ZASOLENIE WÓD A PROBLEM ZAOPATRZENIA W WODĘ WCZASOWYCH MIEJSCOWOŚCI NADMORSKICH

Andrzej Pawuła, Instytut Kształtowania Środowiska

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Politechnika Szczecińska - Materiały Konferencji Naukowo - Technicznej pt. "Gospodarka wodno - ściekowa wybrzeża morskiego w aspekcie zagospodarowania przestrzennego regionu i ochrony wód Bałtyku przed zanieczyszczeniem"  -  Tom I, ss.182 - 194, Szczecin, 1975.

W gospodarce wodnej odróżnia się, nieraz w sposób bardzo wyraźny, dziedzinę wód powierzchniowych od wód podziemnych, skupiając się nieraz wyłącznie na problematyce wód powierzchniowych. Z punktu widzenia techniki ujęć wody podział taki jest całkowicie uzasadniony, natomiast w aspekcie zagospodarowania zasobów i ochrony wód obie dziedziny winny być równoważne, a w miejsce uwypuklania różnic winna być podkreślana ich jedność.

Podstawą do podkreślenia jedności wód podziemnych i powierzchniowych są związki hydrauliczne między nimi i potrzeba optymalnego wykorzystania istniejących zasobów naturalnych, a także ich efektywna ochrona. Analiza hydrodynamiczna wykazuje bowiem nie tylko aktywną wymianę wód w strefie przypowierzchniowej, lecz także między głębszymi poziomami wodonośnymi. W warunkach geologicznych Niżu Polskiego strefa aktywna przekracza głębokość 200 m, czyli obejmuje w zasadzie wszystkie użytkowe poziomy wodonośne. Filtracja wód odbywa się przy tym nie tylko w skałach wodonośnych, tj. w skałach o współczynniku filtracji k>10 - 3 cm/s, w skali regionalne wymierną rolę w przewodności wodnej spełniają również skały półprzepuszczalne, jak gliny i namuły, a także iły uważane na ogół za nieprzepuszczalne. Ponieważ, ogólnie biorąc, w strefie hipergenezy nie występują skały absolutnie nieprzepuszczalne oczywiste jest, że kierunki filtracji zależą od różnicy ciśnień, a czas filtracji jest funkcją przepuszczalności skał.

Problem związków między wodami powierzchniowymi i podziemnymi jest szczególnie istotny w obszarze nadmorskim, gdzie istnieją potencjalne warunki infiltracji słonych wód powierzchniowych. Warunki geologiczne wybrzeża szczecińskiego stwarzają jeszcze dodatkowe zagrożenie w postaci eksfiltracji wód słonych z głębszego podłoża, których geneza wiąże się z zasoleniem reliktowym lub żywymi procesami ługowania struktur solnych w strefach dyslokacji tektonicznych.

Zasolenie Bałtyku wynosi średnio 8 o/oo, przy czym dominujący udział mają jony chlorkowe i sodowe. Przykładem składu chemicznego wody morskiej penetrującej wybrzeże jest skład jonowy morskiej okresowo spiętrzającej wody Kanału Piastowskiego w Świnoujściu, analizowany w laboratorium I.K.Ś. [3].

Kationy

mg/dm3

Aniony

mg/dm3

Na+

1900

Cl-  

3610

K+

52

SO42- 

562

Mg2+

253

HCO3-

98

Ca2+

107

CO32-

60

S K

2312

S A

4330

Współczynnik chlorkowy w analizowanej wodzie jest typowy dla Morza Bałtyckiego, dla którego Zarins I Ozolin [1] podali następującą zależność:

M o/oo = 1,8050 x Cl o/oo + 0,115; gdzie: M - ogólna mineralizacja w promilach

Wiadomo, że chlorki cechują się wysokim stopniem dysocjacji, w warunkach filtracji gruntowej nie ulęgają więc procesom sorpcji, a wykazują natomiast wybitną zdolność migracji. Woda słona rozprzestrzenia się zatem nie tylko przez skały dobrze przepuszczalne, a także jak wspomniano wyżej, przez gliny, namuły i iły, zgodnie z lokalnym układem hydraulicznym.

