OCHRONA KOMUNALNYCH UJĘĆ WÓD PODZIEMNYCH

DER SCHUTZ DER KOMMUNALEN GRUNDWASSERGEWINNUNGSANLAGEN

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.85 - 93

Streszczenie

Pojawienie się nowych form zanieczyszczenia środowiska przyrodniczego, szczególnie zanieczyszczeń chemicznych, spowodowało poważny wzrost zagrożenia jakości ujmowanych wód podziemnych. Dotychczasowe kryteria ochrony jakości wód odnoszą się w zasadzie do zagrożeń bakteryjnych i nie są w obecnych warunkach wystarczające. Postęp pracy w zakresie badań nad formami zanieczyszczenia i warunkami ochrony ujęć wód podziemnych pozwala na zaktualizowanie kryteriów ochrony i opracowanie wytycznych projektowania stref ochronnych. Autorzy postawili wniosek, aby określenie strefy wiązało się z zakresem ochrony. Unika się w ten sposób dowolności w interpretacji funkcji danej strefy ochronnej, jak to ma miejsce w przypadku dotychczasowych wytycznych.

Postuluje się więc wyznaczenie na podstawie ściśle określonych kryteriów strefy ochrony biologicznej i strefy ochrony chemicznej, a także ustalenie strefy ochrony zasobowej. W artykule przedstawiono wyniki badań istotnych dla ustalenia kryteriów ochrony ujęć wód podziemnych oraz uwagi metodyczne o wyznaczaniu stref ochronnych.

Zusammenfassung

Die Erscheinung der neuen Formen der Umweltverschmutzung besonders die chemische Verschmutzung verursacht den Anstieg der Qualitätsgefährdung des gewonnenen Wassers. Die bisherigen Kriterien des Wasserqualitätsschutzes beziehen sich im Prinzip auf die Bakteriengefährdung und sind unter heutigen Bedingungen nicht ausreichend. Der Fortscchritt der Arbeit auf dem Gebiet der Forschung der Verschmutzungsformen und Bedingungen des Schutzes der Grundwassergewinnungsanlagen ermöglicht die Neubearbeitung der Schutzkriterien und die Ausarbeitung der Richtlinien für die Projektierung der Schutzzonen. Die Verfasser haben der Antrag gestellt, dass die Zonnenbestimmung eng mit dem Bereich des Schutzen verbunden sein sollte. Auf dieses Weiss kann man die Beliebigkeit der Interpretation der Funktion der gegebenen Schutzzone vermeiden. Die biheringen Richtlinien lassen eine beliebige Interpretation zu.

Man schlägt vor, aufgrund exakt bestimmter Kriterien die biologische und chemische Schutzzone zu bestimmen sowie die Vorratsschutzzone festzulegen. Im Artikel wurden Forschungsergebnisse, die für die Festlegung der Kriterien für den Schutz der Grundwassergewinnungsanlagen massgebend sind sowie metdodische Bemerkungen betreffs der Schutzzonenbestimmung dargestellt.

* * *

Zagadnienie ochrony ujęć wód podziemnych dla ludności miast i wsi, jest istotnym elementem ogólnego problemu ochrony środowiska człowieka. Celem ochrony jest w pierwszym rzędzie utrzymanie czystości i przydatności wód do konsumpcji, przy równoczesnym zachowaniu racjonalnej gospodarki zasobami wodnymi. Istnieje przy tym ścisła współzależność między ochroną jakości i ochrona zasobów wód, gdyż zanieczyszczenie prowadzi do dyskwalifikacji ujęcia jako źródła zaopatrzenia ludności w wodę i tym samym ogranicza dyspozycyjne zasoby wodne.

W związku z pojawieniem się nowych form zanieczyszczenia środowiska, zwłaszcza zanieczyszczeń chemicznych, konieczne jest zaktualizowanie kryteriów ochrony ujęć wód podziemnych i opracowanie nowych wytycznych projektowania stref ochronnych. Istniejące bowiem normatywy i wytyczne [4] oparte są przede wszystkim na kryteriach bakteriologicznych i tylko w sposób ogólny uwzględniają warunki hydrogeologiczne, nie uwzględniają natomiast warunków ochrony przed zanieczyszczeniami chemicznymi i ochrony zasobów wód podziemnych.

