PROBLEMATYKA ZMIAN JAKOŚCI WODY UJĘĆ INFILTRACYJNYCH

DIE PROBLEMATIK DER QUALITÄTSÄNDERUNGEN DES WASSERS AUS INFILTRATIONSFASSUNGEN

Tadeusz Błaszyk, Andrzej Pawuła, Instytut Gospodarki Komunalnej w Poznaniu

Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej, Zeszyt nr 1, Kraków 1973. Budownictwo Wodne i Inżynieria Sanitarna z. 20, Infiltracyjne ujęcia wody, cz. III, Ochrona sanitarna oraz prognozowanie jakości wody dla ujęć infiltracyjnych, s.71 - 84

Streszczenie

Autorzy postawili tezę, że do ujęć wód podziemnych typu infiltracyjnego należy zaliczać nie tylko ujęcia założone w strukturach pradolinnych i zasilane w drodze infiltracji subakwalnej, lecz również ujęcia zlokalizowane w dalszej odległości od rzek i zbiorników wody i zasilane w drodze infiltracji subaeralnej. Wspólnym mianownikiem jest tutaj kontakt ze środowiskiem powierzchniowym oraz podobne problemy z jakością wody i jej ochroną. W artykule przedstawiono problematykę zmian jakości wody na wybranych przykładach ujęć typu infiltracyjnego. Scharakteryzowano m.in. zmiany chemiczne i mikrobiologiczne wody na ujęciu sztucznej wody gruntowej, lokalne anomalie hydrogeochemiczne, występujące na drodze filtracji wód w osadach dolinnych, tendencje zmian hydrogeochemicznych różnych środowisk podczas eksploatacji ujęcia wody oraz skutki zanieczyszczenia chemicznego wód podziemnych w rejonie ujęcia założonego w szczelinowo - krasowej strukturze górnojurajskiej.

Zusammenfassung

Die Verfasser haben die These aufgestelt, dass man zu den Infiltrationstypen der Grundwassrgewinnungsanlagen nicht nur die in Strukturen der Urstromtäler und gespeisten durch eine subakwale Infiltration Gewinnungsanlagen sondern auch die in Grösserer Entfernung von Flüssen und Wasserbecken gelegenen und durch die subaerale Infiltration gespeisten Wassergewinnungsanlagen zählen soll. Die Gemeinsamkeit besteht im Kontakt mit der Oberflächenzone und im ähnlichen Problem mit der Wasserqualität und mit dem Wasserschutz. Im Beitrag wurde die Problematik der Wasserqualitätsänderungen an Hand ausgewählter Beispiele von Infiltrationswassergewinnungsanlagen dargestellt. Man charakterisierte u,s. Chemische und mikrobiologische Wasseränderungen an der Infiltrationswassergewinnungsanlage, hydrogeochemische Lokalanomalien, die während der Filtration in Talablagerungen auftreten, Tendenzen der hydrogeochemischen Änderungen der verschiedenen Zonen während des Betriebes der Wasserfassung und Folgen der chemischen Grundwasserverschmutzung in der Umgebung der Wasserfassung, die in der oberjurassischen spaltenreichen, Karststruktur gelegen ist.

O zaliczeniu ujęcia wód podziemnych do typu infiltracyjnego decyduje bezpośredni kontakt ujmowanych wód z powierzchnią terenu, przy czym pod pojęciem ujęcia infiltracyjnego należy rozumieć nie tylko ujęcia zasilane w drodze infiltracji subakwalnej, lecz również ujęcie założone w otwartej strukturze geologicznej, zasilane w drodze infiltracji subaeralnej. Do ujęć infiltracyjnych zaliczane są więc ujęcia założone w czwartorzędowych strukturach pradolinnych, a także ujęcia założone w starszych strukturach, jak na przykład: jura częstochowska, kreda lubelska czy też dewon kielecki.

Czynnikami decydującymi o jakości wód infiltracyjnych są z jednej strony naturalne czynniki geochemiczne, jak sorpcja i wymiana jonowa, z drugiej natomiast strony  -  sztuczne czynniki zewnętrzne, jak ścieki i odpadki stałe, nawozy mineralne, pestycydy oraz inne przypadkowe zanieczyszczenia. Rolę poszczególnych czynników oraz formę i zakres spowodowanych zmian jakości wód infiltracyjnych, na tle różnych warunków hydrogeologicznych, przedstawiono na przykładach.

Najbardziej typowym ujęciem infiltracyjnym jest ujęcie sztucznej wody gruntowej, o blisko położonym źródle zasilania i dobrze rozpoznanych warunkach zasilania. W przypadku ujęcia sztucznej wody gruntowej w dolinie Warty, woda rzeczna przepompowywana jest do stawów infiltracyjnych ulega odkwaszeniu, co powoduje naruszenie równowagi węglanowej i częściowe wytrącenie się węglanu wapnia. Równocześnie z węglanami przechodzą do osadu związki żelaza. Natomiast związki silnie zdysocjowane nie ulegają istotnym zmianom. Porównanie składu chemicznego wód: rzecznej, w stawie i czystych piaskach pod stawem, przedstawia poniższa tablica 1.

