Możliwości ograniczenia szkodliwego wpływu wód dołowych na stan rurociągów kolektora Olza i środowisko rzeki Odry

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Górnictwa Podziemnego Rozprawa doktorska Możliwości ograniczenia szkodliwego wpływu wód dołowych na stan rurociągów kolektora Olza i środowisko rzeki Odry Justyna Swolkień dr hab. inż. Marian Branny Kraków 2007

2 Spis treści Tematyka i cel pracy Charakterystyka geologiczna i hydrogeologiczna południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Budowa geologiczna i hydrogeologiczna południowo-zachodniej części GZW Skład chemiczny wód południowo-zachodniej części GZW i czynniki go kształtujące Źródła jonów siarczanowych w wodach południowo-zachodniej części GZW Źródła jonów barowych w wodach dołowych kopalń regionu GZW Promieniotwórczość wód dołowych południowo-zachodniej części GZW Oddziaływanie wód dołowych odprowadzanych z kopalń południowo-zachodniej części GZW na ekosystem rzeki Odry i jej dopływów Charakterystyka hydrograficzna dorzecza Odry Główne zanieczyszczenia odprowadzane do rzeki Odry i jej dopływów Kryteria i normy prawne jakości wód powierzchniowych i kopalnianych Wpływ zasolenia na ekosystem rzeki Odry i jej dopływów Charakterystyka systemu hydrotechnicznej ochrony wód Olza Budowa techniczna kolektora Olza Charakterystyka systemu retencyjno-dozującego Olza Aspekty prawne funkcjonowania systemu retencyjno - dozującego Olza Analiza składu wód odprowadzanych z kopalń południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego kolektorem Olza Analiza porównawcza składu i ilości wód odprowadzanych do kolektora Olza Wnioski Analiza wpływu wód dołowych odprowadzanych kolektorem Olza na środowisko rzeki Odry i jej dopływów Analiza składu wód dołowych komory spustowej kolektora Olza Analiza zmian składu wód Leśnicy przed i po otwarciu zrzutu do rzeki Odry Analiza zmian składu wód Olzy przed i po otwarciu zrzutu do rzeki Odry Analiza zmian składu wód Odry przed i po uruchomieniu bezpośredniego zrzutu z kolektora Olza Wnioski Wpływ wytrącających się osadów siarczanu baru na jakość i opór rurociągów Analiza chemiczna procesu strącania siarczanu baru w wybranych punktach kolektora Olza Charakterystyka odcinka kolektora między węzłem WVI a WV Charakterystyka odcinka kolektora od kopalni Pniówek do węzła WV Charakterystyka odcinka kolektora od węzła WV do węzła WIII Charakterystyka odcinka kolektora od węzła WIV do węzła WII Charakterystyka odcinka kolektora od węzła WII do węzła WI Wyznaczanie bezwymiarowego współczynnika oporu i jednostkowego oporu rurociągów na wybranych odcinkach kolektora Olza Metodyka pomiarów wykonywanych w systemie Olza Analiza wyników pomiarów Wnioski Symulacja numeryczna przepływu siarczanu baru przez osadnik Komputerowe modelowanie przepływu wielofazowego Opis modelu - Eulera-Lagrange a Zestawienie równań różniczkowych stosowanych w przyjętym modelu turbulencji Warunki brzegowe Obliczenia numeryczne trójwymiarowego (3D) przepływu dwufazowego przez osadniki i ich analiza Weryfikacja modelu Eulera-Lagrange a Wnioski Metody usuwania szkodliwych osadów siarczanu baru bez konieczności wprowadzania ich do rurociągów kolektora Olza Metody usuwania szkodliwych jonów baru w kopalni Jankowice Metody usuwania szkodliwych jonów baru w kopalni Borynia Metody usuwania szkodliwych jonów baru w kopalniach Krupiński i Pniówek Metody usuwania szkodliwych jonów baru w kopalni Zofiówka Metody usuwania szkodliwych jonów baru w kopalni Jas-Mos i Jas-Mos ruch Moszczenia Wnioski Zastosowanie programu komputerowego Dyspozytor, jako narzędzia w procesie regulacji rozpływu wody w kolektorze Olza Charakterystyka programu Dyspozytor

3 Charakterystyka pierwszej zakładki programu Dyspozytor Charakterystyka drugiej i trzeciej zakładki programu Dyspozytor Charakterystyka czwartej zakładki programu Dyspozytor Zastosowanie programu komputerowego w procesie regulacji rozpływu wody Dane wejściowe do programu Analiza wyników obliczeń Wnioski Wnioski końcowe Spis literatury Spis tabel Spis rysunków Spis załączników

4 Tematyka i cel pracy Tematyka pracy doktorskiej dotyczy zagadnień związanych z możliwością ograniczenia szkodliwego wpływu wód dołowych odprowadzanych kolektorem Olza na stan jego rurociągów i środowisko rzeki Odry. Obszar badań dotyczy południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, który charakteryzuje się zróżnicowanym składem chemicznym wód podziemnych, wynikającym przede wszystkim z dalece rozwiniętej działalności górniczej. Głównym ciekiem odwadniającym omawiany region jest rzeka Odra wraz z jej prawym dopływem, czyli rzeką Olzą. Oprócz tych dwóch na omawianym obszarze występują jeszcze takie rzeki jak: Leśnica, Szotkówka, Ruda, Nacyna, Jastrzębianka, Pszczyna oraz rzeka Pawłówka. Południowo-zachodnia część Górnośląskiego Zagłębia Węglowego boryka się z problemem zanieczyszczenia wód powierzchniowych, na skutek przyjmowania przez nie wód kopalnianych z rejonu Karviny (Czechy), a także wód odprowadzanych z obecnych na tym terenie kopalń węgla kamiennego. Brak należytej kontroli zrzutu wód z kopalń przyczynia się do antropogenicznego zanieczyszczenia wód powierzchniowych w szczególności jonami chlorkowymi. Sytuacja taka występuje w rzece Olzie i jej dopływie Szotkówce, a także Leśnicy, w której odprowadzane wody górnicze przyczyniły się do całkowitej dewastacji flory i fauny. Jednocześnie w rzece Olzie zanotowano 10-krotne przekroczenie norm II- klasy czystości, a w rzece Odrze 4-krotne przekroczenie. Wody dołowe kopalń omawianego obszaru odprowadzane są przy pomocy systemu retencyjno dozującego Olza, wyposażonego w sieć rurociągów łączących poszczególne kopalnie, osadniki przykopalniane i zbiorniki retencyjne. Od 1986 roku wody dołowe odprowadzane były do rzeki Leśnicy w miejscowości Turza Śląska, aż do momentu, gdy w marcu 2004 roku otwarto dwururową magistralę z instalacją zrzutową w rzece Odrze. Problemem omawianego systemu jest zjawisko zarastania rurociągów wytrącającymi się osadami siarczanu baru, których pojawienie się wynika z odprowadzania za pośrednictwem kolektora różnorodnych chemicznie wód. Postępujące zjawisko przyczynia się do wzrostu strat ciśnienia na pompowanie wody, wzrostu energochłonności systemu, a w konsekwencji do konieczności wymiany rurociągów. Wymiana części rurociągów ze stalowych na polietylenowe zmniejsza ilość wytrącających się osadów, ale sprawia, że przedostają się one do rzeki Odry. Celem poniższej pracy doktorskiej jest znalezienie rozwiązań pozwalających skutecznie zminimalizować szkodliwy wpływ wód kopalnianych na stan rurociągów kolektora Olza, a także na florę i faunę rzeki Odry i jej dopływów. W ramach pracy udowodnione zostaną następujące tezy: 4