Podstawową zasadą bezpiecznej eksploatacji wód podziemnych w strefie nadmorskiej jest więc zachowanie minimalnego przepływu wody podziemnej do morza lub utrzymanie równowagi hydraulicznej pomiędzy poziomem wody podziemnej a poziomem morza. Innymi słowy, powierzchnia piezometryczna wód podziemnych może być obniżona w linii brzegowej jedynie do poziomu morza, naruszenie równowagi grozi bowiem intruzją wody słonej do warstwy wodonośnej.

Na wybrzeżu szczecińskim użytkowe poziomy wodonośne stanowią piaski czwartorzędowe i wapienie mezozoiku. Zasolenie wód podziemnych lub stopień zagrożenia jest zależny od lokalnych warunków reżimu hydrogeologicznego. Wskaźnikiem zasolenia wody podziemnej jest zawartość chlorków.

Piętro geologiczne

Miejscowość

Zawartość chlorków [mg Cl'/dm3]

Czwartorzęd

Mrzeżyno

1300 - 3000

lokalnie w spągu <200

Kreda

Niechorze

750

Na wybrzeżu szczecińskim można wydzielić 5 typów reżimów hydrogeologicznych:

Równiny nadmorskie są formami holoceńskimi o budowie piaszczystej. Powierzchnia jest urozmaicona niewielkimi formami wydmowymi i w znacznej części zatorfiona (np. obszar między Trzebiatowem a Mrzeżynem). Mała różnica ciśnień między poziomem wód podziemnych a poziomem morza nie zabezpiecza wód podziemnych na obszarze równiny, przed intruzją wody morskiej lub powierzchniowym zalaniem w warunkach sztormowych. [rys.1].

Rys. 1. Reżim hydrogeologiczny równin nadmorskich

Budowa studni i eksploatacja wód przyczyniają się dodatkowo do zwiększenia zasięgu penetracji wód słonych do spągu utworów czwartorzędowych, a niekiedy także do utworów mezozoicznych. Hipoteza ta wyjaśnia zjawisko znacznego zasolenia wód w warstwie przypowierzchniowej (2 - 3 g/dm3) i stopniowego spadku zasolenia wraz z głębokością.

Mierzeje wydmowe różnią się od formy poprzedniej, przede wszystkim większym wyniesieniem powierzchni terenu, są to także formy mniejsze. Ukształtowanie naturalnej powierzchni piezometrycznej wód podziemnych jest, w warunkach mierzei,  wypadkową wielkości infiltracji subaeralnej [I] i przepuszczalności piasków wydmowych. Bezpieczna eksploatacja wód podziemnych uwarunkowana jest zachowaniem szczątkowego odpływu wód słodkich w kierunku morza, który to odpływ zaznacza się pośrednio w powierzchni piezometrycznej, jako wododział na granicy leja depresyjnego. Warunek bezpieczeństwa w aspekcie bilansowym wyraża się relacją E=<I, czyli wielkość eksploatacji [E] nie może przekroczyć średniej wartości infiltracji wód opadowych. Przy dużym wyniesieniu terenu nad poziomem morza, w większych kompleksach wydmowych, istnieją dogodne warunki do sztucznego zwiększania infiltracji i uzupełniania zasobów wody słodkiej [rys. 2].

Rys. 2. Reżim hydrogeologiczny mierzei wydmowej

Wybrzeże klifowe posiada krawędź o wysokości od kilku do kilkudziesięciu metrów, która powoduje znaczną różnicę ciśnień między poziomem wód podziemnych powyżej załomu a poziomem morza. Duży gradient hydrauliczny, który na przykład w strefie krawędziowej w Międzyzdrojach wynosi 5 o/oo [6] pozwala na intensywną i względnie bezpieczną eksploatację wód podziemnych [rys.3].

