ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO-WODNEGO W REJONIE SKŁADOWISK ODPADÓW Z WYKORZYSTANIEM METOD GEOFIZYCZNYCH

Transkrypt

1 REMEDIACJA, REKULTYWACJA I REWITALIZACJA Remediation, reclamation and revitalization Mariusz LECH, Eugeniusz Koda, Piotr Osiński WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA SGGW W WARSZAWIE ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO-WODNEGO W REJONIE SKŁADOWISK ODPADÓW Z WYKORZYSTANIEM METOD GEOFIZYCZNYCH DETERMINATION OF CONTAMINATION ZONES OF SOIL-WATER SYSTEMS IN THE VICINITY OF LANDFILLS USING GEOPHYSICAL METHODS Każda inwestycja ingeruje w naturalne środowisko, dlatego ważne jest przestrzeganie zasady, aby jej wpływ był jak najmniejszy. Wyjątkowo groźnych skutków można spodziewać się w przypadku inwestycji szczególnie szkodliwych dla środowiska i zdrowia ludzi związanych z gospodarowaniem odpadami. W aspekcie geotechniczno budowlanym, najważniejszym elementem konstrukcyjnym składowiska jest właściwie zaprojektowane uszczelnienie. W przypadku nieszczelności izolacji precyzyjne ustalanie stref zasięgu zanieczyszczenia oraz objętości skażonych gruntów w podłożu składowiska wymaga niezwłocznego rozpoznania. W takich przypadkach bardzo pomocne mogą okazać się metody geofizyczne, które znajdują w ostatnich latach coraz szersze zastosowanie w praktyce inżynierskiej. Artykuł poświęcony jest określeniu stref oraz głębokości zanieczyszczenia gruntów i wód gruntowych w podłożu składowisk odpadów, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnienia badań geologicznych i geoelektrycznych. Any single investment affects the natural environment, and that is why it is so important to eliminate hazards it may cause. Extremely harmful effect on environment or human health, could be expected from exploitation of highly hazardous investments such as e.g. waste disposal sites (landfills). In terms of geotechnical engineering, the most important issue for a landfill is its bottom sealing. When there is a possibility of the insulating barrier leakage, a determination of volumes and zones of potential contamination is crucial. In such cases geophysical investigations are currently recognized as the most effective methods. The paper focuses on determination of soil and groundwater contamination zones and their depths beneath municipal landfills, with the special emphasis on applying geological investigations and geophysical tests.

2 202 M. LECH, E. KODA, P. OSIŃSKI 1. Wprowadzenie Do rozpoznania warunków geotechnicznych i oceny oddziaływania na środowisko projektowanych budowli, w tym składowisk odpadów, rutynowe metody badań mogą być niewystarczające lub wręcz nieodpowiednie. W przypadku tego typu terenów bardzo pomocne mogą okazać się metody geofizyczne, które dodatkowo zweryfikowane innymi powszechnie uznanymi metodami badawczymi, znajdują w ostatnich latach szerokie zastosowanie w praktyce inżynierskiej, zarówno w badaniach geologiczno inżynierskich, jak i w środowiskowych. Badania geofizyczne można podzielić na cztery główne grupy: grawimetryczne, magnetometryczne, sejsmiczne i geoelektryczne. Metody geofizyczne polegają na prześwietlaniu profilu gruntowego i pomiarze parametrów fizycznych gruntów bez naruszania ich struktury. Mogą być stosowane na różnych etapach prac terenowych, zarówno jako badania wstępne mające na celu orientacyjne rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych, lub jako badania uzupełniające pozwalające na zagęszczenie punktów pomiarowych oraz w ramach monitoringu środowiska gruntowo - wodnego. W badaniach podłoża gruntowego do celów środowiskowych wykorzystywane są przeważnie dwie metody badań: metoda elektrooporowa (profilowanie, kartowanie oraz tomografia elektrooporowa) i elektromagnetyczna (głównie georadar). Pozostałe metody w zakresie monitoringu i rozpoznawaniu stanu środowiska są mniej użyteczne i ich zastosowanie do tego celu jest rzadziej spotykane w praktyce (badania sejsmiczne są stosowane na szeroką skalę w poszukiwaniach geologicznych i określaniu parametrów sprężystych podłoża). Do zalet badań geofizycznych, poza nieinwazyjnym charakterem, zalicza się niski koszt i szybkość uzyskania wyników, jak również możliwość zbudowania przestrzennego modelu podłoża bez konieczności wprowadzania ciężkiego sprzętu na badany teren. Do zalet tych metod należy również zaliczyć możliwość uzyskiwania ciągłych interpretacji w przekrojach badawczych lub w układzie przestrzennym [5, 9]. Jedną z metod, która wykorzystywana jest od lat w geotechnice środowiskowej jest metoda elektrooporowa. Metoda ta, jak wykazały dotychczasowe badania [np. 1, 2, 5, 9], jest wrażliwa na wilgotność i stan nasycenia wodą ośrodka gruntowego oraz zanieczyszczenie (szczególnie zasolenie) wody w porach gruntowych. W praktyce pomiary oporności elektrycznej gruntu najczęściej przeprowadzane są metodą wykorzystującą układ składający się z czterech elektrod (Rys. 1). Prąd elektryczny wprowadzany jest do gruntu za pomocą dwóch elektrod A i B, które wzbudzają pole elektryczne, natomiast elektrody M i N mierzą różnicę potencjału tego pola. Znając różnicę potencjału pola elektrycznego (ΔV) i natężenie (I) płynącego prądu oraz odległości pomiędzy elektrodami można określić wartość oporności właściwej gruntu.