Tablica 1. Zmiany składu chemicznego wody w procesie infiltracji

Składniki i cechy wody

Jednostki

Woda rzeczna

Woda w stawie infiltracyjnym

Woda infiltracyjna pod stawem

Na+ + K+

mgl/l

19

23

19,5

N(NH4+)

mgl/l

0,15

0,10

0,10

Mg2+

mgl/l

8,7

7,4

9,60

Ca2+

mgl/l

68,6

45,0

75,1

N(NO3-) 

mgl/l

0,7

0,1

0,1

Cl

mgl/l

34

33

33

SO42- 

mgl/l

60

62

74

HCO3

mgl/l

183

104

180

CO32- 

mgl/l

0

10

0

Feog 

mgl/l

0,8

0,3

0,2

odczyn

pH

7,9

8,9

7,4

kwasowość

mval/l

0,07

0,00

0,25

Warstwa piaszczysta spełnia rolę bariery biologicznej w stosunku do mikroorganizmów występujących w wodzie powierzchniowej. Zasięg przenikania żywych organizmów, takich jak: sinice, nicienie, wymoczki wynosi około 30 - 40 cm [5], natomiast bakterie jelitowe typu coli przenikają do głębokości 1,5 m [6].

Zmianom biologicznym w drodze infiltracji wody towarzyszą zmiany warunków tlenowych. Zawartość rozpuszczonego tlenu maleje od około 9 mg O2/l w stawie do 1 mg O2/l na głębokości 0,2 m i do wartości zerowej na głębokości 1,5. Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT5) maleje odpowiednio od około 9 mg O2/l, poprzez 4 mg O2/l na głębokości 0,2 m, do 2 mg O2/l poniżej głębokości 1,5 m.

W trakcie filtracji w środowisku piaszczystym, zawierającym wkładki osadów mułkowo - torfowych, skład chemiczny wody ulega anomalnym zmianom, zwłaszcza pod względem zawartości żelaza. Woda, scharakteryzowana w tablicy 1, w otoczeniu osadów mułkowo - torfowych ulega następującym zmianom:

Tablica 2. Zmiany składu chemicznego wody w otoczeniu osadów mułkowo - torfowych

Składniki i cechy wody

Jednostki

Środowisko nawodnionych osadów mułkowo - torfowych

Środowisko piaszczysto - żwirowe, bezpośrednio pod warstwą mułkowo - torfową

Środowisko piaszczyste na głębokości 3 - 4 m pod warstwą mułkowo - torfową

Na+ + K+

mgl/l

 

14,5

19,0

N(NH4+)

mgl/l

5,6

0,5

0,2

Mg2+

mgl/l

14,8

8,3

8,3

Ca2+

mgl/l

75,8

75,1

75,1

N(NO3)

mgl/l

0,5

0,15

0,1

Cl

mgl/l

20

28

32

SO42- 

mgl/l

0

68

81

HCO3

mgl/l

323

195

171

Feog 

mgl/l

30,0

6,0

0,4

odczyn

pH

6,8

7,2

7,6

kwasowość

mval/l

2,5

0,6

0,4

Pojawienie się w wodzie podziemnej dużych ilości żelaza wiąże się z obecnością osadów zawierających znaczne ilości związków żelaza przechodzących łatwo do roztworu w drodze wymiany jonowej. Przyczyną pojawiających się zmian jest wzrost kwasowości, której źródłem są kwaśne produkty rozkładu substancji organicznej.

Anomalie hydrogeochemiczne, wyrażające się wysokimi zawartościami żelaza lub innych składników mineralnych, mogą obejmować znaczne obszary struktur hydrogeologicznych, występujące jednakże najczęściej w czwartorzędowych strukturach dolinnych. Przykładem może być wycinek doliny Prosny (rys.1).

