OCENA ODDZIAŁYWANIA SKŁADOWISKA ODPADÓW KOMUNALNYCH W TYCHACH NA ŚRODOWISKO WÓD PODZIEMNYCH W ŚWIETLE BADAŃ MODELOWYCH

Transkrypt

1 BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 2010 R. OCENA ODDZIAŁYWANIA SKŁADOWISKA ODPADÓW KOMUNALNYCH W TYCHACH NA ŚRODOWISKO WÓD PODZIEMNYCH W ŚWIETLE BADAŃ MODELOWYCH IMPACT ASSESSMENT OF MUNICIPAL LANDFILL IN TYCHY ON GROUNDWATER ENVIRONMENT MODELLING STUDY SŁAWOMIR SITEK 1, ANDRZEJ WITKOWSKI 1, ANDRZEJ KOWALCZYK 1, ANETTA M. ŻUREK-PUCEK 2 Abstrakt. Składowisko w Tychach-Urbanowicach składa się z trzech kwater, dwóch czynnych i jednej zamkniętej w 1994 r. W przeciwieństwie do pozostałych stara kwatera nie została zabezpieczona od dołu, co umożliwiło przenikanie odcieków ze składowiska do wód podziemnych. W celu dokonania oceny zasięgu i skali negatywnego wpływu starej kwatery składowiska na wody podziemne plejstoceńskiego poziomu wodonośnego stworzono model przepływu dla warunków ustalonych i model transportu dla warunków nieustalonych, wykorzystując oprogramowanie FeFlow. Do oceny migracji zanieczyszczeń wybrano bor. Rezultaty badań modelowych wykazały migrację zanieczyszczeń od składowiska w kierunku zgodnym z generalnym przepływem wód podziemnych do rzeki Gostyni. W wyniku dyspersji stężenie boru w wodach podziemnych maleje od 13 mg/l (pod nieczynną kwaterą składowiska) do 1 2 mg/l w odległości 300 m na południe od starej kwatery składowiska. Chmura zanieczyszczeń osiąga rozmiary 750 m długości i 250 m szerokości. Wykonane symulacje na modelu potwierdziły przypuszczenia zwiększenia się zasięgu chmury zanieczyszczeń do około 1 km długości. Można przypuszczać, że w najbliższych latach będzie obserwowany ciągły wzrost stężenia boru w wodach piezometrów znajdujących się na południe od składowiska (P17, P17a) do około 5 7 mg/l. Słowa kluczowe: modelowanie przepływu i transportu, FeFlow, składowisko odpadów komunalnych, zanieczyszczenie wód podziemnych. Abstract. The municipal landfill in Tychy-Urbanowice consists of three sites, the old one closed in 1994 and two others in use. The old part, against two other ones, is not lined and, as a result, the landfill leachate deteriorates the quality of groundwater. The objective of the modelling study was to apply 3D transport modelling for assessment and prediction of municipal landfill impact within the Quaternary aquifer. The transient transport models using FeFlow software have been constructed. For single-species transport model boron has been chosen. The results indicate that the contamination plume of boron has been moved downstream from the old landfill towards the Gostynia River. The plume is currently about 750 meters long and 250 meters wide. The highest concentration of boron is 13 mg/l under the old landfill and, as a result of dispersion, concentration decreases to 1 2 mg/l at the distance of 300 meters downwards from the old landfill, what was confirmed by both model simulation and monitoring network observation. The predictions made on the model show that contamination plume still spreads and higher level concentration of boron will be observed downstream from the old landfill site. Key words: flow and transport modelling, FeFlow, municipal landfill, groundwater contamination. 1 Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, ul. Będzińska 60, Sosnowiec; slawomir.s.sitek@us.edu.pl; andrzej.witkowski@us.edu.pl; andrzej.kowalczyk@us.edu.pl 2 Urząd Miasta Tychy, al. Niepodległości 49, Tychy

