OCENA TECHNICZNEGO STANU OBWAŁOWAŃ ZBIORNIKA ŚCIEKÓW Z PRZEMYSŁU ROLNO-SPOŻYWCZEGO

WODA-ŚRODOWISKO-OBSZARY WIEJSKIE 2004: t. 4 z. 1 (10) WATER-ENVIRONMENT-RURAL AREAS s. 91 101 www.imuz.edu.pl Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, 2004 OCENA TECHNICZNEGO STANU OBWAŁOWAŃ ZBIORNIKA ŚCIEKÓW Z PRZEMYSŁU ROLNO-SPOŻYWCZEGO Zbigniew KOWALEWSKI, Alicja ŚLESICKA Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, Zakład Zasobów Wodnych Słowa kluczowe: obwałowanie, osiadanie podłoża, ścieki, wody gruntowe, zbiornik retencyjny S t r e s z c z e n i e W pracy przedstawiono charakterystykę zbiornika retencyjnego ścieków i wyniki badań prowadzonych w latach 1990-2002 dotyczących piętrzenia ścieków w zbiorniku, stanu wód w piezometrach, kolmatacji czaszy zbiornika, osiadania obwałowania i stanu zagęszczenia nasypu. Zbiornik ziemny (ogroblowany), o pojemności około 360 tys. m 3 gromadzi ścieki poprodukcyjne z krochmalni i browaru, które okresowo nie mogą być odprowadzane na pole irygacyjne. Zbiornik wykonany w 1977 r. po 2 latach eksploatacji uległ awarii z powodu niekontrolowanego przepełnienia. Zniszczone zostało obwałowanie na długości 70 m w miejscu występowania w podłożu gruntów organicznych (miąższość około 8 m). Ponowne piętrzenie ścieków w zbiorniku po jego odbudowie rozpoczęto w 1988 r. Od tego czasu zwraca się szczególną uwagę na stan bezpieczeństwa tego zbiornika. WSTĘP Bardzo często płynne odpady przemysłowe, okresowo lub na stałe, gromadzone są w zbiornikach ziemnych wyniesionych ponad powierzchnię terenu. Zdarzają się awarie tego typu zbiorników. Można wymienić wiele przyczyn uszkodzeń obwałowań. Wynikają one z niestarannego wykonawstwa, błędnego rozpoznania podłoża, przekroczenia dopuszczalnego napełnienia, przebić hydraulicznych, uszkodzenia przez zwierzęta itp. W każdym przypadku awaria napełnionego zbior- Adres do korespondencji: dr inż. Z. Kowalewski, Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, Zakład Zasobów Wodnych, 05-090 Raszyn; tel. +48 (22) 720-05-31 w. 212, e-mail: z.kowalewski@imuz.edu.pl

