Page 1 Page 2 Page 3 OPINIODAWCY prof. dr hab. Marcin
Transkrypt
Page 1 Page 2 Page 3 OPINIODAWCY prof. dr hab. Marcin
OPINIODAWCY prof. dr hab. Marcin DramiĔski prof. dr hab. Jerzy Gaca dr hab. Tomasz Kowalkowski, prof. nadzw. UMK dr hab. Przemysáaw Niedzielski, prof. nadzw. UAM dr hab. inĪ. Tadeusz Siwiec, prof. nadzw. SGGW REDAKTOR DZIAàOWY dr inĪ. Krzysztof Pawáowski Opracowanie redakcyjne i techniczne mgr Aleksandra Górska, mgr Dorota ĝlachciak Projekt okáadki mgr inĪ. Daniel MorzyĔski © Copyright Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego Bydgoszcz 2012 Utwór w caáoĞci ani we fragmentach nie moĪe byü powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeĔ elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-61314-47-9 Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego Redaktor Naczelny prof. dr hab. Józef Flizikowski ul. Ks. A. Kordeckiego 20, 85-225 Bydgoszcz, tel. 52 3749482, 52 3749426 e-mail: [email protected] http://www.wu.utp.edu.pl Wyd. I. Nakáad 100 egz. Ark. aut. 14,6. Ark. druk. 16,5. Zakáad Maáej Poligrafii UTP Bydgoszcz, ul. Ks. A. Kordeckiego 20 SPIS TREĝCI Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci przenoszonej drogą atmosferyczną ......................................................... The Baltic Sea under the influence of anthropogenic mercury transmitted through the atmosphere 7 Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi nienaraĪonych zawodowo na jej związki .......................................................................................... 23 Mercury exposure routes in humans not occupationally exposed to the its compounds Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk Naturalny osad denny (NOD) jako potencjalne Ĩródáo ekologicznej energii odnawialnej ............................................................ 43 Natural bottom sediment (NBS) as a potential source of renewable energy environmental Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska Modele matematyczne kominów sáonecznych ........................................ 53 Mathematical models of solar chimneys Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz Badania osadów dennych zbiornika zaporowego ĩur ............................ 63 Investigation on bottom sediments in the ĩur reservoir Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych – wybór metody a zasób informacji o modelu ............................................ 73 Description of physical adsorption of gases on solids – dependence between the method selected and the information content on the model under consideration Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody do celów bytowych w wybranych miastach województwa kujawsko-pomorskiego ............... 89 Development of index values of water use for domestic and economic purposes in chosen towns of Kuyavian-Pomeranian voivodeship Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody w budownictwie mieszkalnym wielorodzinnym z wykorzystaniem modeli regresji .............................. 103 Prediction water consumption in multi-family residential buildings using regression models Piotr Pocztóá, Marian Granops Badanie ĞcieralnoĞci chalcedonitu w procesie filtracji ciĞnieniowej ..... 119 Chalcedonit abrasin test in the pressure filtration Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce. Potrzeby, zasady i metody sterowania ................................................... 129 Technology of irrigation of the pomology plants in Poland. The needs, principles and the methods of scheduling Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz Problemy związane ze sporządzaniem projektów planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 .................................................. 147 Problems with creating projects of conservation tasks for Natura 2000 sites Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej (HPIC) w badaniach efektywnoĞci usuwania skáadników jonowych z wody wodociągowej za pomocą filtrów dzbankowych ...................... 157 The use of high performance ion chromatography (HPIC) in studies of the removal efficiency of the ionic components of tap water using a filter jugs Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem ........................ 173 The road influence on the environmental noise pollution Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii stosowanych przy budowie autostrad jako element wspomagający ochronĊ Ğrodowiska .................. 187 The transfer of innovative practical technologies using to the construction of highways as the helping element of environmental protection Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów do budowy dróg jako element polityki zrównowaĪonego rozwoju .......................... 209 Innovative technologies in recycling materials using to the construction of roads as the element of a sustainable development policy GraĪyna Totczyk, Ryszard OkoĔski, Leonard Boszke Uzdatnianie wody podziemnej do celów kotáowych z zastosowaniem odwróconej osmozy ................................................... 229 Underground water treatment for boiler purposes applying reverse osmosis Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Koncepcja wykorzystania strategicznej mapy akustycznej w procesie tworzenia miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego ....................................................................................... 237 The concept of using the strategic noise map in the process of local land use plans Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej ............. 247 GIS technology in creating noise strategic map MORZE BAàTYCKIE POD WPàYWEM ANTROPOGENICZNEJ RTĉCI PRZENOSZONEJ DROGĄ ATMOSFERYCZNĄ Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska*1 Streszczenie. Morze Baátyckie oraz obszar jego zlewni objĊty jest silnym wpáywem antropogenicznym związanym z intensywnym rolnictwem, ale takĪe z przemysáem i urbanizacją. W wyniku niekontrolowanego uwalniania do Ğrodowiska róĪnego rodzaju szkodliwych substancji chemicznych w ostatnich dekadach ubiegáego wieku warunki ekologiczne w Morzu Baátyckim ulegáy drastycznemu pogorszeniu. PoĞród róĪnych krajów basenu Morza Baátyckiego Polska postrzegana jest jako jeden z najwiĊkszych trucieli w tym regionie, w tym równieĪ rtĊcią i jej związkami. Kluczową rolĊ w transporcie i przemianach tego pierwiastka odgrywa powietrze atmosferyczne. Wynika to z jednej strony z lotnoĞci rtĊci i niektórych jej poáączeĔ, a z drugiej – z licznych przemian, jakim ulega ona w powietrzu atmosferycznym. Mimo iĪ ostatnich latach stan zanieczyszczenia rtĊcią w Morzu Baátyckim zostaá lepiej rozpoznany, to jednak ze wzglĊdu na naturalną zmiennoĞü, zarówno stĊĪeĔ, jak i form fizyczno-chemicznych, pierwiastek ten jest przedmiotem coraz wiĊkszego zainteresowania Ğrodowiska naukowego i opinii publicznej. Celem pracy jest analiza aktualnego stanu wiedzy dotyczącej wielkoĞci emisji, poziomu stĊĪeĔ i strumieni depozycji rtĊci w rejonie Morza Baátyckiego, ze szczególnym uwzglĊdnieniem Polski jako kraju o potencjalnie najwiĊkszych emisjach rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych. Sáowa kluczowe: rtĊü, emisja, transport atmosferyczny, depozycja, trendy czasowe, Morze Baátyckie WPROWADZENIE SpoĞród róĪnych substancji wprowadzanych do Ğrodowiska rtĊü uwaĪana jest za szczególnie niebezpieczną. Wynika to ze specyficznej natury tego pierwiastka, zdeterminowanej mnogoĞcią Ĩródeá zanieczyszczenia, lotnoĞcią, ruchliwoĞcią, trwaáoĞcią i duĪą toksycznoĞcią jej poszczególnych form chemicznych, gáównie metylortĊci i rtĊci pierwiastkowej. Ulega ona ponadto biomagnifikacji áaĔcuchu troficznym, stwarzając realne zagroĪenie dla zdrowia czáowieka [20]. Szczególnie wraĪliwe na zanieczyszczenie rtĊcią i jej związkami jest Ğrodowisko wodne, a zwáaszcza estuaria i strefy brzegowe mórz [5-11]. WĞród systemów sáonowodnych Morze Baátyckie jest najwiĊkszym Ğródlądowym akwenem, którego zlewniĊ zamieszkuje 85 milionów ludzi, z czego * dr hab. Leonard BOSZKE, prof. nadzw. UTP, mgr inĪ. Justyna ĝLIWIēSKA, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 8 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska 15 milionów mieszka w 10 km strefie przybrzeĪnej [15]. Obszar zlewni objĊty jest zarówno intensywnym rolnictwem, ale takĪe jest silnie uprzemysáowiony i zurbanizowany. Znajduje siĊ na nim 11 miast, które przekraczają 0,5 miliona mieszkaĔców. Wysoki poziom gospodarczy krajów nadbaátyckich i koncentracja duĪych aglomeracji miejskich w strefie brzegowej morza sprawiają, Īe z lądu rzekami i atmosferą oraz ze Ğciekami przemysáowymi, komunalnymi i odpadami przedostają siĊ do morza substancje chemiczne. ZewnĊtrzny dopáyw soli odĪywczych, halogenowanych związków organicznych, metali toksycznych – w tym równieĪ związków rtĊci – sprawiá, Īe Baátyk uwaĪany jest za akwen silnie zanieczyszczony [3, 14, 15, 26, 31]. W ostatnich latach w literaturze anglosaskiej oraz w raportach HELCOM [2, 3, 15, 50] przedstawia siĊ PolskĊ jako jednego z najwiĊkszych „trucicieli” Morza Baátyckiego, w tym równieĪ związkami rtĊci. PogáĊbiona analiza aktualnego stanu wiedzy dotyczącej wielkoĞci emisji, poziomu stĊĪeĔ i strumieni depozycji rtĊci jest niezbĊdna, aby przeprowadziü rzeczywistą ocenĊ oddziaáywania Polski na warunki Ğrodowiskowe w Morzu Baátyckim, akwenie postrzeganym jako najbardziej zanieczyszczony w Europie. CZY Z TERYTORIUM POLSKI POCHODZI NAJWIĉKSZA EMISJA RTĉCI DO ATMOSFERY W EUROPIE? Antropogeniczne Ĩródáa rtĊci w Europie związane są gáównie z procesami spalania paliw kopalnych, wĊgla kamiennego i brunatnego. Caákowitą emisjĊ rtĊci w Europie w procesach spalania wĊgla oszacowano na 112 ton/rok, wobec sumarycznej emisji rtĊci ze wszystkich Ĩródeá wynoszącej 239 ton/rok [34]. W procesach spalania wĊgla emitowane są równieĪ najwiĊksze iloĞci rtĊci pierwiastkowej (Hg0 – 56 ton/rok), w postaci jonowej (Hg(II)g – 45 ton/rok) i związanej w aerozolach (Hg(p) – 11 ton/rok) [34]. W latach 90. zaobserwowano gwaátowny spadek emisji rtĊci związany ze zmniejszeniem aktywnoĞci przemysáowej w krajach byáego Bloku Wschodniego (gáównie w Niemczech Wschodnich i Polsce), (rys. 1). Cyrkulacja mas powietrza ma decydujące znaczenie w przemieszczaniu siĊ zanieczyszczeĔ z obszarów Ĩródáowych, gdzie związki rtĊci w postaci gazowej i aerozolowej wprowadzane są do atmosfery. Nad Morzem Baátyckim dominują masy powietrza napáywające z poáudniowego zachodu (26%) i poáudnia (9%) [42]. Stąd sektor poáudniowo-zachodni naleĪy uznaü za najwaĪniejszą trasĊ przepáywu mas powietrza docierającego nad Baátyk. Wyliczenia wskazują, Īe 25% emisji metali do atmosfery z terytorium Zachodniej Europy, a wiĊc z krajów oddalonych od Baátyku, moĪe ulegaü depozycji do Baátyku [24]. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... 9 1000 900 500 DziaáalnoĞü przemysáowa 42 700 600 Inne Ĩródáa 50 800 42 460 388 400 390 300 200 350 100 0 1980 Spalanie paliw 296 1985 59 93 195 1990 186 1995 26 99 15 114 90 2000 85 2005 Rys. 1. Zmiany emisji rtĊci (tony/rok) w Europie w latach 1960-2005 [33, 34] Fig. 1. Changes in mercury emissions (tons/year) in Europe in the years 1960-2005 [33, 34] SpoĞród krajów europejskich najwiĊkszy udziaá w emisji do atmosfery rtĊci pochodzenia antropogenicznego ma: Federacja Rosyjska (europejska czĊĞü), Polska, Niemcy i Hiszpania [33]. Wobec caákowitej europejskiej emisji rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych (239 ton/rok), udziaá tych krajów wynosiá odpowiednio: 66, 26, 23 i 23 ton/rok [33]. Rozpatrując wielkoĞü emisji ze Ĩródeá antropogenicznych w zaleĪnoĞci od poáoĪenia geograficznego, okazuje siĊ, Īe kraje basenu Morza Baátyckiego (Federacja Rosyjska, Polska i Niemcy) wnoszą okoáo 48% caákowitej emisji rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych, z czego najwiĊkszy udziaá miaáa Federacja Rosyjska (28%), a Polska (11%) [33]. W przypadku lotnej rtĊci pierwiastkowej, jonowej i związanej z aerozolami, udziaá Polski w caákowitej europejskiej emisji wynosiá odpowiednio: 9, 13 i 15% [33]. W krajach Basenu Morza Baátyckiego wielkoĞü emisji rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych wyraĨnie siĊ obniĪa (tab. 1). W porównaniu ze strumieniem rtĊci emitowanej w 1990 roku spadek ten wynosiá 42% do 2004 roku [15] czy 45% do 2006 roku [2]. Najbardziej restrykcyjnie zmniejszono emisjĊ rtĊci do atmosfery w Niemczech – z 19,2 ton w roku 1990 do 2,8 ton w roku 2006 (o 86%) oraz w Szwecji w latach 1990-2004 (aĪ o 83%). Polska w latach 1990-2006 zmniejszyáa roczną emisjĊ rtĊci z 33,3 do 21,3 ton. Litwa, àotwa, Estonia oraz Szwecja utrzymują obecnie emisjĊ rtĊci do atmosfery na poziomie <1 ton/rok [3, 15]. W Polsce, podobnie jak w innych krajach europejskich, gáównym Ĩródáem emisji rtĊci są procesy spalania paliw kopalnych (tab. 1). W roku 2000 antropogeniczną emisjĊ rtĊci w Polsce oszacowano na 25,6 ton, z czego 60% udziaá w emisji rtĊci stanowiáo spalanie kopalin, a 29% produkcja cementu. Kilkuprocentowy udziaá w emisji rtĊci miaáa produkcja i przerób stali i Īelaza, przemysá chemiczny i spalanie odpadów [18]. W Polsce ze spalania wĊgla w przydomowych paleniskach do atmosfery dostaje siĊ rocznie 1100 kg rtĊci, tj. okoáo 10% rtĊci emitowanej ogóáem podczas spalania kopalin [18]. Z powyĪszej analizy wynika, Īe na tle krajów HELCOM Polska wyróĪnia siĊ pod wzglĊdem emisji rtĊci. Mimo stopniowego obniĪania emisji Hg do atmosfery od lat 90. nie udaáo siĊ osiągnąü spektakularnego wyniku. NaleĪy to przypisaü stale utrzymującemu siĊ wysokiemu udziaáowi paliw kapalnych w pozyskiwaniu energii. 10 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 1. Emisja rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych (tony/rok) z krajów HELCOM, w latach 1990-2006 [2] Table 1. Emissions of mercury from anthropogenic sources (tons/year), from the HELCOM countries in the years 1990 to 2006 [2] 1990 Dania 3,2 Estonia 1,1 Finlandia 1,1 Niemcy 19,2 àotwa 0,3 Litwa 0,0 Polska 33,3 Rosja 15,6 Szwecja 1,6 HELCOM 76 1991 3,5 1,0 0,9 13,3 0,2 0,0 32,7 13,4 1,3 66 1992 3,3 0,8 0,7 8,4 0,2 0,0 31,9 11,4 1,3 58 1993 3,3 0,6 0,6 5,3 0,2 0,0 32,5 11,8 1,1 56 1994 2,4 0,6 0,7 2,8 0,2 0,0 32,4 10,4 1,2 51 1995 2,4 0,6 0,7 2,4 0,2 0,2 32,3 10,4 1,1 50 1996 1997 1998 1999 2,5 2,0 1,9 2,0 0,6 0,6 0,5 0,5 0,8 0,6 0,5 1,1 2,5 2,5 2,6 2,4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 33,6 33,0 29,5 27,1 10,1 9,6 9,4 9,9 1,1 1,0 0,9 0,9 52 50 46 44 2000 1,2 0,6 0,6 2,7 0,1 0,3 25,6 10,0 0,8 42 2001 1,3 0,5 0,7 2,7 0,0 0,5 23,2 10,1 0,7 40 2002 1,2 0, 5 0,7 2,8 0,0 0,3 19,8 10,2 0,7 36 2003 1,3 0,6 0,8 2,9 0,0 0,4 20,2 11,4 0,8 38 2004 1,1 0,5 0,7 2,8 0,0 0,4 19,8 11,9 0,8 38 2005 1,4 0,5 0,9 2,7 0,0 0,4 20,1 14,0 0,7 41 2006 1,3 0,5 1,0 2,8 0,0 0,4 21,3 14,0 0,6 42 CZY RTĉû W POWIETRZU ATMOSFERYCZNYM NAD MORZEM BAàTYCKIM POCHODZI Z ODLEGàYCH, POZAEUROPEJSKICH ħRÓDEà EMISJI? Atmosfera stanowi bardzo waĪne ogniwo w cyklu biogeochemicznym rtĊci, a przemiany, którym podlega, determinują wielkoĞü strumienia, jaki przenika do ekosystemów wodnych, gleby oraz Īywych organizmów [17]. Wysoka prĊĪnoĞü par rtĊci oraz niewielka, jakkolwiek bardzo istotna toksykologicznie rozpuszczalnoĞü w wodzie sprawia, Īe jej czas przebywania w powietrzu atmosferycznym wynosiü moĪe od 6 do 24 miesiĊcy [28]. WzglĊdnie dáugi okres przebywania w powietrzu powoduje, Īe Hg(0) moĪe byü transportowana na bardzo duĪe odlegáoĞci. Stąd teĪ obecnoĞü rtĊci pochodzenia antropogenicznego stwierdza siĊ praktycznie we wszystkich niezanieczyszczonych pierwotnie rejonach naszego globu [13, 16]. Mimo Īe w ostatnich dwóch dekadach nastąpiá trzykrotny spadek emisji rtĊci w krajach Unii Europejskiej, to w latach 2003-2005 zaobserwowano wyraĨny wzrost stĊĪenia rtĊci w powietrzu atmosferycznym i opadzie mokrym. Zdaniem Pacyny i in. [33], wytáumaczeniem tego zjawiska moĪe byü napáyw rtĊci z innych, nieeuropejskich krajów, a w szczególnoĞci z krajów azjatyckich, takich jak Chiny, które mają najwiĊkszy udziaá w Ğwiatowej emisji rtĊci. Związane jest to z dynamicznym rozwojem gospodarczym tego kraju i energetyką opartą na wĊglu kamiennym [54]. Caákowitą emisjĊ rtĊci w Chinach szacuje siĊ na 536 (±236) ton rocznie [54] lub 605 ton [32], co stanowi okoáo 28% udziaáu w caákowitej globalnej emisji rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych [32]. Przekáada siĊ to na wyraĨnie wyĪszy Ğredni poziom stĊĪenia lotnej rtĊci pierwiastkowej w Chinach w porównaniu z powietrzem nad Europą oraz Oceanem Spokojnym (rys. 2). Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... StĊĪenie TGM (ng/m 3) 3,5 Chiny 3,0 Europa 2,5 11 O = 20 0 0E O = 110 0 E O = 170 E 2,0 1,5 Pacyfik 1,0 0,5 0 5 20 35 50 65 SzerokoĞü geograficzna 85 Rys. 2. Profile zmian stĊĪeĔ caákowitej rtĊci gazowej (TGM) w powietrzu atmosferycznym póákuli póánocnej [49] Fig. 2. Profile changes in concentrations of total gaseous mercury (TGM) in the atmosphere of the northern hemisphere [49] Potwierdzeniem zjawiska migracji rtĊci na znaczne odlegáoĞci mogą byü oszacowania Ryaboshapko i in. [40]. Wskazano, iĪ w caákowitej emisji rtĊci z obszaru Polski udziaá Ĩródeá antropogenicznych wynosi zaledwie 60%. Na pozostaáą czĊĞü rtĊci obecnej w powietrzu atmosferycznym skáada siĊ rtĊü pochodząca z innych krajów europejskich, a takĪe rtĊü emitowana w Polsce ze Ĩródeá naturalnych. SpoĞród krajów europejskich analizowanych przez Ryaboshapko i in. [40] najmniejszy udziaá w emisji rtĊci z wáasnych Ĩródeá miaáy Wáochy (30%). Z kolei w Wielkiej Brytanii na emisjĊ rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych zlokalizowanych w innych krajach przypadaáo jedynie od 5 do 15%. Wynika to z peryferyjnego poáoĪenia geograficznego obu krajów i cyrkulacji atmosferycznej z przewagą wiatrów zachodnich. Badania modelowe wykazaáy równieĪ, iĪ 85-90% brytyjskiej i tyle samo wáoskiej, a 70-75% polskiej emisji rtĊci ze Ĩródeá antropogenicznych opuszcza kraj pochodzenia [40]. Rozpatrując wartoĞci bezwzglĊdne, masy rtĊci emitowanej do atmosfery ze Ĩródeá antropogenicznych w Polsce (25,6 ton/rok), Zjednoczonego Królestwa (8,5 ton/rok) i Wáoch (9,8 ton/rok) [34], okazuje siĊ, Īe spoĞród tych trzech krajów Polska emituje poza granice najwiĊksze iloĞci rtĊci (18-19 ton/rok), a znacznie mniej Wáochy (8,3-8,8 ton/rok) i Zjednoczone Królestwo (7,2-7,7 ton/rok). JAK KSZTAàTUJE SIĉ ZMIENNOĝû STĉĩENIA RTĉCI W POWIETRZU NAD POLSKĄ W ODNIESIENIU DO OBSZARU EUROPY? Wyemitowana do powietrza rtĊü ulega dyspersji, reakcjom chemicznym i usuwaniu. W atmosferze Hg wystĊpuje w postaci form i związków zawartych w fazie gazowej oraz związanych z aerozolami. W rejonach nieuprzemysáowionych dominującą formą jest rtĊü pierwiastkowa (Hg0) (ang. Total Gaseous Mercury – TGM), która moĪe stanowiü 95-99% caákowitej zawartoĞci rtĊci w at- 12 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska mosferze. Pozostaáa czĊĞü to rtĊü w formie jonowej Hg(II), która związana jest z cząstkami aerozoli (Hg(II)p) (ang. Total Particulate Mercury – TPM) i/lub wystĊpuje jako gaz (Hg(II)g) (ang. Reactive Gaseous Mercury – RGM). W formie organicznej rtĊü wystĊpuje w atmosferze w Ğladowych stĊĪeniach i gáównie jako monometylortĊü (CH3Hg+) oraz dimetylortĊü ((CH3)2Hg) [47, 43]. Wedáug najnowszych pomiarów TGM szacuje siĊ, Īe naturalne stĊĪenie táa wynosi 1,2-1,8 ng/m3 [52]. Natomiast za naturalny poziom TPM przyjmuje siĊ stĊĪenia od 1 do 100 ng/m3 [21, 53]. Podobnie jak TGM, rtĊü związana z aerozolami moĪe ulegaü przemieszczeniu na dalekie odlegáoĞci, nawet 500-800 km [52, 53]. Z kolei RGM, która w rejonach niezanieczyszczonych stanowi tylko 3-5% rtĊci caákowitej iloĞci wystĊpującej w atmosferze jest stosunkowo szybko usuwana przez absorpcjĊ na kropelkach chmur lub przez opadające hydrometeory. Decyduje o tym jej reaktywnoĞü i bardzo dobra rozpuszczalnoĞü w wodzie, co najmniej 105 razy lepiej niĪ Hg0 [27, 43]. Oszacowano, Īe czas przebywania RGM w atmosferze wynosi od kilku dni do paru tygodni [27, 43]. Badania przeprowadzone przez Wängberga i in. [52] wskazaáy na podobieĔstwo stĊĪeĔ TGM w Europie. Na podstawie wyników z 10 stacji pomiarowych zakres stĊĪeĔ Hg(0) mieĞciá siĊ od 1,6 do 3,2 ng/m3. StĊĪenie rtĊci pierwiastkowej w powietrzu atmosferycznym nad Morzem Baátyckim wynosiáo Ğrednio 1,6 ng/m3 i mieĞciáo siĊ w zakresie 1-2 ng/m3 [25]. WartoĞü stĊĪenia Hg(0) w powietrzu atmosferycznym w poáudniowo-zachodniej czĊĞci Baátyku byáa tego samego rzĊdu i w latach 1990-2003 niewiele siĊ zmieniaáa: od 1,59 do 1,66 ng/m3 [22]. W tym samym okresie na stacji w Mace Head w Irlandii równieĪ stwierdzono niewielką zmiennoĞü stĊĪeĔ TGM, od 1,65 do 1,79 ng/m3 [22]. W rejonie Baátyku Poáudniowego stĊĪenia rtĊci wystĊpowaáy w szerszym zakresie 1,8-7,5 ng/m3 latem i 0,8-4,44 ng/m3 zimą [29]. WiĊksze stĊĪenia zmierzone w okresie lata niĪ zimy badacze wiąĪą z reemisją rtĊci z wody do atmosfery. IntensywnoĞü tego procesu narasta wraz ze wzrostem temperatury wody i powietrza. W nieuprzemysáowionym regionie na poáudniu Polski stĊĪenie TGM w okresie letnim wynosiáo 1,63 ± 0,35 ng/m3 i byáo niĪsze niĪ w regionie nadmorskim, natomiast w okresie zimowym poziom stĊĪenia byá wyĪszy (4,15 ± 1,33 ng/m3) [55]. W aglomeracji miejskiej w uprzemysáowionym regionie Górnego ĝląska zakres zmian stĊĪenia TGM wynosiá od 4,1 do 9,1 ng/m3 [39]. Zmierzone nad poáudniową Polską wiĊksze wartoĞci stĊĪenia TGM wystĊpujące w okresie zimowym związane byáy z wyĪszą emisją rtĊci z przydomowych kotáowni [38]. W strefie brzegowej poáudniowego Baátyku i nad otwartym morzem sytuacja jest odwrotna, wieksze stĊĪenia RGM obserwuje siĊ w okresie letnim, niĪ zimą [45]. W Europie wiĊksze wartoĞci TGM obserwowane są zwykle w sąsiedztwie kopalni rtĊci i jej przerobu oraz w strefach aktywnoĞci geotermalnej [36]. W Europie wystĊpują przestrzenne róĪnice w poziomie stĊĪeĔ reaktywnej rtĊci gazowej (RGM). Wynika to z obecnoĞci RGM w powietrzu ze Ĩródeá antropogenicznych, jak i naturalnych. W przypadku tych ostatnich Ĩródeá znaczący udziaá wydaje siĊ mieü Ğrodowisko morskie ze wzglĊdu na obecnoĞü Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... 13 wzglĊdnie wysokich stĊĪeĔ halogenkowych utleniaczy w powietrzu atmosferycznym nad morzami. W badaniach modelowych przyjmuje siĊ, Īe wartoĞü táa RGM rzĊdu 5 pg/m3 (zakres 2-18 pg/m3) [40, 39]. Wängberg i in. [52] na stacjach pomiarowych zlokalizowanych w póánocnej czĊĞci Europy wyznaczyli stĊĪenia RGM na poziomie 10-32 pg/m3, a w rejonie Morza ĝródziemnego od 36 do 65 pg/m3. Podobną zmiennoĞcią jak RGM charakteryzowaáy siĊ stĊĪenia rtĊci związanej w aerozolach (TPM) i Ğrednio w zaleĪnoĞci od sezonu wystĊpowaáy w zakresie od 30 do 40 pg/m3 [52]. W Szwecji, podczas poáudniowo-wschodniej adwekcji mas powietrza, stĊĪenie TPM moĪe osiągaü 100 pg/m3, co jest okoáo 10-krotnie wiĊkszą wartoĞcią niĪ stĊĪenie naturalnego táa w tym rejonie [51]. JednoczeĞnie ci sami autorzy podkreĞlają, Īe obecne stĊĪenie rtĊci związanej w aerozolach, wynoszące ~10 pg/m3, jest wartoĞcią 4-krotnie niĪszą od notowanych w koĔcu lat osiemdziesiątych. W polskiej strefie brzegowej poáudniowego Baátyku w roku 2008 Ğrednie stĊĪenie TPM wynosiáo 20 pg/m3, a zakres zmiennoĞci wahaá siĊ od 2 do 142 pg/m3 [4]. W tym samym regionie kolejne pomiary przeprowadzone od IV 2008 do IV 2009 daáy uĞrednioną roczną wartoĞü stĊĪenia Hg w aerozolach maáych równą 3,5 pg/m3, zaĞ w duĪych – 24,3 pg/m3, natomiast zimą na przeáomie 2008 i 2009 roku Ğrednie stĊĪenie TPM0.7 i TPM2.2 wzrosáo w stosunku do lata i wyniosáo odpowiednio 4,1 ± 6,7 pg/m3 oraz 35,5 ± 28,5 pg/m3 [46]. Zakáadając, Īe Ğrednie stĊĪenie TGM wynosi 2 ng/m3 [4], wyliczono, Īe zimą stosunek TPM/HgTot moĪe wzrosnąü nad morzem z 0,2 % dla maáych aerozoli do 1,8% dla duĪych czastek w efekcie spalania paliw. Tak nikáy udziaá TPM w caákowitym stĊĪeniu rtĊci w atmosferze wskazuje, Īe strefa brzegowa Baátyku jest oddalona od przemysáowych Ĩródeá emisji tego metalu. Kilkaset kilometrów na poáudnie od Baátyku, w rejonach nieuprzemysáowionych Polski, stĊĪenia TPM rosną w kaĪdym sezonie. Latem stĊĪenie TPM wynosiáo 110 ± 50 pg/m3, natomiast zimą rosáo do Ğredniego stĊĪenia 1050 ± 180 pg/m3 [55]. Są to wartoĞci wyĪsze od notowanych w innych krajach europejskich, w których Ğrednie stĊĪenie TPM utrzymuje siĊ w zakresie 20-30 pg/m3 [51]. Wskazuje to na dodatkowe Ĩródáa TPM związane prawdopodobne z niską emisją z przydomowych palenisk [55]. Przykáadowo, w aglomeracji miejskiej uprzemysáowionego rejonu Górnego ĝląska w okresie od paĨdziernika 2006 do kwietnia 2007 roku Ğrednie stĊĪenie Hg w maáych aerozolach PM2.5 wyniosáo 100 pg/m3, natomiast w duĪych PM10 osiągnĊáo wartoĞü 160 pg/m3 [38]. Autorka ustaliáa, iĪ w tym okresie udziaá frakcji zawieszonej w stosunku do TGM wahaá siĊ od 4,6 do 14,0%, a najwyĪsze wartoĞci proporcji TPM/HgTot wystapiáy w grudniu 2006 i styczniu 2007 roku, co naleĪy áączyü z intensywnym spalaniem paliw kopalnych w paleniskach domowych. W tych miesiącach notowano równieĪ epizody wysokich stosunków TPM/TGM, nawet 40%. 14 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska OPADY ATMOSFERYCZNE Ogniwami áączącymi atmosferyczną oraz lądowo-morską czĊĞü obiegu rtĊci są opady mokre, które najefektywniej oczyszczają powietrze. Udziaá mokrej depozycji rtĊci w stosunku do caákowitej depozycji rtĊci pochodzenia atmosferycznego zaleĪy przede wszystkim od wysokoĞci opadów, intensywnoĞci i czĊstoĞci ich wystĊpowania oraz od temperatury, a takĪe od poziomu stĊĪeĔ róĪnych form fizyczno-chemicznych rtĊci w powietrzu atmosferycznym [27]. Szacuje siĊ, Īe naturalne caákowite stĊĪenie rtĊci wodzie deszczowej wynosi od 2,0 do 15 ng/dm3 [48]. W rejonach, gdzie opady wystĊpują epizodycznie, bardziej istotnym mechanizmem usuwania rtĊci z powietrza atmosferycznego bĊdzie sucha depozycja, jednak mokra depozycja jest gáównie odpowiedzialna za usuwanie z atmosfery rozpuszczalnych poáączeĔ rtĊci, gáównie związków rtĊci pochodzenia antropogenicznego [43]. W rejonie Morza Baátyckiego sucha depozycja stanowi zaledwie <10% w okresie wiosennym i <30% w okresie letnim [35], aczkolwiek w rejonie Zatoki GdaĔskiej udziaá ten moĪe mieĞciü siĊ w szerszych granicach, Ğrednio od 0,7% w okresie letnim do 21% w okresie zimowym [30]. StĊĪenie rtĊci w mokrym opadzie atmosferycznym, podobnie jak stĊĪenie rtĊci pierwiastkowej, wykazuje tendencjĊ malejącą w kierunku póánocnym: w Berlinie wynosiáo 17,15 ng/dm3 (1,93 ng Hg0/m3), a na stacji pomiarowej zlokalizowanej w Szwecji 11,17 ng/dm3 (1,54 ng Hg0/m3) [48]. Ebinghaus i in. [12] w opadzie mokrym z poáudniowo-zachodniego Baátyku wyznaczyli Ğrednie stĊĪenie rtĊci na poziomie 58 ng/dm3 (zakres 20-110 ng/dm3). Tego samego rzĊdu wielkoĞü (52 ng/dm3) otrzymamy, jeĞli zaáoĪyü, Īe istnieje korelacyjna zaleĪnoĞü liniowa pomiĊdzy caákowitym stĊĪeniem rtĊci a wartoĞcią pH opadu (Hg = -26,31pH + 170,34; r = -0,41, p = 0,001; n = 60; [23]) oraz Īe wartoĞü oczynu wody tworzącej chmury wynosi Ğrednio pH = 4,5 [1], co jest wartoĞcią przyjmowana w wielu badaniach modelowych [39, 40]. W opadzie mokrym pobranym nad wybrzeĪem poáudniowego Baátyku, ze zurbanizowanej i uprzemysáowionej aglomeracji trójmiejskiej rtĊü wystĊpowaáa w zakresie stĊĪeĔ od 8,6 do 118 ng/dm3, z medianą rzĊdu 39,3 ng/dm3 [45]. WielkoĞü dopáywu atmosferycznej rtĊci zmienia siĊ w bardzo szerokich granicach jako pochodna fluktuacji rocznych wysokoĞci opadu atmosferycznego i regionalnych róĪnic stĊĪeĔ rtĊci w opadzie. DepozycjĊ rtĊci z atmosfery oszacowano w przedziale od 8,2 ng/m2/dzieĔ w póánocnej czĊĞci Póáwyspu Skandynawskiego do 96 ng/m2/dzieĔ w jego czĊĞci poáudniowej, a duĪy strumieĔ rtĊci deponowany w Poáudniowej Skandynawii táumaczono udziaáem Europy Wschodniej [19]. W kolejnych badaniach w Szwecji depozycjĊ rtĊci okreĞlono w zakresie 49,3-87,7 ng/m2/dzieĔ [53], natomiast w borealnym ekosystemie leĞnym w Finlandii w zakresie 35,6-46,6 ng/m2/dzieĔ [37]. Na podstawie prac prowadzonych w rejonie poáudniowego Baátyku w latach 2006-2009 oszacowano strumieĔ depozycji rtĊci w opadzie mokrym na 76,7 ng/m2/dzieĔ (zakres 13,3-193 ng/m2/dzieĔ) [45]. UwzglĊdniając 10% udziaá suchej depozycji w caákowitej depozycji, strumieĔ rtĊci oszacowaü moĪna na 85,3 ng/m2/dzieĔ Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... 15 2 (zakres 14,8-215 ng/m /dzieĔ). Przyjmując tĊ wartoĞü jako typową dla pozostaáych rejonów Morza Baátyckiego, roczną masĊ rtĊci deponowaną z opadem suchym i mokrym oszacowaü moĪna na 13,2 ton (zakres 2,2-32,6 ton). Podobnego rzĊdu wielkoĞü depozycji rtĊci z atmosfery otrzymaü moĪna, jeĞli zaáoĪyü, Īe wielkoĞü stĊĪenia rtĊci w opadzie mokrym otrzymanym przez Ebinghausa i in. [12] jest prawdziwa dla caáego Morza Baátyckiego (58 ng/dm3, zakres 20-110 ng/dm3), a wielkoĞü Ğredniorocznego opadu mokrego dla Baátyku wynosi 625 mm/rok (cyt. za [45]) oraz Īe 10% depozycji ogóáem stanowi sucha depozycja, to dopáyw rtĊci z atmosfery z opadem mokrym i suchym wynosiü bĊdzie Ğrednio 110 ng/m2/dzieĔ (38-207 ng/m2/dzieĔ), tj. 17 ton/rok (5,8-32 ton/rok). Oszacowana masa rtĊci deponowana drogą atmosferycznym do wód Baátyku jest wartoĞcią znacznie wiĊkszą aniĪeli otrzymana w raporcie HELCOM [15]. W raporcie tym oszacowano, iĪ w 2004 roku z 38 ton emitowanej rtĊci do atmosfery z krajów HELCOM zaledwie 2,9 tony rtĊci ulegáo depozycji w wodach Morza Baátyckiego, a z tego wiĊkszoĞü, bo aĪ 1,5 tony (52%), ulegáo depozycji w rejonie Baátyku WáaĞciwego [15]. Pole powierzchni Baátyku WáaĞciwego wynosi 211069 km2, co stanowi 51% powierzchni caáego morza, i jeĞli przyjąü, iĪ wartoĞci stĊĪeĔ rtĊci otrzymane przez Siudek i in. [45] i Ebinghausa i in. [12] są reprezentatywne dla poáudniowej czĊĞci morza Baátyckiego, to masa rtĊci rocznie deponowana w tym rejonie morza bĊdzie wynosiü odpowiednio: ponad 6,1 tony/rok i 8,5 tony/rok, co jest okoáo 4-6-krotnie wiĊkszą wartoĞcią od oszacowaĔ przedstawionych w raporcie HELCOM [15]. Wedáug Raportu Komisji HelsiĔskiej [3] kraje nadbaátyckie przekazują do Baátyku via atmosfera od kilku do kilkunastu procent wyemitowanych na swoim terytorium metali. Udziaá rtĊci deponowanej w Morzu Baátyckim w roku 2006 z krajów naleĪących do HELCOM wynosiá zaledwie 21% z caákowitej emisji rtĊci z tychĪe krajów. Dla krajów Europy objĊtych europejskim monitoringiem atmosfery (EMEP) udziaá ten oszacowano na 8% [3]. Z caákowitej masy rtĊci deponowanej na powierzchniĊ wody aĪ 71% byáa to rtĊü emitowana z odlegáych Ĩródeá, naturalnych emisji oraz reemisji [3]. Transport na duĪe odlegáoĞci rtĊci deponowanych na powierzchniĊ wody dowodzi zjawiska o wielkiej skali przestrzennej i nadaje mu wiĊkszą rangĊ w zanieczyszczeniu Morza Baátyckiego od cyrkulacji o charakterze lokalnym [3]. PROGNOZA EMISJI RTĉCI W POLSCE I EUROPIE DO ROKU 2020 Polska wstĊpując do Unii Europejskiej zobligowana zostaáa do przestrzegania jej dyrektyw dotyczących m.in. redukcji wielkoĞci emisji przemysáowych zanieczyszczeĔ oraz zwiĊkszania udziaáu odnawialnych Ĩródeá energii. W zaleĪnoĞci od opracowanego scenariusza wielkoĞü rocznej emisji rtĊci przez PolskĊ do roku 2020 winna ulec istotnemu obniĪeniu. Wedáug scenariusza opartego na: obecnych trendach czasowych (BUS – Business as Usual Scenario) do 14,4 16 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska ton na rok; restrykcyjnym przestrzeganiu dyrektyw Unii Europejskiej (POT – Policy Target Scenario) do 8,1 i najbardziej restrykcyjnego – okreĞlanego mianem „zielonego” (DEG – Deep Green Scenario) nawet do 2,7 ton rocznie [34]. Prognozy wielkoĞci rocznej emisji rtĊci wedáug róĪnych scenariuszy dla pozostaáych krajów Unii i innych krajów europejskich przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Zmiany wielkoĞci rocznej emisji rtĊci w wybranych krajach europejskich w zaleĪnoĞci od przyjĊtego scenariusza (tony/rok) [34] Table 2. Changes in the size of annual mercury emissions in selected European coun tries, depending on the scenario (tons/year) [34] Kraj Federacja Rosyjska Ukraina Niemcy Hiszpania Polska Wáochy Francja Rumunia Turcja W. Brytania Caáa Europa 2005 BAU 2010 2020 2005 POT 2010 2020 2005 DEG 2010 2020 41,3 38,2 34,0 41,3 38,2 34,0 36,4 26,0 21,3 26,0 24,8 23,5 20,1 13,1 11,7 10,6 8,5 7,6 226,5 24,0 22,3 23,5 17,4 12,9 9,5 9,7 7,5 6,6 207,2 2,0 17,2 23,8 14,4 12,6 6,6 8,0 7,0 5,1 179,6 26,0 26,6 19,8 15,1 12,9 9,3 8,9 8,5 7,5 212,7 24,0 23,5 7,1 10,2 9,3 4,1 4,2 7,2 5,6 162,0 20,0 12,6 3,9 8,1 5,8 3,5 2,8 5,6 3,8 125,3 22,7 21,2 11,6 12,4 10,8 6,1 5,4 8,5 6,3 171,8 13,1 16,5 5,1 6,2 6,5 3,1 2,7 5,2 4,8 109,9 10,4 8,0 1,6 2,7 2,7 1,5 1,0 1,8 2,7 64,4 Podsumowanie scenariuszy emisji rtĊci w Europie do 2020 roku z podziaáem na kategorie przedstawiono na rysunku 3. -1 Emisja Hg (tony rok ) DEG POT BAU 250 200 150 100 50 0 2005 2010 2020 2005 Inne Ĩródáa 2010 2020 Lata Lata Produkcja cementu Produkcja chloru 2005 2010 2020 Lata Wytwarzanie energii Rys. 3. Scenariusze emisji rtĊci w Europie do 2020 roku [34] Fig. 3. Scenarios of mercury emissions in Europe by 2020 [34] Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... 17 Najbardziej restykcyjny scenariusz emisji rtĊci, w którym zakáada siĊ, Īe do roku 2020 emisja rtĊci ma wynosiü zaledwie 2,7 tony/rok, wydaje siĊ bardzo maáo prawdopodobny. Jak wynika z danych przedstawionych w tabeli 1, w Polsce w latach 2004-2006 emisja rtĊci z ze Ĩródeá antropogenicznych wykazaáa tendencjĊ wzrostową – z 19,8 do 21,3 ton/rok. Ponadto w Polsce wytwarzanie energii nadal oparte jest przede wszystkim na spalaniu wĊgla kamiennego i brunatnego, a rozwój energetyki jądrowej, ze wzglĊdu na obawy i protesty spoáeczne, raczej nie bĊdzie miaá miejsca. Zakáadajc nawet, iĪ nastąpi znaczna redukcja emisji rtĊci ze spalania paliw kopalnych, z jednej strony w wyniku zainstalowania bardziej nowoczesnych instalacji wyáapujących bardziej skutecznie rtĊü z gazów odlotowych, a z drugiej – zmniejszonego zuĪycia tych paliw przede wszystkim w indywidualnych gospodarstwach domowych (na rzecz energii solarnej), to nadal emisja tego pierwiastka ze spalania paliw kopalnych bĊdzie znaczna. Nie wydaje siĊ równieĪ, aby znacznie ograniczona zostaáa emisja rtĊci w procesach produkcji cementu, zwaĪywszy na sytuacjĊ gospodarczą, tj. nadrabiania zalegáoĞci infrastrukturalnych, jak i indywidualnego budownictwa mieszkaniowego. Najprawdopodobniej najwiĊksze ograniczenia związane bĊdą z wykorzystaniem tego pierwiastka w celach przemysáowych. PODSUMOWANIE Atmosfera stanowi bardzo waĪne ogniwo w cyklu biogeochemicznym rtĊci, a przemiany, którym podlega, determinują wielkoĞü strumienia, jaki przenika do ekosystemów wodnych, gleby oraz Īywych organizmów. W przypadku Morza Baátyckiego i jego zlewni moĪna pokusiü siĊ o stwierdzenie, iĪ transport rtĊci drogą atmosferyczną nie tylko Īe jest waĪny, ale odgrywa wrĊcz kluczową rolĊ w nanoszeniu tego pierwiastka, tak ze Ĩródeá antropogenicznych, jak i naturalnych. Na podstawie opublikowanych danych w piĞmiennictwie naukowym moĪna równieĪ siĊ pokusiü o stwierdzenie, iĪ iloĞü rtĊci deponowana droga atmosferyczną jest niedoszacowana. LITERATURA [1] Acker K., Moller D., Wieprecht W., Kalass D., Auel R., 1998. Investigations of ground-based clouds at the Mt. Brocken. Fresenius J. Anal. Chem. 361, 59-64. [2] Atmospheric emissions of heavy metals in the Baltic Sea region. HELCOM Indicator Fact Sheets 2008 (online: 17.11.2009). [3] Atmospheric supply of nitrogen, lead, cadmium, mercury and dioxins/furans to the Baltic Sea in 2006, HELCOM, 2008. [4] Beádowska M., Saniewska D., Falkowska L., Lewandowska A., 2012. Mercury in particulate matter over Polish zone of the southern Baltic Sea. Atmos. Environ. 46, 397-404. [5] Boszke L., 2005. Estimation of fluxes and mass balance of mercury in the Puck Bay, Southern Baltic, Poland: an overview. Oceanologia 47, 1-26. 18 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [6] Boszke L., Astel A., 2007. Fractionation of mercury in sediments from coastal zone inundated by tsunami and in freshwater sediments from rivers. J. Environ. Sci. Health, Part A, 42, 847-858. [7] Boszke L., GáosiĔska G., Siepak J., 2002. Some aspects of speciation of mercury in a water environment. Polish J. Environ. Stud. 11, 285-298. [8] Boszke L., Kowalski L., 2007. Mercury fractionation in sediments of the Lower Vistula River (Poland). Oceanol. Hydrobiol. Stud. 36, 79-99. [9] Boszke L., Kowalski A., GáosiĔska G., Szarek R., Siepak J., 2003. Environmental factors affecting the speciation of mercury in the bottom sediments: an overview. Polish J. Environ. Stud. 12, 5-13. [10] Boszke L., Kowalski A., SzczuciĔski W., Rachlewicz G., Siepak J., 2006. Assessment of mercury availability by fractionation method in sediments from coastal zone inundated by the 26 December 2004 Tsunami in Thailand. Environ. Geol. 51, 527-536. [11] Boszke L., Siepak J., Falandysz J., 2003. Total mercury contamination of selected organisms in the Puck Bay, Baltic Sea, Poland. Polish J. Environ. Stud. 12, 275-283. [12] Ebinghaus R., Kock H.H., Jennings S.G., McCartin P., Orren M., 1995. Measurements of atmospheric mercury concentrations in north western and central Europe – comparison of experimental data and model results. Atmos. Environ. 29, 3333-3344. [13] Fitzgerald W.F., Engstrom D.R., Mason R.P., Nater E.A., 1998. The case for atmospheric mercury contamination in remote areas. Environ. Sci. Technol. 32, 1-7. [14] Halpern B.S., Walbridge S., Selkoe K.A., Kappel C.V., Micheli F., D'Agrosa C., Bruno J.F., Casey K.S., Ebert C., Fox H.E., Fujita R., Heinemann D., Lenihan H.S., Madin E.M.P., Perry M.T., Selig E.R., Spalding M., Steneck R., Watson R., 2008. A global map of human impact on marine ecosystem. Science 15, 948-52. [15] Heavy metal pollution to the Baltic Sea in 2004, 2007. HELCOM Baltic Sea Environmental Proccending 108. [16] Hermanson M.H., 1998. Anthropogenic mercury deposition to arctic lake sediments. Water Air Soil Pollut. 101, 309-321. [17] Háawiczka S., 2008. RtĊü w Ğrodowisku atmosferycznym. Instytut Podstaw InĪynierii ĝrodowiska PAN Zabrze. [18] Háawiczka S., Fudaáa J., 2003. Distribution of Cd, Pb and Hg emissions among sectors of economy in Poland and the emission assessment for the years 1990-2000. [W:] Environmental Engineering Studies, Polish Research on the Way to the EU, Kluwer Academic, Plenum Publishers, New York, 1-11. [19] Iverfeldt A., 1991. Occurence and turnover of atmospheric mercury over the Nordic countries. Water Air Soil Pollut. 56, 251-265. [20] Kabata-Pendias A., Pendias H., 1999. Biogeochemia pierwiastków Ğladowych. PaĔstwowe Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa. [21] Keeler G., Glinsorn G., Pirrone N., 1995. Particulate mercury in the atmosphere: its significance, transport, transformation and sources. Water Air Soil Pollut. 80, 159-168. [22] Kock H.H., Bieber E., Ebinghaus R., Spain T.G., Thees B., 2005. Comparison of long-term trends and seasonal variations of atmospheric mercury concentrations at the two European coastal monitoring stations Mace Head, Ireland, and Zingst, Germany. Atmos. Environ. 39, 7549-7556. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... 19 [23] Kowalski A., Boszke L., Kurzyca I., 2005. One year observation of mercury in wet precipitation of PoznaĔ City (Poland). Polish J. Environ. Stud. 14, Suppl V, 37-42. [24] Krüger O., 1996. Atmospheric deposition of heavy metals to North European marginal seas: Scenarios and trends for lead. GeoJournal 39, 117-131. [25] Kuss J., Schneider B., 2007. Variability of the gaseous elemental mercury sea-air flux of the Baltic Sea. Environ. Sci. Technol. 41, 8018-8023. [26] Lehtonen K.K., Schiedek D., 2006. Monitoring biological effects of pollution in the Baltic Sea: Neglected – but still wanted? Mar. Pollut. Bul. 53, 377-386. [27] Lindberg S.E., Stratton W.J., 1998. Atmospheric mercury speciation: concentration and behaviour of reactive gaseous mercury in ambient air. Environ. Sci. Technol. 32, 49-57. [28] Lindqvist O., Rodhe H., 1985. Atmospheric mercury - a review. Tellus 37B, 136-159. [29] Marks R., Beádowska M., 2001. Air-sea exchange of mercury vapour over the Gulf of GdaĔsk and southern Baltic Sea. J. Mar. Sys. 27, 315-324. [30] Murawiec D., Gajecka A., Beádowska M., Falkowska L., 2007. Investigation on mercury concentration levels in coastal and offshore qaters of the GdaĔsk Basin. Oceanol. Hydrobiol. Stud. 36, 83-97. [31] Niemirycz E., 2006. Halogenowane związki organiczne w ekosystemach rzecznych i odpáyw tych związków do Morza Baátyckiego. IMGW Warszawa. [32] Pacyna E.G., Pacyna J.M., Steenhuisen F., Wilson S., 2006. Global anthropogenic mercury eminssion inventory for 2000. Atmos. Environ. 40, 4048-4063. [33] Pacyna J.M., Pacyna E.G., Aas W., 2009. Changes of emissions and atmospheric deposition of mercury, lead, and cadmium. Atmos. Environ. 43, 117-127. [34] Pacyna M., Pacyna J., Fudala J., Strzelecka-Jastrząb E., Háawiczka S., Panasiuk D., 2006. Mercury emissions to the atmosphere from anthropogenic sources in Europe in 2000 and their scenarios until 2020. Sci. Total Environ. 370, 147-156. [35] Petersen G., Iverfeldt A., Munthe J., 1995. Atmospheric mercury species over central and northern Europe. Model calculations and comparison with observations from the Nordic air and precipitation network for 1987 and 1988. Atmos. Environ. 29, 47-67. [36] Pirrone N., 2001. Mercury research in Europe: towards the preparation of the EU air quality directive. Atmos. Environ. 35, 2979-2986. [37] Porvari P., 2003. Sources and fate of mercury in aquatic ecosystems. Monographs of the Boreal Environment Research, 23. Finnish Environment Institute, Finland, Helsinki. [38] Pyta H., Rosik-Dulewska C., Czaplicka M., 2009. Speciation of Ambient Mercury in the Upper Silesia. Water Air Soil Pollut. 197, 233-240. [39] Ryaboshapko A., Bullock Jr O.R., Christensen J., Cohen M., Dastoor A., Ilyin I., Petersen G., Syrakov D., Travnikov O., Artz R.S., Davignon D., Draxler R.R., Munthe J., Pacyna J., 2007. Intercomparison study of atmospheric mercury models. 1. Comparison of models with short-term measurements. Sci. Total Environ. 376, 228-240. [40] Ryaboshapko A., Bullock Jr O.R., Christensen J., Cohen M., Dastoor A., Ilyin I., Petersen G., Syrakov D., Travnikov O., Artz R.S., Davignon D., Draxler R.R., Munthe J., Pacyna J., 2007. Intercomparison study of atmospheric mercury models: 2. Modelling results vs. long-term observations and comparison of country deposition budgets. Sci. Total Environ. 377, 319-333. 20 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [41] Schmolke S.R., Schroeder W.H., Kock H.H., Schneeberg D., Munthe J., Ebinghaus R., 1999. Simultaneous measurements of total gaseous mercury at four sites on 800 km transect: spatial distribution and short-time variability of total gaseous mercury over central Europe. Atmos. Environ. 33, 1725-1733. [42] Schneider B., Ceburnis D., Marks R., Munte J., Petersen G., Sofiev M., 2000. Atmospheric Pb and Cd onput into the Baltic Sea: a new estimate based on measurements. Mar. Chem. 71, 297-307. [43] Schroeder W.H., Munthe J., 1998. Atmospheric mercury-an overview. Atmos. Environ. 32, 809-822. [44] Sekulic B., Vertacnik A., 1997. Comparison of antropological and „natural” imput of substances through waters into Adriatic, Baltic and Black Sea. Wat. Res. 31, 3178-3182. [45] Siudek P., Falkowska L., Urba A., 2009. Bimodal variation in mercury wet deposition to the coastal zone of the southern Baltic. Atmos. Chem. Phys. Discuss. 9, 22773-22801. [46] Siudek P., Falkowska L., Urba A., 2011. Temporal variability of particulate mercury in the air over the urbanized zone of the southern Baltic. Atmos. Pollut. Res. 2, 484Ǧ491. [47] Slemr F., Seiler W., Schuster G., 1985. Distribution, speciation, and budget of atmospheric mercury. J. Atmos. Chem. 3, 434-436. [48] Stein E.D., Cohen Y., Winer A.M., 1996. Environmental distribution and transformation of mercury compounds. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 26, 1-43. [49] Travnikov O., 2005. Contribution of the intercontinental atmospheric transport to mercury pollution in the Northern Hemisphere. Atmos. Environ. 39, 7541-7548. [50] Waterborne inputs of heavy metals to the Baltic Sea. HELCOM Indicator Fact Sheets 2008 (online: 17.11.2009). [51] Wängberg I., Munthe J., Ebinghaus R., Gärdfeldt K.A, Iverfeldt A., Sommar J., 2003. Distribution of TPM in Northern Europe. Sci. Total Environ. 304, 53-59. [52] Wängberg I., Munthe J., Pirrone N., Inverfeldt A., Bahlman E., Costa P., Ebinghaus R., Feng X., Ferrara R., Gärdfelt K., Kock H., Lanzillotta E., Mamane Y., Mas F., Melamed E., Osnat Y., Prestbo E., Sommar J., Schmolke S., Dpain G., Spovieri F., Tuncel G., 2001. Atmospheric mercury distribution in Northern Europe and in Mediterranean region. Atmos. Environ. 35, 3019-3025. [53] Wängberg I., Schmolke S., Schager P., Munthe J., Ebinghaus R., Iverfeldt Å., 2001.Estimates of air-sea exchange of mercury in the Baltic Sea. Atmos. Environ. 35, 5477-5484. [54] Zhang L., Wong M.H., 2007. Environmental mercury contamination in China: sources and impacts. Environ. Int. 33, 108-121. [55] Zielonka U., Háawiczka S., Fudala J., Wängberg I., Munthe J., 2005. Seasonal mercury concentrations measured in rural air in Southern Poland Contribution from local and regional coal combustion. Atmos. Environ. 39, 7580-7586. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska Morze Baátyckie pod wpáywem antropogenicznej rtĊci... THE BALTIC SEA UNDER THE INFLUENCE OF ANTHROPOGENIC MERCURY TRANSMITTED THROUGH THE ATMOSPHERE Abstract. During the last century ecological conditions of the Baltic Sea have dramatically changed due to riverine and atmospheric input of chemical substances that have originated from intensive agricultural and industrial development and ecological disasters in territories of European countries. Since the state of the Baltic is extremely important for the population of Europe, the distribution of polluting elements in the sea has been a subject of very detailed studies. The state of the mercury pollution, in comparison to other heavy metals, is relatively worse recognized but in in last years have been observed signicantly interst in mercury pollution problem in the Baltic Sea area. The aim of this study is to analyze the current state of knowledge concerning the emission level of concentration and deposition of mercury in the catchment of the Baltic Sea region, with particular emphasis on the Poland, as the country with the greatest potential mercury emissions from anthropogenic sources. Keywords: mercury emission, atmospheric transport, deposition, fluxes, trends, scenarios, catchment, Baltic Sea 21 ħRÓDàA RTĉCI W ORGANIZMACH LUDZI NIENARAĩONYCH ZAWODOWO NA JEJ ZWIĄZKI Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska*1 Streszczenie. Znaczenie rtĊci jako pierwiastka skaĪającego Ğrodowisko naturalne wynika ze specyficznej natury tego metalu, zdeterminowanej mnogoĞcią Ĩródeá zanieczyszczenia, lotnoĞcią, ruchliwoĞcią, trwaáoĞcią i duĪą toksycznoĞcią jego poszczególnych form chemicznych. Dla ludzi nienaraĪonych zawodowo na dziaáanie związków rtĊci oraz punktowe Ĩródáa zanieczyszczenia tym pierwiastkiem najwaĪniejszymi Ĩródáami rtĊci ogólnie dla populacji ludzkiej jest rtĊü zawarta we wdychanym powietrzu atmosferycznym, spoĪywanej wodzie i w poĪywieniu, a takĪe w materiaáach stomatologicznych i medycznych. O ile stĊĪenia rtĊci w niezanieczyszczonym powietrzu atmosferycznym i wodzie pitnej, a takĪe ĪywnoĞci, z wyjątkiem ryb i owoców morza, są relatywnie niewielkie, dlatego masa pobierana dziennie przez czáowieka tymi drogami jest relatywnie maáa. NajwaĪniejszymi Ĩródáami naraĪenia na dziaáanie rtĊci wydają siĊ byü spoĪywane ryby i owoce morza (metylortĊü – CH3Hg(I)), stomatologiczne wypeánienia amalgamatowe (rtĊü pierwiastkowa: pary rtĊci i rtĊü metaliczna) i tiomersal w szczepionkach i produktach kosmetycznych (etylortĊü – C2H5Hg(I)). Sáowa kluczowe: rtĊü, metylortĊü, naraĪenie Ğrodowiskowe, poĪywienie, amalgamatowe wypeánienia dentystyczne, tiomersal WSTĉP RtĊü znana jest ludzkoĞci od ponad 4000 lat i juĪ staroĪytni ChiĔczycy i Hindusi uĪywali cynobru (czerwony HgS) jako skáadnika farb lub maĞci do malowania skóry [53]. Znajdowana byáa równieĪ w grobowcach staroĪytnych Egipcjan, a Fenicjanie uĪywali jej do pozyskiwania záota [38]. Hindusi wierzyli, Īe rtĊü ma cechy afrodyzjaku, a Rzymianie i Grecy uĪywali jej do celów leczniczych [38]. Wierzono, Īe mimo toksycznoĞci moĪe ona byü panaceum na wiele dolegliwoĞci zdrowotnych [10]. JuĪ w staroĪytnoĞci zdawano sobie sprawĊ z toksycznoĞci tego pierwiastka. Na terenie imperium rzymskiego jego wydobywaniem zajmowali siĊ niewolnicy, których Ğredni czas Īycia w kopalni wynosiá okoáo 6 miesiĊcy mimo stosowania Ğrodków ochronnych w postaci prymitywnych masek ochronnych [10]. ChociaĪ na przestrzeni wielu wieków rtĊü byáa znana i uĪywana przez wiele kultur, to jej uĪycie do koĔca XV wieku byáo wzglĊdnie niewielkie. Po tym czasie daáo siĊ zauwaĪyü zwiĊkszone wykorzystywanie rtĊci w róĪnych dziedzinach Īycia czáowieka. Powszechnie zaczĊto ją stosowaü do pozyskiwania srebra tzw. metodą zimnej amalgamacji, a takĪe * dr hab. Leonard BOSZKE, prof. nadzw. UTP, mgr inĪ. Justyna ĝLIWIēSKA, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 24 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska w urządzeniach takich jak barometry i termometry. Na masową skalĊ rtĊü stosowano w ówczesnej medycynie jako Ğrodek antyseptyczny, przeciwzapalny, przeciwpasoĪytniczy, moczopĊdny i przeczyszczający [54]. Najbardziej jednak zasáynĊáa w leczeniu skórnych objawów syfilisu, trądu i tyfusu. Na uwagĊ zasáuguje fakt, Īe rtĊü wykorzystywano w leczeniu syfilisu aĪ do roku 1940, praktycznie do czasu powszechnego stosowania penicyliny [54]. Skutkiem ubocznym stosowania związków rtĊci w syfilisoterapii, szczególnie związków rtĊcioorganicznych, byáy czĊste przypadki poronieĔ [2]. TĊ wáaĞciwoĞü związków rtĊcioorganicznych wykorzystywano w ówczesnych dopochwowych Ğrodkach antykoncepcyjnych [2, 43]. W dziewiĊtnastym wieku powszechne byáy zatrucia rtĊcią wĞród wytwórców kapeluszy, którzy uĪywali azotanu rtĊci w procesach filcowania sierĞci. W sáabo wentylowanych pomieszczeniach dochodziáo do zatruü, które charakteryzowaáy siĊ takimi symptomami, jak: drĪenie ciaáa, utrata pamiĊci, osáabienie wzroku i zmienne nastroje [54]. Nawet obecnie w wielu ludowych wierzeniach afro-karaibskich i latynoskich, np. Santerii, uwaĪa siĊ, Īe pierwiastkowa rtĊü w postaci metalicznej ma duchową i magiczną moc. W tych ludowych religijnych praktykach, zwanych azohue (m.in. ogrzewanie rtĊci metalicznej w kocioáku, pokrapianie rtĊcią terenu wokóá domostwa), rtĊü jest uĪywana do ochrony przed záymi mocami, w zapewnieniu szczĊĞcia, bogactwa i zdrowia [54]. Obecnie, mimo ograniczenia stosowania rtĊci i jej związków lub nawet zakazu produkcji, np. rtĊciowych termometrów lekarskich w krajach Unii Europejskiej (Dyrektywa 2007/51/WE), to ze wzglĊdu na jej specyficzne wáaĞciwoĞci fizyczno-chemiczne jest nadal doĞü powszechnie wykorzystywana przez czáowieka [32]. Znaczenie rtĊci jako pierwiastka skaĪającego Ğrodowisko naturalne wynika ze specyficznej natury tego metalu, zdeterminowanej mnogoĞcią Ĩródeá zanieczyszczenia, lotnoĞcią, ruchliwoĞcią, trwaáoĞcią i duĪą toksycznoĞcią jego poszczególnych form chemicznych – gáównie metylortĊci i rtĊci pierwiastkowej [59]. PoĞród róĪnych toksycznych pierwiastków to wáaĞnie rtĊü byáa po raz pierwszy badana z punktu widzenia specjacji. Byáo to konsekwencją zatruü Ğmiertelnych stwierdzonych kilkadziesiąt lat temu w Japonii w Zatoce Minamata, wywoáanych przez zanieczyszczenie wód rtĊcią i powstającymi w wyniku przemian biochemicznych jej związkami: metylortĊcią i dimetylortĊcią [41]. TakĪe w Iraku doszáo do zatruü Ğmiertelnych w wyniku spoĪycia pieczywa wypiekanego z ziarna zaprawionego fungicydem [6]. Do incydentalnych zatruü rtĊcią wskutek spoĪycia miĊsa zwierząt hodowlanych, karmionych ziarnem siewnym zaprawionym fungicydem rtĊcioorganicznym, dochodziáo w róĪnych czĊĞciach Ğwiata [26]. Z kolei w latach 90. XX w., w konsekwencji zastosowania rtĊci do pozyskiwania záota (w reakcjach amalgamacji) w kopalniach odkrywkowych tego kruszcu w Brazylii, drugiego co do wielkoĞci producenta záota na Ğwiecie, miaáo miejsce skaĪenie rtĊcią Ğrodowiska w rejonie rzeki Amazonki [4, 11, 42]. Dla ludzi nienaraĪonych zawodowo na dziaáanie związków rtĊci oraz punktowe Ĩródáa zanieczyszczenia tym pierwiastkiem najwaĪniejszymi Ĩródáami rtĊci ogólnie dla populacji ludzkiej jest rtĊü zawarta we wdychanym powietrzu atmosferycznym, spoĪywanej wodzie i poĪywieniu, a takĪe w materiaáach stomatologicznych i medycznych [36]. O ile stĊĪenia rtĊci w niezanieczyszczonym Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 25 powietrzu atmosferycznym i wodzie pitnej, a takĪe ĪywnoĞci, z wyjątkiem ryb i owoców morza, są relatywnie niewielkie, dlatego masa pobierana dziennie przez czáowieka tymi drogami jest relatywnie maáa. NajwaĪniejszymi Ĩródáami naraĪenia na dziaáanie rtĊci wydają siĊ byü spoĪywane ryby i owoce morza (metylortĊü –CH3Hg(I)), stomatologiczne wypeánienia amalgamatowe (rtĊü pierwiastkowa: pary rtĊci i rtĊü metaliczna) i tiomersal w szczepionkach i produktach kosmetycznych (etylortĊü – C2H5Hg(I)) [21, 69]. TOKSYCZNOĝû RTĉCI I JEJ ZWIĄZKÓW ObecnoĞü rtĊci w ciele ludzi i zwierząt ma aspekt toksykologiczny, gdyĪ jak dotąd nie są znane jakiekolwiek funkcje metaboliczne rtĊci w wyĪszych organizmach. Wiadomo, Īe istotą toksycznego oddziaáywania rtĊci i jej poáączeĔ na organizmy Īywe jest powinowactwo jonu rtĊci(II) Hg2+ do grup sulfhydrylowych (-SH) biaáek i enzymów, powodujące zakáócenie funkcjonowania ukáadów enzymatycznych oraz mechanizmów przebiegających w nich syntez. W konsekwencji obserwuje siĊ wystąpienie takich negatywnych skutków, jak: dysfunkcja aparatu genetycznego komórki, upoĞledzenie funkcji immunologicznych organizmu, uszkodzenie ukáadu nerwowego (efekt neurotoksyczny), uszkodzenie ukáadu sercowo-naczyniowego oraz zaburzenia funkcjonowania nerek i wątroby [59, 65]. W tabeli 1 przedstawiono toksyczny wpáyw niskich dawek rtĊci na czáowieka. Tabela 1. Toksyczny wpáyw niskich dawek rtĊci na czáowieka [81] Table 1. Toxic effects of low doses of mercury on the human body [81] Ukáad nerwowy utrata pamiĊci, przypominające objawy choroby Alzheimera, trudnoĞci ze skupieniem uwagi, hipestezja (niska wraĪliwoĞü percepcyjna), niezbornoĞü (ataksja), dyzartria (zaburzenia mowy), zaburzenia sáuchu i wzroku, zwiĊkszone zmĊczenie trudnoĞci jĊzykowe (opóĨniona mowa) i problemy Dziecko/niemowlĊ z pamiĊcią, autyzm Ukáad motoryczny obniĪone funkcje motoryczne, obniĪona siáa miĊĞni, Dorosáy zwiĊkszone zmĊczenie Dziecko/niemowlĊ póĨne chodzenie Ukáad wydalniczy zwiĊkszony poziom kreatyniny w osoczu krwi Ukáad naczyniowo-sercowy zaburzenia ukáadu naczyniowo-sercowego obniĪona odpornoĞü organizmu, stwardnienie rozsiane, autoSystem immunologiczny immunologiczne zapalenie tarczycy lub atopowa egzema obniĪona páodnoĞü zarówno kobiet jak i mĊĪczyzn, System rozrodczy potomstwo z zaburzeniami Dorosáy RtĊü moĪe byü wcháaniana przez Īywy organizm w postaci pary metalicznej, rozmaitych związków nieorganicznych (np. HgS) oraz poáączeĔ organicznych (np. CH3Hg(I)). Za najbardziej niebezpieczne toksykologicznie uznaje siĊ 26 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska pary rtĊci metalicznej oraz związki organiczne o krótkim áaĔcuchu wĊglowym [18]. Pary rtĊci są bardzo áatwo wcháaniane wraz z inhalowanym powietrzem (drogą oddechową). Szacuje siĊ, Īe niemal 100% rtĊci pierwiastkowej przenikającej tą drogą do organizmu dostaje siĊ do krwi, gdzie w wyniku biotransformacji ulega utlenieniu do jonów Hg2+ i w tej postaci jest rozmieszczana i magazynowana w tkankach, gáównie mózgu i nerkach. Oszacowano, Īe 75-80% dawki rtĊci pierwiastkowej wcháoniĊtej drogą oddechową jest zatrzymywane w organizmie. Z kolei inne poáączenia nieorganiczne rtĊci są trudno wcháaniane wraz z inhalowanym powietrzem (drogą wziewną), natomiast áatwo dostają siĊ wraz z pokarmem, a ich gáównym miejscem osadzania siĊ są nerki, zaĞ w mniejszym stopniu wątroba, Ğledziona lub krew i mózg [65, 68]. W tabeli 2 przedstawiono gáówne drogi ekspozycji na róĪne związki rtĊci. Tabela 2. Drogi ekspozycji na róĪne związki rtĊci [26] Table 2. Routes of exposure to various compounds of mercury [26] Powietrze +++ naraĪenie związane obrzĊWdychanie dami religijnymi (SantoiĞci, Peru, Hoboken) + depozycja atmosferyczna Przewód na ĪywnoĞü pokarmowy 0 Skóra Zastrzyki Gleba gáównie Hg zawarta pyle Woda 0 ĩywnoĞü ++ Hg z wody nie jest drogą gruntowej, podczas gotowania i kąpieli Inne amalgamaty z jamy ustnej (czĊsto w stĊĪeniu 200 ng/m3) +++ gáównie ++ niektóre +++ gáówna rtĊciowe wypeádroga dla raczku- studnie zanieczy- MeHg w rybach; nienia szczone w prze- fungicydy w jących dzieci amalgamatowe ziarnach siewnych száoĞci rtĊcią z zabiegów agrotechnicznych 0 (CH3)2Hg + niektóre + niektóre związki rtĊcio- związki rtĊcioorganiczne organiczne tiomersal w szczepionkach Organiczne związki rtĊci są absorbowane przez czáowieka na drodze oddechowej (gáównie lotna (CH3)2Hg) i pokarmowej (gáównie lotna i rozpuszczalna w wodzie monometylortĊü (CH3)Hg(I)) oraz przez skórĊ. W tym ostatnim przypadku obserwowano silne wcháanianie dimetylortĊci i bardzo duĪe ryzyko wystąpienia zatrucia Ğmiertelnego. WydajnoĞü wcháaniania metylortĊci z przewodu pokarmowego jest bardzo duĪa i wynosi 95-100% wielkoĞci pocháoniĊtej dawki, podczas gdy odpowiada ona zaledwie 0,1% dla rtĊci pierwiastkowej, 10-20% dla nieorganicznych związków rtĊci oraz 7% dla rtĊci(II) [68]. W tabeli 3 przedstawiono oszacowane dzienne pobieranie róĪnych form i związków rtĊci przez czáowieka. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 27 Tabela 3. Oszacowane Ğrednie dzienne dawki róĪnych form rtĊci i jej związków pobieranych przez czáowieka (ng/dzieĔ) [36] Table 3. Estimated average daily dose of various forms of mercury and its compounds consumed by humans (ng/day) [36] Ekspozycja Powietrze ĩywnoĞü: – ryby – pozostaáa (bez ryb) Woda pitna Amalgamatowe wypeánienia dentystyczne Sumarycznie 40-200* (30-160)** Nieorganiczne MetylortĊü związki rtĊci 0*** 0 0 0 0 600**** (60) 3600 (360) 50 (5) 2400 (2300) brak danych 0 3800-21000 (3000-17000) 0 0 Pary rtĊci pierwiastkowej 3900-21000 (3100-17000) 4200 (420) 2400 (2300) przy zaáoĪeniu, Īe stĊĪenie rtĊci we wdychanym powietrzu wynosi 2-10 ng/m3, a objĊtoĞü wdychanego powietrza wynosi 20 m3 dziennie ** w nawiasach podano masĊ rtĊci akumulowanej w organizmie, tj. 80% wdychanej rtĊci pierwiastkowej, 95% metylortĊci i 10% rtĊci nieorganicznej przyjmowanej z poĪywieniem *** tak maáo, Īe pomijane w szacunkach **** przy zaáoĪeniu, Īe 80% rtĊci wystĊpującej w rybach jest w formie metylortĊci, zaĞ 20% w postaci związków nieorganicznych * Toksyczne dziaáanie związków rtĊcioorganicznych wynika z jednej strony z ich dobrej ich rozpuszczalnoĞci w wodzie (hydrofilnoĞü) (np. (CH3)Hg(I)), z drugiej – w táuszczach (lipofilnoĞü) (np. (CH3)2Hg). WáaĞciwoĞci te okreĞlają áatwe przenikanie poáączeĔ rtĊcioorganicznych z krwi do mózgu, gdzie podlegają one bioakumulacji gáównie w postaci metylortĊcioglutationu. Powoduje to wystąpienie patologicznych zmian w ukáadzie nerwowym, a takĪe w wyniku migracji przez barierĊ áoĪyskową – dziaáanie embriotoksyczne i teratogenne [59, 65]. Eliminacja związków rtĊci z ciaáa czáowieka nastĊpuje przede wszystkim przez ich wydalanie gáównie z moczem i kaáem, a takĪe ze Ğliną, mlekiem, przez wáosy oraz skórĊ wraz z potem. Okres póátrwania rtĊci w ciele czáowieka wynosi od 20 do 80 dni w zaleĪnoĞci od specjacji tego metalu oraz tkanki lub organu, w którym siĊ znajduje (tab. 4). Tabela 4. Poáowiczny okres eliminacji (doby) rtĊci z ludzkich tkanek i narządów [68] Table 4. Elimination half-life (days) of mercury from human tissues and organs [68] MetylortĊü Nieorganiczna rtĊü Organ krew nerki caáy organizm páuca mózg krew nerki caáy organizm Okres póátrwania 52-65* 70 71-79* 2 20 3-30** 60 42 * róĪne sole CH3Hg+ ** poáowiczny okres eliminacji rtĊci jest inny dla róĪnych form tego pierwiastka 28 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska NARAĩENIE CZàOWIEKA NA ODDZIAàYWANIE RTĉCI I JEJ ZWIĄZKÓW Najbardziej naraĪone na dziaáanie rtĊci i jej związków są osoby mające zawodowy kontakt z tym pierwiastkiem, np. pracownicy z zakáadów przemysáu chloroalkalicznego (rtĊü wdychana z powietrzem atmosferycznym), pracownicy wytwarzający termometry rtĊciowe czy lampy fluorescencyjne, a takĪe stomatolodzy i ich personel pomocniczy, malarze pokojowi (farby lateksowe), osoby biorące udziaá w recyklingu odpadów zawierających rtĊü, chemicy przeprowadzający syntezĊ lub analizujący próbki Ğrodowiskowe na zawartoĞü rtĊci. Przykáadowo, stĊĪenie rtĊci we wáosach osób bezpoĞrednio analizujących próbki wynosiáa 320 ng/g, osób przebywających w tych samych pomieszczeniach 59 ng/g, podczas gdy we wáosach osób nie mających kontaktu z rtĊcią i jej analizą tylko 15 ng/g [13, 14]. Z literatury [16, 50] znana jest historia prof. Karen Wetterhahn, która w sierpniu 1996 roku uĪyáa (CH3)2Hg do kalibracji instrumentu, a w styczniu 1997 zaobserwowaáa u siebie trudnoĞci w mówieniu i niezgrabny chód, a nastĊpnie widzenie tunelowe. W ciągu dalszych kilkunastu dni nastąpiá dalszy postĊp zaburzeĔ, po czym zapadáa w ĞpiączkĊ, z której mimo intensywnej terapii juĪ siĊ nie wybudziáa. Przyczyną zatrucia byáa (CH3)2Hg, której kilka kropel dostaáo siĊ na lateksowe rĊkawiczki ochronne i mimo szybkiego przemycia, przeniknĊáo przez nie, a nastĊpnie zostaáo zaadsorbowane przez skórĊ [16]. Potencjalnie naraĪeni na obecnoĞü rtĊci są ludzie zamieszkujący rejon w sąsiedztwie byáych kopalni lub przerobu rtĊci, zakáadów recyklingu, spalarni miejskich lub medycznych odpadów, elektrociepáowni opalanych wĊglem kamiennym. Na dziaáanie rtĊci naraĪone są równieĪ osoby, które czĊsto spoĪywają posiáki skáadające siĊ z ryb i owoców morza, myĞliwi zjadający miĊso upolowanych morskich ssaków, konsumenci produktów zioáowych przygotowywanych w tradycyjny sposób, a takĪe osoby posiadające liczne wypeánienia amalgamatowe oraz mieszkające lub pracujące w budynkach, gdzie stosowano farby lateksowe zawierające rtĊü. Potencjalnymi Ĩródáami rtĊci są kosmetyki (tiomersal – czynnik konserwujący), w tym kremy i mydáa rozjaĞniające skórĊ (jodek rtĊci – czynnik rozjaĞniający) [29]. Na uwagĊ zasáuguje fakt, Īe mydáa rozjaĞniające produkowane w Europie zawieraáy znacznie wiĊksze stĊĪenia rtĊci niĪ produkowane w Afryce (tab. 5). Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 29 Tabela 5. ZawartoĞü rtĊci w mydáach toaletowych rozjaĞniających skórĊ, dostĊpnych komercyjnie w Kisumu, w Kenii [29] Table 5. The content of mercury in skin lightening soaps available commercially in Kisumu, Kenya [29] Nazwa Zakáad produkcji (miasto) Kraj producenta Top Jambo Jaribo Mekako Rico Miki Shabba Movate Dorot Neko Geisha A sepso Choice Cussons NI (NI) Jambo (NI) Anglo Fabrics Ltd (Bolton) Anglo Fabrics Ltd (Bolton) Rico Skin Care Ltd (NI) C&C International Ltd (NI) Paramount Manufacturing Co (NI) Melzo (Milan) Cussons & Co Ltd (Nairobi) Obrit Chemical Industries Ltd (Nairobi) East Africa Industries Ltd (Nairobi) East Africa Industries Ltd (Nairobi) NI (NI) NI (NI) Hiszpania Wielka Brytania Anglia Anglia Wielka Brytania Wielka Brytania Anglia Wáochy Kenia Kenia Kenia Kenia NI NI StĊĪenie Jodek rtĊci rtĊci [%] [mg/mL] 7,4 1,7 6,6 1,5 5,8 1,3 6,3 1,4 6,5 1,5 5,7 1,3 2,1 0,47 7,3 1,7 0,18x10-3 0,41x10-4 2,3x10-3 5,3x10-4 -3 0,88x10 2,0x10-4 0,11x10-3 0,25x10-4 2,7x10-3 6,2x10-4 -3 0,34x10 0,78x10-4 NI – nie zidentyfikowano Ze wzglĊdu na osobnicze róĪnice trudno jest okreĞliü dokáadne wartoĞci dawek przyjmowanej rtĊci, niewywoáujących negatywnego wpáywu na zdrowie czáowieka. AmerykaĔska Agencja Ochrony ĝrodowiska (ang. United States Environmental Protection Agency – USEPA) ustaliáa referencyjną dawkĊ na 0,3 μg/kg/dzieĔ dla dorosáego organizmu czáowieka [61]. Na podstawie badaĔ Kanadyjskiej Rady BadaĔ (ang. National Research Council of Canada – NRC) [72] USEPA zaproponowaáa mniejszą referencyjną dawkĊ (0,1 μg/kg/dzieĔ) jako bardziej odpowiednią dla ochrony rozwijającego siĊ ukáadu neurologicznego páodu przed metylortĊcią zawartą w rybach, mogącą stanowiü niemal 100% stĊĪenia caákowitego. Jednak wartoĞü dawki referencyjnej (odniesienia) (ang. Reference Dose – RfD), wynosząca 0,1 μg (kg/dzieĔ), zaproponowana przez USEPA na podstawie badaĔ epidemiologicznych przeprowadzonych w Iraku jest wartoĞcią kwestionowaną ze wzglĊdu na nieodpowiednią ocenĊ statystyczną wyników [22]. Przykáadowo, AFDA (ang. American Food and Drug Administration – AFDA) ustaliáa wartoĞü limitu rtĊci w rybach na 1 mg/kg, co stanowi ekwiwalent tolerowanej dziennej dawki 0,5 μg (kg/dzieĔ), zaĞ AmerykaĔska Agencja ds. Substancji Toksycznych i Przypadków Zatruü (ang. Agency for Toxic Substances and Disease Registry – ATSDR) decyzją z kwietnia 1999 roku zredukowaáa wartoĞü tolerowanej dziennej dawki do 0,3 μg/(kg/dzieĔ). Przyczyną tego stanu rzeczy byáy wyniki badaĔ epidemiologicznych przeprowadzonych wĞród rybaków z Seszeli i wysp Faroe. Konsumpcja ryb, a w konsekwencji dawki pobieranej metylortĊci nie wywoáywaáy Īadnych negatywnych efektów, podczas gdy te same iloĞci ryb spoĪywanych przez ryba- 30 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska ków z wysp Faroe wpáywaáy ujemnie na ich organizmy. Jednak to wáaĞnie badania z Seszeli staáy siĊ podstawą ustalenia wartoĞci limitu, gdyĪ na wyspach Faroe rybacy naraĪeni byli dodatkowo na dziaáanie związków chloroorganicznych w rybach, w szczególnoĞci polichlorowane bifenle. Ryby i owoce morza W przypadku braku naraĪenia na punktowe Ĩródáa zanieczyszczenia, związane np. z wykonywaniem okreĞlonych czynnoĞci zawodowych czy spoĪywaniem zanieczyszczonej ĪywnoĞci i wody, a takĪe wdychaniem zanieczyszczonego powietrza, ryby i owoce morza uznaje siĊ za jedno z najwaĪniejszych Ĩródeá naraĪenia rtĊci. Generalnie jej stĊĪenie w produktach spoĪywczych jest relatywnie niewielkie [13, 14]. W wiĊkszych stĊĪeniach rtĊü wystĊpuje w rybach i owocach morza, gáównie w formie toksycznej metylortĊci. Istnieje wiele czynników wpáywających na iloĞü i rodzaj spoĪywanych ryb przez czáowieka. Bardziej naraĪeni na dziaáanie metylortĊci są rybacy i ich rodziny jako Īe czĊsto spoĪywają záowione ryby [74, 47]. DuĪe znaczenie ma takĪe czynnik ekonomiczny. ZamoĪni ludzie o wysokim statusie materialnym czĊĞciej konsumują duĪe okazy ryb drapieĪnych, np. tuĔczyka [31], z kolei ludzie o niskim statusie materialnym czĊsto spoĪywają ryby, poniewaĪ są one bogatym Ĩródáem biaáka, a pochodzą z zbiorników wodnych poáoĪonych blisko miejsca zamieszkania [56]. Przykáadowo, mieszkaĔcy Hong Kongu stanowią zaledwie 0,01% Ğwiatowej populacji, ale ich udziaá w globalnym spoĪyciu ryb wynosi aĪ 0,2% globalnego poáowu ryb. Na statystycznego mieszkaĔca spoĪycie ryb wynosi 46 kg na rok, co jest wielkoĞcią kilkakrotnie wiĊkszą niĪ Ğrednia Ğwiatowa – 14,3 kg/rok [82]. Statystyczny mieszkaniec Hong Kongu pobiera zatem tygodniowo okoáo 20 μg rtĊci, gáównie w formie metylortĊci [82]. MieszkaĔcy Hong Kongu mają podwyĪszony poziom rtĊci np. we wáosach (do 4,07 μg/g masy suchej) i páynach ustrojowych, a ponadto obserwuje siĊ tam zwiĊkszający siĊ odsetek ludzi cierpiących na autyzm [82]. Ze wzglĊdu na niewielką liczbĊ przebadanych pacjentów nie wykazano bezpoĞredniego wpáywu dáugookresowego naraĪenia na dziaáanie rtĊci pochodzącej ze spoĪywanych ryb i owoców morza [82]. DuĪo ryb i owoców morza konsumuje siĊ równieĪ w innych krajach i czĊĞciach Ğwiata [28]. Zdecydowana wiĊkszoĞü gatunków ryb i skorupiaków zawiera wzglĊdnie niewielkie iloĞci rtĊci, dlatego ryzyko zatrucia rtĊcią ludzi je spoĪywających, nie jest duĪe. Zaledwie nieliczne gatunki ryb i skorupiaków zawierają wiĊksze stĊĪenia rtĊci, które mogą stwarzaü ryzyko, szczególnie dla páodów i niemowlaków z rozwijającym siĊ ukáadem nerwowym (tab. 6). Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 31 Tabela 6. Gatunki ryb dostĊpnych komercyjnie z najwyĪszym stĊĪeniami rtĊci, stanowiące grupĊ bardzo wysokiego ryzyka [48] Table 6. Fish species commercially available with the highest levels of mercury, which is a very high-risk group [48] gatunek Grupa bardzo wysokiego ryzyka Hg [ng/g] liczba próbek Ğrednia mediana S.D. Makrela królewska Scomberomorus cavalla Rekiny Wáócznik Xiphias gladius Bass morski Lopholatilus chamaeleonticeps min maks. 213 730 N/A N/A 230 1670 351 618 988 976 830 860 631 510 ND ND 4540 3220 60 1450 N/A N/A 650 3730 WielkoĞü ryzyka zaleĪy przede wszystkim od iloĞci zjadanych ryb i skorupiaków oraz stĊĪenia rtĊci w ich tkankach. Z tego powodu FDA i EPA zalecają kobietom, które mają zamiar zajĞü w ciąĪĊ lub bĊdących w ciąĪy, oraz matkom karmiącym i maáym dzieciom unikaü niektórych gatunków ryb, np. rekina, miecznika, makreli królewskiej i bassa morskiego (tab. 6). Zalecają ponadto nie jeĞü wiĊcej niĪ 12 uncji w tygodniu (2 porcje) ryb i skorupiaków zawierających mniejsze stĊĪenie rtĊci. W przypadku gdy nieznane są wartoĞci stĊĪeĔ rtĊci w spoĪywanych rybach pochodzących z lokalnych systemów wodnych, zaleca siĊ spoĪywanie nie wiĊcej niĪ 6 uncji tygodniowo (1 porcja) [48]. NaleĪy zwróciü uwagĊ, iĪ podwyĪszone wartoĞci stĊĪeĔ rtĊci, przekraczające wartoĞci norm dla ryb dostĊpnych w handlu (>200 ng/g), czĊsto wystĊpujące w zbiornikach wodnych niepoddanych dziaáalnoĞci antropogenicznej, wynika raczej z lokalnych naturalnych warunków geochemicznych [20, 46]. Stomatologiczne wypeánienia amalgamatowe Amalgamaty rtĊciowe naleĪą do materiaáów stomatologicznych, które w stomatologii wykorzystuje siĊ gáównie do wypeánieĔ zĊbów bocznych. O szerokim ich zastosowaniu w stomatologii zadecydowaáa duĪa odpornoĞü mechaniczna amalgamatów i tym samym wieloletni okres ich „przeĪywalnoĞci” oraz czynnik ekonomiczny – stosunkowo niska cena w porównaniu z wypeánieniami kompozytowymi. Za wszystkie ujemnie cechy amalgamatów, a przede wszystkim ich korozjĊ, która powoduje uwalnianie rtĊci, odpowiedzialna jest faza gamma 2 (faza cynowo-rtĊciowa). Ze wzglĊdu na zawartoĞü fazy gamma 2 amalgamaty rtĊciowe podzieliü moĪna na: konwencjonalne (tzw. srebrowo-cynowe lub niskomiedziowe) – zawierające fazĊ gamma 2 – oraz amalgamaty wolne od fazy gamma 2, tj. wysokomiedziowe, niskosrebrowe i wysokosrebrowe [37]. UwaĪa siĊ, Īe amalgamaty wolne od fazy gamma 2 nie uwalniają rtĊci, jednak są mniej stabilne i bardziej wraĪliwe na zabiegi polerowania i czynnoĞü Īucia, dlatego w piĞmiennictwie pojawiają siĊ informacje, Īe stosowanie amalgamatów z duĪą zawartoĞcią miedzi, równieĪ powoduje uwalnianie siĊ rtĊci, 32 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska nawet w wiĊkszej iloĞci w porównaniu z amalgamatami konwencjonalnymi [18, 45, 39, 49]. RtĊü, która stanowiü moĪe 50% wagowych amalgamatu, moĪe byü uwalniana w postaci par rtĊci pierwiastkowej, jonów tego pierwiastka czy staáych fragmentów amalgamatów. Pary rtĊci pierwiastkowej uwalniane do jamy ustnej z powierzchni amalgamatów są gáównym Ĩródáem ekspozycji u ludzi nienaraĪonych zawodowo na oddziaáywanie związków rtĊci oraz spoĪywających stosunkowo rzadko ryby czy owoce morza [36]. W zaleĪnoĞci od iloĞci wypeánieĔ amalgamatowych dzienne pobieranie par rtĊci u osób nienaraĪonych na pary rtĊci pierwiastkowej jest wiĊksze niĪ z wdychanego powietrza. Szacuje siĊ je na 3-17 μg [36], 4-21 μg [78], 4-19 Pg [77], <30 Pg [15]. UwaĪa siĊ, Īe rtĊü z wypeánieĔ amalgamatowych stanowiü moĪe Ğrednio 80% (zakres 50-90%) caákowitej ekspozycji na rtĊü w organizmie czáowieka [40, 44, 62]. Pobieranie rtĊci nieorganicznej z poĪywieniem szacuje siĊ na 4 μg dziennie, a w przypadku dzieci nie spoĪywających czĊsto ryb i owoców morza tylko 0,4 μg dziennie [78]. Z kolei dzienną absorpcjĊ rtĊci z powietrza atmosferycznego szacuje siĊ na okoáo 0,24 μg [36]. StĊĪenie rtĊci w moczu wskazuje na ekspozycjĊ na ten pierwiastek w stosunkowo krótkim czasie, podczas gdy wartoĞü stĊĪenia rtĊci we krwi moĪe zaleĪeü od dáugoterminowej ekspozycji [3]. Natomiast stĊĪenie rtĊci we wáosach Ğwiadczy o ekspozycji metylortĊcią zawartą w spoĪywanych rybach i owocach morza [3]. Szacuje siĊ, Īe kaĪde dziesiĊü powierzchni amalgamatowych powoduje wzrost stĊĪenia rtĊci w moczu o 1 Pg/L [40] czy wedáug innych Ĩródeá nawet o 1,8 μg/L [24]. RtĊü nagromadzona w tkankach ludzkich oraz zawarta w amalgamatach rtĊciowych po Ğmierci czáowieka moĪe byü uwolniona do Ğrodowiska poprzez rozkáad lub kremacjĊ, powodując zanieczyszczenie powietrza, gleby i wody [51, 34]. W Szwecji wykonywanie wiĊcej niĪ 1000 kremacji w roku w krematoriach jest dozwolone, gdy zainstalowanie zostaną odpowiednie filtry wychwytujące rtĊü, umoĪliwiające wyáapanie 80-85% rtĊci uwalnianej podczas kremacji zwáok. Szacuje siĊ, Īe jedno krematorium w ciągu roku uwalnia ponad 5 kg rtĊci [19]. Pomimo iĪ amalgamaty zostaáy uznane za materiaá bezpieczny dla zdrowia czáowieka [15], to badaĔ nad wpáywem wymywania rtĊci z amalgamatów na zdrowie ludzkie jest ciągle zbyt maáo, a ich wyniki są zbyt niejednoznaczne [8, 9, 17, 40, 44, 62, 64, 66, 77]. Materiaáy alternatywne, takie jak wypeánienia kompozytowe, a takĪe szklane czy porcelanowe, mimo swych zalet są jednak bardziej naraĪone na uszkodzenia mechaniczne, a ponadto w piĞmiennictwie pojawiają siĊ informacje, iĪ polimery wchodzące w skáad wypeánieĔ kompozytowych mogą mieü dziaáanie cytotoksyczne, genotoksyczne, a nawet mutagenne [30, 60]. Tiomersal Szczepionka to produkt pochodzenia biologicznego zawierający substancje zdolne do indukcji okreĞlonych procesów immunologicznych warunkujących Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 33 powstanie trwaáej odpornoĞci bez wywoáywania dziaáaĔ toksycznych. Cechy idealnej szczepionki to skutecznoĞü (wywoáywanie swoistej trwaáej odpornoĞci u 100% szczepionych juĪ po jednorazowym podaniu), bezpieczeĔstwo (brak dziaáaĔ niepoĪądanych), trwaáoĞü, áatwoĞü podawania, niska cena oraz áatwoĞü i bezpieczeĔstwo produkcji. Gáównym elementem skáadowym szczepionek są antygeny, którymi mogą byü naturalne komórki bakteryjne, Īywe, ale odzjadliwione (atenuowane) czy teĪ peáne rozbite komórki bakteryjne bądĨ ich fragmenty. Antygenami mogą byü równieĪ produkty metabolizmu komórek bakteryjnych, syntetyczne peptydy, a nawet DNA kodujące antygeny biaákowe [27, 52, 58, 71]. Do szczepionek mogą byü dodawane niewielkie iloĞci innych substancji, takich jak adiuwanty, które zwiĊkszają zdolnoĞü szczepionek do odpowiedzi immunologicznej (adiuwankty nieorganiczne – wodorotlenek, fosforan, siarczan glinu oraz organiczne – emulsje skwalenu i oleju parafinowego) czy teĪ substancje stabilizujące, zapewniające szczepionkom stabilnoĞü termiczną i zapobiegające adhezji antygenu na Ğciankach fiolki (cukry – laktoza i/lub sacharoza, glicerol, aminokwasy – glicyna i/lub kwas glutaminowy, biaáka – Īelatyna, ludzka albumina) [27, 52, 58, 71]. Do szczepionek mogą byü dodawane Ğrodki konserwujące (np. tiomersal, fenol, chlorek benzetonium, 2-fenoksyetanol), które powstrzymują przed namnaĪaniem siĊ bakterii i grzybów, co mogáoby doprowadziü do infekcji. SpoĞród innych substancji dodawanych do szczepionek wymieniü moĪna formaldehyd, ȕ-propiolakton, aldehyd glutarowy, antybiotyki (neomycyna, streptomycyna, polimyksyna B, chlorotetracyklina, amfoterycyna B), biaáka jaj kurzych i biaáka droĪdĪy [27, 52, 58, 71]. Wiele z nich moĪe wywoáywaü powikáania poszczepienne (PP), np. alergie lub choroby autoimmunologiczne; mogą siĊ nawet przyczyniaü do zgonów poszczepiennych (ZP) [27, 52, 58, 71]. W tabeli 7 przedstawiono liczby powikáaĔ i zgonów poszczepiennych w USA w bazie danych VAERS. SoĞród powikáaĔ poszczepiennych jako jedno z najwaĪniejszych wymienia siĊ zachorowalnoĞü na autyzm [71, 73]. Potencjalną przyczynĊ autyzmu upatruje siĊ w szczepionkach skojarzonych MMR (przeciwko odrze, Ğwince i róĪyczce), które podawane są zbyt wczeĞnie. Potencjalny związek pomiĊdzy szczepionkami skojarzonymi a autyzmem zasugerowaá po raz pierwszy w roku 1998 na áamach czasopisma „Lancet” dr Andrew Wakefield [67]. Stwierdziá obecnoĞü wirusów odry w jelicie grubym dzieci autystycznych i zasugerowaá szczepienie 3 pojedynczymi szczepionkami zamiast uĪycia szczepionek skojarzonych [67]. W latach osiemdziesiątych ubiegáego wieku zarówno w USA, jak i Europie obserwowano zaledwie 1-2 przypadki autyzmu na 10000 dzieci, gdy w 2004 roku odnotowano juĪ 6 przypadków na 1000 dzieci [71]. Wyjątkiem są kraje skandynawskie, w których obecnie notuje siĊ 0,8 przypadku autyzmu na 1000 dzieci [71]. W krajach tych obserwuje siĊ najmniejszą umieralnoĞü niemowląt, a spoáeczeĔstwo ma najlepsze wskaĨniki zdrowotnoĞci. W Skandynawii szczepienia są dobrowolne, a pierwsze szczepionki podaje siĊ dzieciom dopiero w 3. miesiącu Īycia lub póĨniej, a szczepionki skojarzone dopiero w 18. miesiącu Īycia [71]. 34 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 7. Liczby powikáaĔ (PP) i zgonów (ZP) poszczepiennych w USA w bazie danych VAERS, 1990-2009 [1] Table 7. The number of complications (PP) and deaths (ZP) after vaccination in the U.S.A. in VAERS database, 1990-2009 [1] Szczepionki Wzw N (zóátaczka B) Wzw N < 24 mies. Īycia DTP (báonica, tĊĪec, krztusiec) DTP < 24 mies. Īycia DTaP (bezkomórkowa) DTaP < 24 mies. Īycia MMR (Odra, Ğwinka, róĪyczka) MMR < 24 mies. Īycia Hib (Hoemophilus influenze b) Hib < 24 mies. Īycia IPV + OPV (Polio) IPV + OPV < 24 mies. Īycia Wszystkie Wszystkie < 2 roku CiĊĪkie powikáania zgáoszone 8726 3422 4294 3759 6357 5191 5706 3387 9016 8521 9753 8004 43852 32284 CiĊĪkie powikáania prawdopodobne (x10) 87260 34220 42940 37590 63570 5190 57060 33870 90160 85210 97530 80040 438520 322840 Zgony Zgony prawdopodobne zgáaszane (x10) 921 9210 711 7110 738 7380 585 5850 776 7760 746 7460 273 2730 173 1730 1378 13780 1335 13350 1602 16020 1522 15220 5688 56880 5072 50720 Podejrzewa siĊ, Īe potencjalną przyczyną autyzmu jest równieĪ tiomersal, peániący rolĊ Ğrodka konserwującego w szczepionkach. Tiomersal (sól sodowa tiosalicylanu etylortĊciowego, rys. 1), przedstawiciel związków rtĊcioorganicznych, wykazuje silne dziaáanie bakterio- i grzybobójcze i z tego powodu stosowany jest jako konserwant nie tylko w szczepionkach, ale równieĪ w produktach kosmetycznych stosowania zewnĊtrznego [12, 27, 57, 58]. Jako ciekawostkĊ moĪna wspomnieü, Īe byá stosowany przez Brytyjczyków w czasie drugiej wojny Ğwiatowej do konserwacji osocza krwi, w stĊĪeniu 1 g/L [5]. O OH S Hg Rys. 1. Struktura chemiczna tiomersalu (kwas 2-etylortĊciotiobenzeno-1-karboksylowy) Fig. 1. The chemical structure of thiomersal (Ethyl(2-mercaptobenzoato-(2-)-O,S) mercurate(1-) acid) Tiomersal ulega w organizmie rozkáadowi do etylortĊci i kwasu tiosaliylowego (rys. 2). Dokáadny mechanizm metabolizmu uwolnionego jonu etylortĊciowego nie jest znany, ale uwaĪa siĊ, Īe ulega przemianie do rtĊci nieorganicznej Hg(II) w komórkach fagocytowych i wątrobie [21]. Jony rtĊci nieorganicznej, jak i jony rtĊcioorganiczne mają silne powinowactwo do grup tiolowych (-SH), m.in. tych wystĊpujących szczególnie obficie w glutationie [63]. Stanowi to mechanizm obronny organizmu (detoksyfikacyjny) na zatrucia metalami ciĊĪkimi, w tym i rtĊci. W przypadku gdy iloĞü glutationu wyczerpuje siĊ, wol- Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 35 ne jony bĊdą wiązane przez grupy tiolowe cysteiny stanowiące skáadnik wielu biaáek komórkowych, tym samym negatywnie wpáywając na funkcjonowanie komórek, nawet we wzglĊdnie maáym stĊĪeniu [76]. Rys. 2. Oddziaáywanie tiomersalu z biaákami Fig. 2. The impact of thiomersal with proteins U niemowlaków objawami zatrucia rtĊcią są: opóĨnienie umysáowe, poraĪenie mózgowe, Ğlepota i gáuchota, zaburzenia przeáykania, ssania i mowy, hypertonia – sztywnoĞü miĊĞni. Symptomy autyzmu są w zasadzie zgodne z symptomami zatrucia rtĊcią, dlatego w ostatnich latach pojawiáo siĊ w przestrzeni publicznej wiele kontrowersji dotyczących ewentualnej roli rtĊci jako czynnika powodującego autyzm [71, 73]. Dzieci z autyzmem mają niski poziom glutationu i cysteiny, które są gáówną ĞcieĪką usuwania toksycznych metali, takich jak rtĊü, z organizmu. Z powodu ograniczonej zdolnoĞci do wydalania rtĊci dzieci autystyczne mają niski poziom rtĊci we wáosach, wysoki poziom rtĊci w niemowlĊcych ząbkach [33] i wyĪsze wydzielanie rtĊci po zaĪyciu DMSA (kwas 2,3-dimerkapturobursztynowy) w porównaniu z grupą kontrolną [71]. Stosunkowo nieliczne opublikowane dane epidemiologiczne dotyczące ewentualnego wpáywu tiomersalu jako czynnika powodującego autyzm nie są jednoznaczne [25, 35, 67], jednak wiele z nich wskazuje na silny związek miedzy autyzmem i innymi zaburzeniami neurologicznymi a thimerosalem [21, 23, 33, 55, 69, 71, 79, 80]. Przykáadowo, stĊĪenie rtĊci we krwi (odzwierciedlające stĊĪenia rtĊci w organach) niemowlaków w wieku 2-6 miesiĊcy, którym podawano szczepionki z zawartoĞcią tiomersalu, byáo niewielkie (<29 nmol/L). Niewielkie stĊĪenie rtĊci byáo równieĪ w moczu, ale juĪ w kale byáo znacznie wyĪsze, co táumaczono tym, iĪ przewód pokarmowy jest gáówną drogą eliminacji rtĊci z tiomersalu z ciaáa niemowlaków (tab. 8). 36 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 8. StĊĪenie rtĊci we krwi, moczu i kale niemowlaków po podaniu szczepionek zawierających tiomersal i w grupie kontrolnej [57] Table 8. The concentration of mercury in blood, urine and feces of infants who received vaccines containing thiomersal and go without [57] Niemowlaki w wieku 2 miesiĊcy grupa grupa badana kontrolna Masa rtĊci podana w szczepionkach [μg] StĊĪenie rtĊci we krwi [nmol/L] StĊĪenie rtĊci w moczu [nmol/L] StĊĪenie rtĊci w kale [ng/g masy suchej] Niemowlaki w wieku 6 miesiĊcy grupa grupa badana kontrolna 45,6 (37,5-62,5) 0 111,3 (87,5-175,0) 0 8,20 (4,50-20,55) 4,90* 5,15 (2,85-6,90) nie wykryto 3,8* nie wykryto 5,75 (4,55-6,45) nie wykryto 81,8 (23,0-141,0) nie badano 58,3 (29,0-102,0) nie badano * stwierdzono tylko u jednego dziecka RtĊü w szczepionkach w postaci tiomersalu mogáa wystĊpowaü w stĊĪeniu 12,5-25 μg/mL, a nawet 25-50 μg/mL [7, 57, 71]. W Stanach Zjednoczonych do roku 1999, do czasu wprowadzenia zakazu stosowania rtĊci w szczepionkach, w pierwszych 6 miesiącach Īycia niemowlĊ mogáo przyjąü maksymalnie 187,5 μg Hg (tab. 9). Tabela 9. IloĞci rtĊci, które mogáo otrzymaü niemowlĊ w szczepionkach podawanych w pierwszych 6 miesiącach Īycia w USA do roku 1999 [7] Table 9. Amounts of thiomersal and mercury that could get the baby in vaccines in the first 6 months of life in the U.S. to 1999 [7] Szczepionka 3 dawki DTaP 3 dawki Hep B 3 dawki HIB 3 dawki IPV 1 dawka í grypa Sumarycznie Maksymalna dawka rtĊci [μg] 1999 2001 75,0 0 37,5 0 75,0 0 0 0 [12,5] [12,5] 187,5 [200] [12,5] Dla porównania organizm dorosáego czáowieka przyjmowaü moĪe 0,0105-0,0276 ng Hg/dziennie (tab. 10). W Polsce szczepionki zawierające tiomersal są nadal dopuszczone do handlu. Za szczepionki zawierające rtĊü uwaĪa siĊ takie, w których jej stĊĪenie wynosi 8,3-35 μg Hg na ampuákĊ, podczas gdy „wolne od rtĊci” mogą zawieraü <1 μg Hg na ampuákĊ [7, 57, 71]. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 37 Tabela 10. ZawartoĞü tiomersalu w niektórych szczepionkach stosowanych u maáych dzieci poniĪej 6. roku Īycia [70] Table 10. The content of thiomersal in vaccines used in young children under 6 years of age [70] Szczepionka przeciw TaP Báonica, TĊĪec, Krztusiec (bezkomórkowy komponent krzuĞcowy) DTaP-HepB-IPV (IPV – inaktywowana szczepionka przeciwko poliomyelitis) Wirusowe Zapalenie Wątroby typu B Grypa Grypa Grypa Nazwa handlowa (wytwórca)* Dawka tiomersalu Tripedia (AP) Ğladowa zawartoĞü (<0,3 μg Hg/0,5 mL) Pediarix (GSK) Ğladowa zawartoĞü (<0,0125 μg Hg/0,5 mL) Ğladowa zawartoĞü (<0,5 μg Hg/0,5 mL) 0,01% (12,5 μg/0,25 Fluzone (AP) mL, 25 μg/0,5 mL) Fluvirin (Chiron/Evans) 0,01% (25 μg/0,5 mL) Fluvirin (Chiron/Evans) Ğladowa zawartoĞü (Preservative Free) (<1ug Hg/0,5 mL) * wytwórcy: GSK = GlaxoSmithKline; AP = Aventis Pasteur roztwór 0,01% (1 czĊĞü na 10000) Tiomersalu zawiera 50 μg Hg na dawkĊ 1 mL, lub 25 μg Hg na dawkĊ 0,5 mL; w kontekĞcie tej tabeli „Ğladowa zawartoĞü” oznacza 1 mikrogram rtĊci na dawkĊ lub mniej Z powodu wyĪej wymienionych kontrowersji rodzice dzieci í ofiar powikáaĔ poszczepiennych í oraz czĊĞü Ğrodowiska medycznego postulują, aby caákowicie wyeliminowaü stosowanie tiomersalu w szczepionkach, a w szczególnoĞci by nie podawaü szczepionek konserwowanych tiomersalem wczeĞniakom o niskiej masie urodzeniowej [57]. Jednak ze wzglĊdu na korzyĞci szczepionki naleĪy dalej podawaü, natomiast powinny one byü konserwowane związkami nietoksycznymi dla niemowlaków. Szczepienia powinno siĊ wykonywaü dopiero od 3.-4. miesiąca Īycia, a nie w pierwszych godzinach po narodzinach dziecka. Postuluje siĊ takĪe, aby wyeliminowaü szczepionki skojarzone lub by podawaü je dopiero w 15.-18. miesiącu Īycia dziecka. Wskazuje siĊ równieĪ na potrzebĊ ustalenia indywidualnego programu szczepieĔ i monitorowanie stanu zdrowia dzieci po szczepieniu. PIĝMIENNICTWO [1] About the Vaccine Adverse Event Reporting System (VAERS) http://wonder.cdc.gov/vaers.html (online: 29.01.2010). [2] Afonso J.F., De Alvarez R.R., 1960. Effects of mercury on human gestation. Am. J. Obstet. Gynecol 80, 145-154. [3] Airey D., 1983. Total mercury concentrations in human hair from 13 countries in relation to fish consumption and location. Sci. Total Environ. 31, 157-180. 38 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [4] Akagi H., Malm O., Kinjo Y., Harada M., Branches F.J.P., Pfeiffer W.C., Kato H., 1995. Mercury pollution in the Amazon. Brsil. Sci. Total Environ. 175, 85-95. [5] Axton J.H., 1972. Six cases of poisoning after a parenteral organic mercurial compound (Merthiolate). Postgrad Med. J. 48, 417-421. [6] Bakir F., Damuji S.F., Amin-Zaki L., Clarkson T.W., Smith J.C., Doherty R.A., 1973. Methylmercury poisoning in Iraq. Science 181, 230-241. [7] Ball L.K., Ball R., Pratt R.D., 2001. An assessment of Thimerosal use in childhood vaccines. Pediatrics 107, 1147-54. [8] Barregard L., Sallsten G., Jarvholm B., 1995. People with high mercury uptake from their own dental amalgam fillings. Occup. Environ. Med. 52, 124-128. [9] Begerow J., Zander D., Freier I., Dunemann L., 1994. Long term mercury excretion in urine after removal of amalgam fillings. Int. Arch. Occup. Health 66, 209-212. [10] Berman E., 1980. Toxic metals and their analysis. Heyden and Son, Ltd. London. [11] Bidone E.D., Castilhos Z.C., 1997. Fish contamination and human exposure to mercury in Amazonian region. Water Air Soil Pollut. 97, 9-15. [12] Bigham M., Copes R., 2005. Thiomersal in vaccines: balancing the risk of adverse effects with the risk of vaccine-preventable disease. Drug Saf. 28, 89-101. [13] Biziuk M., NamieĞnik J., Zasáawska L., 2001. Heavy metals in food products and biological samples from the GdaĔsk District. [W:] Radionuclides and Heavy Metals in Environment, 209-216. [14] Biziuk M., WroĔska S., 2001. Determination of mercury in food and human hair. Chem. InĪ. Ekol. 8, 781-785. [15] Bjorkman L., Sandborgh-Englund G., Ekstrand J., 1997. Mercury in saliva and feces after removal of amalgam fillings. Toxicol Appl. Pharmocol. 144, 156-162. [16] Blayney M.B., 2001. The need for empirically derived permeation data for personal protective equipment: the death of Dr. Karen E. Wetterhahn. Appl. Occup. Environ. Hyg. 16, 233-236. [17] Boszke L., Kowalski A., Surdacka A., Czajka-Jakubowska A., 2007. Urine mercury concentration in PoznaĔ city residents, Poland. Oceanol. Hydrobiol. Stud. 36, 197-207. [18] Boyer D.B., 1988. Mercury vaporization from corroded dental amalgam. Dent Mater 4, 89-93. [19] Burton V.J., 1991. Too much mercury. Nature 351, 704. [20] Campbell L., Verburg P., Dixon D.G., Hecky R.E., 2008. Mercury biomagnification in the food web of Lake Tanganyika (Tanzania, East Africa). Sci. Total Environ. 402, 184-191. [21] Clarkson T.W., Magos L., Myers G.J., 2003. The toxicology of mercury - current exposures and clinical manifestations. N. Engl. J. Med. 349, 1731-1737. [22] Crump K.S., Van Landingham C., Shamlaye C., Cox C., Davidson P.W., Myers G.J., Clarkson T.W., 2000. Benchmark concentrations for methylmercury obtained from the Seychelles child development study. Environ. Health Perspect. 108, 257-263. [23] DeSoto M.C., Hitlan R.T., 2007. Blood levels of mercury are related to diagnosis of autism: A reanalysis of an important data set. J. Child Neurol. 22, 1308-1311. [24] Dye B.A., Schober S.E., Dillon C.F., Jones R.L., Fryar C., McDowell M., Sinks T.H., 2005. Urinary mercury concentrations associated with dental placements in adult women aged 16-49 years: United States, 1999-2000. Occup. Environ. Med. 62, 368-375. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 39 [25] Frankish H., 2001. Report finds no link between thimerosal and neurodevelopmenttal disorders. Lancet 358, 1163. [26] Gochfeld M., 2003. Cases of mercury exposure, bioavailability, and absorption. Ecotoxicol. Environ. Saf. 56, 174-179. [27] Goldman L.R., Shannon M.W., 2001. Technical report: mercury in the environment: implications for pediatricians. Pediatrics 108, 197-205. [28] Hajeb P., Jinap S., Ismail A., Fatimah A.B., Jamilah B., Abdul Rahim M., 2009. Assessment of mercury level in commonly consumed marine fishes in Malaysia. Food Control 20, 79-84. [29] Harada M., Nakachi S., Tasaka K., Sakashita S., Muta K., Yanagida K., Doi R., Kizaki T., Ohno H., 2001. Wide use of skin-lightening soap may cause mercury poisoning in Kenya. Sci. Total Environ. 269, 183-187. [30] Heil J.G., Reifferscheid P., Waldmann G., Leyhausen G., Geurtsen W., 1996. Genotoxity of dental materials. Mutat Res. 368, 181-194. [31] Hightower J.M., Moore D., 2003. Mercury levels in high-end consumers of fish. Environ. Health Perspect. 111, 604-608. [32] Háawiczka S., 2008. RtĊü w srodowisku atmosferycznym. Instytut Podstaw InĪynierii ĝrodowiska PAN Zabrze. [33] Holmes A.S., Blaxill M.F., Haley B.E., 2003. Reduced levels of mercury in first baby haircuts of autistic children. Int. J. Toxicol. 22, 277-285. [34] Hörsted-Bindslev P., 2004. Amalgam toxicity – environmental and occupational hazards. J. Den. Res. 32, 359-365. [35] Hviid A., Stellfeld M., Wohfahrt J., Melbye M., 2003. Association between Thimerosal-containing vaccine and autism. J. Am. Med. Assoc. 290, 1763-1766. [36] Inorganic Mercury. Environmental Health Criteria No 118, World Health Organisation, International Programme on Chemical Safety (IPCS), Geneva, Switzerland, 1991. [37] JaĔczuk Z., 2004. Stomatologia zachowawcza, zarys kliniczny. PZWL Warszawa. [38] Kaiser G., Tolg G., 1980. Mercury. [W:] The Handbook of Environmental Chemistry (Hutzinger O. ed.), Springer Verlag Berlin, 1-58. [39] Kedici S.P., Aksut A.A., Kilicarslan M.A., Bayramoglu G., Gokdemir K., 1998. Corrosion behaviour of dental metals and alloys in different media. J. Oral Rehabil. 25, 800-808. [40] Kingman A., Albertini T., Brown L.J., 1998. Mercury concentrations in urine and blood associated with amalgam exposure in the U.S. military population. J. Dent. Res. 77, 461-471. [41] Kurland L.T., Faro S.M., Seidler H., 1960. Minamata disease. The outbreak of neurological disorder in Minamata, Japan and its relationship to the ingestion of sea food contaminated by mercuric compounds. World Neurol. 1, 370-395. [42] Lacerda L.D., 1997. Evolution of mercury contamination in Brasil. Water Air Soil Pollut. 97, 247-255. [43] Lee I.P., Dixon R.L., 1975. Effects of mercury on spermatogenesis studied by velocity sedimentation cell separation and serial mating. J. Pharmacol. Experiment Therapeut. 194, 171-181. [44] Leistevuo J., Leistevuo T., Helenius H., Pyy L., Österblad M., Huovinen P., Tenovuo J., 2001. Dental amalgam fillings and the amount of organic mercury in human saliva. Caries Res. 35, 163-166. 40 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [45] Lichtenberg H., 1996. Mercury vapor in the oral cavity in relation to the number of amalgam fillings and chronic mercury poisoning. J. Orthomolecular Med. 11, 87-94. [46] Lockhart W.L., Stern G.A., Low G., Hendzel M., Boila G., Roach P., Evans M.S., Billeck B.N., DeLaronde J., Friesen S., Kidd K., Atkins S., Muir D.C.G., Stoddart M., Stephens G., Stephenson S., Harbicht S., Snowshoe N., Grey B., Thompson S., DeGraff N., 2005. A history of total mercury in edible muscle of fish from lakes in northern Canada. Sci. Total Environ. 351-352, 427-463. [47] Marien K., Patrick G.M., 2001. Exposure analysis of five fish-consuming populations for overexposure to methylmercury. J. Expos. Anas Environ. Epidem. 11, 193-206. [48] Mercury Levels in Commercial Fish and Shellfish, 1990-2010. FDA – US Food and Drug administration http://www.fda.gov/Food/FoodSafety/Product-SpecificInformation/Seafood/FoodbornePathogensContaminants/Methylmercury/ucm 115644.htm (online: 10.03.2013). [49] Moberg L.E., 1985. Long term corrosion studies of amalgams and casting alloys in contact. Acta Odontal. Scand. 43, 163-177. [50] Nierenberg D.W., Nordgren R.E., Chang M.B., Siegler R.W., Blayney M.B., Hochberg F., Toribara T.Y., Cernichiari E., Clarkson T., 1998. Delayed cerebellar disease and death after accidental exposure to dimethylmercury. N. Engl. J. Med. 338, 1672-1676. [51] Nieschmidt A.K., Kim N.D., 1997. Effects of mercury release from amalgam dental placements during cremation on soil mercury levels of three New Zealand crematoria. Bull Environ. Contam. Toxicol. 58, 744-751. [52] Offit P.A., Jew R.K., 2003. Addressing parents concerns: Do vaccines contain harmful preservatives, adjuvants, additives, or residuals? Pediatrics 112, 1394-1401. [53] Othmer K., 1964. Encyclopedia of Chemical Technology. Second Edition, Wiley-Interscience New York. [54] Ozuah P.O., 2000. Mercury poisoning. Curr. Probl. Pediatr. 30, 91-99. [55] Palmer R.F., Blanchard S., Stein Z., Mandell D., Miller C., 2006. Environmental mercury release, special education rates, and autism disorder: an ecological study of Texas. Health Place 12, 203-209. [56] Peterson D.E., Kanarek M.S., Kuykendall M.A., Diedrich J.M., Anderson H.A., Remington P.L., Sheffy T.B., 1994. Fish consumption patterns and blood mercury levels in Wisconsin Chippewa Indians. Archiv. Environ. Health 49, 53-58. [57] Pichichero M.E., Cernichiari E., Lopreiato J., Treanor J., 2002. Mercury concentrations and metabolism in infants receiving vaccines containing thiomersal: a descriptive study. Lancet 360, 1737-1741. [58] Pless R., Risher J.F., 2000. Mercury, infant neurodevelopment, and vaccination. J. Pediatr. 136, 571-573. [59] Ratcliffe H.E., Swanson G.M., Fisher L.J., 1996. Human exposure to mercury: a critical assessment of the evidence of adverse effects. J. Toxicol. Environ. Health 49, 221-270. [60] Reichl F.X., Walther U., Durner J., Kehe K., Hickel R., Kunzelmann K.H., Spahl W., Hume W.R., Benschop H., Forth W., 2001. Cytotoxicity of dental composite components and mercury compounds in lung cells. Dent. Mater 17, 95-101. [61] Report to Congress: Mercury. US Environmental Protection Agency, Washington DC, 1997. Leonard Boszke, Justyna ĝliwiĔska ħródáa rtĊci w organizmach ludzi... 41 [62] Sandborgh-Englund G., Elinder C.G., Langworth S., Schutz A., Ekstrand J., 1998. Mercury in biological fluids after amalgam removal. J. Dent. Res. 77, 615-624. [63] Sanfeliu C., Sebastia J., Ki S.U., 2001. Methylmercury neurotoxicity in cultures of human neurons, astrocytes, neuroblastoma cells. Neurotoxicology 22, 317-327. [64] Sällsten G., Thoren J., Barregard L., Schutz A., Skarping G., 1996. Long term use of chewing gum and mercury exposure from dental amalgam. J. Dent. Res. 75, 594-598. [65] SeĔczuk W., 1994. Toksykologia. PaĔstwowy Zakáad Wydawnictw Lekarskich Warszawa. [66] Skare I., 1995. Mass balance and systemic uptake of mercury released from dental fillings. Water Air Soil Pollut. 80, 59-67. [67] Stehr-Green P., Tull P., Stellfeld M., Mortenson P.B., Simpson D., 2003. Autism and Thimerosal-containing vaccines: lack of consistent evidence for an association. Am. J. Prev. Med. 25, 101-106. [68] Stein E.D., Cohen Y., Winer A.M., 1996. Environmental distribution and transformation of mercury compounds. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 26, 1-43. [69] Tchounwou P.B., Ayensu W.K., Ninashvili N., Sutton D., 2003. Environmental exposure to mercury and its toxicopathologic implications for public health. Environ. Toxicol. 18, 149-175. [70] Thimerosal in Vaccines. FDA – U.S. Food and Drug Administration http://www.fda.gov/CBER/vaccine/thimerosal.htm (online: 10.03.2013). [71] Thimerosal in vaccines - an interim report to clinicians, 1999. American Academy of Pediatrics. Committee on Infectious Diseases and Committee on Environmental Health. Pediatrics 104, 570-574. [72] Toxicological Effects of Methylmercury, 2000. National Research Council, National Academy Press Washington, DC. [73] Trasande L., Landrigan P., Schechter C., 2005. Public health and economic consequence of methyl mercury toxicity to the developing brain. Child Health 113, 590-596. [74] Valentino L., Torregrossa M.C., Saliba L.J., 1995. Health effect of mercury ingested through consumption of seafood. Wat. Sci. Tech. 32, 41-47. [75] Wakefield A.J., Murch S.H., Anthony A., Linnell J., Casson D.M., Malik M., Berelowitz M., Dhillon A.P., Thomson M.A., Harvey P., Valentine A., Davies S.E., Walker-Smith J.A., 1998. Ileal-lymphoid-nodular hyperplasia, non-specific colitis, and pervasive developmental disorder in children. Lancet 351, 637-41. [76] Wang X., Horisberger J.D., 1996. Mercury binding site on Na+/K(+)-ATPase: a cysteine in the first transmembrane segment. Mol. Pharmacol. 50, 687-691. [77] Weiner J.A., Nylandr M., 1995. An estimation of the uptake of mercury from amalgam fillings based on urinary excretion of mercury in Swedish subjects. Sci. Total Environ. 168, 255-265. [78] Wilhelm M., Müller F., Idel H., 1996. Biological monitoring of mercury vapour exposure by scalp hair analysis in comparison to blood and urine. Toxicol Lett 88, 221-226. [79] Windham G.C., Zhang L., Gunier R., Croen L.A., Grether J.K., 2006. Autism spectrum disorders in relation to distribution of hazardous air pollutants in the San Francisco Bay area. Environ. Health Perspect. 114, 1438-1444. 42 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [80] Young H.A., Geier D.A., Geier M.R., 2008. Thimerosal exposure in infants and neurodevelopmental disorders: An assessment of computerized medical records in the Vaccine Safety Datalink. J. Neurolog. Sci. 271, 110-118. [81] Zahir F., Rizwi S.J., Haq S.K., Khan R.H., 2005. Low dose mercury toxicity and human health. Environ. Toxicol. Pharmacol. 20, 351-360. [82] Zhang L., Wong M.H., 2007. Environmental mercury contamination in China: Sources and impacts. Environ. Internat. 