PROCES OSADZANIA CZĄSTEK STAŕYCH W STAWACH

Architectura 6 (1) 2007, 43–53
PROCES OSADZANIA CZĄSTEK STAàYCH W STAWACH
RYBNYCH ORAZ WàAĝCIWOĝCI CHEMICZNE OSADÓW
Marek Madeyski
Akademia Rolnicza Kraków
Streszczenie. Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych nie byá dotychczas
szerzej badany. WiĊkszoĞü autorów badaáa namuáy pochodzące ze zbiorników wodnych
i jezior oraz z zapór przeciwrumowiskowych. Namuáy te jednak róĪnią siĊ od namuáów stawowych w sposób doĞü znaczny. W pracy przedstawiono wyniki badaĔ cech chemicznych
(zwáaszcza zawartoĞü metali ciĊĪkich, co moĪe wskazywaü na sposób ich rolniczego wykorzystania), a takĪe procesu osadzania osadów dennych w szeĞciu wybranych stawach rybnych, o zróĪnicowanych cechach fizjograficznych zlewni rzek zasilających te stawy. Wykazano, Īe proces osadzania we wszystkich badanych szeĞciu stawach ma podobny przebieg
z wyraĨnie widocznymi charakterystycznymi fazami osadzania, a zawartoĞü metali ciĊĪkich
w osadach nie jest szkodliwa i dlatego osady moĪna wykorzystaü rolniczo.
Sáowa kluczowe: stawy rybne, sedymentacja, wáaĞciwoĞci chemiczne osadów
WSTĉP
Stawy rybne są specyficznym rodzajem maáych zbiorników wodnych. WyróĪnia je
przede wszystkim funkcja, jaką speániają, oraz sposób przepáywu wody. Osady ze stawów rybnych są produktem sedymentacji fitoplanktonu i zooplanktonu oraz cząstek rumowiska unoszonego, doprowadzonego wraz z wodą rzeczną do stawów. ZawartoĞü czĊĞci organicznych w osadach stawowych jest z reguáy wiĊksza niĪ w namuáach zbiorników
zaporowych. Cechy osadów dennych zaleĪą równieĪ od warunków eksploatacji stawów
rybnych, miĊdzy innymi od okresów napeánienia i opróĪniania stawów w ciągu roku,
rodzaju obsady (przesadka, narybek, kroczek, handlówka), sposobu karmienia itp.
Charakterystyka procesu zamulania stawów rybnych nie byáa dotychczas w literaturze
przeprowadzona w sposób kompleksowy. Analizowano gáównie potrzeby wodne stawów
rybnych, jakoĞü wody w stawach [Oporowska 1976, SzymaĔski 1990, DrabiĔski 1992],
stosunki wodne terenów przylegáych [Marcilonek i in. 1990] oraz przepuszczalnoĞü gleb
Adres do korespondencji – Corresponding author: Marek Madeyski, Akademia Rolnicza
w Krakowie, Wydziaá InĪynierii ĝrodowiska i Geodezji, Katedra InĪynierii Wodnej,
al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Kraków, e-mail: [email protected]
44
M. Madeyski
podáoĪa stawów [Muratowa 1993]. Dąbkowski i inni [1982] zalecają, aby przebieg zamulania maáych zbiorników zaporowych oraz stawów oceniaü na podstawie metodyki opartej na znajomoĞci Ğredniej rocznej objĊtoĞci dopáywającej wody, jej Ğredniego zmącenia
oraz Ğredniej pojemnoĞci zbiornika.
Jedną z pierwszych prac, dotyczących tworzenia siĊ osadów dennych w stawach rybnych, byáa praca Bombówny [1956], która analizowaáa iloĞci gromadzącego siĊ na dnie
osadu w stawach nawoĪonych i nienawoĪonych. Autorka oznaczaáa procentową zawartoĞü czĊĞci organicznych, a takĪe zawartoĞü tlenu rozpuszczonego i odczyn wody w stawach.
W póĨniejszych latach pojawiáy siĊ prace dotyczące wáaĞciwoĞci fizycznych i chemicznych gleb dna stawowego [Wróbel 1965, Stangenberg-Oporowska i Solski 1975].
Osobno wspomnieü naleĪy prace Giedrojcia i Kaszupkiewicza [1990], oraz Giedrojcia
i innych [1992], przeprowadzone na terenie kompleksu stawów rybnych Milicz – Grabownica – Potasznica na Dolnym ĝląsku. Gáównym celem badaĔ przedstawionych w
tych pracach byáo ustalenie niektórych procesów oraz wáaĞciwoĞci gleb dna róĪnie uĪytkowanych stawów rybnych.
