Czynniki i procesy kształtujące obieg składników mineralnych w wodach rzecznych zlewni górnej Narwi Streszczenie Strategia ochrony morza Bałtyckiego musi być poprzedzona rozpoznaniem źródeł, czynników i procesów kształtujących obieg i odpływ składników mineralnych doń wnoszonych przez wody rzeczne. Przykładem nizinnej zlewni stanowiącej grupę mniejszych i większych rzek, w której nie dokonano jeszcze szczegółowego rozpoznania czynników kształtujących odpływ składników mineralnych w skali całej zlewni jest zlewnia górnej Narwi. Określenie wielkości odpływu składników mineralnych oraz wskazanie regulujących go czynników i procesów jest ściśle związane z polityką ochrony wód zlewni górnej Narwi co niewątpliwie podkreśla znaczenie i duży udział niniejszej pracy w ochronie środowiska zlewni badanej rzeki. Zlewnia górnej Narwi jest położona w północno-wschodniej Polsce na obszarze znanym jako Zielone Płuca Polski. Jest tutaj z jednej strony dużo lasów, jezior, mokradeł, i niezanieczyszczonych cieków wodnych oraz niewielki przemysł i ekstensywne rolnictwo z drugiej strony. Zlewnię tą można uznać jako reprezentatywną zlewnią nizinną dorzecza Wisły. W tych warunkach ocena ładunków składników mineralnych a konkretnie ich form rozpuszczonych N-NH 4+, N-NO, N-NO, P-PO 4, S- SO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Fe 2+/3+ i Zn 2+ w wodach oraz ich eksportu ze zlewni staje się bardzo ważnym elementem w opracowywaniu strategii poprawiania jakości wody w badanym regionie. Celem pracy było wskazanie mechanizmów, przyczyn i źródeł wzbogacania w składniki mineralne zasobów wód rzecznych na obszarze zlewni górnej Narwi. W związku z tak postawionym celem autor postanowił odpowiedzieć na następujące pytania i zagadnienia:
144 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi Jakie ładunki jednostkowe składników mineralnych dostają się z powierzchni zlewni górnej Narwi do wód powierzchniowych i jaka rolę pełnią przy tym wody opadowe? Jakie czynniki i procesy rządzą tą dostawą oraz jakie są jej źródła? Jakie ładunki składników mineralnych wynoszone są przez wody powierzchniowe z badanej zlewni oraz jakie są ich źródła? Jaki wpływ na skład chemiczny wody rzek wywierają źródła powierzchniowe i punktowe składników mineralnych i procesy zachodzące w środowisku wodnym badanej zlewni? Jakie czynniki wpływają na stężenie i ładunek składników mineralnych w wodzie powierzchniowej zlewni górnej Narwi? Jakie są główne przyczyny tego wpływu? Które ładunki składników mineralnych decydują o ogólnym ładunku wynoszonym ze zlewni przez wody rzeki Narew? Czy jest możliwe i w jakim zakresie przewidywanie stężenia oraz ładunków składników mineralnych w wodach zlewni górnej Narwi na podstawie wielkości hydrologicznych, geomorfologicznych i sezonowych na tym terenie? Zaprezentowane w pracy wyniki pochodzą z badań wód opadowych, rzecznych, z rowów melioracyjnych oraz ścieków oczyszczonych odprowadzanych do badanych rzek. Badania były przeprowadzone w latach 2001-2005 na obszarze zlewni górnej Narwi. W próbkach oznaczano stężenie N-NH 4+, N-NO, N-NO, P- PO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Fe 2+/3+, Zn 2+ oraz przewodność elektryczną i ph. Analizy chemiczne przeprowadzono za pomocą spektrofotometrów (VIS) HACH DR-2000 i DR-4000 a także za pomocą spektrometru absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA) Varian typu SpectrAA-100A. Do analiz statystycznych wyników badań zastosowano szereg wielowymiarowych metod statystycznych: wielowymiarową analizę czynnikową (FA), analizę składowych głównych (PCA), analizę skupień w wersji Warda (CA) oraz sztuczne sieci neuronowe (AAN). W pracy obliczano ładunki składników mineralnych w wodach opadowych, rzecznych, melioracyjnych i ściekach oczyszczonych. W opracowaniu poszukiwano przyczyn i źródeł wzbogacania w składniki mineralne zasobów wód rzecznych na obszarze zlewni górnej Narwi. Określono w niej ładunki jednostkowe składników mineralnych dostające się z powierzchni zlewni górnej Narwi do wód powierzchniowych oraz ładunki składników mineralnych transportowane przez wody powierzchniowe w badanej zlewni i ich źródła. Określono rolę wód opadowych w kształtowaniu ogólnego ładunku składników mineralnych w wodach powierzchniowych. Porównano ładunki składników mineral-
