BADANIA PRZYCZYNKOWE NAD WYSTĘPOWANIEM ŻELAZA W WODZIE PODZIEMNEJ DOLINY WARTY K/ POZNANIA

Andrzej Pawuła, IGK -  Poznań

Przegląd Informacyjny - Wodociągi i Kanalizacja, nr 2, ss.5 - 14, Instytut Gospodarki Komunalnej, Warszawa, 1971

Wstęp

W artykule przestawiono zmiany ilościowe żelaza w określonym środowisku wód podziemnych oraz wpływ warunków poboru prób na uzyskiwane wyniki analiz. Praca oparta jest o materiały badawcze Instytutu Gospodarki Komunalnej w Poznaniu, z lat 1966 - 1967, dotyczące warunków ochrony ujęć wód podziemnych [1].

Celowość zajęcia się problematyką żelaza w wodzie podziemnej wynika z potrzeby określenia związków między środowiskiem geologicznym a występowaniem żelaza oraz ustalenia zasad prognozowania jakości wód w stadium projektowania ujęć wodociągowych. Odnosi się to przede wszystkim do komunalnych ujęć wody, zakładanych w obrębie pradolin, w utworach rzecznych.

Na istotny wpływ środowiska litologicznego, a zwłaszcza osadów ilastych i organicznych, na zawartość żelaza w wodzie podziemnej, zwrócił ostatnio uwagę Z. Płochniewski [4]. Stwierdza on, że proces rozkładu osadów torfowych i namułów madowych jest przyczyną występowania dużych ilości żelaza, a także siarczanów, azotanów i metanu w wodzie, przy czym są to najczęściej wody typu wodorowęglanowowapniowego, o ogólnej mineralizacji poniżej 1 g/l. Jako dodatkowe źródło żelaza w wodzie Z. Płochniewski uważa nieprzepuszczalne utwory ilaste, występujące w stropie lub w spągu warstwy wodonośnej. Na podstawie analiz 193 stanowisk badawczych, reprezentujących środowisko czwartorzędowych utworów rzecznych, ustalił on, że najczęstsze zawartości żelaza w wodzie mieszczą się w przedziale 1 - 5 mg/l Fe.

A.J. Perelman [2] zaobserwował natomiast wyraźne zróżnicowanie składu chemicznego wody w obrębie jednego środowiska geologicznego, określając to zjawisko jako mozaikowy stan równowagi chemicznej. Spostrzeżenia Perelmana mają duże znaczenie dla wyjaśnienia migracji mało ruchliwych mineralnych składników wód podziemnych, w tym przede wszystkim związków żelaza.

Z. Płochniewski [3] analizował ponadto wpływ mikrośrodowiska otworu wiertniczego na zawartość żelaza w wodzie. Stwierdził on, że stężenie żelaza w wodzie stagnującej przez kilka miesięcy w otworach o konstrukcji stalowej przekracza w niektórych wypadkach 200 mg/l Fe, natomiast w otworach z rur winidurowych większych stężeń żelaza nie stwierdzono.

Warunki środowiskowe stanowiska badawczego

Badania przeprowadzono w pradolinie Warty, w Dębinie k/ Poznania, w rejonie stawów infiltracyjnych wzbogacających wody podziemne na terenie ich ujęcia. Kompleks utworów wodoprzepuszczalnych, piaszczysto - żwirowych, występuje od powierzchni do głębokości około 13 m. Współczynnik filtracji kształtuje się w granicach 10 - 25 m/d. Wśród utworów piaszczysto - żwirowych, około 1 m poniżej zwierciadła wody gruntowej, występuje soczewka półprzepuszczalnych utworów mułkowo - torfowych, o miąższości około 2 m.

Stanowisko badawcze, usytuowane na drodze przepływu gruntowego wody ze stawu infiltracyjnego do studni eksploatacyjnych, posiada ustalone warunki filtracji w zakresie kierunku przepływu i gradientu hydraulicznego (i=0,0115). Punkty poboru prób zostały usytuowane w różnych pozycjach w stosunku do wspomnianej soczewki mułkowo - torfowej (rys.1). Otwory badawcze posiadały konstrukcję winidurową ze stylonową siatką filtracyjną.