92 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 4 z. 1 (10) nika może spowodować znaczne straty materialne, a nawet zagrożenie życia ludzkiego. Dlatego w czasie eksploatacji zbiornika niezbędne jest, między innymi, bieżące kontrolowanie jego stanu technicznego. Zobowiązują do tego przepisy Prawa Budowlanego [Prawo..., 1994] oraz Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 1996 r. [Rozporządzenie..., 1996]. Odrębnym problemem jest oddziaływanie zbiornika na środowisko (zmiany jakości wód gruntowych). W niniejszej pracy przedstawiono wyniki kontroli zbiornika ziemnego, gromadzącego ścieki produkcyjne z zakładu rolno-spożywczego, prowadzonej w latach 1990 2002. Kontrolowano przebieg piętrzenia ścieków w zbiorniku, poziom wód w piezometrach kontrolnych, kolmatację czaszy zbiornika, przemieszczenia reperów na obwałowaniu i stan zagęszczenia nasypu. Obserwacje i badania były prowadzone w okresach piętrzenia po rekonstrukcji części obwałowania zniszczonej w wyniku awarii, która nastąpiła w 1979 r. po przelaniu się ścieków przez koronę nasypu. CHARAKTERYSTYKA ROZPATRYWANEGO ZBIORNIKA RETENCYJNEGO ŚCIEKÓW Zadaniem zbiornika (rys. 1) jest okresowe retencjonowanie ścieków z zakładu rolno-spożywczego (krochmalni i browaru). Ścieki te charakteryzują się małą zawartością związków biogennych, zróżnicowanym odczynem (ph od 4,7 do 7,5), bardzo dużą wartością BZT 5 (do 1600 mg O 2 dm 3 ), bardzo dużą utlenialnością (88 1625 mg O 2 dm 3 ), dużym stężeniem substancji rozpuszczonych (619 4141 mg dm 3 ), okresowo dużym stężeniem zawiesin (28 1061 mg dm 3 ). Ścieki ze zbiornika są przeznaczone do rolniczego wykorzystania na specjalnie do tego przygotowanych terenach. Pojemność czynna zbiornika wynosi około 360 tys. m 3, dopuszczalne napełnienie, w stosunku do średniego poziomu dna czaszy 3,8 m, a wysokość nasypu obwałowania w najniższym punkcie terenu dochodzi do 5,5 m. Nachylenie skarp na stronie odwodnej wynosi 1 : 2,5, a na stronie odpowietrznej 1 : 4. Szerokość korony nie przekracza 5 m. Czaszę zbiornika pokrywają utwory piaszczyste (piaski drobne, pylaste, gliniaste) o zróżnicowanej miąższości (od kilku do kilkudziesięciu metrów) i współczynnikach filtracji 0,3 2,3 m d 1. W rejonie południowo-zachodniego odcinka obwałowania (w tym w rejonie awarii) występują grunty organiczne (średnio rozłożone torfy) o miąższości 2 8 m, przykryte warstwą piasków drobnych miąższości 2,5 4 m. Obwałowanie zostało wykonane z gruntów o niejednorodnym składzie granulometrycznym. Są to piaski drobne, zarówno pylaste jak i gliniaste. Wskaźnik różnorodności uziarnienia wynosił od 3,0 do 11,8, a wskaźnik jego krzywizny od 0,72 do 3,5 [Ekspertyza..., 1988].

Z. Kowalewski, A. Ślesicka: Ocena technicznego stanu obwałowań... 93 Rys. 1. Zbiornik retencyjny ścieków; 1 piezometry, 2 repery, 3 punkty kontroli zagęszczenia, 4 piezometryczny przekrój kontrolny, 5 strefa rozmycia w czasie awarii w 1979 r., 6 główny kierunek przepływu wód gruntowych poza zbiornikiem Fig. 1. The situation plan of the retention reservoir; 1 piezometers, 2 datum points, 3 points of soil compaction control, 4 piezometric control cross-section, 5 zone of breakdown in 1979, 6 main direction of groundwater flow outside the reservoir Zbiornik oddano do eksploatacji w 1977 r. Dwa lata później nastąpiło przerwanie obwałowania w najniższym miejscu. Korona została rozmyta na odcinku 70 m i w jej środku powstała wyrwa o szerokości od 10 do 40 m, długości około 200 m i głębokości do 2,5 m (poniżej pierwotniej powierzchni terenu). Po przeprowadzonej w 1983 r. rekonstrukcji obwałowania w strefie awarii i na odcinkach przyległych, ponowne piętrzenie rozpoczęto w 1988 r. PRZEBIEG PIĘTRZENIA ŚCIEKÓW W ZBIORNIKU I JEGO WPŁYW NA ZMIANY POŁOŻENIA WÓD GRUNTOWYCH W NAJBLIŻSZYM OTOCZENIU Maksymalna dopuszczalna rzędna napełnienia zbiornika wynosi 116,80 m n.p.m. Zazwyczaj przeprowadza się 2 lub 3 cykle piętrzenia ścieków i opróżniania zbiornika w roku, z czego pierwszy szczyt piętrzenia występuje przeważnie na

