WARUNKI HYDROLOGICZNE I OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH WPN

Andrzej Pawuła, Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Instytut Geologii

Wielkopolski Park Narodowy - Problemy ochrony i kształtowania środowiska przyrodniczego. Pozn. Tow. Przyj. Nauk, Wydz. Mat -Przyrod.,  Prace monograficzne nad przyrodą WPN, Tom VI, ss. 61 - 67,  PWN, Warszawa - Poznań, 1988.

            Obszar Wielkopolskiego Parku Narodowego znajduje się na pograniczu trzech elewacyjnych systemów geohydraulicznych, ukształtowanych w obrębie wysoczyzn morenowych: poznańskiej, gnieźnieńskiej i leszczyńskiej. Ograniczenie tych systemów stanowią pradoliny: warszawsko - berlińska i toruńsko - eberswaldzka,  a także przełomowy odcinek doliny Warty między Mosiną i Obornikami. Doliny dużych rzek są obszarem drenażu wód podziemnych i to nie tylko ze struktur wieku  czwartorzędowego, lecz również z głębszych poziomów wodonośnych. W systemie krążenia wód podziemnych zaznaczają się więc główne kierunki przepływu regionalnego od kulminacji geohydraulicznych, występujących w rejonie wzgórz morenowveh, do doliny Warty i Obry. Na tle generalnego kierunku przepływu zaznaczają się również, zwłaszcza w poziomie czwartorzędu, przepływy lokalne uwarunkowane drenażem wód podziemnych przez jeziora i mniejsze cieki wodne (Koczorowska, Pasławski 1974, Pawuła 1975, Pawuła 1979). Identyfikacja systemów geohydraulicznych wiąże się ścisle z problemem bilansu wodnego małych zlewni, regionalnym systemem krążenia wód, bowiem może dopiero wyjaśnić występujące straty wody w obrębie tych zlewni. Ochrona wód podziemnych na obszarze Parku Narodowego, której celem jest utrzymanie stanu naturalnego środowiska, powinna uwzględniać równocześnie aspekty ilościowe i jakościowe zasobów wodnych, traktowanych jako element składowy ekosystemu. Rozwiązanie problemu ochrony środowiska wodnego wymaga więc wyjaśnienia, między innymi  takich zagadnień, jak:

 -     określenie warunków występowania wód podziemnych, czyli określenie struktur i poziomów wodonośnych oraz systemu krążenia wód;

-         określenie bilansu wód podziemnych  z uwzględnieniem zwiazków z wodami powierzchniowymi;

-         określenie składu chemicznego wód podziemnych oraz zagrożeń jakości wód ze strony powierzchniowych ognisk zanieczyszczenia;

-         zapewnienie warunków ochrony wymaga również określenia ewentualnych skutków i podjęcia decyzji o dopuszczalności działań gospodarczych w rejonie WPN.

            Głównymi kolektorami wód podziemnych na omawianym obszarze są struktury wodonośne wieku czwartorzędowego oraz serie piaszczyste wieku trzeciorzędowego. Wśród struktur czwartorzędowych największe znaczenie posiadają - Pradolina Warszawsko - Berlińska oraz dolina kopalna, tworzące wspólnie w tym rejonie tzw. basen mosiński. Pradolina na odcinku od Śremu do Mosiny posiada tutaj szerokość od 8 do 12 km, przy czym miąższość osadów piaszczystych przekracza 20 m. W rejonie Mosiny przypowierzchniowa struktura pradolinna kontaktuje się przez okna hydrogeologiczne z doliną kopalną, ciągnącą  się od Witkowa i Czerniejewa w kierunku Grodziska i Opalenicy, której miąższość również wynosi około 20 m. Rozpoznane zostały także dwie struktury typu sandrowego, pierwsza w zlewni Głuszynki, a druga w górnej części zlewni Samicy. Obie struktury, każda o powierzchni kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych, posiadają ograniczone znaczenie jako zbiorniki retencyjne wód, ze względu na niewielką miąższość, jednak duże znaczenie jako obszar o dogodnych warunkach do infiltracji wód opadowych. Ponadto na obszarze WPN i jego otuliny występuje struktura międzyglinowa, którą określa się jako sandr kopalny. Występuje ona na obszarze między Luboniem, Stęszewem, Kościanem i Śremem, pod cienkim płaszczem glin zwałowych i posiada miąższość około kilku metrów. Struktura ta jest rozcięta doliną Warty. Struktury wodonośne przedzielone są warstwami glin morenowych, które maja charakter utworów półprzepuszczalnych. Zdolnosć filtracyjna glin morenowych na obszarze Wielkopolski, wyrażona współczynnikiem k, została określona przez M. Żurawskiego (1966)  na 5,2x1O- 8 m/s.

