WPŁYW EKSPLOATACJI WÓD PODZIEMNYCH Z UJĘCIA RETKÓW STARA RZEKA NA JAKOŚĆ UJMOWANEJ WODY

Transkrypt

1 WPŁYW EKSPLOATACJI WÓD PODZIEMNYCH Z UJĘCIA RETKÓW STARA RZEKA NA JAKOŚĆ UJMOWANEJ WODY Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski Instytut Inżynierii Środowiska, Akademia Rolnicza we Wrocławiu Streszczenie. Intensywna eksploatacja wód podziemnych, w ilości ponad 1.5 mln. m 3 rocznie z utworów czwartorzędowych z ujęcia Retków Stara Rzeka przyniosła niekorzystne zmiany składu chemicznego oraz właściwości fizycznych ujmowanej wody. Niepożądane zmiany jakości wody ujawniły się przede wszystkim w postaci wzrostu jej alkaliczności, twardości, elektrolitycznej przewodności właściwej oraz wzrostem koncentracji jonów żelaza i manganu oraz siarczanów. Zasadowość wody wzrosła z wartości poniżej 1 mval/dm 3 w roku 1986 do ponad 4.5 mval/dm 3 w 1994 r. Przewodnictwo właściwe (świadczące przede wszystkim o ogólnej mineralizacji wody) w tym samym okresie wzrosło od wartości około 150 μs/cm do średnio ponad 550 μs/cm, a w niektórych studniach nawet do blisko 900 μs/cm. Twardość ogólna wody wzrosła w tym okresie od wartości około 60 mg CaCO 3 /dm 3 do 300 mg CaCO 3 /dm 3, sporadycznie nawet do 460 mg CaCO 3 /dm 3. Koncentracja żelaza zmieniła się od wartości na poziomie 0.1 mg Fe/dm 3 przed eksploatacją ujęcia do prawie 4 mg Fe/dm 3 w roku Podobnie znacznie wzrosła zawartość manganu od wartości poniżej 0.03 mg Mn/dm 3 w roku 1986 do około 0.5 mg Mn/dm 3 w roku Wzrost koncentracji żelaza i manganu spowodował, że surowa woda gruntowa nie spełnia pod względem tych wskaźników wymogów jakościowych wody przeznaczonej do picia. Przeprowadzone analizy wyraźnie wskazują, że w rejonie ujęcia istnieją bardzo dobre warunki infiltracji bardziej zanieczyszczonych wód płytkiego poziomu gruntowego do głównego poziomu użytkowego, w którym są zafiltrowane studnie ujęciowe. Słowa kluczowe: ujęcia wód podziemnych, jakość wód podziemnych. WSTĘP Intensywna eksploatacja wód podziemnych często przynosi niekorzystne skutki, takie jak osiadanie powierzchni terenu i posadowionych na podłożu gruntowym obiektów budowlanych, którego przyczynę stanowi wzrost naprężeń efektywnych wywołany przez obniżenie położenia zwierciadła wody gruntowej w obszarze leja depresji. Obniżenie poziomu wód gruntowych może spowodować również pogorszenie się warunków uwilgotnienia gleby i niekorzystnie wpłynąć na opłacalność produkcji rolniczej. Kolejnym niekorzystnym zjawiskiem, związanym z eksploatacją wód podziemnych często bywa zanik wody w płytkich studniach gospodarczych (kopanych). Szczególne jednak znaczenie spośród wielu niepożądanych zjawisk będących skutkiem eksploatacji wód podziemnych posiadają niekorzystne zmiany właściwości fizycznych i składu chemicznego wody podziemnej. W wyniku obniżenia zwierciadła wód podziemnych w rejonie ujęcia wzrasta miąższość strefy aeracji i w warunkach napowietrzenia