3 203 ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO W REJONIE I [ma] V [mv] A a M a N a B linie prądu linie ekwipotencjalne Rys. 1. Schemat pomiaru oporności elektrycznej gruntu w układzie czteroelektrodowym [9] Fig. 1. Basic concept of electrical resistivity subsurface measurements [9] Czynnikiem wywierającym istotny wpływ na oporność elektryczną ośrodka gruntowego jest (obok wilgotności, porowatości, składu mineralnego szkieletu gruntowego, temperatury, wielkości i kształtu ziaren oraz wzajemnego ich ułożenia względem siebie [1, 2, 5], również stężenie soli rozpuszczonych w wodzie wypełniającej pory gruntowe. Wpływ zasolenia wody gruntowej przedstawia rysunek 2, na którym oporność elektryczna piasku średniego (MSa; I D =0.5) jest uzależniona od stężenia soli w wodzie wypełniającej pory gruntowe [7]. Ponadto, w badaniach potwierdzono wpływ nasycenia porów gruntowych na zmiany oporności elektrycznej gruntu (Sr=0.2 grunt suchy i Sr=1 grunt mokry). Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że wzrost stężenia soli powoduje znaczny spadek oporności elektrycznej gruntu, zarówno suchego i mokrego. Wpływ zasolenia wody gruntowej ma zatem istotny wpływ na parametr oporności elektrycznej wody gruntowej i gruntu i należy spodziewać się różnic w oporności gruntu zanieczyszczonego odciekami ze składowiska odpadów. Rys. 2. Fig. 2. Zależność pomiędzy opornością elektryczną piasku średniego od stężenia KCl w wodzie gruntowej i nasycenia próbki [7] Relationship between electrical resistivity of medium sand for different KCl concentration in groundwater and soil saturation [7]