            Serie piasków trzeciorzędowych, tworzące kolektor artezyjskiej  niecki wielkopolskiej, odizolowane są od struktur czwartorzędowych warstwą iłów poznańskich, o miąższości kilkudziesięciu metrów. Jak to wykazały przeprowadzone badania (Kaźmierczak-Wijura, Pawuła 1977), warstwa iłów poznańskich posiada również zdolność przepuszczania wody, przy czym współczynnik filtracji iłów określa się na 2x10-10 m/s. Już wcześniejsze badania hydrochemiczne (Pawuła 1975) wskazywały bowiem na istotne znaczenie ilastej "membrany półprzepuszczalnej" w regionalnym systemie krążenia i procesie kształtowania składu chemicznego wód podziemnych. Serie piasków mioceńskich i oligoceńskich przedzielone są osadami ilastymi i burowęglowymi. Miąższość osadów trzeciorzędowych wynosi około 100 m, jednakże w obrębie tektonicznego zapadliska, tzw. Rowu Poznania, miąższość  wzrasta do 250 -  300 m. Zwiększone miąższości dotyczą zarówno warstw piaszczystych, jak również warstw węgli brunatnych, co wskazuje na ciągłość procesu zapadania się podłoża.

            W obrębie utworów kenozoicznych można wyróżnić dwa poziomy wodonośne, trzeciorzędowy i czwartorzędowy, których powierzchnie piezometryczne określają kierunki przepływu regionalnego, a także lokalne kierunki przepływu w "mosińskim węzle hydrograficznym". Analiza tych powierzchni wykazuje, że na obszarze wysoczyznowym wartości cisnień hydrostatycznych poziomu czwartorzędowego są wyższe niż w poziomie trzeciorzędowym, co wskazuje na descensyjny charakter przesączania wody między poziomami. Na obszarze pradolin występuje układ odwrotny, wskazujący na ascensje wód podziemnych i głęboki drenaż poziomów wodonośnych przez duże rzeki. W ukształtowaniu powierzchni piezometrycznej poziomu czwartorzędowego zaznaczają się zlewnie cząstkowe dopływów Warty i Kanału Mosińskiego, a mianowicie: Samicy, Rowu Strykowskiego, Wirynki, Olszynki, Kanału Szymanowskiego i Kopli z Głuszynką.

            Badania modelowe regionu hydrogeologicznego prowadzone w Instytucie Kształtowania Środowiska w Poznaniu (Kaźmierczak - Wijura, Pawuła 1977b) pozwoliły na kompleksową charakterystykę dynamiki przepływu oraz przestrzenną analizę bilansu wód podziemnych (Pawuła 1979). Formułą bilansu wód podziemnych jest układ równań odpowiadający liczbie poziomów wodonośnych. Dla systemu dwupoziomowego układ równań bilansowych przedstawia się następujaco:

Ie + Ib + P1 = Hg + P2 + E1

P2 = P1 + E2 + Hr

gdzie Ie  - infiltracja efektywna wód opadowych, Ib - infiltracja brzegowa wód powierzchniowych, P1  -przesączenie pionowe (ascensja), P2  -  przesączanie pionowe (descencja), Hg  - dopływ gruntowy do rzek, E1 -eksploatacja wód z poziomu czwartorzędowego, E2 - eksploatacja wód z poziomu trzeciorzędowego, Hr -  odpływ regionalny.