5 1. Istnieje możliwość ograniczenia szkodliwego wpływu zanieczyszczeń występujących w wodach kopalnianych na środowisko rzeki Odry i jej dopływów poprzez: regulację objętościowego natężenia przepływu wody odprowadzanej kolektorem Olza z wykorzystaniem systemu retencyjno dozującego w celu: o dotrzymania norm czystości wód w rzece Odrze i jej dopływach określonych odpowiednimi przepisami prawnymi z uwagi na ich zawartość, optymalizację i regulację rozpływu wód i zanieczyszczeń w kolektorze z wykorzystaniem autorskiego programu komputerowego 2. Istnieje możliwość ograniczania wytrącania związków stałych powodujących zwiększenie strat ciśnienia w rurociągach (zmiana przekroju i oporu rurociągów) poprzez: neutralizację szkodliwych związków przed wprowadzeniem ich do kolektora, wykorzystanie symulacji numerycznej przepływu dwufazowego do określenia efektywności strącania siarczanu baru w osadnikach przykopalnianych, w celu: o zminimalizowania strat ciśnień i poprawienia energochłonności systemu. W pierwszym rozdziale pracy przedstawione zostały informacje dotyczące charakterystyki geologicznej i hydrogeologicznej, oraz składu chemicznego wód omawianego obszaru, a w następnym określono ich wpływ na ekosystem rzeki Odry i jej dopływów. Opisane zostały normy i kryteria prawne klasyfikacji wód powierzchniowych i podziemnych. Trzeci rozdział pracy zawiera informacje natury technicznej, dotyczące elementów konstrukcyjnych samego systemu retencyjno-dozującego. Czwarty rozdział pracy w całości poświęcony został dokonaniu analizy składu wód odprowadzanych z poszczególnych kopalń regionu do kolektora Olza, a w rozdziale piątym opisano jakie skutki wywierają one na ekosystem rzeki Odry i jej dopływów. Obszar badań obejmował okres zarówno przed, jak i po uruchomieniu części zrzutowej bezpośrednio do Odry. Szósty i siódmy rozdział został poświęcony analizie wpływu wytrącających się w kolektorze osadów siarczanu baru i sposobów usuwania ich bez konieczności wprowadzania do kolektora. Szczególną uwagę zwrócono na to, jak wytrącający się osad siarczanu baru wpływa na wzrost oporów przepływu, a w konsekwencji jakość rurociągów. Dodatkowo przy użyciu metod komputerowej Mechaniki Płynów, wykorzystując model przepływu dwufazowego płynu, podjęto próbę określenia efektywności strącania siarczanu baru w osadnikach przykopalnianych. Ma to istotne znaczenie zapobiegawcze, ponieważ pozwala określić warunki przy których siarczan baru, jak również inne cząsteczki stałe (np. zawiesiny ogólne), w całości będzie się osadzał na dnie zbiornika a dzięki temu nie będzie się wytrącał w rurociągach i powodował 5

6 zwiększania ciśnienia potrzebnego do przepompowania wody. W rozdziale opisano również inne metody oczyszczania wód ze szkodliwych jonów barowych i siarczanowych. Rozdział ósmy poświęcony został regulacji rozpływu wód w kolektorze przy pomocy autorskiego programu komputerowego Dyspozytor. Dzięki programowi możliwe jest wyregulowanie objętościowego natężenia przepływu wód pochodzących z poszczególnych kopalń, oraz ciśnień na poszczególnych pompowniach. Pozwoli to na zachowanie w rzece stężenia, przede wszystkim jonów chlorkowych, na odpowiednim, stałym poziomie przez całą dobę. Dzięki temu ekosystem rzeki nie będzie poddawany gwałtownym wahaniom stężeń zanieczyszczeń, a równocześnie utrzymywane będą w miarę niskie ciśnienia pompowania wody. Konsekwencją takich działań będzie ograniczenie szkodliwego wpływu zanieczyszczeń na rzekę Odrę, a także poprawa energochłonności całego systemu retencyjno-dozującego Olza. 6

7 1. Charakterystyka geologiczna i hydrogeologiczna południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Obszar Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) jest bardzo zróżnicowany pod względem geologicznym i hydrogeologicznym i stanowi obiekt zainteresowania nie tylko geologów i hydrogeologów, ale także przemysłu. Wynika to przede wszystkim z faktu występowania tu bogatych złóż węgla kamiennego. Początki górnictwa datuje się na połowę osiemnastego wieku ubiegłego stulecia [1]. Rozpoznanie budowy geologicznej i hydrogeologicznej tego obszaru było bardzo istotne z punktu widzenia górnictwa, ponieważ pozwalało oszacować, w których miejscach znajdują się pokłady węgla kamiennego. Rozważania przedstawione w poniższej pracy dotyczyć będą głównie jednej z części GZW, a mianowicie obszaru południowo-zachodniego, zwanego także Rybnickim Okręgiem Węglowym (ROW). 1.1 Budowa geologiczna i hydrogeologiczna południowo-zachodniej części GZW Wielkość Górnośląskiego Zagłębia Węglowego szacuje się na około 7500 km 2, z czego tylko 5800 km 2 znajduje się w granicach Polski [1,2]. W całości obszar ten położony jest na Wyżynie Śląskiej i Krakowskiej, Kotlinie Morawskiej i Raciborsko-Oświęcimskiej oraz na Pogórzu Karpackim i pod Beskidami Zachodnimi [1]. Z punktu widzenia struktury geologicznej najistotniejsze są utwory produktywne górnego karbonu. Wynika to z faktu obecności w nich pokładów węgla kamiennego, których rozwój nie jest jednak równomierny. Największe miąższości spotyka się bowiem w części zachodniej Zagłębia, a najmniejsze w części wschodniej [2]. Zróżnicowana budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne Górnośląskiego Zagłębia Węglowego pozwalają wyróżnić dwa subregiony hydrogeologiczne tego obszaru [2, 3]: subregion północno-wschodni, traktowany jako regionalna strefa zasilania utworów karbonu. Występują tu utwory triasu, jury i permu, subregion południowo-zachodni, znajdujący się pod nakładem trzeciorzędu, który izoluje karbon od wód współczesnych i innych powstałych po transgresjach morskich w trzeciorzędzie. Subregion południowo-zachodni leży w zasięgu alpejskich struktur zapadliskowych, ciągnących się od południa po rejon Gliwic na północnym zachodzie [1]. Tworzy go śląsko morawska strefa fałdowa, a przeważająca część tego obszaru znajduje się w zasięgu zapadliska przedkarpackiego zawierającego głównie utwory trzeciorzędowe. W skład nich wchodzą osady karpatu, badenu i sarmatu, których miąższność wzrasta w kierunku południowym. W niektórych miejscach części zachodniej GZW pokłady karbonu pokryte są cienką warstwą czwartorzędu 7