2 2 Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski utworów strefy odsączonej następuje uaktywnienie się szeregu procesów chemicznych w tej strefie, których efektem są często niekorzystne zmiany właściwości fizycznych i składu chemicznego wody. Reakcje chemiczne pomiędzy tlenem i dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu oraz minerałami występującymi w ośrodku gruntowym powodują często wzrost twardości i mineralizacji wody oraz wzrost koncentracji żelaza i manganu, co niekiedy przynosi poważne skutki ekonomiczne. W niniejszej pracy przedstawiono analizę wpływu wieloletniej i intensywnej eksploatacji wody podziemnej w ujęciu Retków Stara Rzeka, znajdującym się na obszarze pradoliny Barycko Głogowskiej, w obrębie Głównego Zbiornika Wód Podziemnych (GZWP) Nr 314 na jakość wód podziemnych. WARUNKI NATURALNE W REJONIE UJĘCIA Ujęcie wód podziemnych Retków Stara Rzeka jest zlokalizowane w województwie dolnośląskim, w gminie Grębocice, pomiędzy miejscowościami Retków Stara Rzeka Wilczyn Proszyce (rys. 1) i składa się z 9 studni, ujmujących wodę z utworów fluwioglacjalnych doliny i pradoliny Barycko Głogowskiej. UJĘCIE Rys. 1. Lokalizacja ujęcia Retków Stara Rzeka Fig. 1. Location of Retków Stara Rzeka groundwater intake

3 Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu Retków Stara Rzeka... 3 Ujęcie jest położone w obszarze płaskim o rzędnych od m n.p.m. do m n.p.m. Rejon ujęcia jest położony w najcieplejszym regionie Polski, średnia roczna temperatura przekracza nieco 8 o C, a okresu wegetacyjnego (kwiecień wrzesień) 14 o C. Średnia roczna suma opadu atmosferycznego, dla stacji Rudna, obliczona na podstawie danych z okresu wynosi 614 mm, natomiast dla okresu wegetacyjnego 383 mm [Czaban i inn.,1997]. W obszarze zasobowym ujęcia, którego powierzchnia wynosi około 1200 hektarów występują dwie zasadnicze warstwy wodonośne: górna, stanowiąca źródło wody dla studni kopanych oraz dolna, tzw. główna warstwa użytkowa, w której zafiltrowane są studnie ujęcia. Górna warstwa wodonośna jest utworzona z piasków i żwirów o różnym stopniu zaglinienia i posiada miąższość do 10 metrów. W jej obrębie występują wody o zwierciadle swobodnym, które przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia zalegało na głębokości od 1 do 3 metrów. Górna warstwa wodonośna wykazuje ścisły związek z ciekami powierzchniowymi rzeki Rudnej i jej dopływów: Moskorzynki i Wilczyńskiego Potoku[Czaban i inn.,1997]. Brak izolacji od powierzchni sprawia, że warstwa ta jest bezpośrednio zasilana przez infiltrację opadów atmosferycznych i w związku z tym posiada dużą podatność na degradację chemiczną i biologiczną, powodowaną przez lokalne ogniska i źródła zanieczyszczeń. W spągu górnej warstwy wodonośnej występuje pakiet utworów nieprzepuszczalnych i słabo przepuszczalnych o miąższości przeciętnie od 2 do 10 metrów w postaci pyłów, glin i iłów oraz miejscowo torfów. Lokalnie warstwa ta posiada nieciągłości w rejonie studni 7 S oraz w rejonie miejscowości Proszyce i Proszówek, powodujące istnienie kontaktu hydraulicznego pomiędzy górną i dolną warstwą wodonośną [Czaban i inn.,1997]. Główną użytkową warstwę wodonośną tworzą utwory fluwioglacjalne w postaci piasków i żwirów z otoczakami o rozległym i równomiernym rozprzestrzenieniu, średnia miąższość eksploatowanej warstwy wodonośnej wynosi 30 metrów, natomiast wartość współczynnika wodoprzepuszczalności zawiera się w granicach od 1.4 do m/s. Zasilanie głównej warstwy użytkowej następuje głównie na obszarach moreny spiętrzonej na południu i zachodzie od ujęcia a także pośrednio przez infiltrację opadów atmosferycznych w miejscach nieciągłości (okien hydrogeologicznych) warstwy osadów nieprzepuszczalnych i słabo przepuszczalnych, rozdzielającej górny i użytkowy poziom wodonośny. Pokrywę glebową na obszarze zasobowym ujęcia stanowią gleby piaszczyste (ok. 60% powierzchni) oraz pyłowe (34%), jedynie 6% powierzchni przypada na gleby o innym składzie mechanicznym. Pod względem bonitacyjnym są to gleby zaliczane do klasy IIIa, IIIb oraz IVa. W strukturze użytkowania ziemi dominują grunty użytkowane rolniczo (około 96% powierzchni), niespełna 4 % powierzchni zajmują lasy i zadrzewienia. Na glebach ornych dominującymi uprawami są zboża oraz rzepak. CHARAKTERYSTYKA UJĘCIA, DEPRESJE I POBORY WODY Ujęcie zostało wybudowane w latach przez Kombinat Geologiczny Zachód we Wrocławiu, składa się z 9 studni eksploatacyjnych o średnicy 250 mm i głębokości od 50.0 do 59.5 m, rozmieszczonych w postaci wielokąta o powierzchni około 5 km 2 (rys. 2.).