Skład chemiczny wód podziemnych, pochodzących z infiltracji wody rzecznej, przedstawia tabl. 1.

Rys.1. Przekrój przez stanowisko badawcze

Tablica 1. Zmiana składu mineralnego wody na drodze przepływu

Miejsce poboru próby

Mineralizacja

Udział procentowy jonów (% mval/l)

aniony

kationy

mg/l

mval/l

NO3- 

Cl-

SO42- 

HCO3-

CO32- 

Na+

K+

NH4+

Mg2+

Ca2+

Rzeka

377,3

5,28

1,0

18,2

23,8

57,0

0

15,2

1,0

0,2

14,6

70,0

Staw infiltracyjny

256,5

3,94

0,2

23,6

32,9

28,0

15,3

23,8

1,3

0,2

15,9

59,0

Otwór nr 6

396,6

5,43

0,1

17,2

28,4

54,3

0

19,5 */

0,1

14,5

65,9

Otwór nr 7

432,4

6,00

0,1

16,0

32,3

51,6

0

15,3 */

0,2

14,8

69,7

*/ Suma (Na+ + K+)

Chemizm wody odpowiada więc warunkom podanym przez Płochniewskiego [4] dla wód czwartorzędowych, w osadach rzecznych.

Wyniki badań

Badania uwzględniają dwa aspekty występowania żelaza w wodzie podziemnej, a mianowicie:

Wyniki pierwszego doświadczenia zamieszczono w tabl.2. Dla porównania uzyskanych wyników z warunkami początkowymi uzupełniono tabl. 2 analizami wody powierzchniowej, z rzeki Warty i stawu infiltracyjnego. Przedstawione analizy są reprezentatywne, albowiem poparte są analizami wielokrotnymi z cyklu jednorocznego.

Woda powierzchniowa, zarówno rzeczna jak też w stawie, zawiera znaczne ilości żelaza, jednak poniżej 1 mg/l Fe. Widoczny jest przy tym spadek ilościowy żelaza w wodzie stawu infiltracyjnego, związany z alkalizacją środowiska i demineralizacją wody (tabl. 1). Podczas infiltracji następuje jednak wzrost mineralizacji wody a także wzrost kwasowości (tabl. 1 i 2).

Tablica 2. Zmiany ilościowe żelaza i niektórych wskaźników chemicznych w zależności od środowiska

Środowisko

Miejsce poboru prób

Żelazo ogólne mg/l Fe

Odczyn pH

Kwasowość mval/l

Utlenialność mg/l O2

Azot mg/l N

organiczny

amoniakalny

Azotanowy

0. Woda powierzchniowa

Rzeka

0,80

7,9

0,075

11,5

1,53

0,15

0,70

Staw infiltracyjny

0,35

8,9

0,000

12,4

2,7

0,10

0,10

I. Nawodnione, półprzepuszczalne utwory mułkowo - torfiaste

Otwór nr 1

30,0

6,8

2,50

36,2

2,4

5,0

0,50

II. Wodonośne piaski i żwiry, bezpośrednio pod soczewką mułk. - torfiastej

Otwór nr 2

6,0

7,2

0,58

4,8

2,16

0,50

0,15

Otwór nr 3

5,6

7,2

0,80

7,4

1,56

1,80

0,15

III. Wodonośne piaski leżące 3 - 4 m poniżej soczewki mułk. - torfiastej

Otwór nr 4

0,40

7,65

0,42

4,0

2,04

0,20

0,10

Otwór nr 5

0,50

7,60

0,25

4,0

1,69

0,20

0,10

IV. Wodonośne piaski i żwiry w spągowej części warstwy, ponad 10 m od w/w soczewki

Otwór nr 6

0,20

7,7

0,25

4,0

1,79

0,10

0,10

Otwór nr 7

0,40

7,7

0,22

4,2

1,60

0,15

0,10

W badanym środowisku wód podziemnych pojawienie się większych koncentracji żelaza związane jest ze wzrostem kwasowości i ilości związków organicznych (utlenialność, związki azotu). Największe koncentracje żelaza, rzędu 30 mg/l Fe, występują w wodzie filtrującej przez utwory mułkowo - torfiaste, której odczyn jest lekko kwaśny.