94 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 4 z. 1 (10) przełomie marca i kwietnia, drugi pod koniec czerwca i kolejny w sierpniu. W latach 1990 i 1991 najwyższe piętrzenie nie przekroczyło rzędnej 115,00 m n.p.m. W kolejnych latach (1992 1995) wynosiło ono od 115,00 do 115,77 m n.p.m. Najwyższą w okresie badań rzędną piętrzenia, równą 116,27 m n.p.m., osiągnięto w 1996 r. W latach 1997 2002 maksymalne piętrzenia wynosiły od 115,36 do 115,90 m n.p.m. Stwierdzono występowanie korelacji między napełnieniem zbiornika a położeniem wód gruntowych w jego otoczeniu, jednak oddziaływanie zbiornika na podwyższenie stanu wód gruntowych było bardzo zróżnicowane w czasie (rys. 2). W latach 1990 1996 obserwowano wyraźnie wyższe stany wód w piezometrach niż w latach 1997 2002. 116.50 116.00 115.50 115.00 114.50 rzędne poziomu wód, m n.p.m datum of water level, m a.s.l. 114.00 113.50 113.00 112.50 112.00 111.50 111.00 110.50 110.00 109.50 109.00 108.50 108.00 1 2 3 4 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 lata years Rys. 2. Zmiany poziomu piętrzenia ścieków w zbiorniku retencyjnym i poziomu wód gruntowych w piezometrach; 1 zbiornik, 2 piezometr P4, 3 piezometr P6, 4 piezometr P8 Fig. 2. Changes of waste water level in the reservoir and of groundwater table in piezometers; 1 reservoir, 2 piezometer P4, 3 piezometer P6, 4 piezometer P8

Z. Kowalewski, A. Ślesicka: Ocena technicznego stanu obwałowań... 95 Z oceny zależności między maksymalnymi poziomami napełnienia zbiornika w danym roku a położeniem wód gruntowych w piezometrach pomierzonym w tym samym czasie wynika, że wartości współczynników korelacji są ujemne lub bardzo małe. Oznacza to, że występuje zróżnicowane w czasie przesunięcie reakcji piezometrów na piętrzenie zbiornika, związane z oddziaływaniem osadów dennych oraz stanem wód gruntowych w jego otoczeniu, będących pod wpływem zasilania z roztopów wiosennych występujących zazwyczaj w okresie osiągania maksymalnych piętrzeń w zbiorniku (przełom marca i kwietnia). Miąższość osadów powstających w wyniku sedymentacji zawiesin na skarpach zbiornika nie przekracza 0,2 m, a na jego dnie wynosi około 0,5 m. O wpływie osadów na poziom wód w obwałowaniu świadczy położenie krzywych depresji wykreślonych na podstawie pomiarów z różnych lat i krzywych teoretycznych określonych za pomocą programu numerycznego WODG-5 [Analiza..., 1997; Ekspertyza..., 1988] (rys. 3). Oddziaływanie to jest korzystne dla zapewnienia stateczności obwałowania. KONTROLA OSIADANIA PODŁOŻA Badania osiadania podłoża rozpoczęto w r. po modernizacji obwałowań, ale jeszcze przed piętrzeniem ścieków po odbudowie zbiornika. Początkowo zainstalowano 21 reperów powierzchniowych, uzupełnionych w kolejnych czterech latach o 10 dodatkowych. Pomiary niwelacyjne wykonywano przeważnie raz na kwartał. Stwierdzono roczną cykliczność osiadań i podwyższeń reperów spowodowaną piętrzeniem i opróżnianiem zbiornika z ogólną tendencją zwiększania osiadania obwałowania (tab. 1, rys. 4). Zdecydowanie większe przemieszczenia występują na podłożu z gruntów organicznych. W 1996 r., w warunkach największego napełnienia (116,27 m n.p.m.), w ciągu miesiąca wystąpiło wypiętrzenie wszystkich reperów dochodzące do 2,3 mm na podłożu piaszczystym, do 2,0 mm na podłożu z glin pylastych i do 5,2 mm na podłożu z gruntów organicznych. W przypadku większości reperów takie przemieszczenia obserwowano do końca 1996 r. Wyniki pomiarów uwzględniono w zaktualizowanej Instrukcji... [1977], w której maksymalne dopuszczalne różnice położenia reperów zostały ustalone jako nie większe niż 5 mm. Od 1997 do 2000 r. obserwowano kontynuację procesu osiadania. W latach 2001 i 2002 nastąpiło jego wyhamowanie i nie wyklucza się względnej stabilizacji stanu podłoża w następnych latach. Z badań wynika, że występujące roczne osiadanie obwałowania jest mniejsze o 10 mm od wartości prognozowanej na podstawie obliczeń osiadania dla okresu do 1997 r. i o 5 mm od wartości prognozowanej od 1998 r. [Ekspertyza..., 1988].