Streszczenie 145 nych wnoszone przez te wody z ładunkami wynoszonymi przez wody z systemów melioracyjnych i rzecznych. Okazało się, że procesy toczące się w zlewni działają retencyjnie w przypadku niektórych składników mineralnych. Wskazano szereg źródeł składników mineralnych w zlewni ze szczególnym uwzględnieniem źródeł antropogenicznych o charakterze punktowym i powierzchniowym. Wykazano wpływ powierzchniowych i punktowych źródeł składników mineralnych na skład chemiczny wód rzecznych i procesy zachodzące w badanych środowiskach wodnych. W pracy określono czynniki wpływające na stężenie i ładunek składników mineralnych w wodach powierzchniowych zlewni górnej Narwi. Określono ogólny ładunek składników mineralnych wynoszony ze zlewni górnej Narwi oraz tworzące go ładunki składowe. Wykonano i przetestowano modele sieci neuronowych do prognozowania stężenia i ładunków składników mineralnych na podstawie wielkości hydrologicznych, geomorfologicznych i sezonowych na tym terenie. Przeprowadzone badania wykazały a testy statystyczne potwierdziły że największy ładunek składników mineralnych spośród wszystkich dużych dopływów Narwi odpływa ze zlewni Orlanki. Zlewnia tej rzeki jest użytkowana rolniczo. Skutkuje to zwiększonym dopływem składników mineralnych z jej obszaru. Do głównych przyczyn i źródeł wzbogacania składnikami mineralnymi wód Orlanki zaliczono punktowe źródło miasto Bielsk Podlaski oraz procesy intensywnego przemieszczania tych składników z obszaru zlewni w czasie zmiennych warunków atmosferycznych. Największe ładunki jednostkowe składników mineralnych odpływają ze zlewni grupy małych rzek. Charakter rolniczy, leśny i zurbanizowany zlewni tych rzek dodatkowo różnicował stężenie badanych składników. Małe rzeki wykazują przewagę zasilania powierzchniowego nad podziemnym co jest bezpośrednią przyczyną znacznego wzbogacania ich wód w składniki mineralne migrujące z ich urozmaiconych zlewni. Ponadto procesy samooczyszczania w tych rzekach są ograniczone z uwagi na ich wielkość. Średnie stężenie N-NO, N-NO, P-PO 4, S- SO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + i Zn 2+ było dodatnio zależne od średniego przepływu wód Narwi natomiast ujemnie stężenie Fe 2+/3+. Jest to efekt przewagi źródeł powierzchniowych składników mineralnych nad punktowymi w zlewni bezpośredniej górnej Narwi. Nie uzyskano wiarygodnych zależności pomiędzy stężeniem badanych składników a przepływem wód Supraśli. Stężenie większości badanych składników w wodach Narewki nie wykazywały korelacji z przepływem, oprócz P-PO 4, S-SO 4 i Cl -. W tych przypadkach otrzymano zależności ujemne. Widoczna jest tutaj przewaga źródeł punktowych nad powierzchniowymi oraz znaczne zalesienie zlewni, działające retencyjnie na wody obu rzek powodujące okresowo uwalnianie
146 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi niektórych składników z osadów dennych do wód. W wodach Orlanki otrzymano zależności na poziomie współczynników korelacji mieszczących się w zakresie 0,60-0,95 między natężeniem przepływu a stężeniem większości badanych składników, co również prowadzi do stwierdzenia o przewadze źródeł powierzchniowych w jej zlewni nad punktowymi. W przypadku małych rzek nie wykazano tych zależności, dając równocześnie podstawę do dowodu o przewadze źródeł punktowych nad powierzchniowymi w ich zlewniach.
Factors and processes determining the circulation of minerals in river waters of upper Narew river catchment Abstract Strategy for Baltic Sea protection has to be preceded by a recognition of sources, determinants, and processes forming the circulation and runoff of minerals that are carried by river waters. The upper Narew river catchment is an example of a lowland reservoir including smaller and larger streams and rivers, where detailed identification of factors that form the minerals runoff, has not been made yet. Determining the amount of minerals runoff as well as indicating the regulatory factors and processes is closely associated with the policy of upper Narew river water protection, which no doubt underlines the importance and contribution of present study to the environment protection of the river in question. The upper Narew river catchment is situated in north-east Poland called "Green Lungs of Poland". There is large forest area, many lakes, swamps, and uncontaminated water flows at very low intensity of industry along with extensive farming, on the other hand. The catchment can be considered as a representative lowland one within Vistula river basin. Under such circumstances, the estimation of minerals, namely their watersoluble forms (N-NH 4+, N-NO, N-NO, P-PO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Fe 2+/3+, and Zn 2+ ) in waters as well as their export out of the catchment becomes very important element of the strategy for improving the water quality within studied region. Present work aimed at indicating mechanisms, reasons, and sources of mineral-enrichment of river waters in upper Narew river catchment. Therefore, the Author decided to answer some questions and issues: What unit loads of minerals are carried into surface waters from the upper Narew river catchment area and what roles are played by rainwaters? What factors and processes govern the supply and what are its sources?