W piaskach i żwirach wodonośnych, leżących bezpośrednio pod warstwą mułkowo - torfiastą (stanowiska nr 2 i 3), widać wyraźny wpływ warstwy leżącej powyżej, wyrażający się koncentracją żelaza rzędu 5 - 6 mg/l Fe. Oddziaływanie soczewki mułkowo - torfowej zaciera się już na głębokości 3 - 4 m od jej spągu, gdzie stwierdzono koncentracje rzędu 0,4 - 0,5 mg/l Fe przy pH 7,6. Natomiast w spągu warstwy wodonośnej (stanowiska nr 6 i 7), stężenie żelaza utrzymuje się w granicach 0,2 - 0,4 mg/l Fe, z wyraźną jednak tendencją wzrostową. Woda podziemna w tej części warstwy wodonośnej posiada lekko alkaliczny odczyn pH 7,7, utlenialność rzędu 4 mg/l O2 i mineralizację około 400 mg/l. Wyniki badania drugiego doświadczenia zawiera tabl. 3.

Tablica 3. Wpływ warunków poboru prób na uzyskiwane wyniki

Środowisko */

Nr otworu

Próby pobrane w nieustalonych warunkach hydrochemicznych

Próby pobrane po ustaleniu się warunków hydrochemicznych

żelazo og. mg/l Fe

odczyn pH

kwasowość mval/l

żelazo og. mg/l Fe

odczyn pH

kwasowość mval/l

I

1

120,0

6,5

3,0

30,0

6,8

2,50

II

2

50,0

6,8

0,9

6,0

7,2

0,58

3

112,0

6,7

0,5

5,6

7,2

0,80

III

4

1,8

7,6

0,17

0,4

7,65

0,42

5

8,8

8,0

0,15

0,5

7,6

0,25

IV

6

0,8

9,2

0,0

0,2

7,7

0,25

7

3,6

7,9

0,25

0,4

7,7

0,22

*/ numeracja środowisk jak w tabl. 2

Przy niepełnym oczyszczeniu otworu wiertniczego, w nieustalonych warunkach hydrochemicznych, stwierdzono we wszystkich stanowiskach poboru prób zwiększone koncentracje żelaza. Różnice wyników, w stosunku do prób uzyskanych w warunkach ustalonych, występują jednak również w wypadku odczynu wody i jej kwasowości, bez ustalonej konsekwentnej reguły.

W stanowiskach założonych wśród utworów mułkowo - torfowych, a także leżących w sąsiedztwie utworów piaszczysto - żwirowych, stwierdzono najwyższe koncentracje żelaza i największe bezwzględne odchylenia od wyników reprezentatywnych dla tych środowisk (odchylenie ponad 100 mg/l Fe). W pozostałych stanowiskach założonych w stosunkowo czystych piaskach, w większej odległości od soczewki mułkowo - torfowej, bezwzględne odchylenia są już mniejsze - rzędu 1 - 8 mg/l Fe.

Przedstawione wyniki charakteryzują z jednej strony mikrośrodowisko otworu wiertniczego, z drugiej natomiast strony wskazują na istotne różnice miedzy tym mikrośrodowiskiem a właściwym środowiskiem wód podziemnych. Należy przy tym zaznaczyć, że w konstrukcji otworów badawczych zostały wyeliminowane elementy metalowe a winidurowa rura nadfiltrowa wyprowadzona była powyżej powierzchni terenu. Tworzywo filtru nie jest więc głównym źródłem żelaza kumulowanego w wodzie stagnującej w otworze [3], natomiast wyjaśnienia tego zjawiska należy szukać w procesach biochemicznych zachodzących w otworze wiertniczym, przy kontakcie ze środowiskiem wody podziemnej.