33, 108-121. MERCURY EXPOSURE ROUTES IN HUMANS NOT OCCUPATIONALLY EXPOSED TO THE ITS COMPOUNDS Abstract. The importance of mercury as an element contaminating the environment, due to the specific nature of the metal, a determined multiplicity of sources of pollution, volatility, mobility, and high toxicity of its various chemical forms. For people not exposed occupationally to mercury compounds and point sources of pollution by this element, the main sources of mercury in general human population is inhaled mercury in ambient air, water and food intake, as well as dental materials and other medical devices. Although mercury concentrations in ambient air and unpolluted drinking water and food, except fish and seafood, are relatively small, because the mass man charged per day for these routes is relatively small. The main source of exposure to mercury tend to be consumed fish and seafood (methylmercury – CH3Hg (I)), dental amalgam fillings (elemental mercury: mercury vapor and mercury metallic), and thimerosal in vaccines and cosmetic products (ethylmercury – C2H5Hg (I)). Keywords: mercury, methylmercury, environmental hazard, food, amalgam filling, thiomersal NATURALNY OSAD DENNY (NOD) JAKO POTENCJALNE ħRÓDàO EKOLOGICZNEJ ENERGII ODNAWIALNEJ Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk*1 Streszczenie. Jednym z waĪniejszych wyzwaĔ na najbliĪsze lata jest zapewnienie bezpieczeĔstwa energetycznego kraju. SpoĞród wielu moĪliwoĞci zastąpienia ropy naftowej, wĊgla i innych paliw konwencjonalnych, w pracy jako substytut ww. wymienionych surowców wskazano wykorzystanie biomasy pozyskiwanej z osadów dennych. Na podstawie wstĊpnie przeprowadzonych badaĔ stwierdzono, iĪ osady denne zalegające w niektórych partiach akwenów mają wysoką wartoĞü energetyczną. Dodatkowo, co wstĊpnie zanalizowano, biomasa tego pochodzenia nie jest trudna do pozyskania, a uzyskiwana z niej energia jest stosunkowo czysta i przyjazna Ğrodowisku. Sáowa kluczowe: naturalny osad denny, energia odnawialna, biomasa, odnawialne Ĩródáa energii, energetyka odnawialna, zbiornik wodny WSTĉP SpoĞród wielu moĪliwoĞci zastąpienia ropy naftowej, wĊgla i innych paliw konwencjonalnych sposobem najbardziej przyszáoĞciowym jest wykorzystanie biomasy. Jest to maáo problemowe i najmniej kosztowne Ĩródáo czystej, przyjaznej Ğrodowisku energii. Osady denne z dna akwenów, poáączone z innymi biokomponentami, mogą w najbliĪszym czasie stanowiü materiaá opaáowy o ogromnym potencjale energetycznym. Wykonując proste operacje przygotowawcze oraz wykorzystując istniejące lub teĪ adaptując funkcjonujące maáo skomplikowane technologie, uzyskuje siĊ z nich materiaá energetyczny wáaĞciwoĞciami bliski typowym paliwom konwencjonalnym. Prezentowane w pracy wyniki badaĔ wskazują, Īe wykorzystanie osadów dennych jest jednym ze sposobem uzyskania alternatywnego, taniego paliwa (materiaáu opaáowego lub biogazu) o niskim poziomie zanieczyszczeĔ i istotnej wartoĞci opaáowej. Energia zawarta w biomasie moĪe byü wykorzystywana do realizacji róĪnych celów. Podlega ona przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub teĪ spalanie produktów jej rozkáadu. Wynikiem tego spalania jest ciepáo, które moĪna przetworzyü na inne rodzaje energii, np. energiĊ elektryczną. Warto zaznaczyü, Īe udziaá paliw niekonwencjonalnych w produkcji energii elektrycznej wykazuje w bilansie energetycznym coraz * dr hab. Stanisáaw BORSUK, prof. nadzw. UTP, prof. dr hab. inĪ. Edward KUJAWSKI, prof. zw. UTP, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, e-mail: [email protected] mgr inĪ. Marcin BORSUK, Wydziaá Zarządzania, Uniwersytet GdaĔski 44 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska wiĊkszą dynamikĊ wzrostu. Rocznie stanowi to obecnie okoáo 8 GWh wyprodukowanej energii elektrycznej [1]. ODNAWIALNE ħRÓDàA ENERGII (OZE) ORAZ NATURALNY OSAD DENNY (NOD) JAKO ICH SKàADNIK Jednym z waĪniejszych wyzwaĔ na najbliĪsze lata jest zapewnienie bezpieczeĔstwa energetycznego. Biorąc pod uwagĊ prognozowany, systematyczny wzrost zapotrzebowania na energiĊ, naleĪy zatem wypracowaü strategiĊ w zakresie wykorzystania nowych Ĩródeá energii oraz produkcji paliw alternatywnych. Prowadzona do niedawna gospodarka zasobami naturalnymi, a takĪe rozwój szeroko rozumianego przemysáu í przy jednoczesnym braku troski o Ğrodowisko í doprowadziáy do rosnącej koncentracji dwutlenku wĊgla w atmosferze, co grozi zmianami klimatycznymi Ziemi. Wiek XXI powinien staü siĊ okresem poszanowania energii i coraz szerszego wdraĪania odnawialnych Ĩródeá energii. W literaturze zwraca siĊ uwagĊ na koniecznoĞü zapewnienia zrównowaĪonego, trwaáego rozwoju, czyli rozwoju pozwalającego na zachowanie w moĪliwie najwiĊkszym stopniu zastanego stanu Ğrodowiska (Sustainable Development) [2]. Zgodnie z danymi ĝwiatowej Rady Ekologicznej w latach 1960-1990 zapotrzebowanie na energiĊ pierwotną wzrosáo ponad 2,5-krotnie. Wedáug przewidywaĔ do 2020 r. zapotrzebowanie energii zwiĊkszy siĊ dalej o okoáo 1,5 do 1,7-krotnie. W przypadku rozwoju opartego tylko na paliwach kopalnych, przy tak duĪym wzroĞcie zapotrzebowania na energiĊ wystąpi szereg negatywnych zjawisk i procesów, z których najwaĪniejsze to szybkie wyczerpywanie siĊ zasobów paliw kopalnych i znaczne, negatywne oddziaáywanie powodujące degradacjĊ Ğrodowiska naturalnego. Korzystanie z odnawialnych Ĩródeá energii (OZE) dla wspóáczesnego Ğwiata jest zatem konieczne. Perspektywa nieuchronnego wyczerpywania siĊ zasobów ropy naftowej, gazu ziemnego i wĊgla – podstaw gospodarki – stanowi wielki problem i olbrzymie wyzwanie [7]. Rozwój energetyki odnawialnej í wymuszony koniecznoĞcią bardziej oszczĊdnego korzystania z paliw kopalnianych (ze wzglĊdu na wyczerpywanie siĊ ich zasobów) i dbaáoĞcią o czystoĞü Ğrodowiska í sprawia, Īe zaistniaáa potrzeba poszukiwania innych, niekonwencjonalnych paliw przyjaznych dla Ğrodowiska naturalnego oraz wystĊpujących w duĪych iloĞciach. Wynika to ze strategicznych zaáoĪeĔ unijnej polityki energetycznej, wedáug której ma nastąpiü 20% redukcja emisji gazów cieplarnianych, zwiĊkszenie udziaáu OZE do 20% w „konsumpcji” Unii Europejskiej i 20% zmniejszenie zuĪycia energii do roku 2020. Czáonkostwo Polski w Unii nakáada na nasz kraj obowiązek realizacji spójnej polityki energetycznej i ekologicznej zmierzającej do poprawy konkurencyjnoĞci ekonomicznej i jakoĞci Īycia spoáeczeĔstwa. Rosnąca ĞwiadomoĞü zagroĪeĔ dla Ğrodowiska ze strony energetyki powoduje, Īe takĪe u nas coraz wiĊcej uwagi poĞwiĊca siĊ technologiom opartym o Ĩródáa odnawialne i niekonwencjonalne. Mogą one stanowiü istotny wkáad w bilansie energetycz- Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk Naturalny osad denny (NOD) jako potencjalne Ĩródáo... 45 nym kraju, przyczyniając siĊ do zwiĊkszania bezpieczeĔstwa energetycznego, zwáaszcza do poprawy zaopatrzenia w energiĊ na terenach o sáabo rozwiniĊtej infrastrukturze energetycznej [4, 8]. Dotychczasowa Polska Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej wiązaáa siĊ gáównie z „klasycznym” pozyskiwaniem i wykorzystaniem biomasy. Prowadzone badania i wdroĪenia, dotyczące poszukiwaĔ alternatywnych Ĩródeá energii odnawialnej, koncentrowaáy siĊ na moĪliwoĞciach wykorzystania biomasy bĊdącej gáównie odpadem poprodukcyjnym pochodzącym z produkcji rolniczej, gospodarki leĞnej oraz dziaáalnoĞci komunalnej [7]. WystĊpujące w tym zakresie ograniczenia iloĞciowe ograniczaáy jednak wykorzystanie tych surowców na wiĊkszą skalĊ. Zaistniaáa zatem koniecznoĞü znalezienia takiego surowca, który wystĊpowaáby w iloĞciach pokrywających zapotrzebowanie oraz miaá zadowalającą wartoĞü energetyczną o znikomej emisji gazów cieplarnianych. DuĪe znaczenie miaáy ponadto wzglĊdy ekonomiczne. Poszukiwano Ĩródáa energii, którego praktyczne wykorzystanie byáoby opáacalne, a jego zasoby moĪna by uznaü za odnawialne [5, 6]. Niestosowanym dotąd w energetyce materiaáem opaáowym, o duĪym potencjale energetycznym, jest osad zalegający dno akwenów. Na podstawie badaĔ prowadzonych od 2006 roku przez FundacjĊ Centrum BadaĔ i Ochrony ĝrodowiska Czáowieka „Habitat” w Bydgoszczy oraz KatedrĊ Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska UTP stwierdzono, Īe wáaĞciwoĞci energetyczne biomasy wystĊpującej w naturalnych osadach dennych (NOD), pochodzących ze stawów, jezior, rzek przy zbiornikach zaporowych i innych obszarów wodnych, są bardzo wysokie i bliskie wielu paliwom konwencjonalnym [3]. NATURALNE ZASOBY OSADÓW DENNYCH W Polsce znajduje siĊ ok. 9000 jezior (akwenów uksztaátowanych naturalnie) o powierzchni powyĪej 1 ha oraz ponad 100 zbiorników sztucznych, zwykle utworzonych wskutek przegrodzenia cieków. Ogólne zasoby wód stojących w Polsce wynoszą ok. 23 miliardy m3 (23 km3), plasuje to nasz kraj na 23. miejscu w Europie. JakoĞü wód jest zdecydowanie niewáaĞciwa z powodu wieloletniego traktowania ich jako odbiorniki Ğcieków, przewaĪnie nieoczyszczonych. W związku z tym w sedymentach dennych wiĊkszoĞci zbiorników tkwią ogromne depozyty zanieczyszczeĔ (przewaĪnie w postaci martwej materii organicznej), powodując niekorzystne oddziaáywanie Ğrodowiskowe wywoáane tzw. zanieczyszczeniem wewnĊtrznym. Ze wzglĊdu na brak mechanicznego mieszania wód samoczynne oczyszczenie w zauwaĪalnym czasie jest niemoĪliwe. Gáównym skáadnikiem zanieczyszczenia jest przewaĪnie martwa materia organiczna. Organiczna i nieorganiczna zawiesina, sedymentując w dnie zbiornika, tworzy osady denne, które ulegając mineralizacji, uĪywają tlen rozpuszczony w przydennych partiach wody. Dodatkowo wystĊpuje zjawisko tzw. zanieczyszczenia wtórnego, w którym w zazwyczaj beztlenowych partiach przydennych zachodzi fermentacja beztlenowa martwej materii organicznej i emisja fosforu 46 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska w postaci fosforanów do toni wodnej. Fosfor jest pierwiastkiem biogennym limitującym eutrofizacjĊ, a uwolniony z osadów í po dotarciu do strefy tlenowej í powoduje gwaátowny rozwój organizmów wodnych, zwykle glonów i fitoplanktonu. Po okresie wegetacyjnym organizmy te zamierają i sedymentując na dnie w procesach fermentacji beztlenowej uwalniają ponownie fosforany do toni wodnej. Proces ten wystĊpuje corocznie i nazywany jest zasilaniem wewnĊtrznym. W wyniku tych procesów (zanieczyszczania zewnĊtrznego i wewnĊtrznego) w wiĊkszoĞci akwenów znajduje siĊ olbrzymia iloĞü zdeponowanych naturalnych osadów dennych (NOD). Do takich jezior moĪna zaliczyü: Gopáo, Jezioro Jezuickie, Jezioro MogileĔskie, GáĊboczek, Meáno, Mielno oraz zbiorniki: Koronowski, ĩurski, Janikowski czy ZegrzyĔski [11]. WYNIKI BADAē PILOTAĩOWYCH OSADÓW DENNYCH ZALEGAJĄCYCH W ZBIORNIKU ĩUR W 2006 roku Akademicki Klub BadaĔ Podwodnych ARIUS przeprowadziá pilotaĪowe badania miąĪszoĞci osadów dennych zalegających w zbiorniku zaporowym ĩur, w korycie rzeki Wdy, w obrĊbie miejscowoĞci TleĔ nad Wdą (rys. 1). W ich ramach wykonano badania piĊtnastu profili batymetrycznych o áącznej dáugoĞci okoáo 850 m. Przykáadowy profil prezentujący miąĪszoĞü w tym akwenie ilustruje wykres (rys. 2), a szacunkową objĊtoĞü osadów, tylko na tym odcinku, okreĞlono na okoáo 320000 m3 [9]. Rys. 1. Miasto TleĔ nad Wdą z lotu ptaka (Ĩródáo: www.spanie.pl) Fig. 1. TleĔ city over the river Wda í bird's eye view (source: www.spanie.pl) CharakterystykĊ chemiczną osadów dennych pobranych z tego zbiornika okreĞlano pod wzglĊdem nastĊpujących parametrów: optymalnego zalegania warstw osadów, poziomu wilgotnoĞci caákowitej, zawartoĞci materii organicznej, poziomu toksycznoĞci i zawartoĞci metali ciĊĪkich, plastycznoĞci, wartoĞci energetycznej (wartoĞü opaáowa i ciepáo spalania), poziomu emisji szkodliwych gazów SO2 i CO2 do atmosfery w procesie spalania. Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk Naturalny osad denny (NOD) jako potencjalne Ĩródáo... 47 Rys. 2. Profil batymetryczny nr IV na rzece Wdzie w obrĊbie miejscowoĞci TleĔ n. Wdą ok. 200 m powyĪej mostu drogowego (górny odcinek rzeki) [9] Fig. 2. Bathymetric profile No. IV on the Wda river within the city TleĔ about 200 m above the road bridge (the upper part of the river) [9] W tabeli 1 przedstawiono dane dotyczące zawartoĞci materii organicznej, fosforu (Ptot), azotu (Ntot), uwodnienie oraz BOD osadów dennych Zbiornika ĩur na trzech stanowiskach badawczych (I í przed mostem, gdzie rzeka Wda wpáywa do zbiornika, II í w poáowie drogi miĊdzy mostem a wiaduktem kolejowym; III – w niewielkiej odlegáoĞci od wiaduktu kolejowego). Z kolei zawartoĞü metali ciĊĪkich w osadzie dennym, z próby o najgorszych wskaĨnikach, przedstawiono w tabeli 2 [10]. Tabela 1. ZawartoĞü materii organicznej, fosforu, azotu, uwodnienie oraz BOD osadów dennych Zbiornika ĩur na trzech stanowiskach [10] Table 1. The content of organic matter, phosphorus, nitrogen, hydration and sediment BOD Tank ĩur on three positions [10] Badane parametry ZawartoĞü materii organicznej Uwodnienie Azot caákowity [mg N/g s.m.] Fosfor caákowity [mg P/g s.m.] BOD osadów: po 60 minutach po 24 godzinach Stanowisko I 70,7 82,5 9,8 2,3 Stanowisko II 57,8 89,0 15,0 3,0 Stanowisko III 50,9 90,2 19,0 4,6 63,8% (5,5 mg O2/l) 53,8% (4,6 mg O2/l) 64,0% (5,6 mg O2/l) 55,8% (4,7 mg O2/l) 66,5% (5,7 mg O2/l) 49,5% (4,2 mg O2/l) 48 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 2. ZawartoĞü metali ciĊĪkich w osadzie dennym (próba o najgorszych wskaĨnikach) [10] Table 2. The content of heavy metals in the bottom sediment (sample with the worst indicators) [10] Metal Cynk (Zn) MiedĨ (Cu) Chrom ogólny (Cr) Nikiel (Ni) Kadm (Cd) Oáów (Pb) IloĞü [mg/kg s.m.] 105,0 21,37 20,55 13,91 1,27 24,72 Z powyĪszych danych wynika, Īe osady denne zawierają duĪą iloĞü materii organicznej, wynoszącą okoáo 80%. Ta wysoka zawartoĞü materii organicznej Ğwiadczy jednoczeĞnie o jej duĪej wartoĞci energetycznej. Nie dotyczy to jednak caáego przekroju osadu dennego. Dodatkowe, uĞciĞlające badania wykazaáy, Īe pod wzglĊdem przydatnoĞci energetycznej osad denny naleĪy rozpatrywaü w trzech warstwach. Warstwa wierzchnia, okoáo 1/3 miąĪszoĞci, jest mniej przydatna, lecz moĪe byü uĪyta w produkcji rolniczej do nawoĪenia pól. RównieĪ warstwa najniĪej poáoĪona nie nadaje siĊ do wykorzystywania na cele energetyczne, poniewaĪ jest silnie zmineralizowana. Warstwa o najwiĊkszej przydatnoĞci energetycznej znajduje siĊ pomiĊdzy obiema warstwami osadów. ZawartoĞü materii organicznej w tej warstwie jest wystarczająca do samodzielnego spalania lub wspóáspalania z róĪnymi biokomponentami. Drugi rodzaj badaĔ dotyczyá okreĞlenia wartoĞci energetycznej pobranych osadów zarówno bez jakichkolwiek domieszek, jak i z udziaáem biokomponentu w postaci trocin. Takim samym badaniom poddano uĪyte biokomponenty bez domieszki osadów. Analizy porównawcze pozwoliáy na okreĞlenie charakterystyki pozyskanych osadów dennych. PoniĪsze zestawienia zawierają wybrane wyniki. Osady denne bez dodatkowych biokomponentów x z badania I: punkt 11 przekrój 7-8, osad denny powyĪej mostu: í ciepáo spalania 16,5 MJ/kg 1,0 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan roboczy í wartoĞü opaáowa stan analityczny 14,7 MJ/kg í wilgotnoĞü caákowita 75,33% x z badania II: punkt 5 przekrój 5-6, osad denny powyĪej mostu: í ciepáo spalania 16,0 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan roboczy 1,1 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan analityczny 14,5 MJ/kg í wilgotnoĞü caákowita 75,89% x z badania III: punkt 4 przekrój 4-5, osad denny powyĪej mostu: í ciepáo spalania 16,3 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan roboczy 1,0 MJ/kg Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk Naturalny osad denny (NOD) jako potencjalne Ĩródáo... í wartoĞü opaáowa stan analityczny í wilgotnoĞü caákowita 49 14,5 MJ/kg 75,68% Osady denne z dodatkiem biokomponentów x z badania IV: punkt 13 przekrój 2-3, poniĪej mostu, 70% osadu + 30% wióry: í ciepáo spalania 18,8 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan roboczy 6,2 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan analityczny 17,8 MJ/kg í wilgotnoĞü caákowita 54,94% x z badania V: punkt 3 przekrój 2-3, powyĪej mostu, 70% osadu + 30% wióry: í í í í ciepáo spalania wartoĞü opaáowa stan roboczy wartoĞü opaáowa stan analityczny wilgotnoĞü caákowita 19,1 MJ/kg 5,9 MJ/kg 18,1 MJ/kg 56,87% Badania dodawanych do osadów biokomponentów a) poekstrakcyjna Ğruta rzepakowa: í wartoĞü opaáowa stan roboczy przy 10% wilgotnoĞci í 16,0 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan analityczny w przypadku suchej masy í 17,0 MJ/kg í zawartoĞü popioáu í 5% b) zanieczyszczenia rzepaku (chwasty + uszkodzone czĊĞci rzepaku): í wartoĞü opaáowa stan roboczy przy 10% wilgotnoĞci í 20,0 MJ/kg í wartoĞü opaáowa stan analityczny w przypadku suchej masy í 21,0 MJ/kg í zawartoĞü popioáu í 5% Prezentowane wyniki wskazują z jednej strony na moĪliwoĞci wykorzystania biomasy osadów dennych jako samoistnego surowca energetycznego, z drugiej zaĞ í jako materiaáu wiąĪącego (lepiszcza) dla innych biokomponentów. Wybranie odpowiedniego materiaáu do produkcji kompozycji z osadu dennego i biomasy roĞlinnej pozwoli na uzyskanie opaáu o duĪych parametrach energetycznych. OCENA PRZYDATNOĝCI NATURALNYCH OSADÓW DENNYCH DO PRODUKCJI MATERIAàU OPAàOWEGO W POSTACI BIOPALIW I BIOGAZU Wykorzystanie osadów dennych jako materiaáu opaáowego oraz wiąĪącego po dodaniu do nich innych odpadów o wysokiej wartoĞci opaáowej pozwala na wyprodukowanie taniego i ekologicznego materiaáu opaáowego o zadowalających parametrach, przeznaczonego do powszechnego stosowania. Przy kompozycji z róĪnego rodzaju biokomponentami (np. Ğcier drzewny, trociny, resztki pozbiorowe zbóĪ, kolby kukurydziane, wytáoki) moĪna uzyskaü materiaáy opaáowe o wysokiej wartoĞci opaáowej. Ostateczny produkt z takiego materiaáu moĪe mieü róĪne formy, np. granulatu. 50 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Osady denne mogą byü teĪ stosowane do produkcji biogazów [12]: – Ğrednia zawartoĞü suchej masy w osadach ksztaátuje siĊ na poziomie 18%, – wydajnoĞü biogazu z osadów dennych wynosi 180-496 [dm3/kg s.m.o], – osady denne z róĪnych zbiorników wodnych (np. jeziora, rzeki, rowy melioracyjne, kanaáy, zbiorniki zaporowe, drogi Īeglugowe, mogą byü wykorzystane jako samoistne Ĩródáo biogazu wytwarzanego na drodze fermentacji metanowej, – iloĞü uzyskiwanego gazu zaleĪy od specyficznych cech zbiornika wodnego, – skáad chemiczny biogazu jest specyficzny dla kaĪdego rodzaju osadu dennego i jest doĞü istotnie zróĪnicowany, – dwustopniowa fermentacja z drugim stopniem dofermentowania prowadzi do uzyskania dodatkowej puli gazu, – fermentacja metanowa jest wáaĞciwą technologią do przetwarzania osadów dennych pozyskanych podczas rewitalizacji (rekultywacji, neutralizacji itd.) akwenów, – proces wstĊpnej hydrolizy osadów dennych nie prowadzi do istotnego zwiĊkszenia puli pozyskiwanego biogazu, co Ğwiadczy o wysokim poziomie zhydrolizowania materii organicznej osadów dennych. OSADY DENNE A PRAWNE ASPEKTY ICH WYDOBYCIA Przepisy prawne okreĞlające moĪliwoĞci wykorzystania osadów dennych do produkcji biokomponentów energetycznych naleĪy rozpatrywaü w kontekĞcie elementów Ğrodowiska. JeĞli dokonuje siĊ czynnoĞci związanych z pogáĊbianiem czy oczyszczaniem Ğródlądowych wód powierzchniowych páynących, to osad taki stanowi odpad. Odpad ten, w zaáączniku do rozporządzenia Ministra ĝrodowiska z dnia 27 wrzeĞnia 2001 r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. Nr 112, poz. 1206), jest zaklasyfikowany jako urobek z pogáĊbiania inny niĪ wymieniony w punkcie 17.05.05 tego rozporządzenia. Gdyby jednak osad miaá sáuĪyü jako surowiec do przetwarzania, to powinien zostaü uznany za kopalinĊ pospolitą w myĞl ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. – Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. z 2005 r. Nr 228, poz. 1947). Dodatkowo, wedáug klasyfikacji prawnej, osad denny moĪe byü klasyfikowany jako wydobywczy. Biorąc pod uwagĊ, Īe nie ma przeciwwskazaĔ co do skáadowania i przetwarzania osadów dennych, moĪna sformuáowaü stwierdzenie o sáusznoĞci dalszych badaĔ nad uzyskaniem z nich materiaáu o duĪych parametrach energetycznych. WNIOSKI WĞród wielu moĪliwoĞci zastąpienia ropy naftowej, wĊgla i innych paliw konwencjonalnych jednym z przyszáoĞciowych rozwiązaĔ jest wykorzystanie biomasy w postaci naturalnych osadów dennych. Ich zastosowanie jako materiaáu opaáowego, a zarazem wiąĪącego po dodaniu innych materiaáów odpadowych o wysokiej wartoĞci opaáowej, umoĪliwia otrzymanie taniego i ekologicznego materiaáu opaáowego o zadowalających parametrach, przeznaczonego do Stanisáaw Borsuk, Edward Kujawski, Marcin Borsuk Naturalny osad denny (NOD) jako potencjalne Ĩródáo... 51 powszechnego stosowania. Ich spalanie w kompozycji z róĪnego rodzaju biokomponentami (np. Ğcierem drzewnym, trocinami, resztkami pozbiorowymi zbóĪ, kolbami kukurydzianymi, wytáokami itp.) moĪe dodatkowo podnieĞü efektywnoĞü energetyczną takich kompozycji. Efektem prowadzenia dalszych badaĔ moĪe byü uzyskanie konkurencyjnego produktu opaáowego. LITERATURA [1] Borsuk S., 2010. Koncepcja wykorzystania osadów dennych do celów energetycznych. Fundacja Centrum Badan i Ochrony ĝrodowiska Czáowieka, Bydgoszcz. [2] Himmel M.E., 2012. Biomass Conversion. Springer. [3] Kryszewski S., Szczublewska K., 2012. WstĊpna analiza efektywnoĞci wykorzystania naturalnych osadów dennych do produkcji biogazu i biopaliw. Zakáad Sozotechniki Sp. z o.o. Bydgoszcz. [4] Paska J., Saáek M., Suma T., 2005. Obecna rola i perspektywy zwiĊkszenia udziaáu odnawialnych Ĩrodeá energii w gospodarce energetycznej Ğwiata. Energetyka 5. [5] Polityka ekologiczna PaĔstwa w latach 2009-2012 z perspektywą do roku 2016, Warszawa 2008. [6] II Polityka Ekologiczna PaĔstwa (dokument z perspektywą do 2025), Ministerstwo ĝrodowiska, Warszawa 2008. [7] Polityka energetyczna Polski do 2020 roku, Zaáącznik do uchwaáy nr 209/2009 Rady Ministrów z dnia 10 listopada 2009 r. [8] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, Ministerstwo Gospodarki Warszawa 2009. [9] Raport z badaĔ miąĪszoĞci osadów dennych w Korycie Rzeki Wdy w obrĊbie miejscowoĞci TleĔ, WyĪsza Szkoáa Zarządzania ĝrodowiskiem w Tucholi, listopad 2006 (materiaáy niepublikowane). [10] Skáad chemiczny wody i osadów dennych Zbiornika ĩur, Uniwersytet Mikoáaja Kopernika w Toruniu, ToruĔ 2006 (materiaáy niepublikowane). [11] Zarządzanie ĝrodowiskiem, Tuchola, listopad 2006 (materiaáy niepublikowane). [12] ĩak S., 2007. Opracowanie biogazowania osadów dennych. Bydgoszcz. NATURAL BOTTOM SEDIMENT (NBS) AS A POTENTIAL SOURCE OF RENEWABLE ENERGY ENVIRONMENTAL Abstract. One of the biggest challenge in the coming years is to protect energy security of the country. Among the many possibilities of replacing oil, coal and other conventional fuels, this article points out the possibility of using biomass derived from sediments, as a substitute for conventional fuels. Based on preliminary studies, it was found that the sediments which are located at the bottom of water basin have high energy value. In addition, we argue that the biomass derived from sediments is not difficult to obtain and it can be used as a relatively clean energy source which is friendly to environment. Keywords: natural bottom sediment, renewable energy, biomass, renewable energy sources, renewable energy, water tank MODELE MATEMATYCZNE KOMINÓW SàONECZNYCH Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska*1 Streszczenie. Obecnie, kiedy oszczĊdnoĞü energii jest kluczowym zadaniem dla spoáeczeĔstwa, zauwaĪa siĊ powrót do systemów wykorzystujących siáy natury. Wentylacja naturalna zapewnia dopáyw ĞwieĪego powietrza do budynków w celu rozcieĔczenia zapachu, ograniczenia koncentracji zanieczyszczeĔ, dostarcza tlen do oddychania, jednoczeĞnie zwiĊkszając komfort cieplny. Wentylacja grawitacyjna jest najbardziej rozpowszechnioną formą dostarczania ĞwieĪego powietrza do pomieszczeĔ. Niestety nie zawsze dziaáa ona w taką efektywnoĞcią jak powinna. Kominy sáoneczne są doskonaáym elementem wspomagającym naturalny system wentylacyjny. Są one podobne do kominów tradycyjnych, z wyjątkiem Ğciany poáudniowej, na której umiejscowione jest przeszklenie. Ich dziaáanie opiera siĊ na wykorzystaniu energii promieniowania sáonecznego. Powstaáa znaczna iloĞü prac badawczych opisujących procesy zachodzące w kominie sáonecznym. W pracy zaprezentowano kilka z nich, akcentując zaáoĪenia i przyjĊte wzory do obliczeĔ przepáywu powietrza w kominach. Wybrane prace dotyczą kominów pionowych. Sáowa kluczowe: komin sáoneczny, wentylacja grawitacyjna, model matematyczny, pasywny system wentylacji, budownictwo WSTĉP Wraz z rozwojem cywilizacyjnym ludzkoĞci zmieniaáy siĊ potrzeby związane z wentylacją pomieszczeĔ. Początkowo, kiedy ludzie zaczĊli budowaü sobie schronienia, wystarczaáa wentylacja naturalna, która rozwiązywaáa problem jakoĞci powietrza w pomieszczeniach. Udoskonalając ją, powstaáa wentylacja grawitacyjna. Charakteryzuje siĊ tym, iĪ powietrze dostaje siĊ do pomieszczeĔ poprzez stolarkĊ okienną i drzwiową, a usuwane jest kanaáami wentylacji grawitacyjnej. Problemem w tym systemie jest niekontrolowany przepáyw powietrza. Czáowiek, dąĪąc do komfortowych warunków w pomieszczeniach, stworzyá wentylacjĊ mechaniczną. Jej wadą jest pobór energii elektrycznej, co przekáada siĊ na niekorzystne aspekty ekonomiczne i ekologiczne (wysoka emisja dwutlenku wĊgla do atmosfery). Dlatego obecnie obserwuje siĊ powrót do wentylacji naturalnej jako sposobu na oszczĊdnoĞü energii. Wiele oĞrodków na Ğwiecie zajmuje siĊ badaniami związanymi z wentylacją naturalną lub grawitacyjną. Istnieją róĪne systemy wspomagające wentylacje naturalną, m.in. podwójne fasady, Ğciany Trombe’a, kominy sáoneczne. Kominy sáoneczne wykorzystują energiĊ sáoneczną do zintensyfikowania dziaáania wentylacji gra* dr hab. inĪ. Mariusz CHALAMOēSKI, prof. nadzw. UTP, mgr inĪ. Magdalena NAKIELSKA, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 54 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska witacyjnej. Są one podobne do konwencjonalnych kominów, z tą róĪnicą, Īe posiadają przeszklenie, które umoĪliwia wykorzystanie energii sáonecznej. Energia sáoneczna powoduje wzrost temperatury wewnątrz komina, a w konsekwencji ciąg kominowy. Dodatkowo w Ğcianach powinna byü magazynowana energia, która bĊdzie uwalniana wtedy, gdy jest sáabsze promieniowanie sáoneczne, lub nocą. WYBRANE PRACE BADAWCZE KOMINÓW SàONECZNYCH Problem kominów sáonecznych zainteresowaá osoby w wielu krajach. RozpoczĊto badania, które miaáy pomóc poznaü bliĪej mechanizm dziaáania i zjawiska zachodzące w kominach sáonecznych. W wielu miejscach na Ğwiecie stworzono obiekty badawcze o róĪnych ksztaátach i z róĪnych materiaáów. Usytuowanie generuje róĪnice związane z warunkami, w jakich pracuje komin sáoneczny. NajwaĪniejszymi czynnikami zewnĊtrznymi na niego wpáywającymi są: klimat, orientacja, wielkoĞü nasáonecznienia. Pomimo wielu róĪnic wszystkie kominy sáoneczne mają takie same elementy, tj. wlot i wylot powietrza, przeszklenie oraz absorber. Schemat komina sáonecznego pionowego przedstawiono na rysunku 1 [4]. Rys.1 Schemat komina sáonecznego (opracowanie wáasne) Fig.1. Schematic diagram of solar chimney (own scientific description) Kominy sáoneczne badane są za pomocą róĪnych metod: eksperymentalnych, analitycznych i komputerowych. WiĊkszoĞü metod analitycznych bazuje na zaáoĪeniu laminarnego przepáywu gazu z jednorodnym rozkáadem temperatur na caáej wysokoĞci komina [8]. Metody komputerowe oparte na technice CFD (Computational Fluid Dynamics) ustalają wzory na przepáyw powietrza wewnątrz komina, podają projektowane wartoĞci parametrów, m.in.: temperatury, Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska Modele matematyczne kominów sáonecznych 55 prĊdkoĞci przepáywu, ale zazwyczaj nie uwzglĊdniają ciepáa magazynowanego w Ğcianach [6]. Badania te jednak umoĪliwiają poszukiwanie optymalnego rozwiązania pod wzglĊdem przekroju i wysokoĞci komina, powierzchni przeszklenia, kąta nachylenia oraz materiaáów, z jakich konstruowaü kominy. W opracowaniu wziĊto pod uwagĊ tylko kominy pionowe. W celu ograniczenia iloĞü zmiennych pominiĊto kominy nachylone pod kątem w odniesieniu do powierzchni poziomej. Przegląd prac badawczych przedstawia opracowania dla róĪnych modeli przepáywu powietrza w badanych kominach sáonecznych. W wielu opracowaniach autorzy powoáują siĊ na badania Afonso i Oliviera [2]. Autorzy w celu wykonania badaĔ i ich porównania zbudowali dwa kominy. Jeden konwencjonalny, a drugi sáoneczny, usytuowane w Portugalii, w Porto. Badania przeprowadzono przy uĪyciu gazu znakującego, a nastĊpnie otrzymane wyniki porównano z wartoĞciami teoretycznymi z programu symulacyjnego Miejscem przeprowadzenia badaĔ byáy dwa takie same pod wzglĊdem geometrycznym pokoje o powierzchni 12 m2 kaĪdy, zbudowane z betonu i od zewnątrz ocieplone. Zastosowano takie same rozwiązania dotyczące dostarczania i usuwania powietrza, z tym Īe jeden komin byá tradycyjny, a drugi na Ğcianie poáudniowej posiadaá przeszklenie. Kominy zostaáy zbudowane z cegáy (gr. 10 cm) o przekrojach 0,2 x 1 m oraz wysokoĞciach 2 m. Dodatkowo komin sáoneczny miaá zewnĊtrzną izolacjĊ 5 cm. Rys. 2. Widok obiektu badaĔ wraz z kominem sáonecznym i tradycyjnym [1] Fig. 2. View research object with solar and conventional chimneys [1] Ogrzewane pokoje oraz kominy wyposaĪono w aparaturĊ pomiarową do mierzenia m.in. temperatury, przepáywu, prĊdkoĞci ruchu powietrza. TemperaturĊ zewnĊtrzną, prĊdkoĞü oraz kierunek wiatru odczytywano ze stacji meteorologicznej. Wszystkie dane zostaáy wprowadzone do programu komputerowego. 56 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Autorzy badaĔ zaprezentowali model, który áączy równania procesów wymiany ciepáa w kominie sáonecznym z równaniami przepáywu w wentylacji naturalnej. Na rysunku 3 przedstawiono przyjĊte oznaczenia temperatur powietrza. Rys. 3. Wlot i wylot powietrza wraz z temperaturami [1] Fig. 3. Inlet and outlet with temperatures [1] StrumieĔ objĊtoĞci powietrza wentylacyjnego zaleĪy od róĪnicy temperatury miĊdzy Text i Tout. Wzrost strumienia objĊtoĞci jest proporcjonalny do sumy wszystkich strat pomiĊdzy wlotem a wylotem powietrza oraz strat tarcia na Ğcianach komina. Przepáyw objĊtoĞciowy w kominie z pominiĊciem dziaáania wiatru autorzy wyrazili równaniem [1]: ܸሶ ൌ ଵ మ ඨౙ כ൬ౙ ൰ ାౙ ାౙ ౄ ౙ ీ ୭ୡ ඥʹοο (1) gdzie indeksy ic i oc odpowiednio oznaczają wlot i wylot, Dh – ĞrednicĊ hydrauliczną komina, K jest sumą lokalnych wspóáczynników strat przepáywu, f – wspóáczynnik tarcia, S – powierzchnie wlotu i wylotu powietrza, B – wspóáczynnik rozszerzalnoĞci cieplnej powietrza, który zmienia siĊ z zaleĪnoĞci od temperatury, B = 1/T. Badania zostaáy przeprowadzone na wielu wielopáaszczyznach. Sprawdzano kilka zaleĪnoĞci, m.in. wpáyw promieniowania sáonecznego na efektywnoĞü wentylacji, wpáyw izolacji i wysokoĞci komina na wyniki badaĔ. Oto niektóre z wniosków koĔcowych [1]: 1. Komin sáoneczny miaá wiĊkszą efektywnoĞü w granicy 10-22% w stosunku do komina tradycyjnego, na podstawie Ğrednich danych klimatycznych dla Portugalii. 2. W cieplejszych miesiącach energia sáoneczna ma wiĊkszy wpáyw na zwiĊkszenie efektywnoĞci. Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska Modele matematyczne kominów sáonecznych 57 3. JeĞli komin sáoneczny jest murowany, to wskazane jest zastosowanie izolacji zewnĊtrznej, poniewaĪ zwiĊksza to efektywnoĞü komina o ok. 60%; wystarczy 5 cm materiaáu izolacyjnego. 4. GruboĞü Ğcianki komina powinna byü uzaleĪniona od przeznaczenia budynku. JeĞli chce siĊ uzyskaü poprawĊ wentylacji, naleĪy stosowaü nie mniej niĪ 10 cm gruboĞci. 5. W procesie projektowania moĪna zmieniaü dwa parametry komina: przekrój i wysokoĞü. Dla danych warunków nasáonecznienia korzystniej jest, jeĞli szerokoĞü komina jest wiĊksza, a wysokoĞü mniejsza. 6. JeĞli do przyjĊtego modelu doáączono czynnik wiatru, nieznacznie zmieniáy siĊ wyniki przepáywów (ok. 10%). Ong i Chow [9] stworzyli model matematyczny dla komina sáonecznego przedstawionego na rysunku 4. Przekrój komina to 0,48 m x 1,02 m, wysokoĞü 2,0 m. Komin z jednej strony zaopatrzony jest w szybĊ, pozostaáe trzy Ğciany tworzą kanaá, przez który bĊdzie przepáywaáo powietrze. W pomieszczeniu od strony komina jest izolacja. Kanaá w Ğrodku pomalowany jest na czarno, aby zwiĊkszyü absorbcje promieniowania sáonecznego. Wlot powietrza znajduje siĊ w dolnej czĊĞci komina, a wylot u góry. Rys. 4. Model fizyczny komina sáonecznego [9] Fig. 4. Physical model of solar chimney [9] 58 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Powietrze wchodzi do komina o staáe temperaturze wlotowej (Tr). U góry wychodzi ciepáe powietrze o temperaturze wylotowej (Tf,o). Temperatura na powierzchni przeszklenia (Tg), na powierzchni Ğciany (Tw) i Ğrednia temperatura powietrza w kanale (Tf) są staáe. ZaáoĪono, iĪ opory tarcia przyjmuje siĊ za nieistotne. Autorzy strumieĔ przepáywającego powietrza okreĞlają wzorem [9]: ୭ሶ ൌ ୢ ඥଵା౨ ଶሺ ି౨ ሻ ට ౨ (2) Wspóáczynnik wypáywu Cd przyjĊto równy 0,6 wg autora innego opracowania Flourentzou: Ao í przekrój komina wylotowego (m2), Ai í przekrój komina wlotowego powietrza (m2), natomiast Ar jest zaleĪnoĞcią: Ar = Ao/Ai, L – dáugoĞü Ğciany. Wzorem (2) posáuĪyá siĊ kilka lat wczeĞniej Bansal [3]. PowyĪszy model nie uwzglĊdnia bezwáadnoĞci komina sáonecznego. Temat akumulacji ciepáa w obudowie komina poruszyli autorzy artykuáu [7], przedstawiając dynamiczny model komina sáonecznego. Zadaniem badanego komina sáonecznego miaáa byü poprawa wentylacji naturalnej nocą, kiedy nie ma promieniowania sáonecznego. PrzyjĊto model z powierzchnią przeszkloną, zorientowaną na poáudnie, w którym mur betonowy absorbuje ciepáo promieniowania sáonecznego. ZaáoĪono, ze komin jest oddzielony od budynku w celu wyeliminowania jakichkolwiek wpáywów termicznych z budynku. SymulacjĊ przeprowadzono dla rzeczywistych danych, aby wyniki móc porównaü z badaniami eksperymentalnymi. PrzyjĊto wzór na przepáyw wg Bansala [3]: ሶ ൌ ୢ ȡǡ כ ඥଵା౨ ଶሺ ି౨ ሻ ට ౨ (3) gdzie ȡf,o jest gĊstoĞcią powietrza przy wyjĞciu z komina. Dla maksymalnego promieniowania sáonecznego na powierzchni pionowej 450 W/m2, dla przyjĊtego modelu przepáyw powietrza powinien byü z granicach 0,010-0,012 kg/s. Autorzy opracowania [5] badali komin o takich samych wymiarach jak powyĪszy model teoretyczny í 2 m wysokoĞci i szerokoĞü kanaáu 14,5 cm. Z tą róĪnicą, iĪ nie uwzglĊdniali bezwáadnoĞci cieplnej komina. Komin miaá przeszklenie oraz metalową czarną páytĊ uáatwiającą akumulacjĊ ciepáa pochodzącego z promieniowania sáonecznego. W wynikach badaĔ podano, iĪ przy wartoĞci promieniowania sáonecznego 400 W/m2 strumieĔ masy powietrza wynosiá 0,014 kg/s. JednoczeĞnie podano, Īe temperatura na powierzchni przeszklenia wynosiáa 345 K. Natomiast w badaniach teoretycznych modelu komina z bezwáadnoĞcią cieplną maksymalną temperaturĊ obliczono na 320 K. Stąd wynikają róĪnice w wartoĞciach przepáywów. Inny model badawczy zostaá skonstruowany w poáudniowo-wschodniej Hiszpanii na pustyni Tabernas (rys. 5). Usytuowanie z dala od innych obiektów Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska Modele matematyczne kominów sáonecznych 59 pozwala na zbadanie przepáywu powietrza i zjawisk zachodzących w kominie sáonecznym, bez dodatkowych zakáóceĔ. Gáównym elementem komina jest páyta absorbera o wysokoĞci 4,5 m, szerokoĞci 1 m i gruboĞci 0,15 m, wykonana ze zbrojonego betonu, pomalowana na kolor czarny. ĝciany boczne zostaáy zaizolowane celem zmniejszenia strat ciepáa. Wlot powietrza do komina jest w czĊĞci dolnej, a wylot na górze. Badania przeprowadzono 15 wrzeĞnia 2007 r. Rys. 5. Komin sáoneczny (a) widok czĊĞci tylnej, (b) widok czĊĞci frontowej, przeszklonej [2] Fig. 5. Solar chimney (a) back view, (b) front view with glazing [2] Podczas badaĔ autorzy uzyskali wartoĞci temperatury na powierzchni absorbera. OsiągnĊáy one wartoĞci maksymalne dwie godziny po maksymalnym natĊĪeniu promieniowania sáonecznego, ze wzglĊdu na bezwáadnoĞü cieplną absorbera. Mierzono takĪe temperaturĊ przeszklenia, uzyskując podobne wyniki jak prze páycie absorbera. Maksymalne wartoĞci osiągniĊto w dwie godziny po najwiĊkszej wartoĞci promieniowania. Kolejnym zagadnieniem, którym zajĊto siĊ w czasie badaĔ, byáa temperatura powietrza na wlocie i powietrza wywiewanego. Temperatury te rosáy wraz ze wzrostem promieniowania sáonecznego, podobnie jak temperatura na páycie absorbera i na przeszkleniu. Maksymalne wartoĞci osiągnĊáy dwie godziny po poáudniu. Maksymalna wartoĞü przyrostu temperatury 7oC zostaáa osiągniĊta o godz. 13.00. Badania wykazaáy, iĪ przepáyw powietrza ksztaátowaá siĊ w granicach 50-374 m3/h. Wraz ze wzrostem prĊdkoĞci wiatru zwiĊkszaá siĊ przepáyw powietrza w górnej czĊĞci komina. 60 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Charakterystycznym parametrem przepáywu powietrza jest wspóáczynnik wypáywu Cd. UwzglĊdnia on nierównomierny rozkáad prĊdkoĞci wlotowych powietrza, zmianĊ strumienia objĊtoĞci, chropowatoĞü wewnĊtrznych powierzchni komina itp. [2] W badaniach przeprowadzonych przez autorów wspóáczynnik wypáywu równy jest 0,52. Korzystając ze wzoru, który proponują, moĪna obliczyü wartoĞü przepáywu powietrza przez komin (Qin) w m3/s: ୧୬ ൌ ୢ כ୭୳୲ *ሾʹ כሺοȀ୧୬ ሻ כ כሿଵȀଶ כሾሺͳ ଶ୰ ሻሿଵȀଶ (4) gdzie Aout jest powierzchnią przekroju na wylocie z komina (m2), H jest wysokoĞcią komina (m), g przyspieszeniem ziemskim (m/s2), natomiast Ar jest zaleĪnoĞcią: Ar = Ain/Aout, Ain – powierzchnia przekroju na wlocie do komina (m2). PODSUMOWANIE Kominy sáoneczne jako element wspomagający dziaáanie wentylacji naturalnej w peáni speániają swoje zadanie. Ich zaletą jest bezobsáugowoĞü, bezawaryjnoĞü, brak haáasu i drgaĔ podczas dziaáania. Wykorzystanie kominów sáonecznych nie wymaga dodatkowego zuĪycia energii, co pozwala na znaczne obniĪenie kosztów utrzymania obiektów. W procesie poznawczym funkcjonowania kominów dominują badania eksperymentalne oraz tworzenie modeli matematycznych przy uĪyciu metod komputerowych. Wielu autorów przy opisywaniu przepáywu powietrza korzysta ze wzoru, którym posáuĪyá siĊ Bansal [3]. Dokáadne badania nad procesami zachodzącymi w kominach sáonecznych caáy czas trwają. LITERATURA [1] Afonso C., Oliveira A., 2000. Solar chimneys: simulation and experiment. Energy and Buildings 32, 71-79. [2] Arce J., Jimƴ nez M.J., Guzmƴ n J.D., Heras M.R., Alvarez G., Xamƴ n J., 2009. Experimental study for natural ventilation on a solar chimney. Renewable Energy 34, 2928-2934. [3] Bansal N., Mathur R., Bhandari M., 1993. Solar chimney for enhanced stack ventilation. Building and Environment 28, 373-377. [4] ChalamoĔski M., 2012. Wykorzystanie kominów sáonecznych w wentylacji. IV MiĊdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Ogrzewanie i Wentylacja w PrzemyĞle i Rolnictwie. Tuchola-TleĔ. [5] Hirunlabh J., Kongduang W., Namprakai P., Khedari J., 1999. Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under tropical climate. Renewable Energy 07, 109-119. [6] Khanal R., Lei C., 2011. Solar chimney – passive strategy for natural ventilation. Energy and Buildings 43, 1811-1819. [7] Marti-Herrero J., Heras-Celemin M.R., 2007. Dynamic physical model for a solar chimney. Solar Energy 81, 614-622. Mariusz ChalamoĔski, Magdalena Nakielska Modele matematyczne kominów sáonecznych 61 [8] Ong K.S., 2003. A mathematical model of a solar chimney. Renewable Energy 28, 1047-1060. [9] Ong K.S., Chow C.C., 2003. Performance of a solar chimney. Solar Energy 74, 1-17. MATHEMATICAL MODELS OF SOLAR CHIMNEYS Abstract. At this time, when energy saving is a key task for the society, there is a return to the system, using the forces of nature. Natural ventilation provides fresh air to the building, in order to dilute the flavor, reduce the concentration of pollutants, providing oxygen for breathing, while increasing comfort. Gravity ventilation is the most common form of supply of fresh air into the room. Unfortunately it does not always work in the efficiency as it should. Solar chimneys are a great part of supporting natural ventilation system. They are similar to a traditional chimney, with the exception glazing which is situated of the southern wall. Their working is based on the use of solar energy. There are many research, which describe the processes occurring in the solar chimney. This article presents a few of them, emphasizing the assumptions and formulas adopted for the calculation of the air flow in the chimney. Selected research on vertical solar chimneys. Keywords: solar chimney, natural ventilation, mathematical model, passive ventilation systems, building BADANIA OSADÓW DENNYCH ZBIORNIKA ZAPOROWEGO ĩUR Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz*1 Streszczenie. W pracy przedstawiono dotychczasowy dorobek Katedry Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska w pozyskiwaniu i ocenie materiaáu doĞwiadczalnego na temat miąĪszoĞci osadów dennych w Zbiorniku ĩurskim. Zastosowanie unikalnej techniki pomiarów, z wykorzystaniem nurkowania swobodnego, moĪliwe byáo w oparciu o zaplecze terenowej stacji badawczej zlokalizowanej w miejscowoĞci TleĔ. Systematyczne uaktualnianie bazy danych pozwala na weryfikacjĊ hipotez odnoĞnie statystycznej istotnoĞci korelacji pomiĊdzy miąĪszoĞcią osadów dennych, a innymi charakterystykami badanego akwenu. Sáowa kluczowe: zbiornik zaporowy, osad denny, morfometria zbiornika, korelacja, istotnoĞü statystyczna WPROWADZENIE CzĊĞü spoĞród ponad 100 sztucznych zbiorników zaporowych istniejących w Polsce poáoĪona jest na obszarze województwa kujawsko-pomorskiego. Poza wzglĊdnie duĪymi zbiornikami zaporowymi utworzonymi w wyniku przegrodzenia zaporami koryt Wisáy, Brdy i Wdy na terenie województwa znajduje siĊ ponad 70 obiektów piĊtrzących wody rzek i jezior. NajwiĊkszym z nich jest Zbiornik Wáocáawski o powierzchni 70,4 km2 i objĊtoĞci wody 408 mln m3. Drugie miejsce zajmuje Zbiornik Koronowski (15,6 km2 i 80,6 mln m3), a trzecie Zbiornik ĩurski (4 km2 i 16 mln m3). Zbiorniki zaporowe na terenie województwa kujawsko-pomorskiego naleĪą do kategorii sztucznych jezior niĪowych. Dla zwiĊkszenia objĊtoĞci w niektórych zbiornikach (na przykáad Jezioro Wáocáawskie) wznosi siĊ obwaáowania chroniące niĪej poáoĪone tereny. Zbiorniki nizinne, ze wzglĊdu na niewielką gáĊbokoĞü Ğrednią, mają znacznie wiĊkszą powierzchniĊ przy porównywalnej (do górskich) objĊtoĞci wody. W przeciwieĔstwie do jezior naturalnych, które tylko w niewielkim procencie wykorzystywane są gospodarczo, kaĪde jezioro zaporowe tworzone jest w okreĞlonym celu. DziewoĔski [7] zaproponowaá podziaá tych akwenów w zaleĪnoĞci od wielkoĞci i peánionej funkcji. Są zbiorniki, których zadaniem jest: áagodzenie skutków powodzi, retencjonowanie wody dla potrzeb rolnictwa, uáatwianie Īeglugi czy zatrzymywanie wody w czasie maáego zapotrzebowania * dr inĪ. Jacek CIEĝCIēSKI, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, e-mail: [email protected] prof. dr hab. Jerzy K. GARBACZ, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, Uniwersytet Mikoáaja Kopernika w Toruniu, Collegium Medicum w Bydgoszczy 64 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska na energiĊ elektryczną i oddawania jej w godzinach szczytu. WiĊkszoĞü zbiorników w praktyce áączy jednak dwie lub kilka funkcji. Nawet jeziora zaporowe, które powinny sáuĪyü wyáącznie retencjonowaniu wody na potrzeby komunalne dla miast (np. Czaniec na Górnym ĝląsku, Besko í uzdrowiska Iwonicz Zdrój, Dobczyce í woda dla Krakowa, Jezioro ZegrzyĔskie í woda dla Warszawy), byáy i są wykorzystywane do celów rekreacji i turystyki [9]. Zalew Koronowski jest równieĪ przykáadem takiego zbiornika. Powstaá w 1960 roku wskutek przegrodzenia rzeki w 49,14 km jej biegu zaporą typu ziemnego w Pieczyskach. Zapora o dáugoĞci 340 m i wysokoĞci 25 m pozwala na zretencjonowanie ponad 80 milionów metrów szeĞciennych wody dopáywającej do zbiornika rzekami: Brdą, Kamionką, SĊpolenką i Krówką oraz kilkoma drobniejszymi ciekami. Zalew, nazywany teĪ Jeziorem Koronowskim, ma dáugoĞü 27 kilometrów i powierzchniĊ 15,6 kilometrów kwadratowych. Zlewnia obejmuje znaczny fragment kompleksu leĞnego „Bory Tucholskie”. Rzeka Brda przepáywa przez obszary objĊte róĪnymi formami ochrony, w tym przez Park Narodowy „Bory Tucholskie” i parki krajobrazowe – Zaborski, Tucholski i KrajeĔski. PoáoĪenie zlewni Brdy na terenach wielkoprzestrzennych form ochrony, jakimi są wymienione parki, w duĪej mierze wpáywa na stan czystoĞci rzeki oraz zachowanie jej naturalnego charakteru. Brda – wpáywając na teren województwa kujawsko-pomorskiego w powiecie tucholskim – zasilana jest kilkoma ciekami, które mają istotny wpáyw zarówno na iloĞü jak i jakoĞü wody w rzece. WaĪniejszymi lewobrzeĪnymi dopáywami Brdy na terenie powiatu tucholskiego są: Czerska Struga, Bielska Struga, Ruda i Szumionka, a prawobrzeĪnymi í Raciąska Struga i rzeka Kicz. Do ujĞcia Bielskiej Strugi Brda páynie w swym Ğrodkowym biegu mocno meandrując. W dolnym biegu, od ujĞcia Bielskiej Strugi páynie ze zwiĊkszonym spadkiem i w dalszym ciągu wąską, gáĊboko wciĊtą doliną wraz z malowniczym przeáomem w miejscu zwanym „Piekieákiem”. „Opuszczając” gminĊ Gostycyn rzeka wpáywa do Zbiornika Koronowskiego, który równieĪ objĊty jest ochroną, naleĪy bowiem do Koronowskiego Obszaru Krajobrazu Chronionego oraz stanowi fragment korytarza ekologicznego o znaczeniu krajowym utworzonego jako element sieci ekologicznej ECONET í Polska. Tak wyjątkowa lokalizacja, urozmaicona linia brzegowa, piĊkne lasy w otoczeniu Jeziora Koronowskiego oraz inne walory sprzyjają rozwojowi turystyki i rekreacji zorganizowanej i niezorganizowanej. Niestety wieloletnie zaniedbania w zakresie niewáaĞciwego zagospodarowania Ğcieków z obiektów poáoĪonych w zlewni i bezpoĞrednio przy zalewie wpáywaáy na záy stan sanitarny i eutrofizacjĊ wód. W takiej sytuacji nieáatwe jest pogodzenie rozwoju infrastruktury turystyczno-rekreacyjnej z retencjonowaniem wody. W niezbyt odlegáym CzyĪkówku (17,5 km biegu Brdy), po infiltracji, a nastĊpnie uzdatnieniu tĊ samą wodĊ wykorzystuje siĊ do zaopatrzenia aglomeracji bydgoskiej. Niewątpliwie duĪe znaczenie w procesie naturalnego samooczyszczania wody mają zbiorniki w Tryszczynie i Smukale, poáoĪone pomiĊdzy Zalewem Koronowskim a ujĊciem wody w CzyĪkówku. Zbiornik w Tryszczynie ma powierzchniĊ Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz Badania osadów dennych zbiornika zaporowego ĩur 65 3 okoáo 87 ha i pojemnoĞü caákowitą 2,2 mln m i odpowiednio w Smukale 93,6 ha i pojemnoĞü caákowitą okoáo 2,22 miliona m3 [14]. Brda od ujĞcia ze Zbiornika Koronowskiego oraz wymienione zbiorniki otoczone są obszarem strefy ochronnej ujĊcia wody powierzchniowej „CzyĪkówko”. Nakazy i zakazy w obrĊbie tej strefy (okoáo 32 km dáugoĞci) zawarte są w rozporządzeniu Dyrektora Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w GdaĔsku [15]. Rozporządzenie to istotnie modyfikuje wczeĞniejsze decyzje w tej sprawie [5, 6]. CHARAKTERYSTYKA ZBIORNIKA ZAPOROWEGO ĩUR Zbiornik ĩur bĊdący przedmiotem opracowania powstaá w latach trzydziestych XX wieku wskutek przegrodzenia rzeki Wdy w 33,8 km jej biegu zaporą typu ziemnego o wysokoĞci okoáo 14,5 m. Prace zasadnicze przy budowie zapory realizowano w latach 1929-1930. Podstawowym celem inwestycji byáa produkcja energii elektrycznej na potrzeby rozwijającego siĊ wówczas portu w Gdyni. Po wypeánieniu powstaá zbiornik o pojemnoĞci 16 mln m3 i powierzchni ponad 400 ha. PoniĪej (zapora w miejscowoĞci Gródek), jako podstopieĔ zabezpieczający, utworzono mniejszy zbiornik o pojemnoĞci 5,5 mln m3. Powierzchnia nowo powstaáego zbiornika wyniosáa 440 ha, objĊtoĞü zmagazynowanej wody to 16 mln m3. Niewielka Ğrednia gáĊbokoĞü (4 m) ogranicza dopuszczalne wahania poziomu wody (do 70 cm). RównieĪ gáĊbokoĞci maksymalne nie są imponujące, przy samej zaporze najgáĊbsze miejsce nie przekracza 15 m, natomiast w obrĊbie dawnego koryta rzeki nie wiĊcej niĪ 10 m. Zbiornik o áącznej dáugoĞci 9,3 km ma wydáuĪony ksztaát z kilkoma bocznymi odgaáĊzieniami i rozlewiskiem w górnej czĊĞci w miejscowoĞci TleĔ. Caákowita powierzchnia zlewni Jeziora ĩurskiego wynosi 1837,9 km2, z czego przypada na [11]: x zlewniĊ Wdy do Jeziora ĩurskiego – 1440,3 km2 x zlewniĊ Prusiny – 192,2 km2 x zlewniĊ Ryszki – 103,5 km2 x zlewniĊ strugi Osie – 12,7 km2 x zlewniĊ strugi Grzybek – 8,7 km2 x pozostaáy obszar – 80,5 km2 W skali Polski zbiornik ten naleĪy do grupy maáych [9] i niewiele znaczących w ogólnym bilansie energetycznym, natomiast na obszarze Pomorza jest drugim co do wielkoĞci po Zbiorniku Koronowskim. PodobieĔstwo do Zbiornika Koronowskiego dotyczy równieĪ coraz wiĊkszego znaczenia turystyki i rekreacji w gospodarce regionu. ĝwiadczy o tym ciągáy rozwój bazy turystycznej w Tleniu, Osiu, Starej Rzece i innych osadach. O walorach przyrodniczych i znaczeniu tego zbiornika w ochronie najcenniejszych fragmentów kompleksu leĞnego „Bory Tucholskie” najlepiej Ğwiadczy fakt, Īe Wdecki Park Krajobrazowy utworzono wokóá jeziora zaporowego ĩur. W charakterystykach i opisach walorów przyrodniczych i turystycznych zbiornik nazywany coraz czĊĞciej 66 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Jeziorem ĩurskim i lokalizowany jest jako oĞ parku krajobrazowego. Coraz wiĊksze znaczenie innych (niĪ energetyczna) funkcji predysponuje ten zbiornik do grupy wielozadaniowych wedáug podziaáu zaproponowanego przez DziewoĔskiego [7]. Gáównymi dopáywami decydującymi o zasilaniu zbiornika Wda o Ğrednim przepáywie SSQ = 11,1 m3/s, Prusina (1,1 m3/s) Ryszka (0,16 m3/s) [17]. Woda z tych dopáywów jest w stanie wypeániü zbiornik w ciągu okoáo 14 dni. Zbiornik ĩurski jest zatem zbiornikiem o krótkim czasie retencji i caákowita wymiana wody zachodzi w nim okoáo 25-krotnie w ciągu roku. Wedáug kryterium przyjĊtego przez Starmacha [16] (wymiana wody ponad 10-krotnie w ciągu roku) Zbiornik ĩurski naleĪy do grupy przepáywowych í reolimnicznych (wymiana wody ponad 10 razy ciągu w roku). Zlewnia Jeziora ĩurskiego w podziale regionalnym Polski wedáug Kondrackiego [13] obejmuje Bory Tucholskie i RówninĊ ĝwiecką. Obie te jednostki fizyczno-geograficzne są mezoregionami wiĊkszej jednostki – makroregionu Pojezierza Poáudniowo-Pomorskiego, które z kolei wchodzi w skáad Pojezierza Poáudniowobaátyckiego. W obszarze Borów Tucholskich niemal w caáoĞci leĪy zlewnia rzeki Prusiny oraz fragment obszaru bezodpáywowego wokóá jeziora Trzebciny. Znaczna czĊĞü zlewni zbiornika znajduje siĊ na obszarze Równiny ĝwieckiej. Są to krajobrazy máodoglacjalne: sandrowo-pojeziorne (w obrĊbie Borów Tucholskich) oraz równiny i wzniesienia morenowe (w obrĊbie Równiny ĝwieckiej). Niezwykle malowniczy jest krajobraz dolin rzek dopáywających do zalewu: Wdy, Prusiny, Ryszki, oraz strug Osie i Grzybek. DuĪe znaczenie w ksztaátowaniu krajobrazu mają warunki klimatyczne panujące w obrĊbie zlewni Jeziora ĩurskiego. Są one typowe i porównywalne dla pozostaáych krain NiĪu Polskiego. Obszar ten charakteryzuje przejĞciowoĞü, wynikająca z oddziaáywania mas powietrza polarno-morskiego i polarno-kontynentalnego. Mniejszy wpáyw wywierają masy powietrza zwrotnikowego i arktycznego. Wiatry o kierunku wschodnim przynoszą pogodĊ suchą, ciepáą latem i mroĨną zimą. Wpáywy oceaniczne zwiĊkszają wilgotnoĞü, przynosząc latem ocháodzenie, a zimą ocieplenie i zwiĊkszoną iloĞü opadów atmosferycznych. Budowa geologiczna, zróĪnicowanie rzeĨby, klimat, szata roĞlinna, stosunki wodne oraz przemiany antropogeniczne zdecydowaáy o wyksztaáceniu siĊ w zlewniach gleb bielicowych, brunatnych, brunatnych wáaĞciwych, czarnych ziem wáaĞciwych i zdegradowanych, torfowych, i murszowo-mineralnych. Procesy erozyjne w dolinach cieków wpáynĊáy na urozmaicenie linii brzegowej. Wyerodowany materiaá, wczeĞniej niesiony w rzece, z chwilą utworzenia sztucznego zbiornika ulega akumulacji. WYPàYCANIE ZBIORNIKA Rzeka wpáywając do zbiornika gwaátownie traci szybkoĞü i rozpoczyna siĊ proces akumulacji. Najpierw sedymentują zawiesiny o duĪym ciĊĪarze wáaĞciwym, utrzymywane dotąd w wodzie przez intensywny, turbulencyjny ruch. Im Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz Badania osadów dennych zbiornika zaporowego ĩur 67 drobniejsze i lĪejsze cząstki zawieszone w wodzie, tym dalej mogą páynąü wzdáuĪ zbiornika, nawet poza zaporĊ. Jest to naturalny proces segregacji i zróĪnicowania osadów. Poza áadunkiem zawiesiny dostarczonej do zbiornika z wodą dopáywów, w samym zbiorniku í jeĞli czas retencji jest dostatecznie dáugi í rozwija siĊ plankton, którego szczątki w zaleĪnoĞci od warunków opadają w zróĪnicowanym tempie. Plankton musi mieü okreĞlony czas, aby siĊ rozwinąü. W niewielkiej, zwáaszcza szybko páynącej rzece warunki do tego przewaĪnie są niesprzyjające. Rozwój zaczyna siĊ dopiero w zbiorniku i trwa dla fitoplanktonu zaledwie kilka dni, a dla zooplanktonu, zwáaszcza skorupiaków, okoáo 2 