Brak jest natomiast prac, które dotyczyáyby struktury i warunków sedymentacji osadów dennych w stawach rybnych. W opisie warunków sedymentacji osadów stawowych
potrzebna jest znajomoĞü równieĪ reologicznych parametrów przy róĪnych koncentracjach skáadnika staáego, o czym pisali Parzonka [1966] i Madeyski [1998]. Poznanie
bowiem tych parametrów jest niezbĊdne do oceny moĪliwoĞci usuniĊcia namuáów z dna
stawów za pomocą instalacji pompowo-rurowej. Charakterystyka osadów dennych potrzebna jest równieĪ do oceny warunków sedymentacji i zagĊszczania warstwy osadu
dennego cząstek staáych, by móc wáaĞciwie zwymiarowaü osadniki mogące sáuĪyü ewentualnie do oddzielania cząstek staáych od cieczy. Przyczyniü siĊ to moĪe do wydáuĪenia
ĪywotnoĞci i zmniejszenia procesu zamulania stawów rybnych.
Dlatego gáównym celem podjĊtych badaĔ byáo precyzyjne okreĞlenie przebiegu procesu sedymentacji osadów dennych pobranych z dna stawów, sprawdzenie hipotezy badawczej, mówiącej, Īe istnieją charakterystyczne fazy osadzania, oraz zbadanie wáaĞciwoĞci chemicznych osadów stawowych (zwáaszcza obecnoĞci metali ciĊĪkich), które
Ğwiadczyü mogą o moĪliwoĞci ich rolniczego wykorzystania.
Charakterystyka procesu osadzania cząstek staáych w stawach rybnych
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych nie byá dotychczas szerzej badany. WiĊkszoĞü autorów badaáa namuáy pochodzące ze zbiorników zaporowych i jezior
[Graf 1983, Parzonka i KempiĔski 1991] oraz zapór przeciwrumowiskowych [Ratomski
1991]. Namuáy te jednak róĪnią siĊ od namuáów stawowych w sposób doĞü znaczny [Parzonka 1974, 1986, Giedrojü i Kaszupkiewicz 1990, Bednarczyk i Madeyski 1992].
Na podstawie prowadzonych przez ParzonkĊ i KempiĔskiego [1991] badaĔ sedymentacyjnych osadów z jeziora Jamno koáo Koszalina wnioskowaü moĪna, Īe osadzanie namuáów organicznych odbywa siĊ w sposób powolny, co moĪe byü spowodowane maáą
gĊstoĞcią cząstek staáych, znaczną zawartoĞcią cząstek organicznych i duĪą pojemnoĞcią
wodną tych substancji.
Acta Sci. Pol.
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych...
45
Koncentracje koĔcowe cząstek staáych w wierzchniej warstwie osadowej w kalibrowanej kolumnie sedymentacyjnej po upáywie ponad piĊciomiesiĊcznych obserwacji byáy,
wedáug cytowanych wyĪej autorów, znacznie niĪsze od koncentracji odpowiadających
granicy páynnoĞci Atterberga (TsLL) [Parzonka i KempiĔski 1991]. ĝwiadczy to, ich zdaniem, o tym, Īe wierzchnie warstwy osadów jeziorowych zagĊszczają siĊ powoli i mają
konsystencjĊ páynną.
Autorzy ci wnioskują, Īe na skutek procesu zagĊszczania warstwy osadów z upáywem czasu nastĊpuje stopniowy wzrost koncentracji cząstek staáych w funkcji czasu
zagĊszczania. TuĪ po osadzeniu wierzchnia warstwa osadów ma niską koncentracjĊ,
odpowiadającą newtonowskiemu zachowaniu siĊ mieszaniny lub zachowaniu sáabo
nienewtonowskiemu. NiĪej leĪące warstwy są znacznie bardziej zagĊszczone wskutek
konsolidacji gruntu nastĊpującej pod ciĊĪarem wyĪej leĪących warstw oraz sáupa wody
w zbiorniku i charakteryzują siĊ wyraĨnie rozwiniĊtymi cechami nienewtonowskimi.
Dalszy wzrost koncentracji powoduje przejĞcie z konsystencji páynnej do konsystencji
ciaáa staáego.
Badania sedymentacyjne osadów jeziorowych umoĪliwiają wyznaczenie charakterystycznego czasu odpowiadającego przejĞciu z newtonowskiego do nienewtonowskiego
zachowania siĊ mieszaniny (tlim) oraz przejĞcia z reĪimu erozji áatwej do trudnej. Daje to
moĪliwoĞü okreĞlenia warunków erozji hydraulicznej namuáów jeziorowych.
Mieszaniny jednorodne záoĪone z wody i drobnoziarnistych cząstek staáych zachowują siĊ, powyĪej pewnej granicznej objĊtoĞciowej koncentracji skáadnika staáego (CVLim),
jak ciecz nienewtonowska, mająca wáaĞciwoĞci ciaáa plastyczno-lepkiego. Przy niskiej
koncentracji mieszaniny tego samego gruntu z wodą mają wáasnoĞci cieczy newtonowskiej.
