys. 3. Przepuszczalność gruntów w obszarze badań [4, 5, 6] i miejsca opróbowania wód gruntowych Fig. 3. Grounds permeability on the researches area and localization of gorund water sampling
3. Metodyka i zakres badań
Badania jakości wód gruntowych w zagospodarowanej rolniczo części zlewni Bierawki
wykonano w 25 studniach gospodarskich, reprezentatywnych dla analizowanego obszaru,
których rozmieszczenie przedstawia rys. 3. W rejonach Czuchowa oraz Czerwionki
opróbowanie wód gruntowych było niemożliwe, z uwagi na osuszenie górotworu, związane
z działalnością górniczą. Tereny te znajdują się w granicach obszaru górniczego KWK
„Dębieńsko”, w którym osady czwartorzędowe leżą bezpośrednio na utworach karbońskich
i zostały zdrenowane przez wyrobiska górnicze kopalni (rys. 1).
Przy wyborze studni do badań brano pod uwagę przede wszystkim ich stan techniczny
i zagospodarowanie terenu wokół studni, tak aby wytypowane ujęcia nie znajdowały się pod
wpływem punktowych źródeł zanieczyszczeń (np. szamba) i obrazowały naturalny skład
chemiczny wód gruntowych. Wykonano dwie serie opróbowań – w czerwcu i październiku
2008 roku.
Zakresem badań objęto wskaźniki zanieczyszczeń, które potencjalnie mogą być związane
z działalnością rolniczą, charakterystyczną dla tej części zlewni, tj. NH4+, NO2
-, NO3-, PO4
3-
A. Czajkowska
96
i K+. Ponadto, oznaczono: suchą pozostałość, odczyn, twardość ogólną, wapniową,
magnezową, węglanową, chlorki, wapń, magnez, wodorowęglany, żelazo i mangan.
Substancje biogenne oraz metale: K+, Fe2+, Mn2+ oznaczono fotometrem
mikroprocesorowym LF 205 w świetle pomiarowym o długościach fal: 480 nm (NO3-, Mn2+,
NO2-, K+), 585 nm (Fe2+) i 635 nm (PO4
3- i NH4+). Pozostałe wskaźniki zanieczyszczeń
oznaczono w laboratorium chemicznym metodami: miareczkową (chlorki, twardość ogólną,
wapniową, węglanową), wagową (suchą pozostałość, siarczany) i obliczeniową (wapń,
magnez, wodorowęglany i twardość magnezową).
4. Omówienie wyników badań
Wody gruntowe z obszarów zagospodarowanych rolniczo w zlewni rzeki Bierawki należą
do wód słodkich i akratopegów, wg podziału Pazdry i Kozerskiego [7]. Mają odczyn od słabo
kwaśnego do słabo zasadowego oraz zróżnicowaną twardość, od wód miękkich po twarde
(2,0-9,8 mval/dm3). Dominującym rodzajem twardości płytkich wód czwartorzędowych są
50 mg NO3/dm3 wynika z Dyrektywy Azotanowej i Rozporządzenia Ministra Środowiska
[3, 10] i wyznacza strefę wód zanieczyszczonych, z kolei izolinia 10 mg NO3/dm3 odpowiada
wartości dopuszczalnej dla I klasy jakości wód (rys. 4).
W środkowej części zlewni Bierawki oraz przy jej północno-wschodniej granicy
stwierdzono występowanie zanieczyszczonych wód gruntowych, w których stężenia
A. Czajkowska
100
azotanów przekraczają 50 mg NO3/dm3 oraz wód gruntowych zagrożonych
zanieczyszczeniem, w których zawartość azotanów wynosi od 40 do 50 mg NO3/dm3.
Obszary występowania tych wód stanowią obszary wód wrażliwych na zanieczyszczenia
azotanami, na których należy ograniczyć odpływ azotu ze źródeł rolniczych, ze względu na
podatność tych wód na zanieczyszczenia [10].
Rys. 4. Obszary występowania wód wrażliwych na zanieczyszczenia azotanami ze źródeł rolniczych i wód czystych Fig. 4. Nitrate vulnerable zones from agricultural sources and pure water areas
Obszary te wyznaczone zostały wokół studni, w których nadkład ujmowanej warstwy
wodonośnej stanowią utwory piaszczysto-żwirowe, sprzyjające procesom migracji
zanieczyszczeń z gleby (rys. 4). Jednocześnie są to obszary o niewielkiej miąższości strefy
aeracji – zwierciadło wody w studniach, w okresie badań stabilizowało się na głębokości
1-1,7 m. Oprócz wysokich koncentracji azotanów w wodach gruntowych wyodrębnionych
obszarów obserwowano także najwyższe stężenia K+, NO2- i NH4
+.
Na mapie wyodrębniono również obszary niezanieczyszczone azotanami (rys. 4).