Wnioski

1.Występowanie w wodzie podziemnej dużych stężeń żelaza wiąże się z obecnością osadów bogatych w nietrwałe związki żelaza oraz z występowaniem szczególnych warunków geochemicznych, umożliwiających uruchomienie tychże związków (hydroliza soli, wymiana jonowa). W badanym środowisku utworów rzecznych warunki takie występują wśród nawodnionych osadów mułkowo - torfowych.

2.Wpływ warunków litologicznych i hydrochemicznych na zawartość żelaza w wodzie jest wyraźny, natomiast zasięg tego wpływu ma charakter lokalny. Oddziaływanie osadów mułkowo - torfowych w warunkach przepływu poziomego, na leżące poniżej wodonośne osady piaszczysto - żwirowe, jest wyraźne w strefie do 1 m.

3.Zjawisko utrzymujących się dużych różnic w koncentracji żelaza w wodzie, w obrębie badanego środowiska utworów rzecznych, odpowiada określonemu przez Perelmana [2] pojęciu "mozaikowego" stanu równowagi chemicznej.

4.W obrębie osadów mułkowo - torfowych, wysokim koncentracjom żelaza w wodzie odpowiada wysoka kwasowość wody, wysoka utlenialność i duża koncentracja jonów amonowych.

5.Zmiana warunków hydrochemicznych w środowisku, np. wzrost kwasowości wód, może mieć istotny wpływ na zwiększenie się zawartości żelaza w wodzie podziemnej. Zjawisko takie może wystąpić w początkowym okresie eksploatacji ujęcia wód z utworów rzecznych, jako konsekwencja zmiany układu hydrochemicznego.

6.Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ warunków poboru prób wody na ilość wykrywanego w nich żelaza. Przy krótkotrwałych pompowaniach uzyskano we wszystkich stanowiskach podwyższone ilości żelaza, w stosunku do wyników uzyskanych po dłuższym pompowaniu, przy czym dłuższe pompowanie w przypadku otworów o średnicy 100 mm i głębokości kilkunastu metrów, trwało około 15 minut z wydajnością 100 l/min.

7.Największe różnice stężeń żelaza, w stosunku do wyników reprezentatywnych, występują w wypadku środowiska osadów mułkowo - torfowych i jego bezpośredniego otoczenia.

8.Żelazo kumulowane w wodzie stagnującej w otworze wiertniczym może w nieznacznym tylko stopniu pochodzić z korozji żelaznych elementów konstrukcyjnych otworu. Należy natomiast sądzić, że pochodzi ono z otaczającego otwór środowiska skał wodonośnych i jest utlenione w procesach biochemicznych.

9.Pobór prób wody z otworu wiertniczego na oznaczenie zawartości żelaza wymaga uprzedniego, pełnego oczyszczenia otworu przez pompowanie (wymagana 10 - krotna wymiana wody w otworze). Analiza wody pobranej np. próbnikiem, z pominięciem pompowania, nie jest reprezentatywna dla badanego środowiska wód podziemnych.

Bibliografia

1.Błaszyk T., Pawuła A., Ratajczak W.: Zasady ochrony wodociągowych ujęć podziemnych wód infiltrowanych, na podstawie badań w wytypowanych obiektach. Sprawozdanie z etapu badań w Dębinie. Instytut Gospodarki Komunalnej, Poznań (maszynopis), 1967.

2.Perelman A. I.: Gieochimija epigenieticzeskich processov, Niedra - Moskwa, 1065.

3.Płochniewski Z.: Wpływ rur stalowych i konserwacji próbek na zawartość żelaza w wodzie. Przegląd Geologiczny nr 5, 1965.

4.Płochniewski Z.: Występowanie żelaza i manganu w wodach podziemnych na obszarze Polski północnej (maszynopis), 1967.