Ocena zawartości i przestrzennego rozmieszczenia ołowiu w osadach dennych zbiornika Rzeszów

Transkrypt

1 Tomasz Koniarz 1, Agnieszka Baran 2, Marek Tarnawski 3 Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Ocena zawartości i przestrzennego rozmieszczenia ołowiu w osadach dennych zbiornika Rzeszów Wprowadzenie Zamulanie zbiorników zaporowych jest najważniejszym problemem związanym z ich projektowaniem budową i eksploatacją. W wyniku zmniejszenia prędkości przepływu wody rumowisko unoszone i zawieszone ulega sedymentacji w wyniku czego następuje zmniejszenie pojemności retencyjnej zbiorników oraz obniżenie ich walorów rekreacyjnych i estetycznych [7]. Jednocześnie osady denne odgrywają istotną rolę w funkcjonowaniu zbiorników wodnych, wpływając na skład chemiczny wód, biorą udział w krążeniu pierwiastków oraz są środowiskiem bytowania organizmów żywych wchodzących w skład łańcucha troficznego [3, 2]. W celu przywracania zbiornikom pierwotnych funkcji, prowadzi się mechaniczną rekultywację, która polega na wydobyciu osadów zalegających na dnie i ich odpowiednim zagospodarowaniu [19]. Osady mogą być skutecznym wskaźnikiem stopnia degradacji środowiska poprzez odgrywanie roli naturalnego filtra dla zanieczyszczeń np. metali ciężkich, które w pewnych stężeniach mogą być toksyczne dla ekosystemu wodnego. Jednym z metali ciężkich, powszechnie występującym w środowisku jest ołów. Zawartość ołowiu w glebach i osadach można uznać za skutek uciążliwości dla środowiska dróg komunikacji samochodowej [5, 13]. Zbiorniki wodne w miastach są narażone na zanieczyszczenia ze strony metali ciężkich emitowanych przez przemysł i komunikację. Główne źródła zanieczyszczenia środowiska ołowiem pochodzą z farb oraz z emisji spalin samochodowych. Badania przeprowadzone na obszarach miejskich, wykazały, że poziom ołowiu w glebie jest najwyższe w pobliżu budynków, gdzie użyto farb do konserwacji fundamentów i elewacji oraz wzdłuż ciągów komunikacyjnych [15]. Przez miasto Rzeszów przebiegają międzynarodowe trasy komunikacji kolejowej i drogowej wschód zachód i drogowej północ południe. Na węzeł dróg zewnętrznych w obrębie Rzeszowa składają się: droga krajowa nr 94 (międzynarodowa E-40) relacji Drezno Zgorzelec Kraków Rzeszów Medyka Lwów, droga krajowa nr 9 (międzynarodowa E-371) relacji Radom Rzeszów Barwinek Koszyce oraz droga krajowa nr 19 relacji Białystok Lublin Rzeszów i dalej na południe droga krajowa nr 9. Po otwarciu węzła autostrady A4 Dębica Rzeszów (2014 rok), natężenie ruchu drogowego znacznie zmalało, odsuwając źródła zanieczyszczeń liniowych na północ od Rzeszowa. Celem pracy była ocena zawartości i przestrzennego rozkładu ołowiu w osadach dennych zbiornika Rzeszów, zlokalizowanym w centralnej części miasta Rzeszowa w województwie podkarpackim. Materiały i metody Charakterystyka obiektu badań Zbiornik Rzeszów zlokalizowany jest w południowo-wschodniej części Polski na południe od centrum miasta Rzeszów (Rys. 1). Zbiornik powstał w wyniku przegrodzenia doliny rzeki Wisłok w km stopniem wodnym wybudowanym na początku lat siedemdziesiątych XX wieku (przekazany do eksploatacji w kwietniu 1973 r.), spiętrza wody na jazie do poziomu piętrzenia normalnego 199,50 m n.p.m. Zbiornik charakteryzuje się wydłużonym kształtem i zmienną szerokością wahającą się od 40 m do 300 m. Szczegółowe informacje dotyczące zbiornika zamieszczono w tabeli 1. 1 Tomasz Koniarz, mgr inż., doktorant, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki 2 Agieszka Baran, dr inż., adiunkt, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Katedra Chemii Rolnej I Środowiskowej 3 Marek Tarnawski, dr hab. inż., adiunkt, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki 9195

