DEGRADACJA HYDROLOGICZNA GLEB NA OBSZARZE POGÓRNICZEJ NIECKI OSIADAŃ KOPALNI WĘGLA KAMIENNEGO JANINA W LIBIĄśU

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 519: DEGRADACJA HYDROLOGICZNA GLEB NA OBSZARZE POGÓRNICZEJ NIECKI OSIADAŃ KOPALNI WĘGLA KAMIENNEGO JANINA W LIBIĄśU Sławomir Klatka, Krzysztof Lipka, Ewelina Zając Katedra Rekultywacji Gleb i Ochrony Torfowisk, Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja w Krakowie Wstęp Środowisko glebowe jako podstawowy element środowiska naturalnego jest najbardziej naraŝone na degradację spowodowaną górnictwem węgla kamiennego. Działalność eksploatacyjna kopalń poprzez osiadania powierzchni prowadzi do powstawania róŝnych form degradacji gleb. Deformacje terenu mogą objawiać się spękaniem powierzchni ziemi, tworzeniem się lejów i parowów utrudniających uprawę lub powodujących eliminację gleby z przyrodniczego uŝytkowania [CHWASTEK i in. 1990; BOROŃ, KLATKA 1997, 1999]. Prowadzą one równieŝ do zmniejszenia się odległości pomiędzy powierzchnią a poziomem zwierciadła wód gruntowych i występowania zawodnień wodogruntowych. Skutkiem tego jest zmniejszenie produktywności uŝytków rolnych lub ich całkowite zniszczenie. Przy wysokim stopniu zawilgocenia w glebach uruchomione zostają procesy bagienne, które powodują wyłączenie określonej powierzchni terenu z rolniczego uŝytkowania [SKAWINA i in. 1972]. Nieznaczne podniesienie się zwierciadła wody gruntowej moŝe niekiedy powodować wzrost produkcji rolniczej, częściej jednak występuje obniŝenie klasy bonitacyjnej lub konieczność zmiany uŝytkowania gruntów ornych na uŝytki zielone lub łąki. NatęŜenie skutków degradacji hydrologicznej gleb jest zróŝnicowane obszarowo i zaleŝne od zakresu zmian gospodarki wodnej. Modyfikująco wpływają na nie takŝe takie elementy, jak poziom stosowanej agrotechniki czy teŝ rozkład i ilość opadów atmosferycznych [KLATKA, BOROŃ 2001]. Celem pracy była ocena stopnia degradacji hydrologicznej gleb na obszarze wchodzącym w skład terenu eksploatacyjnego KWK Janina w LibiąŜu. Materiały i metody badań Badania przeprowadzono na obszarze niecki osiadań o powierzchnia 9,77 ha, zlokalizowanej w południowej części wsi śarki koło LibiąŜa. Obszar ten podlega intensywnej degradacji, spowodowanej eksploatacją górniczą KWK Janina. W ostatnich latach wystąpiło tam nasilenie deformacji geomechanicznych terenu w postaci osiadań powierzchni, co w konsekwencji doprowadziło do zmiany warunków wodno-gruntowych gleb. W zachodniej części obszaru powstało zalewisko o powierzchni około 2 ha. Globalne

2 podniesienie zwierciadła wody gruntowej spowodowało, iŝ w glebach rozpoczął się proces degradacji hydrologicznej. W ce- Tabela 1; Table 1 Wybrane właściwości badanych gleb Chosen properties of investigated soils Nr odkrywki Opening number pl pgm psg Poziom (cm) Horizon (cm) Gatunek gleby Soil textural group ρ o Gęstość obj. (g cm -3 ); Bulk density (g cm -3 ) ρ s Gęstość fazy stałej (Mg m -3 ) Specific gravity (Mg m -3 ) P o Porowatość (% obj.) Porosity (% vol.) ph Przewodnictwo elektrolityczne (µs cm -1 ); Electrolytic conductivity (µs cm -1 ) I 0-30 pl 2,14 2,59 45,17 6,29 132, pgm 2,46 2,60 40,77 6,42 134, pl 2,42 2,65 40,75 6,43 60,1 II 0-40 psg 