Migracja zanieczyszczeń

Postępująca degradacja środowiska naturalnego powoduje zagrożenie zasobów wód podziemnych (zubożenie ich wielkości i jakości wód).

Jakość wód

Degradacja jakości wód polega na ich zanieczyszczeniu biologiczno – chemicznym, chemicznym lub fizycznym. Zmiany jakości wód podziemnych zachodzą zarówno pod wpływem czynników geogenicznych jaki i antropogenicznych. Wśród tych ostatnich bardzo niebezpieczne dla środowiska wodnego są wielkoobszarowe ogniska zanieczyszczeń związane z chemizacją rolnictwa, emisją pyłów i gazów oraz składowaniem różnego rodzaju odpadów.

Utwory strefy aeracji stanowią naturalne bariery chroniące wody podziemne przed migracja zanieczyszczeń przedostających się z powierzchni terenu do wód podziemnych, a zatem w pionowym transporcie zanieczyszczeń szczególną rolę odgrywają procesy zachodzące w obrębie tej strefy.

Właściwości ochronne tej strefy zależą od:

• miąższości,
• składu mineralnego,
• właściwości fizyko – chemicznych skał i gruntów,
• wielkości opadów na tym terenie,
• temperatury gruntu,
• wilgotności gruntu,
• ilości i jakości wód infiltrujących,
• odzaju składników zanieczyszczających i interakcji pomiędzy tymi utworami, a utworami strefy aeracji.

Do oceny zachowania się substancji zanieczyszczających w czasie przepływu przez strefę aeracji służą parametry migracji zanieczyszczeń takie jak:

• prędkość migracji,
• arametry przenoszenia konwekcyjnego,
• dyfuzji i dyspersji hydrodynamicznej,
• sorpcji,
• desorpcji,
• rozpadu
• biodegradacji i wyługowywaniu.

Badania jakości

Do badań terenowych i laboratoryjnych zastosowano znacznik sztuczny w postaci jonu Cl, będący wskaźnikiem konserwatywnym. Wskaźnik konserwatywny to taki wskaźnik który nie ulega sorpcji, reprodukcji i rozpadowi. Wartość opóźnienia dla jonu Cl wynosi R=1. Zastosowanie znacznika w postaci jonu Cl pozwala na określenie rzeczywistej prędkości U pionowego przepływu wód podziemnych wraz z zanieczyszczeniami bez opóźnienia, a tym samy określenia rzeczywistego czasu pionowego przenikania zanieczyszczeń konserwatywnych.

Czas migracji określony dla znacznika konserwatywnego w postaci jonu Cl pozwala określić najwyższy stopień zagrożenia wód podziemnych (Kleczkowski 1999), ponieważ zanieczyszczenia migrujące bez opóźnienia dotrą
do tej strefy bez opóźnienia. Zasadniczym celem takich badań jest ocena prędkości pionowego przepływu wody ze znacznikiem przez strefę aeracji różnego typu środowisk skalnych.

Wyróżniamy trzy generalnie grupy utworów:

1. Utwory spoiste – słabo i półprzepuszczalne (umownie nazywane gliniastymi)
2. Utwory sypkie – dobrze przepuszczalne (umownie nazywane piaszczystymi)
3. Utwory skaliste ( szczelinowate i skrasowiałe ) – o wysokim i bardzo wysokim stopniu przepuszczalności

Problemem metodycznym było zakwalifikowanie bardzo urozmaiconych genetycznie i litologicznie utworów do zaledwie trzech z wymienionych grup i ustalono arbitralnie:

• do utworów piaszczystych zaliczono żwiry i piaski różnego rodzaju akumulacji rzecznej i jeziornej, eoloicznej, lodowcowej, eluwia piaszczyste...
• o utworów gliniastych zaliczono gliny zwałowe, lessy, mułki, torfy, gytie, margle jezierne, iły , iłowce, mułowce...
• do utworów skalistych zaliczono odkryte wychodnie różnego rodzaju skał zwięzłych oraz cały obszar Karpat, Sudetów, Gór Świętokrzyckich z wyjątkiem partii dolinnych. W przypadku obszarów górskich pokrycie zwietrzeliną (gleba) jest na ogół niewielkie i nie przekraczające 1m, a strefa aeracji jest głęboka i sięga kilku i kilkunastu metrów.