96 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 4 z. 1 (10) 0 poziom porównawczy, datum level przemieszczanie reperów, mm displacement of datum, mm -5-10 -15-20 -25 1 2 3 4 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 lata years Rys. 4. Przemieszczenia przykładowych reperów zlokalizowanych na koronie nasypu o różnym podłożu; 1, 2 podłoże z gruntów organicznych (repery 161 i 183), 3 podłoże z glin pylastych (reper 210), 4 podłoże z piasków (reper 25) Fig. 4. Displacement of some datum points localised on the crest of the embankment of different subsoil; 1, 2 organic subsoil (points 161 and 183), 3 loamy subsoil (point 210), 4 sandy subsoil (point 25) KONTROLA ZAGĘSZCZENIA NASYPU Monitorowanie zagęszczenia w rozpatrywanym okresie wykonano czterokrotnie, tj. w latach 1990, 1993, 1997 i 2000. Badania przeprowadzono w trzech punktach przekroju obwałowania, w którym wcześniej nastąpiła awaria (rys. 1). W badaniach zastosowano sondę lekką (SL) określając liczbę uderzeń potrzebną do zagłębienia sondy na 10 cm (N 10 ). Pozwoliło to ocenić stan zagęszczenia wbudowanego w nasyp gruntu i odpowiadający danemu stanowi stopień zagęszczenia I D. Kryteria projektowe odbudowanego nasypu wymagały uzyskanie stanu zagęszczonego (I D > 0,67). W punkcie 1., zlokalizowanym na koronie nasypu, do głębokości 1,5 m występował, zgodnie z wymogami, grunt zagęszczony (I D > 0,67), a poniżej bardzo zagęszczony (I D > 0,85). W punkcie 2., na ławeczce dociążającej (przy piezometrach P2 i P4), wykonano w latach 1990, 1993 i 1997 sondowanie do głębokości 3,8 m. Stwierdzono wy-

Z. Kowalewski, A. Ślesicka: Ocena technicznego stanu obwałowań... 97 stępowanie w profilu naprzemianlegle warstw gruntu (różnej miąższości od 0,3 do 0,8 m) średnio zagęszczonego (I D > 0,33) i zagęszczonego (I D > 0,67) (rys. 5). Oznacza to zagęszczanie w procesie rekonstrukcji obwałowania zbyt grubych warstw. Rys. 5. Wyniki kontroli zagęszczenia nasypu w punkcie 2 (1997 r.) Fig. 5. Result of the control of embankment compactness in point 2 (1997) W wyniku badań, wykonanych do głębokości 3 m w 1990 i 1993 r. w najniżej położonym punkcie badawczym 3 (przy piezometrze P3), wykazano występowanie na głębokości do 1 m przewarstwień o miąższości 0,2 m gruntu w stanie luźnym (I D < 0,33), a głębiej gruntu średnio zagęszczonego (I D = 0,33) i dopiero poniżej 2,7 m gruntu zagęszczonego (I D > 0,67) i bardzo zagęszczonego (I D > 0,85). W następnych latach (1997 i 2000) stwierdzono konsolidację gruntu w tym profilu grunt zagęszczony występował od głębokości 0,8 m, a bardzo zagęszczony poniżej 2,5 m. Jest to związane z przejazdami sprzętu mechanicznego, stosowanego w ostatnich latach do wykaszania roślinności trawiastej na skarpach, koronie i ławeczce obwałowania. W wyniku kontroli zagęszczenia odbudowanej części obwałowania stwierdzono, że stan zagęszczenia gruntu zgodny z normami występował głównie w korpusie