1,49 2,60 45,77 6,24 59, pl 2,33 2,65 40,75 6,50 88, pl 2,40 2,63 40,30 6,75 114, pl 2,55 2,55 46,67 6,18 60,0 piasek luźny; loose sand piasek gliniasty mocny; strong loamy sand piasek słabogliniasty; weak loamy sand lu scharakteryzowania właściwości gleb omawianego terenu wykonano odkrywki z opisem cech morfologicznych i pobrano materiał do badań laboratoryjnych. Uzyskane wyniki zamieszczono w tab. 1. Ocenę wpływu oddziaływania górnictwa węgla kamiennego na aktualny układu stosunków wodnych gleb badanego terenu, przeprowadzono w oparciu o klasyfikację wprowadzoną przez SKAWINĘ i in. [1972]. W klasyfikacji tej wyróŝnia się trzy podstawowe typy: gospodarka gruntowo-wodna (GW), gospodarka opadowo-gruntowo-wodna (OGW), gospodarka opadowo-retencyjna (OR) oraz ich odmiany. Jako kryterium wydzielenia podstawowych typów gospodarki wodnej gleb przyjmuje się połoŝenie zwierciadła wody gruntowej w stosunku do strefy korzenienia się roślin. W celu kartograficznego wyznaczenia granic występowania poszczególnych typów gospodarki wodnej gleb, wykorzystano metodę przekrojów poprzecznych [śuławski 1965; KLATKA, BOROŃ 2001]. W sumie, metodami geodezyjnymi wyznaczono siedem przekrojów poprzecznych, których trasy przebiegały prostopadle do izolinii osiadań. Na przekrojach zaznaczono rzędne powierzchni terenu, rzędne terenu po osiadaniu oraz rzędne zwierciadła wody gruntowej wyznaczone na podstawie map hydroizohips. Przykładowy profil poprzeczny zamieszczono na rys 1. Określenie procentowych wartości uszkodzeń hydrologicznych gleb wykonano w oparciu o równanie [ECKES, śuławski 1985]: 10 + B + C + D % = A U (%), gdzie: U procentowe obniŝenie zdolności produkcyjnej gleby (%), A wskaźnik uzaleŝniony od zmian gospodarki wodnej gleby (0,0 do 1,0), B wskaźnik uzaleŝniony od warunków klimatycznych, C wskaźnik uzaleŝniony od wielkości powierzchni uszkodzonej, D wskaźnik uzaleŝniony od stopnia trudności realizacji melioracji odwadniających.

3 DEGRADACJA HYDROLOGICZNA GLEB NA OBSZARZE PROFIL C-C PROFILE C-C Rzędne terenu po osiadaniu Altitudes after settling Rzędne terenu przed osiadaniem Altitudes before settling Rzędne zw. w. gr Ground water level Zalewisko / Floaded area 235,8 Rys. 1. Fig. 1. Przykładowy profil C-C przez badany teren z zaznaczonymi typami gospodarki wodnej. GW gospodarka gruntowo-wodna, OGW gospodarka opadowo-gruntowo-wodna, OR gospodarka opadowo-retencyjna, zal - zalewisko Examplary profile C-C across investigated area with marked types of soil water management. GW ground-water management, OGW precipitationground-water management, OR precipitation-retention management, zal - floaded area 0-20 % % % % % 100 % % 0-20 % Rys. 2. Fig. 2. Mapa uszkodzeń hydrologicznych gleb badanego terenu Map of hydrological soil damages on the area of investigation