Wedáug Parzonki [1966], naleĪy odróĪniü mieszaniny jednorodne, zachowujące siĊ
jak substancja homogeniczna, od mieszanin niejednorodnych (dwufazowych), takich jak
piasek-woda, Īwir-woda, których skáadniki nie mieszają siĊ miĊdzy sobą i w których
oĞrodek páynny zachowuje wáasną lepkoĞü. Z drugiej strony, definicja mieszanin jednorodnych nie moĪe mieü zastosowania w przypadku zawiesin rzeczywistych zawierających ziarna prekoloidalne i koloidalne o Ğrednicy mniejszej od 2 P. W wielu pracach
udowodniono [Métrot 1954, Gilbert 1960], Īe rodzaj mieszaniny zaleĪy przede wszystkim od koncentracji ziaren, ich ciĊĪaru objĊtoĞciowego i ksztaátu. Wedáug Gilberta [1960]
i Soboty [1988], podstawową charakterystyką mieszanin powinna byü prĊdkoĞü opadania
ziarna staáego w wodzie stojącej. Gilbert rozróĪnia trzy klasy prĊdkoĞci, w zaleĪnoĞci od
reĪimu opadania ziarna (okreĞlone dla ziaren kulistych):
1) laminarną prĊdkoĞü opadania ziarna, zgodną z równaniem Stokesa, wtedy liczba
Reynoldsa, oparta na Ğrednicy ziarna (Red), jest mniejsza od 1,0,
2) prĊdkoĞü opadania strefy przejĞciowej (1 < Red < 1000),
3) turbulentną prĊdkoĞü opadania (Red > 1000).
Mieszaniny heterogeniczne naleĪą gáównie do klas drugiej i trzeciej. Do pierwszej natomiast moĪna teoretycznie zaliczyü wszystkie ziarna kuliste, mające d50 < 100–150 Pm
(przy gĊstoĞci wáaĞciwej Us = 2650 kG ˜ m–3), a wiĊc drobne piaski, pyáy, gliny i iáy. MoĪe
to oznaczaü, Īe ziarna gruntu mniejsze od 100–150 Pm mogą byü unoszone w zawieszeniu juĪ przy sáabej turbulencji. Cząstki bardzo drobne (koloidalne) nie opadają nawet
w stojącym roztworze – dziĊki ruchom Browna. W praktyce jednak wiĊkszoĞü gruntów
Architectura 6 (1) 2007
46
M. Madeyski
ma cząstki nieregularne i jest zbudowana z ziaren niejednorodnych, opadających w róĪny
sposób. NaleĪy podkreĞliü, Īe stosowanie prĊdkoĞci opadania pojedynczej cząstki w wodzie czystej, jako charakterystyki mieszanin rzeczywistych o duĪej koncentracji, jest maáo
praktyczne, gdyĪ ziarna opadają znacznie wolniej w mieszaninie o wysokiej koncentracji
niĪ w czystej wodzie. Dotyczy to cząstek elementarnych, a nie flokuá i agregatów.
We wczeĞniejszych pracach [Métrot 1954, Gilbert 1960] przyjmowano czĊsto ĞrednicĊ ziaren d = 50 Pm (dla gruntów o gĊstoĞci wáaĞciwej Us | 2650 kG˜m–3) jako granicĊ
miĊdzy mieszaninami jednorodnymi i niejednorodnymi. Autorzy tych prac uwaĪali, Īe
róĪne cząstki piasku tworzą mieszaniny niejednorodne, a wszystkie cząstki pylaste i gliniaste – mieszaniny jednorodne. WáasnoĞci mieszaniny jednorodnej mają jednak czĊsto
równieĪ grunty o nominalnej wielkoĞci ziarna d50 > 50 Pm, jeĪeli zawierają istotną iloĞü
cząstek pylastych i ilastych. Grunty naturalne mają bowiem z reguáy uziarnienie niejednorodne (tj. záoĪone są z wielu frakcji). Poza parametrem d50 na wáasnoĞci mieszanin
mają wpáyw takĪe inne czynniki, takie jak: zawartoĞü bardzo drobnych cząstek, ksztaát
ziarna, a przede wszystkim koncentracja skáadnika staáego (CV) .
Wedáug Smoádyriewa [1961], wáasnoĞci mieszanin homogenicznych ma mieszanina
piasku z wodą o CV = 0,1–0,12, przy obecnoĞci 10–20% cząstek bardzo drobnych o Ğrednicy d < 20 Pm. Z powyĪszego widaü, Īe wáasnoĞci mieszanin gruntów niejednorodnych
zaleĪą przede wszystkim od koncentracji cząstek staáych, od zawartoĞci procentowej
drobnych ziaren i od Ğredniej wielkoĞci ziarna d50 (por. Michalik [1973]).
Cechy chemiczne osadów w stawach rybnych
WĞród nielicznych publikacji dotyczących wáaĞciwoĞci chemicznych osadów dennych naleĪy wymieniü prace Giedrojcia i innych [1992] oraz Stangenberg-Oporowskiej
i Solskiego [1975]. Giedrojü badaá stawy rybne w rejonie Milicza i stwierdziá, Īe wáaĞciwoĞci chemiczne uwarunkowane są szeregiem czynników, przy czym za charakterystyczne naleĪy przyjąü: sposób eksploatacji, jakoĞü wód zasilających stawy i okresowo
zmieniające siĊ warunki anaerobowe i aerobowe. Wedáug Stangenberg-Oporowskiej
i Solskiego, na cechy chemiczne istotny wpáyw mają teĪ zmieniające siĊ ich wáaĞciwoĞci
fizyczne.
