OBRAZOWANIE ELEKTROOPOROWE WSCHODNIEJ CZĘŚCI OTOCZENIA SKŁADOWISKA ODPADÓW POWĘGLOWYCH PANEWNIKI KWK HALEMBA-WIREK

Transkrypt

1 GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2010 Tom 5 Zeszyt 4 Arlena KOWALSKA, Jolanta PIERWOŁA Uniwersytet Śląski, Sosnowiec OBRAZOWANIE ELEKTROOPOROWE WSCHODNIEJ CZĘŚCI OTOCZENIA SKŁADOWISKA ODPADÓW POWĘGLOWYCH PANEWNIKI KWK HALEMBA-WIREK Streszczenie. W pracy zaprezentowano obrazowanie elektrooporowe jako metodę pozwalającą na badanie wpływu zdeponowanych odpadów powęglowych na środowisko gruntowo-wodne. Metoda obrazowania elektrooporowego pozwoliła na uzyskanie szczegółowych informacji o budowie geologicznej wschodniej części otoczenia składowiska odpadów powęglowych Panewniki KWK Halemba-Wirek oraz o prawdopodobnym rozmieszczeniu zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej. Otrzymane informacje o ośrodku geologicznym mogą być podstawą do określenia miejsc migracji zanieczyszczeń ze składowiska oraz zasięgu zanieczyszczeń wód podziemnych. Ze względu na brak pełnej izolacji deponowanych odpadów powęglowych od podłoża, badany obszar jest szczególnie narażony na zanieczyszczenia głównie chlorkami i siarczanami migrującymi ze składowiska do płytko zalegających wód podziemnych. RESISTIVITY IMAGING EAST PART AROUND PANEWNIKI COAL MINING WASTE DUMP OF HALEMBA-WIREK COAL MINE Summary. The paper presents a method of resistivity imaging. This method allows to study the impact of coal wastes on groundwater. The resistivity imaging measurements were carried out east from the Panewniki waste dump of Halemba-Wirek Coal Mine. For the lack of the isolation of deposited coal wastes the examined area is exposed on pollutions mainly chlorides and sulphates migrating from the storage yard. The aim of investigations was to get information about the geological structure and about the probable distribution of pollutants in the water-bearing layer. The received information will allow to localize areas where contaminations infiltrate into the ground. It will also help to determine the range of groundwater pollution.

2 150 A. Kowalska, J. Pierwoła 1. Wprowadzenie Składowiska odpadów powęglowych stanowią poważne zagrożenie dla jakości wód podziemnych, ze względu na brak izolacji deponowanych odpadów od podłoża i dużą podatność odpadu na czynniki atmosferyczne. Właściciel takiego obiektu zobowiązany jest do ciągłej obserwacji wpływu składowiska na wody podziemne podczas jego eksploatacji, a także po jego zamknięciu. W związku z tym konieczne jest, aby warunki geologiczne i hydrogeologiczne wokół składowisk odpadów były szczegółowo rozpoznane. Obecnie proponuje się stosowanie metod geofizycznych w badaniach wokół składowisk odpadów, ze względu na to, iż pozwalają one na ciągłe śledzenie zmian w ośrodku geologicznym bez ingerencji w górotwór. W prezentowanej pracy zastosowano metodę obrazowania elektrooporowego w celu uzyskania szczegółowych informacji dotyczących budowy geologicznej i warunków wodnych oraz zbadania wpływu składowiska odpadów powęglowych Panewniki KWK Halemba- Wirek na wody podziemne we wschodniej części otoczenia składowiska. Metodę obrazowania elektrooporowego stosuje się powszechnie z dobrymi rezultatami w badaniach wokół składowisk odpadów przemysłowych i komunalnych [1, 3, 6, 10, 11]. Przed przeprowadzeniem obrazowania elektrooporowego wokół składowiska Panewniki były wykonywane badania elektromagnetyczne bardzo niskich częstotliwości VLF (Very Low Frequency) [8]. 2. Charakterystyka obszaru badań Przedmiotem badań jest składowisko odpadów powęglowych Panewniki, należące do KWK Halemba-Wirek. Składowisko zlokalizowane jest w na granicy miasta Mikołowa z Rudą Śląską i Katowicami. Administracyjnie należy do Mikołowa (rys. 1). Obszar składowiska kształtem zbliżony jest do trójkąta, jego otoczenie stanowią lasy Nadleśnictwa Katowice. W pobliżu, w okresie ostatnich kilku lat, obserwuje się rozwój zabudowy mieszkalnej, nie ma natomiast obiektów przemysłowych. Składowisko Panewniki, utworzone w nieczynnej piaskowni, ma powierzchnię 118,4 ha, zdeponowano na nim tys. m 3, tys. Mg odpadów [7]. W 2001 roku KWK Halemba na składowisku tym zdeponowała 5% wszystkich wytworzonych odpadów, czyli