Rys.1. Strefy hydrogeochemiczne w dolinie Prosny

Na obszarze około 6 km2, ograniczonym krawędzią wysoczyzny morenowej i korytem rzeki Prosny, można wydzielić trzy strefy hydrogeochemiczne [4]:

Tablica 3. Strefy hydrogeochemiczne w dolinie Prosny, na S od Kalisza

Parametr

Strefa I

Strefa II

Strefa III

żelazo jonowe [mg Fe2+/l]

0 - 3

3 - 8

14 - 18

kwasowość [mval/l]

0,1 - 0,2

0,2 - 0,4

0,6 - 0,9

agresywny dwutlenek węgla [mg CO2/l]

0 - 3

4 - 7

7 - 15

Woda podziemna w wydzielonych strefach wykazuje odmienną predyspozycję do zmian hydrogeochemicznych na skutek naruszenia naturalnego reżimu przez eksploatację. Charakter zmian w poszczególnych strefach, w okresie 3 - miesięcznej eksploatacji przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Charakter zmian warunków hydrogeochemicznych w czasie krótkotrwałej eksploatacji wód

Dłuższy okres eksploatacji ujęcia wód podziemnych w warunkach pradolinnych, zagrożonego wzrostem agresywności środowiska, może spowodować daleko idące zmiany ogólnej mineralizacji wody, zarówno zawartości żelaza, jak też wapnia, magnezu i siarczanów. Obraz zmian hydrochemicznych na przykładach ujęcia w dolinie Odry [3], podczas 4 - letniego okresu eksploatacji, przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Zmiana warunków hydrogeochemicznych na ujęciu wód w dolinie rzecznej

Inny charakter posiadają zmiany jakości wody wywołane oddziaływaniem czynników zewnętrznych, przede wszystkim ścieków i odpadków, a także chemicznych środków ochrony roślin. Zanieczyszczenie wód podziemnych na obszarze pól ściekowych przemysłu ziemniaczanego, zlokalizowanych w dolinie Warty w pobliżu ujęcia infiltracyjnego (Poznań - Dębina), wyraża się następującymi wskaźnikami:

 - utlenialność 45 mg O2/l

 - azot ogólny 64 mg N/l

 - azot amonowy 53 mg N/l

 - fosforany        76 mg PO4/l

 - chlorki                 113 mg Cl/l

Nieznaczne ilości siarczanów w wodzie, rzędu 20 mg SO4/l, w stosunku do ich zawartości w ściekach, wskazują na proces redukcji siarczanów i wytrącanie się w postaci siarczków. Potwierdzeniem tego procesu jest obecność w piaskach wodonośnych dużych ilości czarnego monosiarczku żelaza. Oddziaływanie zanieczyszczonych wód podziemnych na infiltracyjne ujęcie wody, poprzez rzekę, przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Zmiany chemizmu wody na drodze przepływu: pole ściekowe - rzeka - ujęcie wody

Rzeka spełnia w tym przypadku rolę bariery ochronnej, poprzez rozcieńczenie wód zanieczyszczonych. Jednakże to zabezpieczenie nie jest całkowicie skuteczne. Ujmowana woda cechuje się bowiem podwyższoną utlenialnością - około 6 mg O2/l, kwasowością  -  0,5 mval/l oraz zawiera znaczne ilości związków azotu - ponad 5 mg N/l i fosforanów - około 2 mg PO4/l. Ponadto w warstwie wodonośnej stwierdzono obecność dużych ilości wytrąconego monosiarczku żelaza.

Katastrofalne zanieczyszczenie ujmowanych wód infiltracyjnych zaobserwowano w dolinie rzeki Warty, w rejonie wychodni wapieni malmu Jury Częstochowskiej. Szczelinowo - krasowy charakter wodonośca ułatwia migrację zanieczyszczeń, zarówno z rzeki jak też z powierzchni terenu. W początkowym okresie eksploatacji ujmowana woda cechowała się wysokimi walorami jakościowymi i nadawała się do bezpośredniej konsumpcji. Pogorszenie jakości wody podziemnej spowodowane zostało poprzez infiltrację z powierzchni terenu ścieków fenolowych, jak również poprze infiltrację zanieczyszczonej wody rzecznej. Porównawcze zestawienie cech chemicznych wody podziemnej zawiera tablica 4.

Tablica 4. Oddziaływanie ścieków fenolowych huty w Częstochowie na wody podziemne w utworach jurajskich

Wskaźniki chemiczne wody

Jednostki

Woda podziemna nie zanieczyszczona

Woda podziemna w strefie oddziaływania:

ścieków fenolowych

wody rzecznej

odczyn

PH

8,2

7,7 - 8,0

7,8 - 8,0

kwasowość

mval/l

0,1

0,1 - 0,6

0,1 - 0,4

fenole

mg/l

n.w.

0,04 - 4,4

0,004

cyjanki

mg CN/l

n.w.

0,01 - 0,13

0,0 - 0,01

azot og.

mg N/l

3,6

8,8 - 19,9

3,0 - 3,6

siarczany

mg SO4/l

6

60 - 100

30 - 70

fosforany

mg PO4/l

0,1

0,15

0,15 - 0,2

chlorki

mg Cl/l

3

55 - 120

19 - 23

żelazo og.

mg Fe/l

0,1

0,15

0,2

mangan

mg Mn/l

n.w.

0,7

0,0 - 0,5

fluor

mg F/l

n.w.

0,3 - 0,4

n.w.