ZasobnoĞü osadów stawowych w skáadniki pokarmowe przyswajalne dla roĞlin (potas i fosfor) byáa w wiĊkszoĞci stawów badanych przez wyĪej wymienionych autorów
niska (potas od 0,07 do 0,14%, a fosfor od Ğladów do 1,6%), przy czym iloĞü potasu byáa
podwyĪszona we wszystkich wierzchnich warstwach osadów w porównaniu z gáĊbiej
leĪącymi warstwami. ZawartoĞü wĊgla w poziomach powierzchniowych ksztaátowaáa siĊ
w granicach 0,5–4,7%, najczĊĞciej w przedziale 1–3,5%.
We wszystkich badanych profilach stawów milickich stosunek wĊgla do azotu byá
wiĊkszy w poziomach zalegających gáĊbiej niĪ na powierzchni. Jest to przypuszczalnie
związane z intensywną mineralizacją materii organicznej, zachodzącą na powierzchni
gleby w czasie osuszania stawu [Danielewski 1965].
IloĞü Īelaza caákowitego w osadach wskazuje na jego nierównomierne rozáoĪenie
siĊ w pionie w poszczególnych warstwach osadów i na kumulowanie tego pierwiastka
gáównie w warstwach powierzchniowych; jego zawartoĞü wyraĨnie maleje wraz z gáĊbokoĞcią. Wieloletnie napeánianie stawów milickich wodą nie powodowaáo, wedáug StanActa Sci. Pol.
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych...
47
genberg-Oporowskiej i Solskiego [1975] znacznego wzrostu w osadach pierwiastków
metalicznych.
Ocena jakoĞci chemicznej osadów jest podstawą do okreĞlenia wáaĞciwego, uwzglĊdniającego ekologiczne funkcje, rolniczego ich wykorzystania. W Polsce istnieją normy
opracowane przez PaĔstwową InspekcjĊ Ochrony ĝrodowiska [Rozporządzenie... 2002]
oraz Instytut Uprawy, NawoĪenia i Gleboznawstwa [Kabata-Pendias 1995], okreĞlające graniczne zawartoĞci metali ciĊĪkich w glebach o róĪnych stopniach zanieczyszczeĔ
i w związku z tym przydatnoĞü gleb do odpowiednich upraw. Ta ostatnia wyróĪnia szeĞü
stopni zanieczyszczenia gleb: począwszy od stopnia 0, do którego naleĪą gleby niezanieczyszczone, o naturalnych zawartoĞciach metali Ğladowych (gleby te mogą byü przeznaczone pod wszystkie uprawy ogrodnicze i rolnicze, zgodnie z zasadami racjonalnego
wykorzystania rolniczej przestrzeni produkcyjnej), aĪ po stopieĔ 5, do którego naleĪą
gleby bardzo silnie zanieczyszczone (gleby tej klasy powinny byü caákowicie wyáączone
z produkcji rolniczej).
Graniczne zawartoĞci metali są uzaleĪnione równieĪ od trzech grup gleb zaleĪnych od
zawartoĞci czĊĞci spáawianych oraz od odczynu (pH) [Kabata-Pendias 1995].
OBIEKT I METODYKA BADAē
Obiektem badaĔ byáo szeĞü stawów rybnych uĪytkowanych przez gospodarstwa rybackie hodujące karpie. Stawy zasilane byáy z róĪnych rzek, o odmiennych cechach fizjograficznych zlewni, co jest przyczyną zróĪnicowanych cech fizycznych zawiesin oraz
cech chemicznych i reologicznych osadów stawowych.
Powierzchnia stawów wynosiáa od 0,6 do 3,75 ha. Stawy zasilane byáy bezpoĞrednio
z rzeki lub poprzez doprowadzalniki wodami rzeki Rudawy (staw „Dwójka” w Mydlnikach koáo Krakowa), Wisáy (staw „Bez nazwy” w Goáyszu w okolicach Bielska),
Iáownicy (staw „Nierodek” w GrodĨcu ĝląskim koáo Bielska-Biaáej) i Szreniawy (staw
„Topolowy” w Pawáowicach koáo Proszowic – jedyny z badanych, który zasilany jest
z rzeki, bez doprowadzalnika). Pomiarami objĊto równieĪ osady stawu Liplas koáo Gdowa (na poáudnie od Krakowa, okoáo 25 km), zasilanego wodami potoku Lipnica, oraz stawu Niegowiü, poáoĪonego w tej samej gminie, zasilanego wodami Potoku Królewskiego
[Madeyski 2005].
Wszystkie badane stawy byáy zalewane wodą na przeáomie marca i kwietnia, a odáawiane w paĨdzierniku. Przez caáy ten okres woda w sposób ciągáy przepáywaáa przez staw
(dla uzupeánienia strat na parowanie z powierzchni stawu, a takĪe dla wzbogacenia wody
w tlen), a wloty zamykane byáy jedynie w okresach wezbraniowych (celem ograniczenia
nadmiernego zamulenia). W stawach (tak zwanych towarowych, zarybianych narybkiem
na „handlówkĊ”) hodowano karpie w tym samym stadium rozwoju, a obsada i intensywnoĞü karmienia byáy analogiczne.