Pewien postęp w rozpoznaniu procesu zanieczyszczenia wód i migracji zanieczyszczeń w różnych środowiskach hydrogeologicznych, jak również w przygotowaniu metodycznych podstaw wyznaczania stref ochronnych uzyskano w pracach Instytutu Gospodarki Komunalnej [1], [2], [3].

Z badań tych wynika, że w problematyce ochrony ujęć należy uwzględnić takie elementy, jak: obszar i źródła zasilania ujęć wody, gospodarcze użytkowanie terenu i stopień zagrożenia jakości wody w obszarze zasilania oraz warunki filtracji podziemnej i związane z nimi zmiany jakości wody.

Zakres ochrony ujęć wód podziemnych winien obejmować ustalenie stref i warunków ochrony przed zanieczyszczeniami biologicznymi, chemicznymi oraz warunki ochrony zasobowej. Konsekwentnie do przyjętych kryteriów ochrony autorzy zaproponowali [1], w miejsce dotychczasowego podziału strefy ochronnej ujęcia na teren ochrony bezpośredniej i ochrony pośredniej [4], wprowadzenie terminów: strefa ochrony biologicznej, strefa ochrony chemicznej oraz strefa ochrony zasobowej.

Warunkiem ochrony biologicznej ujęcia wody jest zapewnienie samooczyszczania się wody zanieczyszczonej mikroorganizmami w drodze filtracji, względnie niedopuszczenie do gromadzenia się w wodzie substancji pokarmowych sprzyjających rozwojowi mikroorganizmów. Przy analizowaniu rozprzestrzenienia się mikroorganizmów w gruncie należy uwzględnić całkowicie różny wpływ warunków strefy aeracji oraz strefy saturacji na ich żywotność. Głębokość przenikania mikroorganizmów z powierzchni terenu zależy od rodzaju mikroorganizmów, biocenozy gleby oraz przepuszczalności gruntu. Zasadniczą barierą dla mikroorganizmów przenikających z infiltrującą wodą stanowi powierzchniowa warstwa gruntu. W praktyce można przyjmować, że zasięg przenikania bakterii typu Coli:

Przeżywalność bakterii Coli w gruncie suchym lub wilgotnym waha się, w zależności od biocenozy, w granicach od 175 do 1 000 dni. Okres przeżywalności bakterii jelitowych oraz ich bakteriofagów w warstwie wodonośnej wynosi około 30 dni, natomiast zasięg przenikania zależny jest od prędkości filtracji wody. Do obliczenia drogi samooczyszczenia mikrobiologicznego (Ls), odpowiadającej okresowi samooczyszczenia mikrobiologicznego (ts), można stosować wzór, wyprowadzony z ogólnego równania na drogę:

Ls = ((k  H  ts a ) / n)0,5

gdzie: k  -  współczynnik filtracji (m/d),

H  - różnica ciśnień (m),

ts - okres żywotności mikroorganizmów jelitowych w warstwie wodonośnej (około 30 dni),

a  -  współczynnik przenikania mikroorganizmów w stosunku do prędkości rzeczywistej filtracji wody rednio 0,66) 

n  -  porowatość efektywna lub odsączalność.

Powyższe uwagi nie odnoszą się do bakterii heterotroficznych, psychrofilnych i innych mikroorganizmów, których obecność w warstwie wodonośnej nie zależy od zdolności przenikania i czasy żywotności.

W warunkach otwartych struktur hydrogeologicznych, zwłaszcza typu szczelinowo - krasowego, w których wody podziemne zostały zanieczyszczone związkami chemicznymi, zawierającymi składniki pokarmowe dla bakterii, mogą rozwijać się bakterie ściekowe, a więc bakterie nitkowate z rodzaju Sphaerotilus oraz bakterie z rodzaju Zooglea, a także algi i pierwotniaki. Tworzy się przy tym łańcuch pokarmowy. W tej sytuacji problem ochrony biologicznej łączy się ściśle z ochroną chemiczną wód podziemnych.