3 Obrazowanie elektrooporowe wschodniej części ,3 Mg, natomiast w 2002 roku zdeponowano 8% wytworzonych odpadów, co stanowi ,6 Mg [4]. Składowanie odpadów odbywało się etapami. W pierwszym etapie wypełniono wyrobisko dawnej piaskowni o głębokości 12 m (do rzędnej 277 m n.p.m.). Drugą warstwę, o powierzchni 83,50 ha, kształtowano do rzędnej 284,5 m n.p.m. Wierzchowina składowiska niwelowana była spychaczami, a materiał zagęszczany walcem wibracyjnym [9]. Wokół składowiska Panewniki wyznaczono strefę ochronną o powierzchni 370 ha [7]. Rys. 1. Lokalizacja składowiska odpadów powęglowych Panewniki KWK Halemba-Wirek Fig. 1. Localization of coal mining waste dump Panewniki of the Halemba-Wirek Coal Mine 2.1. Warunki geologiczne Cechą charakterystyczną osadów czwartorzędowych w rozpatrywanym obszarze jest bardzo duża zmienność wykształcenia litologicznego oraz rozprzestrzenienia. Plejstocen występuje w postaci szarych, drobno- i średnioziarnistych piasków i żwirów pochodzenia rzeczno-lodowcowego oraz soczewek zapiaszczonych iłów i glin. Gliny mają charakter piaszczysty, miejscami wapnisty, zawierają osady moreny dennej, tj. otoczaki, autochtoniczne piaskowce i wapienie oraz allochtoniczne granity i kwarcyty. Utwory holoceńskie to głównie osady aluwialne, powstałe w wyniku współczesnej akumulacji rzecznej. Reprezentują je piaski drobnoziarniste i pylaste oraz gliny. Budowę geologiczną przedstawiają wybrane profile geologiczne rys. 2.

4 152 A. Kowalska, J. Pierwoła Rys. 2. Profile geologiczne otworów wiertniczych wokół składowiska Panewniki [13] Fig. 2. Geological profiles within waste dump Panewniki [13] 2.2. Warunki wodne Przez obszar składowiska przebiega dział wodny trzeciego rzędu potoku Jamna i rzeki Kłodnicy. Potok Jamna jest lewobrzeżnym dopływem Kłodnicy o maksymalnym przepływie wody wynoszącym 37,8 m 3 /min. Jest on odbiornikiem odwodnienia ze składowiska Panewniki oraz ścieków gospodarczych, przemysłowych i wód opadowych z Mikołowa. Wody potoku Jamna wykazują ponadnormatywny poziom skażenia, przekroczona jest zwłaszcza dopuszczalna zawartość związków organicznych i metali ciężkich, tj. żelaza, cynku, miedzi i ołowiu [7]. Odprowadzenie wód deszczowych z obszaru składowiska uregulowane jest decyzją Wojewody Śląskiego z 1998 roku. Wody opadowe z południowo-zachodniej części składowiska szybko migrują do potoku Jamna, co jest związane z ukształtowaniem koryta