Przy naturalnym poziomie zwierciadła wody 3 m npm, stała depresja eksploatacyjna rzędu 7 m nie powoduje wzrostu chlorków, których ilość utrzymuje się w granicach 10 - 30 mg Cl'/dm3. Wielkość przepływu i techniczna możliwość ujęcia wody zależy oczywiście od skał budujących wysoczyznę.

Rys. 3. Reżim hydrogeologiczny wybrzeża klifowego

Struktury mezozoiczne z reżimem artezyjskim nie stanowią odrębnych jednostek geologicznych, lecz wyróżnia je wysokie ciśnienie złożowe. Reżim artezyjski jest konsekwencją względnej izolacji wód piętra mezozoicznego od wód w osadach czwartorzędowych i występuje na obszarze, na którym nie nastąpiło jeszcze obniżenie ciśnienia związane z drenującym charakterem morza. W warunkach tych występują wody słodkie, płynące z pomorskiego obszaru alimentacji.

Rys. 4. Reżim artezyjski struktur mezozoicznych (Q - utwory czwartorzędowe, z przewagą glin morenowych; K/I - piaskowce i wapienie mezozoiku)

Gradient hydrauliczny w piętrze mezozoicznym kształtuje się około 0,8 o/oo, czyli jest sześciokrotnie mniejszy niż w strefie klifowej [5]. Gradient ten jest funkcją przewodności poziomu wodonośnego i przepuszczalności przykrywających glin czwartorzędowych. Z badań analogowych, wykonanych dla rejonu Mrzeżyna [5] wynika, że przy pierwotnym ciśnieniu  -  ponad 6 m npm - wyrównanie ciśnień z poziomem morza następuje w odległości około 9 km od linii brzegowej. Warunki eksploatacyjne zdeterminowane są przewodnością wodną poziomu i zapasem ciśnienia, innymi słowy różnicą ciśnień w stosunku do poziomu morza.

Struktury mezozoiczne z reżimem izopiezowym stanowią w zasadzie pozostała część Antyklinorium, w strefie nadmorskiej. Reżim wyrównanych ciśnień występuje w obszarach o słabej izolacji między poziomami wodonośnymi, czyli w obszarach silnie drenowanych. Reżim ten wykształca się, również jako ustalony stan równowagi przy występowaniu warstwy izolującej, lecz przy większym oddaleniu strefy kulminacyjnej obszaru alimentacji [rys. 5].

Rys. 5. Reżim izopiezowy struktur mezozoicznych

W sytuacji, gdy poziom ciśnieniowy odpowiada w przybliżeniu poziomowi morza istnieje możliwość penetracji wody morskiej do warstwy wodonośnej, podobnie jak w przypadku reżimu czwartorzędowych równin nadmorskich. Występujące zasolenie wód w utworach mezozoicznych, jak to na przykład stwierdzono w Niechorzu [4], pochodzi najprawdopodobniej z głębszego podłoża, bowiem w tych warunkach istnieje możliwość permanentnej eksfiltracji.

Przy porównaniu warunków eksploatacyjnych wód poszczególnych reżimów hydrogeologicznych z potrzebami małych miejscowości nadmorskich i ośrodków wczasowych, nasuwają się różne koncepcje rozwiązań, które oscylują od ujęć indywidualnych dla poszczególnych obiektów wczasowych i komunalnych do jednolitego systemu zbiorowego zaopatrzenia miejscowości strefy nadmorskiej [2].

W obszarach o reżimie klifowym i artezyjskim istnieją dogodne warunki do lokalizacji ujęć wody, wystarczających z pewnością do zaspokojenia lokalnych potrzeb małych miejscowości, a tym bardziej pojedynczych obiektów wczasowych. Zwłaszcza reżim klifowy predysponuje do stosowania ujęć indywidualnych przechwytujących część odpływu wód słodkich.