Po odáowieniu ryb i spuszczeniu wody ze stawów pobrano próbki osadów dennych
w kaĪdym stawie z trzech przekrojów (z przekroju najbliĪszego wlotowi wody do stawu,
z przekroju Ğrodkowego i najbliĪszego mnichowi spustowemu – pobrane próbki pochodziáy z wierzchniej warstwy dna).
Architectura 6 (1) 2007
48
M. Madeyski
Dla pobranych próbek osadów okreĞlono wáaĞciwoĞci fizyczne (skáad granulometryczny, procentową zawartoĞü czĊĞci organicznych), chemiczne (obecnoĞü makroelementów, metali ciĊĪkich i odczyn osadów – dokáadny opis metodyki badaĔ skáadu
chemicznego podano w pracy Madeyskiego i innych [2005], oraz poddano je badaniom
sedymentacyjnym.
Przebieg procesu osadzania badano w czasie ponad jednego miesiąca, to jest do praktycznego zakoĔczenia tego procesu. Pomiary wykonano w litrowych cylindrach kalibrowanych, o Ğrednicy 6 cm, obserwując poáoĪenie powierzchni rozdziaáu warstwy osadu
i wody nadosadowej. Nie przeprowadzono dodatkowych badaĔ sedymentacyjnych przy
uĪyciu cylindrów o innych Ğrednicach, by uchwyciü ewentualne wystĊpowanie efektu
skalowego. Przeprowadzone bowiem przez ParzonkĊ i KempiĔskiego [1991] badania
procesu zagĊszczania osadów jeziorowych przy uĪyciu cylindrów o róĪnych Ğrednicach wykazaáy, Īe wpáyw Ğrednicy cylindra jest pomijalny przy Ğrednicach wiĊkszych niĪ 5–6 cm.
Porównanie wagowych koncentracji początkowych (TS0) oraz koncentracji koĔcowych (TSK) pozwoliáo na okreĞlenie przebiegu sedymentacji osadów dennych w badanych stawach rybnych.
WYNIKI
Wyniki badaĔ procesu osadzania dla badanych stawów przedstawiono w tabeli 1.
W tabeli tej TS0 oznacza początkową koncentracjĊ wagową, TSK – koĔcową koncentracjĊ wagową, TSN – koncentracjĊ wagową odpowiadającą wilgotnoĞci naturalnej, a TSLL
– koncentracjĊ wagową odpowiadającą granicy páynnoĞci Atterberga.
Badania sedymentacyjne potwierdziáy, okreĞlone wczeĞniej przez Migniota [1968],
wystĊpowanie czterech podstawowych faz zagĊszczania osadów sflokulowanych:
I faza – sedymentacja i rozdziaá faz na wodĊ nadosadową i warstwĊ osadu,
II faza – szybkie zagĊszczanie warstwy osadu, powodujące zniszczenie flokuá
i agregatów,
III faza – powolne zagĊszczanie warstwy dennej z filtracją wody ku górze przez
szczeliny i otwory („studnie”),
IV faza – powolne zagĊszczanie osadu z filtracją przez równomiernie zagĊszczony
grunt spoisty; w tej fazie wystĊpuje prawie liniowa zaleĪnoĞü TS = f (log t), co pozwala
na ekstrapolacjĊ tej zaleĪnoĞci na czas dáuĪszy od czasu obserwacji laboratoryjnej.
Nie moĪna byáo okreĞliü czasu odpowiadającego pojawieniu siĊ granicy páynnoĞci Atterberga. Wszystkie badane próbki wykazywaáy wprawdzie istotny wzrost koncentracji
w czasie, ale koncentracje koĔcowe byáy znacznie mniejsze od granicy páynnoĞci. Dotyczyáo to zarówno warstw spodnich osadów stawowych (bliĪszych TSSL), jak i wierzchnich, które sáabiej siĊ zagĊszczaáy. Podobne wyniki uzyskaá Parzonka [1966] dla namuáów ze stawów milickich. Na rysunku 1 przedstawiono przykáadowo przebieg procesu
osadzania dennego osadu stawu „Dwójka” w Mydlnikach w funkcji czasu: TS = f(log t),
na którym oĞ rzĊdnych przedstawia koncentracjĊ wagową (TS [g · l–1]), a oĞ odciĊtych
logarytm czasu osadzania (log t [min]). Pozostaáe symbole na tym rysunku oznaczają:
TSE – koncentracjĊ wagową, przy której nastĊpuje przejĞcie z reĪimu erozji áatwej do
reĪimu erozji trudnej, TSLL – koncentracjĊ wagową odpowiadającą granicy páynnoĞci Atterberga.
Acta Sci. Pol.
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych...