            Przy założeniu podziału obszaru na zlewnie czastkowe powyższe równania są rozszerzone i mają charakter otwarty, muszą bowiem uwzględniać przepływy przez granice zlewni. Zasadniczym elementem bilansu jest infiltracja wód opadowych Ie decydująca o zasilaniu poziomu czwartorzędnego. Efektywna infiltracja do pierwszego poziomu wodonośnego, uwzględniająca straty wód opadowych spowodowane ewapotranspiracją, określona przez analogię i sprawdzona metoda modelowania, odpowiada wskaźnikowi infiltracji dla glin z przedziału 0,05 - 0,07 i wynosi na badanym obszarze od 30 do 40 mm/rok. Infiltracja wód opadowych na obszarze pradoliny jest wyższa, jednakże posiada ona tylko znaczenie lokalne. Również infiltracja brzegowa Ib występuje tylko lokalnie w strefie oddziaływania ujęcia wody, na odcinku od Mosiny do Krajkowa.

            Generalnie na obszarze Wielkopolskiego Parku Narodowego i planowanej jego otuliny, to znaczy na terenie ponad tysiąca kilometrów kwadratowych infiltrację efektywną, czyli zasoby odnawianie wód podziemnych, oblicza się na około 110 tys. m3/d. Po stronie strat najbardziej liczącym się elementem jest odpływ wód podziemnych do rzek. Drenaż wód podziemnych przez  rzeki określa się w przybliżeniu na 63 tys. m3/d, co stanowi 57% zasobów odnawialnych. Drugim co do wielkości elementem po stronie strat jest eksploatacja wód podziemnych E1, która wynosi w przybliżeniu 64 tys. m3/d. W tej wielkości mieści się jednak ponad 20 tys. m3/d wód infiltrowanych z Warty - Ib, ponadto większość wód eksploatowanych pochodzi z infiltracji wód opadowych Ie  na obszarze pradoliny. Tak duży udział eksploatacji w bilansie wodnym wynika z istnienia komunalnego ujęcia wody "Mosina - Krajkowo", stanowiącego źródło zaopatrzenia w wodę dla miasta Poznania. Z zasobów wód podziemnych zaopatrywane są także miasta: Mosina, Stęszew, Czempiń, Kórnik i Puszczykowo oraz liczne wsie i gospodarstwa rolne. Eksploatacja wód podziemnych odbywa się przede wszystkim z poziomu czwartorzędowego.

            W ogólnym bilansie udział wód zasilajacych poziom trzeciorzędowy P2 obliczono na 7,2 tys. m3/d, co stanowi tylko 6,5% odnawialnych zasobów wód podziemnych na omawianym obszarze. Zjawisko descencji występujace, jak to już podano, przede wszystkim w rejonie elewacji terenowych, w górnych częściach małych zlewni. W obszarze dolin rzecznych, gdzie występuje inwersja piezometryczna i ascensja wód, wielkość przesączania P1 oblicza się na 4,7 tys. m8/d. W skali całego obszaru występuje więc strata na rzecz zasilania poziomu trzeciorzędowego (odpływ regionalny) w wysokości 2,5 tys. m3/d. Aktualna eksploatacja wód z poziomu trzeciorzędowego jest niewielka, między innymi z powodu ich strefowego zabarwienia i zasolenia. Eksploatacja wód podziemnych koliduje z zasadami ochrony naturalnego środowiska parków narodowych, jednakże w przypadku Wielkopolskiego Parku eksploatacja tych wód jest zaakceptowana, jest bowiem  konsekwencją planu rozszerzenia Parku i jego otuliny na teren ujęcia wody i teren gospodarstw rolnych. Obserwacje terenowe, a także wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że eksploatacja zasobów wód podziemnych w dotychczasowej skali nie zagraża środowisku przyrodniczemu. Rozbudowa ujęć wody winna być jednak zahamowana z wyjątkiem ujęć infiltracyjnych w dolinie Warty. Trudny i wymagający rozwiązania problem stanowi natomiast zaopatrzenie w wodę miasta Stęszewa. Przestrzenna analiza bilansu wód podziemnych w obrębie małych zlewni wraz ze szczegółową charakterystyką systemu cyrkulacji wód  przedstawiona została w opracowaniu studialnym (Pawuła 1979).