Reżim artezyjski struktur mezozoicznych jest korzystny do budowy ujęć skupionych, tworzących wspólny lej depresyjny, przy czym wydajność tych ujęć ograniczona jest możliwością zdepresjonowania ciśnienia złożowego. W obu sytuacjach zakłada się korzystanie z ograniczonych zasobów naturalnych poziomu wodonośnego, wymagających dobrego rozpoznania hydrogeologicznego. Szczególne znaczenie posiadają mierzeje wydmowe, a także większe skupiska wydm na równinach nadmorskich. W przypadku dysponowania rezerwami słodkich wód powierzchniowych istnieją tutaj korzystne warunki do sztucznej infiltracji i gromadzenia w wydmach, a następnie ujmowanie ich jako sztucznej wody gruntowej, jak to ma miejsce w Holandii. Korzystnymi cechami takiego rozwiązania jest możliwość ścisłego zaprojektowania ujęcia i zaplanowania jego wydajności, stosownie do potrzeb i ilości dysponowanej wody powierzchniowej, dodatnimi cechami są również własności fizyczne wody, szczególnie temperatura i mętność. Obawy może budzić jedynie skład chemiczny wód powierzchniowych, a ściślej zanieczyszczenie tych wód.

Niekorzystnie przedstawia się sytuacja w pozostałych dwóch typach reżimów hydrogeologicznych, a mianowicie w obrębie równin nadmorskich i struktur mezozoicznych, cechujących się wyrównanym ciśnieniem do poziomu morza. W strukturach tych istnieje możliwość występowania wód słonych lub dopływu wód słonych w przypadku naruszenia równowagi hydrodynamicznej.

Reasumując wydaje się słuszne, aby w ramach programu integracji zaopatrzenia w wodę strefy nadmorskiej kontynuować badania nad rozpoznaniem możliwości eksploatacyjnych, zwłaszcza w obszarach reżimie klifowym i artezyjskim oraz opracować koncepcję magazynowania i ujmowania wód słodkich w wydmach.

Zaopatrzenie miejscowości w obszarach, gdzie zasolone są wody podziemne, zarówno w warstwach czwartorzędowych, jak też strukturach mezozoicznych, wymaga sprowadzania wody z innych rejonów. Wybór wariantu eksploatacyjnego i systemu zaopatrzenia winien być poparty rachunkiem ekonomicznym. Być może, że optymalne jest rozwiązanie mieszane. Można bowiem założyć budowę i użytkowanie ujęć lokalnych w miejscach łatwego i bezpiecznego korzystania z miejscowych zasobów wód podziemnych, natomiast obszary deficytowe powiązać regionalną magistralą wodną.

Wybór źródła poboru wody dla wodociągu regionalnego wymaga również wnikliwych badań hydrogeologicznych i analiz techniczno - ekonomicznych, można bowiem szukać centralnego ujęcia wody lub zasilać magistralę z rozproszonych ujęć lokalnych, oddających niewykorzystaną część swoich zasobów. Pozostaje do wyboru jeszcze centralne ujęcie typu infiltracyjnego, zasilane z wód powierzchniowych, na przykład ujęcie brzegowe lub ujęcie sztucznej wody gruntowej. Ostatnie słowo należy tutaj do ekonomii.

Literatura:

  1. Alekin O. A.: Podstawy hydrochemii. W.G. Warszawa, 1956.
  2. Błaszyk T., Pawuła A.: Studium kompleksowego zaopatrzenia w wodę miast i osiedli strefy nadmorskiej województwa szczecińskiego (program badań). IGK, Poznań, 1972.
  3. Byczyński H., Trzeciakowska M.: Badania hydrogeochemiczne nad wpływem potencjalnych ognisk zanieczyszczenia na wody podziemne wyspy Uznam. IKŚ, Poznań, 1974.
  4. Pawuła A., Tetzlaw H.: Ekspertyza o ujęciu wody podziemnej w ośrodku wypoczynkowym PRK - 10 w Niechorzu, IGK, Poznań, 1969.
  5. Pawuła A.: Badania analogowe reżimu hydrogeologicznego strefy nadmorskiej w rejonie Mrzeżyna. IKŚ, Poznań, 1974.
  6. Pawuła A.: Dokumentacja ujęcia wód podziemnych z utworów plejstoceńskich w rejonie Międzyzdrojów, P.H., Poznań, 1962.