49
Tabela 1. Wyniki badaĔ procesu osadzania namuáów stalowych w menzurkach cechowanych
Table 1. Results of investigations of pond deposit sedimentation in calibrated laboratory cylinders
Nazwa
stawu
Name of the
pond
„Dwójka”
„Bez nazwy”
„Nierodek”
„Topolowy”
„Liplas”
„Niegowiü”
Miejsce poboru
próbki
Sampling point
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
wlot – inflow
Ğrodek – centre
wylot – outflow
Nr
próbki
Number
of sample
TS0
TSK
Initial weight Final weight
concentration concentration
[kg˜m–3]
[kg˜m–3]
1
3
5
1
3
5
1
3
7
1
3
5
11,20
12,50
13,19
12,01
11,70
13,19
9,73
9,74
12,40
10,26
11,43
12,53
600,0
660,0
560,8
480,4
531,8
775,8
630,5
640,1
695,0
1
2
3
1
2
3
10,32
10,98
11,43
10,96
11,14
11,90
623,1
632,3
638,9
596,4
637,2
658,4
620,9
646,3
676,3
TSN
Natural
weight concentration
[kg˜m–3]
1024
933
890
1060
1147
1095
860
1005
884
894
724
820
TSLL
Atterberg
weight concentration
[kg˜m–3]
1055
1075
1017
1097
1108
1108
1091
1061
1153
1077
1039
1036
994
1010
1000
1033
1020
1050
1048
1053
1060
1063
1070
1080
Ts
[g·l–1]
log t
[min]
Rys. 1.
Fig. 1.
Przebieg procesu osadzania osadu stawu „Dwójka” w Mydlnikach: TS – koncentracja
wagowa, t – czas, TSLL – koncentracja odpowiadająca granicy Atterberga, TSE – koncentracja erozyjna
Course of bottom deposit sedimentation in pond “Dwójka” at Mydlniki: TS – weight
concentration, t – time, TSLL – Atterberg concentration, TSE – erosion concentration
Architectura 6 (1) 2007
M. Madeyski
50
Wyniki badania cech chemicznych osadów stawowych przedstawiono w tabeli 2.
Z tabeli tej wynika, Īe osady denne badanych stawów rybnych bogate są w makroelementy. Ich obecnoĞü jest wiĊksza w osadach stawu „Topolowego”, zasilanego bezpoĞrednio
(bez doprowadzalnika mogącego speániaü rolĊ osadnika) z rzeki Szreniawy.
Podobnie wiĊksza jest iloĞü metali ciĊĪkich w osadach tego stawu. W kaĪdym z badanych osadów odczyn pH jest wyĪszy od 5,5; jedynie osady stawu „Topolowy” mają
lekko kwaĞny odczyn. Jak wynika ze szczegóáowej analizy przeprowadzonej w pracy
Madeyskego [2005], iloĞü wykrytych metali ciĊĪkich w osadach Ğwiadczy o zerowym
stopniu zanieczyszczenia, a osady mogą byü przeznaczone pod wszystkie uprawy ogrodnicze i rolnicze.
Tabela 2. Cechy chemiczne osadów dennych badanych stawów
Table 2. Chemical features of examined bottom sediments
IloĞü – Amount of
Nazwa
stawu
Name
of pond
Odczyn
Reaction
pH
P
[mg·l–1]
makroelementów
macroelements
K
Mg
[mg·l–1] [mg·l–1]
„Dwójka”
7,2–7,9
100–110
110–130
250–260
„Nieródek”
7,1–8,0
80–140
120–160
120–150
„Bez
nazwy”
6,9–7,9
80–120
110–150
150–180
„Topolowy”
5,8–6,6
110–160
140–180
240–270
„Liplas”
6,3–6,7
130–160
110–130
140–160
„Niegowiü”
6,8–7,0
180–190
160–170
300–310
Ca
[mg·l–1]
1500–
–4300
1800–
–2200
2000–
–2400
4000–
–8000
4000–
–5500
7200–
–7400
metali ciĊĪkich
heavy metals
Pb
Zn
Cu
Cd
ppm ppm ppm ppm
0,21–
4,0–
20–22 7–8
–0,31
–5,9
0,26–
3,9–
16–20 7–8
–0,33
–4,9
4,0–
0,26–
19–23 6–8
–5,1
–0,38
0,4–
6,9–
40–60 12–16
–0,5
–10
0,4–
7–8,8 50–60 14–16
–0,45
0,4–
9–9,3 40–50 14–15
–0,5
Ni
ppm
8–10
9–13
12–17
22–26
25–26
25–30
WNIOSKI
1. Przebieg krzywych osadzania namuáów stawowych w kalibrowanych kolumnach
sedymentacyjnych Ğwiadczy o podobieĔstwie procesu sedymentacji osadów z jeziora
Jamno i osadów z dna badanych stawów rybnych. RównieĪ w przypadku badania sedymentacji osadów stawowych wyraĨne są cztery fazy osadzania (osadzanie i rozdziaá faz
na wodĊ nadosadową i warstwĊ osadu, szybkie zagĊszczanie warstwy osadu, powolne
zagĊszczanie warstwy dennej i powolne zagĊszczanie osadu). Na krzywych osadzania
namuáów stawowych naniesiono wartoĞci TSE (iloczyn koncentracji – CVE, i gĊstoĞci
wáaĞciwej – Us), wskazujące czas przejĞcia z reĪimu erozji hydraulicznej áatwej do reĪimu erozji trudnej. Potwierdza to prawidáowoĞü, Īe równieĪ w stawach rybnych namuáy
spoiste opadają na dno, tworząc osad denny o konsystencji páynnej, w którym pod wpáywem osadzania i konsolidacji nastĊpuje wzrost koncentracji (II faza osadzania), powodujący zmianĊ lepkoĞci i konsystencji. Zmiany te są zdecydowanie bardziej powolne niĪ
Acta Sci. Pol.