Strefa ochrony biologicznej winna być terenem zamkniętym, pozbawionym wszelkich ognisk zanieczyszczenia. W sytuacji, gdy istnieją obawy przenikania mikroorganizmów typu jelitowego do warstwy wodonośnej, kontur strefy ochrony biologicznej należy wyznaczyć w oparciu o wyżej podany wzór. Jeżeli nadkład warstwy wodonośnej gwarantuje ochronę biologiczną, strefę należy jednak wyznaczyć dla ochrony urządzeń do poboru wody w odległości 8 do 20 m, zgodnie z obowiązującymi wytycznymi.

W przypadku ograniczonej możliwości wyznaczania strefy ochrony biologicznej lub pośredniego zagrożenia ujęcia wody można stosować dodatkowo techniczne środki ochrony, na przykład uszczelnienie warstwy wodonośnej oraz chlorowanie lub ozonowanie wody.

Warunkiem ochrony chemicznej ujęcia wody jest wykluczenie z obszaru zasilania ogniska zanieczyszczającego i zanieczyszczonych wód, a także zapewnienie stabilizacji warunków geochemicznych w celu przeciwdziałania wzrostowi mineralizacji wody podczas filtracji. Zanieczyszczenie chemiczne wód podziemnych wywołane czynnikami wewnętrznymi może wynikać:

W warunkach przepływu podziemnego może następować wzrost mineralizacji wody, spowodowany lokalnymi warunkami geochemicznymi. Związki mineralne mogą być ługowane przez kwaśne produkty rozkładu substancji organicznej, zwłaszcza z osadów mułkowo - ilastych. Wysoką mineralizację wód należy uważać za zanieczyszczenie wód w warunkach naturalnych.

Na proces samooczyszczenia chemicznego składają się: rozcieńczenie zanieczyszczonej wody podziemnej przez infiltrujące wody opadowe, wytrącanie i sedymentacja związków chemicznych, adsorpcja i wymiana jonów oraz rozkład mikrobiologiczny.

Zasięg rozprzestrzenienia się zanieczyszczeń chemicznych jest zróżnicowany i zależy od warunków filtracji, rodzaju zanieczyszczeń oraz od czasu oddziaływania ognisk zanieczyszczenia, a także od wyżej wymienionych procesów samooczyszczania.

Droga migracji zanieczyszczeń chemicznych może się więc wahać w dużym zakresie i przy braku indywidualnego określenia rozprzestrzenienia się zanieczyszczenia należy utożsamiać zasięg związków chemicznych z drogą przepływu wód podziemnych. Prędkość migracji zanieczyszczeń chemicznych w warstwie wodonośnej nie zależy od zdolności pochłaniania przez ośrodek porowaty i jest równa prędkości wody. Strefa ochrony chemicznej winna obejmować w zasadzie cały obszar zasilania ujęcia wody. Jednak w zależności od naturalnych warunków ochrony warstwy wodonośnej oraz w przypadku pośredniego lub przypadkowego zanieczyszczenia wód podziemnych w obszarze zasilania, kontur strefy ochrony chemicznej można zmniejszyć. Ze względów praktycznych można ze strefy ochrony chemicznej wyłączyć marginalną część obszaru zasilania, na przykład teren wysoczyzny morenowej w przypadku ujęcia wody w strukturze pradolinnej lub części obszaru zasilania o grubej i ciągłej warstwie izolującej wody podziemne od czynników powierzchniowych. W sytuacji, gdy w obszarze zasilania znajduje się obiekt mogący stanowić ognisko przypadkowego zanieczyszczenia, a którego nie można usunąć, wskazane jest zmniejszenie rozmiarów strefy ochrony chemicznej i zastosowanie systemu alarmowego. Należy przy tym spełnić warunek aby ognisko potencjalnego zanieczyszczenia znajdowało się na zewnątrz strefy ochrony chemicznej.