5 Obrazowanie elektrooporowe wschodniej części potoku i pierwszej warstwy składowiska. Podczas składowania odpadów formowane były około 0,5-metrowe przeciwskarpy, które mają zapobiegać odpływowi wód z wierzchowiny. Częściowe zadrzewienie skarp składowiska powoduje zatrzymanie większości wód opadowych [13]. Pozostała część ujmowana jest przez rowy opaskowe do osadników zlokalizowanych w rejonach zachodnim i południowym. Osadniki mają za zadanie oczyszczanie wód opadowych z zanieczyszczeń mechanicznych. Wody odprowadzane ze zwałowiska charakteryzują się wysoką zawartością siarczanów, wynoszącą maksymalnie 2060 mg/dm 3, chlorków maksymalnie 902 mg/dm 3 i mineralizacją maksymalnie 5666 mg/dm 3 [13]. Na rozpatrywanym obszarze wody podziemne należą do piętra czwartorzędowego UPWP Q I Rejonu Górnej Odry (wcześniej GZWP Q/3 Rzeki Kłodnicy). Piętro to ma charakter porowy, budują je piaski i żwiry, lokalnie piaski pylaste, wypełniające kopalną dolinę Kłodnicy. Zwierciadło wód podziemnych w obrębie doliny rzecznej występuje na głębokości 1 2 m, na pozostałym obszarze na głębokości 5 m 7,5 m. Ma ono przeważnie charakter swobodny, jednakże lokalnie może znajdować się pod niewielkim ciśnieniem hydrostatycznym [2]. Utwory przepuszczalne są przewarstwione glinami i iłami o charakterze nieciągłym [4]. Piętro to jest słabo izolowane od powierzchni, zasilane wodami opadowymi, których jakość jest nietrwała. W lokalnej sieci piezometrów zaobserwowano znaczne różnice w jakości wód, które są związane z niejednorodnością zwałowanego materiału [13]. 3. Metodyka badań Do pomiarów wytypowano cztery profile badawcze o długości 155 m każdy, zlokalizowane we wschodnim obrzeżeniu składowiska. Trzy profile (BB, CC, DD ) miały przebieg zbliżony do równoległego względem hałdy, jeden (AA ) prostopadły (rys. 3). Położenie profili pomiarowych wytyczono odbiornikiem GPS Garmin 60CS. W celu uszczegółowienia budowy geologicznej i wykrycia potencjalnych zanieczyszczeń pochodzących ze składowiska Panewniki, zastosowano metodę obrazowania elektrooporowego. Metoda ta pozwala na uzyskanie dwuwymiarowego modelu opornościowego badanego ośrodka geologicznego. W metodzie obrazowania elektrooporowego wykonuje się wiele pomiarów oporności pozornej, odpowiadających określonej kombinacji elektrod wzdłuż badanego profilu. Pomiary wykonywane są automatycznie, następnie uzyskane dane pomiarowe zostają poddane procesowi inwersji.

6 154 A. Kowalska, J. Pierwoła Proces inwersji 2D polega na rozwiązaniu prostego zadania dla założonego modelu ośrodka, a następnie iteracyjnym dopasowywaniu modelu początkowego do pomierzonych danych [12]. Ponieważ spadek wartości oporu elektrycznego w ośrodku geologicznym może być związany z występowaniem wód o podwyższonej mineralizacji, na podstawie uzyskanego modelu opornościowego ośrodka geologicznego będzie można określić nie tylko warunki migracji wód podziemnych, ale także ich potencjalne zanieczyszczenia. W niniejszej pracy wykorzystano system obrazowania oporu włoskiej firmy P.A.S.I. Układ pomiarowy zbudowany jest z jednostki centralnej, wyposażonej w 32-bitowy system operacyjny, do której podłącza się tzw. link box y, zarządzające elektrodami podłączonymi do aparatury za pomocą kabli wielożyłowych. Pomiary prowadzono z zastosowaniem układu pomiarowego Wenner-Schlumberger, co przy odległości między elektrodami 5 m pozwoliło na uzyskanie rozpoznania do głębokości około 25 m. Dane pomiarowe poddano procesowi inwersji w programie Res2dinv. Rys. 3. Lokalizacja pomiarów obrazowania elektrooporowego Fig. 3. Localization of resistivity imaging measurements

7 Obrazowanie elektrooporowe wschodniej części Interpretacja wyników Profile obrazowania elektrooporowego zaprezentowano na rys Rys. 4. Profil obrazowania elektrooporowego A-A Fig. 4. A-A resistivity imaging profile Rys. 5. Profil obrazowania elektrooporowego B-B Fig. 5. B-B resistivity imaging profile Rys. 6. Profil obrazowania elektrooporowego C-C Fig. 6. C-C resistivity imaging profile Rys. 7. Profil obrazowania elektrooporowego D-D Fig. 7. D-D resistivity imaging profile