Występują one w środkowej części zlewni oraz w części wschodniej – w rejonie Szczygłowic
i Czuchowa i na południe od rzeki Bierawki. Obszary te obejmują grunty o słabym
charakterze przepuszczalności, zbudowane z glin, pyłów i iłów. Zwierciadło wody
w studniach, zlokalizowanych w obrębie obszarów czystych w czasie poboru próbek wody
Stopień zanieczyszczenia związkami biogennymi...
101
stabilizowało się na głębokości 4,2-6,7 m. Pomimo niewielkich stężeń azotanów w wodach
gruntowych na obszarach niezagrożonych, stężenia pozostałych, badanych jonów nie zawsze
były niskie (tab. 1).
5. Podsumowanie
Zagospodarowane rolniczo obszary w zlewni Bierawki, na których realizowana jest
produkcja roślinna i zwierzęca stwarzają zagrożenie dla środowiska wodno-glebowego.
Nawozy azotowe, fosforowe, potasowe, wprowadzane na obszarach rolniczych pod rośliny
uprawne, są tylko częściowo przez nie wykorzystywane. Pozostała, niejednokrotnie większa
część składników nawozowych, ulega rozproszeniu w środowisku wodno-glebowym [8].
Konsekwencją tego są nadmierne ładunki zanieczyszczeń obecne w wodach gruntowych,
a także w głębiej występujących poziomach wodonośnych i wodach powierzchniowych.
Badania wód gruntowych w zlewni Bierawki pozwoliły stwierdzić, że w okresie
badawczym były one znacznie obciążone związkami biogennymi. Wykonanie dwóch serii
spróbowań – w czerwcu i październiku – umożliwiło rozpoznanie zmienności sezonowej
chemizmu płytkich wód podziemnych. Z przeprowadzonych badań wynika, że w okresie
jesiennym stężenia analizowanych jonów są wyższe (z wyjątkiem azotanów) niż w sezonie
letnim. Jest to związane z zakończeniem sezonu wegetacyjnego i co się z tym wiąże,
z obniżonym zapotrzebowaniem roślin na składniki pokarmowe (zwłaszcza związki azotowe).
Niewykorzystane składniki nawozowe zasilają wody gruntowe, stając się przyczyną ich
zanieczyszczenia.
Wykonane badania wykazały również związek pomiędzy stężeniami analizowanych
substancji a charakterem przepuszczalności gruntów budujących nadkład ujmowanej warstwy
wodonośnej i głębokością zwierciadła wody. W tych miejscach opróbowań,
w których strefa aeracji zbudowana jest z piasków o różnej granulacji bądź żwirów, stężenia
związków azotowych, fosforanów i potasu były największe, niezależnie od okresu
opróbowania. Podobna tendencja dotyczy miąższości strefy aeracji; przy głęboko położonym
zwierciadle wód gruntowych stężenia badanych jonów są na ogół najniższe, natomiast przy
niewielkiej miąższości strefy aeracji stężenia związków biogennych zwykle odpowiadają
wartościom dopuszczalnym dla klas jakości wody IV i V.
A. Czajkowska
102
Izolinie stężeń azotanów, wykreślone na podstawie wyników oznaczeń, pozwoliły
(w sposób orientacyjny) wydzielić obszary najbardziej podatne na zanieczyszczenia
zawiązkami azotu pochodzenia rolniczego.
Dla pełnej oceny wpływu rolnictwa na wody podziemne konieczne jest założenie gęstej
sieci punktów monitoringowych oraz przeprowadzenie badań i obserwacji w długich
okresach. Umożliwi to rozpoznanie nie tylko sezonowej, ale także wieloletniej zmienności
stężeń analizowanych substancji.
BIBLIOGRAFIA 1. Baczyńska E., Bober K., Dutkiewicz M., Dutkiewicz P., Forajter E., Karwosiecka D.,
Kosiński J., Polus A., Robak M., Szolc B.: Rewitalizacja wód rzeki Bierawki – program
gospodarki ściekowej dla gmin w zlewni rzeki. ENERGOTECHNIKA – PROJEKT Biuro
Projektów Energetycznych i Ochrony Środowiska Sp. z o.o., Knurów 2003.
2. Czajkowska A.: Wpływ antropopresji na jakość i stosunki wodne w zlewni rzeki
Bierawki. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, seria Monografie, z. 160, Gliwice 2008.
3. Dyrektywa Rady 91/676/EWG z dnia 12 grudnia 1991 roku dotycząca ochrony wód przed
zanieczyszczeniami powodowanymi przez azotany pochodzenia rolniczego (Dyrektywa
Azotanowa). DzU UE L z dnia 31 grudnia 1991 r.
4. Jankowski A.T., Absalon D., Leśniok M.: Mapa hydrograficzna Polski w skali 1:50 000,