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych...
51
dla namuáów rzecznych i zbiornikowych. W przypadku badanych stawów czas przejĞcia
z reĪimu erozji áatwej (w trakcie którego moĪna usunąü osady z dna za pomocą hydrotransportu) do reĪimu erozji trudnej okazaá siĊ bardzo krótki i wynosiá na przykáad dla
wierzchnich warstw osadów zaledwie okoáo 30 minut dla stawu „Topolowego” i nieco
ponad 200 minut dla stawu „Dwójka”. Wynika z tego, Īe hydrauliczne usuwanie osadów
stawowych nie jest moĪliwe, podczas gdy namuáy ze zbiorników wodnych (na przykáad
algierskie zbiorniki zaporowe opisywane przez ParzonkĊ [1974, 1986]) mogáyby byü
usuwane tą metodą w ciągu zaledwie od kilku godzin do kilku dni po doprowadzeniu
namuáów do zbiornika.
2. WáaĞciwoĞci chemiczne osadów wykazaáy róĪnorodnoĞü w zaleĪnoĞci od miejsca
poboru próbki w stawie. Wyniki badaĔ cech chemicznych pozwalają wnioskowaü, Īe
osady denne badanych stawów rybnych bogate są w makroelementy, w czĊĞci organiczne
i nie zawierają szkodliwej iloĞci metali ciĊĪkich. MoĪna je wiĊc wykorzystaü rolniczo
pod uprawy. RóĪnorodnoĞü makro- i mikroelementów w osadach dennych wykazuje
zgodnoĞü ze zmiennoĞcią tych elementów w przeprowadzanych równoczeĞnie analizach
chemicznych wody doprowadzonej do stawów. I tak wody Rudawy i Szreniawy zawierają wiĊcej wapnia (97–100 mg˜l–1) niĪ wody Iáownicy (60 mg˜l–1) i Wisáy (70 mg˜l–1),
a takĪe wiĊcej magnezu (odpowiednio 10–11, 8 i 7 mg˜l–1).
3. RóĪnorodnoĞü makro- i mikroelementów oraz zawartoĞü metali ciĊĪkich w osadach
dennych wyraĨnie zaleĪna jest równieĪ od sposobu doprowadzenia wody do stawów.
Woda dostarczana do stawów poprzez doprowadzalniki zostawia w nich czĊĞü transportowanych związków chemicznych i mikroelementów.
PIĝMIENNICTWO
Bednarczyk T., Madeyski M., 1992. Czynniki wpáywające na intensywnoĞü zamulania stawów rybnych. Zesz. Nauk. AR we Wrocáawiu, Melioracja XL, 211, 87–100.
Bombówna M., 1956. Tworzenie siĊ osadów dennych w stawach rybnych. Biuletyn Zakáadu Biologii Stawów PAN, Kraków, 111–126.
Danielewski S., 1965. Mineralizacja osadów dennych w okresie zimowego osuszania stawów rybnych. Rocz. Nauk Rol. 86-B-2, 341–359.
Dąbkowski L., SkibiĔski J., ĩbikowski A., 1982. Hydrauliczne podstawy projektów wodno-melioracyjnych. PWRiL, Warszawa.
DrabiĔski A., 1992. Wpáyw stawów rybnych na odpáyw ze zlewni Baryczy. Zesz. Nauk. AR we
Wrocáawiu 211, Melioracja XL, 187–206.
Giedrojü B., Kaszupkiewicz J., 1990. WáaĞciwoĞci fizyczne i chemiczne niektórych gleb dna stawów rybnych w rejonie Milicza. Zesz. Nauk. AR we Wrocáawiu, Melioracja XXXIV,
189, 59–69.
Giedrojü B., Kaszupkiewicz J., Bogda A., 1992. OkreĞlenie wáaĞciwoĞci fizycznych i chemicznych
gleby dna stawowego w róĪnych kategoriach stawów. Zesz. Nauk. AR we Wrocáawiu,
Melioracja XL, 211, 117–133.
Gilbert R., 1960. Transport hydraulique et refoulement des mixtures en conduites. Annales des
Ponts et Chaussées, 3–4.
Graf W., 1983. Hydraulics of reservoir sedimentation. Water Power and Dam Construction 38, 4,
45–52.
Architectura 6 (1) 2007
52
M. Madeyski
Kabata-Pendias A., 1995. Podstawy oceny chemicznego zanieczyszczenia gleb. Metale ciĊĪkie,
siarka i WWA. PaĔstwowa Inspekcja Ochrony ĝrodowiska, IUNG Puáawy. Biblioteka
Monitoringu ĝrodowiska, Warszawa.
