Wpływ opadów kwaśnych na wody powierzchniowe na przykładzie wybranych jezior w Tatrach i Karkonoszach

Transkrypt

1 Otwarte seminaria 213 Wpływ opadów kwaśnych na wody powierzchniowe na przykładzie wybranych jezior w Tatrach i Karkonoszach dr Dorota Rzychoń Zespół DNS1 Przy realizacji pracy udział wzięli: Adam Worsztynowicz, Rudolf Bujok, Sebastian Iwaszenko, Mariusz Kalisz, Józefa Krajewska, Piotr Kubiesa, Magdalena Kwosek, Włodzimierz Łukasik, Katarzyna Samborska, Adrian Schlama, Daniel Słowikowski, Rafał Ulańczyk, Artur Wójcik

2 Obieg wody w przyrodzie

3 Kwaśna depozycja a jakość wód Przyczyny zakwaszenia wód powierzchniowych Emisja zanieczyszczeń gazowych (tlenki siarki i azotu), a następnie ich transport na dalekie odległości i depozycja w postaci kwaśnych opadów atmosferycznych Skutki zakwaszenia Zmiany w strukturze i funkcjonowaniu ekosystemów lądowych i wodnych, uszkodzenia lasów oraz wymieranie organizmów wodnych Środki zaradcze Redukcja emisji zanieczyszczeń kwasogennych, ze względu na światowy zasięg, działania naprawcze muszą być podejmowane w wyniku uzgodnień międzynarodowych.

4 Konwencja w sprawie transgranicznego zanieczyszczenia powietrza na dalekie odległości. Genewa 1979 r. Pierwsza międzynarodowa umowa regulująca różne aspekty zanieczyszczania powietrza. Ograniczenie emisji zanieczyszczeń kwasogennych do atmosfery, przez Państwa sygnatariuszy Konwencji. Grupa Robocza ds. Oddziaływań wspiera programy realizacyjne Organu Wykonawczego Konwencji poprzez działalność Międzynarodowych Programów (ICP), realizujących strategię kontroli zanieczyszczenia powietrza, włączającą długoterminowy monitoring wrażliwych receptorów zanieczyszczeń z atmosfery.

5 Międzynarodowy Program Monitoringu i Oceny Wpływu Zanieczyszczeń Powietrza na Rzeki i Jeziora (ICP-Waters) Cele programu: określenie stopnia zakwaszenia wód powierzchniowych, zebranie informacji niezbędnych do szacowania zależności stopnia zakwaszenia wód od wartości depozycji z atmosfery w różnych warunkach (klimatycznych, geologicznych itp.), rejestrację trendów zakwaszenia, scharakteryzowanie zróżnicowania składu chemicznego wód w zależności od wartości kwaśnej depozycji.

6 Metody pracy Monitoring; Opracowywanie wyników badań w ujęciu generalnym i regionalnym; Przeglądy naukowe; Bilanse zanieczyszczeń w układzie zlewniowym; Analiza trendów zmian; Modelowanie, w tym modelowanie dynamiczne.

7 Udział Polski w pracach ICP-Waters uczestnictwo w pracach ICP-Waters od 1994 r. rejestracja i ocena zmian stanu zakwaszenia dwóch jezior, Długiego i Zielonego Stawu, położonych na Hali Gąsienicowej w Tatrach Wysokich. Prace rozpoczęto w 1992 r. i kontynuowano (z przerwami) do 25 r. rejestracja i ocena zmian stanu zakwaszenia dwóch jezior, Małego i Wielkiego Stawu, położonych w Karkonoszach. Prace prowadzone były od 24 do 26 r. reaktywacja monitoringu w Tatrach i Karkonoszach w lipcu 28 r.