148 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi How much minerals are discharged along with surface waters out of studied catchment and what are their sources? What influence do surface and point sources of minerals as well as processes occurring within riparian environments of studied catchment, on chemistry of river waters? Which factors have their impact on the concentration and loads of minerals in surface waters of the upper Narew river catchment? What are the main reasons of such influences? Which loads of minerals determine the total load carried out of the catchment by Narew river waters? Is it possible and to what extent to predict the concentrations and loads of minerals contained in the upper Narew river waters on a base of hydrological, geomorphological, and seasonal amounts on that area? Results presented in this paper are from examinations of rainwaters, river waters, melioration ditches, as well as treated wastewaters discharged into the studied rivers. The research was carried out in 2001-2005 within upper Narew river catchment. Concentrations of N-NH 4+, N-NO, N-NO, P-PO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Fe 2+/3+, Zn 2+, as well as electrolytic conductivity and ph value were determined in water samples. Chemical analyses were made by means of spectrophotometers (VIS) HACH DR-2000 and DR-4000, as well as AAS device (Varian, SpectrAA-100A type). A spectrum of multidimensional numerical methods were applied to statistical processing of achieved results: factor analysis (FA), principal components analysis (PCA), Ward's cluster analysis (CA), and artificial neuron networks (ANN). Loads of minerals were calculated for rainwaters, river waters, melioration ditches, and treated wastewaters. Reasons and source of river waters enrichment in minerals within upper Narew river catchment were searched for in this publication. Unit load of minerals that penetrate from upper Narew river catchment are into the surface waters as well as mineral loads transported by surface waters through the catchment along with their sources were determined. The role of rainwaters in forming the general load of minerals in surface waters was also defined. The loads of minerals carried with waters from melioration and river systems were compared as well. It was revealed that processes occurring within the catchment, have retention effects for some minerals. A variety of mineral sources in the catchment were pointed out, namely the point and surface anthropogenic types. The influence of surface and point sources of minerals on chemistry of river waters as well as processes occurring within examined
Summary 149 riparian environments were proven. The research also presents factors affecting the concentrations and loads of minerals in surface waters of upper Narew river catchment. The general load of minerals discharged out of the upper Narew river catchment with component loads were also determined. To do this, neuron network models to predict concentrations and loads of minerals on a base of hydrological, geomorphological, and seasonal on studied area, were constructed and tested. The research revealed and statistical tests confirmed that Orlanka stream catchment discharged the highest loads of minerals among all large tributaries of Narew river. The former catchment is typically agricultural one, which results in increased inflow of minerals from its area. The main reasons and sources of enrichment the Orlanka stream with minerals were: point source Bielsk Podlaski city as well as processes of intensive transport of these components from the catchment area during variable atmospheric conditions. The highest unit loads of minerals are discharged from the catchments of small rivers group. Agricultural, forest, and urbanized character of these rivers catchments was additional factor that differentiated the concentrations of examined contaminants. Small rivers have the surplus of the surface over underground supply, which is a direct cause for considerable enrichment of their waters in minerals migrating from such diverse catchments. Furthermore, the self-cleaning processes in these streams are limited due to their size. Mean concentrations of N-NO, N-NO, P-PO 4, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, and Zn 2+ were positively correlated with mean flow of Narew river water, while Fe 2+/3+ concentration revealed negative dependence. It is the effect of surface over point source of minerals in direct catchment of upper Narew river. No credible relationships between studied components concentrations vs. river Supraśl water flow was found. Concentrations of majority of examined components in Narewka stream did not show any correlation with water flow, except from P-PO 4, and Cl -. Negative dependencies were recorded in these cases. The domination of point over surface sources as well as significant catchment afforestation having the retention effects on both rivers waters making temporary release of some components from bottom sediments into the water, is prominent. For Orlanka stream, achieved dependencies between water flow and most of studied components concentrations were at the level of correlation coefficients within the range of 0.60-0.95, which also led to conclusion upon the supremacy of surface over point sources within its catchment. In the case of small rivers, no such associations were observed, which made a basis for a hypothesis on prevailing point over surface sources within their catchments.