Badania polowe

Trzeba uwzględnić tło chlorkowe które średnio waha się&nbsop;od 51,7 do 123,3 mg/dm3 dla glin, a dla iłów przyjmuje się wartość od 38,0do 136,0 mg/dm3.
Stężenie roztworu NaCl wynosi 30 000 mg/dm3. Następnie pobierano NNS’y w równych przedziałach czasowych z różnych interwałów głębokościowych 0,1 lub 0,2
Oznaczano wilgotność naturalną:
W =(mwn-msn) / (msn-mn)
mwn – masa naczyńka z gruntem wilgotnym
msn – masa naczyńka z gruntem suchym
mn - masa suchego naczyńka
Próbę następnie suszono w 105?C rozdrabniano i dodawano wody destylowanej w stosunku 1:5, wytrząsając od 3-5 minut i odstawiono na 24 h. W klarownym roztworze oznaczano zawartośc jonu chlorkowego w skale GCl- . Następnie w oparciu o znajomość jonu chlorkowego w skale i wilgotności naturalnej obliczano stężenie Cl-
w roztworze. Wg wzoru:
Cl- = GCl- / W
Cl- - stężenie jonu chlorkowego w roztworze porowym [mg/dm3]
GCl- - zawartość chlorków w wyciągu wodnym [mg/100]
W – wilgotność naturalna

Badania laboratoryjne (dla utworów piaszczystych) z uwzględnieniem kolumny filtracyjnej

Polegają na określeniu czasu migracji wybranych rodzajów znaczników podawanych cyklicznie do fizycznego modelu strefy aeracji. Następnie zalano kolumnę do momentu całkowitego jej nasączenia wodą, tj. samoistnego wypływu wody z dolnej części kolumny. Po upływie pięciu dni od napełnienia kolumny – czas pozostawiony dla częściowego odparowania wody z wierzchniej partii strefy aeracji (podobnie jak to mam miejsce w warunkach naturalnych, w okresach bezopadowych). Zastosowano dwa rodzaje znacznika. W pierwszym przypadku zastosowano fluoresceinę dla jedynie wizualnego zobrazowania procesu migracji znacznika. W wersji drugiej dodano fluoresceinę z dodatkiem barwnej pochodnej zasad amonowych – induliny, czasami nigrozyny.

Wnioski

Największe prędkości występują w początkowym okresie migracji, tj. przy małej migracji znacznika, gdzie ze względu na parowanie występuje największe przesuszanie i związana z tym duża chłonność utworów przypowierzchniowych. Ponadto wraz ze wzrostem długości przepływu, czyli głębokością, powiększają się opory hydrauliczne infiltracji spowalniające ten proces, a zatem zwiększa się czas migracji zanieczyszczeń. /pokazać wykres (stężenie Cl w wyciągach wodnych) /
Średnia roczna migracja zanieczyszczeń w utworach piaszczystych to 5,5 – 6,0 m/a.

Badania laboratoryjne (dla glin i iłów) realizuje się przy pomocy pompy infuzyjnej. Wydatek zatłaczania Q powinien być równy wielkości wydatku strumienia wód infiltracyjnych z powierzchni 1 m2 odniesionego oczywiście do przekroju poprzecznego badanych próbek.

Wielkość wydatku strumienia wód infiltracyjnych obliczamy przy następujących założeniach: wielkość opadów np. H=600
współczynnik infiltracji = 13,3% (gliny) i =8,8% (iły)
Na wyjściu z kolumny określamy stężenie jonu Cl. Średnia wartość rzeczywistej migracji jonu Cl- wynosi 0,054 cm/d w glinach, natomiast w iłach 0,0112 mg/d
Dla glin mamy duże różnice w wyznaczaniu prędkości migracji pomiędzy metodami terenowymi, a laboratoryjnymi!

Badania prędkości migracji zanieczyszczeń w strefie utworów szczelinowo – krasowych polegają głównie na badaniu składu chemicznego wody opadowej i porównaniu składu chemicznego wody ujętej w różnego rodzaju wykropleniach. Oznacza się zawartość takich składników jak: Ca, Mg, Na, K, HCO3, SO4, Cl, NO3 oraz mikroskładników: Al, B, Ba, Fe, Li, Mn, P, Sr, Zn. Mierzy się odczyn pH i przewodność elektrolityczną. Prędkość przemieszczania się wody prze strefę aeracji zależy od charakteru i wielkości opadów, dlatego jest zmienna.

Opracowano:
Piotr Bohdanowicz
Zakład Usług Geologicznych GeoTest Piotr Bohdanowicz