4 4 Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski Rys. 2. Lokalizacja studni i piezometrów w ujęciu Retków Stara Rzeka Fig. 2. Location of wells and piezometers in Retków Stara Rzeka groundwater intake Odległości pomiędzy poszczególnymi studniami wynoszą od 400 do 500 metrów, obszar zasobowy ujęcia posiada powierzchnię około 1200 hektarów. Zatwierdzone zasoby eksploatacyjne ujęcia w kategorii B wynoszą Q = 320 m 3 /h, przy depresjach studziennych w zakresie od 5.0 do 7.6 metrów. Ujęcie posiada pozwolenie wodno prawne, wydane przez Urząd Wojewódzki w Legnicy w 1995 r. na pobór maksymalnie 320 m 3 /h wody. Eksploatacja ujęcia została rozpoczęta w końcu 1988 r., studnie ujęciowe są czynne przemiennie, jednocześnie pompuje się wodę z 4 do 5 studni. Średni pobór wody podziemnej w okresie od 1989 r. do 1997 roku wynosił około 1.5 mln m 3. W rejonie ujęcia została wykonana sieć kilkunastu piezometrów do obserwacji dynamiki zmian położenia zwierciadła wody w czasie eksploatacji ujęcia (rys 2 i 3). Przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia zwierciadło wód gruntowych układało się na głębokości od 40 cm do około 4 m poniżej powierzchni terenu. Na podstawie bezpośrednich pomiarów zwierciadła wody w studniach i otworach obserwacyjnych należy stwierdzić, że średnia głębokość zwierciadła wody dla obszaru zasobowego wynosiła 1.63 m w maju 1977 r., objętość strefy aeracji w obrębie obszaru zasobowego ujęcia wynosiła 17 mln m 3. Układ hydroizobat na terenie obszaru zasobowego ujęcia w czasie jego eksploatacji przedstawiono na rys. 3 dla stanu z września 1992 r. Średnia głębokość położenia zwierciadła wody dla tego okresu wynosiła 3.50 m poniżej powierzchni terenu. W porównaniu z warunkami z 1977 r. objętość strefy aeracji powiększyła się do 36 mln m 3.

5 Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu Retków Stara Rzeka b 5p 7p 4p 2S 12b 15b 4b 1S 6p1 14b 4S 5S 6S 3S 3p 8S 7S 9S 16b p 3b 0.0 Studnie eksploatacyje Exploitation wells Piezometry Piezometers 10b Strefa ochronna Protection zone Rys. 3. Układ hydroizobat w czasie eksploatacji ujęcia, wrzesień 1992 r. Fig. 3. Groundwater depth contours during exploitation, September WPŁYW EKSPLOATACJI NA JAKOŚĆ WÓD PODZIEMNYCH Ponad dwukrotny wzrost objętości strefy aeracji w obszarze zasobowym ujęcia Retków Stara Rzeka spowodował gwałtowną zmianę szeregu właściwości fizycznych oraz składu chemicznego wód podziemnych w tym rejonie. W tabelach od 1 6 przedstawiono wyniki badań jakości wody w wybranych studniach przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia (1986) oraz w okresie jego eksploatacji (1994 oraz 1996), dla parametrów wody, które uległy najbardziej znaczącym zmianom. Przewodnictwo właściwe wody (świadczące przede wszystkim o ogólnej mineralizacji wody) wzrosło od wartości około 150 μs/cm w roku 1986 do średnio ponad 550 μs/cm, a w niektórych studniach 3 S oraz 4 S do blisko 900 μs/cm, (tab. 1).