tygodni [12]. W Zbiorniku ĩurskim woda nie páynie jednolicie caáą powierzchnią. Są miejsca zastoisk (strefy lenityczne, jeziorne) i widocznego przepáywu wody przypominające warunki w rzece. Skutki procesu „starzenia” zbiornika są juĪ widoczne „goáym okiem” w obrĊbie ujĞcia Wdy i Prusiny. RoĞlinnoĞü wodna wynurzona wystĊpuje w miejscach wypáyceĔ, które obejmują coraz wiĊkszą powierzchniĊ, juĪ niemal do mostu kolejowego. Jest to rejon cofki zalewu, w którym wody tych rzek wpáywając do zbiornika tracą szybkoĞü. WĞród czynników, które prawdopodobnie decydują o wypáycaniu Zbiornika ĩurskiego – poza materią dostarczoną przez dopáywające rzeki i abrazją strefy przybrzeĪnej, niewątpliwie naleĪy uwzglĊdniü skutki eutrofizacji [10]. Wypáycanie rozpoczyna siĊ z chwilą przegrodzenia rzeki zaporą i zachodzi nieprzerwanie. Proces ten jest jednym z waĪniejszych wskaĨników degradacji zbiorników zaporowych. Stąd teĪ ustalenie iloĞci osadów oraz przyczyn i tempa wypáycania naleĪy do waĪnych zagadnieĔ badawczych związanych ze zbiornikami zaporowymi. Jezioro ĩurskie moĪe byü reprezentatywne dla zbiorników zaporowych zlokalizowanych w zlewni rzeki Brdy i Wdy. Proces zamulania zachodzi tu nieprzerwanie od ponad osiemdziesiĊciu lat. Katedra Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska od wielu lat prowadzi badania osadów dennych zgromadzonych w zbiorniku ĩur. Koncepcja wykorzystania techniki nurkowania swobodnego w ocenie iloĞci osadów dennych zalegających w Zbiorniku ĩurskim moĪliwa byáa do zrealizowania przez pracowników Katedry, mających odpowiednie uprawnienia i wieloletnie doĞwiadczenie w badaniach podwodnych. DuĪym uáatwieniem byáo zaplecze techniczne Terenowej Stacji Badawczej w Tleniu oraz specjalistyczny sprzĊt niezbĊdny do tak unikalnych badaĔ. Wykorzystanie techniki nurkowania swobodnego wymagaáo jednak zweryfikowania zalet i wad tej metody w praktyce [2]. Potwierdzono przydatnoĞü tej metody gáównie ze wzglĊdu na moĪliwoĞü precyzyjnego ustalenia granicy pomiĊdzy osadem (nawet bardzo uwodnionym) a wodą nad dnem. Niewątpliwą wadą metody nurkowania swobodnego jest trudnoĞü z jej upowszechnieniem. W związku z tym wskazano na alternatywną metodĊ pomiaru miąĪszoĞci osadów dennych z zamarzniĊtej powierzchni zbiornika. Porównano tĊ metodĊ bezpoĞrednio z pomiarem pod wodą, przedstawiając zalety i wady obu [1]. W porównaniu wskazano, Īe dla pojedynczych lub kilku sondowaĔ w zakresie gáĊbokoĞci wody 10-40 m i miąĪszoĞci osadów nieprzekra- 68 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska czającej 3-5 m, zdecydowanie bardziej precyzyjna jest metoda z wykorzystaniem nurkowania swobodnego. Natomiast przy áącznej gáĊbokoĞci wody i miąĪszoĞci osadów dennych nieprzekraczającej 12 m (w tym osadów nie wiĊcej niĪ 3-5 m) moĪliwe jest zastosowanie obu metod. Jednak ze wzglĊdu na koszty i wysiáek, korzystniejsza jest metoda pomiarów z lodu, choü oczywistym ograniczeniem w zastosowaniu pomiarów „z lodu” jest istnienie obejmującej caáy zbiornik pokrywy lodowej o odpowiedniej bezpiecznej gruboĞci. Przeprowadzono pomiary miąĪszoĞci osadów w reprezentatywnych przekrojach dla róĪnych czĊĞci zalewu [4]. W trakcie realizacji pomiarów stwierdzono, Īe kluczowe znaczenie dla ich powtarzalnoĞci ma precyzyjna identyfikacja punktów pomiarowych w terenie i na mapie. Stwierdzono takĪe, Īe odwoáywanie siĊ do punktów charakterystycznych na brzegach zbiornika jest maáo precyzyjne i nie daje gwarancji odtworzenia ich lokalizacji w przyszáoĞci. W związku z tym zastosowano urządzenia GPS w badaniach miąĪszoĞci osadów dennych dla precyzyjnej rejestracji punktów pomiarów [3]. Wykorzystanie odbiornika satelitarnego GPS do lokalizacji punktów pomiarowych i bazowych w przekrojach wykazuje istotną przewagĊ nad wczeĞniejszymi metodami oznaczania tych punktów. Zastosowanie tej techniki w lokalizacji dowolnego punktu w obrĊbie zbiornika oraz w przekroju pomiarowym znacząco upraszcza i przyspiesza powtórną lokalizacjĊ tego punktu. Kolejnym etapem badaĔ byáa weryfikacja hipotez odnoĞnie statystycznej istotnoĞci korelacji pomiĊdzy miąĪszoĞcią osadów dennych a innymi charakterystykami badanego akwenu [8]. Podstawą weryfikacji byáo zebranie reprezentatywnego materiaáu doĞwiadczalnego na temat miąĪszoĞci osadów dennych w Zbiorniku ĩurskim. Punkty i przekroje pomiarowe ustalono z uwzglĊdnieniem czterech charakterystycznych czĊĞci zbiornika (rys. 1). PrzyjĊto, Īe kaĪda z nich stanowi odrĊbny basen i reprezentuje: centralne rozlewisko (basen „C”), strefy zasilania przez najwiĊksze rzeki WdĊ i PrusinĊ (basen „A”), obszar zasilany przez RyszkĊ (basen „B”) i obszar pomiĊdzy centralnym rozlewiskiem a zaporą (basen „D”). W poszczególnych czĊĞciach zbiornika uwzglĊdniono nastĊpującą liczbĊ punktów pomiarowych: x basen „A” – 9 punktów pomiarowych i przekrój A1 (143 m dáugoĞci), x basen „B” – 20 punktów pomiarowych i przekroje B1 (172 m) oraz B2 (63 m), x basen „C” – 18 punktów pomiarowych i przekrój C1 (365 m), x basen „D” – 26 punktów pomiarowych i przekroje D1 (158 m), D2 (216 m), D3 (216 m), Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz Badania osadów dennych zbiornika zaporowego ĩur 69 Rys. 1. Lokalizacja punktów pomiarowych i wyodrĊbnionych obszarów zbiornika [8] Fig. 1. The location of the measurement points in isolated areas of the reservoir [8] Na podstawie rezultatów przeprowadzonych pomiarów okreĞlono Ğrednią miąĪszoĞü osadów dennych w wyodrĊbnionych czĊĞciach badanego akwenu. Wyniki obliczeĔ z dokáadnoĞcią do 1 cm (ze wzglĊdu na precyzjĊ pomiaru) przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. ĝrednia miąĪszoĞü osadów dennych w wybranych obszarach Zbiornika ĩurskiego [8] Table 1. The average bottom sediment thickness in the choosen areas of ĩur reservoir [8] Obszar A B C D Liczba punktów pomiarowych 45 56 50 102 ĝrednia miąĪszoĞü [cm] 96 70 64 70 Odchylenie standardowe [cm] 95 45 34 36 70 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Otrzymane rezultaty Ğwiadczą o maáej reprezentatywnoĞci wartoĞci Ğredniej dla oceny iloĞci osadu dennego; w kaĪdym z uwzglĊdnionych obszarów Zbiornika ĩurskiego odchylenie standardowe przekracza bowiem poáowĊ wyniku uĞrednienia, a w obszarze „A” obydwie liczby są praktycznie jednakowe. Sytuacja taka nie daje podstaw do wiarygodnego wnioskowania statystycznego, a ewentualna kontynuacja tego kierunku badaĔ wymagaáaby znacznie wiĊkszej liczby punktów pomiarowych pokrywających duĪo dokáadniej poszczególne czĊĞci zbiornika. Jako podejĞcie alternatywne przyjĊto moĪliwoĞü okreĞlenia korelacji (wzdáuĪ wytypowanych przekrojów poszczególnych czĊĞci zbiornika) pomiĊdzy miąĪszoĞcią osadów dennych a: x gáĊbokoĞcią zbiornika w punkcie pomiaru, x odlegáoĞcią punktu pomiaru od brzegu. Dla oceny siáy związku pomiĊdzy miąĪszoĞcią osadu a gáĊbokoĞcią zbiornika, miąĪszoĞcią osadu dennego a odlegáoĞcią od brzegu oraz gáĊbokoĞcią zbiornika i odlegáoĞcią od brzegu wybrano wspóáczynnik korelacji oraz wartoĞci testu t, na istotnoĞü wspóáczynnika korelacji r. Dla oceny zróĪnicowania Ğredniej miąĪszoĞci w poszczególnych obszarach jako kryterium wybrano wartoĞü Ğrednią miąĪszoĞci oraz odchylenie standardowe. W wyniku przeprowadzonej analizy ustalono, Īe w przeciwieĔstwie do pracocháonnych i w maáym stopniu reprezentatywnych oznaczeĔ Ğredniej miąĪszoĞci osadów dennych w zbiorniku, duĪo bardziej obiecująco przedstawiają siĊ rezultaty badania korelacji pomiĊdzy miąĪszoĞcią a gáĊbokoĞcią lub odlegáoĞcią od brzegu [8]. Zwáaszcza pierwsza z tych korelacji operująca parą zmiennych dostĊpnych w tym samym pomiarze, stwarza uzasadnioną nadziejĊ na moĪliwoĞü opracowania nieskomplikowanej metodyki i prostego algorytmu dla wiarygodnego okreĞlenia iloĞci osadów dennych w badanym zbiorniku wodnym. PODSUMOWANIE MoĪna stwierdziü, Īe przedstawione w pracy wyniki stanowią, w zamierzeniu autorów, studium przygotowawcze do pogáĊbionych badaĔ nad zróĪnicowaniem miąĪszoĞci w poszczególnych obszarach zbiornika i do sformuáowania algorytmu, który pozwoli okreĞliü caákowitą iloĞü zalegających w zbiorniku osadów. LITERATURA [1] Chodakowski K., CieĞciĔski J., Dąbkowski R., Kozáowski A., 2007. Porównanie manualnych technik pomiaru miąĪszoĞci osadów dennych w Zbiorniku ĩurskim. [W:] Diagnozowanie stanu Ğrodowiska metody badawcze – prognozy. Kompleksowe badania i ochrona Ğrodowiska naturalnego, zbiór rozpraw pod red. J. Garbacza, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe, 91-100. Jacek CieĞciĔski, Jerzy K. Garbacz Badania osadów dennych zbiornika zaporowego ĩur 71 [2] Chodakowski K., CieĞciĔski J., Kozáowski A., Dąbkowski R., 2005. WstĊpna koncepcja techniki pomiaru miąĪszoĞci osadów dennych dla potrzeb oceny tempa wypáycania zbiornika Zaporowego ĩur. [W:] Diagnozowanie stanu Ğrodowiska metody badawcze – prognozy. Kompleksowe badania i ochrona Ğrodowiska naturalnego, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe, 144-151. [3] CieĞciĔski J., Ciechalski J., Dąbkowski R., Kozáowski A., Chodakowski K., 2009. Uwagi o przydatnoĞci odbiornika satelitarnego (GPS) w badaniach miąĪszoĞci osadów dennych zbiornika ĩurskiego z wykorzystaniem nurkowania swobodnego. [W:] Diagnozowanie stanu Ğrodowiska metody badawcze – prognozy. Kompleksowe badania i ochrona Ğrodowiska naturalnego, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe, 9-14. [4] CieĞciĔski J., Dąbkowski R. Kozáowski A., Chodakowski K., 2008. WstĊpna ocena tempa wypáycania centralnej czĊĞci Zalewu ĩurskiego. [W:] Diagnozowanie stanu Ğrodowiska metody badawcze – prognozy. Kompleksowe badania i ochrona Ğrodowiska naturalnego, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe. [5] Decyzja Prezydium Wojewódzkiej Rady Narodowej Wydziaáu Gospodarki Wodnej i Ochrony Powietrza z dnia 4 wrzeĞnia 1970 roku. [6] Decyzja Wojewody Bydgoskiego nr ROĝ-Oĝ-X6210/1381/97 z 19 sierpnia 1997 r. [7] DziewoĔski Z., 1973. Rolnicze zbiorniki retencyjne. PWN Warszawa. [8] Garbacz J.K., CieĞciĔski J., Dąbkowski R., Kozáowski A., 2010. ReprezentatywnoĞü wyników pomiarów miąĪszoĞci w wybranych punktach zbiornika zaporowego ĩur dla potrzeb oceny iloĞci osadów dennych. [W:] Diagnozowanie stanu Ğrodowiska metody badawcze – prognozy. Kompleksowe badania i ochrona Ğrodowiska naturalnego, Bydgoskie Towarzystwo Naukowe. [9] Gáodek J., 1985. Jeziora zaporowe Ğwiata. PWN Warszawa. [10] GoszczyĔski J., Jutrowska E., 2000. Uwagi do wskazaĔ metodycznych do projektów i eksploatacji monitoringu zbiorników zaporowych. Krajowa Konf. Zbiorniki Zaporowe, Metody BadaĔ i Ocen JakoĞci Wód, Zacisze. [11] IMGW, 1983. Podziaá hydrograficzny Polski. Zestawienie liczbowo-spisowe. Warszawa. [12] Kajak Z., 1998. Hydrobiologia-Limnologia. Ekosystemy wód Ğródlądowych. PWN Warszawa. [13] Kondracki J., 1978. Geografia fizyczna Polski. PWN Warszawa. [14] Roczniki statystyczne województwa kujawsko-pomorskiego, GUS. [15] Rozporządzenie Nr 10/2012 Dyrektora regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w GdaĔsku z dnia 4 grudnia 2012 w sprawie ustanowienia strefy ochronnej ujĊcia wody powierzchniowej „CzyĪkówko” z rzeki Brdy dla Miasta Bydgoszczy. [16] Starmach K., Wróbel S., Pasternak K., 1978. Hydrobiologia. PWN Warszawa. [17] WIOĝ Bydgoszcz, 2001. Raport o stanie Ğrodowiska województwa kujawsko-pomorskiego w 2000 roku. Biblioteka Monitoringu ĝrodowiska Bydgoszcz. 72 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska INVESTIGATION ON BOTTOM SEDIMENTS IN THE ĩUR RESERVOIR Abstract. The work has presented actual achievements of Environment Cultivation and Protection Faculty in acquisition and evaluation of empirical material on thickness of bottom debris of ĩurski reservoir. Application of an unique measurement technique with the use of freediving was possible with the support of research facility located in TleĔ. Systematic updating of the database enables to verify hypotheses on statistical relevance of correlation between the thickness of the debris and other characteristics of the reservoir. Keywords: reservoir, bottom sediment, morphometry, correlation, statistical significance OPIS FIZYCZNEJ ADSORPCJI GAZÓW NA CIAàACH STAàYCH – WYBÓR METODY A ZASÓB INFORMACJI O MODELU Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak*1 Streszczenie. RealizacjĊ celu pracy oparto na analizie dwóch najpopularniejszych koncepcji opisu adsorpcji gazów na homogenicznych powierzchniach ciaá staáych, tj. na monowarstwowym modelu Langmuira oraz na wielowarstwowym modelu Brunauera, Emmetta i Tellera. Prezentując wyprowadzenia odpowiednich izoterm adsorpcji potwierdzono zasadniczą równowaĪnoĞü metod, odpowiednio, kinetycznej, quasi-chemicznej oraz termodynamicznostatystycznej. Dowiedziono równoczeĞnie ich nierównocennoĞci pod wzglĊdem poznawczym, ukazując granice kompetencji interpretacyjnych dwóch pierwszych spoĞród nich i niezastĊpowalnoĞü trzeciej jako warunek uzyskania peánej informacji o kaĪdym z analizowanych modeli. Sáowa kluczowe: adsorpcja, model teoretyczny, metoda opisu, walor poznawczy WPROWADZENIE Klasa zjawisk fizykochemicznych, zwanych umownie powierzchniowymi, obejmuje takie phenomena, jak na przykáad flotacja, adhezja czy adsorpcja. W licznych opracowaniach naukowych i jeszcze liczniejszych, popularyzujących osiągniĊcia nauki podkreĞlano wielokrotnie istotną, a niekiedy wrĊcz kluczową rolĊ tych zjawisk w obszarach poznania i praktyki związanych, miĊdzy innymi, z kinetyką chemiczną, katalizą heterogenną, chromatografią, transportem metabolitów przez báony biologiczne, rafinacją produktów przemysáu chemicznego i spoĪywczego, indywidualną ochroną dróg oddechowych, ochroną powietrza atmosferycznego, oczyszczaniem Ğcieków, uzdatnianiem wody pitnej, szeroko pojĊtą inĪynierią Ğrodowiska naturalnego oraz wieloma innymi, których szczegóáowy katalog przekraczaáby ramy niniejszego opracowania. Utylitarny walor procesów zachodzących na granicach rozdziaáu faz stanowi równoczeĞnie bezdyskusyjne uzasadnienie dla, ukierunkowanych na nie, badaĔ teoretycznych mających za przedmiot miĊdzy innymi fizykochemiczne uwarunkowania równowagi termodynamicznej w rozwaĪanych ukáadach makroskopowych. Udana realizacja tak okreĞlonego celu, a zwáaszcza wysoki stopieĔ szczegóáowoĞci uzyskanych w jej toku rezultatów, wymagają speánienia szeregu * prof. dr hab. Jerzy K. GARBACZ, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, Uniwersytet Mikoáaja Kopernika w Toruniu, Collegium Medicum w Bydgoszczy, e-mail: [email protected] dr inĪ. Mieczysáaw STACHOWIAK, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP 74 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska warunków, poĞród których pierwszorzĊdną rolĊ odgrywają zarówno jednoznaczne zaáoĪenia modelowe tworzące fizyczny obraz zjawiska, jak i wáaĞciwy wybór metody badawczej. SáusznoĞci metodologicznego aspektu powyĪszego stwierdzenia nie podwaĪają, jak zostanie wykazane w dalszej czĊĞci opracowania, liczne przypadki zasadniczej równowaĪnoĞci róĪnych metod w kontekĞcie rozwiązaĔ finalnych. Przedstawione poniĪej rozwaĪania dotyczą trzeciego w kolejnoĞci wymienionych tu zjawisk powierzchniowych, tj. adsorpcji, a ĞciĞlej mówiąc, jednego z jej wariantów, tzw. fizysorpcji (w odróĪnieniu od adsorpcji aktywowanej okreĞlanej potocznie jako chemisorpcja). NajwaĪniejsze modele teoretyczne tego zjawiska posáuĪą przy tym jako ilustracja zaleĪnoĞci pomiĊdzy sposobem dochodzenia do ostatecznego rozwiązania a zasobem informacji o badanym procesie limitowanym charakterem obranej metody. MODEL LANGMUIRA Jest to chronologicznie pierwszy opis równowagi adsorpcyjnej oparty na jednoznacznym obrazie fizycznym fazy adsorbatu zapeániającego powierzchniĊ staáego adsorbentu. Obraz ten konstytuują nastĊpujące zaáoĪenia [2, 6, 7, 14, 15, 17, 18, 19, 31, 33-36, 47-49, 50, 51]: (i) powierzchnia adsorbentu zawiera B identycznych (pod kaĪdym wzglĊdem) miejsc adsorpcyjnych, (ii) kaĪde miejsce adsorpcyjne moĪe związaü co najwyĪej jedną molekuáĊ adsorbatu, (iii) adsorpcja ma charakter monowarstwowy i zlokalizowany, (iv) zaadsorbowane molekuáy nie oddziaáują pomiĊdzy sobą, (v) gaz niezaadsorbowany (adsorptyw) ma wáaĞciwoĞci gazu doskonaáego. Omawiana koncepcja odnosi siĊ zatem do adsorpcji na powierzchni homogenicznej (w rozumieniu zaáoĪenia (i)), a jej oryginalne sformuáowanie ma charakter kinetyczny . Obrana w tym celu metoda polega na porównaniu szybkoĞci dwóch przeciwnych procesów, tj. adsorpcji Va i desorpcji Vd , dla których odpowiednie zaleĪnoĞci dane są nastĊpująco: Va ka p( B N ) (1) Vd kd N (2) oraz gdzie N i p oznaczają liczbĊ zaadsorbowanych molekuá ( N d B ; warunek monowarstwowoĞci) oraz ciĞnienie adsorptywu, natomiast ka i kd są staáymi szybkoĞci, odpowiednio, adsorpcji i desorpcji. W stanie równowagi adsorpcyjnej obie szybkoĞci są jednakowe, co po porównaniu prawych stron równaĔ (1) i (2) daje: Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... ka p( B N ) kd N 75 (3) Zastąpienie bezwzglĊdnej liczbą molekuá adsorbatu, N, przez tzw. stopieĔ zapeánienia powierzchni adsorbentu, T N / B (dla adsorpcji monowarstwowej, T d 1 ) przeksztaáca równanie (3) do postaci: T KL p 1 KL p (4) w której staáa Langmuira, KL, jest dana ilorazem ka / kd . Wzór (4), bĊdąc powszechnie rozpoznawalnym przedstawieniem izotermy Langmuira, stanowi równoczeĞnie wygodną i, w wielu przypadkach, efektywną formĊ opisu izotermicznych danych doĞwiadczalnych: ciĞnienie – adsorpcja (oczywiĞcie w zakresie akceptowalnoĞci zaáoĪeĔ (i) – (v)). Problematyczne i, na gruncie metody kinetycznej, nieprzekonujące jest natomiast uogólnienie tego rozwiązania w celu wyprowadzenia zaleĪnoĞci na tzw. izosteryczne ciepáo adsorpcji [56], st q , definiowane wzorem Clausiusa-Clapeyrona jako: q st > @ R w ln p / w (T 1 ) ; T const (5) gdzie R oznacza uniwersalną staáą gazową. O ile bowiem odwrócenie funkcji (4) do postaci p p (T ) jest sprawą ba- nalną, o tyle uzaleĪnienie staáej Langmuira K L , od temperatury z wykorzystaniem jedynie arrheniusowskich zaleĪnoĞci na stale szybkoĞci ka i kd prowadzi do wniosku, Īe K L ~ exp>H d H a / RT @ , przy czym H d i H a są odpowiednimi energiami aktywacji. Pomijając w tym miejscu kwestiĊ wspóáczynnika proporcjonalnoĞci, naleĪy przede wszystkim podkreĞliü brak eksperymentalnych moĪliwoĞci niezaleĪnego wyznaczenia wartoĞci tych energii, co oznacza, w gruncie rzeczy, kres kompetencji metody kinetycznej. Jakikolwiek postĊp w przedmiotowym zagadnieniu wymaga zatem istotnej zmiany w samym sposobie dochodzenia do ostatecznego rozwiązania. Na gruncie modelu Langmuira sposobem takim jest, zaproponowana przez Kisielewa [32], metoda quasi-chemiczna, która akceptując w caáoĞci oryginalny obraz ukáadu adsorpcyjnego, tj. zaáoĪenia (i) – (v), traktuje adsorpcjĊ jako odwracalną reakcjĊ chemiczną, w której substratami są odpowiednio: molekuáa adsorptywu M oraz miejsce adsorpcyjne na powierzchni adsorbatu S, a produktem – tzw. kompleks adsorpcyjny A. RównaA. nie takiej „reakcji” przedstawia prosty zapis: M S JeĪeli jako miary równowagowych koncentracji poszczególnych „reagentów” tego procesu przyjąü: dla M – ciĞnienie adsorptywu, p, dla A – stopieĔ zapeánienia powierzchni adsorbentu, T oraz dla S – róĪnicĊ (1 T ) , wtedy rozwaĪany stan równowagi charakteryzuje staáa izotermiczna, K, w postaci: 76 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska K T p(1 T ) (6) Jest oczywiste, Īe identycznoĞü równania (6) z zaleĪnoĞcią (4) pociąga za sobą warunek: K L K , co z kolei pozwala przedstawiü temperaturową zaleĪnoĞü staáej Langmuira zgodnie z równaniem izobary van’t Hoffa, tj.: K Lo exp(Qo / RT ) KL (7) gdzie przedeksponencjalny czynnik K Lo jest, w pierwszym przybliĪeniu, niezaleĪny od temperatury, natomiast Qo oznacza molowe ciepáo adsorpcji (równe zmianie entalpii ze znakiem minus). W konsekwencji, ciepáo izosteryczne korespondujące z modelem Langumira wyraĪa siĊ wzorem: q st Qo i, zgodnie z zaáoĪeniami (i) – (v), nie zaleĪy od stopnia zapeánienia powierzchni adsorbentu. NiezaleĪnie od kontrowersyjnego charakteru tego wniosku, istotnym atutem koncepcji quasi-chemicznej jest, w odróĪnieniu od metody kinetycznej, eksperymentalna moĪliwoĞü jego weryfikacji (na przykáad na podstawie danych kalorymetrycznych). Oznacza to, Īe pomimo zasadniczej równowaĪnoĞci metod opisu zjawiska, druga z nich, tj. quasi-chemiczna, w istotny sposób wzbogaca poznawczy aspekt modelu Langmuira. Pojawia siĊ jednak pytanie: czy go wyczerpuje? ZasadnoĞü tego pytania wynika z postaci funkcji (7), zgodnie z którą staáa Langmuira dąĪy do zera, gdy ciepáo adsorpcji zmierza do minus nieskoĔczonoĞci. Wniosek taki jest sprzeczny nie tylko z intuicją badawczą, ale takĪe z termodynamiką, która wyklucza endotermiczny charakter procesów samorzutnych biegnących ze zmniejszeniem entropii ukáadu (a takim jest adsorpcja mająca wiele cech kondensacji). Rozwikáanie tego dysonansu poznawczego wymaga zaangaĪowania teorii wykraczającej poza formalizm metody quasi-chemicznej. MoĪe nią byü, jak wykazano poniĪej, teoria statystyczna oparta na kanonicznej sumie stanów warstwy, której fizyczny obraz jest w peáni zgodny z zaáoĪeniami (i) – (v). W tym celu wspomnianą sumĊ stanów, Z, przedstawiono nastĊpująco [37]: Z B! NE o jaN exp N !( B N )! kT (8) Symbole B i N mają tu sens identyczny jak w równaniu (1), natomiast Eo , k, T i ja oznaczają, odpowiednio, potencjaá adsorpcyjny, staáą Boltzmanna, temperaturĊ oraz wewnĊtrzną sumĊ stanów zaadsorbowanej molekuáy. Energia swobodna warstwy adsorpcyjnej, F, speánia jedną z podstawowych relacji termodynamiki statycznej, tj.: F kT ln Z (9) Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 77 co po zastosowaniu tzw. przybliĪenia Stirlinga, ln N ! N ln N N oraz uwzglĊdnieniu definicji potencjaáu chemicznego adsorbatu, P a (wF / wN )T , B , daje: ª1 Eo N º kT ln « exp( ) » kT B N ¼ ¬ ja Pa (10) Z kolei potencjaá chemiczny adsorptywu, P a , traktowanego, zgodnie z zaáoĪeniem (v), jako gaz doskonaáy, wyraĪa siĊ znaną zaleĪnoĞcią: kT ln Pg p kT j g t 3 (11) w której jg oznacza wewnĊtrzną sumĊ stanów molekuáy w stanie gazowym, a t jest termiczną dáugoĞcią fali okreĞloną zaleĪnoĞcią: h 2S m kT t (12) gdzie h i m są odpowiednio: staáą Plancka i masą pojedynczej molekuáy. Zgodnie z warunkiem równowagi termodynamicznej ukáadu jednoskáadnikowego i dwufazowego (adsorptyw/adsorbat): P g P a , mamy zatem: p kTt 3 jg Eo T exp( ) ja kT 1 T (13) co stanowi funkcjĊ odwrotną wobec zaleĪnoĞci (4), przy czym: ~ t ja Eo exp( ) kT jg RT 3 KL (14) ~ o MoĪna áatwo wykazaü [46], Īe molowy potencjaá adsorpcyjny, E , jest prawie równy (z dokáadnoĞcią do molowej energii drgaĔ zerowych ukáadu oscylatorów harmonicznych) ciepáu, Qo , co pozwala czynnik przedeksponencjalny staáej Langmuira, K Lo , przedstawiü jako: K Lo t 3 ja kT jg (15) Z punktu widzenia kierunku obecnych rozwaĪaĔ najbardziej interesującą wielkoĞcią w powyĪszym równaniu jest suma stanów ja . MoĪna bowiem przypuszczaü, Īe to wáaĞnie ona moĪe stanowiü klucz do rozwiązania problemu. 78 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska W tym celu przyjmijĊto, Īe kaĪda zaadsorbowana molekuáa jest trójwymiarowym oscylatorem harmonicznym drgającym z czĊstoĞcią Q . JeĪeli z peánego ruchu drgającego molekuáy wydzieli siĊ skáadową prostopadáą do powierzchni adsorbentu, wtedy: ja , imax j, a ¦ exp(ihQ / kT ) (16) i 0 gdzie ja uwzglĊdnia wszystkie pozostaáe postaci energii cząsteczki, natomiast i jest oscylacyjną liczbą kwantową, której górna granica, imax , speánia warunek: (imax 1)hQ Eo (17) co oznacza, Īe dla i ! imax , nastĊpuje proces desorpcji. Wobec równaĔ (16) i (17): ja ja, 1 exp( E o / kT ) 1 exp( hQ / kT ) (18) Podstawienie tego rezultatu do wzoru (14) (daje): KL t 3 ja, kT >1 exp( hQ / kT )@ jg ª º Eo exp( ) 1» « kT ¬ ¼ (19) albo, zgodnie z wczeĞniejszymi ustaleniami: KL ,ª Q º K Lo «exp( o ) 1» RT ¬ ¼ (20) RóĪnica pomiĊdzy powyĪszym rozwiązaniem a izobarą van’t Hoffa (7), chociaĪ maáo istotna dla typowych wartoĞci Qo (zazwyczaj exp>Qo / RT @ !! 1 ), „ocala” jednak termodynamiczny status staáej Langmuira, zapewniając zerowanie tej funkcji dla Qo 0 , czyli bez potrzeby wprowadzania fizycznie niereal- , nej koncepcji ujemnego ciepáa adsorpcji. Czynnik K Lo , którego szczegóáowa postaü wynika jednoznacznie z równaĔ (15) i (18), nie moĪe juĪ byü dáuĪej traktowany jako niezaleĪny od temperatury. MoĪna zatem stwierdziü, Īe metody: kinetyczna, quasi-chemiczna oraz statystyczna są równowaĪne w sensie ogólnej postaci izotermy Langmuira (równanie (4)), Īe kolejno prezentują coraz bogatszą informacjĊ o modelu, a peánia tej informacji dana jest dopiero w metodzie statystycznej. Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 79 ADSORPCJA WIELOWARSTWOWA Potrzeba byáo aĪ dwudziestu lat, by po wielu próbach udaáo siĊ nareszcie uogólniü prosty model Langmuira na przypadki adsorpcji wielowarstwowej. Sztuki tej dokonali w 1938 roku Brunauer, Emmett i Teller [9]. Od ich nazwisk równanie reprezentujące tĊ najpopularniejszą koncepcjĊ poliwarstwy adsorpcyjnej nosi nazwĊ izotermy BET i ma postaü: T Ch (1 h)>1 (C 1)h@ (21) gdzie C jest staáą izotermiczną, natomiast h p / ps ( ps ) – prĊĪnoĞü pary nasyconej) oznacza ciĞnienie wzglĊdne adsorptywu. Zadziwiająco proste zaáoĪenia modelu obejmują zaledwie dwa warunki, tj. (a) jedynymi centrami adsorpcji dla molekuáy danej warstwy są molekuáy warstwy bezpoĞrednio niĪszej oraz (b) ciepáo adsorpcji we wszystkich warstwach z wyjątkiem pierwszej jest jednakowe i równa siĊ ciepáu kondensacji danego adsorptywu. Niestety prostota zaáoĪeĔ w przykry sposób kontrastuje ze zniechĊcająco zawiáym kinetycznym wyprowadzeniem finalnego równania adsorpcji. W pracy pomiĊto ten tok rozumowania, przedstawiono natomiast w pierwszej kolejnoĞci równowaĪną metodĊ quasi-chemiczną, którą zawdziĊczamy ponownie Kisielewowi [32]. Wykorzystując charakterystyczny dla tej metody schemat, zapisano: M S A1 M S A2 # M An 1 An # gdzie M i S oznaczają, jak wczeĞniej, molekuáĊ adsorptywu oraz miejsce na powierzchni adsorbentu, natomiast Ai (i 1,2,..., n,...) są i-krotnymi, wertykalnymi kompleksami (asocjatami) molekuá adsorbatu. Kolejnym etapom konstytuowania równowagi adsorpcyjnej odpowiadają staáe izotermiczne o nastĊpującej postaci: K1 K1 # T1 p(1 T ' ) T2 p T1 (22) (23) 80 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Kn Tn p T n 1 (24) # Ze wzglĊdu na zaáoĪenie (b), kaĪda ze staáych; K 2 , K 3 ..., K n ,... jest jednakowa i identyczna ze staáą kondensacji, ps1 . Wprowadzając ciĞnienie wzglĊdne adsorptywu, h p / ps , moĪna wiĊc zapisaü: T2 h T1 T3 h T2 (25) h 2 T1 (26) # Tn h T n 1 h n 1T1 (27) # PowyĪej, podobnie jak w równaniach (22)-(24), T i (i 1,2,..., n,...) jest stopniem zapeánienia powierzchni przez kompleksy i-krotne, a T ' oznacza stopieĔ zapeánienia pierwszej warstwy adsorpcyjnej. Wobec oczywistych konsekwencji zaáoĪeĔ (a) i (b): T ' T1 T 2 ... T n ... (28) T T1 2T 2 ... nT n ... (29) oraz Stąd i z równaĔ (25) – (27): T ' T1 (1 h h 2 ... h n 1 ... (30) T T1 (1 2h 3h 2 ... nT n 1 ...) (31) oraz JeĪeli szeregi potĊgowe w równaniach (30) i (31) potraktowaü jako nieskoĔczone, to ich zbieĪnoĞü wobec warunku h 1 jest bezdyskusyjna. Zatem: T1 T (1 h) 2 (32) T ' T (1 h) (33) natomiast: Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 81 Podstawienie obu ostatnich rezultatów do równania (22) daje dokáadnie równanie BET (21), w którym staáa C okazuje siĊ (po utoĪsamieniu K1 i K2) po prostu iloczynem staáej Langmuira i prĊĪnoĞci pary nasyconej. Równanie BET, tak wdziĊcznie przyjĊte przez doĞwiadczalników, staáo siĊ równoczeĞnie obiektem zadziwiająco wielkiej liczby ataków ze strony teoretyków adsorpcji. Nie aspirując do podania kompletnej listy kontestatorów, moĪna wymieniü jedynie przykáadowo takie nazwiska, jak: Pickett [41], Anderson [1], Smith i Pierce [53], HĦttig [27] czy Troesch [55]. Krytyce towarzyszyáy, na ogóá, propozycje rozwiązaĔ alternatywnych, które jednak albo zawieraáy wiĊkszą liczbĊ parametrów niĪ równanie BET, albo – po szczegóáowej analizie – okazywaáy siĊ niezgodne z zasadą mikroskopowej odwracalnoĞci procesu [11-13, 21-24, 39, 40, 52]. Na swoisty paradoks zakrawa i to, Īe w wielu przypadkach autorzy takich krytyk utrzymywali, Īe przyjĊty przez nich obraz fizyczny wielowarstwy nie róĪni siĊ od oryginalnego. Wszystko to stworzyáo sytuacjĊ, którą trafnie, choü nieco Īartobliwie, oddaje stwierdzenie, Īe maáo która zaleĪnoĞü, tak jak równanie BET, doczekaáa siĊ tylu hucznych pogrzebów i równoczeĞnie tylu cichych ekshumacji. Pesymistyczne byáo jednak to, Īe wytworzonego, w toku wyĪej wspomnianej dyskusji, dylematu nie moĪna byáo rozstrzygnąü ani na gruncie metody kinetycznej, ani teĪ quasi-chemicznej, natomiast podejmowane próby sformuáowania statystycznego odznaczaáy siĊ sporą nieporadnoĞcią [10]. Dopiero Hill [25] Ğwiadom zarówno siáy metody statystycznej, jak i wymaganej przez nią szczególnej dyscypliny rozumowania udowodniá, Īe na gruncie oryginalnych zaáoĪeĔ modelu BET jedynym poprawnym rozwiązaniem jest równanie (21), a kaĪda inna formuáa musi byü báĊdna. Wyprowadzenie podane przez Hilla stanowi piĊkny przykáad kompetencji, wnikliwoĞci i erudycji autora, a nadto ma trudny do przecenienia walor dydaktyczny. Z tych teĪ powodów (obok oczywiĞcie zasadniczego, jakim jest ilustracja wpáywu metody na zasób informacji o modelu), poniĪej przedstawiono jego zarys. Podstawowe ustalenie prezentowanego wywodu dotyczy postaci kanonicznej sumy stanów wielowarstwowej fazy adsorpcyjnej traktowanej jako superpozycja monowarstw langmuirowskich. Stąd: Z Z1 Z L ...Z n ... (34) B! NE j1N1 exp 1 1 N1 !( B N1 ) kT (35) gdzie: Z1 oraz: Z j t2 N j 1 ! N j !( N j 1 N j ) N jL j exp N j EL kT (36) 82 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska gdzie N i (i 1,2,...) oznacza liczbĊ molekuá w i-tej warstwie adsorpcyjnej, ' L j1 j są wewnĊtrznymi sumami stanów molekuá, odpowiednio, w warstwie pierwszej oraz we wnĊtrzu fazy ciekáej danego adsorbatu, natomiast odpowiadające tym stanom energie (ze znakiem minus) oznaczono jako E1 i EL . JeĪeli przyjąü jako wielkoĞci staáe temperaturĊ oraz liczbĊ miejsc adsorpcyjnych, wtedy warunkiem równowagi termodynamicznej bĊdzie minimum energii swobodnej adsorbatu. Na mocy równania (9) oznacza to maksimum lnZ. Prosty z natury zabieg maksymalizacji funkcji wielu zmiennych musi jednak w tym przypadku (i na tym polega nieprzemijająca zasáuga Hilla) uwzglĊdniü fakt, Īe argumenty tej funkcji, czyli poszczególne N i , nie są od siebie niezaleĪne, lecz speániają warunek staáoĞci caákowitej liczby molekuá adsorbatu, N, w postaci: N ¦N i const (37) i t1 Zgodnie z metodą Lagrange'a maksymalizacji podlega zatem funkcja: F ln Z D ¦ N i (38) i t1 w której D jest mnoĪnikiem nieoznaczonym. Wobec równania (35): ln Z ¦ ln Z i (39) i t1 natomiast ze wzglĊdu na zaleĪnoĞci (35) i (36): dF º ª w ln Z i w ln Z i 1 )T , B , N j zi ( )T , B , N j zi D » dN i wN i i t1 ¬ wN i ¼ ¦ «( (40) W maksimum bezwzglĊdnym funkcji F kaĪdy nawias kwadratowy powyĪszego równania znika niezaleĪnie, wyznaczając najbardziej prawdopodobny rozkáad molekuá pomiĊdzy poszczególne warstwy adsorpcyjne. Zdefiniujmy obecnie dwa potencjaáy chemiczne molekuá warstwy i-tej, odpowiednio, w ich macierzystej warstwie, Pi oraz w warstwie bezpoĞrednio wyĪszej, Pi , i 1 . Zgodnie z termodynamiką statystyczną zapiszemy: Pi kT ( w ln Z i )T , B , N j zi wN i (41) Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 83 oraz kT ( P i , i 1 w ln Z i 1 )t , B , N j zi wN i (42) Na podstawie tych definicji warunek najbardziej prawdopodobnego rozkáadu molekuá pomiĊdzy poszczególne warstwy przyjmuje postaü: P Pi ,i 1 i kTD (43) Z drugiej strony, w tym samym stanie równowagi: ( w ln Z )T , B D wN 0 (44) lub inaczej: Pa kTD (45) gdzie P a jest potencjaáem chemicznym caáej fazy adsorpcyjnej. Odwoáując siĊ ponownie do termodynamicznego kryterium równowagi ukáadu dwufazowego ( P a P g ) i traktując adsorptyw jak gaz doskonaáy, otrzymuje siĊ ostatecznie: P i P i , i 1 kT ln p kT jat 3 (46) Odpowiednie przeksztaácenia równaĔ (35) i (36) dają: P1 P1, 2 P 2 P 2, 3 ª1 E N N2 º kT ln « exp( 1 ) 1 kT B N1 »¼ ¬ j1 ª1 E N N3 º kT ln « exp( L ) 2 » kT N1 N 2 ¼ ¬ jL (47) (48) # P n P n,n1 ª1 E N N n1 º kT ln « exp( L ) n » kT N n1 N n ¼ ¬ jL (49) # Definicja staáej kondensacji: KL t 3 jL E exp( L ) kT jg kT (50) 84 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska nastĊpnie utoĪsamienie tej funkcji z odwrotnoĞcią prĊĪnoĞci pary nasyconej oraz poáączenie równaĔ (47)-(49) z wyraĪeniem (46) prowadzą do nastĊpujących zaleĪnoĞci: h jL E E2 N1 N 2 exp( 1 ) j1 kT B N1 N 2 N 3 ( N1 N 2) h ( N1 N 2 )h 2 N3 N 4 # N n N n 1 ( N1 N 2) h n 1 (51) (52) (53) (54) # Wobec jednoznacznego obrazu fizycznego wielowarstwy adsorpcyjnej mamy: N1 N ( N1 N 2 ) ( N 2 N 3 ) ( N 3 N 4 ) ... (55) ( N1 N 2 ) 2( N 2 N 3 ) 3( N 3 N 4 ) ... (56) Stąd i z równaĔ (52) – (54): ( N1 N 2 ) N (1 h) 2 (57) oraz N1 N (1 h) (58) Podstawienie dwóch ostatnich rezultatów do równania (51) daje: h T (1 h) 2 C >1 T (1 h)@ (59) gdzie stopieĔ zapeánienia powierzchni adsorbentu jest jak zwykle równy N/B, natomiast staáa izotermiczna C speánia zaleĪnoĞü: C j1 E EL exp( 1 ) jL kT (60) WystĊpująca powyĪej róĪnica, E1 EL , bywa zwyczajowo nazywana „czystym” ciepáem adsorpcji. Wykazanie wzajemnej równowaĪnoĞci równaĔ (59) i (21) jest na tyle áatwe, Īe nie ma potrzeby dokonywania dalszych przeksztaáceĔ. Odnotujmy tylko, w podsumowaniu, Īe – podobnie jak w przypadku modelu Langmuira – równieĪ i tu caáa prawda o wewnĊtrznej strukturze koncepcji teoretycznej do- Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 85 stĊpna jest dopiero na poziomie metody statystycznej. Jedynie ta metoda rozstrzyga ostatecznie spór o relacjĊ pomiĊdzy zaáoĪeniami modelu BET a formą jego finalnego równania. KONKLUZJA Celem rozwaĪaĔ skáadających siĊ na niniejsze opracowanie byáo ukazanie istotnego, zdaniem autorów, problemu metodologicznego. CzĊsto bowiem w toku rozwaĪaĔ teoretycznych (mających z zasady charakter modelowy) zysk wynikający z wyboru áatwiejszej metody bywa okupiony utratą czĊĞci informacji na temat „anatomii” analizowanego lub aplikowanego modelu. Nie pociąga to za sobą negatywnych skutków poznawczych wtedy, gdy stanowi Ğwiadome i celowe postĊpowanie badawcze, ukierunkowane jedynie na fragment peánej struktury koncepcji teoretycznej. Staje siĊ natomiast naukowo wątpliwe, gdy cel badawczy w oczywisty sposób wykracza poza granice kompetencji metody i gdy równoczeĞnie na tej tylko podstawie formuáowane są wnioski o zasadniczej nierozstrzygalnoĞci problemu. Jako przykáad ilustrujący to zagadnienie wybrano dwie powszechnie rozpoznawalne koncepcje opisu adsorpcji fizycznej gazów na ciaáach staáych, tj. modele Langmuira oraz Brunauera, Emmetta i Tellera (BET). Oba doczekaáy siĊ licznych – zarówno afirmatywnych, jak i krytycznych – analiz i dyskusji. Oba przysáuĪyáy siĊ teĪ do rozwoju teorii adsorpcji na powierzchniach heterogenicznych, którą wielu badaczy uznaáo za jedną z najwaĪniejszych gaáĊzi fizykochemii XX wieku. Tymczasem jeszcze dáugo po tym, jak kaĪda z tych koncepcji potwierdziáa swoje niezaprzeczalne walory „uĪytkowe”, trwaáy spory na temat ich wewnĊtrznej struktury teoretycznej. Zamierzeniem autorów opracowania byáo ukazanie pozornego i w maáym stopniu twórczego charakteru tych sporów. W obu bowiem przypadkach wynikaáy one z niedostatków metody i okazywaáy siĊ nieistotne z punktu widzenia bardziej zaawansowanej podstawy metodologicznej. Przedstawione tu rozwaĪania nie podwaĪają oczywistego faktu, Īe metoda kinetyczna quasi-chemiczna oraz termodynamiczno-statystyczna są zasadniczo równowaĪne, zwracają jednak uwagĊ na to, Īe równowaĪnoĞü metod to nie to samo co ich poznawcza równocennoĞü. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Anderson R. B., J. Am. Chem. Soc., 68, 686 (1948). Balazs N.L., Physica's Grav., 17, 865 (1951). Baly E.C.C., Proc. Roy. Soc., A160, 465 (1937). Berenyi L., Z. Phisik. Chem., 94, 628 (1920). Berenyi L., Z. Phisik. Chem., 105, 55 (1923). Boutaric A., J. Chim. Phys., 35, 158 (1938). Brovetto P., Gazz. chim. ital., 83, 281 (195310. Brunauer S., Emmett P.H., J. Am. Chem. Soc., 57, 2732 (1935). 86 [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Brunauer S., Emmett P.H., Teller E., J. Am. Chem. Soc., 60, 309 (1938). Cassie A.B.D., Trans. Faraday Soc., 41, 450 (1945). Cassie A.B.D., Trans. Faraday Soc., 43, 615 91947). Cassel H.M., J. Chem. Phys., 12, 115 (1944). Cassel H.M., J. Phys. Chem., 48, 195 (1944). Cernuschi F., Comp. Rend., 206, 585 (1938). Dunken H., Z. Phisyc. Chem., A187, 105 (1940). Foster A.G., J. Chem. Soc. 769 (1945). Fowler R.H., Proc. Camb. phil. Soc., 31, (260) (1935). Fowler R.H., Proc. Camb. phil. Soc., 32, 144 (1936). Ganguli A., Physik. Z., 64, 81 (1929). Goldmann F., Polanyi M., Z. physic. Chem., 132, 321 (1928). Gorter C.J., Frederikse H. P. R., Phisica's Grav., 15, 891 (1949). Gregg S.J., Jacobs J., Trans Faraday Soc., 44, 574 (1948). Halsey G.D., Advances in Catalysis, 4, 259 (1952). Halsey G.D., J. Chem. Phys., 16, 931 (1948). Hill T.L., J. Chem. Phys., 14, 263 (1946). Hill T.L., J. Chem. Phys., 14, 268, Dodatek (1946). Hüttig G.F., Monatsh., 78, 177 (1948). Jones D.C., J. Chem. Soc., 126 (1951). Jones D.C., J. Chem. Soc., 1464 (1951). Jones D.C., Birks W., J. Chem. Soc., 1127 (1951). Kar S.C., Ganguli A., Physic. Z., 30, 918 (19290. Kisielev A.V., Koll. Zh., 38, 338 (1958). Laidler K.J., Glasstone S., Eyring H., J. Chem. Phys., 8, 659 (1940). Langmuir I., J. Am. Chem. Sac., 40, 1361 (1918). Lennard-Jones J.E., Devonshire A.F., Proc. Roy. Soc., A156, 6 (1936). Lennard-Jones J.E., Devonshire A.F., Proc. Roy. Soc., A156, 29 (1936). Linsen B.G., Phisical and Chemical Aspects of Adsorbents and Catalysts, Academic Press, London – New York 1970. Lowry H.H., Olmstead P. S., J. Phys. Chem., 31, 1601 (1927). Mc Millan W.G., Teller E., J. Chem. Phys., 19, 25 (1951). Mc Millan W.G., Teller E., J. Phys., Chem. 55, 17 (1951). Pickett G., J. Am. Chem. Soc., 67, 1958 (1945). Polanyi M., Verh. dtsch phys. Ges., 16, 1012 (1916). Polanyi M., Verh. dtsch phys. Ges., 18, 55 (1916). Polanyi M., Z. Elektrochem., 35, 431 (1929). Polanyi M., Welke K., Z. Physic. Chem., 132, 371 (1928). Ross S., Olivier J.P., On Physical Adsorption, Interscience Publishers, Inc., New York 1963. Rushbrook G.S., Proc. Camb. phil. Soc., 38, 236 (1942). Rushbrook G.S., Trans. Faraday Soc., 36, 1055 (1940). Rushbrook G.S., Coulson C. A., Proc. Camb. phil. Soc., 36, 248 (1940). Sexl T., Z. Physic., 48, 607 (1928). Temkin N.I., Acta Physicochim. URSS., 1, 36 (1934). Theimer O., Trans. Faraday Soc., 48, 326 (1952). Smith R.W., Pierce C., J. Phys. Chem., 52, 1115 (1948). Tompkins F.C., Trans. Faraday Soc., 46, 580 (1950). Jerzy K. Garbacz, Mieczysáaw Stachowiak Opis fizycznej adsorpcji gazów na ciaáach staáych... 87 [55] Troesch A., J. Chim. Phys., 48, 454 (1951). [56] Young D.M., Crowell A.D., Physical Adsorption of Gases, Butterworth & Co (publishers), London 1962. DESCRIPTION OF PHYSICAL ADSORPTION OF GASES ON SOLIDS – DEPENDENCE BETWEEN THE METHOD SELECTED AND THE INFORMATION CONTENT ON THE MODEL UNDER CONSIDERATION Abstract. The aim of the present paper deals with the most popular models applied for describing gas physical adsorption on solids i. e. Langmuir model (monolayer adsorption) and Brunauer – Emmett – Teller one (multilayer adsorption). Derivation of the suitable adsorption isotherms confirmed the principal equivalency of the methods, respectively, kinetic, qasi-chemical and statistical. From the other hand it was pointed out that although two first of them contain the valuable parts of information on the theoretical structure of each model, however, the full model anatomy may be reached on the statistical way exclusively. Keywords: adsorption, theoretcal model, description method, cognitive value KSZTAàTOWANIE WARTOĝCI WSKAħNIKÓW ZUĩYCIA WODY DO CELÓW BYTOWYCH W WYBRANYCH MIASTACH WOJEWÓDZTWA KUJAWSKO-POMORSKIEGO Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz*1 Streszczenie. Podstawą prawidáowego projektowania systemów zaopatrzenia w wodĊ jest uzyskanie wiarygodnych informacji do sporządzenia bilansu wody. Obserwowany w Polsce po 1989 roku spadek zuĪycia wody przez wszystkie grupy jej odbiorców wymaga systematycznej weryfikacji wartoĞci wskaĨników jednostkowego zuĪycia wody. W pracy przedstawiono wyniki badaĔ jednostkowego zuĪycia wody zimnej, ciepáej i ogólnej na cele bytowo-gospodarcze w budynkach wielorodzinnych w najwiĊkszych miastach województwa kujawsko-pomorskiego. Analiza przeprowadzona w latach 2000-2005 wskazuje na stabilizacjĊ wskaĨnika zuĪycia wody, który znajduje siĊ na poziomie zaspokojenia podstawowych potrzeb konsumenta. Sáowa kluczowe: zuĪycie wody, wskaĨniki jednostkowe zuĪycia wody, sieü wodociągowa, zapotrzebowanie na wodĊ, budynki wielorodzinne WSTĉP Podstawowym zadaniem w procesach planowania i projektowania rozwoju oraz eksploatacji systemów zaopatrzenia w wodĊ jest okreĞlenie parametrów, które bĊdą odzwierciedlaáy rzeczywiste rozbiory wody w miejskich i wiejskich systemach wodociągowych. Prawidáowe ustalenie iloĞci wody i powstaáych z niej Ğcieków stanowi w przypadku projektowania systemów wodociągowych i kanalizacyjnych zagadnienie wstĊpne, wyjĞciowe, lecz zarazem niezwykle waĪne dla koĔcowego rezultatu. Jedyną praktyczną podstawą do bilansowania iloĞci wody i Ğcieków dla nowo budowanych i rozbudowywanych jednostek osadniczych stanowiáy wytyczne [13], które niestety siĊ zdezaktualizowaáy. Przyczyną zaistniaáej sytuacji jest bardzo istotny spadek zuĪycia wody we wszystkich grupach odbiorców. Do gáównych przyczyn zmniejszenia siĊ jednostkowego zuĪycia wody naleĪy zaliczyü wprowadzenie urządzeĔ pomiarowych wraz z systemem rozliczeĔ, wiąĪących wysokoĞü ponoszonych opáat z wielkoĞcią zuĪycia wody [4, 5, 9, 10], stosowanie wodooszczĊdnych rozwiązaĔ technicznych do poboru wody [1], usprawnienie obiegów ciepáej wody uĪytkowej oraz wzrost opáat za wodĊ [6]. Obserwowany ciągáy spadek zuĪycia wody w gospodarstwach domowych w miastach polskich ma istotne konsekwencje dla pracy istniejących systemów zaopatrzenia w wodĊ osiedli mieszka* dr inĪ. Rafaá PASELA, prof. dr hab. inĪ. Jan KLUGIEWICZ, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 90 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska niowych oraz stwarza nowe wymagania przy projektowaniu nowych obiektów mieszkalnych [2, 3, 7, 8, 11, 12]. Podstawowymi wartoĞciami charakteryzującymi rozbiór wody w mieszkalnictwie są jednostkowe wskaĨniki zapotrzebowania wody, które w znacznym stopniu odbiegają od rzeczywistoĞci. W celu unikniĊcia báĊdów juĪ na etapie projektowania konieczne jest systematyczne aktualizowanie wytycznych, które stanowią materiaá Ĩródáowy do szacowania przeciĊtnego zuĪycia wody w gospodarstwach domowych. Proces projektowania sieci wodociągowych i instalacji wodociągowych powinien przebiegaü z uwzglĊdnieniem przewidywanych zmian wartoĞci rozbiorów wody przez odbiorców korzystających z instalacji wodociągowych wyposaĪonych w indywidualny system pomiarowy. Z tych powodów celowym jest podjĊcie badaĔ nad ustaleniem wartoĞci jednostkowych wskaĨników zapotrzebowania na wodĊ w gospodarstwach domowych i trendu ich zmian w warunkach peánego indywidualnego opomiarowania budynków wielorodzinnych w najwiĊkszych miastach woj. kujawsko-pomorskiego. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTÓW OBJĉTYCH BADANIAMI ZUĩYCIA WODY W celu przeprowadzenia prac badawczych wytypowano ogóáem 131 obiektów (budynków wielorodzinnych). Analizą objĊto cztery najwiĊksze miasta województwa kujawsko-pomorskiego: Bydgoszcz, ToruĔ, Wáocáawek i Grudziądz w latach 2000-2005. CharakterystykĊ obiektów objĊtych badaniami zuĪycia wody zestawiono w tabeli 1. WyposaĪenie sanitarne wszystkich mieszkaĔ odpowiadaáo obecnym standardom i obejmowaáo w pomieszczeniu áazienki: umywalkĊ i wannĊ, w pomieszczeniu wc í miskĊ ustĊpową i umywalkĊ oraz w kuchni í zlewozmywak i bardzo czĊsto zmywarkĊ do naczyĔ. Wszystkie instalacje miaáy urządzenia pomiarowe umoĪliwiające przeprowadzenie badaĔ. Byáy wyposaĪone w wodomierze mieszkaniowe zimnej i ciepáej wody uĪytkowej. LiczbĊ mieszkaĔców normatywnych (Mn) oraz lokali mieszkalnych (m) ustalono w oparciu o dokumentacjĊ techniczną budynków, natomiast liczbĊ mieszkaĔców zameldowanych (Mz) na podstawie systematycznie uaktualnianych danych gromadzonych przez administracjĊ spóádzielni mieszkaniowych. ĝredni normatyw mieszkania dla wszystkich badanych obiektów wyniósá 2,80, a przeciĊtne zasiedlenie budynku 0,93%. Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... 91 Tabela 1. Charakterystyka obiektów objĊtych badaniami zuĪycia wody Table 1. Characteristics of buildings included in the research of water use Liczba mieszkaĔców miasta* 361222 206619 118432 99090 785363 Liczba Liczba Liczba** ĝredni obiektów mieszkaĔ mieszkaĔców normatyw przewidzianych zameldowanych mieszkania do badaĔ Bydgoszcz 86 4225 10880 3,02 ToruĔ 15 503 1461 2,77 Wáocáawek 20 1287 2999 2,36 Grudziądz 10 335 1035 3,07 Ogóáem/Ğrednio 131 6380 16375 2,80 WskaĨnik zasiedlenia budynków Mz/Mn 0,80 0,82 1,18 0,94 0,93 * dane GUS z 31.12.2005 r. ** dane z 31.12.2005 r. Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description WYNIKI BADAē Badania jednostkowego zuĪycia wody w latach 2000-2005 wskazują, Īe obserwowany trend spadkowy zuĪycia wody dobiega koĔca. Tendencja zmian wskaĨników jednostkowych zuĪycia wody w badanym okresie zostaáa przestawiona na rysunkach 1-3 oraz w tabeli 2. Z prezentowanych danych wynika, Īe zuĪycie dobowe wody zimnej, ciepáej i ogólnej wystĊpuje na podobnym poziomie w rozpatrywanych miastach. ĝwiadczą o tym maáe wartoĞci wspóáczynników predyktorów (lata) równaĔ regresji liniowych. Wysokie wspóáczynniki korelacji wskazują na dobre dopasowanie funkcji liniowej do zebranych danych empirycznych. NajniĪsze zuĪycie wody zimnej, ciepáej i ogólnej odnotowano w budynkach wielorodzinnych z centralnym przygotowaniem ciepáej wody uĪytkowej we Wáocáawku, wynosiáo ono odpowiednio 47,18 dm3/Mzd, 37,08 dm3/Mzd oraz 84,25 dm3/Mzd. NajwyĪszy pobór wody zimnej i ogólnej zaobserwowano w Toruniu, odpowiednio: 58,99 dm3/Mzd oraz 98,09 dm3/Mzd, natomiast ciepáej wody uĪytkowej w Grudziądzu í 42,53 dm3/Mzd. W budynkach mieszkalnych, w których wystĊpowaáo lokalne przygotowanie ciepáej wody uĪytkowej, Ğrednia wartoĞü wskaĨnika jednostkowego zuĪycia wody zimnej wyniosáa 90,60 dm3/Mzd. Przedstawione wartoĞci wskaĨników zapotrzebowania wody zimnej Ğwiadczą o tym, Īe jej zuĪycie tylko w nieznacznym stopniu przekracza konsumpcjĊ ciepáej wody uĪytkowej. W analizowanych miastach wartoĞci jednostkowych wskaĨników zuĪycia wody ogólnej wykazują, Īe znajduje siĊ na poziomie, w którym odbiorcy wody uĪywają jej jedynie do zaspokojenia podstawowych potrzeb. 92 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 2. Zestawienie wyników analizy jednostkowego zuĪycia wody w analizowanych miastach Table 2. Comparison of analysis results of per unit water consumption in the analyzed cities Lp. Miasto 1 Bydgoszcz 2 ToruĔ 3 Wáocáawek 4 Grudziądz Równania q [dm3/Mzd], L [lata] qzw = 708,0838 - 0,3263*L qcw = 2464,5419 - 1,2111*L qwo = 3172,6257 - 1,5374*L qwo-ind = 543,436 - 0,226*L qzw = 701,4786 - 0,3211*L qcw = 2842,5 - 1,4*L qwo = 3543,9786 - 1,7211*L qzw = 637,0576 - 0,2946*L qcw = 1251,1638 - 0,6063*L qwo = 1888,2214 - 0,9009*L qzw = -1032,764 + 0,54*L qcw = 1474,673 - 0,715*L qwo = 441,909 - 0,175*L Wspóáczynnik korelacji -0,5340 -0,9105 -0,8254 -0,6517 -0,5412 -0,9358 -0,7496 -0,5792 -0,7062 -0,6098 0,7489 -0,8921 -0,6334 Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description Bydgoszcz T oruĔ Wáocáawek Grudziądz ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody zimnej qzw [dm3/Mzd] 70 65 63,18 60 58,65 56,96 55 50 54,93 49,65 58,16 56,91 56,21 53,98 53,91 48,7 46,32 48,71 47,23 47,19 45,69 54,18 49,37 57,18 54,27 50,31 47,95 46,23 45 40 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Rys. 1. ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody zimnej w latach 2000-2005 w badanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 1. Average cold unit water consumption in studied towns in 2000-2005 (source: own scientific description) Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... Bydgoszcz T oruĔ Wáocáawek 93 Grudziądz ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody ciepáej qcw [dm3/Mzd] 48 46 43,67 44 41,62 42 40 41,75 43,24 42,69 42,73 42,65 42,54 40,39 40,07 39,65 39,09 38,24 37,78 37,45 38 37,11 36,57 36,87 36,96 35,63 36 36,59 35,48 35,7 34 32 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lat a Rys. 2. ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody ciepáej w latach 2000-2005 w badanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 2. Average hot unit water consumption in studied towns in 2000-2005 (source: own scientific description) Bydgoszcz T orun Wáocáawek Grudziądz Bydgoszcz ind 106 103,25 ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody ogólnej qwo [dm3/Mzd] 104 101,19 102 100 98,58 98 96 99,64 96,68 94 95,12 93 92,37 91,43 91,4 92 90 90,6 89,3 90,43 93,32 92,88 92,02 91,96 92,14 90,7 90,84 90,53 89,31 88 86 84,82 84,56 84 82,86 82,28 82 80 1999 2000 2001 2002 2003 81,71 2004 2005 2006 Lat a Rys. 3. ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody ogólnej w latach 2000-2005 w badanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 3. Average overall unit water consumption in studied towns in 2000-2005 (source: own scientific description) 94 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska W tabeli 3 przedstawiono podstawowe charakterystyki opisowe jednostkowych wskaĨników zuĪycia wody. Maáe wartoĞci báĊdu standardowego Ğredniej wskazują, Īe otrzymane wartoĞci Ğredniodobowego zuĪycia wody stanowią precyzyjną miarĊ jej zapotrzebowania w dáugim okresie w odniesieniu do grupy budynków wielorodzinnych wyposaĪonych w wodomierze. Uzyskane wartoĞci odchyleĔ standardowych w zestawieniu z wartoĞciami Ğrednich poborów potwierdzają znaczącą nierównomiernoĞü dobowych poborów zimnej, ciepáej i ogólnej wody, a zaniĪone w stosunku do nich mediany wskazują na asymetriĊ rozkáadów. m dm3/md Mz dm3/Mzd m dm3/md Mz dm3/Mzd m dm3/md Mz dm3/Mzd m dm3/md qzwMz qcwMz qwoMz qzwm qcwm qwom 54,70 54,44 38,73 38,56 93,42 93,01 145,47 144,89 102,35 101,89 247,82 246,82 54,87 38,94 93,81 146,05 102,81 248,82 qzwMz qcwMz qwoMz qzwm qcwm qwom 58,99 57,92 39,10 38,53 98,09 97,81 158,02 155,58 108,67 106,94 266,69 262,93 59,92 39,69 98,64 160,46 110,38 270,44 qzwMz qcwMz qwoMz qzwm qcwm qwom 47,18 46,23 37,08 36,21 84,25 83,65 141,32 140,02 121,05 119,97 262,37 255,74 48,66 37,87 85,78 142,61 122,13 260,64 qzwMz qcwMz qwoMz qzwm qcwm qwom 48,85 47,65 42,53 41,32 91,38 90,52 154,46 151,54 129,96 127,49 284,42 279,17 49,78 43,26 91,69 157,38 132,43 289,67 Przedziaá ufnoĞci odchylenia standardowego Odchylenie standardowe Wariancja Báąd standardowy Ğredniej Mz dm3/Mzd +95% Wspóáczynnik zmiennoĞci -95% Mediana Przedziaá ufnoĞci Ğredniej ĝrednia ZuĪycie wody Odniesienie Tabela 3. Zestawienie podstawowych charakterystyk opisowych Ğredniodobowych wskaĨników zuĪycia wody zimnej, ciepáej i ogólnej w budynkach wielorodzinnych wyposaĪonych w wodomierze mieszkaniowe Table 3. The juxtaposition of basic descriptive characteristics of average daily cold, hot, and overall water use indices in multifamily buildings equipped with residential water meters 23,99 29,92 25,73 23,90 27,01 24,22 0,112 0,093 0,205 0,295 0,235 0,510 44,33 38,52 37,17 39,04 39,99 35,55 0,517 0,291 0,726 1,245 0,877 1,914 34,61 32,44 30,15 27,78 27,05 28,78 0,292 0,234 0,446 0,659 0,550 1,248 42,01 41,27 37,45 35,43 35,65 34,61 0,501 0,434 0,843 1,488 1,259 2,676 -95% +95% Bydgoszcz 54,09 172,03 13,12 12,96 13,27 37,77 134,51 11,59 11,46 11,73 91,79 577,80 24,04 23,76 24,32 143,83 1209,50 34,777 34,37 35,19 102,08 764,77 27,654 27,33 27,98 244,42 3605,47 60,045 59,34 60,76 ToruĔ 54,79 682,22 26,12 25,43 26,85 36,99 226,98 15,07 14,67 15,49 94,91 1369,69 37,01 36,03 38,04 152,30 3806,55 61,69 60,01 63,47 102,37 1888,86 43,46 42,27 44,71 262,67 8990,91 94,82 92,23 97,55 Wáocáawek 45,86 325,49 18,04 17,65 18,45 36,41 206,86 14,38 14,07 14,71 83,69 793,86 28,17 27,57 28,81 153,42 1541,72 39,26 38,37 40,20 130,41 1072,87 32,75 32,00 33,53 269,64 5523,66 74,32 72,63 76,09 Grudziądz 48,01 386,41 19,66 18,98 20,37 41,86 293,78 17,14 16,55 17,76 90,45 1093,82 33,07 31,95 34,28 153,42 2996,45 54,73 52,75 56,88 128,63 2147,76 46,34 44,66 48,15 290,41 9693,00 98,45 94,87 102,3 Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... 95 WĞród wytypowanych budynków mieszkalnych wielorodzinnych wystĊpowaáy obiekty, w których instalacja wodociągowa w poszczególnych mieszkaniach miaáa oddzielne opomiarowanie dla kuchni i áazienki. Pozwoliáo to na ustalenie poboru wody na wykonywanie takich czynnoĞci, jak przygotowanie posiáków, mycie naczyĔ oraz kąpiel, mycie rąk, pranie oraz zaáatwianie potrzeb fizjologicznych. Specyfika pomieszczeĔ, do których doprowadzana jest woda, wymusza nie tylko róĪnice w iloĞci jej poboru, ale równieĪ charakteryzuje rozkáad wody zimnej i ciepáej wody uĪytkowej (rys. 4). ĝrednie dobowe zuĪycie wody zimnej i ciepáej wody uĪytkowej w kuchni wystĊpuje na podobnym poziomie i wynosi okoáo 12,0 dm3/Mzd. Pobór wody zimnej w áazience stanowi okoáo 41,89 dm3/Mzd, natomiast ciepáej 22,76 dm3/Mzd. Przewaga zuĪycia wody zimnej w áazience, wynosząca 65,0% udziaáu w zuĪyciu ogólnym, jest związana z wykorzystaniem wody przede wszystkim do spáukiwania miski ustĊpowej. CzynnoĞü ta stanowi okoáo 30% ogólnego poboru wody w gospodarstwie domowym. Rys. 4. ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody w kuchni i áazience w latach 2000-2005 (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 4. Average kitchen and bathroom unit water consumption in 2000-2005 (source: own scientific description) Dla praktycznego ustalenia wartoĞci charakterystycznych jednostkowego dobowego zapotrzebowania na wodĊ sparametryzowano zmiennoĞü tych poborów. W tym celu sporządzono histogramy czĊstoĞci obserwacji wskaĨników poboru wody (rys. 5-7) oraz podjĊto próbĊ dopasowania rozkáadu teoretycznego do tak uzyskanych rozkáadów empirycznych. Najlepsze rezultaty uzyskano stosując rozkáad gamma. 96 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Bydgoszcz T oruĔ 500 5000 450 4500 4255 4000 400 3805 338 350 3000 Liczba obserwacji 3500 Liczba obserwacji 433 410 383 2688 2500 2000 1541 1500 300 254 250 218 200 173 150 117 1183 1000 100 500 50 4 0 0 0 376 189 82 21 5 20 10 40 30 60 80 50 70 100 90 8 57 36 0 20 10 130 40 30 60 50 80 70 90 10 3 0 100 120 140 160 110 130 150 170 qzwMz [dm3/Mzd] qzwMz [dm 3 /Mzd] Grudziądz Wáocáawek 1000 400 896 900 341 350 800 332 771 300 600 Liczba obserwacji 702 700 Liczba obserwacji 25 0 0 120 110 86 69 572 500 400 338 319 250 234 196 200 152 150 300 100 92 90 178 200 100 73 50 1 0 0 20 10 40 30 60 50 80 70 qzwM z [dm 3 /Mzd] 14 0 100 90 53 50 34 120 110 32 12 0 0 0 130 20 10 40 30 60 50 80 70 3 4 0 100 120 140 90 110 130 qzwMz [dm 3 /Mzd] Rys. 5. Histogramy wskaĨników dobowego zapotrzebowania na zimną wodĊ oraz wykres funkcji gĊstoĞci rozkáadu gamma dla okresu 2000-2005 w analizowanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 5. Histograms of daily cold water demand indicators and a graph of the density function of the gamma distribution in 2000-2005 in the analyzed cities (source: own scientific description) Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... Wáocáawek 97 T oruĔ 1200 900 10371036 800 730 1000 800 Liczba obserwacji Liczba obserwacji 700 691 600 536 400 593 600 515 500 400 308 300 346 203 200 200 139 102 36 22 1 0 0 20 10 40 30 60 50 149 100 80 2 0 100 70 90 68 0 120 27 7 0 20 110 10 40 30 50 qcwM z [dm 3 /M zd] 8 80 70 4 0 100 90 120 110 qcwM z [dm 3 /M zd] Bydgoszcz Grudziądz 450 5500 4941 5000 400 4500 383 350 4000 3571 3500 Liczba obserwacji Liczba obserwacji 60 3073 3000 2500 299 300 317 250 223 200 150 2000 112 1529 1500 109 100 1000 47 50 472 433 500 101 10 3 0 0 10 20 30 40 50 60 qcwM z [dm 3 /M zd] 70 80 24 90 100 23 17 4 0 0 20 10 40 30 60 50 80 70 4 3 100 90 0 120 110 130 qcwM z [dm 3 /M zd] Rys. 6. Histogramy wskaĨników dobowego zapotrzebowania na ciepáą wodĊ oraz wykres funkcji gĊstoĞci rozkáadu gamma dla okresu 2000-2005 w analizowanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 6. Histograms of daily hot water demand indicators and a graph of the density function of the gamma distribution in 2000-2005 in the analyzed cities (source: own scientific description) 98 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Bydgoszcz T oruĔ 6000 700 5071 5000 598 600 524 Liczba obserwacji Liczba obserwacji 500 4000 3226 2890 3000 476 400 314 300 260 2000 200 1475 180 975 1000 104 100 71 371 0 81 17 18 31 0 0 40 20 80 60 120 100 160 140 2 200 180 0 240 57 18 2 0 220 40 20 80 60 3 3 1 0 qwo Mz [dm 3 /Mzd] qwo M z [dm /Mzd] Wáocáawek Grudziądz 900 220 800 200 191 200 757767 183 180 645 Liczba obserwacji 589 600 500 415 400 300 235 224 200 0 0 4 0 28 14 28 56 42 84 70 98 120 95 100 8 2 47 20 0 102 75 65 80 25 112 140 168 196 126 154 182 210 q wo M z [dm3 /M zd] 134 40 69 39 146 140 60 166 100 168 160 0 40 25 15 12 7 9 0 2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 700 Liczba obserwacji 4 120 160 200 240 280 100 140 180 220 260 300 q wo M z [dm3 /M zd] Rys. 7. Histogramy wskaĨników dobowego zapotrzebowania na wodĊ ogólną oraz wykres funkcji gĊstoĞci rozkáadu gamma dla okresu 2000-2005 w analizowanych miastach (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 7. Histograms of daily total water demand indicators and a graph of the density function of the gamma distribution in 2000-2005 in the analyzed cities (source: own scientific description) We wszystkich przypadkach przeprowadzono ocenĊ jakoĞci dopasowania rozkáadu teoretycznego do rozkáadu empirycznego za pomocą testu F 2 . WartoĞci wyestymowanych parametrów wraz z oceną istotnoĞci hipotezy o zgodnoĞci rozkáadów teoretycznego i empirycznego zestawiono w tabeli 4. Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... 99 Tabela 4. Wyniki estymacji parametrów rozkáadów gamma wskaĨników dobowego zapotrzebowania na wodĊ Tabela 4. Results of estimation of daily water demand gamma distribution parameters Miasto Bydgoszcz ToruĔ Wáocáawek Grudziądz qzw qcw qwo qzw qcw qwo qzw qcw qwo qzw qcw qwo WartoĞci parametrów rozkáadu Į Ȝ 17,337 3,152 11,249 3,414 15,212 6,140 11,489 5,128 7,035 5,559 13,992 7,115 6,434 8,102 4,680 9,486 8,513 10,977 8,286 5,624 6,849 5,988 12,584 7,017 Ȝ2 7,70 4,29 5,89 19,03 12,30 10,94 11,07 16,72 22,34 10,99 10,28 13,16 Poziom istotnoĞci testu Ȝ2 0,260 0,508 0,312 0,122 0,090 0,279 0,272 0,019 0,013 0,202 0,245 0,589 Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description WNIOSKI Otrzymane wyniki badaĔ wskaĨników zapotrzebowania na wodĊ pozwalają na sformuáowanie nastĊpujących wniosków: 1. Uzyskane wyniki podwaĪają celowoĞü stosowania dotychczasowych wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody do projektowania systemów zaopatrzenia w wodĊ, zawartych w obowiązujących normatywach dla analizowanych miast. 2. Na podstawie analizy statystycznej nie zaobserwowano istotnej statystycznej tendencji zmian jednostkowego zuĪycia wody we wszystkich analizowanych miastach; są one ustabilizowane. 3. ĝrednie jednostkowe zuĪycie wody ogólnej dla wszystkich badanych miast w analizowanym okresie byáo niĪsze od wartoĞci zawartych w wytycznych i wynosiáy odpowiednio w Bydgoszczy í 93,42 dm3/Mzd, Toruniu í 98,09 dm3/Mzd, we Wáocáawku í 84,25 dm3/Mzd i Grudziądzu í 91,38 dm3/Mzd. 4. Najlepsze rezultaty dopasowania rozkáadu teoretycznego do uzyskanych rozkáadów empirycznych wskaĨników poboru zimnej, ciepáej i ogólnej wody uzyskano stosując rozkáad gamma; 5. W wielorodzinnych budynkach mieszkalnych 27,0% ogólnej iloĞci wody dostarczanej do budynków wykorzystywane jest do przygotowania posiáków, pozostaáa czĊĞü, tj. 73%, zuĪywana jest do celów higieniczno-sanitarnych. 100 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska 6. Przeprowadzone analizy wskazują na celowoĞü podjĊcia dalszych badaĔ związanych z identyfikacją cech procesu poboru zimnej i ciepáej wody uĪytkowej, prowadzonych w innych jednostkach osadniczych. LITERATURA [1] Chudzicki J., 2004. Techniczne moĪliwoĞci oszczĊdzania wody i energii w wewnĊtrznych instalacjach wodociągowych. V Konf. Nauk. Tech. Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych, UstroĔ. [2] Heidrich Z., JĊdrzejkiewicz J., 2007. Analiza zuĪycia wody w miastach polskich w latach 1995-2005. Ochrona ĝrodowiska 4, 29-34. [3] HotloĞ H., 2010. Badania zmian poboru wody w wybranych miastach Polski w latach 1990-2008. Ochrona ĝrodowiska 3, 39-42. [4] HotloĞ H., Mielcarzewicz E., 2000. Ksztaátowanie siĊ zuĪycia wody w Polsce w okresie gospodarki rynkowej. GWiTS 4, 135-137. [5] Káoss-TrĊbaczkiewicz H., Osuch-PajdziĔska E., Roman M., 1998. Spadek zuĪycia wody: opis zjawiska, przyczyny, prognozy. Materiaáy Krajowej Konf. Spadek zuĪycia wody: przyczyny – skutki – reagowanie, PZITS Oddziaá w àodzi, 1-29. [6] Pasela R., 2006. Ksztaátowanie siĊ opáat za wodĊ i odprowadzanie Ğcieków w gospodarstwach domowych. Instal 12, 57-60. [7] Rak J., Tchórzewska-CieĞlak B., 2003. ZuĪycie wody w mieĞcie Rzeszowie. Mat. Konf. Aktualne zagadnienia w uzdatnianiu i dystrybucji wody, Wydawnictwo Politechnika ĝląska, 263-270. [8] Tchórzewska-CieĞlak B., 2005. Analiza zuĪycia wody do spoĪycia przez mieszkaĔców Jasáa. XIII Ogólnopolska Konf. Nauk. Tech. z cyklu Problemy gospodarki wodno-Ğciekowej w regionach rolniczo-przemysáowych, Monografie Komitetu InĪynierii ĝrodowiska PAN 30, 65-74. [9] Tuz P.K., 2005. Analiza metod okreĞlania natĊĪenia przepáywów maksymalnych w budynkach wielorodzinnych. ĝrodkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony ĝrodowiska, 7, 279-293. [10] Tuz P.K., Królikowski A., 2005. Wskazania wodomierzy domowych i mieszkaniowych í przyczyny rozbieĪnoĞci i metody ich bilansowania. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2, 9-17. [11] ĩuchowicki A.W., KuczyĔski W., 2009. Analiza porównawcza zmian w rozbiorach wody z uwzglĊdnieniem sposobu jej dostarczania do odbiorców. ĝrodkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrona ĝrodowiska, Rocznik Ochrony ĝrodowiska 11, 781-786. [12] ĩuchowicki A.W., Majczyna R., 2009. Analiza zuĪycia wody w budynkach wielorodzinnych zlokalizowanych na terenie KoszaliĔskiej Spóádzielni Mieszkaniowej "Nasz Dom", ĝrodkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrona ĝrodowiska, Rocznik Ochrony ĝrodowiska 11, 663-674. [13] Wytyczne do programowania zapotrzebowania wody i iloĞci Ğcieków w miejskich jednostkach osadniczych, 1991. Instytut Gospodarki Przestrzennej i Komunalnej Warszawa, wyd. V uzupeánione. Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody... 101 DEVELOPMENT OF INDEX VALUES OF WATER USE FOR DOMESTIC AND ECONOMIC PURPOSES IN CHOSEN TOWNS OF KUYAVIAN-POMERANIAN VOIVODESHIP Abstract. Possession of reliable information for the creation of water balance is a basis for proper design of water supply systems. The decrease in water use by all user groups observed in Poland after 1989 requires a systematic verification of unit water consumption indices. In this paper, we present the results of research concerning hot, cold and overall unit water consumption for domestic and economic purposes in multifamily buildings in the biggest towns of Kuyavian-Pomeranian voivodeship. The analysis conducted in 2000-2005 indicates a stabilization of water use index, which is at a level satisfying basic consumer needs. Keywords: water use, unit water consumption, water supply network, water demand, multifamily buildings PROGNOZOWANIE ZUĩYCIA WODY W BUDOWNICTWIE MIESZKALNYM WIELORODZINNYM Z WYKORZYSTANIEM MODELI REGRESJI Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz*1 Streszczenie. Jedną z metod predykcji zuĪycia wody wodociągowej jest regresja wieloraka, która pozwala na rozpoznanie wielkoĞci i rodzaju wpáywu poszczególnych zmiennych na jej wartoĞü. W pracy podjĊto próbĊ ustalenia zaleĪnoĞci miedzy zjawiskiem zuĪycia wody w mieszkalnictwie wielorodzinnym a takimi parametrami, jak: liczba osób zameldowanych w mieszkaniu, powierzchnia oraz typ mieszkania. AnalizĊ przeprowadzono dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych poáoĪonych w Toruniu. Sáowa kluczowe: regresja wieloraka, prognozowanie zuĪycia wody, budynki mieszkalne wielorodzinne WSTĉP Obserwowany systematyczny trend zmniejszania siĊ zuĪycia wody wodociągowej w Polsce po 1989 r., związany z gospodarką wolnorynkową, zmusza do ciągáej weryfikacji przyjĊtych wczeĞniej prognoz dotyczących wielkoĞci jednostkowego zapotrzebowania na wodĊ we wszystkich grupach odbiorców. NajczĊĞciej spotykanymi modelami do opisu i prognozowania zuĪycia wody wodociągowej są modele: autoregresji, Ğredniej ruchomej, ARIMA, wygáadzania wykáadniczego, Holta, Wintersa oraz sztuczne sieci neuronowe [5-9]. Alternatywą do powyĪszych metod są modele regresji, które pozwalają na okreĞlenie wpáywu pewnych zjawisk (zmiennych objaĞniających) na inne zjawisko (zmienną objaĞniającą). Funkcje regresji okreĞlają sposób podporządkowania wartoĞci zmiennej zaleĪnej okreĞlonym wartoĞciom zmiennych niezaleĪnych. Analiza regresji wykorzystywana jest do: rozpoznania wielkoĞci i rodzaju wpáywu poszczególnych zmiennych objaĞniających na zmienną objaĞnianą, szacowania wartoĞci zmiennej objaĞnianej na podstawie znanych lub zaáoĪonych wartoĞci zmiennych objaĞniających, okreĞlenia, które zmienne objaĞniające mają najbardziej znaczący wpáyw – w najlepszy sposób opisują zmienną objaĞnianą; predykcji wartoĞci zmiennej objaĞnianej. Szeroko prowadzona analiza zuĪycia wody w gospodarstwach domowych w Polsce wskazuje, Īe do najistotniejszych czynników (zmiennych objaĞniających) ksztaátujących jej pobór naleĪy zaliczyü: opomiarowanie zuĪycia wody, liczbĊ zamieszkujących osób w lokalu, standard wyposaĪenia sanitarnego mieszkaĔ, straty wody związane ze stanem technicznym instalacji wodociągowych, * dr inĪ. Rafaá PASELA, prof. dr hab. inĪ. Jan KLUGIEWICZ, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 104 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska tryb Īycia mieszkaĔców, wysokoĞü dochodu mieszkaĔców, ĞwiadomoĞü mieszkaĔców, czynniki meteorologiczne oraz cena wody [1-4, 6]. METODA BUDOWY MODELU REGRESYJNEGO ZUĩYCIA WODY Do stworzenia modeli opisujących dobowe zuĪycie wody zimnej, ciepáej i ogólnej wykorzystano regresjĊ wieloraką. Dane uzyskano ze spóádzielni mieszkaniowych na terenie miasta Torunia. Dotyczyáy one: dobowego zuĪycia wody zimnej qzw, ciepáej qcw, powierzchni mieszkania F, liczby osób zameldowanych w lokalu LMz oraz typu mieszkania TM. Modele regresji opracowano z wykorzystaniem programu STATISICA 9.1 seria 0210-P. Budowa modelu regresyjnego skáadaáa siĊ z nastĊpujących etapów: 1) okreĞlenie specyfiki zmiennych: objaĞnianej i objaĞniających, 2) zebranie danych do analizy – pobieranie próby statystycznej, 3) przyjĊcie postaci analitycznej modelu, 4) selekcja zmiennych objaĞniających, 5) estymacja parametrów strukturalnych modelu, 6) weryfikacja modelu, 7) usuniĊcie skutków naruszeĔ zaáoĪeĔ regresji, 8) zastosowanie modelu. Równanie regresji opisujące zjawisko zuĪycia wody przedstawia siĊ nastĊpująco: yi =E o +E1·x1i +E 2 ·x2i +...+E k ·xki +H i gdzie: H i í skáadnik losowy, x1,x2,...xk í zmienne objaĞniające zjawisko zuĪycia wody, E o , E1 ,...E k í parametry skáadnika deterministycznego, dla i = 1,2, ..., n Odpowiedniego dopasowania funkcji regresji do danych dokonano za pomocą tzw. metody najmniejszych kwadratów (MNK). Istota tej metody sprowadza siĊ do tego, aby suma kwadratów odchyleĔ wartoĞci empirycznych od wartoĞci teoretycznych byáa najmniejsza. Do oceny dopasowania modelu do danych empirycznych jedną z najczĊĞciej stosowanych miar jest wspóáczynnik determinacji, oznaczony przez R2. Oblicza siĊ go ze wzoru: ¦ y y ¦ y y n R 2 i 1 n i i 1 i 2 2 Inna miara zgodnoĞci modelu z danymi empirycznymi opiera siĊ na wariancji skáadnika losowego. Punktem wyjĞcia są w tym przypadku tzw. reszty modelu. Reszta, która odpowiada i-tej obserwacji, wyraĪa siĊ wzorem: Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 105 Ocena wariancji skáadnika losowego, tzw. wariancja resztowa, wyraĪa siĊ wzorem: Pierwiastek z wariancji resztowej, czyli odchylenie standardowe reszt (zwane takĪe báĊdem standardowym estymacji), jest powszechnie stosowaną miarą zgodnoĞci modelu z danymi empirycznymi. Na jej podstawie moĪna równieĪ obliczyü, miarĊ nie mianowaną, a mianowicie tzw. wspóáczynnik zmiennoĞci losowej, który okreĞla wzór: Wyznaczone parametry strukturalne modelu oraz parametry skáadnika losowego umoĪliwiają ostateczną weryfikacjĊ poprawnoĞci modelu oraz ocenĊ jego dokáadnoĞci. Gáównym zadaniem weryfikacji modelu regresji jest stwierdzenie poprawnoĞci jego zaáoĪeĔ, które są nastĊpujące: 1) model jest liniowy wzglĊdem parametrów, tzn. =ݕ dla i =1, 2,…, n, 2) liczba obserwacji n musi byü wiĊksza lub równa liczbie szacowanych parametrów, tj. 3) Īadna ze zmiennych niezaleĪnych nie jest kombinacją liniową innych zmiennych niezaleĪnych, ma wartoĞü oczekiwaną równą zero 4) skáadnik losowy dla wszystkich , 5) Wwariancja skáadnika losowego (reszt ) jest taka sama dla wszystkich dla wszystkich obserwacji (War 6) skáadniki losowe (reszty) są nieskorelowane, czyli ), oraz są od siebie niezaleĪne dla wszystkich par i oraz j, gdzie 7) kaĪde ze skáadników losowych (reszty) ma rozkáad normalny. , Weryfikacja modelu obejmuje dwa etapy: weryfikacjĊ istotnoĞci parametrów strukturalnych modelu oraz wybranych wáaĞciwoĞci reszt. W celu weryfioraz jej kacji oszacowania parametrów naleĪy stworzyü hipotezĊ zerową : Weryfikazaprzeczenie – hipotezĊ alternatywną cja hipotezy zerowej polega na przeprowadzeniu klasycznego testu istotnoĞci z wykorzystaniem rozkáadu t-Studenta, dla przyjĊtego poziomu istotnoĞci oraz stopni swobody. JeĪeli: 106 bj Sbj bj Sbj InĪynieria i ochrona Ğrodowiska da ;n k * o wpáyw zmiennej xj jest statystycznie nieistotny ! ta;n k * o wpáyw zmiennej xj jest statystycznie istotny gdzie: k* í liczba estymowanych parametrów strukturalnych modelu. Weryfikacja istotnoĞci parametrów dotyczy równieĪ parametru bo (wyrazu wolnego), ale poniewaĪ nie opisuje on wpáywu Īadnej zmiennej objaĞniającej, interpretacja hipotez polega wyáącznie na stwierdzeniu, czy odwrotnoĞü bezwzglĊdnej wartoĞci báĊdu wzglĊdnego jest wystarczająco duĪa. Weryfikacja skáadnika losowego obejmuje badanie wáaĞciwoĞci reszt. W podstawowym zakresie weryfikacji badaniom podlegają: symetria reszt, losowoĞü reszt, autokorelacja reszt oraz normalnoĞü rozkáadu reszt. Badanie symetrii reszt polegaáo na wykonaniu badania sprawdzającego, czy liczba reszt ze znakiem dodatnim (n1) i liczba reszt ze znakiem ujemnym (n2) nie róĪnią siĊ od siebie w znaczący sposób. RozstrzygniĊcie kwestii, jak bardzo mogą róĪniü siĊ od siebie liczby (n1) i (n2), wymaga przeprowadzenia testu statystycznego po uprzednim sformuáowaniu hipotezy zerowej H0 oraz n 1 n 1 zaprzeczającej jej – hipotezy H1 : H : 1 , H1 : 1 z . NaleĪy wiĊc sprawn 2 n 2 dziü, czy liczba reszt dodatnich lub ujemnych stanowi poáowĊ reszt. WeryfikacjĊ hipotezy zerowej przeprowadzono poprzez obliczenie wartoĞci statystyki temp: temp n1 1 n 2 n1 § n n1 · ¨ ¸ n© n ¹ n 1 n n1 1 n 2 n 1 n1 n n1 RozstrzygniĊcie otrzymano dziĊki zastosowaniu rozkáadu t-Studenta dla przyjĊtego poziomu istotnoĞci oraz n-1 stopni swobody. JeĪeli: temp tĮ;n-1 o przyjąü hipotezĊ zerową H0 o skáadnik losowy wykazuje symetriĊ, temp Ҹ tĮ;n-1 o przyjąü hipotezĊ zerową H1 o skáadnik losowy nie wykazuje symetrii. WeryfikacjĊ losowoĞci reszt przeprowadzono klasycznym nieparametrycznym testem serii. Wymagaáo to obliczenia liczby serii kemp, okreĞlonej jako liczba jednoimiennych podciągów reszt. Serią okreĞla siĊ kaĪdy podciąg záoĪony z kolejnych reszt o jednakowych znakach. Znając wartoĞci krytyczne testu kD oraz kG (tablice testu serii), odpowiadające przyjĊtemu poziomu istotnoĞci Į oraz liczebnoĞci reszt dodatnich (n1) i reszt ujemnych (n2), gdy: Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 107 , skáadnik losowy uznaje siĊ za losowy, lub , nie uznaje siĊ skáadnika losowego za losowy. Dla duĪych liczebnoĞci podgrup , liczba serii podlega prawom nastĊpującego rozkáadu normalnego: W celu przeprowadzenia weryfikacji autokorelacji reszt test Durbina-Watsona. Test ten polega na obliczeniu wartoĞci oraz porównania jej z granicznymi wartoĞciami (dolną) oraz zastosowano : (górną), przypadków znajdują siĊ w tablicach, natomiast dla które dla modeli , moĪna przyjąü, Īe statystyka modeli, gdzie liczba przypadków podlega prawom rozkáadu normalnego o Ğredniej równej 2 i warian- cji równej 4/n. MoĪliwych jest piĊü rozstrzygniĊü testu Durbina-Watsona: í istotna autokorelacja dodatnia, í nieistotna autokorelacja dodatnia (brak rozstrzygniĊcia testu), í autokorelacja zerowa – brak istotnej autokorelacji, í nieistotna autokorelacja ujemna (brak rozstrzygniĊcia testu), í istotna autokorelacja ujemna. ZaáoĪenie, Īe skáadnik losowy losowym podlega prawom rozkáadu normalnego, nie jest krytycznym zaáoĪeniem KRL. Wyznaczenie parametrów strukturalnych modelu nie wymaga zaáoĪenia o normalnoĞci reszt rozkáadu skáadnika losowego . Weryfikacje normalnoĞci skáadnika losowego zastĊpuje siĊ badaniami normalnoĞci reszt . Prowadząc badania normalnoĞci reszt opracowanych modeli, posáugiwano siĊ testem Koámogorowa-Smirnowa. Ogólny przebieg testu jest nastĊpujący: í uporządkowanie reszt modelu wedáug wartoĞci rosnących, í wyznaczenie wartoĞci dystrybuanty í obliczenie wartoĞci statystyk: 108 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska i 1· § max isisn ¨ ui ¸ n ¹ © Dn Dn max D , D Dla prób o liczebnoĞci n 100 wykorzystano tablice wartoĞci krytycznych statystyki Dnkr. Dla modeli, w których n > 100, wyznaczono statystykĊ D: D n · Dn 1 G· n podlegającą prawom rozkáadu Koámogorowa K(y) = 1 – 2Į. HipotezĊ zerową o normalnoĞci skáadnika losowego odrzucono w przypadku, gdy: Dn > Dnkr (Į) dla n 100 D > K(y)kr Wszystkie testy normalnoĞci reszt przeprowadzono dla Į = 0,05, co w przypadku modeli (n > 100) oznaczaáo wartoĞü krytyczną K(y)kr = 1,23. JeĞli wszystkie etapy weryfikacji modelu zakoĔczone zostaną pozytywnym rezultatem, model moĪna bezpiecznie wykorzystaü np. do opracowania prognozy. NajczĊĞciej naruszanymi zaáoĪeniami klasycznej regresji liniowej są: í zaáoĪenie dotyczące staáoĞci wariancji skáadnika losowego dla kaĪdej obserwacji, í zaáoĪenie dotyczące braku korelacji pomiĊdzy poszczególnymi zakáóceniami. Macierz obrazuje sytuacjĊ idealną: jedynki na gáównej przekątnej oznaczają niezmiennoĞü wariancji zakáóceĔ, natomiast zera poza gáówną przekątną Ğwiadczą o tym, Īe zakáócenia nie są wzajemnie skorelowane. ª1 0 0 ... « 0 1 0 ... « : V 2 « 0 0 1 ... « «# # # «¬ 0 0 0 ... 0º 0 »» 0» » #» 1 »¼ W analizowanych modelach objaĞniających zuĪycie wody sytuacja taka nie zaistniaáa. W modelach tych wystąpiáa natomiast autokorelacja zakáóceĔ. Autokorelacja skáadnika losowego jest naruszeniem jednego z zaáoĪeĔ dotyczącego staáoĞci wariancji skáadnika losowego, która prowadzi do tego, Īe elementy tworzące gáówną przekątną macierzy kowariancji zakáóceĔ losowych są jednakowe, natomiast elementy poza gáówną przekątną nie są zerowe. Oznacza to, Īe miĊdzy kolejnymi zakáóceniami istnieje korelacja okreĞlona jako autokorelacja. Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 109 Wspóáczynnik autokorelacji nie jest znany, poniewaĪ wyznaczyü go moĪna wyáącznie przez zbadanie caáej populacji. W przeprowadzonych analizach posáuĪono siĊ wiĊc wartoĞcią wspóáczynnika autokorelacji wyznaczonego dla badanej próby wedáug wzoru: gdzie to reszty modelu wyznaczonego klasyczną metodą najmniejszych kwadratów (KMNK), k oznacza liczbĊ zmiennych objaĞniających tego modelu. wspóáczynnikiem Zastąpienie prawdziwego wspóáczynnika autokorelacji powoduje, Īe metoda UMNK okreĞlana jest jako EUMNK – estymowana, uogólniona metoda najmniejszych kwadratów [10, 11]. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAē Po weryfikacji przyjĊtych do badaĔ zmiennych objaĞniających, zjawisko poboru wody najlepiej opisuje model skáadający siĊ z dwóch zmiennych, tj. liczby osób zameldowanych w lokalu mieszkalnym oraz typu mieszkania. Wyniki badaĔ przedstawiono w tabelach 1-3. Dominującą zmienną kaĪdego z modeli jest liczba osób zameldowanych w mieszkaniu. Zmienna ta charakteryzuje siĊ w kaĪdym przypadku najwiĊkszą istotnoĞcią statystyczną (Į = 0,05). Wpáyw pozostaáych czynników jest znacznie sáabszy. NajniĪszy wspóáczynnik determinacji R2 = 0,57 uzyskano dla modelu opisującego dobowe zuĪycie ciepáej wody, natomiast najwyĪszy R2 = 0,85 dla modelu opisującego dobowe zuĪycie wody ogólnej. Oznacza to, Īe 57% oraz 85% zmiennych zuĪycia wody jest wyjaĞniona przez modele. Pozostaáą czĊĞü zmiennoĞci naleĪy przypisaü zakáóceniom, rozumianym jako elementy nieuwzglĊdnione w modelu w postaci zmiennej objaĞnianej. WartoĞü báĊdu standardowego estymacji (ocena wielkoĞci losowych odchyleĔ modelu) interpretuje siĊ jako przeciĊtne odchylenie wagi obserwowanej w próbie od wagi teoretycznej – wyznaczonej z modelu. Zmienne objaĞniające: LMz, TM -82,1993 7 8 Wyniki testu: Stwierdzono podstawy D = 0,945 do odrzucenia hipotezy K(y)kr = 1,23 zerowej o braku autokore- D < K(y)kr lacji skáadnika losowego Wyniki testu: skáadnik losowy wykazuje symetriĊ du= 2,080 dL= 1,919 Zmienna Reszty 0,870163 0,094198 10 Korelacja cząsteczk 0,825811 0,044248 11 Korelacja semicz. 0,019286 maks D Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description p > ,20 p 0,882806 0,315185 12 Korelacja Wyniki testu: Brak podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o normalnoĞci skáadnika losowego 2454 N Test Koámogorowa-Smirnowa 0,095705 0,095705 9 R-kwadrat NadmiarowoĞü kemp =1198, kD = 1178,21, kG = 1277,26 Wyniki testu: Skáadnik losowy uznano za losowy Zalety modelu: Wady modelu: - speánia zaáoĪenia o losowoĞci skáadnika losowego - naruszenie zaáoĪenia o braku autokorelacji skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o normalnoĞci skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o symetrii skáadnika losowego - duĪa wartoĞü poprawionego wspóáczynnika determinacji R2=0,781 - maáe báĊdy estymacji parametrów strukturalnych modelu temp = 0,727, tĮ, n-1 = 1,960 n2=1209 0,000 Reszty Minimum 6 -9,28846 0,000000 87,42445 0,000000 0,904295 4,68435 0,000003 0,904295 ANALIZA RESZT (poziom istotnoĞci testów Į=0,05) Test Durbina-Watsona Odch. Maksimum Mediana Korelacja stand. Zmienna demp seryjna 76,5016 0,8069 28,85262 Estymacja 1,093543 0,453105 5 2,607617 0,696901 0,671693 4 -24,2208 60,9262 3,1464 Liczba reszt ujemnych ĝrednia Zmienna 0,009933 0,009933 3 n1=1245 0,868411 0,046531 İ LMz TM Liczba reszt dodatnich 2 1 qzw = 60,9262LMz + 3,1464TM – 24,2208 28,864 [dm3/d] R= 0,88391465 R2= 0,78130510 Skorygowany R2= 0,78112665 F(2,2454)=4378,2 p<0,0000 Báąd standardowy estymacji: 28,864 Báąd Báąd Zmienna b* b t(2454) p Tolerancja standardowy z b* standardowy z b Zmienna objaĞniana: zuĪycie wody zimnej qzw [dm3/d] Tabela 1. Zestawienie wyników analizy regresji wielorakiej dla dobowego zuĪycia wody zimnej w Toruniu Table 1. Summary of multiple regression analysis for the daily consumption of cold water in ToruĔ 110 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Zmienne objaĞniające: LMz, TM 0,730788 0,080918 ĝrednia 0,000 İ LMz TM Zmienna Reszty -102,370 Minimum 0,013812 0,013812 3 6 7 8 -2,45893 0,014004 52,91074 0,000000 0,904295 5,85866 0,000000 0,904295 ANALIZA RESZT (poziom istotnoĞci testów Į=0,05) Test Durbina-Watsona Odch. Maksimum Mediana Korelacja stand. Zmienna demp seryjna 110,000 -0,472 28,26019 Estymacja 1,742152 0,128607 Wyniki testu: n1=1213 Stwierdzono podstawy do dL= 1,919 odrzucenia hipotezy zerodu= 2,080 wej o braku autokorelacji n2=1241 skáadnika losowego Wyniki testu: skáadnik losowy wykazuje symetriĊ 5 2,554076 0,682592 0,657901 4 -6,28029 36,11644 3,85442 Tolerancja 28,272 [dm3/d] D = 1,212 K(y)kr = 1,23 D < K(y)kr Reszty Zmienna 0,730200 0,117519 10 Korelacja cząsteczk 0,694939 0,076949 Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description 11 Korelacja semicz. 0,024425 maks D p < ,10 p 0,755821 0,306997 12 Korelacja Wyniki testu: Brak podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej o normalnoĞci skáadnika losowego 2454 N Test Koámogorowa-Smirnowa 0,095705 0,095705 9 R-kwadrat NadmiarowoĞü kemp = 1251 kD = 1178,32, kG = 1277,36 Wyniki testu: Skáadnik losowy uznano za losowy Zalety modelu: Wady modelu: - speánia zaáoĪenia o losowoĞci skáadnika losowego - naruszenie zaáoĪenia o braku autokorelacji skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o normalnoĞci skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o symetrii skáadnika losowego - maáe báĊdy estymacji parametrów strukturalnych modelu temp = 0,565, tĮ, n-1 = 1,960 Liczba reszt ujemnych Liczba reszt dodatnich 2 1 qcw = 36,11644LMz + 3,85442TM – 6,28029 R= 0,75972809 R2= 0,57718677 Skorygowany R2= 0,57684176 F(2,2454)=1672,9 p<0,0000 Báąd standardowy estymacji: 28,272 Báąd Báąd Zmienna b* standardowy b standardowy t(2454) p z b* zb Zmienna objaĞniana: zuĪycie wody ciepáej qcw [dm3/d] Tabela 2. Zestawienie wyników analizy regresji wielorakiej dla dobowego zuĪycia ciepáej wody uĪytkowej w Toruniu Table 2. Summary of multiple regression analysis for the daily hot water consumption in ToruĔ Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 111 Zmienne objaĞniające: LMz, TM 0,067366 Ğrednia 0,000 Zmienna Reszty -141,662 Minimum 0,008170 0,008170 0,849010 0,880873 110,1665 0,000000 0,904295 8,2459 0,000000 0,904295 ANALIZA RESZT (poziom istotnoĞci testów Į=0,05) Test Durbina-Watsona Odch. Maksimum Mediana Korelacja stand. Zmienna demp seryjna 118,831 1,031 36,46928 Estymacja 1,354493 0,322696 Wyniki testu: n1=1259 Stwierdzono podstawy do dL= 1,919 odrzucenia hipotezy zerodu= 2,080 wej o braku autokorelacji n2=1195 skáadnika losowego Wyniki testu: skáadnik losowy wykazuje symetriĊ 7,0009 97,0426 Zmienna 0,064061 0,855861 Korelacja semicz. 11 2454 N 0,015035 maks D Ĩródáo: opracowanie wáasne – source: own scientific description p > ,20 p 0,345795 0,920852 12 Korelacja Wyniki testu: D = 0,746 Brak podstaw do odrzucenia hipotezy K(y)kr = 1,23 zerowej o normalnoĞci skáadnika D < K(y)kr losowego Reszty 0,164295 0,912130 Korelacja cząsteczk 10 Test Koámogorowa-Smirnowa 0,095705 0,095705 9 R-kwadrat NadmiarowoĞü kemp =…, kD = 1177,59, kG = 1276,74 Wyniki testu: Skáadnik losowy uznano za losowy Wady modelu: Zalety modelu: - speánia zaáoĪenia o losowoĞci skáadnika losowego - naruszenie zaáoĪenia o braku autokorelacji skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o normalnoĞci skáadnika losowego - speánia zaáoĪenia o symetrii skáadnika losowego - duĪa wartoĞü poprawionego wspóáczynnika determinacji R2=0,851 - maáe báĊdy estymacji parametrów strukturalnych modelu temp = 1,292, tĮ, n-1 = 1,960 Liczba reszt ujemnych Liczba reszt dodatnich 0,900011 LMz TM qwo = 97,0426LMz + 7,0009TM – 30,5010 36,484 [dm3/d] R= 0,92307741 R2= 0,85207191 Skorygowany R2= 0,85195120 F(2,2454)=7058,9 p<0,0000 Báąd standardowy estymacji: 36,484 Báąd Báąd Zmienna b* b t(2454) p Tolerancja standardowy z b* standardowy z b 1 2 3 4 5 6 7 8 İ -30,5010 3,295990 -9,2540 0,000000 Zmienna objaĞniana: zuĪycie wody ogólna qwo [dm3/d] Tabela 3. Zestawienie wyników analizy regresji wielorakiej dla dobowego zuĪycia wody ogólnej w Toruniu Table 3. Summary of multiple regression analysis for the total daily water consumption in ToruĔ 112 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 113 Statystyka F (Fishera-Snedecora) sáuĪyáa do weryfikacji hipotezy istotnoĞci caáego modelu. Test ten weryfikuje bowiem hipotezĊ, Īe wszystkie wspóáczyn, niki regresji jednoczeĞnie są równe zero: . Wedáug hipotezy zerowej, Īe Īadna j-ta zmienna niezaleĪna w modelu nie ma istotnego wpáywu na zmienną zaleĪną. Hipoteza alternatywna oznacza, Īe istnieje co najmniej jedna zmienna istotnie związana ze zmienną Y. Wysokie wartoĞci statystyki F i odpowiadający jej poziom prawdopodobieĔstwa testowego p potwierdzają istotny statystycznie związek liniowy. WartoĞü statystyki t wskazuje, Īe ocena wspóáczynnika regresji równieĪ istotnie róĪni siĊ od zera. Dodatnie wartoĞci wspóáczynników regresji Ğwiadczą o wzroĞcie dobowego zuĪycia wody. NadmiarowoĞü, zwaną równieĪ wspóáliniowoĞcią, sprawdzono za pomocą wskaĨników takich, jak tolerancja i Rkwadr. WskaĨnik Rkwadr. informuje, w jakim stopniu kaĪda ze zmiennych jest zaleĪna od pozostaáych. W reprezentowanych modelach Rkwadr. jest mniejsze od 0,80, zatem zakáócająca wspóáliniowoĞü nie wystĊpuje. Tolerancja pozwala na okreĞlenie wkáadu zmiennej w równanie regresji. Im tolerancja jest mniejsza, tym mniejszy jest udziaá zmiennej w modelu. Przy tolerancji równej zero nie jest moĪliwe wyznaczenie wspóáczynników równania regresji. W uzyskanych równaniach regresyjnych wartoĞci T są wysokie, co Ğwiadczy o braku ich wspóáliniowoĞci. Wspólną wadą przedstawionych modeli jest powaĪne naruszenie zaáoĪenia o braku autokorelacji skáadnika losowego. Wyniki Durbina-Watsona wskazują zgodnie na niedopuszczalną, dodatnią autokorelacjĊ reszt modeli. Na rysunkach 1-3 przedstawiono wyniki analizy reszt. Przedstawione wykresy rozrzutu pozwalają zauwaĪyü, Īe dopasowana linia regresji bardzo dobrze pasuje do danych zuĪycia wody, choü jednoczeĞnie kilka obserwacji wyraĨnie odbiega od pozostaáych. Oceniając poáoĪenie punktów na wykresach w stosunku do dopasowanej linii prostej moĪna stwierdziü, Īe rozkáad reszt nie odbiega od rozkáadu normalnego. Potwierdza to fakt dobrego dopasowania oszacowanego modelu liniowego do danych empirycznych. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy wyniki badaĔ pokazują celowoĞü stosowania modeli regresji wielorakiej przy wykorzystaniu danych archiwalnych do prognozowania zuĪycia wody. Analiza czynników opisujących zuĪycie wody pozwala na okreĞlenie wagi poszczególnych parametrów równania regresji. JednakĪe wydaje siĊ celowe zwiĊkszenie liczby zmiennych objaĞniających, biorąc pod uwagĊ záoĪonoĞü zjawiska, które pozwoli na precyzyjniejsze ustalenie wartoĞci zuĪycia wody w budownictwie wielorodzinnym. 114 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Na podstawie przeprowadzonych badaĔ moĪna wnioskowaü, Īe predykcja konsumpcji wody w mieszkalnictwie stwarza moĪliwoĞci do podejmowania wáaĞciwych decyzji w zakresie zmian ustalania wskaĨników jednostkowych zuĪycia wody, które stanowią podstawĊ do wykonywania bilansu wody na etapie projektowym. Wykres normalnoĞci reszt 1,525E-7+0,0346*x Rozkáad - Surowe reszty Oczekiwana normalna 4 400 3 350 2 300 1 250 322316 305 L. obs WartoĞü normalna 270 0 -1 227 215 199 200 164 150 130 116 -2 100 67 -3 50 -4 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Rozkáad - Reszty standaryz. WartoĞci przewidywane wzglĊdem obserwowanych Oczekiwana normalna 477 350 423 300 400 L. obs 350 342 250 Wart. obserw. 358 300 261 250 252 200 150 136 200 150 100 113 100 50 4,4594E-7+1*x; 0,95 Prz .Ufn. 400 550 450 45 24 8 7 0 3 0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 Reszty 500 36 50 45 36 2 0 9 0 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Wart. przewidyw. Rys. 1. Podsumowanie wyników analizy reszt dla zimnej wody w Toruniu (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 1 Summary results of the rest of the cold water in ToruĔ (source: own scientific description) 400 Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... Wykres normalnoĞci reszt -1,3467E-6+0,0353*x Rozkáad - Surowe reszty Oczekiwana normalna 4 800 3 700 2 651 676 600 1 500 0 L. obs WartoĞü normalna 115 409 400 336 -1 300 -2 200 142 -3 154 100 -4 -120 -80 -100 -40 -60 0 40 -20 80 20 60 36 34 7 4 0 1 4 0 -140 -100 -60 -20 20 60 100 140 -120 -80 -40 0 40 80 120 120 100 Reszty WartoĞci przewidywane wzglĊdem obserwowanych Rozkáad - Reszty standaryzowane -1,0505E-7+1*x; 0,95 Prz.Ufn. Oczekiwana normalna 600 350 550 300 501 485 500 450 250 400 L. obs 350 Wart. obserw. 384 328 300 250 219 200 50 150 206 100 150 100 200 104 117 50 41 29 16 11 5 4 0 1 3 0 -4,5 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Wart. przewidyw. Rys. 2. Podsumowanie wyników analizy reszt dla ciepáej wody uĪytkowej w Toruniu (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 2 Summary results of the rest of the hot water in ToruĔ (source: own scientific description) 116 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Wykres normalnoĞci reszt 1,0786E-7+0,0274*x Rozkáad - Surowe reszty Oczekiwana normalna 4 600 550 3 509 500 450 414 400 1 371 350 0 L. obs WartoĞü normalna 2 474 -1 300 236 250 221 200 -2 150 -3 100 50 -4 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 -140 -100 -60 -20 20 60 100 140 24 18 4 0 1 3 6 0 -180 -140 -100 -60 -20 20 60 100 140 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 Reszty Rozkáad - Reszty standaryzowane WartoĞci przewidywane wzglĊdem obserwowanych Oczekiwana normalna 1,3953E-6+1*x; 0,95 Prz.Ufn. 550 700 500 479 600 441 450 388 400 500 Wart. obserw. 352 350 L. obs 93 80 300 245 250 225 400 300 200 200 150 100 50 106 123 100 37 37 5 2 0 0 2 7 5 0 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 -4,5 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Wart. przewidyw. Rys. 3. Podsumowanie wyników analizy reszt dla wody ogólnej w Toruniu (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 3 Summary results of the rest of the total water in ToruĔ (source: own scientific description) LITERATURA [1] Heidrich Z., JĊdrzejkiewicz J., 2007. Analiza zuĪycia wody w miastach polskich w latach 1995-2005. Ochrona ĝrodowiska 4, 29-34. [2] HotloĞ H., 2010. Badania zmian poboru wody w wybranych miastach Polski w latach 1990-2008. Ochrona ĝrodowiska 3, 39-42. [3] HotloĞ H., Mielcarzewicz E., 2000. Ksztaátowanie siĊ zuĪycia wody w Polsce w okresie gospodarki rynkowej. GWiTS 4, 135-137. Rafaá Pasela, Jan Klugiewicz Prognozowanie zuĪycia wody... 117 [4] Klugiewicz J., Pasela R., 2005. Badania wpáywu wodomierzy mieszkaniowych na zuĪycie wody w budynkach wielorodzinnych na osiedlu WyĪyny w Bydgoszczy. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 1, 14-17. [5] Licznar P., 2005. Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do prognozowania zuĪycia wody w zakáadach wodociągowych. Instal 11, 16-22. [6] àomotowski J., 2003. Prognozowanie rozbiorów wody metodą wygáadzenia wykáadniczego. VI MiĊdzynarodowa Konf. Nauk. Techn. Zastosowanie technik obliczeniowych w zarządzaniu systemami wodno-kanalizacyjnymi, Wągrowiec, 19-25. [7] Pasela R., 2012. Ksztaátowanie wartoĞci wskaĨników zuĪycia wody na cele bytowo-gospodarcze w budynkach wielorodzinnych w wybranych miastach woj. kujawsko-pomorskiego. Praca niepublikowana, Kielce. [8] SiwoĔ Z., CieĪak J., CieĪak W., 2006. UĪytkowe metody bieĪącego prognozowania krótkotrwaáego poboru wody w systemach wodociągowych, XIX Krajowa, VII MiĊdzynarodowa Konf. Nauk. Techn. Zaopatrzenie w wodĊ, jakoĞü i ochrona wód, Zakopane. [9] SiwoĔ Z, àomotowski J., CieĪak W., Licznar P., CieĪak J., 2008. Analiza i prognozowanie rozbiorów wody w systemach wodociągowych. PAN Komitet InĪynierii Lądowej i Wodnej, Instytut Podstawowych Problemów Techniki, Warszawa. [10] Stanisz A., 2006. PrzystĊpny kurs statystyki z zastosowaniem STATISTICA PL na przykáadach z medycyny. Tom 1, Statystyki podstawowe, Kraków. [11] StĊpieĔ P., 9 wykáadów ze statystyki, 17 wykáadów z ekonometrii. Materiaáy niepublikowane. PREDICTION WATER CONSUMPTION IN MULTI-FAMILY RESIDENTIAL BUILDINGS USING REGRESSION MODELS Abstract. One way to predict consumption of tap water is a multiple regression that allows you to identify the size and type of the impact of each variable on its value. The paper attempts to establish the relationship between the phenomenon of water consumption in multi-family housing and parameters such as the number of people registered in a flat surface and type of housing. The analysis was performed for multi-family residential buildings located in Torun. Keywords: multiple regression, forecasting water use, multi-family residential building BADANIE ĝCIERALNOĝCI CHALCEDONITU W PROCESIE FILTRACJI CIĝNIENIOWEJ Piotr Pocztóá, Marian Granops*1 Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki z badaĔ procesu Ğcierania siĊ chalcedonitu o Ğrednicy 0,315-2,5 mm, uĪytego jako materiaáu filtracyjnego. W celu intensyfikacji procesu prowadzono wielokrotne páukanie záoĪa w przeciwprądzie. Z róĪnicy masy záoĪa przed i po eksperymencie wnioskowano o szybkoĞci jego Ğcierania, kruszenia i wymywania z kolumny filtracyjnej. UĪyty do badaĔ chalcedonit okazaá siĊ byü materiaáem odpornym na zastosowane procesy regeneracyjne, a ubytki jego masy po okresie eksperymentu byáy niewielkie. Sáowa kluczowe: chalcedonit, filtracja, ĞcieralnoĞü záoĪa filtracyjnego WSTĉP Badania przydatnoĞci technologicznej chalcedonitu do odĪelaziania i odmanganiania wód poziemnych oraz oczyszczania Ğcieków prowadzone byáy przez wielu autorów [2, 8, 10].W wymienionych opracowaniach wykazano, Īe chalcedonit moĪe byü stosowany jako materiaá filtracyjny, zwáaszcza do usuwania Īelaza i manganu z wód podziemnych. Szczególnie dokáadnie przedstawia to artykuá SozaĔskiego [9], w którym jako istotne wymienia siĊ nastĊpujące charakterystyki technologiczne: – „efekty usuwania związków Īelaza i manganu z wód podziemnych w funkcji skáadu fizyczno-chemicznego i parametrów procesu filtracji pospiesznej, – parametry projektowe i eksploatacyjne tych záóĪ, w tym gáównie prĊdkoĞü filtracji, gáĊbokoĞü przenikania Īelaza i manganu oraz granulometria, pojemnoĞci masowe i intensywnoĞci páukania, – dáugoĞci cykli filtracyjnych okreĞlonych przez kryteria jakoĞci wody uzdatnionej i strat hydraulicznych, – zmiany aktywnoĞci autokatalitycznej záóĪ dla odmanganiania wód podziemnych w warunkach bez reagentowej filtracji pospiesznej tych wód”. Opisane charakterystyki pozwalają poznaü wáaĞciwoĞci technologiczne záóĪ filtracyjnych oraz umoĪliwiają ich efektywny dobór w fazie projektowej. W cytowanym artykule, jak i poprzednich pominiĊto ocenĊ trwaáoĞci (zmiennoĞci) záoĪa w trakcie jego wieloletniej eksploatacji. Wydaje siĊ, Īe mgr inĪ. Piotr POCZTÓà * prof. dr hab. inĪ. Marian GRANOPS, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 120 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska okreĞlenie ĞcieralnoĞci materiaáu filtracyjnego w czasie jego wykorzystania technicznego, w szczególnoĞci w czasie okresowych regeneracji, páukania záoĪa w przeciwprądzie, ma istotne znaczenie praktyczne i ekonomiczne. W pracy starano siĊ okreĞliü wáaĞnie ten parametr, czyli ĞcieralnoĞü chalcedonitu w eksperymencie prowadzonym w skali uáamkowo-technicznej. WYSTĉPOWANIE I CHARAKTERYSTYKA Chalcedonit jest mineraáem, odmianą kwarcu o zróĪnicowanej barwie. WystĊpuje w Brazylii, Urugwaju, na Madagaskarze, WĊgrzech i w Ameryce Póánocnej [1]. W Polsce pomimo wystĊpowania w kilku miejscach eksploatowane jest jedynie záoĪe „Teofilów” zlokalizowane niedaleko Tomaszowa Mazowieckiego [2, 10]. ZáoĪe eksploatowane jest przez firmĊ Mikrosil – Polska Sóáka z o.o. [6]. Materiaá filtracyjny wydobywany jest selektywnie ze Ğciany záoĪa, a nastĊpnie odpowiednio obrabiany i frakcjonowany. Cechuje go wysoka jednorodnoĞü pod wzglĊdem parametrów fizykochemicznych. Parametry fizykochemiczne záoĪa publikowane przez producenta przedstawiają siĊ nastĊpująco [6]: parametry fizyczne: gĊstoĞü wáaĞciwa 2,62-2,67 kg/dm3 gĊstoĞü nasypowa 0,85-1,10 kg/dm3 porowatoĞü wewnĊtrzna 15,0-30,0% nasiąkliwoĞü 4,0-10,0% wytrzymaáoĞü na Ğciskanie 60-120 MPa ĞcieralnoĞü na bĊbnie Devala 8-15% liczba olejowa 26g/100g mączki parametry chemiczne: SiO2 94,0-99,0% Al2O3 0,4-3,6% Fe2O3 0,1-0,8% CaO 0,1-1,2% MgO 0,0-0,3% Na2O 0,04-0,20% K2O 0,1-0,5% Z zestawieniem skáadu chemicznego opracowanego przez inne jednostki badawcze moĪna zapoznaü siĊ w publikacji Michel [3]. METODYKA BADAē Badania prowadzono na stacji uzdatniania wody Szkoáy Gáównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Materiaá filtracyjny wypeániający záoĪe przygotowany byá jedynie z chalcedonitu. Podsypka, czyli warstwa podtrzymująca záoĪe zasadnicze, skáadaáa siĊ z trzech frakcji uziarnienia: 31,5-8,0 mm, Piotr Pocztóá, Marian Granops Badanie ĞcieralnoĞci chalcedonitu... 121 8,0-4,0 mm, 4,0-2,5 mm. ZáoĪe zasadnicze zostaáo natomiast przygotowane z materiaáu o granulacji 2,5-0,315 mm. Wszystkie frakcje przed ich wykorzystaniem w eksperymencie przepáukano uzdatnioną wodą wodociągową produkowaną na stacji SGGW w Warszawie dla potrzeb kampusu uczelni. Ze záoĪa zasadniczego pobrano trzy kilogramowe próbki i poddano je analizie sitowej. Na podstawie badaĔ czterech mniejszych próbek záoĪa okreĞlono zawartoĞü wody w materiale filtracyjnym. Próbki pobrano do uprzednio wysuszonych i zwaĪonych naczyniek wagowych, wysuszono w suszarce do staáej masy w 105oC i po wystudzeniu w eksykatorze ponownie zwaĪono na wadze technicznej Axis A5000 o dokáadnoĞci waĪenia 0,1 g. Z ubytku masy wyliczono procentową zawartoĞü wody w chalcedonicie. ZnajomoĞü tego parametru byáa istotna, gdyĪ ĞcieralnoĞü chalcedonitu okreĞlona zostaáa poprzez porównanie masy chalcedonitu wsypanego do filtra przed i po przeprowadzeniu eksperymentu. ZáoĪe podtrzymujące o charakterystyce uprzednio okreĞlonej i wysokoĞci warstwy 150 mm oraz badany materiaá filtracyjny í záoĪe o uziarnieniu 2,5-0,315 i wysokoĞci warstwy 500 mm umieszczone zostaáy w kolumnie filtracyjnej o Ğrednicy 253 mm i wysokoĞci 1300 mm. Powierzchnia filtra wynosiáa 0,051 m2 (rys. 1). Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego Fig. 1. Diagram of the test Filtr wyposaĪony byá w zawór elektromagnetyczny Fleck 7700, który umoĪliwiaá automatyczne sterowanie jego pracą. Filtr zasilany byá wodą uzdatnioną o ciĞnieniu okoáo 4 barów. W czasie pracy filtra co kilka dni dokonywano poboru próbek wody zasilającej filtr oraz wody popáucznej w celu oznaczenia mĊt- 122 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska noĞci. Wzrost mĊtnoĞci informowaá o zachodzącym procesie Ğcierania siĊ záoĪa w trakcie jego páukania. MĊtnoĞü oznaczana byáa w aparacie firmy Hach 2100N Turbidimeter. W normalnych warunkach pracy stacji páukanie filtrów prowadzi siĊ co kilkadziesiąt godzin lub co kilka dni i trwa ono zwykle 5-10 minut. W eksperymencie zastosowany zawór Flecka z elektronicznym programatorem umoĪliwiaá codzienne páukanie filtra (z technologicznymi przerwami) przez okres 398 minut. Zasadnicze badanie procesu ĞcieralnoĞci záoĪa prowadzono przy prĊdkoĞci páukania záoĪa 40 m/h, aby zapewniü minimalną prĊdkoĞü dla fluidyzacji záoĪa [7]. W koĔcowej fazie trwania eksperymentu zastosowano páukanie z prĊdkoĞciami 30 i 35 m/h. Eksperyment byá prowadzony przez 38 dni. Po zakoĔczeniu eksperymentu chalcedonit zostaá wysypany z filtra, wysuszony i ponownie zwaĪony w celu okreĞlenia procentowego ubytku masy. Oprócz tego po raz drugi wykonano analizĊ sitową materiaáu (w taki sam sposób jak wczeĞniej), aby okreĞliü ewentualne zmiany w granulacji záoĪa. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE Zastosowana metodyka oraz czas trwania eksperymentu umoĪliwiáy w stosunkowo krótkim czasie (38 dni) zasymulowaü kilkuletnią pracĊ filtra w zakresie jego páukania. Zakáadając, Īe filtry są páukane przez przez 10 minut, co 24 godziny, w ciągu jednej doby moĪna byáo zasymulowaü prawie 40 filtrocykli pracy filtra. Przy 38 dniach pracy filtra doĞwiadczalnego daáo to symulacjĊ jego pracy w okresie 4 lat i 2 miesiĊcy. Gdyby przyjąü, Īe filtr jest páukany co drugi dzieĔ, co najczĊĞciej ma miejsce w praktyce, uzyskane wyniki symulują pracĊ záoĪa w okresie ponad 8 lat. W zastosowanym do badaĔ záoĪu dominowaáy ziarna o Ğrednicy 0,8-2,0 mm, a najwiĊkszy udziaá miaáa frakcja 1,0-1,25 mm (rys. 2). Masa wsypanego do filtra doĞwiadczalnego chalcedonitu wynosiáa 23,0 kg, z wyliczeĔ okreĞlonych w tabeli 1 wynika, Īe zawieraá on 0,075 kg wody, a wiĊc masa suchego záoĪa wsypanego do filtra wyniosáa 22,925 kg (tab. 1). Piotr Pocztóá, Marian Granops Badanie ĞcieralnoĞci chalcedonitu... 123 Rys. 2. Skáad granulometryczny chalcedonitu przed badaniem Fig. 2. The grain-size composition of the chalcedonite before the test Tabela 1. Wyniki zawartoĞci wody w chalcedonicie przed wykonaniem badaĔ Table 1. The results of the water content prior to testing chalcedonite Parametr Waga pustego naczyĔka [g] Waga naczyĔka z chalcedonitem przed wysuszeniem w 105 °C [g] Waga naczyĔka z chalcedonitem po wysuszeniu w 105 °C [g] Ubytek masy [g] Ubytek masy [%] ĝredni ubytek masy [%] NaczyĔko 1 22,4921 NaczyĔko 2 22,0632 NaczyĔko 3 22,1292 NaczyĔko 4 22,3094 37,7045 36,6758 36,8382 35,5444 37,5787 36,5603 36,7097 35,4345 0,1155 0,1285 0,3149 0,3488 0,3266 0,1099 0,3092 0,1258 0,3336 Zestawione na rysunkach 3 i 4 badania mĊtnoĞci wody prowadzono w 6 seriach, a w odstĊpach 10-minutowych pobierano próbki do badania mĊtnoĞci. Na rysunku 3 przedstawiono 4 serie badaĔ; wszystkie one pokazują, Īe woda popáuczna charakteryzowaáa siĊ wyĪszą mĊtnoĞcią w porównaniu z zasilającą filtr. Jednak róĪnica ta byáa doĞü maáa, co Ğwiadczy o maáej ĞcieralnoĞci záoĪa. MoĪna zauwaĪyü, Īe woda popáuczna cechowaáa siĊ najwiĊkszą mĊtnoĞcią w pierwszych dniach trwania eksperymentu, w póĨniejszym okresie wartoĞci mĊtnoĞci byáy zdecydowanie mniejsze. Spowodowane byáo to zapewne tym, iĪ ziarna záoĪa mające na początku nieregularne ksztaáty staáy siĊ bardziej sferyczne. Zmniejszenie prĊdkoĞci páukania do 30 i 35 m/h (rys. 4) wykazaáo, Īe mĊtnoĞü wody popáucznej byáa mniejsza niĪ wody zasilającej, co Ğwiadczy o zbyt maáej prĊdkoĞci zastosowanej do páukania záoĪa, z czego moĪna sądziü, Īe nie wystąpiáa jego fluidyzacja [7]. 