8 Mt/rok Cel pracy Rejestracja, ocena oraz prognoza zmian stanu zakwaszenia, wynikających ze zmieniającego się charakteru depozycji z powietrza oraz zmian klimatu, wód wybranych jezior położonych w Tatrach i Karkonoszach SO2 NOx NH3 Emisje SO 2, NO x i NH 3 z terenu Europy (Schopp i in., 23) rok

9 Zakres pracy pobór próbek wody; (ok. 2 próbek dla każdego z jezior/rok); analiza chemiczna pobranych próbek obejmująca: ph, alkaliczność, przewodnictwo oraz Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH 4+, SO 4 2-, NO 3-, Cl -, Al, Cd, Pb, Hg, chlorofil a uczestnictwo w programie interkalibracji chemicznej laboratoriów (w ramach ICP-Waters); zebranie i interpretacja danych dotyczących wielkości depozycji oraz warunków meteorologicznych w badanych zlewniach; opracowanie wyników badań (bilanse zlewniowe, analiza trendów); zastosowanie modelu MAGIC do symulacji wpływu zmian depozycji z powietrza oraz czynników zakłócających na procesy restauracji chemicznej ekosystemów wodnych. pobór i analiza próbek gleby; badania hydrologiczne.

10 Tatry Średnie stężenia głównych składników opadów atmosferycznych na Hali Gąsienicowej w 1996 r. (biały słupek) i na Kasprowym Wierchu w 28 r. (ciemny słupek) (dane własne i GIOŚ/IMGW) mval/m H Cl NO3 SO4 Na K Ca Mg NH4

11 Karkonosze - Średnie stężenia głównych składników opadów atmosferycznych na Śnieżce w 1996 r. (białe słupki) i 21 r. (ciemne słupki) - dane GIOŚ/IMGW mval/m Cl SO4 NO3 NH4 H Na K Ca Mg

12 Średnie stężenia składników zakwaszających w opadach atmosferycznych w Tatrach i Karkonoszach 6 Tatry Karkonosze 5 mval/m SO4 NH4 NO3

13 Wyniki analizy trendów dla opadów atmosferycznych w Tatrach w latach Parametr p Średni współczynnik nachylenia linii [mval/m 3 rok] Ca 2+ *** +,96 H + *** -1,66 N n.s. +,18 NH 4 + * +,28 NO 3 - n.s. -,35 SO 4 2+ *** -1,59 Poziom istotności statystycznej p zaznaczono: n.s. (nieistotny)-p>,5; *- <,1; **- p<,5; ***-p<,1; n ilość miejsc.

14 Wyniki analizy trendów dla opadów atmosferycznych w Karkonoszach w latach Parametr p Średni współczynnik nachylenia linii [mval/m 3 rok] Ca 2+ *** +1,9 H + *** -2,93 N *** -6,17 NH 4 + *** -3,75 NO 3 - *** -3,1 SO 4 2- *** -2,7 Poziom istotności statystycznej p zaznaczono: n.s. (nieistotny)-p>,5; *- <,1; **- p<,5; ***-p<,1; n ilość miejsc.

15 N/N+S N/(N+S) NH4 + /(NH4 + + NO3 - ) Stosunek depozycji związków azotu do sumy depozycji związków siarki i azotu (po lewej) oraz stosunek depozycji azotu amonowego do sumy depozycji azotu amonowego i azotanowego (po prawej),7,65,7,65,6,6,55,55 Tatry,5,5,45,45,4, rok, ,7 rok,7,65,65,6,55,5,45 NH4/NH4+NO3,6,55,5,45 Karkonosze,4,4, rok, rok

16 Tatry - parametry zlewni Zielonego i Długiego Stawu Zielony Staw Powierzchnia zlewni 37,2 ha Powierzchnia jeziora 3,84 ha Czas retencji,54 lat Opad roczny 1,67 m Długi Staw Powierzchnia zlewni 62,6 ha Powierzchnia jeziora 1,59 ha Czas retencji,9 lat Opad roczny 1,67 m