Madeyski M., 1998. Hydrauliczna i reologiczna charakterystyka procesu zamulania stawów rybnych. Zesz. Nauk. AR Kraków, Rozprawy 236.
Madeyski M., 2005. Charakterystyka osadów stawowych oraz moĪliwoĞü ich rolniczego wykorzystania. Zesz. Nauk. Akademii Techn.- Humanistycznej w Bielsku-Biaáej 19, InĪynieria
Wáókiennicza i Ochrona ĝrodowiska 6, 195–204.
Madeyski M., Florencka N., Tarnawski M., 2005. Rozkáad przestrzenny zawartoĞci metali ciĊĪkich
w osadach dennych wybranego stawu rybnego. Zesz. Nauk. AR Kraków, InĪynieria ĝrodowiska 26, 381–390.
Marcilonek S., Nyc K., Kamionka S., 1990. WstĊpna ocena wpáywu milickich stawów rybnych
na stosunki wodne terenów przylegáych. Zesz. Nauk. AR we Wrocáawiu, Melioracja
XXXIV, 189, 93–102.
Métrot R., 1954. Recherches sur les propriétés rhéologiques des boues de forage. Paris.
Michalik A., 1973. Badanie rozkáadu koncentracji fazy staáej hydromieszanin wielofrakcyjnych w
przekroju poprzecznym strumienia przy uĪyciu metody radiometrycznej. Praca doktorska. AGH, Kraków.
Migniot C., 1968. Etude des propriétés physiques de differents sédiments sous des actions hydrodynamiques. La Houille Blanche 8, 591–620.
Muratowa S., 1993. Wpáyw osadów dennych na wodoprzepuszczalnoĞü dna stawu rybnego. Zesz.
Nauk AR w Poznaniu CCXLIV, 89–100.
Oporowska K., 1976. Badania nad zawartoĞcią miedzi w stawach niektórych regionów Polski. Acta
Hydrobiol. 18, 2, 139–152.
Parzonka W., 1966. Reologiczne zachowanie siĊ jednorodnych mieszanin gruntowo-wodnych.
Rozprawa habilitacyjna. IPUW, Wrocáaw.
Parzonka W., 1974. Ocena zmiennoĞci wáasnoĞci fizycznych i reologicznych osadów ze zbiorników
wodnych Sautet i Lubachów. Arch. Hydrotechn. XXI, 4.
Parzonka W., 1986. Hydrauliczna i reologiczna charakterystyka transportu zawiesiny rzecznej
o wysokiej koncentracji w obrĊbie kaskady zbiornikowej. Arch. Hydrotechn XXXIII, 4,
377–396.
Parzonka W., KempiĔski J., 1991. Reologiczna ocena procesu sedymentacji i osadzania namuáów
jeziornych. Zesz. Nauk. AR we Wrocáawiu, Melioracja XXXIX, 209, 177–187.
Ratomski J., 1991. Sedymentacja rumowiska w zbiornikach przeciwrumowiskowych na obszarze
Karpat fliszowych. Politechnika Krakowska, Monografia 122.
Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 9 wrzeĞnia 2005 r. DzU nr 165, poz. 1359.
Smoádyriew A.E., 1961. Razczet rudnicznego truboprowodnogo transporta. Dieáa Akademii Nauk
SSSR – Inst. Gorn., Moskwa.
Sobota J., 1988. Globalne i lokalne charakterystyki przepáywu mieszaniny ciecz-cząstki staáe w
rurociągu poziomym. Arch. Hydrotechniki XXXV, 1–2, 3–44.
Stangenberg-Oporowska K., Solski A., 1975. Skáad chemiczny gleb stawowych Gospodarstwa Rybackiego, P.G. Rybnego w Miliczu. Acta Hydrobiologica 17, 2, 183–199.
SzymaĔski J., 1990. Przedmowa. Zesz. Nauk. AR Wrocáaw 189, Melioracja XXXIV, 7–12.
Wróbel S., 1965. Przyczyny i nastĊpstwa eutrofizacji stawów. Acta Hydrobiologica 7, 1, 27–52.
PROCESS OF SOLID PARTICLES SEDIMENTATION IN FISH PONDS
AND CHEMICAL PROPERTIES OF BOTTOM SEDIMENTS
Abstract. The process of solid particle sedimentation in fish ponds has not been so far
examined at a large scale. Many authors investigated sediments from water reservoirs and
Acta Sci. Pol.
Proces osadzania cząstek staáych w stawach rybnych...
53
lakes as well as those deriving from check-dams. These sediments, however, differ greatly
from pond sediments. The paper presents the results of chemical property investigations
(especially content of heavy metals what may indicate to the way of their agriculture utilization) as well as the process of bottom sediment deposition in six chosen fish ponds of
different physiographic properties of the catchment whose rivers supply the ponds. It was
shown that the sedimentation process in six ponds proceeds in a similar way with evident
characteristic sedimentation phases and the heavy metal content in sediments is not harmful
and can serve for agricultural purposes.
Key words: sedimentation, fish ponds, chemical properties of sediments
Zaakceptowano do druku – Accepted for prin: 2.02.2007
Architectura 6 (1) 2007