2 Rys. 1. Lokalizacja obiektu badań Wykonane w lipcu 1986 roku pomiary zamulenia wykazały, że w ciągu trzynastu lat eksploatacji nastąpiło zmniejszenie pojemności zbiornika o ok. 66 %, tj. z 1,8 mln m3 objętości do 0,6 mln m3. Z całkowitej powierzchni zalewu, wynoszącej 68,2 ha, wydzielono obszary będące wynikiem zamulenia zbiornika: obszary porośnięte trwale roślinnością ok. 18%, obszary zamulone bez roślinności ok. 9%, płycizny wodne o głębokości do 0,5 m ok. 38% [10]. Po 35 latach eksploatacji, na skutek nadmiernego zamule-nia, zbiornik Rzeszów stracił znaczącą część swej pierwotnej pojemności. Następstwem zalądowiania zbiornika jest częściowa utrata jego dwóch podstawowych funkcji pogorszenie możliwości poboru wo-dy przez ujęcia powierzchniowe dla miasta Rzeszowa oraz możliwości wykorzystania rekreacyjno sportowego [1]. Tabela 1. Podstawowe parametry zbiornika Rzeszów Pojemność zbiornika (całkowita/użytkowa) 1,80 / 0,66 mln m 3 Rok budowy 1973 Długość Powierzchnia zalewu Średnia głębokość Rzeka Funkcje zbiornika 6,74 km 68,2 ha 2,64 m Wisłok, Strug Pobór wody, przeciwpowodziowe, energetyczne, rekreacyjne Pobór próbek Próbki osadów zostały pobrane za pomocą próbnika Ekman z 57 punktów zlokalizowanych na całej powierzchni zbiornika (rys. 2). Osady pobrano z wierzchniej warstwy czaszy zbiornika (0 15 cm). Pobrany materiał przewieziono do laboratorium, wysuszono oraz przesiano przez sito o średnicy oczek 2 mm. 9196

3 Rys. 2. Lokalizacja poboru próbek osadów w zbiorniku Rzeszów Analizy chemiczne W powietrznie suchych próbkach osadów dennych oznaczono całkowitą zawartość ołowiu po mineralizacji na gorąco w mieszaninie kwasów HNO3 i HClO3 (3:2). W przygotowanych roztworach analizowano zawartości ołowiu na spektrofotometrze emisji atomowej z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP- OES) firmy Perkin-Elmer model Optima 7300 DV. Analizy przeprowadzono w dwóch powtórzeniach dla każdej próbki osadów. Poziom zanieczyszczenia osadów ołowiem oceniono za pomocą geoche-micznej klasyfikacji jakości osadów (Polski Instytut Geologiczny PIG) wskaźnika zanieczyszczenia (Cif) oraz indeksu geoakumulacji [4, 8, 9, 11]. Tło geochemiczne osadów dla ołowiu (25 mg Pb kg-1) zostało przyjęte na podstawie wyników badań Lisa i Pasieczna [8]. Do oceny osadów wykorzystano również metodę numerycznych wskaźników jakości osadów, tj. TEC (threshold effect levels) and PEC (Probable Effect Concentration) [9]. Wyniki i dyskusja Parametry statystyczne zawartość ołowiu w próbkach osadów dennych zbiornika Rzeszów zostały przedstawione w tabeli 2. Zawartości te były zróżnicowane i wahały się między 7,00 15,85 mg kg-1. Obli-czony współczynnik zmienności (CV%) dla ołowiu wynosi 17,6%. Na podstawie przestrzennego roz-mieszczenia ołowiu w osadach dennych zauważono nierównomierny jego rozkład. Największe zawartości ołowiu zaobserwowano w środkowej części zbiornika (Rys. 3). Zawartości ołowiu w osadach zbiornika Rzeszów są ponad dziesięciokrotnie mniejsze w porównaniu z innymi zbiornikami zlokalizowanymi na obszarach zurbanizowanych. Przykładem takiego zbiornika jest zalew Kielecki gdzie średnie zawartości ołowiu w osadach tego zbiornika są równe 151,9 mg kg-1 [14]. Zbliżone zawartości ołowiu (w granicach 130,0 mg kg- 1) występują w osadach zbiorników w Niemczech (obszar z rozwiniętą siecią dróg) na terenie landu Saxonia [17] i zbiornika Guan-Ting w Chinach [18]. 9197