17 Karkonosze - parametry zlewni Małego i Wielkiego Stawu Wielki Staw Powierzchnia zlewni,629 ha Powierzchnia jeziora 8,72 ha Czas retencji 1 rok Opad roczny 1,16 m Mały Staw Powierzchnia zlewni 1,665 ha Powierzchnia jeziora 2,88 ha Czas retencji,5 rok Opad roczny 1,16 m

18 Tatry - Średnie stężenia głównych składników wód Długiego i Zielonego Stawu dla lat i mval/m Dlugi Staw ( ) Dlugi Staw (21-211) Zielony Staw ( ) Zielony Staw (21-211) Ca Mg Na K SO4 NO3 Cl ANC

19 mval/m 3 Karkonosze - Średnie stężenia głównych składników wód jezior dla lat Wielki Staw Mały Staw Ca Mg Na K SO4 NO3 ANC

20 ph ph i średnie stężenia wybranych składników wód jezior w Tatrach i Karkonoszach mval/m Wielki Staw Mały Staw Zielony Staw Długi Staw Ca SO4 NO Wielki Staw Mały Staw Zielony Staw Długi Staw

21 NO 3 -, mval/m 3 SO 4 2-, mval/m 3 Tatry stężenia wybranych składników wód w okresie badań Dlugi Staw Zielony Staw Dlugi Staw Zielony Staw

22 Ca 2+ + Mg 2+, mval/m 3 ANC, mval/m 3 Tatry stężenia wybranych składników wód w okresie badań 25 Dlugi Staw 2 Zielony Staw Dlugi Staw Zielony Staw

23 Wyniki analizy trendów składu chemicznego wód Zielonego i Długiego Stawu w latach Parametr p Średni współczynnik nachylenia linii trendu [mval/m 3 rok] Długi Staw ANC *** +2,49 Ca 2+ *** -1,26 H + n.s. -,1 NO 3 - *** -1,42 SO 4 2+ *** -2,35 Zielony Staw ANC *** +1,74 Ca 2+ *** -1,76 NH 4 + ** +,5 NO 3 - *** -1,6 SO 4 2+ *** -2,48 Poziom istotności statystycznej p zaznaczono: n.s. (nieistotny)-p>,5; *- p<,1; **- p<.5; ***-p<,1; n ilość miejsc.

24 nachylenie linii trendu mval/m 2 rok SO Trendy zmian jakości opadów atmosferycznych i wód Długiego i Zielonego Stawu w latach SO 4 2-, -,5-1, -1,5-2, -2,5-3, -3,5-4, -4, Opady - Tatry Długi Staw - Tatry Zielony Staw - Tatry

25 nachylenie linii trendu, mval/m 2 rok NO NH 4 +. Trendy zmian jakości opadów atmosferycznych i wód Długiego i Zielonego Stawu w latach N 1,, , -2, -3, Opady - Tatry Długi Staw - Tatry Zielony Staw - Tatry

26 nachylenie linii trendu mval/m 2 rok Ca 2+. Trendy zmian jakości opadów atmosferycznych i wód Długiego i Zielonego Stawu w latach Ca 2+ 4, 2,, , -4, -6, -8, -1, Opady - Tatry Długi Staw - Tatry Zielony Staw - Tatry 2-212

27 S, mval/m 2 rok S, mval/m 2 rok mval/m 2 rok mval/m 2 rok Bilans związków azotu i siarki w zlewniach Długiego i Zielonego Stawu w latach i NH NH4+ NO3- NO Opad Zielony Staw Długi Staw Opad Zielony Staw Długi Staw Opad Zielony Staw Długi Staw Opad Zielony Staw Długi Staw

28 NO3-, mval/m 3 NO 3 -, mval/m 3 NO 3 -, mval/m 3 NO 3 -, mval/m 3 NO 3 -, mval/m 3 NO 3 -. mval/m 3 Zmiany stopnia nasycenia azotem badanych zlewni w Tatrach wyznaczone na podstawie zmian stężeń azotanów w cyklu rocznym 8 6 Dlugi Staw Dlugi Staw Długi Staw stopień 4 2 stopień 4 2 stopień m iesiąc m iesiąc miesiąc 8 6 Zielony Staw Zielony Staw Zielony Staw stopień 4 2 stopień 4 1 stopień m iesiąc m iesiąc miesiąc