6 6 Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski Zasadowość wody, stanowiąca odzwierciedlenie zawartości jonów wodorowęglanowych i węglanowych [Appelo i Postma, 1993] wzrosła z wartości poniżej 1 mval/dm 3 w roku 1986 do ponad 4.5 mval/dm 3 w 1994 r., (tab. 2). Twardość ogólna wody wzrosła w tym okresie od wartości około 60 mg CaCO 3 /dm 3 do 300 mg CaCO 3 /dm 3, sporadycznie nawet 460 mg CaCO 3 /dm 3 (tab. 3). Koncentracja żelaza zmieniła się od wartości na poziomie 0.1 mg Fe/dm 3 przed eksploatacją ujęcia do prawie 4 mg Fe/dm 3 w roku 1994, (tab. 4). Bardzo znaczący wzrost zaobserwowano również w zakresie zawartości manganu od 0.03 mg Mn/dm 3 w roku 1986 do około 0.40 mg Mn/dm 3 w roku1994 oraz około 0.50 mg Mn/dm 3 w roku 1996, (tab. 5) Przewodnictwo właściwe wody w studniach Electrical conductivity of groundwater in wells Tabela 1 Table 1 Przewodnictwo właściwe Electrical Conductivity (μs/cm) 1-S S S S S Zasadowość wody gruntowej w studniach Alkalinity of groundwater in wells Zasadowość Alkalinity (mval/dm 3 ) 1-S S S S S Tabela 2 Table 2 Twardość ogólna wody w studniach Total hardness of groundwater in wells Tabela 3 Table 3 Twardość ogólna Total hardness (mg CaCO 3/dm 3 ) 1-S S S S S

7 Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu Retków Stara Rzeka... 7 Tabela 4 Table 4 Zawartość żelaza w studniach Iron content of groundwater in wells Zawartość żelaza Iron content (mg Fe/dm 3 ) 1-S S S S S Zawartość manganu w studniach Manganese content of groundwater in wells Tabela 5 Table 5 Zawartość manganu Manganese content (mg Mn/dm 3 ) 1-S S S Brak danych S No data S Zawartość siarczanów w studniach Sulphate content of groundwater in wells Tabela 6 Table 6 Zawartość siarczanów Sulphate content (mg SO 2-4 /dm 3 ) 1-S S S S S Biorąc pod uwagę klasyfikację jakości zwykłych wód podziemnych dla potrzeb monitoringu środowiska (PIOŚ 1993, weryfik r.) należy stwierdzić, że przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia woda podziemna charakteryzowała się w zakresie wszystkich oznaczanych parametrów i składników najwyższą jakością (klasa Ia). W wyniku eksploatacji wód podziemnych nastąpiła istotna degradacja jakości wody. Pod względem elektrolitycznego przewodnictwa właściwego nastąpiła zmiana jakości wody do klasy II, a w studniach 3 S i 4 S nawet do klasy III, w roku Pod względem twardości ogólnej i zawartości żelaza nastąpiła degradacja wody do klasy Ib, natomiast w zakresie