4 Tabela 2. Podstawowe parametry statystyczne zawartości ołowiu oraz wskaźników geochemicznych Parametr Pb [mg kg -1 ] Index Geoakumulacji Müller a Igeo [-] Współczynnik zanieczyszczenia C i f [-] Minimum 7-2,42 0,28 Maximum 15,85-1,24 0,63 Średnia 11,50-1,73 0,46 Mediana 11,65-1,69 0,47 SD 1 2,02 0,27 0,08 CV 2 [%] 17,6-15,4 17,6 1 odchylenie standardowe, 2 współczynnik zmienności Ryc. 3. Rozkład przestrzenny ołowiu [mg kg-1 s.m.] w zbiorniku Rzeszów Do oceny osadów dennych pod względem ich zanieczyszczenia ołowiem wykorzystano klasyfikację geochemiczną opracowaną przez Państwowy Instytut Geologiczny [4]. Zgodnie z tym kryterium, osady denne zbiornika Rzeszów zakwalifikowano do klasy I jako osady niezanieczyszczone ołowiem. Metoda numerycznych wskaźników jakości osadów (TEC i PEC) została opracowana pod kątem ochrony organizmów wodnych i zawiera progowe wartości poszczególnych składników, warunkujących podtrzymanie i utrzymanie życia organizmów. Przy zawartości ołowiu poniżej wartości TEC (35,8 mg Pb kg-1), ujemne biologiczne oddziaływania nie powinny występować. W osadach odznaczających się zawartością ołowiu powyżej PEC (128 mg Pb kg-1) spodziewane są często szkodliwe biologicznie efekty. Zawartość ołowiu we wszystkich badanych próbkach osadów dennych odznaczały się wartością poniżej TEC, co wskazuje, na brak oddziaływania na organizmy żywe badanego pierwiastka. Na podstawie oznaczonych stężeń ołowiu w badanych próbkach osadów dennych wyliczono wartości współczynników geoakumulacji Müller a: Igeo=log2(Cn/1,5Bn), gdzie Cn to oznaczona koncentracja metalu, Bn to tło geochemiczne a współczynnik 1,5 służy do uwzględnienia naturalnej zmienności litologicznej zlewni [11, 16]. Na podstawie wartości indeksu geoakumulacji wyróżnia się sześć klas jakości osadów, od niezanieczyszczonych (Igeo < 0) do bardzo silnie zanieczyszczonych (Igeo > 5) [11]. We wszystkich 9198

5 ba-danych próbkach wartości indeksu geoakumulacji były ujemne, co klasyfikuje osad jako niezanieczyszczony (Ryc. 4a, Tabela 2). Poziom zanieczyszczenia osadów dennych oceniono także za pomocą współczynnik zanieczyszczenia (Cif). Wartości współczynnika zostały obliczone jako stosunek zawartości metalu w badanej próbce do tła geochemicznego: Cif Ci/Cn, gdzie Ci - stężenie badanego elementu, Cn - tło geochemiczne dla analizowanego pierwiastka. Współczynnik zanieczyszczenia przyjmując wartości Cif <1 wskazując na niskie zanieczyszczenie, do Cif 6 wskazując na bardzo silne zanieczyszczenie [6]. Podobnie jak dla wartości indeksu geoakumulacji, współczynnik zanieczyszczenia również wskazuje na niskie zanieczyszczenie osadów dennych ołowiem (Ryc. 4b). b) Rys. 4. Rozkład przestrzenny wartości indeksu geoakumulacji Müller a (a) i wskaźnika zanieczyszcze-nia (b) w zbiorniku Rzeszów Podsumowanie Ocena zanieczyszczenia osadów dennych z zastosowaniem geochemicznych klasach jakości osadów (wg PIG), liczbowych wskaźników jakości osadów: indeksy geoakumulacji (Igeo) i wskaźnika zanie-czyszczenia (Cif) wykazały, że osady pobrane z różnych stref nie były zanieczyszczone, pomimo lokaliza-cji zbiornika w centralnej części miasta Rzeszów. Zawartości ołowiu w próbkach osadów były zbliżone do zawartości ołowiu w osadach zbiorników zlokalizowanych na obszarach o małym stopniu poddanych antropopresji i uprzemysłowienia jak np.: Cierpisz, Wilcza Wola, Krempna [10]. Analiza rozkładu przestrzennego rozmieszczenia zanieczyszczonych ołowiem osadów dennych nie wykazała trendu do zwiększania się zawartości tego pierwiastka w raz z biegiem nurtu przez zbiornik. Maksymalne zawartości metalu wykazano w próbkach, których lokalizacja poboru miała miejsce w sąsiedztwie terenów rekreacyjnych. Podwyższone zawartości ołowiu mogą wynikać z punktowego źródła zanieczyszczenia zbiornika. Streszczenie Celem pracy była ocena zawartości i rozkładu przestrzennego ołowiu w osadach dennych zbiornika Rzeszów. Analizowany zbiornik jest jednym z niewielu zbiorników w Polsce zlokalizowanym w obszarze miejskim, zurbanizowanym. Zawartość ołowiu w osadach dennych wahała się od 7,00 do15,85 mg kg-1. Największą zawartość ołowiu zaobserwowano w środkowej części zbiornika. Badane osady nie są zanieczyszczone ołowiem. 9199