2 148 Sławomir Sitek i in. WSTĘP W obrębie aglomeracji miejskich składowiska odpadów komunalnych stanowią poważne zagrożenie dla jakości wód podziemnych. Dlatego zgodnie z rozporządzeniem Ministra Środowiska (Dz.U. z 2002 r., Nr 220, poz.1858) obiekty te muszą być monitorowane w celu określenia ich wpływu na środowisko wód podziemnych. Jednym z 1041 składowisk komunalnych występujących w Polsce jest składowisko położone w południowej części Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego w Tychach- -Urbanowicach. Wyniki monitoringu wód podziemnych zlokalizowanego wokół tego składowiska jednoznacznie wskazują na negatywny wpływ składowiska na wody podziemne. Jednym z dowodów na przesączanie się odcieków do wód podziemnych jest gwałtowny wzrost mineralizacji wód. Wody plejstoceńskiego poziomu wodonośnego dopływające do składowiska charakteryzują się mineralizacją rzędu 400 mg/dm 3, podczas gdy wody podziemne pod składowiskiem osiągają mineralizację mg/dm 3. Stwierdzenie tak istotnego antropogenicznego wpływu na wody podziemne było przyczyną podjęcia badań w celu określenia zasięgu i skali negatywnego wpływu składowiska odpadów komunalnych oraz stworzenia prognoz określających przemieszczanie się chmury zanieczyszczeń w najbliższych latach. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ Składowisko odpadów komunalnych w Tychach położone jest we wschodniej części miasta, w dzielnicy Urbanowice. Składa się z trzech kwater. Kwatera pierwsza o powierzchni 3,5 ha powstała na terenie byłego wyrobiska piasku. Początkowo funkcjonowała jako składowisko odpadów budowlanych, natomiast od 1988 r. na składowisku zaczęto składować odpady komunalne z miasta. W 1994 r. kwatera została zamknięta. Powodem zamknięcia był brak jakichkolwiek zabezpieczeń przed przedostawaniem się odcieków ze składowiska do wód podziemnych (Witkowski, Żurek, 2007). Dwa lata później rozpoczęto prace rekultywacyjne polegające na przykryciu wierzchowiny folią HDPE o grubości 1,5 mm i przysypaniu jej warstwą ziemi o grubości cm, zbocza skarpy składowiska zostały zabezpieczone tylko na odcinku jednego metra od wierzchowiny. Prace rekultywacyjne nie spowodowały jednak znaczącej poprawy jakości wód, a dla części wskaźników zanieczyszczeń zauważono wyraźny trend wzrostowy (Witkowski, Żurek, 2007). Pozostałe dwie kwatery zbudowano kilkanaście metrów na wschód od starej, nieczynnej części składowiska (fig. 1). Nowe kwatery zostały zabezpieczone przed przedostawaniem się potencjalnych odcieków do wód gruntowych. W rejonie składowiska odpadów wyróżniamy piętra wodonośne czwartorzędu, lokalnie triasu oraz karbonu. Z punktu widzenia celu badań istotnym piętrem wodonośnym jest tylko piętro czwartorzędowe, ponieważ jego izolacja od spągu miąższym pakietem iłów mioceńskich skutecznie uniemożliwia przesączanie się wód oraz odcieków ze składowiska do niżej leżących pięter wodonośnych. Piętro wodonośne czwartorzędu budują piaski, a w części południowej także żwiry, tworząc jeden poziom wodonośny. Lokalnie poziom ten może być rozdzielony utworami gliniasto-pylastymi na dwie warstwy wodonośne, pozostające w łączności hydraulicznej. Zwierciadło wód podziemnych na przeważającej części obszaru ma charakter swobodny i swym kształtem wyraźnie nawiązuje do morfologii terenu. Rzędne zwierciadła wahają się od 239,7 m n.p.m. w części północnej (piezometr P16) do 234,7 m n.p.m. w części południowej (piezometr Po2). Przepływ wód pod składowiskiem odbywa się z północy na południe. Głównym źródłem zasilania wód podziemnych jest infiltracja efektywna z opadów atmosferycznych. Strefę drenażu stanowi Gostynia, lewobrzeżny dopływ Wisły (Witkowski i in., 2006). Wody podziemne plejstoceńskiego poziomu wodonośnego w obszarze składowiska są monitorowane przez 18 piezometrów, w tym dwie grupy piezometrów gniazdowych P17 i P17A oraz P19 i P19A (fig. 1). BUDOWA MODELU W celu określenia skali i zasięgu oddziaływania składowiska odpadów komunalnych w Tychach-Urbanowicach na wody podziemne oraz dla stworzenia prognoz migracji zanieczyszczeń ze składowiska zbudowano model migracji z użyciem oprogramowania Feflow wersji 5.3 firmy DHI-WASY (Diersch, 2005). Jest to program obliczający równanie przepływu i migracji w pełnej