4 204 M. LECH, E. KODA, P. OSIŃSKI Zastosowanie metody elektrooporowej do monitorowania stanu środowiska gruntowo wodnego na terenach przyległych oraz stanu technicznego uszczelnień wokół składowisk odpadów, okonturowania zasięgu ewentualnych zanieczyszczeń w gruncie oraz wskazanie dróg ich migracji jest w pełni uzasadnione. Badania geofizyczne umożliwią też wytypowanie lokalizacji badań szczegółowych: wierceń i sondowań geotechnicznych, a także miejsc instalacji piezometrów i poboru próbek do laboratoryjnych analiz chemicznych. 2. Rozpoznanie zanieczyszczenia wokół składowisk odpadów komunalnych W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych metodą elektrooporową na dwóch składowiskach odpadów komunalnych (A i B) posiadających poziome (geomembrany) lub pionowe (przesłony bentonitowe) uszczelnienia. Badania geofizyczne elektrooporowe pozwoliły ocenić stan środowiska gruntowo - wodnego, a w przypadku wykrycia nieszczelności określić kierunek migracji i strefę zanieczyszczoną. Badania terenowe (w przypadku obiektu A) uzupełnione zostały również o laboratoryjne badania chemiczne wód gruntowych, co dodatkowo pozwoliło na precyzyjne określenie rodzaju indykatorów zanieczyszczeń oraz wysokości ich stężeń Składowisko odpadów A Czynne składowisko odpadów komunalnych A zlokalizowane w rejonie dużej aglomeracji i graniczy z cennymi przyrodniczo kompleksami. Na terenach przyległych znajdują się rezerwaty przyrody, cieki wodne, zabudowania mieszkalne, kompostownia oraz magazyny paliw. Składowisko o powierzchni ponad 15 ha i wysokości 60 m, było eksploatowane od lat 60. bez wprowadzenia niezbędnych zabezpieczeń, chroniących środowisko wodno gruntowe, takich jak np. uszczelnione w podstawie. Pierwsza warstwa wodonośna występująca na głębokości 0,5 2,0 m p.p.t. była ona przez wiele lat narażona na zanieczyszczenia odciekami. Druga warstwa wodonośna znajduje się na głębokości m p.p.t. i jest izolowana od powierzchni warstwami glin zwałowych, a lokalnie również iłów. Dopiero w późnych latach 90. na składowisku rozpoczęto prace rekultywacyjne obejmujące m.in. wykonanie przesłony przeciwfiltracyjnej zagłębionej do warstwy nieprzepuszczalnej oraz systemu ujmowania odcieków, tj. zbiorniki i rowy retencyjne oraz drenaże. W związku z obowiązkiem prowadzenia monitoringu [3, 8] oraz z powodu newralgicznej lokalizacji i przyszłych planów zagospodarowania zdegradowanego terenu, na składowisku prowadzone są obserwacje pozwalające na bieżąco monitorować zmiany zachodzące w środowisku wodno-gruntowym. Jedną z metod wykorzystaną w celu zlokalizowania warstw gruntów zanieczyczonych były badania eletrooporowe. Badania objęły wykonanie kilkudziesięciu sondowań geoelektrycznych (SGE) o rozstawie linii pomiarowej AB/2 = m, w 5 przekrojach do głębokości sondowania ok. 20 m. Wykonana interpretacja ilościowa pozwoliła na charakterystykę opornościową poszczególnych warstw gruntu. Przykładowy przekrój geoelektryczny w rejonie składowiska po stronie zewnętrznej przesłony filtracyjnej i równolegle do niej przedstawiony został na rysunku 3.

5 205 ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO W REJONIE Rys. 3. Fig. 3. Przekrój geoelektryczny na zewnątrz przesłony przeciwfiltracyjnej składowiska The electrical resistivity cross section outside the hydraulic barrier Na podstawie analizy wierceń geologicznych i oporności elektrycznej w przekroju zidentyfikowane zostały warstwy gruntów zanieczyszczonych. Strefa zanieczyszczonych piasków drobnych i średnich rozciąga się na długości około dwustu kilkudziesięciu metrów od rzędnej 18.3 m p.p.t. (od strony północnej) i 19 m p.p.t. (od strony południowej) i sięga do spągu utworów piaszczystych. Zanieczyszczenie gruntów zostało potwierdzone dalszymi analizami chemicznymi jakości wód gruntowych, pobranych z piezometrów zlokalizowanych w nieznacznej odległości od wykonanego przekroju. Na rysunku 4 zestawione zostały wyniki pomiarów stężeń dla piezometrów 7A, 12A i 11A, których lokalizację przedstawiono na rysunku 5. Zmniejszenie stężenia zanieczyszczeń chlorkami potwierdza efektywność działania wykonanej przesłony przeciwfiltracyjnej [6]. Mimo to w dalszej eksploatacji, w wyniku występowania innych ognisk zanieczyszczenia oraz stagnowania wciąż nierozpuszczonych związków, jakość środowiska wodno-gruntowego w zagłębieniach gruntów niespoistych, wciąż przekracza standardy III klasy jakości [10].

6 Chlorki [mgcl - /l] Zamknięcie pezesłony przeciwfiltracyjnej r. 206 M. LECH, E. KODA, P. OSIŃSKI Piezometr 11A Piezometr 7A Wartość graniczna dla III klasy wód podziemnych wg Rozp. MŚ z dn r. 200 Piezometr 12A Czas [dni] Rys. 4. Fig. 4. Zmiana stężeń chlorków w wodach gruntowych w rejonie składowiska A Changes of chloride ions in groundwater in the vicinity of landfill A Kompleksowa interpretacja danych geologicznych i sondowań geofizycznych umożliwiła rozpoznanie zasięgu stref gruntów zanieczyszczonych, natomiast analizy wód gruntowych pozwoliły na określenie wartości stężeń i rodzaju zanieczyszczeń występujących w podłożu i rejonie składowiska odpadów. Wynikiem połączenia tych metod oceny zanieczyszczenia środowiska wodno-gruntowego w rejonie składowiska jest mapa stref zasięgu poszczególnych indykatorów zanieczyszczeń (azot amonowy, chlorki, przewodnictwo elektryczne właściwe - PEW), z określeniem poziomu ich wartości w wodach gruntowych. Mapa przestrzennego rozkładu wybranych indykatorów zanieczyszczeń przedstawiona została na rysunku 5. Z interpretacji sondowań geoelektrycznych oraz analizy chemicznej wód pobranych z piezometrów wynika, iż stan środowiska wodno gruntowego w rejonie składowiska jest niezadowalający. Cykliczne badania monitoringowe wykazują jednak, iż środowisko gruntowo-wodne sukcesywnie ulega zdegradowany teren sukcesywnie ulega samooczyszczeniu. Warto podkreślić, że analizy stanu zanieczyszczenia i zagospodarowania terenu wykazują też, iż na obecny stan wpływ ma nie tylko składowisko, ale również inne ogniska zanieczyszczeń (zakład przetwarzania odpadów, trasy komunikacyjne oraz zakłady produkcyjno-usługowe) znajdujące się w otoczeniu składowiska.