            Chemizm wód podziemnych, wyrażający się składem i stężeniem rozpuszczalnych substancji mineralnych, uwarunkowany jest szeregiem czynników środowiskowych, takich jak: biochemiczny rozkład substancji organicznej występującej w skałach osadowych, wymiana jonowa między wodą a skałą i ultrafiltracja wody przez utwory półprzepuszczalne. O jakości wód podziemnych mogą również decydować czynniki zewnętrzne, czy to w postaci infiltracji wód zanieczyszczonych z powierzchni terenu, czy też w formie ascensji wód słonych z głębszego podłoża. Badania hydrochemiczne wód podziemnych środkowej Wielkopolski (Pawuła 1975) wykazały pewne prawidłowości w zakresie kształtowania się składu mineralnego i strefowości zasolenia i zabarwienia. W strukturach przypowierzchniowych  - dolinnych i sandrowych - obserwuje się dużą zmienność cech jakościowych. Najczęściej są to wody o składzie wielojonowym typu    HCO3 - SO4 - Cl - Ca oraz HCO3 - SO4 - Cl - Ca - Mg - Na,  świadczące zarówno o intensywności procesów biochemicznych SO4, jak również o oddziaływaniu zanieczyszczeń z powierzchni terenu (Na - Cl). Dodatkową, ujemną cechą tych wód jest również zwiększenie stężenia związków żelaza i manganu. Ogólna mineralizacja kształtuje się w szerokich granicach od 300 do 1500 mg/dm3. Lokalnie tylko, w środowisku czystych piasków dolinnych występują wody o niskiej mineralizacji dwu- lub trzyjonowe, typu     HC03 - Ca - Mg. Wody o składzie HCO3 - Ca - Mg są natomiast charakterystyczne dla doliny kopalnej, na całym jej przebiegu. Wody podziemne struktury kopalnej cechują się niską zawartością chlorków od 2 do 60 mg/dm3 oraz siarczanów od 0 do 60 mg/dm3. Zawartość głównych składników mineralnych  - kwaśnych węglanów oraz jonów wapnia i magnezu  -  wynosi natomiast łacznie od 300 do 700 mg/dm3. Wysokie walory jakościowe tych wód wynikają z naturalnej ochrony, jaka stanowi gruba warstwa gliny oddzielająca strukturę wodonośna od powierzchni terenu, która również pełni funkcję wymiennika jonowego w procesie ultrafiltracji wód zasilających strukturę. Pewne anomalie jakościowe występują jedynie w rejonie okien hydrogeologicznych w dolinie Warty, gdzie istnieje bezpośredni kontakt hydrauliczny ze strukturą dolinną.

            W poziomie wodonośnym  serii trzeciorzędowych stwierdzona została strefowość hydrochemiczna, której geneza wiąże się z regionalnym systemem przepływu, złożami węgla brunatnego i dyslokacjami tektonicznymi podłoża mezozoicznego. W strefie zasilania, gdzie dominuje zjawisko descensji, występuja wody o niskiej mineralizacji 0,2-0,7 g/dm3 i prostym składzie chemicznym, typu HC03 - Ca lub HCO3 - Ca - Mg. W strefie pośredniej między obszarem zasilania a obszarem drenażu występują wody typu HCO3 - Na - Ca - Mg oraz HCO3 - Na - Ca i HCO3 - Na, o podobnym stopniu mineralizacji. W rejonie "węzła mosińskiego",  gdzie nakładają się dwa czynniki, głęboki drenaż, a więc zjawisko ascensji, oraz poznański rów tektoniczny, występuje strefa akratopegów, wód słonawych o mineralizacji 0,7 - 1,5 g/dm3, typu Cl - HCO3 - Na - Ca - Mg. Wskaznik rNa/rCl ma wartość  zbliżoną do 1, co wskazuje na haliczną genezę mineralizacji. Istotną cechą wód właśnie tej strefy jest tzw. "wysoka" barwa. Zabarwienie nadają wodzie substancje humusowe, które są kompleksem złożonych związków organicznych, takich jak kwasy - huminowe, ulminowe, fulwowe i hymatomelanowe. Pochodzenie zabarwienia wiąże się z procesem biochemicznych  przemian substancji organicznej i tworzeniem się złóż węgli brunatnych. Jest zjawiskiem charakterystycznym, że silne zabarwienie wód wiąże się ze strefą głębokiego drenażu. Produkty humifikacji migrujące z wodą w poziomie trzeciorzędowym gromadzą się w strefie drenażu, gdzie ascensja wód przez utwory ilaste powoduje odfiltrowanie koloidalnych cząsteczek humusowych i ich koncentrację na membranie półprzepuszczalnej.