6 Słowa kluczowe: osady denne, ołów, przestrzenny rozkład, komunikacja, obszar miejski ASSESSMENT OF THE CONTENT AND SPATIAL DISTRIBUTION OF LEAD IN BOTTOM SEDI-MENTS RZESZÓW RESERVOIR Abstract The aim of this study was to assess the content and spatial distribution of lead in sediments collected from Rzeszów reservoir. Rzeszow reservoir is one of the few reservoirs in Poland located in urban areas. Content of lead in bottom sediments ranged from 7.00 do15.85 mg kg-1. The highest lead content in sediment was observed in the middle part of the reservoir. The studied sediments are not contaminated with lead. Keywords: bottom sediment, lead, spatial distribution, communication, urban area Literatura [1] Baran A., Tarnawski M.: Zawartość metali ciężkich w wyciągach wodnych sporządzonych z osadów dennych zbiornika rzeszowskiego, Proceedings of ECOpole, 6 (2)/2012, s [2] Baran A., Tarnawski M.: Phytotoxkit/Phytotestkit and Microtox as tools for toxicity assessment of sediments, Ecotoxicology and Environmental Safety, 98/2013, S [3] Baran A. Tarnawski M.: Assessment of heavy metals mobility and toxicity in contaminated sediments by sequential extraction and a battery of bioassays, Ecotoxicology, 2015 s [4] Bojakowska I.: Criteria for evaluation of water sediments pollution, Polish Geological Review [5] 49(3)/2001, s [6] Graney J. R., Halliday N., Keeler G. J. Nriacxj J. 0., Robbins J. A.: Isotopic record of lead pollution in lake sediments from the northeastern united states Norton gechimica et Cosmochimica, Acta, 59, 9/1995, s [7] Hakanson, L.: An ecological risk index for aquatic pollution control, A sedimentological approach. Water Research, 14/1980, s [8] Koniarz T., Tarnawski M., Baran A.: Content of lead in bottom sediments of the Water reservoir located in urban areas. Logistyka, 4/2014, s [9] Lis J., Pasieczna A.: Atlas geochemiczny Polski 1: , Państw. Inst. Geol., Warszawa [10] Macdonald D.D., Ingersoll C.G., Berger T.A.: Development and evaluation of Consensus-Based [11] Sediment Quality Guidelines for freshwater ecosystems, Arch Environ Contam Toxicol 39/2000, s [12] Madeyski M. Michalec B., Tarnawski M.: Zamulanie małych zbiorników wodnych i jakość osadów dennych, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 11/2008 Kraków [13] Müller G.: Index of geo-accumulation in sediments of the Rihne River, Geojournal 2/1969, s

7 [14] Niemiec M.: Wpływ osadu dennego dodawanego do podłoża na ilość biomasy roślin. Materiały konferencyjne Mendelu [15] Niesiobędzka K., Krajewska E.: Akumulacja metali ciężkich w glebach i roślinności przy trasach szybkiego ruchu, Ochrona Środowiska. Zasobów Naturalnych, 31/2007, s [16] Rabajczyk A., Jóźwiak M.A., Jóźwiak M., Kozłowski R.: Chemism of atmospheric precipitation as a consequence of air pollution: the case of Poland s Holy Cross Mountains, Polish J Environ Stud.20(4)/ 2011, s [17] Rolfe G.L., A. Haney, Reinbold K.A.: Environmental contamination by lead and other heavy metals. Vol.2. Ecosystem Analysis. Institute for Environmental Studies. University of Illinois, Urbana- Champaign, [18] Rubin H., Rubin K., Siodłak A., Skuza P.: Ocena zanieczyszczenia wybranymi metalami i metaloidami osadów dennych rzeki Stoły na terenie miejsko-przemysłowym Tarnowskich Gór. Biuletyn PIG 445, 2011, s [19] Ulrich KU, Paul L, Hupfer M.: Wasser Boden. 52/2000, s [20] Xian-Chen S., Miao-Song Y., Hui-Hua F.: Heavy metals in the water and sediments of Guan-Ting Reservoir, In: Sediment and Stream Water Quality in a Changing Environment. Trends and Explana-tion. Proceedings of the Vienna Symposium. Vienna [21] Zawisza E., Michalec B., Gruchot A., Tarnawski M., Baran A., Cholewa M., Koś K., Koniarz T.: Uwarunkowania techniczne rewitalizacji zbiornika wodnego Chechło w gminie Trzebinia. Wyd. Uniwersytetu Rolniczego, Kraków Podziękowania Badania naukowe sfinansowane z NCN (Grant nr N N "Ocena możliwości rolniczego wykorzystania zbiornikowych osadów dennych") oraz z działalności statusowej - DS / KIWiG i DS /KChRiŚ. 9201