7 207 ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO W REJONIE Rys. 5. Fig. 5. Przestrzenny rozkład wybranych indykatorów zanieczyszczeń w rejonie składowiska A Distribution map of pollution indicators in the vicinity of landfill A 2.2. Składowisko odpadów B Zrekultywowane składowisko odpadów B funkcjonowało od 1994 do 2014 roku. Otoczenie składowiska stanowi las i nieużytki rolnicze o charakterystycznym silnym urzeźbieniem terenu z licznymi kulminacjami pagórków i dolin. Jest to składowisko podpoziomowo nadpoziomowe umiejscowione w nieczynnym wyrobisku żwiru. Rzędna uszczelnionego dna składowiska wynosi 87,0 m n.p.m., przy rzędnych terenu m n.p.m. Rozpoznanie geologiczne w obrębie żwirowni stwierdziło występowanie poeksploatacyjnych

8 208 M. LECH, E. KODA, P. OSIŃSKI nasypów piaszczysto-żwirowych o miąższości 0,3 0,5 m, z wykształconą poniżej warstwą żwirów z soczewkami piasku, podścieloną kompleksem glin morenowych. Strop glin występuje na rzędnej 86,9 m n.p.m. Spadek swobodnego zwierciadła wód gruntowych I poziomu wodonośnego, położonego zaledwie ok. 2 m p.p.t., jest w kierunku północnym. Przed rozpoczęciem eksploatacji obiektu w 1994 roku wykonane zostały uszczelnienie dna i skarp wyrobiska geomembraną HDPE o grubości 1,5 mm ułożoną na warstwie ochronnej z glin ze złoża lokalnego oraz warstwą drenażową (ułożoną na geomembranie) o grubości ok. 0,4 m ze zbieraczem u podnóża skarpy i z odprowadzeniem do zbiornika otwartego wód odciekowych. Po zamknięciu składowiska i jego rekultywacji od północnej strony składowiska wykonana została przesłona przeciwfiltracyjna zagłębiona w glinach. Zakres szczegółowych badań w celu rozpoznania ewentualnego zanieczyszczenia gruntów i wód podziemnych obejmował w tym przypadku m.in.: - analizę opracowań archiwalnych i dotychczasowych wyników monitoringu, - badania geofizyczne metodą kartowania elektrooporowego, celem określenia strefy występowania gruntów zanieczyszczonych pod składowiskiem, - pobór próbek gruntów do podstawowych analiz laboratoryjnych. Badania metodą kartowania elektrooporowego podłoża na terenie przyległym do składowiska wykonane zostały w 2014 roku i zostały przeprowadzone na głębokościach od 0,52 do 5,2 m p.p.t. na powierzchni ok. 0,5 ha. Kompleksowa analiza wyników badań terenowych oraz badań archiwalnych pozwoliły określić zasięg występowania w podłożu gruntów, które zostały zanieczyszczone odciekami ze składowiska. Plan sytuacyjny obiektu oraz wyniki pomiarów elektrooporowych na poszczególnych głębokościach zostały przedstawione na rysunku 6.

9 209 ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO W REJONIE Rys. 6. Fig. 6. Wyniki kartowania elektrooporowego ze strefą występowania zanieczyszczeń w gruncie w rejonie składowiska B Detection of contamination zones based on electrical resistivity results in the vicinity of landfill B Analizując wyniki badań można stwierdzić, że oporność elektryczna wynosi około 700 m na głębokości 1 m oraz 900 m na głębokości 2 m na całym obszarze badań. Nieco inaczej sytuacja przestawia się na większych głębokościach, na których obserwujemy charakterystyczny klin, skierowany w kierunku północno zachodnim o wyraźnie mniejszych opornościach. Najbardziej widoczna zmiana ma miejsce na głębokościach: 3.5, 4.0 i 4.5 m p.p.t. i jest zupełnie niewidoczna na głębokości 5.5 m. Wartości oporności elektrycznej w tej strefie wynoszą ok. 250 m i są blisko 4 krotnie niższe od otaczającego tła.