System alarmu polegać winien na założeniu stanowisk obserwacyjnych, sygnalizujących pojawienie się zanieczyszczenia w wodzie podziemnej. Usytuowanie otworów obserwacyjnych winno być podyktowane wystarczająco długim czasem przepływu wód podziemnych od otworów obserwacyjnych do ujęcia (powyżej 1 roku), aby można było podjąć praktyczne środki nad zlikwidowaniem ogniska zanieczyszczenia i zanieczyszczonych wód podziemnych (usunięcie zanieczyszczonego gruntu, okresowy drenaż zanieczyszczonych wód, itp). Stosowanie technicznych środków zabezpieczających jest nieskuteczne w przypadku występowania silnego i stałego zanieczyszczenia wód podziemnych w obszarze zasilania ujęcia. Bowiem stały drenaż zanieczyszczonej wody podziemnej, niezależnie od strat ekonomicznych, powoduje zmniejszenie dopływu wód do ujęcia, natomiast wysokie stężenie zanieczyszczeń chemicznych i związanych z nimi mikroorganizmów powoduje poważne trudności przy ujmowaniu i uzdatnianiu wody. Konsekwencją silnego zanieczyszczenia chemicznego wód podziemnych, dopływających do ujęcia, jest likwidacja ujęcia. Nowe ujęcie wody winno być wówczas usytuowane poza strefą oddziaływania ogniska zanieczyszczenia. Zanieczyszczenie wód podziemnych w całej strukturze hydrogeologicznej może spowodować poważne trudności w wyborze nowej lokalizacji ujęcia i tym samym w zaopatrzeniu miasta w wodę. W tej sytuacji rozwiązanie problemu należy szukać w technologii uzdatniania zanieczyszczonej wody, zakładaniu ujęć opartych na sztucznej infiltracji nie zanieczyszczonej wody powierzchniowej (chemicznie) lub poszukiwaniu innych struktur wodonośnych.

Ochrona zasobów ujęcia wody winna polegać na zabezpieczeniu źródła zasilania. W odniesieniu do ujęć sztucznej wody gruntowej ochrona polega na zagwarantowaniu technicznej możliwości poboru wody z rzeki oraz ustaleniu właściwych warunków infiltracji. W przypadku typowych ujęć podziemnych ochrona sprowadza się do zakazu eksploatacji konkurencyjnych ujęć, zlokalizowanych w obszarze zasilania chronionego ujęcia. Jeżeli w obszarze zasilania ujęcia znajduje się rzeka, która mogłaby zrównoważyć wzrost eksploatacji wody podziemnej, granicę ochrony zasobowej można wyznaczyć na rzece.

Przy wyznaczaniu konturu strefy ochrony zasobowej należy uwzględnić wpływ czynników hydrologiczno - meteorologicznych, decydujących o zasilaniu wód podziemnych, oraz czynniki hydrogeologiczne, jak rozprzestrzenienie warstwy wodonośnej, parametry filtracji i kształtowanie się gradientów hydraulicznych oraz granice obszaru zasilania. Dla ustalenia kierunków i wielkości zasilania ujęcia konieczne jest - w oparciu o zdjęcie hydrogeologiczne -  rozpoznanie i modelowanie warunków hydrodynamicznych. Wybór metod obliczeniowych zależy od stopnia złożoności struktury hydrogeologicznej, systemu zasilania i wielkości ujęcia.

Postawą do określenia warunków hydrodynamicznych są badania terenowe oraz obliczenia analityczne i badania modelowe. W badaniach najbardziej przydatne są metody modelowania analogowego i matematycznego.

Literatura

1. T. Błaszyk, A. Pawuła: Zasady ochrony ujęć wód podziemnych. Praca naukowo - badawcza IGK - Poznań, 1971 (w druku).

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

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

4. Zarządzenie Prezesa Centralnego Urzędu Gospodarki Wodnej z 7 lutego 1969, w sprawie zasięgu i wyznaczania granic terenów strefy ochronnej ujęć i źródeł wody.


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

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