98 Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 4 z. 1 (10) nasypu, a w części odpowietrznej rejonu skarpy (ławeczka i poniżej) nie wszystkie wyniki były zadowalające. Ponieważ jednocześnie obserwowano prawidłowe położenie krzywej depresji (wskazania piezometrów) i brak jakichkolwiek usuwisk na skarpie, każdorazowo decydowano się na dopuszczenie do kontynuowania eksploatacji zbiornika. Kolejne badania potwierdziły stopniową poprawę stanu zagęszczenia obwałowania. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Stan bezpieczeństwa omawianego zbiornika retencyjnego, magazynującego okresowo ścieki produkcyjne powstające po przeróbce płodów rolnych, jest oceniany na bieżąco na podstawie bezpośrednich obserwacji i pomiarów terenowych oraz corocznej, zbiorczej analizy uzyskanych wyników w porównaniu z rezultatami wcześniejszych badań. Jest to związane z awarią obwałowania, spowodowaną osiadaniem organicznego podłoża i obniżeniem rzędnej korony nasypu oraz przelaniem się ścieków przez koronę przy wysokim piętrzeniu i rozmyciem obwałowania. Po rekonstrukcji zbiornika, przeprowadzonej po dokładnym rozpoznaniu podłoża, zainstalowano sieć piezometrów i reperów pozwalających kontrolować stany wód gruntowych oraz stabilność obwałowania. Analiza wyników pomiarów uzyskanych w 13-letnim okresie obserwacji umożliwia sformułowanie następujących wniosków: występowanie w części podłoża obwałowania gruntów organicznych wpłynęło na wieloletni proces jego konsolidacji, z cyklicznym osiadaniem i wypiętrzeniem, korelującym z piętrzeniem i opróżnianiem zbiornika; odkładanie się osadów dennych w czaszy zbiornika spowodowało zróżnicowane w czasie i strefach obwałowania zbiornika położenie wód gruntowych w stosunku do zmian napełniania zbiornika; stan bezpieczeństwa zbiornika ocenia się jako dobry, co umożliwia jego dalszą eksploatację. LITERATURA Analiza wyników badań i pomiarów zbiornika retencyjnego ścieków PEPEES Łomża za 1996 r., 1997. Pr. zbior. Falenty: IWOR Sp. z o.o. maszyn. ss. 19 + 12 rys. i 2 zał. Ekspertyza dotycząca możliwości gromadzenia ścieków w zbiorniku ziemnym P.P.S. w Łomży, 1988. Pr. zbior. Warszawa: SITWM-NOT maszyn. ss. 209. Instrukcja obsługi i eksploatacji zbiornika retencyjnego ścieków PEPEES Łomża, 1997. Pr. zbior. Falenty: IWOR Sp. z o.o. maszyn. ss. 30 + 22 rys. Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 20 grudnia 1996 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane gospodarki wodnej i ich usytuowanie. Dz.U. 1997 nr 21 poz. 111. Ustawa Prawo budowlane z dnia 7 lipca 1994 r. Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414.