przestrzeni trójwymiarowej, bazując na metodzie elementów skończonych. W wyniku analizy informacji z obecnych i zlikwidowanych otworów hydrogeologicznych, map geologicznych i hydrogeologicznych stworzono bazę danych w programie Geographix Discovery (pakiet Data Manager). Program ten wybrano ze względu na jego możliwości jednoczesnego tworzenia map strukturalnych, budowania bazy danych o otworach, a także zdolności tworzenia map z georeferencjami różnych układów topograficznych. Na modelu odwzorowano piętro wodonośne czwartorzędu jako jedną warstwę o zwierciadle swobodnym, obejmującą swym zasięgiem składowisko odpadów i teren przyległy, o łącznej powierzchni 1,52 km 2. Następnie podzielono tę warstwę na mniejsze warstewki (slices) w celu zbudowania modelu 3D, w którym możliwe będzie obserwowanie pogrążania się chmury zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej. Granice modelu oparto na naturalnych granicach sytemu

3 Ocena oddziaływania składowiska odpadów komunalnych w Tychach na środowisko wód podziemnych Fig. 1. Lokalizacja składowiska komunalnego w Tychach-Urbanowicach Location municipal landfill in Tychy-Urbanowice wodonośnego: w części południowej i wschodniej po rzekach Gostynia i Potok Tyski, natomiast w części północnej w nawiązaniu do działu wód powierzchniowych. Granica zachodnia jest granicą wyznaczoną arbitralnie, zamykającą obszar modelu (fig. 1). Granice pionowe zostały odwzorowane na modelu warunkiem III rodzaju. Dyskretyzacja obszaru została wykonana przy użyciu jednego z czterech dostępnych algorytmów do tworzenia siatki elementów skończonych w programie FeFlow. Autorzy wybrali z dostępnych opcji Triangle, ponieważ algorytm ten umożliwia dodawanie linii i punktów, wokół których istnieje możliwość automatycznego dogęszczenia siatki podczas jej tworzenia. Ostatecznie obszar modelu został pokryty siatką trójkątów, zagęszczoną pod składowiskiem i na południe od niego, w celu dokładniejszego odwzorowania procesów migracji zanieczyszczenia (fig. 2). Korzystając ze stworzonej wcześniej bazy danych, wykonano mapy stropu i spągu warstwy wodonośnej oraz mapę zwierciadła początkowego dla plejstoceńskiego poziomu wodonośnego w programie Geographix Discovery (pakiet

4 150 Sławomir Sitek i in. Fig. 2. Siatka dyskretyzacyjna obszaru badań Discretization network of research area Geoatlas). Dzięki możliwej konwersji rozszerzeń plików z programu Geographix Discovery do plików grafiki wektorowej ESRI shapefile używanych w systemie GIS, możliwy był import wszystkich map do programu FeFlow. Mapę wejściową zróżnicowania współczynnika filtracji uzyskano na podstawie profili litologicznych sieci piezometrów. Parametr ten podczas kalibracji modelu podlegał tarowaniu. Wartość infiltracji efektywnej została przyjęta na poziomie15% wielkości rocznej sumy opadów dla posterunku opadowego w Tychach z lat Ze względu na zabezpieczenie przed przesiąkaniem wód opadowych do kwater składowiska jego obszar został odwzorowany bardzo niską infiltracją efektywną równą 5 mm/r. Wytarowany model przepływu wód podziemnych posłużył w dalszym etapie do zbudowania modelu transportu masy. Do badań modelowych migracji zanieczyszczeń wybrano bor. Pierwiastek ten powszechnie występuje w odciekach komunalnych, natomiast w wodach zwykłych jego stężenia są niskie, zwykle poniżej 0,05 mg/l (Macioszczyk, Dobrzyński, 2002). W obszarze badań brak także naturalnych źródeł boru, które umożliwiałyby przedostawanie się go do wód podziemnych. Badania modelowe migracji tego składnika konserwatywnego wykonano dla przepływu nieustalonego, przy założeniu, że transport masy ma charakter adwekcyjny z uwzględnieniem dyspersji i pominięciem procesów sorpcji. Stałe dyspersji podłużnej i poprzecznej zostały wyznaczone na podstawie serii obliczeń numerycznych. Ostatecznie wartość dyspersji podłużnej i poprzecznej ustalono