4 140 S. Klatka, K. Lipka, E. Zając Wartości wskaźnika A do powyŝszego równania przyjmowano w zaleŝności od danego typu i podtypu gospodarki wodnej gleb wyznaczonych na podstawie przekrojów poprzecznych. Wyniki wyznaczonych wielkości uszkodzeń zamieszczono w tab. 2. Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła na wykreślenie mapy uszkodzeń hydrologicznych gleb zamieszczonej na rys. 2 oraz ocenę skutków degradacji. Wyniki badań Na podstawie uzyskanych wyników badań, moŝna stwierdzić, iŝ w omawianym rejonie dominują gleby typu mineralno-murszowego. Według SYSTEMATYKI GLEB POLSKI [1989] naleŝą one do działu IV gleb hydrogenicznych, rzędu IVB gleb pobagiennych. W składzie granulometrycznym tych gleb występuje piasek luźny (pl), piasek gliniasty mocny (pgm) oraz piasek słabogliniasty (psg). Jest to materiał tworzący poziomy o bardzo duŝej przepuszczalności i o małej retencji wodnej. Wyznaczone właściwości fizyczne potwierdzają nasilenie procesów degradacji hydrologicznej gleb. Odczyn kształtuje się w granicach występujących w glebach o danym podtypie i oscyluje wokół wartości optymalnych dla większości roślin uprawnych. Przewodnictwo elektrolityczne nie przekracza wartości 2000 (µs cm -1 ), przyjętej jako wartości krytycznej dla gleb nawadnianych. Właściwości podłoŝa glebowego klasyfikują badany obszar jako bardzo podatny na występowanie zawodnień wodogruntowych, zwłaszcza z uwagi na skład granulometryczny. Podstawowym kryterium przyjętym do określenia wielkości uszkodzeń, była zmiana warunków wodnych gleb. Zestawienie powierzchni uszkodzeń gleb Record sheet of soil damages Tabela 2; Table 2 Uszkodzenia hydrologiczne gleb (%) Hydrological damages (%) Powierzchnia (ha) Area (ha) Procent w stosunku do powierzchni całkowitej Percent of total area ,65 27, ,31 23, ,97 9, ,87 8, ,95 9, ,02 20,7 Na podstawie analizy danych zawartych w tabeli 2 zauwaŝono, Ŝe największą powierzchnie zajmują uszkodzenia hydrologiczne gleb w przedziale 0-20%. Obejmują one około 27% całkowitej powierzchni. Drugie pod względem obszarowym są uszkodzenia 20-40% oraz uszkodzenia największe, czyli 100%. Średnia waŝona uszkodzeń gleb dla całego terenu wyniosła 43% (wagą była powierzchnia uszkodzeń). Na obszarach o uszkodzeniach hydrologicznych do 20% pierwotnej zdolności produkcyjnej wystąpił wzrost uwilgotnienia i pogorszenie warunków wegetacji, a takŝe stopniowa zmiana składu florystycznego runi łąkowej. Uszkodzenia zawierające się w przedziale 20 40%

5 DEGRADACJA HYDROLOGICZNA GLEB NA OBSZARZE spowodowały powstanie niekorzystnych warunków wilgotnościowych w glebach, które w konsekwencji doprowadziły do obniŝenia klasy bonitacyjnej i zmiany uŝytkowania terenu. W przypadku gruntów ornych wystąpiło przechodzenie od suchych odmian kompleksów zboŝowo-pastewnych do wilgotniejszych, a nawet do likwidacji uŝytkowania zboŝowo-pastewnego na rzecz pastwiskowego lub łąkowego. Wyrazem uszkodzeń średnich (40 60%) był dalszy wzrost uwilgotnienia w przypowierzchniowych warstwach gleby i stopniowe przekształcenie łąkowych siedlisk grądowych i łęgowych na bagienne. Hydrologiczne uszkodzenia w przedziale powyŝej 60% uwidoczniły najbardziej niekorzystne przeobraŝenia w glebach. Ich odzwierciedleniem były zmiany kompleksów przydatności rolniczej oraz obniŝenie bonitacji do klasy VI. W wyniku pojawienia się zwierciadła wody gruntowej blisko powierzchni (uszkodzenia powyŝej 80%) wystąpiła całkowita degradacja gleb i powstanie nieuŝytków. Na tym obszarze rozpoczęła się równocześnie znaczna ekspansja roślinności hydrofilnej: turzyc, sitów i pałki wodnej. Wśród skutków przekształceń hydrologicznych gleb