8 i fragmentarycznie triasu, a wody tu występujące charakteryzują się mniejszą mineralizacją [3]. W części zachodniej Zagłębia spotkać można osady chemiczne zawierające margle, wapienie, anhydryt, a czasami także sól kamienną [4]. Skład wód omawianego obszaru ściśle zależy od składu mineralogicznego skał karbońskich i uwarunkowań hydrogeologicznych. Jego cechą charakterystyczną, podobnie jak w przypadku całego GZW, jest piętrowość wód podziemnych, która zaznacza się obecnością różnowiekowych pięter wodonośnych poprzedzielanych izolującymi poziomami słabo, bądź praktycznie nieprzepuszczalnymi [2]. Obszar południowo-zachodni zaopatrzony jest w wody pochodzące głównie z czwartorzędu, a w bezpośrednim stropie piętra wodonośnego karbonu górnego występuje izolujący poziom trzeciorzędu [2]. Poziomy wodonośne czwartorzędu znajdują się w bezpośrednim kontakcie z wodami powierzchniowymi, a odprowadzanie z nich wody następuje za pośrednictwem rzek, czy wyrobisk górniczych. Takie zjawisko jest szczególnie widoczne w regionie północno wschodnim, podczas gdy w południowo zachodniej części występowanie poziomów wodonośnych trzeciorzędu sprawia, że wymiana wody jest utrudniona. Jest to konsekwencją bardzo małej przepuszczalności tych warstw. [2] Skład chemiczny wód południowo-zachodniej części GZW i czynniki go kształtujące Pierwsze zapiski odnośnie składu chemicznego wód obszaru GZW sięgają końca dziewiętnastego wieku, natomiast szczegółowe badania rozpoczęły się dopiero w okresie rozwoju górnictwa [1]. Od tego momentu pojawiło się bardzo dużo opracowań dotyczących charakterystyki składu wód omawianego obszaru. Duże zasługi na tym polu odnieśli Pałys, Różkowski, Kleczkowski, Wilk i inni [1]. Interesująca pod względem składu chemicznego okazała się właśnie część południowozachodnia GZW. W rejonie tym wykryto, że wraz z głębokością następuje wzrost mineralizacji, a także ogólna zależność polegająca na wzbogacaniu się wód w niektóre kationy i aniony. Nie dotyczy to jednak jonów siarczanowych i węglanowych [2]. Podstawowe kationy, aniony i metale ciężkie zidentyfikowane na całym obszarze GZW, a także zakres stężeń w jakich występują w wodach dołowych, zostały przedstawione w tabeli 1.1 [1,2]. Wody kopalń omawianego regionu GZW charakteryzują się różną zawartością zanieczyszczeń. Twardość ogólna sięga od 0,11 do 887,32 mval/dm 3, a twardość węglanowa od 0,00 do 98,30 mval/dm 3 [2]. Wody słone są bardzo twarde, a opisuje je twardość niewęglanowa, czyli sumaryczna zawartość chlorków i siarczanów, a także ph w zakresie od 4,2 9,9 [2]. W wyniku hydrolizy niejednokrotnie wzbogacone są one również w jony metali ciężkich (tab.1.1). Wody pochodzące z głębszych pokładów praktycznie we wszystkich kopalniach rejonu 8

9 zawierają sód (Na), potas (K), azot amonowy (N-NH 4 ), żelazo (Fe), chlorki (Cl), bar (Ba) i mają obniżone ph. Na uwagę zasługuje również fakt dużej aktywności promieniotwórczej spowodowanej anomalią radiohydrochemiczną wynikającą z dużych stężeń izotopów radu (szczególnie 226 Ra) [1,5]. Oprócz południowo-zachodniej części GZW do najbardziej zanieczyszczonych zaliczana jest również jej część centralna. Tab Główne jony i pierwiastki, oraz ich stężenia, występujące w wodach dołowych GZW [1,2] Główne kationy Główne aniony Metale ciężkie Pierwiastki promieniotwórcze Nazwa Stężenie [mg/dm 3 ] Ca 2, Mg 0, ,90 Na 1, K 0, Fe(ogólne) 0,01 295,00 NH 4 0,003 95,00 Ba 0,00 824,50 Sr 0,00 49,13 B do 3,50 Li do 40,00 HCO 3 4, ,30 SO 4 0, ,48 Cl 0, ,00 N-NO 3 0,00 40,00 J 0,00 125,00 Br 0,00 287,60 PO 4 0,00 11,20 Cr 0,05 1,00 Cu 0,15 0,25 Ni 0,30 1,40 Cd 0,16 0,75 Pb 1,4 1,60 Co 0,80 Zn 0,15 1,00 Mn do 6, Ra do 95,60 Bq/dm 3 Reasumując wody dołowe kopalń południowo-zachodniej części GZW są w znaczącym stopniu zanieczyszczone geogenicznie, w przeciwieństwie do wód kopalń części północno wschodniej, gdzie niejednokrotnie zanieczyszczenia te nie występują [6,7]. Skład chemiczny wód podziemnych zależy ściśle od mineralizacji, która określa intensywność i czas oddziaływania ośrodka skalnego z wodą, a dla utworów karbonu charakteryzuje się zmiennością w granicach od 0,2 372 g/dm 3 [2]. W przypadku wód podziemnych GZW obserwuje się zróżnicowanie składu chemicznego w zależności od mineralizacji i wyróżnia się następujące typy wód [2]: słodkie mineralizacja jest mniejsza od 1 g/dm 3 wody typu HCO 3 -Ca, HCO 3 -SO 4 -Ca, SO 4 -HCO 3 -Ca, słabo mineralizowane mineralizacja w granicach od 1 3 g/dm 3 wody wielojonowe, 9

10 średnio zmineralizowane mineralizacja w granicach od 3 10 g/dm 3 wody wielojonowe przechodzące ze wzrostem mineralizacji do wód typu Cl- Na. Są to wody występujące głównie w strefie utleniającej, wysoko zmineralizowane mineralizacja w granicach od g/dm 3 wody typu Cl- Na występujące zarówno w strefie utleniającej, jak i redukującej, solanki mineralizacja powyżej 35 g/dm 3 - wody typu Cl-Na i Cl-Na-Ca występujące tylko w strefie redukcyjnej. Wody wodorowęglanowe występują głównie w skałach wapiennych i osadach czwartorzędowych (piaskach i żwirach), a w obecności minerałów siarczanowych mogą przechodzić w wody wodorowęglanowo siarczanowe lub zupełnie ustępować miejsca siarczanom. Wraz z głębokością wody wodorowęglanowe są wypierane przez wody o zwiększonej zawartości chlorków. W wodach GZW obserwuje się ogólną tendencję wzrostu zasolenia wód wraz z głębokością oraz zmianę składu chemicznego wód, poprzez wzbogacanie ich w pierwiastki ziem alkalicznych kosztem jonu sodowego [2,8]. Zjawisko to nosi nazwę strefowości hydrochemicznej i najlepiej dostrzegalne jest właśnie w rejonie południowo-zachodnim. Pomimo jego występowania miejscami w południowo-zachodnim subregionie następuje jednak wyraźne wysładzanie wód, obniżenie mineralizacji i głębokości stropu solanek [2]. Działalność górnicza przyczynia się bowiem do występowania zjawiska tzw. inwersji hydrochemicznej, powodującego obniżenie mineralizacji do 50 g/dm 3, a nawet 30 g/dm 3 i do zróżnicowania układu powierzchni występowania solanek [2]. Skład chemiczny wód dopływających do obszaru południowo-zachodniej części GZW, jak również stopień ich zanieczyszczenia uwarunkowany jest wpływem czynników pochodzenia geogenicznego i antropogenicznego. Z pośród czynników naturalnych wyróżnić można warunki geograficzne (rzeźba terenu, hydrografia i klimat), geologiczne (skład mineralny skał, procesy wietrzenia, tektonika, diageneza) i hydrogeologiczne [2]. Istotne są również procesy hydrogeochemiczne, a wśród nich wszystkie zjawiska fizyczne i chemiczne (dyfuzja, adsorpcja, ługowanie, rozpuszczanie, utlenianie i redukcja itp.), które powodują przenoszenie, wzbogacanie lub zubożenie wód w różnego rodzaju składniki. Największy udział w kształtowaniu chemizmu wód podziemnych ma jednak działalność górnicza. Eksploatacji towarzyszą zawały, spękania i odprężanie skał, co w konsekwencji powoduje łączenie się różnych poziomów wodonośnych, które naturalnie były izolowane. Na transformację składu chemicznego wód ogromny wpływ wywierają zjawiska utleniania ośrodka skalnego, niejednokrotnie będące konsekwencją wzmożonej eksploatacji górniczej. W wyniku utleniania się minerałów siarczkowych (piryt, markasyt) wody dołowe zostają zanieczyszczone 10