odpowiednio na 1 m i 0,1 m. Do wprowadzenia warunku początkowego wykorzystano dane stężenia boru z monitoringu składowiska z 2007 r. Wyniki monitoringu zawartości boru w piezometrze P16, usytuowanym na dopływie wód do składowiska, wskazują na możliwość występowania tego jonu w wodzie w niskich stężeniach, dlatego na granicy północnej i wschodniej zastosowano warunek graniczny Dirichleta C = 0,1 mg/l. Tarowanie modelu transportu masy polegało na wykonywaniu serii obliczeń numerycznych, przy różnicowaniu głównie parametrów dyspersji oraz warunków granicznych. Na wykalibrowanym modelu przeprowadzono badania prognostyczne rozprzestrzeniania się boru. WYNIKI BADAŃ MODELOWYCH MIGRACJI Wyniki badań modelowych dowodzą, że przepływ adwekcyjny wód pod nieczynną kwaterą składowiska od północnej jego granicy do południowej trwa od kilkunastu do około 20 lat. Adwekcyjny przepływ poza składowiskiem do Gostyni jest krótszy i waha się od 8 do 15 lat. Z bilansu wód podziemnych dla sporządzonego modelu wynika, że Gostynia jest głównym składnikiem drenażu (95%). Głównym źródłem zasilania są opady atmosferyczne (90%). Badania modelowe wykazały także niewielki udział w zasilaniu warstwy wodonośnej wodami z Potoku Tyskiego (2,5%). W celu określenia tempa i zasięgu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń z nieczynnej części składowiska na podstawie migracji boru wykonano badania symulacyjne. Przeprowadzono dwie symulacje, przy założeniu różnego sposobu dostawania się ładunku zanieczyszczeń do wód podziemnych (tab. 1). Dwa oddzielne scenariusze symulacji były podyktowane brakiem informacji o całkowitej masie boru odprowadzonego na składowisko oraz o tempie nagromadzenia odpadów zawierających bor. Wyniki symulacji zostały przedstawione na figurze 3. W obydwu przypadkach zarówno kształt, jak i rozmieszcze- nie chmury zanieczyszczeń były podobne. Zanieczyszczenie przesuwa się zgodnie z kierunkami przepływu wód na południe do głównej strefy drenażowej. Chmura zanieczyszczeń w symulacji SYM1 osiąga długość około 1 km. W pobliżu rzeki front zanieczyszczeń będzie miał największą rozpię- Nazwa symulacji Zestawienie wykonanych symulacji migracji boru Scenario simulations of boron migration Okres Liczba lat Opis symulacji Tabela 1 SYM Stała dostawa boru do poziomu wodonośnego ze starego składowiska przez 20 lat SYM Stała dostawa boru do poziomu wodonośnego ze starego składowiska przez 10 lat; przez pozostałe 10 lat wartość dostarczanego ładunku zanieczyszczeń będzie zależna od infiltracji efektywnej

5 Ocena oddziaływania składowiska odpadów komunalnych w Tychach na środowisko wód podziemnych Fig. 3. Mapy koncentracji boru w rejonie badań. Wyniki monitoringu (A) i symulacji modelowych SYM1 (B1, B2) i SYM2 (C1, C2, C3) Maps of boron concentration in research area. Result of groundwater quality monitoring (A) and model simulations SYM1 (B1, B2) and SYM 2 (C1, C2, C3)

6 152 Sławomir Sitek i in. tość, osiągając około 300 m. W wyniku dyspersji stężenia powyżej 5 mg/l boru w wodach podziemnych będą występowały od składowiska do okolic piezometrów P17 i P17A. Poniżej tych punktów w kierunku południowym stężenia boru będą malały i nie powinny przekraczać 1,5 mg/l w wodach podziemnych dopływających do Gostyni. Wyniki symulacji SYM2 po dwudziestu latach ukazują maksymalne stężenie zawartości boru w wodach podziemnych pod środkową częścią nieczynnej kwatery składowiska o 40% mniejsze (powyżej 7 mg/l) od obecnych. Koncentracja boru w wodach podziemnych uchodzących do Gostyni jest niska i wynosi 0,5 1 mg/l. PODSUMOWANIE Dotychczasowe wyniki monitoringu jakości wód podziemnych wokół składowiska odpadów komunalnych w Tychach-Urbanowicach, wskazujące na negatywny wpływ tego obiektu na wody podziemne, zostały potwierdzone wykonanymi badaniami modelowymi. Wyniki symulacji migracji boru w strumieniu