            Ochrona wód podziemnych przed zanieczyszczeniem wymaga zabezpieczenia przede wszystkim przypowierzchniowych struktur wodonośnych, zagrożonych bezpośrednio możliwością dopływu zanieczyszczeń chemicznych ze ścieków przemysłowych, komunalnych, a także z terenów rolniczych. Ostatnio zwiększa się również zagrożenie ze strony wód powierzchniowych, infiltracyjnych, z rzeki. Przeprowadzone badania wykazują bowiem pojawienie się w rzekach takich zanieczyszczeń chemicznych, jak na przykład: detergenty i węglowodory aromatyczne, które są związkami rakotwórczymi. Zanieczyszczenia te migrują z wodą podziemną i w małym tylko stopniu ulegają biodegradacji (Błażejewski i in. 1977, Pawuła, Błaszyk 1980). Problem ten nie dotyczy WPN, lecz ujęć infiltracyjnych w dolinie Warty oraz jednej z koncepcji perspektywicznego zaopatrzenia w wodę miasta Poznania.

LITERATURA

Błaszyk T., Pawuła A., 1971: Studia nad ochroną jakości i zasobów  wód podziemnych ujęcia dla miasta Poznania w Mosinie, Praca nauk.-bad. IGK Poznań.

Błażejewski M., Kęcki W.., Jaskowski J., Wójcicka J., 1977: Badania nad infiltracją jako elementem składowym procesu uzdatniania wody, Praca nauk.-bad. IKŚ, Poznań.

Kaźmierczak-Wijura Z., Pawuła A., 1977a: Warunki występowania wód podziemnych środkowej Wielkopolski, Praca nauk.-bad. IKŚ, Poznań.

Kaźmierczak - Wijura Z., Pawuła A., 1977b Koncepcja optymalnego zagospodarowania zasobów wód podziemnych województwa poznańskiego, z zastosowaniem metody modelowania cyfrowego, Praca nauk. - bad. IKŚ, Poznań.

Koczorowska J., Pasławski Z., 1974: Odpływ podziemny do rzek na obszarze dorzecza Warty. Przegląd Geofizyczny, Nr 1. s. 1 - 29.

Pawuła A., 1975: Chemizm wód podziemnych kenozoiku środkowej Wielkopolski, Praca doktorska, AGH Kraków.

Pawuła A., 1979: Analiza przepływu wód podziemnych w aspekcie wydzielenia małych zlewni, Studia problemowe i wytyczne do planu zagospodarowania przestrzennego WPN, Ekspertyza PZITB-TUP, Warszawa.

Pawuła A., Błaszyk T., 1980: Kryteria wyboru źródeł zasilania systemów wodociągowych, Biuletyn CTK, Nr 1, Warszawa.

Żurawski M., 1966: Próba wydzielenia typów infiltracyjnych Niziny Wielkopolskiej, Prace Komisji Geograficzno-Geologicznej PTPN, Wydz. Mat.-Przyr., T. 6, z. 1, Poznań. 

 

HYDROLOGICAL CONDITIONS AND PROTECTION 0F UNDERGROUND WATERS IN THE WIELKOPOLSKI NATIONAL PARK

Summary

The work discusses the conditions of underground water occurrence on the area of Wielkopolski National Park. On the basis et hydrochemical investigations and studies of the geohydraulic systern, dangers and the qualitative state of the underground waters and selected parameters of water balance in small catchment areas have been characterized. Factors endangering the purity of underground waters and limitations in the utilization of the water resources on the Park area and its immediate surrounding areas have been presented. The danger from the side of the planned exploitation of brown coal resources in the co called Poznań  Ditch has been particularly stressed.