11 geogenicznie. Działalność górnicza jest również związana z lokowaniem w wyrobiskach górniczych odpadów energetycznych pochodzących z elektrowni i elektrociepłowni, jak również drobnoziarnistych odpadów górniczych transportowanych na powierzchnię wraz z wydobywanym węglem. Oprócz tego w wyrobiskach górniczych występują wody przemysłowe wykorzystywane głównie w celach technologicznych (przygotowywanie podsadzki, zraszanie kombajnów, cele przeciwpożarowe i wypełnianie pustek podziemnych) [1]. Wskutek tego wody kopalniane są tak naprawdę wodami mieszanymi i składają się z [1]: wód naturalnie dopływających do kopalń (skład chemiczny ukształtowany przez procesy pochodzenia geogenicznego, a także naturalne procesy wywołane działalnością górniczą), wód dopływających do kopalń i zanieczyszczonych antropogenicznie w środowisku kopalni, wód wykorzystywanych w celach technologicznych. Nieocenioną pomoc w rozpoznaniu pochodzenia wód kopalnianych dostarczają badania izotopowe ich składu, a głównie izotopów 3 H, 14 C, 18 O, 2 H [2]. Metody badań zostały opracowane w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych ubiegłego stulecia i wykorzystywane były przez wielu badaczy do określenia genezy i wieku wód [1]. Pozwalają one określić naturalne pochodzenie wód podziemnych, czyli okres geologiczny, w którym zostały ukształtowane. Szczególnie istotne okazały się wyniki uzyskane przez Plutę i Zubera [1,9,10], którzy na podstawie badań izotopowych δ 18 O, δ 2 H określi pochodzenie wód dopływających do Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Genezę wód i wpływ czynników naturalnych i antropogenicznych na ich jakość określono wykonując również badania składu izotopów siarki i tlenu siarczanów. Badania takie prowadziła Pluta [1,4] i polegały one na oznaczeniu składu izotopowego δ 34 S i δ 18 O, czyli względnych odchyleń stosunków izotopów siarki i tlenu w stosunku do wzorców. Wzorcem siarki jest siarka meteorytowa (CDT), a wzorcem tlenu woda oceaniczna (SMOW). Badania składu izotopowego wykonuje się za pomocą techniki Spektrometrii Mas. W południowo-zachodnim regionie GZW wyróżnia się dwa obszary, różniące się składem chemicznym wód, a przede wszystkim zawartością pierwiastków śladowych. Głównym kryterium podziału obszaru są badania naturalnej zawartości pierwiastków promieniotwórczych [3]. Na podstawie tych badań opisywany obszar dzieli się na dwa: region wschodni o dużej zawartości radu (izotop 226 Ra). Zawartość pierwiastka radu w wodach świadczy o występowaniu w tym rejonie warunków redukcyjnych, region zachodni o dużej zawartości uranu. Obecności tego pierwiastka sprzyja środowisko utleniające. 11

12 Region wschodni południowo-zachodniej części GZW, w związku z występowaniem warunków redukcyjnych obfituje w jony baru i izotopy radu, a praktycznie pozbawiony jest jonów siarczanowych. Dotyczy to głównie wód dołowych dopływających do kopalń Borynia, Jankowice (część wschodnia), Jas-Mos, Krupiński, Marcel (część wschodnia Szyby Marklowickie), Pniówek i Zofiówka. Region zachodni zaś, z uwagi na obecność uranu i warunki utleniające, bogaty jest w jony siarczanowe. Dotyczy to głównie kopalń Chwałowice, Marcel (część macierzysta) i Jankowice. Z pozoru tego typu rozbieżności w składzie chemicznym wód odprowadzanych z poszczególnych kopalni nie mają istotnego znaczenia. Sytuacja staje się jednak kłopotliwa w momencie przedostania się ich do wód powierzchniowych. Dochodzi wówczas do wytrącania szkodliwych dla flory i fauny osadów stałych Źródła jonów siarczanowych w wodach południowo-zachodniej części GZW Zawartość siarki w skorupie ziemskiej wynosi około 0,06%. Najczęściej występuje ona w postaci nieorganicznych związków, takich jak: piryt, rzadziej markasyt i melikowit, galena, sfaleryt i chalkopiryt, natomiast główne minerały siarczanowe to: gips, anhydryt, baryt, jarosyt, celestyn [11,12]. Może ona również występować w postaci siarki organicznej. W wodach podziemnych swoją obecność zaznacza głównie w postaci jonów siarczanowych (SO 2-4 ), których stężenia mogą się wahać w zależności od rozpuszczalności odpowiednich minerałów. W naturalnych wodach podziemnych stężenia siarczanów dochodzą do 2 g/dm 3, a w wodach zasolonych i solankach mogą wzrastać, przy czym najwyższe wartości odnotowano w przypadku rozpuszczania się magnezowo-potasowych soli siarczanowych [8]. Podwyższone stężenia siarczanów zanotowano również przy jednoczesnej obecności w wodzie jonów wapnia i wodorowęglanów [13]. Występowanie siarczanów w wodach dołowych dopływających do południowo-zachodniej części GZW, jak już wcześniej wspomniano, jest ściśle związane z uwarunkowaniami hydrogeologicznymi skał karbonu. Zawartość siarki sięga w nich do kilku procent, a stężenia siarczanów w poszczególnych kopalniach tego rejonu wahają się od zera (poniżej granicy wykrywalności) nawet do 8 g/dm 3 [11,12]. W naturalnych wodach podziemnych południowej części GZW nie stwierdza się obecności siarczanów. Powszechnie występują one za to w jego części zachodniej pokrytej ilastymi osadami trzeciorzędu zabezpieczającymi przed infiltracją wód. Mimo izolacji od powierzchni to właśnie tam występują najwyższe stężenia jonów siarczanowych. Wynika to głównie z panujących tam warunków utleniających, które sprzyjają powstawaniu siarczanów. Zawartość ich generalnie nie zależy od zasolenia (obecności 12