najwaŝniejsze znaczenie miała rzeczywista zmiana procesów Ŝyciowych gleby, wyraŝająca się spadkiem wartości bonitacyjnej. Dotyczyło to uszkodzeń większych od 40%. W skrajnych przypadkach (uszkodzenia powyŝej 80%) doszło do całkowitego wyłączenia gleb z uŝytkowania rolniczego. Aktualnie, na omawianym terenie zjawiskiem powszechnym jest rezygnacja z uprawy i w wielu przypadkach ugorowanie gruntów. Łąki i pastwiska naleŝące do rolników indywidualnych charakteryzują się niskim poziomem stosowanej agrotechniki, co niewątpliwie wpływa na ich jakość i przydatność rolniczą. W przyszłości naleŝy się liczyć ze zwiększeniem powierzchni nieuŝytków rolniczych wraz z nasileniem procesów degradacji hydrologicznej gleb. Wnioski 1. Badany teren podlega intensywnym wpływom eksploatacji górnictwa węgla kamiennego KWK Janina. Nasilające się w czasie przekształcenia powierzchni spowodowane osiadaniami doprowadziły do powstania bezodpływowej niecki i globalnego podniesienia zwierciadła wody gruntowej. Stan taki znajduje swoje odzwierciedlenie w stopniu degradacji hydrologicznej gleb. Analiza badań terenowych i laboratoryjnych wskazuje, Ŝe na badanym obszarze dominuje materiał glebowy charakteryzujący się duŝą podatnością na procesy degradacji hydrologicznej. 2. Następstwem szkód górniczych w obrębie rozpatrywanej niecki osiadań była zmiana pierwotnych typów gospodarki wodnej gleb. Z punktu widzenia produktywności gleby najbardziej niekorzystne były zmiany gospodarki opadowo-gruntowo-wodnej na gruntowo-wodną i gruntowowodnej na zalewiska. Zmiany te spowodowały największe uszkodzenia hydrologiczne gleb. Ich analiza wskazuje, Ŝe najwięcej wystąpiło uszkodzeń w przedziale 0-40%. Zajęły one łącznie 4,96 ha, co stanowi około 50% badanej powierzchni. Uszkodzenia największe (100%) objęły około 20% powierzchni terenu.

6 142 S. Klatka, K. Lipka, E. Zając 3. Degradacja hydrologiczna gleb doprowadziła do ograniczenia ich zdolności produkcyjnej. Na obszarze uszkodzeń małych i średnich (do 40%) wystąpiło pogorszenie warunków wegetacji, zmiana składu florystycznego runi łąkowej oraz częściowe obniŝenie klasy bonitacyjnej i kompleksu przydatności rolniczej. Przy uszkodzeniach duŝych (powyŝej 40%), łąki zostały opanowane przez roślinność mało wartościową (turzyce, chwasty) oraz wystąpiło obniŝenie klas bonitacyjnych i tendencje do zmian uŝytkowania gruntów. 4. Analiza uzyskanych wyników pozwala na stwierdzenie, Ŝe środowisko glebowe badanego terenu jest mało odporne na antropopresyjną działalność górniczą. Stąd teŝ wszelkie działania Kopalni powinny zmierzać w kierunku ograniczenia do minimum negatywnego wpływu eksploatacji na środowisko glebowe. Biorąc pod uwagę charakter uszkodzenia gleb oraz obszar zalewiska naleŝy stwierdzić, Ŝe likwidacja zmian hydrologicznych w glebach wymagałaby zastosowania kosztownych zabiegów melioracji odwadniających. NaleŜy więc rozpatrzyć inny niŝ rolniczy kierunek rekultywacji, uwzględniający specyfikę danego terenu. Literatura BOROŃ K., KLATKA S Use of the soil productivity index for evaluation of soils converted as a result of coal mining. 2 nd International Green Symposium on Geotechnics and the Environment. September Kraków, Poland. Edited by R.W. Sarsby. Balkema, London: BOROŃ K., KLATKA S Evaluation of farmland degradation induced by coal mine activity. 