Z. Kowalewski, A. Ślesicka: Ocena technicznego stanu obwałowań... 99 Zbigniew KOWALEWSKI, Alicja ŚLESICKA ASSESSMENT OF TECHNICAL CONDITIONS OF EMBANKMENTS AROUND AN AGROINDUSTRY WASTE WATER STORAGE RESERVOIR Key words: embankment, groundwater, retention reservoir, settlement of subsoil, waste water S u m m a r y The paper presents characteristics of a retention reservoir, which stores waste waters from agricultural-food industry and results of studies carried out in the period 1990 2002. The studies concerned water lifting in the reservoir, groundwater table in piezometers, colmatation of the reservoir bottom, settlement of the embankment and density of soils. The reservoir was built in 1977 and broke down 2 years later. Embankment was damaged along 70 m of its length in a place where organic subsoil about 8 m thick had occurred. The reservoir was rebuilt in 1988. Since that time very special attention has been paid to safety of this reservoir. Recenzenci: prof. dr hab. Jerzy Kowalski dr inż. Piotr Król Praca wpłynęła do Redakcji 06.01.2004 r.

Rys. 3. Piezometryczny przekrój kontrolny położenia zwierciadła wody w obwałowaniu; 1, 2 krzywe teoretyczne obliczone dla piętrzenia 116,80 m n.p.m. i 116,27 m n.p.m., 3, 4, 5, 6, 7 krzywe wg pomiarów odpowiednio w 1988, 1996, 1998, 2001 i 2002 r. Fig. 3. Piezometric control cross-section of groundwater table in the embankment; 1, 2 theoretical curves calculated for waste water level of 116.8 m a.s.l. and 116.27 m a.s.l., 3, 4, 5, 6, 7 curves according to measurements for 1988, 1996, 1998, 2001 and 2002, respectively

Tabela 1. Zmiana rzędnych reperów reprezentatywnych dla danego rodzaju podłoża na końcu każdego roku w latach 1990 2002 Table. 1. Change of datum points for different subsoils in 1990 2002 years Lokalizacja reperów rodzaj podłoża Localisation of datum points kind of subsoil Korona nasypu piaski Crest of embankment sand Korona nasypu gliny pylaste Crest of embankment loam Nr reperu No. of datum point 25 27 31 9 11 210 Rok porównawczy Reference Zmiana rzędnych reperów w danym roku w stosunku do roku porównawczego, mm Changes of datum s ordinates for different years in relation to the reference year, mm ( ) osiadanie, (+) podwyższenie ( ) settling, (+) raising year 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 1990 1997 2,2 0,8 1,0 0,6 +0,1* 2,5 3,0 0,1 2,0 1,2 0,1 2,9 3,0 +0,1 2,1 1,8 1,9 3,0 5,8 1,5 4,2 4,3 5,2 4,5 5,0 0,5 4,0 3,8 6,1 4,0 6,2 1,4 4,1 5,0 7,5 5,2 4,5 +0,8 +0,8 3,3 5,6 2,0 3,9 +1,4 2,3 5,4 8,2 2,9 6,2 0,9 3,3 6,3 7,4 4,2 7,8 2,2 5,0 7,6 8,4 4,6 7,6 2,1 4,2 7,7 8,6 4,9 7,8 1,7 4,4 8,5 9,3 6,4 8,5 2,7 5,4 8,9 10,0 6,6 Korona nasypu grunty organiczne Crest of embankment organic soil 161 172 183 7,1 6,5 7,4 7,8 8,1 9,0 8,6 9,5 10,0 11,8 12,5 13,0 11,5 13,0 13,2 13,3 14,4 14,8 10,9 12,5 12,6 14,4 15,5 15,1 15,0 16,2 17,9 15,9 17,5 18,8 19,6 21,2 21,5 20,1 22,4 23,8 19,2 22,4 24,0 Ławeczka grunty organiczne Bench organic soils 41 42 43 1991 1991 1991 0,5* 0,5* 0,1* 0,1 0,4 0,0 2,0 2,2 1,9 1,7 2,0 1,5 2,4 3,0 2,4 0,4 0,1 +0,5 0,1 0,7 0,2 2,4 2,9 2,3 3,0 3,6 2,7 3,1 4,1 3,4 3,5 4,1 4,0 4,4 5,0 4,9 * Zmiana rzędnych między I i IV kwartałem danego roku. * Change of datum points between I and IV quarter in the year.