13 chlorków), choć w niektórych kopalniach obserwuje się wzrost stężenia siarczanów wraz ze głębokością i stężeniem chlorków [11]. Naturalnym źródłem siarczanów w wodach dołowych jest: rozpuszczanie minerałów siarczanowych (żyły siarczanowe, żyły węglanowosiarczanowe), utlenianie minerałów siarkowych zawartych w skałach karbońskich (piryt), utlenianie siarki organicznej, bakteryjna redukcja siarczanów, będąca źródłem cięższego izotopu siarki w wodzie ( 34 S). Przy ustalaniu źródła pochodzenia siarczanów wykorzystuje się wspomniane wcześniej badania składu izotopów siarki i tlenu siarczanów. Pomimo, iż skład izotopowy siarki w skorupie ziemskiej i w siarczanach jest niemal identyczny jak ten występujący w meteorytach, na obszarze południowo-zachodniego subregionu GZW można spotkać miejsca, których wody charakteryzuje zwiększona zawartości zarówno lżejszego, jak i cięższego jej izotopu. Siarczany pochodzące z różnych okresów geologicznych charakteryzują odmienne składy izotopowe siarki i tlenu. Istotne znaczenie mają procesy biologiczne zachodzące w wodach naturalnych, jak na przykład redukcja bakteryjna. Powoduje ona, że siarczany pozostające w wodach wzbogacone są w cięższy izotop siarki ( 34 S), podczas gdy lżejszy izotop ( 32 S) przedostaje się do gazowego produktu redukcji, jakim jest siarkowodór [4]. Zmiany izotopu tlenu ( 18 O) następują zaś na skutek kontaktu wody z tlenem atmosferycznym, oraz na skutek wzrostu temperatury [4]. Na kształtowanie się składu chemicznego wód omawianego obszaru istotny wpływ wywierają siarczany wprowadzane do wód na skutek eksploatacji górniczej. Głównymi źródłami siarczanów w tym przypadku są [14]: odpady energetyczne lokowane w nieczynnych wyrobiskach górniczych: o popioły lotne pochodzące ze spalania węgla i żużle, o produkty odsiarczania spalin, drobnoziarniste odpady górnicze transportowane na powierzchnię wraz z wydobywanym węglem. Działalność górnicza powoduje, że skład chemiczny wód obszaru GZW ulega zmianie na przestrzeni lat. W wodach regionów, w których dotychczas nie spotykało się siarczanów mogą pojawiać się podwyższone ich stężenia. W wyniku eksploatacji w pustakach poeksploatacyjnych wyrobisk górniczych następuje rozpuszczanie się produktów utleniania minerałów siarczkowych, takich jak piryt czy markasyt. Wymywanie powstałych związków powoduje wzrost stężenia siarczanów i zakwaszenie wody [15]. Jest to przykład zmian geogenicznych wywołanych czynnikami antropogenicznymi. 13

14 Zawartość ciężkich izotopów siarki i tlenu w siarczanach wód całego obszaru GZW jest ściśle związana z charakterem ich źródła. Skład izotopowy siarki i tlenu jest inny nie tylko dla poszczególnych źródeł antropogenicznych, ale również dla różnych źródeł naturalnych. W tabeli 1.2 zestawiono orientacyjne składy izotopowe siarki i tlenu (δ 34 S i δ 18 O) w siarczanach występujących w wodach obszaru GZW, a pochodzących ze źródeł naturalnych i antropogenicznych [4,13,14]. Głównym źródłem siarczanów, szczególnie w południowo-zachodniej części GZW są minerały siarczanowe powstałe w okresie trzeciorzędu (ewaporaty trzeciorzędu). Zostały one zidentyfikowane między innymi w tych wyrobiskach górniczych niektórych kopalń, w których nie składowano odpadów (kopalnia Chwałowice) [4,14]. Na skład izotopowy siarczanów znaczący wpływ wywarła postępująca krystalizacja minerałów, jak również redukcja bakteryjna (kopalnia Marcel, Chwałowice), powodująca zwiększenie zawartości cięższego izotopu do około 35 (tab.1.2). Na omawianym obszarze GZW spotyka się również wody o zawartości siarczanów charakterystycznej dla utworów permu, triasu, jury lub kredy (kopalnia Zofiówka), a także siarczany pochodzące z utleniania minerałów siarkowych, będących efektem pirytyzacji siarczanów tych okresów (kopalnia Jankowice) [4]. W wodach niektórych kopalń południowo-zachodniej części GZW wyodrębnione zostały siarczany, które zawierają znacznie mniej ciężkich izotopów siarki i tlenu. Ich źródłem jest utlenianie związków siarki powstałych ze spalania węgla, ropy naftowej i gazu, czyli związków pochodzenia organicznego (kopalnia Marcel) [4]. Siarczany powstałe na skutek utleniania związków siarki organicznej charakteryzuje znacznie mniejsza, w porównaniu do minerałów siarkowych i minerałów ery mezozoicznej, zawartość ciężkich izotopów siarki i tlenu (tab.1.2). Tab Zestawienie składu izotopowego siarki i tlenu (δ 34 S i δ 18 O) charakterystycznego dla głównych źródeł siarczanów w wodach GZW [1,4,13,14,15,16] Źródło siarczanów Pochodzenie siarczanów 34 S [ ] 18 O [ ] Naturalne Minerały ery mezozoicznej (od triasu do trzeciorzędu) +11,96 +14,27 Minerały siarczanowe (ewaporaty trzeciorzędu występujące w wodach południowo-zachodniej części GZW) Antropogeniczne Utlenianie minerałów siarkowych (siarczków będących efektem pirytyzacji siarczanów okresu od premu do trzeciorzędu) +12,06 +14,12 ok ok ,28 +23,67-5,41 +6,89-4,67-2,28 +0,75 +1,41 Utlenianie siarkowodoru / siarczku (reakcja z węglanem wapnia) Utlenianie siarki organicznej +3,06 +4,26 Utlenianie minerałów siarczkowych ok. +8,4 ok. -0,7 (utlenianie w pustkach poeksploatacyjnych, czego efektem są tzw. kwaśne wody) Odpady Popioły lotne +4,31 +8,53 energetyczne Żużle +4,36 +6,32 Produkty odsiarczania -2,71 +1,91 spalin Poflotacyjne odpady górnicze +4, ,22 +1, ,99 +5, ,60,40-3,15-2,32 14

15 Ilość siarczanów w wodach kopalnianych może się zwiększać na przestrzeni lat. Wzmożona działalność górnicza przyczynia się do zaburzenia naturalnej budowy geologicznej, poprzez tworzenie pustek poeksploatacyjnych, uskoków i spękań, a także rozluźnienie skał [15]. Dodatkowo wentylacja kopalń sprawia, że do pustek poeksploatacyjnych dostaje się powietrze, a procesy wietrzenia fizycznego i chemicznego powodują utlenienie minerałów siarczkowych zawartych w rozluźnionych skałach. Wymywanie produktów utlenienia przez wodę sprzyja jej wzbogaceniu w jony wodorowe (zakwaszanie wody), siarczany i metale, a głównie żelazo [1,15]. Tego typu procesy przyczyniają się do wzrostu stężeń siarczanów na obszarach, w których wcześniej ich nie notowano (kopalnia Pniówek, Jas-Mos). Reakcja powstawania siarczanów w procesie utleniania minerałów siarkowych przebiega zgodnie z sumarycznym równaniem (1.1) [1,15]: FeS /4O 2 + 7/2H 2 O Fe(OH) 3 + 2SO H + (1.1) Sam proces przebiega w dwóch etapach. Najpierw następuje utlenienie disiarczku, a następnie utlenienie jonów żelaza (II) do jonów żelaza (III): FeS 2 + 7/2O 2 + H 2 O Fe SO H + (1.2) Fe /4O 2 +H + Fe 3+ +1/2H 2 O (1.3) Powstałe w opisanym powyżej procesie siarczany wzbogacone są w lżejszy izotop tlenu pochodzący głównie z tlenu zawartego w wodzie. Niska zawartość ciężkiego izotopu siarki wskazuje zaś na to, że źródłem siarczanów były minerały siarczkowe (piryt, markasyt) [1]. Zmiany ilości siarczanów mogą być związane z obecnością, jak wcześniej wspomniano, jonów wapniowych, wodorowęglanowych i wyczuwalnym siarkowodorem [13,16]. Na skutek procesów wymywania i mieszania się wód, a także wskutek działalności bakterii w pustkach poeksploatacyjnych dochodziło do redukcji siarczanów do siarkowodoru, a następnie jego utlenianie do siarczanów z udziałem węglanu wapnia (zlikwidowana kopalnia Morcinek). Procesy przebiegały według reakcji przedstawionych poniżej, a szczegółowo opisane zostały przez Plutę [13,16]: SO C + 2H 2 O= H 2 S + 2HCO 3 - H 2 S +2CaCO 3 +2O 2 = 2Ca HCO SO 4 2- (1.4) (1.5) 15