8 156 A. Kowalska, J. Pierwoła Jako podstawę interpretacji uzyskanych przekrojów elektrooporowych przyjęto istnienie znacznej różnicy oporu właściwego ośrodka suchego lub nasyconego wodą słodką w stosunku do ośrodka zanieczyszczonego wodą o wysokiej mineralizacji. Powyższe założenie stanowi podstawę wykorzystania metody elektrooporowej do wykrywania i monitoringu zanieczyszczenia wód podziemnych. Interpretację ułatwia znajomość bezwzględnej wartości oporu właściwego ośrodka nasyconego wodą zmineralizowaną. Wynosi ona kilka Ωm, a w wielu przypadkach może obniżyć się nawet do poziomu 2 3 Ωm. Pewne utrudnienie w interpretacji uzyskanych wyników spowodowane jest niejednolitym wykształceniem litologicznym, zwłaszcza istnieniem przewarstwień o charakterze gliniastym i ilastym. Skały te mogą charakteryzować się oporem elektrycznym zbliżonym do zanieczyszczonych wód podziemnych, aczkolwiek dla zapiaszczonych glin, zawierających otoczaki, można się spodziewać oporów nieco wyższych. Dodatkową istotną informacją, ułatwiającą interpretację, jest precyzyjna lokalizacja zwierciadła wód podziemnych na głębokości 5 7,5 m. Na zaprezentowanych profilach obrazowania elektrooporowego, w przedziale głębokości odpowiadającym warstwie wodonośnej, można wyróżnić strefy niskooporowe, o oporze na poziomie kilku Ωm. Z uwagi na to, że zawodnione piaski zazwyczaj charakteryzują się oporem elektrycznym w przedziale Ωm, niższe wartości oporów mogą świadczyć o występowaniu wód o podwyższonej mineralizacji. Strefy wysokooporowe (>200 Ωm) zinterpretowano jako piaski suche w strefie aeracji lub piaski ze żwirami w strefie saturacji. Na wysuniętym najbardziej na północ profilu AA (rys. 4), tuż pod powierzchnią, wyznaczono strefę niskooporową, która zanika w kierunku wschodnim. Strefa ta została zinterpretowana jako fragment soczewki glin, na której istnienie wskazuje profil pobliskiego otworu (P11). Poniżej, od głębokości około 6 m, odpowiadającej głębokości pierwszego poziomu wodonośnego, opór elektryczny wzrasta maksymalnie do około 200 Ωm, co może świadczyć o występowaniu w tej strefie zawodnionych, niezanieczyszczonych piasków. Spadek oporu elektrycznego na głębokości około 18 m wywołany jest przez warstwę mułków. Rysunek 5 prezentuje profil obrazowania elektrooporowego, na którym na głębokości poniżej 6 m można wyznaczyć dwie strefy (50 65 m i m profilu) charakteryzujące się oporem poniżej 10 Ωm, gdzie spodziewana jest migracja do warstwy wodonośnej zanieczyszczonych wód ze składowiska. Badania nie osiągnęły spągu warstwy wodonośnej. Jest to zgodne z danymi literaturowymi, wskazującymi, że miąższość skał przepuszczalnych rośnie w kierunku doliny Kłodnicy i może przekraczać 30 m.