8 8 Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski zawartości manganu nastąpiła degradacja jakości wody do klasy II w roku 1994 oraz klasy III w roku Pod względem zawartości żelaza oraz manganu surowa woda gruntowa nie spełnia wymagań, jakim powinna odpowiadać woda do picia [Dz.U nr 203 poz. 1718], co powoduje konieczność jej uzdatniania i przez to wzrost kosztów produkcji. Pogorszenie jakości wody podziemnej nastąpił w wyniku reakcji ługowania węglanu wapnia oraz dolomitu w dobrze napowietrzonej, o zwiększonej objętości strefie aeracji, zgodnie z równaniami podawanymi przez Kowalskiego [1998]: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 CaMg(CO 3 ) + 2CO 2 + 2H 2 O Mg 2+ + Ca 2+ + HCO 3 (1) (2) Wzrost zawartości żelaza z całą pewnością nastąpił w wyniku utlenienia w strefie aeracji nierozpuszczalnego pirytu FeS 2, często występującego w osadach fluwioglacjalnych [Kowalski, 1998]: FeS 2 + 7O 2 +2H 2 O 2FeSO 4 + 2H 2 SO 4 (3) 5FeS 2 +14NO 3 + 4H + 7 N SO Fe H 2 O (4) Podobnie do utlenienia pirytu, zachodzi również reakcja utlenienia nierozpuszczalnego siarczku manganu MnS. Potwierdzeniem reakcji chemicznych ługowania węglanów (1), (2) jest duży wzrost zasadowości ogólnej wody (tab. 2), pozostającej w ścisłym związku z koncentracją jonów wodorowęglanowych (HCO 3 ). Reakcje utleniania siarczków (3) i (4), które zaszły w wyniku napowietrzenia profilu gruntowego w związku z obniżeniem poziomu wody gruntowej potwierdza wzrost koncentracji siarczanów (tab. 6). PODSUMOWANIE W wyniku intensywnej eksploatacji wód podziemnych z utworów czwartorzędowych pochodzenia wodnolodowcowego w ujęciu Retków Stara Rzeka nastąpiło pogorszenie się jakości wód podziemnych w tym rejonie. W wyniku obniżenia zwierciadła wód podziemnych w rejonie ujęcia wzrosła miąższość strefy aeracji i w warunkach napowietrzenia profilu gruntowego w odwodnionej strefie nastąpiło uaktywnienie się procesów chemicznych ługowania węglanów oraz utleniania siarczków żelaza i manganu. Wzrost twardości wody, ogólnej mineralizacji wody oraz koncentracji jonów żelaza i manganu spowodowały degradację jakościową wód podziemnych, ujmowanych w tym ujęciu. Koncentracja żelaza oraz manganu wzrosła na tyle poważnie, że konieczne jest jej uzdatnianie przed skierowaniem do sieci wodociągowej. Analizy zmian jakości wody podziemnej udowodniły, że w rejonie ujęcia izolacja eksploatowanego poziomu wód podziemnych od górnej warstwy wodonośnej, którą stanowią utwory słabo przepuszczalne rozdzielające obie warstwy jest słaba i wynika prawdopodobnie z nieciągłości warstwy rozdzielającej.

9 Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu Retków Stara Rzeka... 9 PIŚMIENNICTWO Czaban S., Kowalski J.,Kajewski I., 1997: Analiza skutków eksploatacji ujęcia Retków Stara Rzeka na środowisko wodno glebowe, Instytut Inżynierii Środowiska AR we Wrocławiu, maszynopis. Appelo C.A.J., Postma D., 1993: Geochemistry, groundwater and pollution. A.A. Balkema, Rotterdam. Dz.U nr 203 poz. 1718: Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 19 listopada 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Kowalski J., 1998: Hydrogeologia z podstawami geologii. Wyd. AR we Wrocławiu. PIOŚ Klasyfikacja jakości zwykłych wód podziemnych dla potrzeb monitoringu środowiska (weryfik. 1995r). INFLUENCE OF GROUNDWATER EXPLOITATION IN RETKÓW STARA RZEKA INTAKE ON WATER QUALITY Abstract. Intensive exploitation (1.5 million cubic meters per year) of water resources in Retków Stara Rzeka groundwater intake from quaternary deposits of fluvioglacial origin caused unintended and unfavourable changes of water quality. Unfavourable changes of water quality concern its alkalinity, hardness, electrical conductivity as well as iron and manganese content. Alkalinity has risen from less than 1 meq/dm 3 in 1986 to more than 4.5 meq/dm 3 in the year Electrical conductivity has risen from 150 μs/cm to 550 μs/cm and even to near 900 μs/cm (in some wells) in the same period. Increase of electrical conductivity is directly connected with the increase of Total Dissolved Solids (TDS). Total hardness has risen during the same time from 60 mg CaCO 3 /dm 3 to 300 CaCO 3 /dm 3 and even 460 CaCO 3 /dm 3 in some cases. Concentration of iron ions has changed from less than 0.1 mg Fe/ dm 3 before exploitation to nearly 4 mg Fe/ dm 3 in the year 1994, similarly has risen manganese concentration, from less than 0.03 mg Mn/ dm 3 in the year 1986 to 0.5 mg Mn/ dm 3 in the year Increase of manganese and iron ions concentration caused that raw groundwater does not fulfil polish and European Union drinking water standards. Analyses has shown that almost impermeable layer of loam which separates first and second (exploited) aquifer uncontinuous. Key words: groundwater intake, groundwater quality.