16 Siarczany powstające według przedstawionych powyżej reakcji charakteryzują się bardzo małą zawartością ciężkiego izotopu siarki (tab.1.2), gdyż siarkowodór, z którego powstały bogatszy był w lżejszy jej izotop ( 32 S). Niska zaś zawartość ciężkiego izotopu tlenu w siarczanach (tab.1.2) wynika z faktu, że w procesie utleniania siarkowodoru głównym medium kontaktującym się z reagentami była woda o niskiej zawartości ciężkiego izotopu tlenu (-10 ), a reagentami oprócz siarkowodoru były bogate w izotop 18 O tlen atmosferyczny (+23 ) i węglany (+30 ) [13,14,16]. Wpływ działalności górniczej na wzrost stężenia siarczanów wynika również z faktu lokowania w pustkach poeksploatacyjnych materiałów będących odpadami energetycznymi i górniczymi. Badania izotopowe siarczanów pozwalają jednoznacznie określić rodzaj źródła z jakiego dane odpady pochodzą, a różnorodna zawartość ciężkich izotopów siarki i tlenu w siarczanach odpadów energetycznych i górniczych wynika przede wszystkim z odmiennej technologii ich wytwarzania [14]. I tak, siarczany pochodzące z odpadów energetycznych i poflotacyjnych charakteryzują niskie zawartości ciężkiego izotopu siarki w porównaniu do siarczanów wód naturalnych, przy czym najniższe wartości uzyskano dla produktów odsiarczania spalin (tab.1.2). Zawartość cięższego izotopu tlenu jest największa dla popiołów lotnych i znacznie przewyższa jego ilość w wodach naturalnych. Najniższa zaś jest dla odpadów poflotacyjnych Źródła jonów barowych w wodach dołowych kopalń regionu GZW Bar jest pierwiastkiem powszechnie występującym w skałach skorupy ziemskiej, ale jego zawartości, jak podaje literatura [8], jest niewielka i wynosi około 425 mg/kg. Niska rozpuszczalność jego głównych minerałów, barytu BaSO 4 i witerytu BaCO 3 sprawia, iż zawartość baru w wodach powierzchniowych, słodkich i słabo zmineralizowanych jest bardzo mała. Wiąże się to również z faktem, iż bar z łatwością ulega sorpcji przez minerały ilaste, związki siarki, a także łączy się w konkrecje żelazowo-manganowe i fosforanowe [8]. Obecności baru w wodach słonych i solankach sprzyjają warunki redukcyjne, a także jony chlorkowe, z którymi, podobnie jak magnez i wapń, tworzy łatwo rozpuszczalne sole. Głównym jednak regulatorem ilości baru w wodach są jony siarczanowe. Podwyższone stężenia jonów baru występują tylko w wodach ich pozbawionych. W wodach dołowych bar występuje głównie w południowej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, czyli na obszarze hydrogeologicznie zamkniętym, gdyż występujący tam karbon pokryty jest ilastymi osadami miocenu o grubości uniemożliwiającej infiltrację wód z powierzchni [8]. Bar dostał się do utworów karbonu prawdopodobnie podczas ich tworzenia, 16

17 przy sprzyjających warunkach redukcyjnych, a jego zawartość w węglach górnośląskich wynosi około 112 mg/kg [17]. W skałach osadowych bar znajduje się w postaci izomorficznych domieszek w rozdrobnionych minerałach glinokrzemianowych [18]. Zawartość baru ściśle zależy od stopnia klastyczności skał, z tego też powodu jest go więcej w skałach iłowcowo- mułowcowych, niż w innych grubiej ziarnistych [8]. Jak podaje literatura [19] w iłach i łupkach ilastych średnia zawartość baru wynosi 0,045%, a w piaskowcach 0,02%. W większości wód podziemnych stężenie baru nie powinno przekraczać 1 mg/dm 3, przy czym na obszarze południowo- zachodniej części GZW stężenia jego dochodzą nawet do 1507 mg/dm 3 i wahają się w zależności od stopnia mineralizacji wód i głębokości [8]. Poza obszarem południowym GZW w wodach podziemnych prawie nie spotyka się baru, za wyjątkiem głębiej położonych poziomów (1050 m), jak to ma miejsce np. w kopalni Chwałowice i Marcel. Stężenie baru w wodach dołowych ściśle zależy od głębokości, a w różnych miejscach zależność ta kształtuje się inaczej. Przykładem może być zlikwidowana kopalnia Morcinek, w której stężenie baru, jak podaje Pluta [8], zmieniało się od 35 mg/dm 3 na poziomie 650 m do 790 mg/dm 3 na poziomie 1100 m. Na tym samym poziomie 650 m w kopalni Jas-Mos stężenie baru wynosiło jednak znacznie więcej, bo aż 580 mg/dm 3. Występowanie baru w wodach dołowych jest ściśle związane ze wspomnianym wcześniej zjawiskiem strefowości hydrochemicznej [2,8]. Szybkość tego zjawiska jest jednak różna w poszczególnych kopalniach, a najbardziej widoczna jest w kopalni Borynia. Dane literaturowe [8] za okres od podają, że przy stężeniach jonów chlorkowych od 5 g/dm 3 do 70 g/dm 3 zawartość baru kształtowała się w granicach od 50 mg/dm 3 do 1900 mg/dm 3. Znacznie mniejsze wahania stężeń baru zanotowano w kopalni Silesia [8], gdzie w latach zawartość baru przy stężeniu chlorków od 15 g/dm 3 do 45 g/dm 3, sięgała od 10 mg/dm 3 do 180 mg/dm 3. Przyczyną tak dużych wahań stężeń baru w wodach kopalni Borynia jest ich geneza. Wody te pochodzą z serii bardziej mułowcowych niż w drugiej kopalni i górnośląskiej serii piaskowcowej o zwiększonej zawartości jonów chlorkowych, co sprzyja obecności baru Promieniotwórczość wód dołowych południowo-zachodniej części GZW Promieniotwórczość wód jest związana z występowaniem w nich pierwiastków promieniotwórczych, które lokalnie mogą pojawiać się w utworach skalnych. Głównymi pierwiastkami promieniotwórczymi występującymi w solankach południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego jest uran, którego zawartość dochodzi do 4,1 µg/dm 3 [9], rad ( 226 Ra) pochodzący z szeregu 238 U i rad ( 228 Ra) z szeregu toru ( 232 Th). Z pośród izotopów uranu bardziej aktywny jest izotop 234 U, a w przypadku radu izotop 226, którego stężenie 17