29 W Alpach Szwajcarskich Dodatek NPK 3 lata później

30 Gatunki makrofitów Utrata bioróżnorodności makrofitów w wodach słodkich (Europa) Stężenie N NO3, mg/l

31 Wielki Staw Czarny Staw Przedni Staw Czarny Staw Gąsienicowy Długi Staw Zielony Staw Kurtkowiec Morskie Oko Czarny Staw pod Rysami Wyniki badań Długiego i Zielonego Stawu na tle pozostałych jezior tatrzańskich SO4 2-, mval/m SO4 (1993) SO4 (211)

32 Wielki Staw Czarny Staw Przedni Staw Czarny Staw Gąsienicowy Długi Staw Zielony Staw Kurtkowiec Morskie Oko Czarny Staw pod Rysami Wyniki badań Długiego i Zielonego Stawu na tle pozostałych jezior tatrzańskich 6 NO3 -, mval/m NO3 (1993) NO3 (211)

33 Wielki Staw Czarny Staw Przedni Staw Czarny Staw Gąsienicowy Długi Staw Zielony Staw Kurtkowiec Morskie Oko Czarny Staw pod Rysami Wyniki badań Długiego i Zielonego Stawu na tle pozostałych jezior tatrzańskich Ca 2+, mval/m Ca (1993) Ca (211)

34 NO 3 -, mval/m 3 NO 3 -, mval/m 3 Wyniki badań Długiego i Zielonego Stawu na tle pozostałych jezior tatrzańskich Długi Staw Zielony Staw ,1,2,3,4, miąższość gleby, m % pokrycia zlewni roślinnością

35 NO 3 -, mval/m 3 SO 4 2-, mval/m 3 Karkonosze stężenia wybranych składników wód w okresie badań Mały Staw Wielki Staw Mały Staw Wielki Staw

36 ANC, mval/m 3 Karkonosze stężenia wybranych składników wód w okresie badań Ca 2+ +Mg 2+, mval/m Mały Staw Wielki Staw Mały Staw Wielki Staw

37 Wyniki analizy trendów składu chemicznego wód Małego i Wielkiego Stawu w latach Parametr n p Średni współczynnik nachylenia linii [mval/m 3 rok] Mały Staw ANC 55 * +1,8 H + 55 *** +,28 Ca n.s. -,24 NO 3-55 * +1,13 SO *** -1,76 Wielki Staw ANC 55 *** +1,72 H + 55 n.s. +,1 Ca *** -,7 NO 3-55 n.s. -,46 SO *** -2,18 Poziom istotności statystycznej p zaznaczono: n.s. (nieistotny)-p>,5; *- p<,1; **- p<.5; ***-p<,1; n ilość miejsc.

38 S, mval/m 2 rok S, mval/m 2 rok N, mval/m 2 rok N, mval/m 2 rok Bilans związków azotu i siarki w zlewniach Małego i Wielkiego Stawu w latach i NH NH4+ NO3- NO3-4 4 opad Mały Staw W ielki Staw opad Mały Staw W ielki Staw opad Mały Staw W ielki Staw opad Mały Staw W ielki Staw

39 Modelowanie dynamiczne ICP-Waters bierze udział w pracach w ramach Konwencji poprzez stosowanie modeli dynamicznych dla wód powierzchniowych Europy i Ameryki Północnej. Bazy danych ICP-Waters są przydatne do kalibracji tych modeli. Modele dynamiczne pozwalają na uzyskanie informacji dotyczących skali czasowej reakcji chemicznej na redukcję emisji, Modele dynamiczne mogą także być używane do wyznaczenia poziomu depozycji, wymaganego do osiągnięcia pożądanego składu chemicznego w określonym czasie. Prognozowanie (modelowanie) przyszłych zmian chemicznych i wyznaczenie ładunków krytycznych są podstawą tworzenia strategii redukcji emisji.