9 Obrazowanie elektrooporowe wschodniej części Kolejny profil CC (rys. 6) jest najtrudniejszy do jednoznacznej interpretacji. Strefa niskooporowa sięga tu do głębokości około 10 m, przy czym obserwowane wartości oporu elektrycznego są nieco wyższe aniżeli na sąsiednich profilach i mieszczą się w przedziale m. Wydaje się to świadczyć raczej o istnieniu piaszczysto-gliniastych przewarstwień aniżeli o występowaniu zanieczyszczenia. Jedynie pomiędzy 80 a 85 m profilu zaznacza się niewielka anomalia oporu, która może wskazywać na miejsce infiltracji zanieczyszczonych wód ze składowiska. W analizowanym przekroju strefa niskooporowa jest podścielona warstwą wysokooporową, gdzie opór elektryczny waha się w granicach Ωm. Jest to związane z występowaniem utworów luźnych, grubszych frakcji, ze wskazaniem na utwory kamienisto-żwirowe. W profilu D-D warstwa niskooporowa, interpretowana jako zanieczyszczona warstwa wodonośna, jest obserwowana w przedziale głębokości 7 18 m. W stropie tej warstwy występują osady o oporach elektrycznych wynoszących około Ωm, prawdopodobnie suche piaski. 5. Wnioski 1. Obrazowanie elektrooporowe pozwoliło na uszczegółowienie budowy geologicznej wschodniej części otoczenia składowiska odpadów powęglowych Panewniki KWK Halemba-Wirek. 2. Na podstawie utworzonego modelu geoelektrycznego ośrodka geologicznego oraz archiwalnych danych, dotyczących hydrogeologii i geologii obszaru wokół składowiska, wskazano strefy wód prawdopodobnie zanieczyszczonych. Zanieczyszczenia te najprawdopodobniej migrują ze zdeponowanych na składowisku Panewniki odpadów powęglowych. 3. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono: - płytko zalegające zwierciadło wód podziemnych w piaskach na głębokości około 6 m, - strefę o niskim oporze elektrycznym, którą zinterpretowano jako zanieczyszczoną warstwę wodonośną, - strefy o oporze elektrycznym Ωm, które zinterpretowano jako warstwę wodonośną, niezanieczyszczoną, występującą w piaskach,

10 158 A. Kowalska, J. Pierwoła - strefę charakteryzującą się wysokimi oporami elektrycznymi ( Ωm) zinterpretowaną jako utwory żwirowe w strefie saturacji. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach , jako projekt badawczy promotorski Nr N N BIBLIOGRAFIA 1. Abu-Zeid N., Bianchini G., Santarato G., Vaccaro C.: Geochemical caracterization and geophysical mapping of Landfill leachates: the Marozzo canal case study (NE Italy). Environmental Geology 45, Italy, 2004, p Absalon D., Jankowski A., Leśniok M.: Komentarz do mapy hydrograficznej w skali 1:50 000, arkusz M B, Chorzów Barusi M., Rizzo E., Lapenna V.: Electromagnetic methods to characterize the Savoia di Lucania waste dump (Southern Italy). Environ Geol 51, 2006, s CITEC S.A.: Powiatowy Program Ochrony Środowiska dla miasta Ruda Śląska, Cossu R., Di Maio R., Fais S., Fraghi A., Ligas P., Menghini A.: Physical and structural characterization of an old landfill site by a multimethodological geophysical approach, Frid V., Liskerich G., Doudkinski D., Korontishersky N: Evaluation of landfill disposal boundary by means of electrical resistivity imaging. Environ, Geol., Główny Instytut Górnictwa: Gminny Program Ochrony Środowiska dla miasta Mikołów na lata Załącznik nr 1 do uchwały nr XXVII/392/2004, Katowice Kowalska A.: Wpływ składowiska odpadów powęglowych Panewniki KWK Halemba- Wirek na wartości wypadkowego pola elektromagnetycznego ośrodka geologicznego. Zagadnienia interdyscyplinarne w górnictwie i geologii, 2010 (w druku). 9. Matura H., Markowicz E.: Instrukcja eksploatacji zwałowiska Panewniki. Rudzka Spółka Węglowa S.A KWK Halemba, Ruda Śląska Moradzadeh A., Ardejani F., D., Pisheh S.F.: An Investigation on the Environmental Effects of Sulphide Mines Using Geophysical Studies, Rosqvist H., Dahlin T., Fourie A., Rohrs L., Bengtsson A., Larsson M.: Mapping of leachate plumes at two landfill sites in South Africa using geoelectrical imaging techniques. Proceedings Sardinia 2003, Ninth International Waste Management and Landfill Symposium, Italy, Rudzki M., Krawiec A.: Ocena zanieczyszczenia wód podziemnych z wykorzystaniem metody tomografii elektrooporowej. Współczesne problemy hydrogeologii, tom XIII, część 2, Kraków Wolny M., Walter A.: Przegląd ekologiczny zwałowiska Panewniki. Rudzka Spółka Węglowa S.A KWK Halemba, Ruda Śląska Recenzent: Dr hab. inż. Marek Pozzi, prof. nzw. w Pol. Śl.