18 w wodach dołowych może osiągać wartości do 390 kbq/m 3 w wodach powierzchniowych nie przekraczającej 0,1 kbq/m 3 [2,20,21]. przy zawartości tego izotopu Zawartość pierwiastków promieniotwórczych kształtuje się różnorodnie na całym obszarze GZW i ściśle zależy od jego budowy geologicznej i hydrogeologicznej. I tak w regionie południowo zachodnim zawartości izotopu radu 226 sięgają nawet kilkunastu kbq/m 3, podczas gdy w subregionie północno-wschodnim GZW mieszczą się w granicach od 0 do 6,8 kbq/m 3 [2]. Promieniotwórczość wód, jak wcześniej wspomniano, zależy od budowy geologicznej, a co za tym idzie od naturalnej promieniotwórczości skał karbonu i utworów leżących nad nimi, przez które infiltrują wody. Informacje literaturowe [9,2] sugerują jednak, że to właśnie promieniotwórczość wód ma główny wpływ na kształtowanie obecnej promieniotwórczości skał karbonu. Według nich, wód o największym stężeniu uranu, będącego głównym źródłem izotopu radu 226, można się spodziewać w regionach GZW, w których występują wzbogacone w ten pierwiastek wody trzeciorzędowego cyklu infiltracyjnego (południowo-zachodnia część GZW). Występowaniu radu w wodach dołowych mogą towarzyszyć inne pierwiastki i związki chemiczne. Istotną rolę odgrywa zasolenie wód i obecność w nich jonów baru, których zawartość może dochodzić nawet do 1,5 kg/m 3 [20]. Ze względu na obecność baru wody radowe podzielono na dwa typy, które były punktem wyjścia przy klasyfikacji obszaru południowozachodniego GZW na wschodni i zachodni region [21]: wody typu A zawierające rad i jony baru, wody typu B zawierające rad i jony siarczanowe. W wodach typu A występują wyższe stężenia radu, przy przeważającej ilości izotopu 226, ale brak jest jonów siarczanowych. W wodach typu B występuje znacznie więcej izotopów radu, zarówno 226, jaki i 228, ale brak jest jonów baru. Obecność baru w wodach radowych odgrywa dość istotną rolę. W wodach typu A pozawala ona na współstrącenie radu w postaci osadu na skutek łączenia się tych wód z wodami siarczanowymi. W przypadku braku jonów baru sytuacja ulega skomplikowaniu. Usunięcie pierwiastków promieniotwórczych nastręcza trudności, gdyż konieczne jest opracowywanie sposobów ich usuwania, tak aby zminimalizować zagrożenie spowodowane ich obecnością. 18

19 2 Oddziaływanie wód dołowych odprowadzanych z kopalń południowozachodniej części GZW na ekosystem rzeki Odry i jej dopływów Bardzo poważnym problemem w ochronie środowiska naturalnego jest zatruwanie wód powierzchniowych. Źródła zanieczyszczeń mogą być różne począwszy od komunalnych, a kończąc na przemysłowych. Znaczący udział ma jednak działalność górnicza, a przede wszystkim zanieczyszczenia występujące w wodach dołowych odprowadzanych bezpośrednio do rzek z kopalń węgla kamiennego Charakterystyka hydrograficzna dorzecza Odry Południowo-zachodnią cześć GZW charakteryzują wody podziemne pochodzące głównie z czwartorzędu. W dolinach rzek zalegają żwiry i piaski o miążności od kilku do kilkunastu metrów [22]. Poza dolinami znajdują się piaski, gliny i lessy. Podłoże glebowe stanowią zaś mady lekkie, średnie i ciężkie, piaski rzeczne oraz kompleksy gleb mułowo-bagiennych, murszowych i torfowych [22]. Głównym ciekiem odwadniającym omawiany teren, a zarazem objętym badaniem jest rzeka Odra. Swój początek Odra bierze na stoku góry Fidlur (634 m n.p.m.) w Sudetach Wschodnich na terenie Czech. Długość jej szacowana jest na 854,3 km, z czego w granicach Polski znajduje się 741,9 km [23]. Dorzecze Odry obejmuje km 2, w tym na obszarze Polski znajduje się km 2, na obszarze Czech 6453 km 2 i na obszarze Niemiec 5587 km 2 [23]. Równie istotna jest będąca prawym dopływem Odry rzeka Olza o długości 86,2 km i powierzchni zlewni 1118 km 2, a także rzeki Szotkówka i Leśnica [22,23]. Lewym dopływem Odry jest zaś biorący początek na terenie Czech potok Bełk. Pozostałe rzeki występujące na omawianym obszarze to: rzeka Ruda i jej dopływ rzeka Nacyna, rzeka Jastrzębianka będąca dopływem Szotkówki i rzeki Pszczyna i Pawłówka. Średni roczny przepływ Odry wynosi 42,3 m 3 /s (profil Chałupki), a największe średnie miesięczne przepływy przypadają na marzec, najniższe zaś na wrzesień [22,23]. Podobnie sytuacja przedstawia się w profilu Krzyżanowice Główne zanieczyszczenia odprowadzane do rzeki Odry i jej dopływów Silnie zurbanizowane i uprzemysłowione tereny Karviny (Czechy) i Rybnickiego Okręgu Węglowego (ROW) są źródłem przede wszystkim zasolonych wód dołowych. Odprowadzanie ich bezpośrednio do Odry, a także do mniejszych rzek na tym terenie powoduje antropogeniczne zaburzenia przepływu, a także wpływa bardzo niekorzystnie na ich florę i faunę. Dotyczy to głównie rzeki Olzy, a także Szotkówki i Leśnicy. W ostatniej z rzek doszło do całkowitej 19

20 dewastacji flory i fauny. Jednocześnie w rzece Olzie zanotowano 10-krotne przekroczenie norm II- klasy czystości (tab.1.4 zał.1). Zanieczyszczenia występujące w wodach kopalnianych są pochodzenia geogenicznego, ale także antropogenicznego. Wzmożona eksploatacja górnicza, a także stosowana profilaktyka przeciwpożarowa spowodowała, że wody dołowe wzbogaciły się w jony żelaza (Fe 2+, Fe 3+ ). Obecności ich towarzyszy znaczne obniżenie ph, co bardzo niekorzystnie wpływa na ekosystem rzeczny, powodując zakwaszenie wód powierzchniowych. W niektórych kopalniach zanotowano również znacznie przekraczające dopuszczalne dla wód dołowych ilości azotu amonowego (NH 4 + ) [1]. Powszechnie w wodach występują jony sodu, wapnia i magnezu, a niekiedy fosfor. Największym zagrożeniem wydają się być występujące w wodach dołowych w bardzo dużych stężeniach jony chlorkowe, siarczanowe, jony baru i towarzyszące im promieniotwórcze izotopy radu ( 226 Ra), a także zawiesiny ogólne. Jony chlorkowe powodują zasolenie słodkich wód, a powstałe na skutek połączenia się jonów baru i siarczanów białe osady siarczanu baru, niejednokrotnie zanieczyszczone, zalegają dna zbiorników, strumieni i rzek. Szczególnie groźne są zawiesiny, czyli zawieszone w wodzie drobne cząstki mineralne, piaszczyste, pylaste, ilaste i organiczne o różnym stopniu rozdrobnienia ziaren Kryteria i normy prawne jakości wód powierzchniowych i kopalnianych Wypompowywane na powierzchnie wody kopalniane, w obliczu występujących w nich zanieczyszczeń, stanowią poważne zagrożenie dla cieków powierzchniowych. Są one niejednokrotnie skażone, czyli zawierają w swoim składzie substancje, które nie występują w nich naturalnie. Można mówić tu o skażeniu chemicznym, bądź termicznym [24,25,26]. Wprowadzanie do wód substancji szkodliwych np. wód dołowych czyni je mniej przydatnymi głównie do spożycia, ale również do celów przemysłowych i komunalnych. Aby ocenić ich przydatność stosuje się tzw. wskaźniki jakości wód [1,24,27,28]. Jest to zbiór wybranych parametrów, których dopuszczalne wartości określone są odpowiednimi normami prawnymi. Szerszymi pojęciami, mówiącymi o zanieczyszczeniu wody są tzw. wskaźniki zanieczyszczenia. Dotyczą one parametrów, które w określonych warunkach należy zbadać, aby ocenić stopień zanieczyszczenia wód [1,28]. W wielu przypadkach obie przedstawione wyżej definicje są stosowane zamiennie, co wynika głównie z faktu, że podczas określania jakości i zanieczyszczenia wód stosuje się te same parametry [28]. Wskaźniki zanieczyszczeń można podzielić na jednostkowe i ogólne [28,29]. Za te pierwsze uznaje się substancje, których stężenia wzrosły na skutek zanieczyszczenia wód (siarczany, metale ciężkie), oraz te, które naturalnie w wodzie nie występowały, a przedostały się do niej na skutek zanieczyszczenia (pestycydy, detergenty, czy inne substancje organiczne). Wskaźniki 20