adwekcyjno-dyspersyjnym wskazują na dalsze przesuwanie się chmury zanieczyszczeń na południe i wzrost stężenia tego jonu w wodach w piezometrach usytuowanych w tej części modelu. Obserwacje pogrążania się chmury zanieczyszczeń zostały potwierdzone zarówno badaniami modelowymi, jak i obserwacjami w piezometrze gniazdowym P17 i P17A. Rozważając zróżnicowanie stopnia zanieczyszczenia wód borem na drodze przepływu, stwierdza się najwyższe koncentracje w piezometrze P18 położonym w centralnej części starego składowiska. Można więc wysunąć wniosek, że nadal odbywa się wymywanie zanieczyszczeń ze składowiska, dlatego stężenie boru w wodach w otworach zlokalizowanych na południe od składowiska w kolejnych latach powinno rosnąć. Z wykonanych badań symulacyjnych migracji boru wynika, że w ciągu kilku najbliższych lat zanieczyszczenia wynoszone ze składowiska mogą dotrzeć do drenującej wody podziemne Gostyni. Wiarygodność wykonanych badań modelowych może być zweryfikowana wynikami badań koncentracji boru w wodach podziemnych w rejonie składowiska odpadów komunalnych. W tym celu kluczowym jest prowadzenie ciągłych obserwacji stężenia tego jonu we wszystkich piezometrach położonych na południe od składowiska, ze szczególnym uwzględnieniem piezometrów P17A i Po4, a także w samej rzece. LITERATURA DIERSCH H.-J.G., 2005 FEFLOW, Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System Reference Manual. DHI- WASY GMbH, Berlin. MACIOSZCZYK A., DOBRZYŃSKI D., 2006 Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód podziemnych. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa. ROZPORZĄDZENIE Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2002 r. w sprawie zakresu, czasu, sposobu oraz warunków prowadzenia monitoringu składowiska odpadów. Dz.U. Nr 220, poz WITKOWSKI A.J., MIOTLIŃSKI K., SIWEK P., WRÓBEL J., 2006 Ocena przyczyn zanieczyszczania wód podziemnych czwartorzędowego piętra wodonośnego w rejonie starego składowiska odpadów w Tychach-Urbanowicach. Niepublikowany raport. Arch. Zakładu Badawczo-Usługowego Intergeo, Sosnowiec. WITKOWSKI A.J., ŻUREK A.M., 2007 Wpływ starych zrekultywowanych składowisk odpadów komunalnych na wody podziemne. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 13, cz. 3: AGH, Kraków. SUMMARY Municipal landfill in Tychy-Urbanowice consist of three sites, which one is not lined and as result the landfill leachate degraded quality of groundwater. The aim of the paper was to present landfill impact assessment on groundwater. In order to solve the problem the 3D transport model using FEFLOW was created. Due to not complicated geological structure and hydrogeological condition, the model was built as unconfined single layer aquifer. For single-species transport model, boron as a conservative constituent generated by landfill has been chosen. The results show that contamination plume is currently about 750 meters long and 250 meters wide. The highest concentration of boron was observed in well P18 (13 mg/l). The derived simulation results indicate that the plume of boron will be continuously spread downstream to Gostynia River the main drainage in the model system. The risk assessment analysis show that landfill leachate will be generated for a long time. In the next few years the contamination plume spread on the south and the higher concentration will be observed in observation well P17A and Po4. The concentration of boron in groundwater near river will be on very low level as a result of dispersion. In the first scenario simulation SYM1 the concentration decrease to 1.5 mg/l. Based on the results of SYM2 the concentration of boron near the river is mg/l. To confirm the reliability of model and based on it prognostic simulation of boron mass transport, it is essential to measured the concentration of this constituent in monitoring networks for the next year.