10 th International Soil Conference, V Purdue University, USA: CHWASTEK J., JANUSZ W., MACIASZEK J., MIKOŁAJCZYK J., REPELOWSKI A., SZEWCZYK K Deformacje powierzchni terenu spowodowane działalnością górniczą. Zesz. Nauk. AGH w Krakowie, ser. Sozologia i Sozotechnika 30: ECKES T., śuławski CZ Sozologia dla geodetów. Skrypt AGH 988: KLATKA S., BOROŃ K Gospodarka wodna gleb terenu eksploatowanego przez KWK Szczygłowice. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, ser. InŜ. Środowiska 21: SKAWINA T., TRAFAS M., śuławski Cz Klasyfikacja stosunków wodnych gleb dla potrzeb oceny i prognozy szkód górniczych. Materiały XIX Ogólnopolskiego Zjazdu Naukowego PTG. Ochrona Środowiska Glebowego. IUNG, Puławy: SYSTEMATYKI GLEB POLSKI PWN, Warszawa. Roczniki Gleboznawcze XL 3/4: 64 ss. śuławski CZ Przewidywanie zmian glebowo-uŝytkowych wywołanych wpływami górnictwa odkrywkowego. Zakład Badań Naukowych GOP-PAN, b. 5: Słowa kluczowe: degradacja hydrologiczna gleb, gospodarka wodna gleb, górnictwo węgla kamiennego

7 DEGRADACJA HYDROLOGICZNA GLEB NA OBSZARZE Streszczenie W pracy dokonano oceny stopnia degradacji hydrologicznej gleb będącej skutkiem szkód górniczych na terenie wchodzącym w skład obszaru eksploatacyjnego Kopalni Węgla Kamiennego Janina w LibiąŜu. Nasilające się w czasie geomechaniczne przekształcenia powierzchni (osiadania) doprowadziły do powstania na tym terenie bezodpływowej niecki i globalnego podniesienia zwierciadła wody gruntowej oraz znacznej degradacji hydrologicznej gleb. Wyniki badań wskazują, Ŝe zmiany typów gospodarki wodnej spowodowały uszkodzenia gleb, co w konsekwencji doprowadziło do pogorszenia warunków wegetacji oraz obniŝenia klas bonitacyjnych i kompleksów przydatności rolniczej. W przypadku znacznych uszkodzeń będących wynikiem powiększenia istniejącego zalewiska, nastąpiło wyłączenie części gleb z rolniczego uŝytkowania. HYDROLOGICAL DEGRADATION OF SOILS ON THE AREA OF POST MINING SETTLING BASIN OF JANINA COAL MINE IN LIBIĄś Sławomir Klatka, Krzysztof Lipka, Ewelina Zając Department Soil Reclamation and Peat-Bogs Protection, Agricultural University, Kraków Key words: hydrological dehradation of soils, soil water conditions, pit coal mining Summary The hydrological degradation of soils as a result of mining damages on the exploation site area of Janina Coal Mine in LibiąŜ was evaluated. Geomechanical transformations of the surface intensified in time caused formation of interior settling basin on this area, as well as the global rise of groundwater table and intensive hydrological soil degradation. The results showed that the changes in soil water management caused some damages of soils and, consequently, deterioration of vegetation conditions and lowering the soil quality classes and agricultural usefulness complexes. In the case of high damages resulted from enlargement of existing flooding a part of soils was excluded from arable cultivation. Dr inŝ. Sławomir Klatka Katedra Rekultywacji Gleb i Ochrony Torfowisk Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja Al. Mickiewicza 24/ KRAKÓW rmklatka@cyf-kr.edu.pl