21 ogólne zaś zostały podzielone na trzy kategorie [24,25,28,29], wśród których występują te ujmujące całe grupy substancji zanieczyszczających (np.: sucha pozostałość, twardość ogólna, BZT 5 kategoria A), ujmujące te wskaźniki, które same nie będąc głównym składnikiem zanieczyszczeń, towarzyszą mu i są łatwe do wykrycia (np.:btx - wskaźnik zanieczyszczenia wód produktami ropopochodnymi kategoria B) i ujmujące te wskaźniki fizykochemiczne i organoleptyczne, które informują o zmianie warunków wskutek oddziaływania zanieczyszczeń (przewodność elektryczna, ph, temperatura wody i barwa kategoria C). Podczas badania zanieczyszczenia wody w pierwszej kolejności wykonuje się pomiary wskaźników ogólnych, a następnie w celu rozpoznania szczegółowego zanieczyszczenia dokonuje się pomiarów wskaźników jednostkowych. Ogólnie wśród wskaźników jakości wód można wyróżnić parametry fizykochemiczne, biologiczne i tlenowe [24,25,27]. Do tych pierwszych zalicza się ogólna mineralizacja, suma zawiesin, chlorków, siarczanów, azotynów, azotanów, azotu organicznego, detergentów i fenoli. Wskaźniki tlenowe to głównie BTZ 5 pięciodobowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), stężenie i stopień nasycenia wody tlenem. Wskaźniki biologiczne obejmują różnego rodzaju bakterie, których obecność uzależniona jest od jakości wód. Stanowią one doskonały wskaźnik gdyż odzwierciedlają stan jakości wód w dłuższym okresie czasu (zdolność do akumulacji w tkankach różnego rodzaju substancji), jak również odpowiadają za procesy samooczyszczania się wód. Stan jakości wód w Polsce został ustalony w odniesieniu do potrzeb, jakim mają one służyć. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska z dnia 11 lutego 2004 roku (Dz.U r., Nr.32, poz.284), którego podstawę stanowiły ustalenia zawarte w Ustawie Prawo Wodne z dnia 18 lipca 2001 roku (Dz. U r., Nr 115, poz. 1229), wyróżniono pięć klas czystości jakim powinny podlegać wody powierzchniowe i podziemne wykorzystywane do spożycia przez ludzi. Klasyfikacja ta obejmuje wody o bardzo dobrej jakości (klasa I), dobrej jakości (klasa II), zadawalającej jakości (klasa III), oraz wody niezadowalającej jakości (klasa IV) i złej jakości (klasa V). Oceny stanu wód powierzchniowych dokonuje się na podstawie analizy 52 wskaźników zanieczyszczeń. Na rysunku 2.1 przedstawiono klasyfikację wód powierzchniowych z uwzględnieniem podstawowych wskaźników zanieczyszczeń charakterystycznych dla wód południowo-zachodniej części GZW. Pełen wykaz wskaźników jakości i ich wartości graniczne w poszczególnych klasach zamieszczono w tabeli 1.1 zał. 1 do pracy. Przedstawiona na rysunku 2.1 klasyfikacja jakości wód powierzchniowych różni się znacznie w stosunku do przepisów prawnych obowiązujących do 2004 roku (Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z dnia r., Dz.U. Nr

22 poz.503), których dotyczy część przedstawionych w pracy wyników. Wyróżniała ona bowiem trzy klasy czystości wód i 57 wskaźników zanieczyszczeń (tab. 1.4 zał.1). Głównym źródłem zanieczyszczenia wód powierzchniowych GZW są odprowadzane do nich wody kopalniane. Polskie górnictwo przyjmuje klasyfikację wód dołowych ze względu na stopień mineralizacji. Jest on przedstawiany jako łączna zawartości jonów chlorkowych i siarczanowych, a podział obejmuje cztery grupy, na podstawie których określa się przeznaczenie wód [30,31]: I grupa wody użytkowe o zawartości do 6,0 g Cl - + SO 4 2- / - /dm 3, II grupa wody przemysłowe o zawartości 0,6 1,8 g Cl - + SO /dm 3, III grupa wody miernie zasolone o zawartości 1,8 42 g Cl - + SO /dm 3, IV grupa solanki o zawartości powyżej 42 g Cl - + SO 4 2- /dm 3, Skład chemiczny i właściwości fizyczne wód kopalnianych są bardzo różnorodne, a to przede wszystkim decyduje o ich przeznaczeniu. Spełnienie przez wody dołowe warunków ustalonych dla wód przeznaczonych do spożycia (Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 19 listopada 2002 roku Dz. U r., Nr 203, poz.1718) pozwala na to aby mogły być one spożywane przez ludzi, bądź wykorzystywane do różnych procesów technologicznych [1]. Niejednokrotnie wody te mogą być wykorzystywane w celach leczniczych i termalnych, ale i tu podlegają szczegółowym restrykcją określonym w Rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 18 grudnia 2001 roku (Dz. U r., Nr 156, poz. 815) [1]. Wody kopalniane nie spełniające wymogów prawnych przedstawionych powyżej, zgodnie z Ustawą Prawo Wodne z dnia 18 lipca 2001 r. (Dz. U. 2001, Nr 115, poz. 1229), uznawane są za ścieki przemysłowe i jako takie powinny podlegać ocenie według siedemdziesięciu dwóch wskaźników zanieczyszczeń ustalonych na podstawie Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 8 lipca 2004 r. (Dz. U r., Nr 168, poz. 1763) [32]. Wśród nich wyróżniono 13 szczególnie niebezpiecznych, które należy eliminować ze środowiska i 59 pozostałych. Te ostatnie przedstawiono w tabeli 1.3 zał. 1 do pracy. Dodatkowo, w tabeli 1.5 zał. 1, przedstawiono wskaźniki zanieczyszczeń dla ścieków według obowiązujących do 2004 roku przepisów prawnych (Dz.U. Nr 116/1991 poz.503). Zakwalifikowanie wód kopalnianych do ścieków przemysłowych jest tylko częściowo słuszne, gdyż tak naprawdę są one wodami mieszanymi (rozdz.1), zawierającymi naturalne wody podziemne dopływające do kopalni, wody podziemne zanieczyszczone na skutek działalności górniczej i wody technologiczne. Słusznym wydaje się więc założenie, iż wody te powinny podlegać klasyfikacji według 72 wskaźników charakterystycznych dla ścieków i jednocześnie 36 wskaźników jakości wód podziemnych (tab.1.2 zał.1). Wartości graniczne tych ostatnich ustalono w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia r. w sprawie 22