40 Tatry - Modelowane i obserwowane wartości parametrów chemicznych wód Długiego i Zielonego Stawu 8 2 NO 3 -, m e q / m 3 2-, m v a l/m 3 C a l k, m v a l / m 3 C a 2+, m va l/ m D l u g i Z i e l o n y 4 D lu g i Z ie lo n y r o k r o k 6 4 D l u g i Z i e l o n y D l u g i Z i e l o n y 2 SO r o k r o k

41 ph Karkonosze - Modelowane i obserwowane wartości parametrów chemicznych wód Małego i Wielkiego Stawu NO3 -, m va l/ m SO4 2-, m va l/ m M a ły S t a w W ie lk i S t a w 1 5 M a ły S t a w W ie lk i S t a w ro k ro k A N C, m va l/ m M a ły S t a w -2 W ie lk i S t a w ro k M a ły S t a w W ie lk i S t a w ro k

42 Symulacja zmian alkaliczności w wodach Długiego Stawu dla 3 scenariuszy zmian depozycji stworzonych dla potrzeb rewizji protokółu z Göteborga ANC, mval/m 3 2 ANC, mval/m NAT MFR PRI obs -2 NAT MFR PRI obs -4 limit CLE -4 limit CLE rok rok

43 Symulacja zmian alkaliczności w wodach Małego Stawu dla 3 scenariuszy zmian depozycji stworzonych dla potrzeb rewizji protokółu z Göteborga ANC, mval/m ANC, mval/m NAT PRI MFR limit obs. CLE NAT PRI MFR limit obs. CLE rok rok

44 Symulowane przy pomocy modelu MAGIC wartości ANC dla 12 regionów w Europie. Trzy klasy ANC odpowiadają prawdopodobieństwu przeżycia populacji pstrąga lub innych organizmów wskaźnikowych. Kolor czerwony: ANC< µval/l i znaczne ograniczenie lub brak ryb; kolor żółty: ANC -2 µval/l i uszkodzenia populacji ryb; kolor niebieski: ANC > 2 µeq/l i dobre warunki dla populacji ryb. Pokazano 4 reprezentatywne lata: 186 okres sprzed zakwaszenia; 198 maksimum zakwaszenia; 2 stan aktualny; 216 całkowita implementacja protokołu z Goteborga (Wright i in., 27)

45 Reakcja wód powierzchniowych na obniżenie kwaśnej depozycji Wody powierzchniowe wykazują wyraźne odznaki restauracji w odpowiedzi na obniżenie kwaśnej depozycji. Najwyraźniejsze odznaki uzdrowienia to: obniżenie stężeń siarczanów w wodach, wzrost alkaliczności. mval/m Długi Staw SO4 w jeziorze -2-4 ANC w jeziorze SO4 w opadach rok

46 Reakcja wód powierzchniowych na obniżenie kwaśnej depozycji problemy i niepewności Pomimo obniżenia depozycji część ekosystemów pozostaje w dalszym ciągu zakwaszona, Zmiany w cyklu azotowym problemy w prognozowaniu zmian chemicznych, mval/m N w opadach 4 2 N w jeziorze rok

47 Reakcja wód powierzchniowych na obniżenie kwaśnej depozycji problemy i niepewności Czynniki zakłócające: zmiany klimatyczne (hydrologia, pogodowe zjawiska ekstremalne, szybkość wietrzenia, zmiany długości okresu wegetacyjnego) trudności w przewidywaniu zmian Niepewne kierunki zmian biologicznych, Dane monitoringowe stanowią jedyną pewną informację o stanie ekosystemów.

48 Otwarte seminaria 213 Dziękuję za uwagę dr Dorota Rzychoń