Uwaga: n.w. - nie występuje

Obok wskaźników chemicznych, również analizy hydrobiologiczne wykazały poważne zanieczyszczenie wody podziemnej. W obszarze oddziaływania ścieków fenolowych zaobserwowano bowiem występowanie licznych organizmów. Najliczniejszą grupę stanowią bakterie nitkowate z rodzaju Sphaerotilus oraz bakterie z rodzaju Zooglea, ponadto dość licznie występujące pierwotniaki, zwłaszcza bezbarwne wiciowce. W środowisku skrasowiałyoh wapieni, w wodzie podziemnej bogatej w substancje pokarmowe: fosfor, azot, potas, siarka, węgiel w postaci fenolu, istnieją dogodne warunki do rozwoju i migracji bakterii ściekowych, a także wyższych form organicznych, jak algi i pierwotniaki. Zasięg występowania organizmów żywych w wodzie podziemnej pokrywa się z zasięgiem zanieczyszczenia chemicznego, stanowiącego substrat dla bakterii ściekowych, które z kolei stanowią źródło pożywienia dla wiciowców i wrotków, tworząc łańcuch pokarmowy. Zjawisko zanieczyszczenia wód podziemnych przez pestycydy stosowane na terenach upraw rolniczych, sadów i niektórych lasów nie zostało dotąd w pełni przebadane. Dotychczasowe badania wykazały sporadyczne występowanie w wodach podziemnych niektórych łatwiej rozpuszczalnych pestycydów z grupy węglowodorów chlorowanych, przede wszystkim lindanu, a także w pewnym stopniu DDT. Natomiast dość powszechnie występuje w wodach podziemnych nieznaczna ilość związków fenolowych (0,006 - 0,012 mg/l), których obecność wiąże się z oddziaływaniem pestycydów, a zwłaszcza herbicydów. Dla bliższego wyjaśnienia procesu migracji pestycydów, a zwłaszcza z wodą infiltrującą z powierzchni terenu, przeprowadzono badania na modelu gruntowym [rys. 5].

Rys.5. Urządzenie modelowe do badań nad przenikaniem zanieczyszczeń w profilu gruntowym

Do badań użyto w pierwszym doświadczeniu trzech insektycydów, a mianowicie: DDT, Methoxychlor DMDT i lindan -  gamma HCH, natomiast w drugim doświadczeniu preparat techniczny herbicydu - soli sodowej MCPA. W pierwszym doświadczeniu stwierdzono, że z trzech wybranych insektycydów jedynie lindan ulega rozpuszczeniu i przechodzi z infiltrującą wodą do warstwy wodonośnej. Natomiast DDT i Methoxychlor występują w filtracie sporadycznie i w niewielkich ilościach, zasadniczo nie ulegają one rozpuszczeniu i pozostają w powierzchniowej warstwie gleby. Przenikanie tych związków w głąb gleby, zwłaszcza Methoxychloru, należy tłumaczyć ich migracją w postaci zawiesiny.

W drugim doświadczeniu, gdzie zastosowano roztwór wodny herbicydu, stwierdzono obecność w infiltrującej wodzie związków fenolowych o stężeniu maksymalnym 0,18 mg/l i wartościami średnich 0,01 do 0,02 mg/l. Pochodzenie tych związków tłumaczy się zanieczyszczeniem preparatów technicznych fenolami. W doświadczeniu nie badano przenikania substancji czynnej herbicydu. Powyższe doświadczenie pozwala natomiast wyjaśnić występowanie związków fenolowych w wodach podziemnych na obszarach użytków rolnych, gdzie nie występują zanieczyszczenia przemysłowe, a stosuje się natomiast chemiczne środki ochrony roślin.

Literatura

1. T. Błaszyk, A. Pawuła, W. Ratajczak: Sprawozdanie z badań na ujęciu sztucznej wody gruntowej w Poznaniu "Dębina". Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1967.

2. T. Błaszyk, A. Pawuła: Badania nad ustaleniem stanu i przyczyn zanieczyszczenia chemicznego wód podziemnych w rejonie Częstochowy. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1971.

3. T. Błaszyk, A. Pawuła: Zasady ochrony ujęć wód podziemnych. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1971.

4. T. Błaszyk, A. Pawuła: Ocena warunków hydrogeochemicznych doliny Prosny w rejonie projektowanego ujęcia wody dla miasta Kalisza. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1972.

5. J. Jaskowski: Wpływ biocenozy na działanie stawów infiltracyjnych na przykładzie wodociągów w Poznaniu. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1969.

6. S. Spandowska: Rozprzestrzenienie się bakterii w wodach podziemnych na przykładzie wodociągu w Poznaniu. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1969.

______________________________________________

Powrót do strony www: http://main.amu.edu.pl/~pawula

Adres do korespondencji: pawula@main.amu.edu.pl