10 210 M. LECH, E. KODA, P. OSIŃSKI Wynika to niewątpliwie z nieszczelności izolacji składowiska. Okonturowana zakreskowanym obszarem strefa zanieczyszczenia wynika z przedostawania się zasolonych odcieków poza bryłę składowiska i sięga ok. 50 m w głąb terenu przyległego do składowiska. Uwzględniając dane z pomiarów można oszacować kubaturę zanieczyszczonych gruntów, które powinny zostać poddane rekultywacji, na około 2500 m 3. Problemem do rozwiązania pozostaje również likwidacja nieszczelności w izolacji składowiska. 3. Podsumowanie i wnioski Podstawową funkcją, jaką muszą spełniać składowiska odpadów jest zapewnienie szczelności izolacji zabezpieczających przed migracją odcieków do środowiska wodnogruntowego. W przypadku powstania awarii systemów izolacyjnych często wymagane jest zastosowanie nietypowych metod ich rozpoznania. Badania geofizyczne metodą elektrooporową są przydatne do oceny zanieczyszczenia w rejonie składowisk, jak również nieszczelności w wykonanych systemach izolacyjnych, gdyż umożliwiają rozpoznanie podłoża również pod podstawą składowiska. W artykule przedstawiono dwa przykłady badań środowiska gruntowo - wodnego wokół składowisk odpadów komunalnych z zastosowaniem metod geofizycznych. W obydwu przypadkach stwierdzono występowanie zanieczyszczeń środowiska gruntowo wodnego poza składowiskiem. Z zaprezentowanych w pracy wyników można wywnioskować, że badania geofizyczne mogą być użyteczne do oceny jakościowej zanieczyszczeni podłoża gruntowo wodnego w rejonie składowisk odpadów. W procesie interpretacji i analizy wyników badań metodami geofizycznymi należy jednak uwzględnić wpływ wielu czynników, w tym np. budowę geologiczną podłoża i możliwość wystąpienia innych ognisk zanieczyszczeń. Ponadto, przeprowadzenie badań terenowych metodą nieinwazyjną jest istotne nie tylko z punktu uzyskania szerokiego zakresu informacji potrzebnych np. do opracowania projektu rekultywacji, ale również z uwagi na stosunkowo krótki czas trwania badania i niewielkiej uciążliwości metody, tj. braku konieczności wprowadzania ciężkiego sprzętu budowlanego i prowadzenia badań inwazyjnych.

11 211 ROZPOZNANIE STREF ZANIECZYSZCZEŃ ŚRODOWISKA GRUNTOWO WODNEGO W REJONIE Literatura: [1] Abu-Hassanein Z.S., Benson C.H., Boltz L.R.: Electrical resistivity of compacted clays. Journal of Geotechnical Engineering. Vol. 122, No 5, , 1996, [2] Archie G.E.: The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 146, 54-61, [3] Gworek B (red). Technologie rekultywacji gleb. Monografia. Wyd. Instytutu Ochrony Środowiska, Warszawa, [4] Gworek B., Hajduk A., Koda E., Grochowalski A., Jeske A. Influence of a municipal waste landfill on the spatial distribution of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDDs/Fs) in the natural environment. Chemosphere. No. 92 (7), , [5] Keller G.V., Frischknecht F.C.: Electrical methods in geophysical prospecting. Pergamon Press, Oxford [6] Koda E., Kołanka T., Osiński P. Investigation of soil contamination level beneath the metallurgical waste landfill for the purpose of future reclamation works. Annals of Warsaw University of Life Sciences SGGW Land Reclamation, No. 45 (1), 5 16, [7] Lech M.: Zastosowanie metody elektrooporowej do rozpoznania warunków przepływu wody w ośrodku gruntowym. Rozprawa doktorska, Wydz. Inżynierii i Kształtowania Środowiska, Katedra Geoinżynierii SGGW, Warszawa [8] Malina G.: Likwidacja zagrożenia środowiska gruntowo-wodnego na terenach zanieczyszczonych, Wyd. PZITS O/Wielkopolski, Poznań, [9] Samouelian A., Cousin I., Tabbagh A., Bruand A., Richard G.: Electrical resistivity survey in soil science. Soil and Tillage Research. 83, , [10] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 lipca 2008 r. w sprawie kryteriów I sposobu oceny stanu wód podziemnych. Dz. U. 2008, nr 143, poz. 896.