124 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Fakt, Īe w czasie prowadzonych páukaĔ záoĪa dochodziáo do tarcia pomiĊdzy ziarnami chalcedonitu potwierdza wykonana analiza granulometryczna záoĪa wykonana po zakoĔczeniu badaĔ (rys. 5). W efekcie tarcia doszáo do zmniejszenia siĊ procentowego udziaáu ziaren o Ğrednicy 2,5-0,8 mm, a zwiĊkszenia udziaáu ziaren mniejszych niĪ 0,8 mm. Frakcja 2,5-0,8 mm przed wykonaniem eksperymentu stanowiáa Ğrednio 92% caáoĞci, a po zakoĔczeniu 84% caáoĞci. W przypadku frakcji mniejszej niĪ 0,8 mm jej Ğrednia iloĞü ulegáa dwukrotnemu zwiĊkszeniu z 8 do 16% (rys. 6). Rys. 3. Pomiary mĊtnoĞci przy prĊdkoĞci páukania 40 m/h Fig. 3. The turbidity measurements at the speed of backwashing 40 m/h Rys. 4. Pomiary mĊtnoĞci przy prĊdkoĞci páukania 35 m/h i 30 m/h Fig. 4. The turbidity measurements at the speed of backwashing 35 m/h and 30 m/h Piotr Pocztóá, Marian Granops Badanie ĞcieralnoĞci chalcedonitu... 125 Rys. 5. Skáad granulometryczny chalcedonitu po badaniu Fig. 5. The grain-size composition of the chalcedonite after the test Rys. 6. Porównanie Ğredniej zawartoĞci poszczególnych frakcji chalcedonitu przed i po badaniu Fig. 6. The comparison of the average content of each fraction of the chalcedonite before and after the test Generalnie moĪna byáo zauwaĪyü, Īe we wszystkich grupach wymiarowych ziaren powyĪej 0,8 mm stwierdzano ubytki iloĞciowe, a poniĪej tego wymiaru rejestrowano wzrosty. MoĪna stąd sądziü, Īe zastosowana prĊdkoĞü páu- 126 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska kania záoĪa 40 m/h miaáa takĪe wpáyw na Ğcieranie siĊ ziaren o wymiarach wiĊkszych niĪ 1,25 mm. Jak wynika z tabeli 2 chalcedonit po przeprowadzeniu eksperymentu zawieraá Ğrednio 0,023 kg wody. Wysuszone záoĪe zostaáo ponownie zwaĪone, jego masa wyniosáa 22,552 kg, co po odjĊciu masy suchego chalcedonitu daáo 22,529 kg suchego záoĪa. Tabela 2. Wyniki zawartoĞci wody w chalcedonicie po wykonaniu badaĔ Table 2. The results of the water content after the test chalcedonite Parametr Waga pustego naczyĔka [g] Waga naczyĔka z chalcedonitem przed wysuszeniem w 105°C [g] Waga naczyĔka z chalcedonitem po wysuszeniu w 105°C [g] Ubytek masy [g] Ubytek masy [%] ĝredni ubytek masy [%] NaczyĔko 1 22,4924 NaczyĔko 2 22,1298 NaczyĔko 3 23,3101 NaczyĔko 4 22,0635 40,0590 40,9860 40,8631 39,8294 40,0218 40,9443 40,8216 39,7875 0,0417 0,0415 0,1017 0,1016 0,1004 0,0419 0,1052 0,0372 0,0929 ĝcieralnoĞü chalcedonitu po zakoĔczeniu eksperymentu wyniosáa 0,396 kg, po przeliczeniu (tab. 3) odpowiadaáo to ubytkowi masy o 1,73%. Tabela 3. Zestawienie wyników masy chalcedonitu przed i po badaniu oraz obliczenia ĞcieralnoĞci Table 3. Combined results chalcedonite weight before and after the test and the calculation of attrition Masa chalcedonitu uĪyta do badaĔ [kg] ZawartoĞü wody w chalcedonicie wykorzystywanym do badaĔ [kg] Sucha masa chalcedonitu uĪytego do badaĔ [kg] Masa chalcedonitu po wykonaniu badaĔ [kg] ZawartoĞü wody w chalcedonicie po wykonaniu badaĔ [kg] Sucha masa chalcedonitu po wykonaniu badaĔ [kg] A B C D E F 23,000 0,075 22,925 22,552 0,023 22,529 Dodatkowo obliczono, o ile obniĪyáa siĊ wysokoĞü záoĪa (H) w wyniku Ğcierania siĊ ziaren w procesie páukania: H = 0,396 kg × 500 mm / 22,925 kg = 8,64 mm. Tak wiĊc po symulacji 4 lat ze záoĪa ubyáo 1,73% jego masy, a wysokoĞü zmniejszyáa siĊ o 8,64 mm. Piotr Pocztóá, Marian Granops Badanie ĞcieralnoĞci chalcedonitu... 127 PODSUMOWANIE ZáoĪe chalcedonitowe wykorzystywane w Polsce od kilkunastu lat z duĪym powodzeniem do usuwania związków Īelaza i manganu z wody w przeprowadzonym eksperymencie okazaáo siĊ byü odporne na procesy jego páukania w przeciwprądzie. W przeprowadzonym eksperymencie przy zastosowaniu prĊdkoĞci páukania 40 m/h zaobserwowano Ğcieranie siĊ wszystkich frakcji zastosowanego materiaáu filtracyjnego. Uzyskany wynik, ubytek masy 1,73% przy symulacji okoáo 4 lat pracy záoĪa, moĪna uznaü za dobry prognostyk dalszego stosowania chalcedonitu w oczyszczaniu wody. Dalsze badania naleĪy przeprowadziü przy zastosowaniu wiĊkszych prĊdkoĞci páukania, uwzglĊdniających ekspansjĊ záoĪa do 25% [6, 9] lub do 50% [5]. Byü moĪe przy zastosowaniu wiĊkszych prĊdkoĞci páukania wystąpią wiĊksze ubytki masy záoĪa zwáaszcza w ziarnach záoĪa o Ğrednicy powyĪej 1,25 mm. LITERATURA [1] Grabarczyk Cz., 2010. Hydromechanika filtrowania wody. Wyd. Nauk. Tech. Warszawa, 37. [2] Kosk I., Nieü M., PabiĞ J., Tchórzewska D., 2000. Propozycje wykorzystania chalcedonitu w oczyszczaniu wód. Aura 3. [3] Michel M.M., 2011. Charakterystyka chalcedonitu ze záoĪa Teofilów pod kątem wykorzystania w technologii uzdatniania wody i oczyszczania Ğcieków. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 27(1),. 56-66. [4] Michel M.M., KiedryĔska L., Tyszko E., 2008. Badania skutecznoĞci odmanganiania wody podziemnej na modyfikowanym chalcedonicie i masie katalitycznej Purolite MZ 10. Ochrona ĝrodowiska 30(3),15-20. [5] Michel M., Siwiec T., Granops M., 2004. Zastosowanie chalcedonitu w usuwaniu Īelaza z wody podziemnej. MiĊdz. Konf. Woda, Wyd. PZiTS, t. 1, 455-464. [6] Mikrosil Polska, Sp. z o.o. www.mikrosil.com.pl, 14.02.2013. [7] Siwiec T., 2007. Warunki páukania jednowarstwowych i dwuwarstwowych filtrów pospiesznych. Wyd. SGGW Warszawa, 31-163. [8] SozaĔski M., JeĪ-Walkowiak J., Weber à., 2011. Metodyka badaĔ przydatnoĞci technologicznej materiaáów filtracyjnych do odĪelaziania i odmanganiania wód podziemnych na przykáadzie chalcedonitu. Instal 10, 61-65. [9] SozaĔski M., JeĪ-Walkowiak J., Weber à., 2004. Piasek chalcedonitowy jako nowe záoĪe w odĪelazianiu i odmanganianiu wód podziemnych. IV Konf. Nauk.Tech. Woda – Czáowiek í ĝrodowisko, WrzeĞnia-LicheĔ. [10] Tchórzewska D., PabiĞ J., Kosk I., Nieü M., 2001. Nowe zastosowania chalcedonitu jako sorbentu w procesie oczyszczania wód. Przegląd Geologiczny 49(4). 128 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska CHALCEDONIT ABRASIN TEST IN THE PRESSURE FILTRATION Abstract. The results of abrasion test process chalcedonite 0.315-2.5 mm in diameter, used as a filter material. In order to intensify the process of frequent washing carried out in countercurrent bed. Make the difference in weight before and after the experiment claimed the rate of abrasion, crushing and leaching from the column filter. Used to study chalcedonit proved to be resistant to regeneration processes used and the weight loss after the experiment was small. Keywords: chalcedonite, filtration, filter bed abrasion TECHNOLOGIA NAWADNIANIA ROĝLIN SADOWNICZYCH W POLSCE. POTRZEBY, ZASADY I METODY STEROWANIA Czesáaw Rzekanowski*1 Streszczenie. W pracy przedstawiono ksztaátowanie siĊ potrzeb nawodnieniowych roĞlin sadowniczych w Polsce na podstawie formuáy N = P – Po [mm], w której N oznacza niedobory wody [mm] w danym okresie, P í opady rzeczywiste [mm] w danym okresie, a Po – opady optymalne (potrzeby wodne roĞlin). Opady optymalne przyjĊto wg zmodyfikowanej tabeli Pressa [14], zawierającej dane dotyczące potrzeb wodnych roĞlin w mm na glebach, ustalone dla trzech zakresów temperatur powietrza, w kolejnych miesiącach sezonu wegetacji. Potrzeby N okreĞlono w 27 wybranych stacjach meteorologicznych, dla piĊciu podstawowych gatunków drzew owocowych oraz truskawek. NajwyĪsze niedobory wodne drzew owocowych stwierdzono w centralnym pasie Polski z odejĞciem na póánoc do Szczecina oraz w rejonie Poznania, Páocka i Sáubic. Obliczono równieĪ niedobory wody N w okresach nawodnieniowych okreĞlonych osobno dla kaĪdego gatunku drzew owocowych. Stwierdzono, Īe najwiĊksze niedobory wody równieĪ wystĊpowaáy w centralnym pasie kraju, a najmniejsze w poáudniowym. Sáowa kluczowe: technologia nawadniania roĞlin, roĞliny sadownicze, nawadnianie roĞlin, potrzeby nawadniania, metody sterowania nawadnianiem WPROWADZENIE Nawadnianie jest skutecznym sposobem uzupeániania w sezonie wegetacyjnym niedostatków wody w glebie, spowodowanych zbyt niskimi w stosunku do potrzeb roĞlin opadami lub wystĊpowaniem dáuĪszych okresów bezopadowych, zwanych posuchami. O randze i znaczeniu sztucznego dostarczania wody Ğwiadczy fakt, iĪ okoáo 36% produktów rolniczych w Ğwiecie uzyskiwano z pól nawadnianych, chociaĪ tylko okoáo 15% caáego areaáu jest wyposaĪone w takie systemy [15]. W warunkach klimatycznych Polski gáównymi czynnikami decydującymi o dostatku lub braku wilgoci dla roĞlin są gleba i klimat. W przypadku gleby najwaĪniejsze znaczenie ma jej zdolnoĞü do zatrzymywania wody, czyli tzw. polowa pojemnoĞü wodna (PPW). WaĪną rolĊ odgrywa teĪ gáĊbokoĞü zalegania lustra wody gruntowej i związany z nią podsiąk kapilarny. Na glebach lekkich, o maáej zawartoĞci czĊĞci spáawialnych, po zimie lub obfitych opadach letnich iloĞü zgromadzonej w jednometrowym profilu glebowym wody siĊga 60-100 * prof. dr hab. inĪ. Czesáaw RZEKANOWSKI, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 130 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska mm, a na glebach zwiĊĨlejszych przekracza nawet 300 mm. W glebach ciĊĪkich i bardzo ciĊĪkich, mimo wiĊkszej ich pojemnoĞci wodnej niĪ w glebach lĪejszych, iloĞü wody teoretycznie dostĊpnej dla roĞlin jest mniejsza i wynosi 130-190 mm. Z tej iloĞci tylko czĊĞü wody, okreĞlana jako woda áatwo dostĊpna, moĪe zapewniü jej niezakáócone pobieranie przez korzenie roĞlin. W póámetrowej warstwie gleby, okreĞlanej w warunkach stosowania nawodnieĔ warstwą o kontrolowanym uwilgotnieniu, znajduje siĊ wedáug Drupki [4] odpowiednio od 25 do 45 mm wody áatwo dostĊpnej. Zakáadając zatem, Īe przed nadejĞciem okresu bezopadowego gleba miaáa zapasy wody równe polowej pojemnoĞci wodnej, starczyáoby jej roĞlinom na okoáo 15 dni na glebie lekkiej i blisko na 70 dni na bardzo dobrej, licząc Ğrednio po 3,5 mm zuĪycia wody na dobĊ. Drugim istotnym czynnikiem decydującym o wáaĞciwej iloĞci wody dla roĞlin jest klimat i związane z nim wystĊpowanie opadów atmosferycznych. NaleĪy zwróciü równieĪ uwagĊ na spodziewane zmiany klimatyczne wywoáane globalnym ociepleniem, które mogą dodatkowo wpáywaü na rozwój nawodnieĔ w Polsce. Alcamo i in. [1] przewidują (scenariusz A2) pod koniec wieku XXI wzrost temperatury globalnej o okoáo 4°C (w Polsce o 2-4°C). ChociaĪ nie przewiduje siĊ zmiany sumy opadów rocznych, to przypuszczalnie nastąpi wzrost opadów zimowych, osztem niĪszych opadów letnich [10, 13]. Spowoduje to przesuszenie gleb w okresie letnim i silny wzrost potrzeby nawodnieĔ [12]. Przyjmuje siĊ, Īe roĞliny sadownicze do optymalnego wzrostu i plonowania wymagają w naszej strefie klimatycznej opadów rocznych rzĊdu 700-800 mm [16], a nawet 800-900 mm [8]. W Polsce takie opady nie wystĊpują, a nadto zaleĪnie od poáoĪenia centrów niĪu i wyĪu raz moĪe napáywaü na nasz obszar powietrze kontynentalne, cechujące siĊ latem wysoką ciepáotą i niską zawartoĞcią pary wodnej, innym razem znad oceanów powietrze o duĪej zawartoĞci pary wodnej. W związku z tym w tych samych miesiącach letnich moĪe panowaü pogoda upalna i sucha albo deszczowa i cháodna. ĝrednia wieloletnia roczna suma opadów atmosferycznych w Polsce wynosi 602 mm, z odchyákami w niektórych latach o 30% na plus lub minus. Opady cechuje u nas zmiennoĞü przestrzenna, od 505 mm w Ğrodkowej czĊĞci kraju do ponad 700 mm w pasie nadmorskim i podgórskim. Dowodzą tego dane Chrzanowskiego [2] zawierające zestawienie opadów z lat 1891-1980. Wynika z nich, Īe najmniej opadów rocznie odnotowano w stacjach opadowych poáoĪonych w Krainie Wielkich Dolin: w PoĞwiĊtnym – 505 mm, Páocku – 509 mm, Poznaniu – 511 mm i Toruniu – 513 mm, a duĪo wiĊcej w pasie póánocnym: Koszalinie – 716 mm i LĊborku – 675 mm i poáudniowym: Jeleniej Górze – 689 mm, Krakowie – 659 mm i CzĊstochowie – 652 mm. Poza rocznymi sumami opadów, do prawidáowego zaopatrzenia w wodĊ upraw ogrodniczych równie istotne znaczenie ma ich rozkáad w sezonie wegetacyjnym, a szczególnie w okresie wzmoĪonego zaopatrzenia w wodĊ. CzĊstym bowiem zjawiskiem w Polsce jest pojawianie siĊ lat suchych i okresów posusznych, chociaĪ bywają teĪ lata o nadmiernych opadach. Posuchy atmosferyczne dáuĪsze od 15 dni zdarzają siĊ w Ğrodkowej czĊĞci kraju w 30-40% lat w maju Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 131 i czerwcu oraz w okoáo 30-35% lat w lipcu i sierpniu. NajwiĊksze straty w rolnictwie wywoáują ekstremalne susze, które w warunkach Polski nie są rzadkoĞcią. Przykáadem takich zjawisk mogą byü susze w latach 1992 i 2000, obejmujące 40% terytorium kraju i powodujące straty w plonach roĞlin uprawnych o 10-40% w porównaniu z rokiem o normalnych opadach [11]. KLIMATYCZNY WSKAħNIK POTRZEB WODNYCH ROĝLIN SADOWNICZYCH Potrzeby wodne roĞlin sadowniczych są wysokie, zdecydowanie przewyĪszające potrzeby wiĊkszoĞci upraw polowych. ZwiĊkszają siĊ w miarĊ wydáuĪania siĊ okresu wzrostu i dojrzewania owoców oraz w miarĊ spáycania systemu korzeniowego roĞlin. Ogromne znaczenie ma teĪ gĊstoĞü nasadzenia drzew, ich wiek, sposób utrzymania miĊdzyrzĊdzi, rodzaj gleby i jej podáoĪa, poziom wody gruntowej oraz lokalne warunki fizjograficzne. Przyjmuje siĊ, Īe ze wszystkich roĞlin sadowniczych najwiĊcej wody wymagają jagodowe, a z nich posiadające najpáytszy system korzeniowy – borówka wysoka, truskawki i poziomki, a nastĊpnie maliny, porzeczki i agrest. WĞród drzew duĪe potrzeby mają: jabáoĔ i Ğliwa, Ğrednie – czereĞnia, grusza, brzoskwinia i orzech wáoski, a stosunkowo maáe – wiĞnia i morela. W warunkach klimatycznych Polski nawadnianie peáni jedynie rolĊ uzupeániającą w stosunku do wystĊpującej iloĞci opadów. W przeciĊtnych warunkach niedobory opadowe oceniane są w sezonie wegetacyjnym na okoáo 150-200 mm. Wedáug Drupki [5], najszybciej pobierana jest woda z wierzchniej warstwy profilu glebowego, czyli do gáĊbokoĞci 30-50 cm, z której pochodzi okoáo 70-75% caáego zuĪycia. Dlatego teĪ celem uzupeániającego nawadniania jest pokrywanie strat wody w tej górnej warstwie, zwanej warstwą o kontrolowanym uwilgotnieniu – hk. Pobór wody z warstw gáĊbszych jest powolniejszy, szczególnie gdy stosunkowo wysoko znajduje siĊ lustro wody gruntowej i wystĊpuje podsiąk kapilarny. Udziaá warstw gáĊbszych w caákowitym zaopatrzeniu drzew owocowych w wodĊ ocenia siĊ na 20-30%. Za najlepszy wskaĨnik klimatyczny potrzeb stosowania nawodnieĔ w ogrodnictwie moĪe posáuĪyü róĪnica pomiĊdzy ewapotranspiracją potencjalną, utoĪsamianą z potrzebami wodnymi dobrze rozwiniĊtej i zacieniającej glebĊ roĞlinnoĞci, a opadami atmosferycznymi: N = ETp – P [mm] gdzie: N – niedobór opadów atmosferycznych [mm], przy braku zapasów wody w glebie, ETp – ewapotranspiracja potencjalna [mm], P – opady atmosferyczne [mm], w okresie obliczeniowym. 132 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska WysokoĞü ewapotranspiracji potencjalnej jest zmienna, zaleĪna od czynników klimatycznych, decydujących o zdolnoĞci ewaporacyjnej powietrza (niedosyt wilgotnoĞci, temperatura powietrza, nasáonecznienie, prĊdkoĞü wiatru). MoĪna ją wyliczyü za pomocą wzorów: Penmana, Matula, Turca czy Grabarczyka [7, 18]. Mimo iĪ najbardziej popularny i w powszechnym uĪyciu jest wzór Penmana, to jednak duĪo áatwiejszy, prostszy w stosowaniu i wystarczająco dokáadny jest wzór Grabarczyka [7]. Zgodnie z nim: ETp = 0,32 (Ȉd + 1 3 Ȉt) [mm] gdzie: Ȉd í suma Ğrednich dobowych niedosytów wilgotnoĞci powietrza [hPa], Ȉt í suma Ğrednich dobowych temperatur powietrza [oC]. ZaleĪnie od charakteru napáywających mas powietrza i typu pogody ETp moĪe w naszych warunkach przybieraü róĪne wartoĞci. Wedáug Matula (za Drupką [5]), miesiĊczne Ğrednie wartoĞci ETp dla Ğrodkowego i poáudniowego pasa Polski (lata 1948-1962) wynoszą: maj í 90-92 mm, czerwiec í 106-110 mm, lipiec í 114-116 mm i sierpieĔ í 92-96 mm, a wedáug KĊdziory [9] dla Wielkopolski (lata 1951-1970) odpowiednio: 85, 112, 107 i 91 mm. W latach posusznych, w miesiącach upalnych o maáym zachmurzeniu i niskich opadach atmosferycznych wartoĞci ETp są odpowiednio wyĪsze, siĊgając nawet w Kotlinie Warszawskiej: w maju do 135 mm, czerwcu í 180 mm, w lipcu í 135 mm i sierpniu – 165 mm. Niskie wartoĞci wystĊpują natomiast w miesiącach pochmurnych i z wysokimi opadami. Przy korzystaniu ze wskaĨnika klimatycznego ETp, wyraĪającego fizyczną cháonnoĞü atmosfery, naleĪy wprowadziü wspóáczynnik roĞlinny kr, wahający siĊ dla sadów od 0,4 do 1,25, a uwzglĊdniający biologiczną aktywnoĞü roĞlin w wydalaniu pary wodnej w procesie transpiracji. Stąd teĪ rzeczywiste zuĪycie wody, oznaczone symbolem ETr, w nawadnianym sadzie bĊdzie wynosiü: ETr = kr · ETp [mm] gdzie: kr – wspóáczynnik roĞlinny zaleĪny od fazy rozwojowej oraz stanu i typu roĞlinnoĞci. WartoĞci wspóáczynnika wedáug Doorenbosa i Pruitta [3] podano w tabeli 1. Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 133 Tabela 1. Wspóáczynniki roĞlinne „kr” dla sadów w peáni rozwoju wg Doorenbosa i Pruitta [3] Table 1. Plant coefficients „kr” for orchards in fully development according to Doorenbos and Pruitt [3] Rodzaj drzew Jabáonie CzereĞnie WiĞnie Brzoskwinie Morele Grusze ĝliwy Miesiąc IV V VI VII VIII IX X IV V VI VII VIII IX X Gleba bez okrywy roĞlinnej Gleba z okrywą roĞlinną okres wilgotny suchy wilgotny suchy 0,45 0,50 0,40 0,45 0,85 0,75 0,60 0,55 1,15 1,00 0,85 0,75 1,25 1,10 1,00 0,86 1,25 1,10 1,00 0,85 1,20 1,10 0,95 0,80 0,95 0,85 0,70 0,60 0,45 0,50 0,40 0,45 0,80 0,70 0,55 0,50 1,05 0,90 0,75 0,65 1,15 1,00 0,90 0,75 1,15 1,00 0,90 0,75 1,10 0,95 0,70 0,70 0,88 0,75 0,65 0,55 WIELKOĝCI NIEDOBORÓW WODNYCH ROĝLIN SADOWNICZYCH Potrzeby wodne roĞlin sadowniczych moĪna okreĞliü jako tzw. opady optymalne, niezbĊdne do uzyskania wysokich plonów. Sáowik [16] podaje, Īe w krajach europejskich jako ogólne wytyczne moĪna przyjmowaü dane Kemmera i Schulza (tab. 2), stanowiące orientacyjny wskaĨnik potrzeb nawadniania drzew owocowych na glebach Ğrednio zwiĊzáych. Tabela 2. IloĞü opadów niezbĊdna do uzyskania wysokich plonów na Ğrednio zwiĊzáych glebach w warunkach Niemiec wg Kemmera i Schulza [16] Table 2. Rainfalls amounts which are necessary to obtain high yields the concise soils in conditions of Germany according to Kemmer and Schulz [16] ĝrednia temperatura V-IX (oC) 14 15 16 17 jabáoĔ 540 620 700 780 Potrzebna roczna suma opadów [mm] grusza brzoskwinia winoroĞl 500 í í 570 440 400 640 500 450 710 560 500 W celu zapewnienia odpowiedniego nawodnienia konieczna jest znajomoĞü potrzeb wodnych drzew owocowych w poszczególnych miesiącach okresu wegetacyjnego. TabelĊ zawierającą dane dotyczące potrzeb wodnych w mm 134 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska na glebach Ğrednich opracowaá dla warunków klimatycznych Niemiec wschodnich Press [14], uzaleĪniając ją od trzech zakresów temperatur powietrza, w kolejnych miesiącach sezonu wegetacji. Na jej podstawie opracowano tabelĊ 3, zamieszczając wartoĞci opadów optymalnych dla piĊciu podstawowych gatunków drzew owocowych oraz truskawek. Wynika z niej, Īe najwiĊksze potrzeby wodne mają truskawki (515-620 mm), mniejsze Ğliwy (400-510 mm) i jabáonie (380-490 mm), a najmniejsze í wiĞnie i czereĞnie (280-345 mm). Zamieszczone dane mogą byü wykorzystywane w warunkach klimatyczno-glebowych Polski i posáuĪyü jako opady optymalne (Po) do ustalania wielkoĞci potrzeb nawodnieniowych drzew owocowych, zgodnie z formuáą: N = P – Po [mm] gdzie: N – niedobory wody [mm] w danym okresie (np. sezon wegetacyjny), P – opady rzeczywiste [mm] w danym okresie, Po – opady optymalne (potrzeby wodne roĞlin) wg zmodyfikowanej tabeli Pressa. Na podstawie zaproponowanej formuáy oszacowano niedobory wody w okresie wegetacyjnym dla wybranych 27 stacji opadowych w Polsce, dla piĊciu gatunków drzew owocowych, przy trzech Ğrednich miesiĊcznych zakresach temperatur powietrza. Niedobory podano w tabeli 4 w taki sposób, Īe stacje pomiarowe od 1 do 7 są zlokalizowane w póánocnym pasie Polski, stacje od 8 do 18 í w pasie centralnym, a pozostaáe, czyli od 19 do 27 í reprezentują pas poáudniowy. NajwyĪsze niedobory wodne drzew owocowych stwierdzono w pasie Ğrodkowym z odejĞciem na póánoc do Szczecina oraz w rejonie Poznania, Páocka i Sáubic. Ksztaátują siĊ one w sezonie wegetacyjnym, przy wysokich temperaturach powietrza, w przypadku Ğliw od 160 do 190 mm, jabáoni 140-171 mm, grusz 50-81 mm oraz wiĞni i czereĞni 39-73 mm. Korzystniejsze warunki wilgotnoĞciowe panują w obu skrajnych pasach, chociaĪ i są tam rejony o duĪych potrzebach nawadniania, szczególnie w przypadku Ğliw i jabáoni. NajwyĪsze niedobory opadów dla tych roĞlin wystĊpują w rejonach Biaáegostoku i GdaĔska w pasie póánocnym oraz Lublina i Puáaw w poáudniowym. NajwiĊksze jednak w sezonie wegetacyjnym zapotrzebowanie na wodĊ roĞliny sadownicze wykazują w najcieplejszych miesiącach letnich, czyli w czerwcu, lipcu i sierpniu. W związku z tym obliczono niedobory wody w okresach nawodnieniowych okreĞlonych osobno dla kaĪdego gatunku (tab. 5). Na tej podstawie stwierdzono, Īe najwiĊksze niedobory wody wystĊpują równieĪ Ğrodkowym pasie kraju, a najmniejsze w poáudniowym. W warunkach wysokich temperatur powietrza niedobory opadów w pasie centralnym z reguáy przekraczają 100 mm dla jabáoni i wahają siĊ od 73 do 108 mm dla Ğliw. Szczególnie duĪe niedobory wody są w okresie nawodnieniowym w rejonie Poznania, Szczecina i Kalisza. Przy dobrym rozkáadzie opadów nie zachodziáaby natomiast potrzeba nawadniania grusz, wiĞni i czereĞni w caáym pasie poáudnio- Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 135 wym. Spore deficyty wody, siĊgające 50-75 mm, pojawiaáyby siĊ w przypadku uprawy jabáoni i Ğliw, szczególnie w rejonie Lublina, Puáaw i Wrocáawia. W pasie póánocnym Polski niedobory opadów przekraczaáyby 50 mm, osiągając 82 mm w rejonie Biaáegostoku. Najmniejsze niedobory dotyczyáyby Ğliw. TECHNOLOGIA NAWADNIANIA ROĝLIN SADOWNICZYCH RoĞliny sadownicze najlepiej rozwijają siĊ i plonują, gdy wilgotnoĞü gleby bliska jest polowej pojemnoĞci wodnej. Sygnaáem do rozpoczĊcia nawadniania jest spadek polowej pojemnoĞci do 70-75%. Optymalne zatem warunki wodne gleby do rozwoju roĞlin stworzymy wówczas, gdy uda siĊ w sezonie wegetacyjnym w warstwie gleby o kontrolowanym uwilgotnieniu utrzymaü wilgotnoĞü w tym zakresie. Bardzo przydatny w ustalaniu terminu nawadniania jest tensjometr, umieszczony w zwilĪanej bryle gleby na gáĊbokoĞci 0,2-0,3 m i okreĞlający jej potencjaá wodny. Z reguáy nawadnianie rozpoczyna siĊ, gdy manometr przyrządu wskazuje od -0,02 do -0,03 MPa w przypadku stosowania systemów kroplowych i od -0,03 do -0,05 MPa w przypadku mikrozraszania. CzĊsto w praktyce potrzeby nawadniania ustala siĊ na podstawie obserwacji warunków opadowych, wyglądu roĞlin i gleby. Pomocny jest teĪ zainstalowany w sadzie deszczomierz, umoĪliwiający pomiar wysokoĞci opadów; moĪna teĪ skorzystaü z informacji pozyskiwanych z najbliĪszej stacji opadowej. W polskich warunkach klimatycznych potrzeba pierwszego nawodnienia moĪe wystąpiü w przypadku truskawki juĪ w pierwszych dniach maja, krzewów owocowych í w poáowie maja, a drzew í pod koniec tego miesiąca. DuĪe potrzeby nawodnieĔ utrzymują siĊ przez caáy czerwiec, lipiec i do poáowy sierpnia, a czasem i dáuĪej, aĪ do początku wrzeĞnia. ZnajomoĞü zuĪycia wody w sadzie jest niezbĊdna do prawidáowego zaprojektowania urządzeĔ nawodnieniowych, z czym nastĊpnie wiąĪe siĊ wáaĞciwe ustalanie wysokoĞci jednorazowych dawek wody, czĊstotliwoĞü nawadniania i gáĊbokoĞü zwilĪania profilu glebowego hk. Dotychczasowe doĞwiadczenia wskazują, Īe uĪytkownicy systemów nawadniających z reguáy stosują nadmierne dawki wody (nawet o 50%), pogarszając tym samym ich efektywnoĞü ekonomiczną. Ustalanie początku okresów nawadniania SpoĞród stosowanych w rolnictwie metod nawadniania w sadach dominuje podkoronowe minizraszanie i system kroplowy. KaĪda z tych metod wymaga odmiennej technologii nawadniania: terminu rozpoczĊcia, wielkoĞci jednorazowych dawek wody i dáugoĞci przerw. W obu w ustaleniu terminu pierwszego nawadniania moĪna kierowaü siĊ danymi zawartymi w tabeli 6. Zasadą jest, aby rozpocząü je w zalecanym optymalnym terminie, pod warunkiem, Īe w poprzedzającym go czasie nie wystąpiáy wiĊksze opady. JeĪeli natomiast 6-7 dni wczeĞniej spadáo co najmniej 25-30 mm, to pierwsze nawadnianie naleĪy przesunąü o 5-6 dni. kwiecieĔ o C mm 6 50 8 60 10 70 6 45 8 50 10 55 6 40 8 45 10 50 6 50 8 60 10 70 6 40 8 45 10 50 C 11 13 15 11 13 15 11 13 15 11 13 15 11 13 15 o maj mm 60 70 80 55 60 70 45 50 60 65 75 85 70 80 90 Miesiące okresu wegetacyjnego czerwiec lipiec o o C mm C mm 14 70 16 80 16 80 18 90 18 90 20 100 14 65 16 60 16 70 18 70 18 75 20 80 14 65 16 70 16 70 18 80 18 75 20 90 14 75 16 80 16 85 18 90 18 95 20 100 14 110 16 120 16 120 18 130 18 130 20 140 sierpieĔ o C mm 15 70 17 80 19 90 15 55 17 60 19 65 15 60 17 65 19 70 15 80 17 90 19 100 15 105 17 115 19 125 wrzesieĔ o C mm 12 50 14 55 16 60 12 45 14 50 16 55 í í í í í í 12 50 14 55 16 60 12 70 14 80 16 90 * zaleĪnie od terminu uprawy Uwaga: dla gleb lekkich podane normy miesiĊczne naleĪy zwiĊkszyü o 20%, a dla gleb zwiĊzáych pomniejszyü o 20%. Truskawki 1.05-15.07 (1.05-25.09)* ĝliwy 10.05-5.09 WiĞnie i czereĞnie 10.05-5.08 Grusze 10.05-5.09 Jabáonie 15.05-15.09 I II III I II III I II III I II III I II III RoĞlina í okresy nawodnieĔ Okres Okres wegetacji nawodnieĔ (IV-IX) [mm] [mm] 275 380 310 435 350 490 215 325 240 360 270 400 175 280 200 310 225 345 295 400 325 455 360 510 240 (465)* 515 265 (510)* 570 285 (570)* 620 Tabela 3. Potrzeby wodne [mm] drzew owocowych na glebach Ğrednich przy niskich (I), Ğrednich (II) i wysokich (III) temperaturach powietrza wg Pressa [14], w modyfikacji wáasnej Table 3. Water needs [mm] of fruit trees on average soils for low (I), average (II) and high (III) air temperatures according to Press [14]), in own modification 136 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Biaáystok GdaĔsk Koszalin LĊbork Olsztyn Prabuty Szczecin Gorzów Wlk. Kalisz Koáo Leszno Piáa Páock PoznaĔ Skierniewice Sáubice ToruĔ Warszawa CzĊstochowa Jelenia Góra Kielce Kraków Lublin Puáawy Sandomierz Wrocáaw ZamoĞü 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Lp MiejscowoĞü 449 405 438 365 370 406 379 410 332 334 331 339 338 324 320 350 324 326 339 414 353 362 419 395 378 382 319 Opady VI-IX [mm] + 69 + 25 + 58 - 15 - 10 + 26 -1 + 30 - 48 - 46 - 49 - 41 - 42 - 56 - 60 - 30 - 56 - 54 - 41 + 34 - 27 - 18 + 39 + 15 -2 +2 - 61 I + 14 - 30 +3 - 70 - 65 - 29 - 56 - 25 - 103 - 101 - 104 - 96 - 107 - 111 - 115 - 85 - 111 - 109 - 96 - 21 - 82 - 73 - 16 - 40 - 57 - 53 - 116 II Jabáonie - 41 - 85 - 52 - 125 - 120 - 84 - 111 - 80 - 158 - 156 - 159 - 151 - 162 - 166 - 170 - 140 - 166 - 164 - 151 - 76 - 137 - 128 - 71 - 95 - 112 - 108 - 171 III Grusze WiĞnie i czereĞnie temperatury: I – niskie, II – Ğrednie, III – wysokie I II III I II III pas póánocny + 28 -7 - 47 + 29 -1 - 36 + 37 +2 - 38 + 22 -8 - 43 + 94 + 59 + 19 + 59 + 29 -6 + 70 + 35 -5 + 42 + 12 - 23 + 53 + 18 - 22 + 45 + 15 - 20 + 57 + 22 - 18 + 47 + 17 - 18 -6 - 41 - 81 -8 - 38 - 73 pas centralny +7 - 28 - 68 +8 - 22 - 57 +9 - 26 - 76 + 12 - 18 - 53 +6 - 29 - 69 +8 - 22 - 57 + 14 - 21 - 61 + 13 - 17 - 52 + 13 - 22 - 62 + 15 - 15 - 50 -1 - 36 - 76 +1 - 29 - 84 -5 - 40 - 80 -2 - 32 - 67 + 25 - 10 - 50 + 26 -4 - 39 -1 - 36 - 76 0 - 30 - 65 +1 - 34 - 74 +5 - 25 - 60 + 14 - 21 - 61 + 16 - 14 - 49 + 89 + 54 + 14 + 53 + 23 - 12 pas poáudniowy + 124 + 89 + 49 + 81 + 51 + 16 + 80 + 45 +5 + 44 + 14 - 21 + 113 + 79 + 38 + 102 + 72 + 37 + 40 +5 - 35 + 40 + 10 - 25 + 45 + 10 - 30 + 44 + 14 - 21 + 81 + 46 +6 + 79 + 49 + 14 + 54 + 19 - 21 + 52 + 22 - 13 + 85 + 50 + 10 + 78 + 48 + 13 + 49 +5 + 38 - 35 - 30 +6 - 21 + 10 - 68 - 76 - 69 - 61 - 62 - 76 - 80 - 50 - 76 - 74 - 61 + 14 - 47 - 38 + 19 -5 - 22 - 18 - 81 I -6 - 50 - 17 - 90 - 85 - 49 - 76 - 35 - 123 - 121 - 124 - 116 - 117 - 131 - 135 - 105 - 131 - 129 - 116 - 41 - 102 - 93 - 36 - 60 - 77 - 73 - 136 II ĝliwy - 61 - 105 - 72 - 145 - 140 - 104 - 121 - 100 - 178 - 176 - 179 - 171 - 172 - 186 - 190 - 160 - 186 - 184 - 171 - 96 - 157 - 148 - 91 - 115 - 132 - 128 - 191 III Tabela. 4. Niedobory wody dla drzew owocowych (N = P – Po) [mm] w sezonie wegetacyjnym (wielolecie 1891-1980) w wybranych stacjach opadowych w Polsce Table. 4. Shortages of water for trees the fruit (N = P – Po) [mm] in vegetative season (multiannual period 1891-1980) in chosen precipitation stations in Poland Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 137 Biaáystok GdaĔsk Koszalin LĊbork Olsztyn Prabuty Szczecin Gorzów Wlk. Kalisz Koáo Leszno Piáa Páock PoznaĔ Skierniewice Sáubice ToruĔ Warszawa CzĊstochowa Jelenia Góra Kielce Kraków Lublin Puáawy Sandomierz Wrocáaw ZamoĞü 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 MiejscowoĞci 1 2 3 4 5 6 7 Lp + 55 + 31 + 56 0 +5 + 35 +9 + 35 - 29 - 27 - 23 - 23 - 21 - 29 - 40 - 10 - 34 - 29 - 19 + 35 -7 -3 + 35 + 20 + 13 + 13 - 42 I - 18 -6 + 19 - 37 - 32 -2 - 28 -2 - 66 - 64 - 60 - 60 - 58 - 66 - 77 - 47 - 71 - 66 - 56 -2 - 44 - 40 -2 - 17 - 24 - 24 - 79 II Jabáonie - 20 - 44 - 19 - 75 - 70 - 40 - 66 - 40 - 104 - 106 - 102 - 102 - 96 - 104 - 115 - 85 - 109 - 104 - 94 - 40 - 82 - 78 - 40 - 55 - 62 - 62 - 117 III + 100 + 74 + 100 + 44 + 50 + 81 + 55 +78 + 16 + 19 + 21 + 22 + 29 + 15 +6 + 36 +9 + 15 + 26 + 89 + 36 + 36 + 67 + 54 + 50 + 54 +1 I Grusze WiĞnie i czereĞnie temperatury: I – niskie, II – Ğrednie, III – wysokie II III I II III pas póánocny + 12 - 12 + 18 0 - 24 + 12 - 12 +8 - 10 - 34 + 43 + 19 + 28 + 10 - 14 + 30 +6 + 22 +4 - 20 + 26 +2 + 29 + 13 - 13 + 30 +6 + 30 + 12 - 12 - 23 - 47 - 10 - 28 - 52 pas centralny -8 - 32 +6 - 12 - 36 -5 - 29 +9 -9 - 33 -3 - 27 + 11 -7 - 31 -2 - 26 +8 - 10 - 34 +5 - 19 +8 - 10 - 34 -9 - 33 +3 - 15 - 39 - 18 - 42 0 - 18 - 42 + 12 - 12 + 22 +4 - 20 - 15 - 39 -1 - 19 - 43 -9 - 33 +4 - 14 - 38 +2 - 22 + 11 -7 - 31 + 65 + 41 + 61 + 43 + 19 pas poáudniowy + 76 + 52 + 69 + 51 + 27 + 50 + 26 + 49 + 31 +7 + 76 + 52 + 70 + 52 + 28 + 20 -4 + 25 +7 - 17 + 26 +2 + 30 + 12 - 12 + 57 + 33 + 58 + 40 + 16 + 31 +7 + 35 + 17 -7 + 54 + 30 + 52 + 34 + 10 + 56 + 33 + 59 +3 +9 + 40 + 14 + 38 - 25 - 22 - 20 - 19 - 17 - 26 - 35 -5 - 32 - 25 - 15 + 40 -4 -5 + 26 + 13 + 13 + 14 - 40 I + 22 -1 + 25 - 31 - 25 +6 - 20 +4 - 59 - 56 - 54 - 53 - 51 - 60 - 69 - 39 - 66 - 59 - 49 +6 - 38 - 39 -8 - 21 - 21 - 20 - 74 II ĝliwy Tabela 5. Niedobory wody dla drzew owocowych (N = P – Po) [mm] w przewidywanym okresie nawodnieniowym w Polsce Table 5. Shortages of water for trees the fruit (N = P – Po) [mm] in foreseen period of irrigation in Poland - 12 - 35 -9 - 65 - 59 - 28 - 54 - 30 - 93 - 90 - 88 - 87 - 85 - 94 - 103 - 73 - 100 - 93 - 83 - 28 - 72 - 73 - 42 - 55 - 55 - 54 -108 III 138 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 139 Tabela 6. Przewidywane okresy nawodnieĔ wg Sáowika [16] oraz przybliĪone sezonowe normy nawodnieĔ Table 6. Foreseen periods of irrigations according to Sáowik [16] as well as the approximate seasonal norms of irrigations Grupa roĞlin* Sezonowe normy [mm] CzereĞnie Grusze Jabáonie ĝliwy WiĞnie Truskawki Agrest Maliny Porzeczki Szkóáki od 175 225 275 265 175 515 180 180 200 210 do 220 270 350 330 220 620 210 210 230 250 Miesiące i dekady 1 IV 2 3 V VI VII VIII IX 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- - - - - - - - - - - - - - - - - - - ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 * sezonowe normy nawodnieĔ dla drzew i truskawek wedáug Pressa [14], a krzewów owocowych wedáug Sáowika [16] Ustalanie wielkoĞci dawek nawadniających Potrzeby wodne drzew owocowych rosną wraz z ich rozwojem i peáną wartoĞü osiągają okoáo piątego roku po posadzeniu. Stąd teĪ w nowo zaáoĪonym sadzie dawki wody powinny byü odpowiednio mniejsze – o okoáo 50%, a potem stopniowo wzrastaü. Powszechnie przyjmuje siĊ, Īe máode drzewa potrzebują okoáo 25, a w peáni dojrzaáe 50 l wody na dobĊ. W Polsce straty wody na ewapotranspiracjĊ rzeczywistą wynoszą od 3,0 do ponad 5,0 mm, co oznacza utratĊ 30-50 m3 wody z 1 ha na dobĊ. Wedáug Drupki [5] dla przedziaáu Ğrednich dobowych temperatur w granicach 17-22oC dobowe wartoĞci epr mogą, po uwzglĊdnieniu wspóáczynnika roĞlinnego, wynieĞü: w maju i sierpniu eh = 3,3-5,0 mmÂdobĊ-1, w czerwcu i lipcu eh = 4,0-5,3 mmÂdobĊ-1. Biorąc pod uwagĊ, Īe nawadnianiem pokrywa siĊ 70% zapotrzebowania drzew na wodĊ, bĊdzie to odpowiednio: w maju i sierpniu eh = 2,3-3,5 mmÂdobĊ-1: w czerwcu i lipcu eh = 2,8-3,7 mmÂdobĊ-1. Do celów obliczeniowych moĪna przyjmowaü Ğrednią wartoĞü eh = 3,5 mmÂdobĊ-1. Podkoronowe minizraszanie W przypadku stosowania nawadniania podkoronowego, w celu nawilĪenia gleby na okreĞloną gáĊbokoĞü, dawkĊ polewową „d” okreĞla siĊ ze wzoru [5]: 140 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska d = 0,1· dwd · hk [mm] gdzie: dwd – deficyt wody áatwo dostĊpnej, wyraĪany np. w mm na kaĪde 10 cm miąĪszoĞci warstwy gleby, hk – gáĊbokoĞü warstwy gleby o kontrolowanym uwilgotnieniu [cm]. Dopuszczalne wartoĞci planowanego deficytu wody áatwo dostĊpnej uzaleĪnione są gáównie od rodzaju gleby. MoĪna orientacyjnie przyjmowaü, Īe dwd w mm na 10 cm warstwy gleby wynosi dla: piasków sáabo gliniastych 5-7, piasków gliniasto-pylastych 6,5-9, glin lekkich i Ğrednich 9 i glin ciĊĪkich 9-8 mm. Z kolei czas pracy minizraszaczy okreĞlamy: t = d [h] i gdzie: d – jednorazowa dawka wody [mm], i – Ğrednia intensywnoĞü zraszania [mmÂh-1]. CzĊstotliwoĞü nawadniania T w dobach w okresie utrzymywania siĊ bezopadowej pogody okreĞla siĊ ze wzoru: T = d [dób] eh gdzie: d – wysokoĞü ostatnio podanej jednorazowej dawki wody [mm], eh – wartoĞü dla przewidywanego dla danego okresu dobowego zuĪycia wody z górnej, kontrolowanej warstwy gleby [mmÂdobĊ-1]. PrzeciĊtnie przy dawce wody w wysokoĞci 25 mm i przeciĊtnej temperaturze powietrza nawadnianie przypada raz na 10 dni, zaĞ przy upalnej raz na 7 dni (licząc ep = 3,5 mm na dobĊ). Pojawiające siĊ obfite deszcze wydáuĪają przerwy w nawadnianiu, a opady bilansuje siĊ tak jak dawki nawodnieniowe, ustalając odpowiednie wartoĞci dobowego zuĪycia wody eh stosownie do temperatur i wilgotnoĞci powietrza. Nawadnianie kroplowe W systemach kroplowych bryáa ziemi, jaką naleĪy zwilĪyü w wyniku wykonania nawodnienia, powinna wynosiü okoáo 30-33% przestrzeni penetrowanej przez korzenie roĞlin. Odpowiednią dawkĊ wody moĪna wyliczyü ze wzoru [17]: d= gdzie: ETr S 75 [l wody na 1 emiter] 10000 A B Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 141 -1 ETr í dobowe straty wody na ewapotranspiracjĊ rzeczywistą [lÂha ], S – pokrycie gleby koronami drzew [%], A – liczba drzew na 1 ha [szt.], B – liczba emiterów na 1 drzewo. Przykáad: Podstawiając do wzoru: ETr = 4 mmÂdobĊ-1, co oznacza straty 40.000 l wody z powierzchni 1 ha; przykrycie gleby koronami drzew S = 40%; A = 800 drzew na ha; B = 2 emitery na drzewo; to iloĞü wody, jaką naleĪy podaü systemem kroplowym w przeliczeniu na 1 emiter w sadzie, wyniesie: d= 4000 40 75 = 7,5 litrów 10000 800 2 Zakáadając wydatek 1 emitera równy 2,0 lÂh-1, system kroplowy powinien pracowaü codziennie po 3 godziny i 45 minut na dobĊ lub co drugi dzieĔ po 7,5 godzin na dobĊ. STEROWANIE NAWODNIENIEM Przez sterowanie (kierowanie) nawodnieniem rozumieü naleĪy ustalenie wielkoĞci dawek wody, terminu rozpoczĊcia, dáugoĞci przerw i terminu zakoĔczenia nawadniania. NaleĪy pamiĊtaü, Īe: x niewáaĞciwe dla roĞlin są zarówno zbyt wysokie, jak i zbyt niskie dawki wody, wpáywające negatywnie na wysokoĞü, jakoĞü i zdrowotnoĞü plonów; x wáaĞciwa wilgotnoĞü gleby wpáywa na dostĊpnoĞü i pobieranie skáadników pokarmowych przez roĞliny; x szkodliwe jest zbyt wczesne i zbyt póĨne rozpoczynanie nawodnieĔ; x najwiĊkszą wraĪliwoĞü na báĊdy w sterowaniu nawodnieniem wykazują roĞliny jagodowe, w szczególnoĞci truskawki; x juĪ krótkie okresy niedostatku wilgoci glebowej mogą wywieraü negatywny wpáyw na rozwój roĞlin, np. jagodowych. Potrzeby i terminy nawadniania moĪna ustalaü, posáugując siĊ nastĊpującymi metodami: 1. Prowadzenie bilansu wodnego na podstawie pomiaru wysokoĞci opadów. 2. Stosowanie tensjometrów. 3. Stosowanie czujników wilgotnoĞci gleby. Prowadzenie bilansu wodnego na podstawie pomiaru wysokoĞci opadów Jest to metoda tania i prosta, opierająca siĊ na pomiarze wysokoĞci opadów atmosferycznych [19]. Prowizorycznie moĪna mierzyü opady np. wykorzystując garnek lub podobnego ksztaátu inne naczynie. PewnoĞü pomiaru zapewni jednak zastosowanie deszczomierza Hellmanna o powierzchni wlotowej 200 cm2, 142 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska ustawionego na palu tak, aby jego górna krawĊdĨ znalazáa siĊ na wysokoĞci 100 cm ponad terenem. Miarą opadu jest wyraĪona w milimetrach wysokoĞü warstwy wody (wodĊ opadową gromadzącą siĊ w zbiorniczku przyrządu przelewa siĊ do wyskalowanej w mm menzurki), która utworzyáaby siĊ na poziomej powierzchni terenu. Opad w wysokoĞci 1 mm sáupa wody odpowiada objĊtoĞci 1 dcm3 (1 litra) na powierzchni 1 m2 bądĨ 10 m3 na powierzchni 1 ha. Nawadniając na podstawie pomiarów opadów, naleĪy przestrzegaü nastĊpujących zasad: x nawadnianie rozpoczyna siĊ w optymalnym terminie; x ustaliü dla danego gatunku gleby i rodzaju roĞlin pojemnoĞü WàD (wody áatwo dostĊpnej): orientacyjnie jest to na glebach lekkich 25-30 mm, a na Ğrednich 30-40 mm; x na kaĪdy dzieĔ w maju i sierpniu odliczyü po 3 mm zuĪycia wody, a w czerwcu i lipcu po 3,6 mm wody; x kaĪdą zastosowaną peáną dawkĊ wody, podobnie jak i odpowiedniej wysokoĞci opad deszczu (równy lub przewyĪszający WàD), liczyü jako wypeánienie pojemnoĞci WàD; x opadów deszczu niĪszych od 15 mm nie braü pod uwagĊ, a gdy w ciągu kolejnych 1-3 dób spadnie ich wiĊcej, stosowaü w nawadnianiu nastĊpujące przerwy [4]: í 16-20 mm, przerwa moĪe trwaü 4-5 dni, í 21-30 mm, przerwa moĪe trwaü 5-6 dni, í powyĪej 31 mm, przerwa moĪe trwaü 6-8 dni. Metoda tensjometryczna Standardowy tensjometr skáada siĊ z przezroczystej plastikowej rury (kapilary) z ceramiczną koĔcówką (sączkiem) w dolnej czĊĞci oraz manometrem u góry, na którym odczytuje siĊ zmierzony potencjaá wodny w profilu glebowym. Sączek jest przepuszczalny dla wody i nieprzepuszczalny dla powietrza, a elementy urządzenia w postaci manometru, kapilary i sączka tworzą ukáad zamkniĊty. Po napeánieniu go wodą (najlepiej destylowaną) i odessaniu powietrza, tensjometr umieszcza siĊ w uprzednio wykonanym otworze w glebie, na ustaloną gáĊbokoĞü. Gdy nastĊpuje wysychanie gleby, woda z zamkniĊtego ukáadu przenika do niej, wywoáując w tensjometrze podciĞnienie równe potencjaáowi wodnemu gleby, co moĪna odczytaü na manometrze. Po deszczu lub nawodnieniu, dla zrównowaĪenia potencjaáów wodnych miĊdzy tensjometrem a glebą, woda przenika przez sączek w odwrotnym kierunku, a manometr wykazuje spadek tego potencjaáu (mniejszy odczyt). Tensjometry wyposaĪone są w róĪnej dáugoĞci kapilary, co pozwala na prowadzenie pomiarów na róĪnych gáĊbokoĞciach strefy korzeniowej roĞlin. Poza modelem standardowym instalowanym na staáe na polu, do kierowania nawodnieniami moĪna stosowaü tensjometry wersji specjalnej (np. firmy Eijelkamp): Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 143 Ɣ tensjometr „Jet-fill” – jest to model standardowy wyposaĪony dodatkowo w zbiorniczek na wodĊ i mechanizm uzupeániający ubytki wody; przy wciskaniu mechanizm Jet-fill natychmiast wtáacza wodĊ ze zbiorniczka do kapilary tensjometru, usuwając zbierające siĊ tam powietrze; Ɣ tensjometr „Quick Draw” – maáy i áatwy do przenoszenia przyrząd, instalowany w odwiercie w glebie i dający odczyt po paru minutach; po wykonaniu pomiaru demontowany i przechowywany w specjalnym cylindrze z odpowiednią wilgotnoĞcią, co umoĪliwia natychmiastowe uĪycie go do nastĊpnych pomiarów; Ɣ tensjometr elektroniczny – przenoĞny czujnik ciĞnienia sáuĪący do pomiaru siáy ssącej gleby; pomiar jest dokonywany przez rurkĊ przyrządu umieszczoną w glebie; zaĞ miernik moĪe byü przenoszony z jednej rury tensjometru do nastĊpnej, dziĊki czemu moĪna wykonaü w krótkim czasie dowolną liczbĊ pomiarów. Przyjmuje siĊ, Īe sączek tensjometru powinien byü umieszczony na gáĊbokoĞci wystĊpowania gáównej masy korzeni, która dla poszczególnych roĞlin wynosi: x jabáonie na podkáadkach karáowych i póákaráowych í 30 cm, x jabáonie na podkáadkach silnie rosnących oraz czereĞnie, grusze i wiĞnie í 35 do 40 cm, x plantacje truskawek, malin i poziomek – 15 do 20 cm, x pozostaáe roĞliny jagodowe – 20 do 25 cm. Przy stosowaniu mikrozraszania poprawne sterowanie nawadnianiem umoĪliwia korzystanie z dwóch tensjometrów, sączek jednego umieszcza siĊ w obrĊbie gáównego systemu korzeniowego – sygnalizuje potrzebĊ rozpoczĊcia nawadniania (rys. 1a), a sączek drugiego poniĪej gáównego systemu – informuje jak dáugo naleĪy nawadniaü (rys. 1b). W przypadku nawodnieĔ kroplowych sączek tensjometru zaleca siĊ umieĞciü na granicy zwilĪanej bryáy gleby, w odlegáoĞci 15-30 cm od emitera kropel (rys. 2). Z reguáy nawadnianie rozpoczyna siĊ, gdy manometr przyrządu wskazuje od -0,02 do -0,03 MPa w przypadku stosowania systemów kroplowych i od -0,03 do -0,05 MPa w przypadku mikrozraszania. Pomocny jest teĪ zainstalowany w sadzie deszczomierz, umoĪliwiający pomiar wysokoĞci opadów lub moĪna skorzystaü z informacji pozyskiwanych z najbliĪszej stacji opadowej. 144 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 1. Zalecany sposób usytuowania tensjometrów przy stosowaniu mikronawodnieĔ, uáatwiający sterowanie nawodnieniem (Ĩródáo: wáasne) Fig. 1. Recommended location of tensiometers to schedulig of microirrigation system (source: own) Rys. 2. Przykáad poprawnego usytuowania tensjometru w sadzie nawadnianym systemem kroplowym (Ĩródáo: wáasne) Fig. 2. Example of correct location of the tensiometer in orchard irrigated by the drip system (source: own) Stosowanie czujników wilgotnoĞci gleby Stosowanie czujników wilgotnoĞci wraz z miernikiem jest wygodną formą okreĞlania wilgotnoĞci objĊtoĞciowej gleby i moĪe zostaü wykorzystane do peánej automatyzacji procesu nawadniania. Czujniki umieszcza siĊ w uprzednio wykonanych otworach w profilu glebowym na podobnych gáĊbokoĞciach jak sączki tensjometrów. Na naszym rynku są obecnie spotykane wszystkie rozwiązania wiodących Ğwiatowych firm. Popularne są dwie grupy przyrządów: x czujniki mierzące siáĊ ssącą gleby podobnie jak sączki tensjometrów, do których podáącza siĊ czytnik danych, pozwalający bądĨ na bezpoĞredni odczyt wilgotnoĞci, bądĨ na przekazanie ich poprzez záącze USB (opcja telemetryczna) do specjalnego sterownika, umoĪliwiającego automatyczne wáączanie lub wyáączanie nawadniania. Przykáadem moĪe byü urządzenie Watermark; x czujniki umieszczane w glebie na odpowiedniej gáĊbokoĞci, dziĊki którym za poĞrednictwem mierników odczytuje siĊ wilgotnoĞü gleby w % objĊtoĞciowych. Dysponując kilkoma czujnikami umieszczonymi na róĪnych gáĊbokoĞciach, moĪna kontrolowaü wilgotnoĞü gleby w caáym profilu. Urządzenie tego typu to czujniki ThetaProbe ML2x, z miernikiem wilgotnoĞci HH2. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych rozwaĪaĔ moĪna sformuáowaü nastĊpujące wnioski: 1. Klimatycznym wskaĨnikiem potrzeb nawodnieĔ w ogrodnictwie moĪe byü róĪnica miĊdzy ewapotranspiracją potencjalną a opadami atmosferycznymi, czyli N = ETp – P [mm]. Czesáaw Rzekanowski Technologia nawadniania roĞlin sadowniczych w Polsce 145 2. Potrzeby wodne roĞlin sadowniczych, utoĪsamiane z opadami optymalnymi, moĪna okreĞlaü wg tabeli Pressa [14]; wynoszą one w sezonie wegetacyjnym dla Ğliw 400-510 mm, jabáoni í 380-490 mm, wiĞni i czereĞni í 280-345 mm oraz truskawek í 515-620 mm. 3. Niedobory wody roĞlin sadowniczych w sezonie wegetacyjnym bądĨ okresie nawodnieniowym moĪna obliczaü odejmując od opadów rzeczywistych opady optymalne dla danego gatunku roĞlin, ze wzoru: N = P – Po [mm]. 4. Wyliczone niedobory wody w sezonie wegetacyjnym dla 27 stacji opadowych w kraju wskazują, Īe w przypadku roĞlin sadowniczych najwiĊksze deficyty wody wystĊpują w centralnym pasie Polski; wynoszą one dla Ğliw 160-190 mm, jabáoni í 140-171 mm, grusz í 50-81 mm oraz wiĞni i czereĞni í 39-73 mm. Korzystniejsze warunki wilgotnoĞciowe panują w pasie póánocnym i poáudniowym, chociaĪ i tu są rejony o duĪych potrzebach nawadniania, szczególnie w przypadku Ğliw i jabáoni. 5. Niedobory wody w okresie nawodnieniowym ukáadają siĊ obszarowo podobnie jak sezonie wegetacyjnym. Przy wysokich temperaturach powietrza w centralnym pasie kraju z reguáy przekraczają 100 mm dla jabáoni i wahają siĊ od 73 do 108 mm dla Ğliw; dotyczy to szczególnie rejonu Poznania, Szczecina i Kalisza. Przy dobrym rozkáadzie opadów nie zachodziáaby potrzeba nawadniania grusz, wiĞni i czereĞni w pasie poáudniowym, a deficyty wody pojawiaáyby siĊ w przypadku uprawy jabáoni i Ğliw (siĊgające 50-75 mm) w rejonie Lublina, Puáaw i Wrocáawia. W pasie póánocnym Polski niedobory opadów przekraczaáyby 50 mm, osiągając 82 mm w rejonie Biaáegostoku. LITERATURA [1] Alcamo J., Moreno J.M., Nováky B., Hindi M., Corobov R., Devoy R.J.N., Giannakopoulos C., Martin E., Olesn J.E., Shvidenko A., 2007. Europe. Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, M.L. Parry, O.F. Canziani, J.P. Palutikof, P.J. van der Linden, C.E. Hanson (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, UK, 541-580. [2] Chrzanowski J., 1988. Regionalizacja i klasyfikacja dobowych wartoĞci opadów w Polsce. Wiad. IMiGW 11(1-2), 93-102. [3] Doorenbos J., Pruitt W.O., 1977. Guidelines for predicting crop water requirements. Irrigation and Drainage Paper Nr 24, FAO, Roma, 179. [4] Drupka S., 1976. Techniczna i rolnicza eksploatacja deszczowni. PWRiL Warszawa. [5] Drupka S., 1986. Podkoronowe minizraszanie. [W:] Nowe technologie w sadownictwie, red. S. PieniąĪek, PWRiL Warszawa, 162-186. [6] DzieĪyc J., 1988:. Rolnictwo w warunkach nawadniania. PWN Warszawa. [7] Grabarczyk S., 1976. Polowe zuĪycie wody a czynniki meteorologiczne. ZPPNR, PWN Warszawa, 181, 495-511. [8] Hoáubowicz T., 1993. Sadownictwo. Wyd. AR PoznaĔ. [9] KĊdziora A., 1995. Podstawy agrometeorologii. PWRiL PoznaĔ. 146 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [10] Kundzewicz Z., 2003. Scenariusze zmian klimatu. [W:] Czy Polsce groĪą katastrofy klimatyczne? Komitet Prognoz „Polska 2000 Plus”, Polski Komitet MiĊdz. programu „Zmiany Globalne Geosfery i Biosfery” przy Prezydium PAN, Warszawa, 14-31. [11] àabĊdzki L., 2006. Susze rolnicze – zarys problematyki oraz metody monitorowania i klasyfikacji. Woda – ĝrodowisko – Obszary Wiejskie. Rozprawy Naukowe i Monografie 17, 107. [12] Olesen J.E., Bindi M., 2002. Consequences of climate change for European agricultural productivity, land use and policy. Eur. J. Agron. 16, 239-262. [13] Parry M.L. (ed.), 2000. Assessment of potential effects and adaptation for climate change in Europe: The Europe ACACIA Project. Jackson Environmental Institute, University of East Anglia, Norwich United Kingdom. [14] Press H.,1963. Praktika sel’skochozjajstvennych melioracji. Przekáad z niemieckiego, Sel’chozizdat Moskwa. [15] Rzekanowski Cz., 2000. Perspektywy nawodnieĔ roĞlin wobec nadchodzących przemian w polskim rolnictwie. Ekologia i Technika VIII(3), 83-91. [16] Sáowik K., 1973. Deszczowanie roĞlin sadowniczych. PWRiL Warszawa. [17] Sáowik K., Kielak Z., 1979. Sposoby okreĞlania potrzeb nawadniania roĞlin sadowniczych. Co nowego w sadownictwie. Prace Inst. Sad., Biul. Inform. ser. C, 1(65), 10-15. [18] ĩakowicz S., Hewelke P., 2002. Podstawy inĪynierii Ğrodowiska. Wyd. SGGW Warszawa. [19] ĩarski J., Treder W., Dudek S., KuĞmierek-Tomaszewska R., 2011. Ustalanie terminów nawadniania na podstawie prostych pomiarów meteorologicznych. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, PAN Oddz. Kraków, Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi, 6, 101-108. TECHNOLOGY OF IRRIGATION OF THE POMOLOGY PLANTS IN POLAND. THE NEEDS, PRINCIPLES AND THE METHODS OF SCHEDULING Abstract. Irrigation needs of orchard plants in Poland are presented in the work using the formula N = P - Po (mm), where: N – water needs (mm) in a given period, P – actual rainfall (mm) in a given period, Po – optimum rainfall (water needs of plants). Optimum rainfall amounts according to modified schedule of Press [14] for three ranges of air temperature in the particular months of the vegetation period were taken into consideration. Needs N were determined for 27 chosen meteorological stations, for five fruit trees' basic species as well as strawberries. The higher water needs for fruit trees were determined in central belt of Poland with north region of Szczecin as well as regions of PoznaĔ, Páock and Sáubice. Water deficits N were also calculated for irrigation periods for particular fruit tree species. It was found that the highest water deficits occurred in central belt of country, and the smallest í in south. Keywords: technology of plant irrigation, orchard plants, irrigation of plants, irrigation needs, methods of irrigation scheduling PROBLEMY ZWIĄZANE ZE SPORZĄDZANIEM PROJEKTÓW PLANÓW ZADAē OCHRONNYCH DLA OBSZARÓW NATURA 2000 Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz*1 Streszczenie. Plany zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 są podstawowymi dokumentami planistycznymi, na podstawie których realizowane są dziaáania ochronne wzglĊdem przedmiotów ochrony – siedlisk przyrodniczych, gatunków roĞlin i zwierząt – wystĊpujących w poszczególnych obszarach Natura 2000. Obowiązek opracowania takich planów wynika z zapisów ustawy o ochronie przyrody. Projekty planów zadaĔ ochronnych sporządza siĊ w trybie okreĞlonym w rozporządzeniu Ministra ĝrodowiska, zgodnie z procedurą opisaną w wytycznych wydanych przez Generalną DyrekcjĊ Ochrony ĝrodowiska. W opracowaniu opisano problemy związane ze sporządzaniem projektów planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000. WyróĪniono dwie ich grypy: merytoryczne, których rozwiązanie w znacznym stopniu jest moĪliwe przez opracowujących projekty planów zadaĔ ochronnych i systemowe, do rozwiązania których potrzebne są decyzje na szczeblu Generalnej Dyrekcji Ochrony ĝrodowiska lub Ministerstwa ĝrodowiska. Sáowa kluczowe: Europejska Sieü Ekologiczna Natura 2000, plany zadaĔ ochronnych, bioróĪnorodnoĞü, obszary Natura 2000, ochrona przyrody WSTĉP Europejska Sieü Ekologiczna Natura 2000 jest miĊdzynarodowym programem ochrony przyrody utworzonym na podstawie zapisów dyrektyw „ptasiej” [1, 2] i „siedliskowej” [3] w celu powstrzymania lub ograniczenia regresywnych zmian bioróĪnorodnoĞci i unifikacji Ğrodowiska. Uczestniczy w nim 27 paĔstw Unii Europejskiej. Dotąd w ramach sieci Natura 2000 wyznaczono okoáo 26 tysiĊcy obszarów zajmujących blisko 145 tys. km² powierzchni morskiej i ponad 818,8 tys. km² powierzchni lądowej (18% powierzchni krajów UE). W Polsce sieü Natura 2000 zajmuje prawie 20% powierzchni lądowej kraju i wszystkie morskie wody przybrzeĪne. W jej skáad wchodzi 845 obszarów mających znaczenie dla Wspólnoty (obszary „siedliskowe” – przyszáe specjalne obszary ochrony siedlisk) oraz 145 obszarów specjalnej ochrony ptaków [4]. Zasady ochrony przyrody w ramach obszarów Natura 2000 istotnie róĪnią siĊ od obowiązujących w obrĊbie pozostaáych form wymienionych w ustawie * dr inĪ. Mieczysáaw STACHOWIAK, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] prof. dr hab. Jerzy K. GARBACZ, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, Uniwersytet Mikoáaja Kopernika w Toruniu, Collegium Medicum w Bydgoszczy 148 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody (Dz.U. z 2004 r. Nr 92, poz. 880 z póĨn. zm.) (parki narodowe, rezerwaty przyrody, parki krajobrazowe, obszary chronionego krajobrazu, uĪytki ekologiczne i inne). Przede wszystkim ochrona w obrĊbie obszarów Natura 2000 jest realizowana nie na podstawie zestawu nakazów i nakazów, lecz ukierunkowanych dziaáaĔ ochronnych, których celem jest utrzymanie stanu zachowania lub przywrócenie „wáaĞciwego stanu ochrony” konkretnym, wystĊpującym w danych obszarach przedmiotom ochrony – siedliskom przyrodniczym oraz gatunkom zwierząt i roĞlin wymienionym w zaáączniku II dyrektywy siedliskowej. Dziaáania ochronne są realizowane w warunkach staáego monitorowania sposobu ich wykonywania i uzyskiwanych efektów, a takĪe stanu ochrony przedmiotów ochrony. Zestaw, zakres, miejsca, terminy i koszt realizacji dziaáaĔ ochronnych w odniesieniu do poszczególnych obszarów Natura 2000 (a ĞciĞlej przedmiotów ochrony w nich zlokalizowanych) są planowane w ramach tak zwanych „planów zadaĔ ochronnych” lub „planów ochrony”. Pierwsze opracowywane są z uwzglĊdnieniem 10-letniej perspektywy czasowej, a drugie 20-letniej, przy czym zakres ostatnich jest znacznie wiĊkszy niĪ pierwszych. Opracowanie planów zadaĔ ochronnych lub planów ochrony dla obszarów Natura 2000 jest obowiązkiem wynikającym z zapisów ustawy o ochronie przyrody z dnia 16 kwietnia 2004 r. (Dz.U. z 2004 r. Nr 92, poz. 880 z póĨn. zm.). Obowiązek ten spoczywa na sprawujących nadzór nad obszarami Natura 2000 Regionalnych Dyrektorach Ochrony ĝrodowiska, dyrektorach urzĊdów morskich i parków narodowych. To oni wydają zarządzenia o przyjĊciu do realizacji poszczególnych planów zadaĔ ochronnych lub planów ochrony, które mają moc prawa lokalnego. Zgodnie z treĞcią art. 28 pkt 1 ustawy o ochronie przyrody pierwszy projekt planu zadaĔ ochronnych sporządza siĊ w terminie 6 lat od dnia zatwierdzenia obszaru Natura 2000 przez KomisjĊ Europejską jako obszaru mającego znaczenie dla Wspólnoty lub od dnia wyznaczenia obszaru specjalnej ochrony ptaków. Dla zachowania spójnoĞci i jednolitoĞci tryb i procedura opracowania projektów planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 są ĞciĞle sformalizowane i okreĞlone w rozporządzeniach Ministra ĝrodowiska (rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 17 lutego 2010 r. w sprawie sporządzania projektu planu zadaĔ ochronnych dla obszaru Natura 2000 í Dz.U. z 2010 r. Nr 34, poz. 186 i rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 17 kwietnia 2012 r. í Dz.U. z dnia 11 maja 2012, poz. 506) oraz wytycznych Generalnej Dyrekcji Ochrony ĝrodowiska [8]. W pracach nad projektami planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 istotne znaczenie ma udziaá lokalnych spoáecznoĞci, wĞród nich wáaĞcicieli i zarządców terenu, na których obszary te są zlokalizowane. Udziaá ten jest gwarantowany zapisami ustawy o udostĊpnianiu informacji o Ğrodowisku i jego ochronie, udziale spoáeczeĔstwa w ochronie Ğrodowiska oraz o ocenach oddziaáywania na Ğrodowisko z dnia 3 paĨdziernika 2008 r. (Dz.U. Nr 199, poz. 1227, z póĨn. zm.). Ostateczny ksztaát projektu planu zadaĔ ochronnych dla obszaru Natura 2000 jest zatem efektem wspóápracy ekspertów przyrodników, instytucji Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz Problemy związane ze sporządzaniem projektów... 149 sprawującej nadzór nad obszarem Natura 2000 i lokalnych spoáecznoĞci. WaĪne jednak jest to, Īe za nadrzĊdne w procesie planistycznym uznaje siĊ przesáanki merytoryczne, zmierzające do utrzymania lub poprawy stanu ochrony przedmiotów ochrony, a nie partykularne interesy wáadających terenem í te uwzglĊdniane są w drugiej kolejnoĞci, natomiast sytuacje „nadrzĊdnego celu spoáecznego” wymagają opiniowania i akceptacji przez KomisjĊ Europejską. Aktualnie w Polsce realizowanych jest kilkanaĞcie projektów, których celem jest opracowanie pierwowzorów dokumentacji planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 i zarządzeĔ odpowiednich terytorialnie Regionalnych Dyrektorów Ochrony ĝrodowiska, urzĊdów morskich i parków narodowych sprawujących nadzór nad tymi obszarami. Projekty te w wiĊkszoĞci są wspóáfinansowane przez Europejski Fundusz SpójnoĞci w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i ĝrodowisko. Jednym z ich beneficjentów jest Katedra Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. J. i J. ĝniadeckich w Bydgoszczy (projekt POIS.05.03.00-00-285/10 „Opracowanie projektów planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 zlokalizowanych na terenie województw kujawsko-pomorskiego i mazowieckiego”). W ramach wspomnianego projektu opracowywane są projekty planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 wymienionych w tabeli 1. PiĞmiennictwo dotyczące problematyki sporządzania planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 bazujące na krajowych doĞwiadczeniach w tym zakresie jest bardzo skromne [9]. Pojawiające siĊ podczas opracowywania projektów problemy najczĊĞciej rozwiązywane są indywidualnie, ale równieĪ poprzez zarządzenia wydawane przez sprawujących nadzór nad obszarami Natura 2000. Brak lub utrudniony dostĊp do informacji o problemach związanych z procesem planistycznym i sposobach ich rozwiązywania w oczywisty sposób przekáada siĊ na jakoĞü opracowywanych projektów. Opracowanie to, bazujące na dotychczasowych doĞwiadczeniach autorów [10, 11], jest próbą zestawienia problemów w zakresie sporządzania projektów planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000. 150 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 1. Wykaz obszarów Natura 2000 objĊtych projektem POIS.05.03.00-00-285/10 Table 1. List of Natura 2000 sites included in the project POIS.05.03.00-00-285/10 Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Powierzchnia obszaru Natura 2000 [ha] Lisi Kąt PLH040026 1061,3 àąki TrzĊĞlicowe w Foluszu PLH040027 2130,8 Ostoja BarciĔsko-Gąsawska PLH040028 3456,4 Równina SzubiĔsko-àabiszyĔska PLH040029 2816,2 Solniska SzubiĔskie PLH040030 361,9 Báota KáócieĔskie PLH040031 3899,3 Dolina Osy PLH040033 2183,7 KoĞcióá w ĝliwicach PLH040034 0,1 Mszar Páociczno PLH040035 181,8 Nazwa obszaru Natura 2000 10 Ostoja Brodnicka PLH040036 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Sáone àąki w Dolinie Zgáowiączki PLH040037 Stary Zagaj PLH040038 Wáocáawska Dolina Wisáy PLH040039 Zbocza Páutowskie PLH040040 Bagna Celestynowskie PLH140022 Bagna OroĔskie PLH140023 Dąbrowy Ceranowskie PLH140024 Dzwonecznik w Kisielanach PLH140026 Goáe àąki PLH140027 Goáobórz PLH140028 21 Kampinoska Dolina Wisáy PLH140029 4176,9 151,9 307,5 4763,8 1002,4 1037,0 921,4 161,8 45,7 49,6 186,5 20659,1 22 àĊkawica PLH140030 1468,9 23 Podebáocie PLH140033 1275,8 24 25 26 27 28 29 30 Poligon Rembertów PLH140034 RogoĨnica PLH140036 Torfowiska Czernik PLH140037 Biaáe Báota PLH140038 Stawy w ĩabieĔcu PLH140039 Strzebla báotna w Zielonce PLH140040 Ostoja Nowodworska PLH140043 31 Grabinka PLH140044 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 ĝwietliste dąbrowy i grądy w Jabáonnej PLH140045 Bory bagienne i torfowiska Karaska PLH140046 Bory chrobotkowe Karaska PLH140047 àąki KazuĔskie PLH140048 àąki Ostróweckie PLH140050 Dolina Skrwy Lewej PLH140051 àąki ĩukowskie PLH140053 Aleja Pachnicowa PLH140054 àąki Soleckie PLH140055 Bagno Pulwy PLB140015 295,2 153,2 53,8 31,4 105,3 2,2 51,1 45,8 1816,0 Lokalizacja obszaru Sprawujący nadzór Natura 2000 nad obszarem (województwo) Natura 2000 kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie, warmiĔsko-mazurskie RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Olsztyn kujawsko-pomorskie RDOĝ Bydgoszcz kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie kujawsko-pomorskie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Bydgoszcz RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa, mazowieckie Kampinoski PN mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie, RDOĝ Warszawa lubelskie RDOĝ Lublin mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa mazowieckie RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa mazowieckie, áódzkie RDOĝ àódĨ mazowieckie RDOĝ Warszawa 558,8 mazowieckie RDOĝ Warszawa 1124,5 340 954,6 129 173,4 1,1 222,1 4112,4 mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie mazowieckie RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa RDOĝ Warszawa Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz Problemy związane ze sporządzaniem projektów... 151 PROBLEMY ZWIĄZANE Z IDENTYFIKACJĄ, WERYFIKACJĄ I KARTOWANIEM SIEDLISK PRZYRODNICZYCH I STANOWISK GATUNKÓW STANOWIĄCYCH PRZEDMIOTY OCHRONY W OBSZARACH NATURA 2000 Podstawowe informacje o siedliskach przyrodniczych i gatunkach roĞlin i zwierząt z obszaru Natura 2000 zawarte są w „Standardowych Formularzach Danych dla obszaru Natura 2000”. Stanowią one punkt wyjĞcia do ustalenia listy potencjalnych przedmiotów ochrony obecnych w obszarze Natura 2000, a takĪe okreĞlenia zakresu prac terenowych, ich harmonogramu i metodyk. Jednak w Standardowych Formularzach Danych czĊsto są przekáamania związane albo z báĊdną identyfikacją siedlisk przyrodniczych lub gatunków (tzw. „pierwotne báĊdy naukowe”) lub oceną udziaáu i stanu ochrony przedmiotów ochrony. Zadaniem wykonawcy projektu jest weryfikacja i skorygowanie informacji o przedmiotach ochrony i na tej podstawie wskazanie rzeczywistych przedmiotów ochrony w obszarze Natura 2000, to znaczy tych, dla których w dalszych etapach procesu planistycznego bĊdą zidentyfikowane zagroĪenia (istniejące i potencjalne), nastĊpnie okreĞlone cele dziaáaĔ ochronnych i konkretne zadania ochronne. Podczas realizacji tego etapu prac nad projektami planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 pojawiają nastĊpujące problemy: x poprawnoĞü identyfikacji siedlisk przyrodniczych i gatunków roĞlin i zwierząt: podstawĊ identyfikacji siedlisk przyrodniczych i gatunków roĞlin i zwierząt stanowią „PodrĊczniki metodyczne” opublikowane przez GIOĝ [5]; zamieszczone w nich opisy nie zawsze umoĪliwiają jednoznaczną identyfikacjĊ siedlisk, a to jest powodem róĪnej ich interpretacji przez ekspertów wykonujących prace terenowe. Szczególnym przykáadem takiego siedliska jest 6510 Nizinne áąki koĞne (Alopecurus pratensis, Sanguisorba officinalis), x przy duĪych powierzchniach obszarów Natura 2000 krótki czas przewidziany na realizacjĊ prac terenowych: powierzchnia obszarów Natura 2000 czĊsto wynosi od kilku do kilkudziesiĊciu tysiĊcy (!) ha; jej skartowanie pod wzglĊdem wystĊpujących tam siedlisk przyrodniczych i stanowisk gatunków jest czasocháonne i wymaga zaangaĪowania duĪego zespoáu ekspertów przyrodników; pojawia siĊ problem dokáadnoĞci kartowania poszczególnych páatów siedlisk, a takĪe zgodnoĞci ich identyfikacji i przypisania ocen stanu ochrony przez ekspertów, x wynikające z uwarunkowaĔ fenologicznych spiĊtrzenie wiĊkszoĞci prac terenowych w jednym czasie: problem ten nawiązuje do wczeĞniej sygnalizowanego, dotyczącego powierzchni obszarów Natura 2000; w przypadku powierzchniowo duĪych obszarów wykonanie kartowania páatów siedlisk i stanowisk gatunków oraz ocena stanu ich ochrony są dodatkowo utrudnione, 152 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska x ze wzglĊdu na trudne warunki terenowe czĊsto brak realnych moĪliwoĞci dotarcia i wykonania ocen stanu wszystkich przedmiotów ochrony (dotyczy to przede wszystkim bagien i torfowisk): w niektórych przypadkach ze wzglĊdu na trudne warunki terenowe (teren bagnisty lub zalany) eksperci nie są w stanie dotrzeü do wszystkich páatów siedlisk, a tym samym oceniü stanu ich ochrony, x niekiedy duĪa liczba róĪnych przedmiotów ochrony, co wymaga zaangaĪowania wielu ekspertów przyrodników; maáa liczba ekspertów legitymujących siĊ odpowiednimi kwalifikacjami do wykonania weryfikacji stanu ochrony siedlisk przyrodniczych i gatunków: w przypadku niektórych obszarów Natura 2000 liczba i róĪnorodnoĞü obecnych tam siedlisk przyrodniczych i gatunków roĞlin i zwierząt stanowiących potencjalne przedmioty ochrony jest tak duĪa, Īe do wykonania prac terenowych konieczne jest zaangaĪowanie duĪego zespoáu ekspertów; tych, którzy legitymują siĊ odpowiednimi kwalifikacjami, jest w kraju bardzo maáo (szczególnie w odniesieniu do niektórych gatunków zwierząt), x specyfika poszczególnych przedmiotów ochrony i związana z tym wymagana dokáadnoĞü kartowania i wykonania oceny stanu ochrony: niektóre siedliska przyrodnicze wystĊpują w zróĪnicowanych pod wzglĊdem powierzchni páatach, problem polega na wskazaniu minimalnej powierzchni páata, który naleĪy poddaü ocenie; odrĊbny, pochodny problem stanowi tu dobór kryteriów agregowania ocen cząstkowych przypisanych poszczególnym páatom ocenianego siedliska przyrodniczego, x wynikający z niedostatków metodyk oceny stanu ochrony przedmiotów ochrony brak moĪliwoĞci uwzglĊdnienia specyfiki uwarunkowaĔ lokalnych: zgodnie z obowiązującymi wytycznymi Generalnej Dyrekcji Ochrony ĝrodowiska w sprawie opracowania projektów dokumentacji planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 [8] wykonawcy zobligowani są do stosowania metodyk opracowanych na potrzeby PaĔstwowego Monitoringu ĝrodowiska do oceny stanu ochrony przedmiotów ochrony obecnych w obrĊbie obszaru Natura 2000 [6]; w metodykach tych nie uwzglĊdniono jednak moĪliwoĞci korygowania ocen ze wzglĊdu na uwarunkowania lokalne í niektóre z juĪ opracowanych metodyk odbiegają od wymagaĔ okreĞlonych w rozporządzeniu Ministra ĝrodowiska w sprawie sporządzania planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000; dla wielu siedlisk przyrodniczych i gatunków roĞlin i zwierząt nie opracowano dotąd stosownych metodyk oceny stanu ochrony í w takich przypadkach wykonawcy zmuszeni są do stosowania metodyk zastĊpczych. Efektem realizacji etapu prac terenowych jest zestawienie listy rzeczywistych przedmiotów ochrony w obszarze Natura 2000, a takĪe zidentyfikowanie istniejących i potencjalnych dla nich zagroĪeĔ (zarówno w obrĊbie obszaru Natura 2000, jak i spoza jego granic). Za przedmioty ochrony uznaje siĊ te spoĞród wykazanych siedlisk przyrodniczych i gatunków roĞlin i zwierząt, które Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz Problemy związane ze sporządzaniem projektów... 153 wedáug kryteriów wypeániania „Standardowego Formularza Danych dla obszaru Natura 2000” [7] uzyskaáy ocenĊ ogólną przynajmniej „C”. W uzasadnionych przypadkach (np. stanowisko wyspowe, na kraĔcu zasiĊgu) przedmiotami ochrony mogą byü równieĪ te siedliska przyrodnicze i gatunki roĞlin i zwierząt, które oceniono na „D”, ale pod warunkiem podjĊcia dziaáaĔ zmierzających w kierunku poprawienia stanu ich ochrony lub przynajmniej utrzymania na obecnym poziomie, jeĪeli w perspektywie 10 lat obowiązywania planu zadaĔ ochronnych brak szans na poprawĊ. PROBLEMY ZWIĄZANE Z IDENTYFIKACJĄ ISTNIEJĄCYCH I POTENCJALNYCH ZAGROĩEē, PRESJI I DZIAàAē MOGĄCYCH MIEû WPàYW NA STAN OCHRONY PRZEDMIOTÓW OCHRONY W OBSZARACH NATURA 2000 W procesie planistycznym zmierzającym do opracowania projektu planu zadaĔ ochronnych dla obszaru Natura 2000 obowiązuje zasada przezornoĞci, to znaczy, Īe wszystkie istniejące i potencjalne zagroĪenia uznaje siĊ za mogące mieü wpáyw na stan ochrony przedmiotów ochrony. ZagroĪenia identyfikuje siĊ i klasyfikuje zgodnie z listą referencyjną opracowaną przez KomisjĊ Europejską. Problemem jest to, Īe do listy nie zaáączono interpretacji jej poszczególnych punktów. Inną bardzo istotną grupą zagroĪeĔ są zapisy w róĪnych dokumentach planistycznych i decyzjach Ğrodowiskowych. CzĊsto są one sprzeczne z uwarunkowaniami skutecznej ochrony przedmiotów ochrony w obszarze Natura 2000, a przez to ich realizacja moĪe przyczyniü siĊ do pogorszenia stanu ochrony lub nawet zaniku (zniszczenia) przedmiotów ochrony. Wyeliminowanie tego typu zagroĪeĔ jest bardzo trudne, bowiem w Ğlad za zapisami w dokumentach planistycznych zwykle poczyniono juĪ okreĞlone dziaáania i poniesiono koszty. Obecnie trudno teĪ wskazaü Ğrodki (a ĞciĞlej ich Ĩródáa i instytucje Ğrodkami tymi dysponujące), które mogą byü przeznaczone na zwrot poniesionych wczeĞniej kosztów. NaleĪy takĪe zwróciü uwagĊ na to, Īe rekompensaty poniesionych kosztów w opisanej wyĪej sytuacji czĊsto bĊdą dotyczyü terenów poza granicami obszarów Natura 2000. PROBLEMY ZWIĄZANE Z DEFINIOWANIEM CELÓW I DZIAàAē OCHRONNYCH W ODNIESIENIU DO PRZEDMIOTÓW OCHRONY W OBRĉBIE OBSZARÓW NATURA 2000 O ile ogólne cele dziaáaĔ ochronnych w odniesieniu do poszczególnych przedmiotów ochrony w obrĊbie obszarów Natura 2000 są oczywiste i dotyczą utrzymania lub polepszenia (jeĪeli jest to moĪliwe) stanu ich ochrony, to sprecyzowanie celów szczegóáowych czĊsto jest bardzo trudne. Problemy wynikają 154 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska tu przede wszystkim z lokalnych uwarunkowaĔ i specyfiki poszczególnych przedmiotów ochrony. Precyzowanie szczegóáowych celów ochrony utrudnia teĪ obowiązek okreĞlenia terminów ich osiągniĊcia. Zgodnie z zaleceniem Komisji Europejskiej z 2012 roku, okreĞlenie szczegóáowych celów ochrony dla przedmiotów ochrony w obszarze Natura 2000 wymaga uwzglĊdnienia powiązaĔ przestrzennych i funkcjonalnych obszaru z innymi. Stwarza to dodatkową trudnoĞü dysponowania wiarygodnymi informacjami dla terenów zlokalizowanych poza obszarem Natura 2000 – w wiĊkszoĞci przypadków takich informacji jednak brak. PROBLEMY ZWIĄZANE Z PLANOWANIEM DZIAàAē OCHRONNYCH WZGLĉDEM POSZCZEGÓLNYCH PRZEDMIOTÓW OCHRONY W OBSZARACH NATURA 2000 Zadania ochronne, które planuje siĊ wzglĊdem przedmiotów ochrony grupuje siĊ nastĊpująco: x z zakresu ochrony czynnej (np. koszenie, wycinka podrostu drzew), x dotyczące podtrzymania lub modyfikacji metod gospodarowania (np. obowiązek koszenia uĪytków zielonych), x związane z monitorowaniem efektów realizacji zadaĔ ochronnych, x uzupeánienia stanu wiedzy o przedmiotach ochrony. Zgodnie z nowelizacją rozporządzenia Ministra ĝrodowiska w sprawie sporządzania planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 w odniesieniu do siedlisk przyrodniczych z grupy „uĪytków zielonych” i gatunków roĞlin i zwierząt z tymi siedliskami powiązanych, zadania ochronne naleĪy róĪnicowaü na tak zwane „obligatoryjne” i „fakultatywne”. Niestety, dotąd nie sprecyzowano kryteriów róĪnicujących obie grupy zadaĔ. Problemy ze wskazaniem instytucji i osób odpowiedzialnych za realizacjĊ dziaáaĔ ochronnych w ramach planu zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 najczĊĞciej wynikają z braku lub niespójnoĞci regulacji prawnych. Brak teĪ programów wspomagających i odpowiednich instrumentów finansowych, w ramach których realizowane byáyby zaplanowane dziaáania ochronne. WNIOSKI 1. Problemy związane ze sporządzaniem projektów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 moĪna podzieliü na dwie grupy: x merytoryczne, w wiĊkszoĞci moĪliwe do rozwiązania na poziomie wykonawcy projektu (w porozumieniu z sprawującym nadzór nad obszarem Natura 2000), x organizacyjne (systemowe), niezaleĪne od wykonawcy projektu planu zadaĔ ochronnych dla obszaru Natura 2000, których rozwiązanie pozostaje w gestii Generalnej Dyrekcji Ochrony ĝrodowiska. Mieczysáaw Stachowiak, Jerzy K. Garbacz Problemy związane ze sporządzaniem projektów... 155 2. WĞród problemów systemowych istotną grupĊ stanowią te, które nie są bezpoĞrednio związane z procedurą sporządzania projektu planu zadaĔ ochronnych, lecz okreĞleniem odpowiedzialnoĞci za realizacjĊ zadaĔ ochronnych i Ĩródeá finansowania. LITERATURA [1] Dyrektywa 79/409/EWG Rady z dnia 2 kwietnia 1979 r. o ochronie dziko Īyjących ptaków. [2] Dyrektywa 2009/147/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 30 listopada 2009 r. w sprawie ochrony dzikiego ptactwa. [3] Dyrektywa 92/43/EWG Rady z dnia 21 maja 1992 r. w sprawie ochrony siedlisk przyrodniczych oraz dzikiej fauny i flory. [4] http://natura2000.gdos.gov.pl/ [5] http://natura2000.gdos.gov.pl/strona/nowy-element-3 [6] http://www.gios.gov.pl/artykuly/159/Publikacje-dot-monitoringu-przyrody [7] Instrukcja wypeániania Standardowego Formularza Danych obszaru Natura 2000 (wersja 2012.1). Generalna Dyrekcja Ochrony ĝrodowiska. Warszawa, 2012, 46. [8] Opracowanie planu zadaĔ ochronnych dla obszaru Natura 2000. Wytyczne wydane na podstawie art. 32 ust. 1 w Ğwietle art. 32 ust. 2 pkt 1 ustawy z 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody. Generalna Dyrekcja Ochrony ĝrodowiska Warszawa, 2012, 59. [9] Pawlaczyk P., Jermaczek A., 2004. Natura 2000 í narzĊdzie ochrony przyrody. Planowanie ochrony obszarów Natura 2000. WWF Polska, Warszawa, 76. [10] Stachowiak M. (red.), 2011. Informacja o projektach planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 opracowanych w 2011 roku w ramach projektu POIS.05.03.00-00-285/10 „Projekty planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 na terenie województw kujawsko-pomorskiego i mazowieckiego”. Województwo kujawsko-pomorskie, Katedra Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. ĝniadeckich w Bydgoszczy, Polskie Towarzystwo Botaniczne, Oddziaá w Bydgoszczy. [11] Stachowiak M. (red.), 2012. Informacja o projektach planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 opracowanych w 2012 roku w ramach projektu POIS.05.03.00-00-285/10 „Projekty planów zadaĔ ochronnych dla obszarów Natura 2000 na terenie województw kujawsko-pomorskiego i mazowieckiego”. Województwo kujawsko-pomorskie, Katedra Ksztaátowania i Ochrony ĝrodowiska, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. ĝniadeckich w Bydgoszczy, Biuro BadaĔ, Monitoringu i Ochrony Przyrody EcoFalk, Michaá Falkowski, Bydgoszcz. 156 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska PROBLEMS WITH CREATING PROJECTS OF CONSERVATION TASKS FOR NATURA 2000 SITES Abstract. Plans of conservation tasks for Natura 2000 sites are the main planning documents based on which conservation activities for protected objects (habitats, species of plants and animals) in specific Natura 2000 sites are realized. The duty to create such plans results from the Nature Conservation Act. The projects for plans of conservations tasks are created in the mode specified by the Environment Minister in accordance with the procedure described in guidelines given by General Directorate for Environmental Protection. Problems related to creating the plans of conservation tasks for Natura 2000 sites have been described in the thesis. They were divided into two groups: substantive problems – that generally might be solved by the people working on the projects of conservation tasks and system problems – that need to be solved by decisions made on the General Directorate for Environmental Protection or the Environment Minister level. Keywords: European Network Natura 2000, plans for protection tasks, biodiversity, Natura 2000 sites, protection of nature WYKORZYSTANIE WYSOKOSPRAWNEJ CHROMATOGRAFII JONOWEJ (HPIC) W BADANIACH EFEKTYWNOĝCI USUWANIA SKàADNIKÓW JONOWYCH Z WODY WODOCIĄGOWEJ ZA POMOCĄ FILTRÓW DZBANKOWYCH Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke*1 Streszczenie. W pracy przedstawiono wstĊpne wyniki badaĔ nad efektywnoĞcią usuwania wybranych kationów (Li+, Na+, K+, NH4+, Ca2+ i Mg2+) i anionów (F-, Cl-, NO3-, PO43- i SO32-) z wody wodociągowej przez filtry dzbankowe. Do badaĔ wytypowano trzy filtry dzbankowe dostĊpne w handlu, charakteryzujące siĊ róĪną renomą: Brita, Zelmer i Auchan. ZawartoĞü jonów oznaczano w próbkach pobranych w trakcie przepuszczania ogóáem 200 L wody wodociągowej za pomocą wysokosprawnej chromatografii jonowej z detekcją konduktometryczną. Wyniki badaĔ wáasnych wykazaáy, iĪ przebadane filtry charakteryzowaáy siĊ róĪną efektywnoĞcią usuwania poszczególnych jonów, a takĪe czasem efektywnego dziaáania. Przeprowadzone wstĊpne wyniki badaĔ potwierdziáy potrzebĊ wykorzystywania w dalszych badaniach nad skáadem jonowym wody, wysokosprawnej chromatografii jonowej, jako czuáej i selektywnej techniki rozdzielania i oznaczania analitów. Sáowa kluczowe: chromatografia jonowa, kationy, aniony, filtry dzbankowe, jakoĞü wody wodociągowej WPROWADZENIE Niezwykle waĪnym aspektem dla zdrowia czáowieka jest jakoĞü wody wodociągowej doprowadzonej do naszych domów. Normy jakoĞci dopuszczenia wody wodociągowej do uĪytku publicznego reguluje Rozporządzenie Ministra Zdrowia [23]. Pomimo ciągáych kontroli jakoĞci wody konsumenci bardzo czĊsto krytycznie oceniają jej jakoĞü, szczególnie kolor, zapach oraz twardoĞü [19]. MoĪe to wynikaü z tego, Īe analizy wody wodociągowej są wykonywane przy ujĞciu ze stacji uzdatniania wody, a nie bezpoĞrednio u konsumenta, przez co nie uwzglĊdnia siĊ powstawania zanieczyszczeĔ wtórnych, na które mają wpáyw miĊdzy innymi instalacje wodociągowe doprowadzające wodĊ do mieszkaĔ. Sieü wodociągowa zwykle jest zbudowana z przewodów stalowych i Īeliwnych, ale czasem sieci są wykonane równieĪ z rur Īelbetonowych, betonowych oraz z tworzyw sztucznych, a nawet z rur miedzianych [18]. KaĪdy z tych rodzajów rur moĪe powodowaü specyficzne zanieczyszczenia wtórne zmieniające jakoĞü wody wodociągowej [22], szczególnie wtedy, gdy dochodzi * mgr inĪ. Justyna ĝLIWIēSKA, dr hab. Leonard BOSZKE, prof. nadzw. UTP, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e- mail: [email protected] 158 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska do przestojów w przepáywie wody lub awarii sieci [17]. W wodach wodociągowych czĊsto wystĊpuje wysokie stĊĪenie jonów wapnia i magnezu, co z jednej strony jest bardzo korzystne dla zdrowia czáowieka, jednak z drugiej strony í jony te odpowiadają za twardoĞü wody, która dziaáa niekorzystnie na wszystkie urządzenia podgrzewające wodĊ [15]. Z tego teĪ wzglĊdu obserwuje siĊ coraz wiĊksze zainteresowanie konsumentów filtrami usuwającymi twardoĞü wody [6], które szybko i wygodnie zmiĊkczają wodĊ poprzez usuwanie gáównie jonów wapnia, a dodatkowo usuwają chlor, niektóre metale ciĊĪkie, takie jak: oáów, miedĨ, kadm, cynk, oraz zanieczyszczenia staáe [24]. Powszechną technologią zastosowaną w prostych filtrach dzbankowych jest poáączenie Īywic jonowymiennych i wĊgla aktywnego oraz filtracji mechanicznej [1]. Dziaáanie Īywic jonowymiennych polega na wychwycie jonów wapnia, a oddawaniu potasu lub sodu w zaleĪnoĞci od rodzaju uĪytej Īywicy czy sposobu jej modyfikacji [16]. W filtrach dzbankowych uĪywane mogą byü wyáącznie te Īywice jonowymienne, które mają atest higieniczny PaĔstwowego Zakáadu Higieny [8]. WĊgiel aktywny swoje dziaáanie zawdziĊcza mikroporowatej strukturze, a przepáywające przez niego wybrane substancje zostają trwale z nim związane. MoĪe on znacznie zmniejszyü przykry zapach wody [14], a takĪe usunąü metale ciĊĪkie [1]. Doskonaáym narzĊdziem do oznaczania stĊĪeĔ jonów w próbkach ciekáych jest wysokosprawna chromatografia jonowa (ang. High Performance Ion Chromatography – HPIC). Technika ta zostaáa opracowana w poáowie lat siedemdziesiątych i od tego czasu zyskuje coraz wiĊkszą popularnoĞü [12]. Chromatografia jonowa ma wiele niezaprzeczalnych zalet, a jedną z nich jest moĪliwoĞü jednoczesnego oznaczania w trakcie jednego przebiegu chromatograficznego wielu jonów w próbce, dziĊki czemu w ciągu kilkunastu minut moĪna mieü ogląd na caáy przekrój anionów czy kationów. W dodatku jest to metoda bardzo dokáadna, precyzyjna, z niskimi granicami wykrywalnoĞci i oznaczalnoĞci [12]. NajczĊĞciej stosowany jest detektor konduktometryczny, jednak istnieje moĪliwoĞü stosowania róĪnych detektorów w zaleĪnoĞci od potrzeb. O zdecydowanej przewadze chromatografii jonowej nad klasycznymi metodami analitycznymi decyduje niewielka iloĞü próbki potrzebna do przeprowadzenia analizy oraz ograniczenie do minimum báĊdu ludzkiego podczas wykonywania badaĔ poprzez zautomatyzowanie analiz [20]. Chromatografia jonowa charakteryzuje siĊ równieĪ prostym przygotowaniem próbek przed analizą. W przypadku matryc wodnych wystarcza zazwyczaj tylko wstĊpne przefiltrowanie, aby usunąü z roztworu staáe zawiesiny, które potencjalnie mogáyby uszkodziü kolumnĊ analityczną. Dodatkowym atutem jest stosowanie tanich i bezpiecznych odczynników [12]. Mimo tych zalet, w praktyce jedyną barierą uniemoĪliwiającą masowe upowszechnienie siĊ tej techniki analitycznej są bardzo wysokie koszty zakupu aparatury. W dostĊpnym piĞmiennictwie naukowym jest niewiele prac dotyczących efektywnoĞci usuwania skáadników jonowych przez filtry dzbankowe, a publikacji naukowych poĞwiĊconych wykorzystaniu HPIC w oznaczeniu skáadników Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 159 jonowych, praktycznie nie ma w ogóle. Z tego powodu podjĊto wstĊpne badania z wykorzystaniem chromatografii jonowej, tej czuáej i dokáadnej metody oznaczania jonów, w badaniach efektywnoĞci usuwania kationów i anionów z wody wodociągowej za pomocą filtrów dzbankowych. MATERIAàY I METODY Do badaĔ wytypowano 3 rodzaje filtrów dzbankowych tak, aby reprezentowaáy filtry zarówno produkowane przez maáo znane marki, jak i powszechnie znane i cenione przez konsumentów. Jako najmniej znany i najtaĔszy filtr wybrano filtr Auchan, natomiast jako bardzo dobrze znany konsumentom – filtr firmy Brita. SpoĞród filtrów zaliczanych do klasy poĞredniej wybrano filtr firmy Zelmer. Filtry przygotowano do badaĔ wedáug wskazówek producentów, czyli zanurzono w wodzie wodociągowej i páukano przez kilka minut. We wszystkich przypadkach pierwsze dwa litry wody, które przepáynĊáy przez filtr, zostawaáy odrzucone. Przez kaĪdy filtr, stosując przepáyw grawitacyjny, przepuszczono áącznie po 200 L wody wodociągowej, przy czym po przepuszczeniu okreĞlonej iloĞci wody pobierano próbkĊ do analizy. Dodatkowo dokonano analizy kationów i anionów w surowej wodzie wodociągowej niepoddanej dziaáaniu filtra, którą przyjĊto za wodĊ kontrolną. Sekwencyjne oznaczanie kationów i anionów w pobranych próbkach wykonywano metodą detekcji konduktometrycznej po wczeĞniejszym rozdzieleniu analitów za pomocą chromatografu jonowego (881 Compact IC Pro Metrohm, Szwajcaria) wyposaĪonego w kolumny analityczne firmy Metrohm (Szwajcaria) oraz automatyczny podajnik próbek 858 Professional Sample Processor (Metrohm, Szwajcaria) wyposaĪony w ukáad filtracji online. W tabeli 1 przedstawiono zoptymalizowane warunki rozdzielania analitów, zaĞ na rysunku 1 otrzymane chromatogramy analiz prowadzonych w tychĪe warunkach. Tabela1. Warunki analityczne przeprowadzania analizy anionów w roztworach próbek kalibracyjnych i badanych wód Table 1. Analytical conditions for the analysis of cations and anions in studied water samples Kolumna analityczna Temperatura Eluent Przepáyw eluentu Supresja CiĞnienie Ĩródáo – source: Metrohm Analiza kationów Metrosep C 4-150/4.0 (Metrohm) 30oC 1,7 mM HNO3/ 0,7 mM kwas dipikolinowy 0,9 mL/min. – 6,5 MPa Analiza anionów Metrosep A Supp 7-250/4.0 (Metrohm) 45oC 3,6 mM Na2CO3 0,7 mL/min. 100 mM H2SO4 8,2 MPa 160 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 1. Chromatogramy kationów i anionów w próbce wody wodociągowej z dzielnicy Fordon w Bydgoszczy (opracowanie wáasne) Fig. 1. Chromatograms of cations and anions in a sample of tap water from the Fordon District of the Bydgoszcz City (own scientific description) WYNIKI I ICH OMÓWIENIE Badane wáasne wykazaáy, Īe w surowej wodzie wodociągowej, z wyjątkiem jonów NH4+, Br- i NO2-, wykryto oznaczalne iloĞci pozostaáych jonów. Dla wody przefiltrowanej wykryto natomiast dodatkowo oznaczalne iloĞci jonów NH4+, co wskazuje, Īe jony te są one uwalniane we wzglĊdnie duĪych iloĞciach przez filtry dzbankowe. Wykazano, Īe filtry dzbankowe charakteryzują siĊ róĪną skutecznoĞcią usuwania/uwalniania poszczególnych jonów i generalnie odznaczają siĊ wiĊkszym oddziaáywaniem na kationy aniĪeli na aniony. Na rysunkach 2-5 przedstawiono wyniki dotyczące zawartoĞci jonów w surowej wodzie wodociągowej – przyjĊte jako poziom odniesienia – oraz zawartoĞci jonów w próbkach wody przefiltrowanej. PoniĪej scharakteryzowano poszcze- Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 161 gólne jony ze szczególnym uwzglĊdnieniem róĪnic efektywnoĞci usuwania/ wprowadzania jonów z wody wodociągowej przez filtry dzbankowe. StħǏenie Li [mg/L] (a) Auchan Zelmer Brita woda surowa 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Auchan StħǏenie Na [mg/L] (b) Zelmer Brita woda surowa 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Auchan StħǏenie K [mg/L] (c) Zelmer Brita woda surowa 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Rys. 2. ZawartoĞü jonów litu (a), i jonów sodu (b) i potasu (c) w surowej wodzie wodociągowej oraz w próbkach wody przefiltrowanej przez poszczególne filtry (opracowanie wáasne) Fig. 2. The content of lithium ions (a), sodium (b) and potassium (c) in the raw water and tap water samples filtered by the tested filters (own scientific description) 162 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska StħǏenie Ca [mg/L] (a) Auchan Zelmer Brita woda surowa 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] StħǏenie Mg [mg/L] (b) Auchan Zelmer Brita woda surowa 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] StħǏenie NH4 [mg/L] (c) Auchan Zelmer Brita woda surowa 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Rys. 3. ZawartoĞü jonów wapnia (a) i magnezu (b) i amonowych (c) w surowej wodzie wodociągowej oraz w próbkach wody przefiltrowanej przez poszczególne filtry (opracowanie wáasne) Fig. 3. The content of sodium ions (a) and magnesium (b) ammonium (c) in the raw water and tap water samples filtered by the tested filters (own scientific description) Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... StħǏenie F [mg/L] (a) Auchan Zelmer Brita 163 woda surowa 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] StħǏenie Cl [mg/L] (b) Auchan Zelmer Brita woda surowa 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] StħǏnienie NO3 [mg/L] (c) Auchan Zelmer Brita woda surowa 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Rys. 4. ZawartoĞü jonów fluorkowych (a), chlorkowych (b) i azotanowych(V) (c) w surowej wodzie wodociągowej oraz w próbkach wody przefiltrowanej przez poszczególne filtry (opracowanie wáasne) Fig. 4. The content of fluoride ions (a) chlorine (b) and nitrate (V) (c) in the raw water and tap water samples filtered by the tested filters (own scientific description) 164 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska StħǏenie PO4 [mg/L] (a) Auchan Zelmer Brita woda surowa 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] StħǏenie SO4 [mg/L] (b) Auchan Zelmer Brita woda surowa 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 objħtoƑđ przepuszczonej wody [L] Rys. 5. ZawartoĞü jonów fosforanowych (a) i siarczanowych (b) w surowej wodzie wodociągowej oraz w próbkach wody przefiltrowanej przez poszczególne filtry (opracowanie wáasne) Fig. 5. The content of ions phosphate (a) and sulphate (b) in water and the raw water samples filtered by the tested filters (own scientific description) Lit Jest to pierwiastek, którego rola w procesach Īyciowych jest nie do koĔca poznana. Wiadomo, Īe wpáywa na aktywnoĞü niektórych enzymów, dziaáa stymulująco na funkcje przytarczyc, a hamująco na tarczycĊ, zwiĊksza iloĞü witaminy B12 w komórkach. Bierze udziaá w procesach krwiotwórczych i krzepniĊcia krwi, zapobiega miaĪdĪycy i chorobom serca [21]. Dzienne pobieranie tego pierwiastka, z pokarmem i napojami, powinno wynosiü 1,0-3,1 mg/L, z tego teĪ wzglĊdu przyjmuje siĊ, Īe w wodzie do picia stĊĪenie litu powinno wynosiü powyĪej 0,15 mg/L [4]. Wyniki badaĔ wáasnych wykazaáy (rys. 2a), Īe filtry dzbankowe efektywnie usuwają jony litu z wody wodociągowej, praktycznie z caáej objĊtoĞci przefiltrowanej wody. NajwiĊkszy efekt redukcji litu wykazaá filtr Zelmer, po przefiltrowaniu 90 L wody wodociągowej stĊĪenie tego pierwiastka spadáo z poziomu kontrolnego – 0,26 mg/L aĪ do 0,09 mg/L i utrzymywaáo siĊ na tym samym poziomie. We wzglĊdnie najwiĊkszym stĊĪeniu i jednoczeĞnie staáym poziomie – 0,2 mg/L obserwowano zawartoĞü litu w wodzie po przepuszczeniu jej przez filtr Brita. Generalnie, znaczna redukcja za- Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 165 wartoĞci litu przez filtry dzbankowe jest niezbyt korzystna dla zdrowia czáowieka, poniewaĪ jest on potrzebny dla prawidáowego funkcjonowania organizmu a jego Ĩródeá w poĪywieniu jest wzglĊdnie niewiele [4]. Sód Jony sodowe wraz z chlorkami odpowiadają za równowagĊ osmotyczną w páynach ustrojowych, a w konsekwencji regulują caáą gospodarkĊ wodną organizmu. Sód uczestniczy ponadto w przewodzeniu przez neurony impulsów nerwowych [21]. ZwiĊkszone zapotrzebowanie na sód wystĊpuje podczas wzmoĪonego wysiáku fizycznego, upaáów oraz stanach chorobowych takich jak biegunka i wymioty [21]. Do prawidáowego funkcjonowania organizm codziennie potrzebuje 575 mg sodu [3]. Trzeba jednak pamiĊtaü, Īe waĪnym Ĩródáem tych pierwiastków jest sól kuchenna, naleĪy wiĊc wybieraü wody o stĊĪeniu <200 mg Na/L [4]. Wyniki badaĔ wáasnych wykazaáy (rys. 2b), Īe sód naleĪy zaliczyü do grupy jonów wprowadzanych do wody wodociągowej w procesie przepuszczania jej przez filtry dzbankowe. Jest to prawdopodobnie efekt wymiany sodu z Īywicy jonowymiennej na inne kationy, co sugerują inne badania [16]. NajwiĊksze iloĞci sodu uwalniane są z filtru Zelmer, z początkowego poziomu 56 mg/L obserwowanego w próbce wody surowej do maksymalnie 130 mg/L w próbce wody przepuszczonej przez filtr. Efekt staáego zwiĊkszania siĊ iloĞci jonów uwalnianych z filtru Zelmer notuje siĊ do 40 L, potem poziom sodu zmniejszaá siĊ w stosunku do wody surowej, a nastĊpnie po przepuszczeniu 120 L znowu filtr wprowadzaá ten pierwiastek, jednak juĪ znacznie mniejsze jego iloĞci. Pozostaáe filtry równieĪ wprowadzają sód, jednak znacznie mniejsze jego iloĞci – filtr Brita maksymalnie do 70 mg/L przy 60 L, natomiast filtr Auchan najwiĊksze iloĞci sodu oddaje przy pierwszych przepuszczonych litrach (96 mg/L), a przy kolejnych litrach nastĊpuje nieduĪy juĪ efekt wprowadzania Na. Zbyt duĪe wprowadzanie sodu jest efektem niekorzystnym, poniewaĪ moĪe zakáóciü równowagĊ osmotyczną w organizmie. Filtry wprowadzające ten pierwiastek do wody w duĪych iloĞciach mogą byü uĪywane przez osoby uprawiające sport lub podczas silnych upaáów, gdy straty sodu są najwyĪsze [21]. Potas Obok sodu i chloru jest to podstawowy elektrolit w páynach ustrojowych organizmu. Ma dziaáanie antagonistyczne w stosunku do sodu, czyli zwiĊksza objĊtoĞü páynów wewnątrz komórki kosztem zmniejszania objĊtoĞci páynów zewnątrzkomórkowych. Potas odpowiedzialny jest równieĪ za kontrolĊ pracy i skurcze miĊĞni oraz pobudza wydzielanie insuliny [21]. Dzienne zapotrzebowanie organizmu czáowieka na potas wynosi 2000 mg, a stĊĪeniem mającym znaczenie fizjologiczno-odĪywcze jest 300 mg/L [3]. Wyniki badaĔ wáasnych wykazaáy (rys. 2c), iĪ podobnie jak w przypadku sodu, filtry wprowadzają takĪe jony potasu, co wiązaü siĊ moĪe z efektem dziaáania Īywicy jonowymiennej [16]. Filtr Brita wprowadzaá najwiĊksze iloĞci jonów potasu przez najdáuĪszy 166 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska okres. Początkowo, po przepuszczeniu pierwszych litrów wody, stĊĪenie tego pierwiastka wynosiáo maksymalnie 116 mg/L, co jest wielokrotnie wiĊkszą iloĞcią w porównaniu z wodą kontrolną (5 mg/L). Efekt intensywnego uwalniania potasu z filtra Brita utrzymywaá siĊ do ok. 70 L przefiltrowanej wody. Pozostaáe filtry wprowadzają stosunkowo niewiele potasu – Auchan 21 mg/L i tylko dla pierwszych litrów, a filtr Zelmer uwalniaá potas do stĊĪenia 12 mg/L i to tylko do 20 L przepuszczonej wody. Zjawisko uwalniania jonów potasu przez filtry jest generalnie bardzo korzystne dla zdrowia czáowieka. W ĪywnoĞci istnieje niewiele Ĩródeá tego pierwiastka, który reguluje wiele istotnych funkcji w organizmie [21]. WapĔ Jest to gáówny budulec koĞci i zĊbów, ponadto jest odpowiedzialny za prawidáowe krzepniĊcie krwi, dziaáanie ukáadu nerwowego, procesu skurczu miĊĞni oraz regulacjĊ pracy serca. Prawidáowe spoĪycie wapnia w okresie dzieciĔstwa i dojrzewania zapewnia odpowiednie kostnienie i uwapnienie koĞüca, co w przyszáoĞci zmniejsza ryzyko áamliwoĞci koĞci oraz osteoporozy [21]. Dzienne zapotrzebowanie organizmu czáowieka na wapĔ mieĞci siĊ w przedziale od 800 mg do 1200 mg, dlatego naleĪy piü wody zawierające wapĔ w iloĞci minimum 150 mg/L [3]. Jednym z gáównych zadaĔ filtrów jest usuwanie twardoĞci wody, za którą odpowiadają m.in. jony wapniowe i mimo Īe dla zdrowia czáowieka usuwanie wapnia jest niezbyt korzystne, jednak poprawia to smak wody, a przede wszystkim zmniejsza jej twardoĞü, która dziaáa niszcząco na wszelkie urządzenia podgrzewające wodĊ [8]. Badania wáasne wykazaáy (rys. 3a), Īe początkowo wszystkie filtry skutecznie zmniejszyáy stĊĪenie wapnia, z poziomu stĊĪenia 106 mg/L dla wody wodociągowej do odpowiednio: 12 mg/L, 22 mg/L i 44 mg/L dla filtru Zelmer, Brita i Auchan. Najmniejszą skutecznoĞcią usuwania wapnia charakteryzowaá siĊ filtr Auchan, który juĪ po 40 L nie zatrzymywaá wapnia, a w niektórych momentach stĊĪenie Ca wrĊcz rosáo w przefiltrowanej wodzie. Lepszą skutecznoĞcią wykazaá siĊ filtr Zelmer, który efektywnie usuwaá jony wapnia do 100 L przepuszczonej wody. Najskuteczniejszy okazaá siĊ filtr Brita, który wzglĊdnie skutecznie usuwaá wapĔ nawet po przepuszczeniu 200 L wody. Magnez Bierze udziaá w budowie koĞci i zĊbów, przemianie materii, syntezie kwasów nukleinowych i biaáka. Peáni takĪe waĪną rolĊ w procesie widzenia oraz uczestniczy w przekazywaniu informacji pomiĊdzy nerwami a miĊĞniami. Chroni przed zakrzepami w naczyniach krwionoĞnych przez hamowanie krzepniĊcia krwi [21]. Dzienne zapotrzebowanie na ten skáadnik wynosi 300 mg, dlatego powinno siĊ spoĪywaü wody, które mają stĊĪenie magnezu co najmniej 50 mg/L [3]. Magnez podobnie jak wapĔ odpowiada za twardoĞü wody, wiĊc ze wzglĊdu na urządzenia grzewcze korzystne jest zmniejszanie jego iloĞci [18], jednak z powodów zdrowotnych istotna jest jego obecnoĞü wodzie pitnej, po- Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 167 niewaĪ jest niezbĊdny do prawidáowego funkcjonowania organizmu [21]. W badaniach wáasnych stwierdzono (rys. 3b), Īe początkowo wszystkie filtry wzglĊdnie skutecznie usuwaáy jony magnezu z wody, z początkowej zawartoĞci w wodzie wodociągowej wynoszącej 21 mg/L, do 4,0 mg/L, 7,0 mg/L i 11 mg/L, odpowiednio dla filtrów: Zelmer, Brita i Auchan. Dla nastĊpnych porcji przepuszczanej wody przez filtry Zelmer i Auchan zaobserwowano uwalnianie niewielkich iloĞci magnezu. Dla filtra Auchan uwalnianie jonów magnezu utrzymaáo siĊ do przepuszczonej wody wodociągowej w iloĞci 100 L, po czym dziaáanie filtra przestaáo byü zauwaĪalne. Filtr Zelmer uwalniaá w niewielkich iloĞciach magnez do 60 L przepuszczonej wody, po tym czasie znowu zatrzymywaá magnez, aby znów po 100 L przepuszczonej wody uwalniaü jego niewielkie iloĞci. Filtr Brita efektywnie absorbowaá jony magnezu do 70 L przepuszczonej wody, po czym jak w przypadku pozostaáych filtrów nastąpiá efekt uwalniania tego kationu, ale juĪ w niewielkich iloĞciach. Po 180 L przepuszczonej wody efekt dziaáania filtra przestaá byü zauwaĪalny. Jon amonowy Zgodnie z wytycznymi ĝwiatowej Organizacji Zdrowia nie ma on bezpoĞredniego wpáywu na zdrowie czáowieka [25], moĪe natomiast zmniejszaü skutecznoĞü dezynfekcji wody oraz przyczyniaü siĊ do powstawania azotynów w sieci wodociągowej i utrudniaü usuwanie manganu [10, 13]. Dopuszczalna wartoĞü tego jonu w wodach do picia wynosi 0,5 mg/L [1]. Badania wáasne nie wykazaáy obecnoĞci jonu amonowego w surowej wodzie wodociągowej (rys. 3c), natomiast po przepuszczeniu tej samej wody przez filtry dzbankowe zaobserwowano pojawienie siĊ tego kationu. W najwiĊkszej iloĞci jon amonowy pojawiaá siĊ po przefiltrowaniu wody filtrem Brita – dla pierwszych litrów stĊĪenie jonu amonowego wynosiáo ponad 2 mg/L. Dla filtra Brita jon amonowy oznaczany byá w przefiltrowanej wodzie do 100 L. Filtry Zelmer i Auchan wprowadzaáy jon amonowy do 40 L przepuszczanej wody, jednak w zdecydowanie mniejszych iloĞciach, odpowiednio: 0,4 mg/L i 0,7 mg/L. Fluor Jest istotnym pierwiastkiem w mineralizacji zĊbów i koĞci, jego wáaĞciwoĞci są zauwaĪalne przy stĊĪeniu fluoru wynoszącego 1 mg/L. NaleĪy pamiĊtaü, Īe ten pierwiastek w nadmiernych iloĞciach ma dziaáanie szkodliwe, jego stĊĪenie nie moĪe przekroczyü wartoĞci 5 mg/L. Szczególnie niebezpieczny jest dla dzieci, dlatego nie naleĪy podawaü duĪych jego dawek [21]. Fluor jest potrzebny dla zdrowia czáowieka, jednak istnieje wiele innych bardziej znaczących Ĩródeá tego pierwiastka niĪ wody pitne [21]. Badania wáasne wykazaáy (rys. 4a), Īe w trakcie filtracji wody nastĊpuje wzbogacanie wody we fluor, jednak w nieznaczne iloĞci. Z tego teĪ wzglĊdu tych iloĞci fluoru nie moĪna uznaü za znacząco korzystne dla organizmu. NajwiĊcej fluoru wprowadza do przefiltrowanej wody filtr Zelmer, w pierwszych porcjach wody stĊĪenie fluoru wynosiáo 0,07 168 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska mg/L, a nastĊpnie dla pozostaáych porcji rosáo i wynosiáo maksymalnie 0,12 mg/L. Pozostaáe filtry wprowadzają do wody znacznie mniejsze iloĞci fluorków. Chlor Podobnie jak sód odpowiada za równowagĊ osmotyczną w páynach ustrojowych, a w konsekwencji regule caáą gospodarkĊ wodną organizmu. Chlor wchodzi w skáad soków trawiennych, a utrata chlorków powoduje zaburzenia optymalnego pH organizmu [21]. Do prawidáowego funkcjonowania organizm codziennie potrzebuje 750 mg chloru [3]. WaĪnym Ĩródáem chloru, podobnie jak sodu, jest sól kuchenna, naleĪy wiĊc wybieraü wody o stĊĪeniu <200 mg Cl/L [4]. Badania wáasne wykazaáy zaskakujące zjawisko, otóĪ przebadane filtry dzbankowe zachowywaáy siĊ neutralnie wobec chlorków (rys. 4b). StĊĪenia tego pierwiastka w wodzie przefiltrowanej miaáy niemal te same wartoĞci jak wartoĞci stĊĪenia chlorków w surowej wodzie wodociągowej. Producenci filtrów deklarowali w materiaáach reklamowych usuwanie chloru, jednak mogáo to dotyczyü tylko wolnego chloru, a badania wáasne nie obejmowaáy analizy tego parametru. WystĊpowanie chlorków w stĊĪeniu obserwowanym w surowej wodzie wodociągowej nie ma w praktyce wiĊkszego znaczenia dla zdrowia czáowieka [21], wiĊc usuwanie go z wody wodociągowej nie jest konieczne. Azotany(V) Ich naturalnym Ĩródáem jest przebiegający w Ğrodowisku cykl azotowy, związany m.in. z rozkáadem roĞlin. Jednak najbardziej problematycznym są Ĩródáa antropogeniczne, np. Ğcieki miejskie i przemysáowe, nawozy sztuczne i naturalne oraz kwaĞne deszcze i pyáy, które dostarczają znaczne iloĞci azotanów do Ğrodowiska [5]. BezpoĞrednio nie są one groĨne dla czáowieka, jednak w przewodzie pokarmowym mogą siĊ przeksztaáciü w azotany(III) [2], dlatego usuwanie azotanów(V) z wody wodociągowej jest korzystnym efektem dziaáania filtrów. Badania wáasne wykazaáy (rys. 4c), Īe wszystkie filtry dzbankowe charakteryzują siĊ zdolnoĞcią usuwania jonów azotanowych(V) z wody wodociągowej i z początkowego stĊĪenia tego jonu w wodzie surowej wynoszącego 2,4 mg/L, najwiĊksze iloĞci tego jonu usuwaá filtr Zelmer (do 1,8 mg/L), mniejsze filtr Brita (do 2,0 mg/L), a najmniejsze filtr Auchan (do 2,3 mg/L). Fosforany Stanowią najczĊĞciej wystĊpującą w Ğrodowisku postaü fosforu, pierwiastka o bardzo duĪym znaczeniu w Ğrodowisku [2]. Związki fosforu biorą udziaá w wielu podstawowych procesach Īyciowych organizmów, wchodzą w skáad m.in. kwasów nukleinowych, fosfolipidów i fosfoprotein. W organizmie czáowieka wystĊpuje on gáównie w koĞciach i szkliwie zĊbów. Fosfor jest podstawą metabolizmu wĊglowodorów, táuszczu i biaáek. Pierwiastek ten umoĪliwia rozprowadzanie substancji w organizmie [7]. Jednak jego nadmiar moĪe powodowaü groĨne skutki zdrowotne, m.in. zaburzenie wcháaniania Īelaza, niewydolnoĞü nerek oraz osteoporozĊ przez zaburzanie równowagi wapniowo-fosforanowej [21]. Badania wáasne wykazaáy (rys. 5a), Īe wszystkie filtry uwalniaáy Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 169 fosforany, a efekt ten utrzymywaá siĊ praktycznie w trakcie przepuszczenia 200 L wody wodociągowej. Jednak stĊĪenie tego jonu w przefiltrowanej wodzie nie przekraczaáo 5,0 mg/L – jako maksymalnej wartoĞci dopuszczalnej w wodzie do picia [23]. SpoĞród przebadanych filtrów najwiĊcej fosforanów uwalniaá filtr firmy Zelmer – stĊĪenie tego jonu wynosiáo 1,2 mg/L w pierwszych litrach przefiltrowanej wody, podczas gdy w wodzie wodociągowej stĊĪenie fosforanów wynosiáo 0,55 mg/L. Pozostaáe filtry wprowadzaáy znacznie mniejsze iloĞci fosforanów. Siarczany Mają pozytywne oddziaáywanie na pracĊ wątroby i trzustki. Zalecane są przede wszystkich w stanach cukrzycowych [2]. Ich pozytywne dziaáanie na organizm czáowieka jest zauwaĪalne, gdy wystĊpują w wodzie w stĊĪeniu 250 mg/L [11]. Badania wáasne wykazaáy stosunkowo niewielkie róĪnice w skutecznoĞci zatrzymywania/uwalniania siarczanów przez filtry dzbankowe (rys. 4b), dlatego nie moĪna jednoznacznie okreĞliü ogólnej tendencji. Jednak tak niewielkie róĪnice stĊĪeĔ jonów siarczanowych w praktyce nie mają wiĊkszego znaczenia dla zdrowia czáowieka. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Po dokonaniu przeglądu dostĊpnej literatury naukowej nie doszukano siĊ Īadnych informacji na temat wykorzystania chromatografii jonowej w celu sprawdzenia efektywnoĞci usuwania jonów przez filtry dzbankowe, stąd zdecydowano siĊ na przeprowadzenie badaĔ wstĊpnych. Uzyskane wyniki badaĔ okazaáy siĊ bardzo ciekawe i zarazem utwierdziáy autorów, iĪ naleĪy kontynuowaü badania uwzglĊdniające analizĊ innych parametrów, np. oznaczanie srebra (dodawanego do filtrów jako Ğrodek bakteriobójczy) czy teĪ badania mikrobiologiczne (przydatnoĞü do spoĪycia wody bez koniecznoĞci jej przegotowania), a takĪe uwzglĊdniające dáuĪsze przerwy przy przepuszczaniu poszczególnych porcji wody (aby bardziej uwzglĊdniü warunki codziennej eksploatacji filtrów). JednakĪe juĪ na etapie badaĔ wstĊpnych uzyskane wyniki pozwalają sformuáowaü nastĊpujące wnioski: í chromatografia jonowa okazaáa siĊ doskonaáym narzĊdziem analitycznym do oceny skutecznoĞci dziaáania filtrów dzbankowych w usuwaniu skáadników jonowych wody wodociągowej, í filtry wykazują wpáyw na zmianĊ stĊĪeĔ wiĊkszoĞci jonów, przede wszystkim kationów, a w mniejszym stopniu anionów, í ze wzglĊdu na uwalnianie kationów sodu lub potasu w trakcie filtrowania wody, przebadane filtry moĪna podzieliü na dwie podstawowe grupy, tj. „sodowe” i „potasowe”, co wydaje siĊ byü związane ze stosowaniem w filtrach róĪnych Īywic jonowymiennych bądĨ w inny sposób ich modyfikowanych, 170 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska í filtry firm Brita i Zelmer charakteryzowaáy siĊ podobną skutecznoĞcią dziaáania, najmniej efektywnym filtrem w usuwaniu jonów okazaá siĊ filtr Auchan. PIĝMIENNICTWO [1] Ahmedna M., Marshall W.E., Husseiny A.A., Rao R.M., Goktepe I., 2004. The use of nutshell carbons in drinking water ¿lters for removal of trace metals. Water Res. 38, 1062-1068. [2] Balcerzak M., Janiszewska J., 2011. Wieloanionowa analiza materiaáów Ğrodowiskowych techniką chromatografii jonowej. Ochrona ĝrodowiska i Zasobów Naturalnych 50, 78-87. [3] Báaszczyk U., TuszyĔski T., 2007. Wody mineralne i ich znaczenie w profilaktyce zdrowotnej. Laboratorium 4, 20-23. [4] Dáugaszek M., Poáeü J., 2012. ZawartoĞü litu w wodach mineralnych i Ĩródlanych. Bromatologia i Chemia Toksykologiczna 45, 138-143. [5] DĪgan M., Pasternakiewicz A., 2007. Ryzyko zdrowotne związane z wystĊpowaniem azotanów w wodach pitnych. Zdrowie Publiczne 117, 364-368. [6] Gáówny Urząd Statystyczny, 2012. Polska w liczbach. Zakáad Wydawnictw Statystycznych Warszawa, 13. [7] Kokot F., Ficek R., Buáanowski M., 2005. Zaburzenia gospodarki fosforanowej. Medycyna Praktyczna 11, 245-248. [8] Kowal A.L., 1996. Odnowa wody. Podstawy teoretyczne procesów. Politechnika Wrocáawska. [9] Kowal A.L. ĝwiderska-BróĪ M., 2007. Oczyszczanie wody. Wyd. Nauk. PWN Warszawa. [10] Macioszczyk A., DobrzyĔski D., 2007. Hydrogeochemia. Wyd. Nauk. PWN Warszawa. [11] Michalski R., 2005. Chromatografia jonowa – zalety i ograniczenia. Instytut Podstaw InĪynierii ĝrodowiska PAN Zabrze, 1-13. [12] Michalski R., 2006. Wody mineralne – piü albo nie piü? Laboratorium Przemysáowe 11, 36-38. [13] Nawrocki J., 2010. Uzdatnianie wody. Cz. 1. Procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne. PWN Warszawa. [14] Newcombe G., Morrison J., Hepplewhite C., 2002. Simultaneous adsorption of MIB and NOM onto activated carbon. I. Characterisation of the system and NOM adsorption. Carbon 40, 2135-2146. [15] Obarska-Pempkowiak H., 1997. Technologia wody. Politechnika GdaĔska. [16] Okada T., Kjelstrup-Ratkje S., Møller-Holst S., Jerdal L.O., Friestad K., Xie G., Holmen R., 1996. Water and ion transport in the cation exchange membrane systems NaC1-SrC12 and KC1-SrC12. J. Membrane Sci. 111, 159-167. [17] Perchuü M., 1998. Doczyszczanie wody. Filtry domowe. Poradnik. Oficyna Wydawnicza MH Warszawa. [18] Perchuü M., 2008. Skutki interakcji wody wodociągowej i rur ocynkowanych. Gaz Woda i Technika Sanitarna 6, 18-23. [19] Pietrucha K., Rak J., 2009. Wybrane zagadnienia bezpieczeĔstwa konsumentów wody do spoĪycia. Gaz Woda i Technika Sanitarna 2, 9-12. Justyna ĝliwiĔska, Leonard Boszke Wykorzystanie wysokosprawnej chromatografii jonowej... 171 [20] Pogocki D., 1998. WstĊp do chromatografii jonowej. Instytut Chemii i Techniki Jadrowej Warszawa, 1-46. [21] SeĔczuk W., 2005. Toksykologia wspóáczesna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa. [22] ĝwiderska-BróĪ M., 1993. Mikrozanieczyszczenia w Ğrodowisku wodnym. Politechnika Wrocáawska. [23] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie jakoĞci wody przeznaczonej do spoĪycia przez ludzi (Dz.U. z 2006 r. Nr 123, poz. 858, z 2007 r. Nr 147, poz. 1033 oraz z 2009 r. Nr 18, poz. 97). [24] Toczyáowska B., 1995. Domowe stacje doczyszczania wody wodociągowej í rodzaje i warunki stosowania. Ochrona ĝrodowiska 3, 69-72. [25] Wytyczne WHO dotyczące jakoĞci wody do picia í Wydanie 2, Polskie Zrzeszenie InĪynierów i Techników Sanitarnych, 1998. THE USE OF HIGH PERFORMANCE ION CHROMATOGRAPHY (HPIC) IN STUDIES OF THE REMOVAL EFFICIENCY OF THE IONIC COMPONENTS OF TAP WATER USING A FILTER JUGS Abstract. The article presents preliminary results on the effectiveness of the removal of selected cations (Li+, Na+, K+, NH4+, Ca2+ and Mg2+) and anions (F-, Cl-, NO3-, PO43- and SO32-) from tap water through the filters jugs. Were chosen three filters jugs commercially available at a different reputation: Brita, Zelmer and Auchan. Ion content was determined in samples taken during the passage of a total of 200 L of tap water, using a High Ion Chromatography with conductivity detection. Our findings show that the filters tested were characterized by varying the removal efficiency of individual ions and time efficiency. Conducted preliminary results confirmed the need for further research using the ionic composition of the water high ion chromatography as sensitive and selective technique for the separation and determination of ionic analytes. Keywords: ion chromatography, cations, anions, jug filters, the quality of tap water WPàYW DROGI NA ZANIECZYSZCZENIE ĝRODOWISKA HAàASEM Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka Karol Grucki*1 Streszczenie. W pracy zaprezentowano badania Studenckiego Koáa Naukowego prowadzone w ramach Katedry InĪynierii Produkcji i Zarządzania w Budownictwie UTP. Wynika z nich koniecznoĞü staáego doskonalenia metod oceny wpáywu budowli drogowych na otaczające je Ğrodowisko, waĪnoĞci problematyki ograniczania emisji haáasu i jego poziomu, oraz poszukiwania innowacyjnych dróg w realizacjach tego typu przedsiĊwziĊü. Szeroki wachlarz przedstawionych badaĔ wskazuje teĪ na potrzebĊ staáej modernizacji programów nauczania na studiach technicznych uwzglĊdniającej zagadnienia dbaáoĞci o stan Ğrodowiska przyrodniczego. Haáas, który opracowaniu jest mottem przewodnim oraz metody jego ograniczania w budownictwie drogowym, są dobrym przykáadem realizacji tego zadania. Sáowa kluczowe: budowa dróg, normy, droga, haáas, recykling, technologie DROGA JAKO PODSTAWOWY ELEMENT TECHNICZNY W POLITYCE TRANSPORTOWEJ KRAJU Podstawowym czynnikiem w realizacji polityki zrównowaĪonego rozwoju naszego kraju jest zorganizowanie na jego terenie sprawnego systemu transportowego. Jednym z elementów tego systemu jest nowoczeĞnie zaplanowana infrastruktura drogowa zapewniająca wysokiej jakoĞci usáugi transportowe. DziĊki wspóáfinansowaniu budowy dróg ze Ğrodków unijnych realizacja budowy sieci autostrad i dróg ekspresowych, a takĪe pozostaáych dróg krajowych i lokalnych, nabraáa realnego – szybszego tempa. W celu nadania realizacjom drogowym wysokiej rangi w dziaáaniach zmierzających do szybszego rozwoju gospodarczego kraju, Ministerstwo Infrastruktury opracowaáo zasady narodowej polityki transportowej ujĊtej w dokumencie pod nazwą „polityka transportowa paĔstwa na lata 2006-2025”. Jednym z priorytetów wyznaczonych w tym dokumencie jest stosowanie w budowie dróg koáowych innowacyjnych rozwiązaĔ technicznych i organizacyjnych, ze szczególnym uwzglĊdnieniem czynników zmniejszających niekorzystne ich oddziaáywanie na otaczające Ğrodowisko. * dr inĪ. Zbigniew TOKARSKI, prof. dr hab. inĪ. Edward KUJAWSKI, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] Agnieszka GRUCKA, Karol GRUCKI, Koáo Naukowe Nowoczesnych Metod Projektowania Technologii Robót Budowlanych, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP 174 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Aktualny stan zrealizowanych oraz planowanych budowli autostrad i dróg ekspresowych, opublikowany przez Generalną DyrekcjĊ Dróg Krajowych i Autostrad wraz z planem na lata 2014-2020, przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Plan budowy autostrad i dróg ekspresowych 2014-2020 (Ĩródáo: GDDKiA – Internet fot. DGP) Fig. 1. Plan for highway and expressways engineering on 2014-2020 years (source: GDDKiA í The internet the Photo DGP) Budowa autostrad i dróg szybkiego ruchu oraz modernizacja istniejących pozostaáych dróg jest w Polsce koniecznoĞcią. Wynika to ze zmiany w przyzwyczajeniach ludzi w zakresie ich mobilnoĞci, áatwej dostĊpnoĞci do pozyskiwania wáasnego samochodu, a w zakresie transportu koáowego ze wzrostu wymogów dotyczących przewozu produktów spoĪywczych i codziennego uĪytku ludnoĞci. Efektem tych zmian jest notowany w ostatnich kilkunastu latach niewspóámiernie wysoki wzrost natĊĪenia ruchu drogowego [4]. PODSTAWOWE ZAGROĩENIA WYNIKAJĄCE Z BUDOWY I UTRZYMANIA DRÓG Rozwój drogownictwa wyraĪający siĊ budową nowych dróg i modernizacją juĪ istniejących, poza zwiĊkszeniem bezpieczeĔstwa podróĪowania i zmniejszeniem siĊ czasu dostĊpnoĞci do celów podróĪy, niesie za sobą realne zagroĪenia. Dotyczą ona zarówno degradacji naturalnego Ğrodowiska przyrodniczego, Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 175 jak i obniĪenia komfortu dla ludzi zamieszkujących tereny w pobliĪu tych dróg. WĞród róĪnych zagroĪeĔ za gáówne uwaĪa siĊ: – podziaá biocenozy (zespoáu populacji organizmów bytujących na danym terenie) – wprowadzanie do Ğrodowiska metali ciĊĪkich, – wprowadzanie do Ğrodowiska haáasu komunikacyjnego, – zasolenie otoczenia w okresie zimowego utrzymania dróg. Podziaá biocenozy przez drogĊ i Ğrodki zaradcze stosowane w budowie nowoczesnych dróg Jednym z istotnych zagroĪeĔ dla Ğrodowiska przyrodniczego jest podziaá zespoáów populacji organizmów na danym terenie. WyraĪa siĊ to rozdzieleniem zespoáów organizmów roĞlinnych i zwierzĊcych przez nowo pobudowane i zmodernizowane drogi, co w konsekwencji prowadzi do zerwania powiązaĔ ekologicznych oraz pokarmowych miĊdzy bytującymi w okreĞlonej symbiozie biocenozy na danym obszarze (np. poprzez ograniczenie przestrzeni Īyciowej i warunków rozrodu Īyjącej tam fauny). KoniecznoĞü swobodnego poruszania siĊ poszczególnych osobników na duĪych obszarach stanowi podstawową moĪliwoĞü pozyskiwania przez nich pokarmów (np. rysie polują na obszarze kilku kilometrów kwadratowych) lub dla zachowania gatunku poprzez znalezienie partnera do rozrodu. ZagroĪenia te nie odnoszą siĊ jedynie do duĪej zwierzyny. TakĪe grupy niewielkich rozmiarowo zwierząt migrują na duĪych obszarach za poszukiwaniem pokasmów. Dla tych zwierząt podziaá nawet niewielkiego obszaru ich bytowania bywa zagroĪeniem dla istnienia [7]. By temu zapobiec, projektanci dróg przewidują w okreĞlonych odlegáoĞciach pobudowanie tzw. „przejĞü migracyjnych dla zwierząt”. Na obowiązek uwzglĊdniania tego rodzaju przejĞü wskazuje Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane. W szczególnoĞci podaje ona wytyczne i normy projektowania, budowy i utrzymania obiektów budowlanych, a w tym okreĞla definicje istotne z punktu widzenia zagadnieĔ projektowania i realizacji przejĞü dla zwierząt wraz z przylegáymi do nich nasypami drogowymi. Ich uĞciĞlenie zawarte jest w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadaü drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 43 poz. 430 z 1999 r.) [3]. W zaleĪnoĞci od zapewnienia moĪliwoĞci migracji dla danego gatunku zwierząt buduje siĊ „przejĞcia” przedstawione na rysunkach 2 i 3. 176 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 2. DuĪy korytarz ekologiczny [3] (Ĩródáo: wáasne) Fig. 2. Large ecological corridor [3] (source: own) Rys. 3. Przepust ekologiczny (Ĩródáo: wáasne) Fig. 3. The ecological culvert (source: own) Czynniki wpáywające na poziom haáasu komunikacyjnego i Ğrodki zaradcze Drugim istotnym zagroĪeniem dla Ğrodowiska przyrodniczego, bĊdącym wynikiem ruchu pojazdów po drodze, jest jego zanieczyszczanie haáasem. Generalnie opisując ten problem moĪna stwierdziü, Īe haáas drogowy wywoáywany jest przez toczący siĊ po nawierzchni drogowej bieĪnik opony. Z tego krótkiego stwierdzenia moĪna wnioskowaü, Īe poziom haáasu bĊdzie funkcją trzech elementów: rodzaju opony (rodzaju bieĪnika i jego szerokoĞci oraz materiaáu, z którego jest sporządzona), rodzaju nawierzchni drogi (skáadu granulometrycznego, wilgotnoĞci i temperatury nawierzchni) oraz masy i prĊdkoĞci przejeĪdĪających pojazdów. Z tego teĪ wzglĊdu projektanci wszystkich tych elementów (kaĪdy w swoim zakresie) dąĪą do obniĪenia emisji haáasu wytwarzanego przez ich produkt. Seweryn Rutkowski w artykule „Ranking opon – jak bada siĊ haáas i komfort opon?” stwierdza, Īe podczas ruchu samochodu obracająca siĊ opona ulega ciągáym odksztaáceniom, a jej klocki bieĪnika uderzają o podáoĪe, wywoáując fale dĨwiĊkowe. Fale te, odczuwane jako haáas, są wynikiem staáego naprĊĪania siĊ i rozprĊĪania klocków przed i po kontakcie z nawierzchnią. Wywoáuje to Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 177 drgania objawiające siĊ haáasem, przy czym kaĪda opona ma swoją wáasną czĊstotliwoĞü, przy której drĪy najmocniej. Jest to przede wszystkim uciąĪliwe dla podróĪujących danym pojazdem, ale takĪe odczuwalne dla przebywających poza pojazdem. Na podstawie przeprowadzonych badaĔ moĪna stwierdziü, iĪ istnieje moĪliwoĞü obniĪenia tej uciąĪliwoĞci poprzez zmniejszanie szerokoĞci opony i odpowiedniego profilowania jej bieĪnika. Niestety te rozwiązania obniĪają takĪe takie parametry opony, jak przyczepnoĞü czy zachowanie siĊ pojazdu na áukach poziomych oraz obniĪają odpornoĞci na tzw. aquaplaning, tj. powodują utratĊ przyczepnoĞci opony podczas jazdy po nawierzchni pokrytej wodą. Z tych wzglĊdów „wyciszanie” opony nie jest najbardziej poĪądanym dziaáaniem przez uĪytkowników. NaleĪy jednak dodaü, Īe wraz z wejĞciem w Īycie przepisów o etykietach na oponach, dopuszczalne normy haáasu dla opon o róĪnych szerokoĞciach zostaáy obniĪone o okoáo 4 dB (A) [7] i wynoszą odpowiednio (tab. 1): Tabela 1. Dopuszczalne poziomy haáasu emitowane przez bieĪnik opon o róĪnych szerokoĞciach [7] Table 1. Admissible noise levels emitted by the tread of tyres about different widths [7] Nominalna szerokoĞü przekroju opony <185 185-215 215-245 245-275 >275 Dopuszczalny poziom haáasu dB (A) 70 71 71 72 74 Kolejnym czynnikiem wywoáującym haáas komunikacyjny o róĪnym poziomie jest prĊdkoĞü przejeĪdĪających pojazdów. Studenci z Koáa Naukowego Nowoczesnych Metod projektowanie Technologii Robót Budowlanych przy Wydziale Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy (WBiIĝ UTP) prowadzą od kilkunastu lat w ramach Katedry InĪynierii Produkcji i Zarządzania w Budownictwie badania zaleĪnoĞci miĊdzy tymi czynnikami. Badania te są prowadzone zarówno na drogach w Holandii, jak i w Polsce. WyróĪnia siĊ róĪne warianty badania haáasu w zaleĪnoĞci od klasy drogi oraz otaczającego ją Ğrodowiska. W obrĊbie dróg moĪna rozwaĪaü autostrady, drogi szybkiego ruchu i drogi lokalne, a ze strony otaczającego je Ğrodowiska: tereny otwarte, zabudowane oraz oddzielone ekranem dĨwiĊkocháonnym. Klasa drogi decyduje bowiem o prĊdkoĞci pojazdów i natĊĪeniu ruchu, co bezpoĞrednio rzutuje na poziom emitowanego przez nie haáasu, a zabudowa otaczającego ją Ğrodowiska – o rozprzestrzenianiu siĊ haáasu do wewnątrz Ğrodowiska. Czáonkowie wspomnianego wyĪej Koáa Naukowego brali udziaá w przeprowadzeniu na terenie Holandii badania zarówno zaleĪnoĞci poziomu haáasu od natĊĪenia ruchu, jak i wpáywu ekranowania drogi od otaczającego ją Ğrodowiska. 178 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Pierwsze badanie zostaáo przeprowadzone na autostradzie A73. Pomiar wykonywano w interwaáach 5-minutowych w áącznym czasie 15 minut i kilku seriach pomiarowych. Uzyskane wyniki zawarto w tabeli 2. W wyniku przeprowadzonych obliczeĔ dla ruchu o natĊĪeniu Q i E uzyskano odpowiednio 1516 [P/h] i 1642 [E/h]. Prowadzone równolegle badanie poziomu haáasu wykazaáo charakterystyczne poziomy o wartoĞciach: MAX = 90,51 dB; MIN = 44,06 dB oraz LEQ = 72,69 dB [4]. Tabela 2. Wyniki pomiaru natĊĪenia ruchu na autostradzie [4] Table 2. Results of traffic measurement on highway [4] Motocykle Samochody osobowe Samochody dostawcze CiĊĪarowe bez przyczep CiĊĪarowe z przyczepą Autobusy suma 08:00-08:05 0 113 4 0 9 0 126 08:05-08:10 1 109 9 1 5 0 125 08:10-08:15 0 114 6 2 6 0 128 Prowadzone w tym czasie badania na odcinkach drogi A73 wykazaáy poziomy haáasu przedstawione w tabeli 3, przy natĊĪeniu ruchu w przeliczeniu na pojazdy ekwiwalentne. Tabela 3. Przykáadowe wyniki pomiaru haáasu i natĊĪenia ruchu [6] Table 3. Example results of traffic and noise measurement on highway [6] Data pomiaru 10.09.2011 13.09.2011 13.09.2011 14.09.2011 14.09.2011 Czas pomiaru 15:15-15:30 06:00-06:15 15:15-15:30 08:00-08:15 10:00-10:15 Miejsce pomiaru A 73 Venlo A73 Overloon A73 Overloon A73 Sint Joost A73 Sint Joost Poziom haáasu LEQ 72,34 72,69 74,19 71,85 70,45 NatĊĪenie ruchu E 1642,4 1024,0 1826,0 2772,4 1565,2 Z analizy tych dwóch badaĔ wynika, Īe równowaĪny poziom haáasu niewiele zmienia siĊ w funkcji natĊĪenia ruchu. MoĪna przyjąü, Īe podobieĔstwo wyników jest funkcją podobnej prĊdkoĞci pojazdów, jaka obowiązuje pojazdy na autostradzie (prawdopodobnie dopuszczalnej). Inne badanie przeprowadzone przez ww. zespóá dotyczyáo skutecznoĞci ekranowania drogi przed emisjĊ haáasu do otoczenia. Badanie przeprowadzono przy autostradzie A59 w Holandii. Fragment wyników tych badaĔ zamieszczono w tabeli 4 [3]. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 179 Tabela 4. Wyniki pomiarów haáasu w otoczeniu autostrady A59 w Holandii [3] Table 4. Results of noise measurement in surroundings of A59 highway in the Netherlands [3] Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Godzina pomiarów 14:59:56 15:00:00 15:22:00 15:37:00 15:46:18 15:52:00 15:52:00 16:07:00 16:07:00 16:22:00 16:22:00 16:35:51 16:40:04 16:39:58 16:55:00 16:54:59 Czas trwania pomiarów 00:04:00 00:04:08 00:15:00 00:15:00 00:00:48 00:15:00 00:15:00 00:15:00 00:15:00 00:02:23 00:02:23 00:03:05 00:04:59 00:05:00 00:15:00 00:15:00 LEQ MAX MIN Stanowisko 71,1 71,9 71,9 72,2 67,2 81,6 72,4 84,5 72,3 82,1 73,2 83,6 84,2 71,9 70,4 73,3 84,4 81,4 88,4 88,8 80,3 92,4 83,5 93,7 82,7 93,5 85,3 92,9 93,5 81,8 80,9 87,9 60,6 59,6 57,2 58,1 63,4 63,5 57,9 64,9 58,7 66,6 60,3 65,8 65,1 59,0 62,8 57,6 1 2 2 2 1 3 4 3 4 3 4 3 3 4 1 2 Tabela 4 zawiera wyniki pomiaru dokonanego na dwóch stanowiskach pomiarowych zsynchronizowanych w czasie: raz przy braku ekranu dĨwiĊkocháonnego na poboczu drogi i drugi raz przy jego wystĊpowaniu. W przypadku braku ekranu dĨwiĊkocháonnego instrumenty ustawiono w odlegáoĞci 10 m od Ğrodka jezdni (stanowisko 2 prezentowane na rysunku 4) oraz 20 m (stanowisko 1), a w przypadku wystĊpowania ekranu: bezpoĞrednio przed ekranem (stanowisko 3 prezentowane na rysunku 5) oraz 10 m za ekranem (stanowisko 4). Wyniki pomiarów wykonanych w tym samym momencie czasowym zostaáy wyróĪnione jednolitym táem o róĪnej szaroĞci. Rys. 4. Stanowisko sonometru ustawione w odlegáoĞci 10 m od Ğrodka jezdni (Ĩródáo: wáasne) Fig. 4. Position of sonometer placed within 10m from the centre of the road (source: own) 180 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 5. Stanowisko sonometru ustawione bezpoĞrednio przy ekranie dĨwiĊkocháonnym (Ĩródáo: wáasne) Fig. 5. Position of sonometer placed directly at the sound-absorbing screen (source: own) Z analizy przeprowadzonych pomiarów wynika duĪa skutecznoĞü ekranowania dróg. Ma to szczególnie znaczenie na drogach o znaczącym natĊĪeniu ruchu, jaki wystĊpuje na autostradach i drogach szybkiego ruchu. Trzecim czynnikiem, który wpáywa emisjĊ haáasu komunikacyjnego, jest rodzaj nawierzchni drogowej i związane z nim prace utrzymaniowe. W wyniku eksploatacji kaĪda nawierzchnia ulega degradacji, dlatego okresowo wystĊpuje koniecznoĞü jej naprawy. Prace te, wymagające uĪycia ciĊĪkich maszyn, wywoáują wyjątkowo uciąĪliwy haáas i drgania. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami, warstwa Ğcieralna nawierzchni drogowej powinna byü wymieniana w okreĞlonym czasie. Tak restrykcyjne warunki (odnosząc je do moĪliwoĞci technicznych kraju), wszĊdzie tam, gdzie są realizowane, wprowadzają trzy rodzaje zagroĪeĔ: 1 – zagroĪenie bezpieczeĔstwa wynikające z zakáócenia páynnego ruchu po drodze (wymianĊ nawierzchni wykonuje siĊ najczĊĞciej przy ograniczeniu pasów ruchu), 2 – zwiĊkszenie poziomu haáasu poprzez wprowadzenie maszyn roboczych oraz 3 – utrzymanie wysokiej emisji szkodliwych gazów w wytwórniach mas bitumicznych. W celu zmniejszenia cyklu wymiany zuĪytej warstwy Ğcieralnej nawierzchni stosuje siĊ coraz to nowsze, bardziej przyjazne Ğrodowisku technologie. Mają one ograniczyü emisjĊ szkodliwych substancji do otoczenia, ale takĪe obniĪyü poziom wytwarzanego haáasu podczas prac renowacyjnych. JeĞli uwzglĊdni siĊ dodatkowo fakt, Īe odspojona zuĪyta warstwa Ğcieralna musi byü odtransportowania do przetwórni odpadów drogowych, a na jej miejsce musi byü przywieziona nowa masa bitumiczna, to takĪe odcinki dróg, po których poruszaü siĊ bĊdą pojazdy transportowe, obciąĪone zostaną dodatkowym Ĩródáem haáasu. Innym zagadnieniem, objĊtym programem studenckiego obozu naukowego w Holandii, byáo zapoznanie siĊ uczestników z nowoczesną technologią wytwarzania mieszanki mineralno-asfaltowej, pozwalającej na obniĪenie emisji CO2 do atmosfery w porównaniu z innymi rodzajami mieszanek [1], co przedstawia dla produkcji MMA w Holandii wykres na rysunku 6. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 181 Emisja CO2 Rys. 6. Wykres porównania emisji CO2 dla poszczególnych technologii [1] Fig. 6. Graph of comparison CO2 issue for each technologies [1] Podczas produkcji mieszanki w technologii LEAB, emisja CO2 utrzymuje siĊ na poziomie 14,3 kg na 1 tonĊ mieszanki. W porównaniu do SMA (stosowanej w Polsce) uzyskuje siĊ emisjĊ niĪszą o 35%. Dla porównania asfalt porowaty osiąga wartoĞü okoáo 18 kg/tonĊ mieszanki, co równieĪ naleĪy uznaü za wynik istotnie lepszy od mieszanki SMA [1]. Profil ekologiczny mieszanki LEAB przestawiono na rysunku 7. Rys. 7. Profil ekologiczny mieszanki LEAB [2] Fig. 7. Ecological profile of the mixture LEAB [2] Na podstawie badaĔ wykonanych w Laboratorium w Utrechcie przeprowadzono charakterystykĊ oddziaáywania na Ğrodowisko mieszanki LEAB (wyniki przedstawiono na powyĪszym wykresie). W spektrum badaĔ znalazáy siĊ nastĊpujące pozycje mające wpáyw na: globalne ocieplenie, warstwĊ ozonową, toksycznoĞü dla czáowieka, zasoby wodne, glebĊ (ziemska ekotoksycznoĞü), utlenianie fotochemiczne, zakwaszanie, eutrofizacjĊ, energiĊ wykorzystywaną podczas procesu produkcji, iloĞü odpadów. EkotoksycznoĞü pojmowana jest jako cecha substancji mogąca spowodowaü natychmiastowe lub opóĨnione ryzyko dla jednego lub wiĊcej fragmentów Ğrodowiska. Na wykresie podano procentowe wartoĞci toksycznoĞci w odniesieniu do StAB (tradycyjna mieszanka betonu 182 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska asfaltowego do ukáadania na ciepáo). Wynika z niego, Īe w porównaniu z typowymi mieszankami do ukáadania na gorąco mieszankĊ LEAB charakteryzuje znacznie mniejsze zuĪycie energii (o okoáo 30%) oraz relatywnie mniej destrukcyjny wpáyw na Ğrodowisko naturalne aniĪeli mieszanki tradycyjne do ukáadania na ciepáo. Na rysunku 8 przedstawiono przebieg badaĔ i poszczególne fazy procesu wytwarzania. MJ/tonħ 150 Faza I Faza II Faza III 100 70 50 0 50 100 150 o [ C] Rys. 8. Wykres faz badaĔ mieszanki mineralno-asfaltowej LEAB [1] Fig. 8. Graph phases of research the mineral-asphalt mixture LEAB [1] Zgodnie z wykresem (rys. 8) oszczĊdnoĞü energii wystĊpuje w fazie II, podczas której podgrzewa siĊ wszystkie skáadniki do temperatury 95oC, a nastĊpnie utrzymuje siĊ staáą temperaturĊ. W laboratoriach firmy BAM Wegen prowadzone są równieĪ inne badania. Przy wykorzystaniu kamery termowizyjnej porównuje siĊ rozkáad temperatur na nawierzchni mieszanki LEAB i tradycyjnej mieszanki mineralno-asfaltowej. Na podstawie uzyskiwanych wyników moĪna stwierdziü, zgodnie z przewidywaniami, Īe temperatura na powierzchni ukáadanej przy uĪyciu LEAB byáa jednakowa, natomiast w przypadku mieszanki ukáadanej na gorąco zakres i rozkáad temperatur byá bardzo nierównomierny. Produkcja i stosowanie mieszanek mineralno-asfaltowych do ukáadania „na gorąco” wymaga, aby materiaá byá podgrzewany do temperatury 135-180oC. WysokoĞü temperatury wynika z lepkoĞci lepiszcza bitumicznego i jest niezbĊdna w celu zapewnienia równomiernego, dokáadnego otoczenia kruszywa asfaltem. W przypadku LEAB (ang. Low Energy Asphalt Concrete) temperatura wytwarzania oscyluje w wartoĞciach zbliĪonych do 100oC. Aby moĪliwa byáa do zrealizowania wystarczająco niska lepkoĞü wiązania (zapewniająca sposobnoĞü efektywnej agregacji mineraáów), konieczne jest dodanie bitumu w postaci piany. Zasada uĪywania spienionego bitumu do budowy dróg nie jest nowa i byáa juĪ wczeĞniej wykorzystywana, jednakĪe w powodu wygaĞniĊcia patentów w ostatniej dekadzie nabraáa nowego wymiaru i jest coraz bardziej popularna [1, 2]. Na rysunku 9 przedstawiono widok urządzenia sáuĪącego do wytwarzania spienionego bitumu. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 183 Rys. 9. Widok stanowiska do wytwarzania spienionego bitumu (Ĩródáo: wáasne) Fig. 9. View of position to the production foamy bitumen (source: own) Wprowadzenie do gorącego bitumu maáej (kontrolowanej) iloĞci wody, powoduje jej przeksztaácenie w parĊ wodną oraz wytworzenie piany. Spieniony bitum ma wiĊkszą lepkoĞü oraz objĊtoĞü, co uáatwia produkcjĊ mieszanki oraz jej ukáadanie na ciepáo. Do prawidáowego wykonania badaĔ okreĞlających podstawowe cechy wpáywające na mieszankĊ LEAB (wraĪliwoĞü próbki mieszanki na wodĊ, sztywnoĞü i odpornoĞü na zmĊczenie, odpornoĞü na trwaáe odksztaácenia), wymagany jest szereg specjalistycznych urządzeĔ i mierników. Na rysunku 10 przedstawiono widok stanowiska do zagĊszczania mieszanek wyprodukowanych w laboratorium. Istotną kwestią jest zapewnienie wáaĞciwego wymieszania skáadników mieszanki mineralno-asfaltowej. Na rysunku 11 przedstawiono mieszalnik. Rys. 10. Widok stanowiska do zagĊszczania mieszanek (Ĩródáo: wáasne) Fig. 10. View of position to the inspissation of mixtures (source: own) Rys. 11. Widok mieszalnika (Ĩródáo: wáasne) Fig. 11. View of the stirring apparatus (source: own) Urządzenie wykonano specjalnie na potrzeby laboratorium, poniewaĪ do produkcji mieszanki w technologii LEAB niezbĊdne jest zapewnienie wáaĞciwego stopnia poáączenia skáadników mieszanki. Firma BAM Wegen rozpoczĊáa badania nad LEAB w roku 2002. Początkowo realizacja tej idei wydawaáa siĊ nieosiągalna, jednakĪe wraz z postĊpem 184 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska badaĔ staáo siĊ to wykonalne. W 2007 roku zapoczątkowano postĊpujący sukcesywnie wzrost produkcji mieszanki LEAB na wiĊkszą skalĊ. Początkowo iloĞü produkowanej mieszanki nie byáa imponująca, gdyĪ nie byáo pewne, czy koncepcja znajdzie zastosowanie w rzeczywistoĞci. W 2010 roku produkcja siĊgaáa juĪ 60000, a w roku 2011 í 110000 ton, z czego aĪ 90000 ton przeznaczono dla inwestycji związanych z budową autostrad. Technologia produkcji LEAB sprawdziáa siĊ na budowach w Holandii, co wzbudziáo zainteresowanie innych krajów. Patent na technologiĊ produkcji mieszanki LEAB posiada holenderska firma BAM Wegen. KoncesjĊ na to innowacyjne rozwiązanie zakupiáa juĪ od niej Japonia. Ze wzglĊdu na walory ta technologia powinna byü w przyszáoĞci równieĪ objĊta transferem technologii do Polski. Bardzo waĪnym czynnikiem, mającym decydujący wpáyw na stan Ğrodowiska naturalnego w otoczeniu dróg, jest sposób odprowadzania wód opadowych z ich powierzchni oraz ewentualna utylizacja szkodliwych związków w nich zawartych. Aktualne dziaáania w tym zakresie kierowane są przede wszystkim na projekty odpowiedniego zagospodarowania bezpoĞredniego otoczenia drogi. Budowa rowów retencyjnych o okreĞlonych wymaganiach technicznych i dostosowanych do lokalnych warunków geotechnicznych staje siĊ aktualnie podstawowym imperatywem w projektowaniu dróg. Dotyczą one: odizolowania napáywu wód opadowych spoza obszaru drogi, zapewnienie przez zbiorniki retencyjne okreĞlonej pojemnoĞci na wody spáywające z nawierzchni drogowej, coraz szerszego stosowania europejskich norm i ich transferu na polskie warunki [1]. PODSUMOWANIE Przedstawione badania, wykonywane na nowoczesnych drogach Holandii, pozwoliáy na zapoznanie studentów z innowacyjnymi rozwiązaniami stosowanymi w budownictwie drogowym zachodniej Europy. Pomoc finansowa, którą Polska otrzymuje w ramach budĪetu Unii oraz liczne programy wspóápracy miĊdzynarodowej powinny byü podstawą dalszej wymiany doĞwiadczeĔ miĊdzy firmami polskimi a zachodnimi í zarówno dla dobra nauki polskiej, jak i ochrony Ğrodowiska. LITERATURA [1] Grucka A., Grucki K., 2011. Innowacyjna technologia LEAB jako przykáad mieszanki mineralno-asfaltowej do ukáadania na ciepáo. XI Seminarium Naukowe Aktualna Problematyka Badawcza: Ciche Nawierzchnie Asfaltowe, Bydgoszcz. [2] Jacobs M.M.J., van den Beemt C.M.A., Sluer B.W., 2012. Successful Dutch Experiences with Low Energy Asphalt Concrete. BAM Wegen bv, Department of Technology and Development (T&O), Utrecht, the Netherlands. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski, Agnieszka Grucka, Karol Grucki Wpáyw drogi na zanieczyszczenie Ğrodowiska haáasem 185 [3] Jendryczka M., 2011. Stan prawny oraz normy w zakresie projektowania i realizacji przejĞü dla zwierząt oraz przylegáych nasypów. XI Seminarium Naukowe Aktualna Problematyka Badawcza: Ciche Nawierzchnie Asfaltowe, Bydgoszcz. [4] Martinek W., Tokarski Z., Chojnacki K., 2012. Organizacja budowy asfaltowych nawierzchni drogowych. PWN Warszawa. [5] Olenkiewicz P., Pietrzak K., 2011,.Utrzymanie obiektu zbudowanego w ramach PPP na przykáadzie autostrady A59 w Holandii. XI Seminarium Naukowe Aktualna Problematyka Badawcza: Ciche Nawierzchnie Asfaltowe, Bydgoszcz. [6] OtrĊbski D., Pietrzak K., 2011. Analiza poziomu haáasu komunikacyjnego na przykáadzie wyników pomiarów terenowych w Holandii. XI Seminarium Naukowe Aktualna Problematyka Badawcza: Ciche Nawierzchnie Asfaltowe, Bydgoszcz. [7] Rutkowski S., 2010. Ranking opon í jak bada siĊ haáas i komfort opon? Oponeo.pl Internet. [8] Tokarski Z., Kujawski E., 2012. Transfer innowacyjnych technologii stosowanych przy budowie autostrad jako element wspomagający ochronĊ Ğrodowiska. [W:] InĪynieria i ochrona Ğrodowiska, M. Granops (red.), Wyd. Uczeln. UTP w Bydgoszczy, 187-207. THE ROAD INFLUENCE ON THE ENVIRONMENTAL NOISE POLLUTION Abstract. In the present article examinations of Student Scientific Circle conducted as part of the Department of the production engineering and Management in a Civil Engineering of UTP was presented Results of these studies indicate on permanent improving methods of the assessment of the impact of road buildings for the environment surrounding them, the importance of issues of limiting the noise emission and his level, and seeking innovative ways in implementations of this type results from them of under -takings. A wide range of described examinations shows also to need of the constant modernization of programs instruction on technical studies which taking into account the issue of the care for the state of the natural environment. The noise and methods of limiting him in the road construction which in this study is a central epigraph, are a good example of the accomplishment of this task. Keywords: road construction, norms, road, noise, recycling, technologies TRANSFER INNOWACYJNYCH TECHNOLOGII STOSOWANYCH PRZY BUDOWIE AUTOSTRAD JAKO ELEMENT WSPOMAGAJĄCY OCHRONĉ ĝRODOWISKA Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski*1 Streszczenie. Praca zawiera opis problemów wynikających z realizacji nawierzchni drogowych z zastosowaniem asfaltu porowatego. Podstawą opracowania są procedury tej innowacyjnej technologii okreĞlone w normach krajowych i europejskich. Na bazie zdobytych doĞwiadczeĔ na budowach w Holandii przedstawiono zasady prawidáowego wykonania takich nawierzchni oraz wpáyw poszczególnych czynnoĞci na zanieczyszczanie Ğrodowiska. Transfer technologii związanych z budową i uĪytkowaniem dróg, sprawdzonych na budowach zachodniej Europy, pozwoli zmniejszyü negatywne dla Ğrodowiska wpáywy wielu czynników opisanych w niniejszej pracy. Sáowa kluczowe: budownictwo, normy, droga, recykling, technologie WSTĉP Wprowadzone w ostatnim czasie normy serii PN-EN oraz Wymagania Techniczne WT-1, WT-2, WT-4 i WT-5 pozwalają na wykorzystanie doĞwiadczeĔ krajów zachodnich w zakresie stosowania najnowszych technologii w budownictwie drogowym. Ma to istotne znaczenie zarówno dla gospodarki polskiej, jak i dla realizacji idei zrównowaĪonego rozwoju kraju. Realizacja tej idei sáuĪy bowiem ochronie Ğrodowiska naturalnego oraz ludnoĞci zamieszkaáej bezpoĞrednio w otoczeniu dróg. Do najnowszych rozwiązaĔ technologicznych, uwzglĊdniających te cele, naleĪy niewątpliwie budowa nawierzchni z zastosowaniem konstrukcji warstw typu „asfalt porowaty”. Definicje tego asfaltu zawarte są w dwóch dokumentach, które dotyczą caáej Unii Europejskiej – w normie EN-13 108-7 oraz w krajowym dokumencie aplikacyjnym WT-2. Zgodnie z normą 13 108-7 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania. CzĊĞü 7: Asfalt porowaty z roku 2008, definicja asfaltu oznacza „mieszankĊ mineralno-asfa-ltową (MMA) z lepiszczem przygotowanym tak, aby uzyskaü bardzo duĪą zawartoĞü poáączonych wolnych przestrzeni, które umoĪliwiają przepáyw wody i powietrza w celu zapewnienia wáaĞciwoĞci drenaĪowych i zmniejszających haáas” [2]. Ze wzglĊdu na fakt, Īe utrzymanie takiej nawierzchni jest bardzo trudne, norma podaje równieĪ charakterystyczne wskaĨniki do prawidáowej eksploatacji warstwy Ğcieralnej oraz nowe pojĊcia dotyczące rekonstrukcji tej warstwy po okresie gwarancji. Dotyczy to przede wszystkim pojĊcia destruktu asfaltowego, które zostaáo okreĞlone w normie PN-EN 13108-8, a wymagania í w nor* dr inĪ. Zbigniew TOKARSKI, prof. dr hab. inĪ. Edward KUJAWSKI, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 188 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska mie europejskiej EN 13108-7. Jest to istotne, gdyĪ te dwa elementy: zuĪywanie siĊ warstwy Ğcieralnej oraz dziaáania związane z jej rekonstrukcją í naleĪą do najbardziej uciąĪliwych dla Ğrodowiska czynników. NaleĪy dodaü, Īe zarówno dopuszczalne kombinacje normowych wymagaĔ, jak i identyfikacja są okreĞlone, a zaáącznik ZA zawiera podstawowe informacje o postanowieniach dotyczących podstawowych aktów prawnych stosowanych w paĔstwach zachodnich od początku wprowadzania tych technologii na drogach europejskich. Podana norma serii EN zostaáa opracowana na podstawie Mandatu M/124-Wyroby budowlane udzielonego przez CEN (Europejski Komitet Normalizacyjny) oraz KomisjĊ Europejską i Europejskie Stowarzyszenie Wolnego Handlu. Informacjom tym towarzyszy oznakowanie CE. WàAĝCIWOĝCI DRENAĩOWE ASFALTU POROWATEGO Odprowadzanie wód opadowych z nawierzchni drogowej ma istotne znaczenie dla bezpieczeĔstwa ruchu oraz zanieczyszczania otaczającego Ğrodowiska. Istnieje zatem problem techniczny jak najwáaĞciwszego rozwiązania tego problemu, który wiąĪe siĊ bezpoĞrednio z wáaĞciwoĞciami poáoĪonego asfaltu. W normie PN-EN 13108 podano najwaĪniejsze wáaĞciwoĞci dla asfaltu porowatego, które dotyczą zawartoĞci wolnych przestrzeni i przepuszczalnoĞci [2]: x minimalna zawartoĞü wolnych przestrzeni Vmin, x maksymalna zawartoĞü wolnych przestrzeni Vmax, x przepuszczalnoĞü pozioma Kb, x przepuszczalnoĞü pionowa Kv . Ze wzglĊdu na niszczące dziaáanie ruchu drogowego podano m.in.: x wskaĨnik wytrzymaáoĞci na rozciąganie poĞrednie ITRS, x ubytek ziaren PL. Kategoria Vmin i Vmax ZawartoĞü wolnych przestrzeni jest zgodna z normą EN-13108-20: 2005 i powinna byü zgodna z wartoĞciami podanymi w tabelach 1 i 2. Tabela 1. Minimalna zawartoĞü wolnych przestrzeni [2] Table 1. Minimum content of empty spacer [2] Kategoria Vmin Vmin28 Vmin26 Vmin24 Vmin22 Vmin20 Vmin18 Vmin16 Vmin14 VminNR Minimalna zawartoĞü wolnych przestrzeni [%] 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 brak wymagaĔ Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 189 Tabela 2. Maksymalna zawartoĞü wolnych przestrzeni [2] Table 2. Maximum content of empty spaces [2] Kategoria Vmax Vmax32 Vmax30 Vmax28 Vmax26 Vmax24 Vmax22 Vmax20 Vmax18 VmaxNR Minimalna zawartoĞü wolnych przestrzeni [%] 32,0 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 brak wymagaĔ W normie EN 13108-7 podano, Īe „asfalt porowaty przeznaczony jest do warstw Ğcieralnych. MoĪe byü wbudowany w wiĊcej niĪ jedną warstwĊ” [2]. Na rysunku 1 pokazano ukáad dwóch warstw z asfaltu porowatego. Warstwa górna o gruboĞci 2,5 cm wykonana jest z kruszywa o frakcji 4/8, a warstwa dolna o gruboĞci 4,5 cm, wykonana jest z frakcji 11/16. Rys. 1. Widok warstw z asfaltu porowatego (Ĩródáo: wáasne) Fig. 1. View of layers from the porous asphalt (source: own) W normie podano równieĪ wartoĞci dla wszystkich krajów czáonkowskich Unii Europejskiej, jednak dla polskich warunków przyjmuje siĊ, ze najlepszy zakres wolnych przestrzeni powinien byü zawarty w przedziale 14%-18%. PrzepuszczalnoĞü Kategorie przepuszczalnoĞci muszą byü zgodne z normą PN-EN 1310820:2005. Problem dotyczy przepuszczalnoĞci poziomej i pionowej kontrolowanej w czasie budowy i w okresie eksploatacji. W szczególnoĞci naleĪy to odnieĞü do skutecznego odwodnienia warstwy Ğcieralnej wykonanej z asfaltu porowatego. Záy stan nawierzchni moĪe zwiĊkszyü zagroĪenie bezpieczeĔstwa kierowców oraz moĪe mieü wpáyw na wiĊkszą haáaĞliwoĞü nawierzchni w okresie gwarancji. Normowe wartoĞci przepuszczalnoĞci poziomej i pionowej podano w tabelach 3 i 4. 190 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 3. PrzepuszczalnoĞü pozioma [2] Table 3. Horizontal penetrability [2] Kategoria Kb Kb4,0 Kb3,5 Kb3,0 Kb2,5 Kb2,0 Kb1,5 Kb1,0 Kb0,5 Kb0,1 KbNR Minimalna przepuszczalnoĞü pozioma [10-3 m/s] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 brak wymagaĔ Tabela 4. PrzepuszczalnoĞü pionowa [2] Table 4. Perpendicular penetrability [2] Kategoria Kb Kv4,0 Kv3,5 Kv3,0 Kv2,5 Kv2,0 Kv1,5 Kv1,0 Kv0,5 Kv0,1 KbNR Minimalna przepuszczalnoĞü pozioma [10-3 m/s] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,1 brak wymagaĔ OdpornoĞü na dziaáanie wody OdpornoĞü na dziaáanie wody wiąĪe siĊ z wytrzymaáoĞcią na rozciąganie poĞrednie. Kategorie wskaĨnika na to rozciąganie podano w tabeli 5. Tabela 5. WartoĞci minimalnego wskaĨnika ITSR [2] Table 5. Values of the minimum indicator ITSR [2] Kategoria ITSR ITSR100 ITSR90 ITSR80 ITSR70 ITSR60 ITSR50 ITSRNR Minimalny wskaĨnik wytrzymaáoĞci na rozciąganie poĞrednie [%] 100 90 80 70 60 50 brak wymagaĔ Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 191 Ubytek ziaren Maksymalny ubytek ziaren ma wpáyw na szorstkoĞü nawierzchni oraz gruboĞü warstwy Ğcieralnej. Uszkodzenie warstwy Ğcieralnej moĪe powodowaü zmniejszenie odpornoĞci na Ğrodki odladzające w zimowym utrzymaniu nawierzchni drogowej. WartoĞci kategorii związanej z ubytkiem ziaren podano w tabeli 6. Tabela 6. WartoĞci minimalnego wskaĨnika ITSR [2] Table 6. Values of the minimum indicator ITSR [2] Kategoria PL PL10 PL15 PL20 PL30 PL40 PL50 PLNR Maksymalny ubytek ziaren [%] 10 15 20 30 40 50 brak wymagaĔ JakoĞü mieszanki asfaltu porowatego przewidzianej do wykonania warstwy Ğcieralnej równieĪ podano w normie PN-EN 13108. W tabeli 7 przedstawiono trzy kombinacje normowych wymagaĔ dla pojedynczej mieszanki. Dla danej mieszanki naleĪy wybraü jedną z trzech kombinacji. Norma odnosi siĊ równieĪ do trwaáoĞci asfaltu porowatego. W normie podano, Īe asfalt porowaty moĪna uwaĪaü za trwaáy „w rozsądnym okresie eksploatacyjnym”. Tabela 7. Dopuszczalne kombinacje wymagaĔ [2] Table 7. Admissible combinations of requirements [2] Wymaganie ZawartoĞü lepiszcza Uziarnienie Minimalna zawartoĞü wolnych przestrzeni Maksymalna zawartoĞü wolnych przestrzeni PrzepuszczalnoĞü pozioma PrzepuszczalnoĞü pionowa ITSR Utrata ziaren 1 x x x x x x Kombinacje 2 x x x x x x 2 x x x x x x Dokument dostawy mieszanki powinien zawieraü co najmniej nastĊpujące informacje w celu identyfikacji wyrobu: x producent i wytwórnia, x kod identyfikujący mieszanki mineralno-asfaltowej, x oznaczenie mieszanki mineralno-asfaltowej. 192 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Informacje dotyczące wymaganego oznakowania towarzyszą wyrobowi i dotyczą znakowania CE oraz etykietowania. W warstwach porowatych istotny jest dobór lepiszcza, które ma poáączyü kruszywa zgodnie z wymaganiami podanymi w tabelach 2 i 3. Rodzaj asfaltu drogowego, typ i rodzaj asfaltu modyfikowanego powinny byü okreĞlone. W przypadku asfaltu drogowego jego rodzaj naleĪy wybraü pomiĊdzy 35/50 a 250/330 wáącznie. Z uwagi na duĪą zmiennoĞü warunków klimatycznych, obciąĪenia ruchem i uĪyte materiaáy konieczne moĪe byü wybranie okreĞlonych lepiszczy na poziomie regionalnym, co w przypadku polskiej sieci drogowej odnosi siĊ do lokalnej iloĞci przejĞü temperatury powietrza przez zero i potrzeby dostosowania do lokalnej gruboĞci warstwy przemarzania. Podstawową wáaĞciwoĞcią jest adhezja asfaltu do kruszywa. Záy dobór lepiszcza spowoduje ubytki ziaren w warstwie Ğcieralnej i utratĊ szorstkoĞci powierzchni tej warstwy. NaleĪy zauwaĪyü, Īe uszkodzenia warstwy Ğcieralnej, wyraĪające siĊ ubytkami ziaren czy utratą szorstkoĞci nawierzchni wynikających ze zmniejszenia odpornoĞci na chemiczne Ğrodki odladzające, stanowią kolejny czynnik wpáywający negatywnie na otaczające Ğrodowisko. ZwiĊkszenie Ğrodków chemicznych, spáywających z czasem poza drogĊ, ma bezpoĞredni, negatywny wpáyw na wegetacjĊ rosnących w pobliĪu drogi roĞlin i bytujących drobnych zwierząt [1]. PRODUKCJA MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH DO UKàADANIA WARSTW POROWATYCH Podstawowym skáadnikiem niezbĊdnym do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) jest kruszywo. Szczegóáowe wymagania dotyczące kruszyw zalecanych do stosowania przy produkcji MMA podano w wymaganiach technicznych WT-1. WáaĞciwoĞci wybranych wymagaĔ dla kruszyw do porowatej warstwy wiąĪącej i Ğcieralnej kategorii ruchu KR4-KR6 są nastĊpujące [4]: x uziarnienie kruszywa grubego (Gc), x tolerancje uziarnienia (odchyáki), x zawartoĞü pyáów (f2), x ksztaát kruszywa FI20 lub SI20, x procentowa zawartoĞü ziaren o powierzchni przekruszonej i áamanej (kategoria), x odpornoĞü kruszywa na rozdrabnianie (LA20), x odpornoĞü na polerowanie kruszywa (PSV), x gĊstoĞü ziaren, x mrozoodpornoĞü (FNACL7), x grube zanieczyszczenia lekkie (kategoria), Podano w nich równieĪ wymagane wáaĞciwoĞci dla kruszywa drobnego do warstwy wiąĪącej i Ğcieralnej oraz wymagane wáaĞciwoĞci wypeániacza dla obu warstw. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 193 W wymaganiach technicznych WT-2 podano z kolei definicjĊ asfaltu porowatego i destruktu zgodnie z normą PN-EN 13108-7, a takĪe granulatu asfaltowego, który okreĞla siĊ jako przetworzony destrukt asfaltowy o udokumentowanej jakoĞci, stosowany jako materiaá skáadowy w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych w technologii „na gorąco”. Podano równieĪ definicjĊ warstwy technologicznej – jako konstrukcyjnego elementu nawierzchni ukáadanego w pojedynczej operacji oraz warstwy konstrukcji – jako konstrukcyjnego elementu nawierzchni zbudowanego z jednego materiaáu, który moĪe siĊ skáadaü z jednej lub wielu warstw technologicznych [5]. W wymaganiach technicznych wskazano równieĪ technologiĊ transportu mieszanki mineralno-asfaltowej i wykonania warstw z asfaltu porowatego. Bardzo waĪnym elementem cyklu Īycia warstw nawierzchni z asfaltu porowatego jest jego okres gwarancji i jego zagospodarowanie po tym okresie. Jedną z moĪliwoĞci zagospodarowania takiego materiaáu po okresie gwarancji jest przygotowanie go jako destruktu lub granulatu. Definicje tych materiaáów zawarte są w normie PN-EN 13108-8 oraz w wymaganiach technicznych WT-1, a stosowanie destruktu asfaltowego okreĞla norma PN-EN 13108-8. W normie zapisano to w postaci wyraĪenia „wáaĞciwoĞci destruktu asfaltowego powinny byü zgodne z wymaganiami stosownie do planowanego przeznaczenia. PojĊcie to oznacza, Īe wybór wymagaĔ i okreĞlonej kategorii, w której uĪywana bĊdzie dana mieszanka, zaleĪy od wielu czynników. Czynniki te obejmują natĊĪenie ruchu, warunki klimatyczne, konstrukcjĊ warstwy, w której uĪywana bĊdzie dana mieszanka oraz wzglĊdy ekonomiczne. Wedáug norm EN 13108-1 do EN 13108-7 zastosowanie destruktu asfaltowego jest dopuszczalne w okreĞlonej iloĞci i przy dotrzymaniu okreĞlonych wymagaĔ podanych w dokumentach aplikacyjnych. Definicja destruktu podana jest w polskiej normie PN-EN 13108-8 i okreĞla destrukt jako materiaá w postaci mieszanki mineralno-asfaltowej uzyskanej w wyniku frezowania warstw asfaltowych, rozkruszenia páyt wyciĊtych z nawierzchni asfaltowej, bryá uzyskanych z páyt oraz z mieszanki mineralno-asfaltowej odrzuconej lub bĊdącej nadwyĪką produkcji. Destrukt asfaltowy oznaczony jako RA (ang. Reclaimed Asphalt) moĪe byü zastosowany do wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco w otaczarkach zgodnie ze specyfikacjami tych mieszanek. W normie PN-EN 13108-8 podano równieĪ definicjĊ granulatu asfaltowego – jako „okreĞloną iloĞü materiaáu do uĪycia jako materiaáu skáadowego w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco”. W wymaganiach technicznych WT-2 przedstawiono takĪe istotne dane dotyczące granulatu asfaltowego. Zestawienie wymagaĔ dotyczących tego materiaáu zawiera tabela 8. 194 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 8. Wymagania dotyczące granulatu asfaltowego [3] Table 8. Requirements concerning asphalt granulate [3] Wymagania ZawartoĞü materiaáów obcych Rodzaj lepiszcza JednorodnoĞü Warstwa nawierzchni podbudowa wiąĪąca Ğcieralna kategoria Fdec kategoria F5 od P10 do P15 lub od S80 do S70 dopuszczalny rozstĊp wyników zgodnie z WT-2 Granulat asfaltowy moĪe stanowiü dodatek do mieszanki mineralno-asfaltowej jeĪeli speánione są wymagania dotyczące koĔcowego wyrobu. Obecnie stosowane są dwie metody dodawania granulatu asfaltowego do mieszalnika otaczarki: x bez wstĊpnego ogrzewania (metoda „na zimno”), x ze wstĊpnym ogrzewaniem granulatu asfaltowego (metoda „na ciepáo”). W metodzie „na zimno” dopuszcza siĊ stosowanie dodatku granulatu asfaltowego w iloĞci nie wiĊkszej niĪ 15% mieszanki mineralno-asfaltowej. W metodzie „na ciepáo” dopuszcza siĊ zgodnie z WT-2 stosowanie dodatku granulatu asfaltowego w iloĞci 30% masy mieszanki mineralno-asfaltowej. Warunkiem stosowania granulatu w takiej iloĞci jest wykazanie przez producenta jednorodnoĞci tego materiaáu. Jako MMA do asfaltu porowatego stosuje siĊ mieszanki o wymiarze D równym 8 mm oraz 11 mm, a dodatkowo, tylko do warstwy wiąĪącej z asfaltu porowatego ukáadanej dwuwarstwowo – mieszankĊ mineralno-asfaltową o wymiarze D równym 16 mm. Jako lepiszcze stosuje siĊ asfalty polimerowe PMB 45/80-55, PMB 45/80-65 oraz PMB 65/100-60. Kontrolowanie procesu produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych Zharmonizowane Normy Europejskie oraz Europejskie Aprobaty Techniczne dotyczące mieszanek mineralno-asfaltowych wprowadzają zasady kontroli procesu produkcji i transportowania MMA. Jednym z nowych pojĊü jest wprowadzona ocena organoleptyczna za pomocą zmysáów: wzroku, dotyku, wĊchu, sáuchu itp., rozszerzająca pojĊcie „ocena wzrokowa”. Badanie takie moĪe wykazaü, czy asfalt jest zgodny z oczekiwaniami osoby sprawdzającej, ale moĪe byü równieĪ najszybszym sposobem wykrycia wadliwej partii. Podobne zasady odnoszą siĊ do kruszywa, szczególnie w czasie sprawdzania na skáadowisku, podczas którego moĪna szybko stwierdziü wystĊpowanie zanieczyszczeĔ. W celu lepszej organizacji procesu produkcji producent mieszanki mineralno-asfaltowej powinien wprowadziü, dokumentowaü i utrzymywaü system zakáadowej kontroli produkcji. Z zakáadową kontrolą produkcji wiąĪe siĊ ĞciĞle plan jakoĞci. Plan ten powinien zawieraü opis sposobów postĊpowania, pozwalający na zidentyfikowanie i monitorowanie procesów, które wpáywają bezpo- Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 195 Ğrednio na jakoĞü i zgodnoĞü wyrobu. W szczególnoĞci plan jakoĞci powinien uwzglĊdniaü: x strukturĊ organizacyjną producenta odnoszącą siĊ do zgodnoĞci i jakoĞci wyrobu, x nadzór nad dokumentacją, x procedury kontroli materiaáów skáadowych oraz wyrobów dostarczonych przez zamawiającego, x sterowanie procesami, x wymagania dotyczące obchodzenia siĊ z wyrobem i jego przechowywania, x kalibracjĊ i utrzymanie wytwórni, x wymagania dotyczące kontroli i badania procesów oraz wyrobów, x procedury postĊpowania przy stwierdzeniu niezgodnoĞci. Plan jakoĞci powinien uwzglĊdniaü równieĪ czĊstoĞü kontroli i badaĔ. Dostawy materiaáów skáadowych powinny zapewniü osiągniĊcie i utrzymanie planowanego poziomu produkcji. Inne rodzaje materiaáu naleĪy transportowaü i przechowywaü w taki sposób, aby uniknąü ich wymieszania, zanieczyszczenia lub pogorszenia wáaĞciwoĞci, co moĪe wpáynąü na jakoĞü produkowanego wyrobu. Istotne jest teĪ zabezpieczenie skáadowanych materiaáów przed roznoszeniem ich przez wiatr. Drobne frakcje wielu materiaáów mogą bowiem byü przenoszone nawet na duĪe odlegáoĞci, zanieczyszczając ogromne obszary Ğrodowiska. Wymienione wymagania ogólne naleĪy uszczegóáowiü w zakresie wymagaĔ dotyczących danej wytwórni. Wymagania te muszą obejmowaü: x procedury kontroli kruszyw dostarczanych na skáadowisko, x etykietowanie zasieków i silosów przeznaczonych do skáadowania materiaáów, x ogrzewanie, regulacjĊ temperatury i izolacji zbiorników, x etykietowanie zbiorników, x kontrolĊ dostawy asfaltów do odpowiednich zbiorników, x kontrolĊ dodatków, domieszek, wypeániaczy i destruktu asfaltowego. Nadzorowanie procesu produkcji zgodnie z planem jakoĞci powinno uwzglĊdniaü: x opis przepáywu materiaáów i opis procesów, którym one podlegają od momentu dostarczenia do wytwórni aĪ do przekazania klientowi (opis powinien zawieraü schemat technologiczny), x wykaz procedur, które naleĪy zastosowaü, aby zachowaü zgodnoĞü ze specyfikacją, x plan monitorowania przebiegu procesów. 196 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Plan zapewnienia jakoĞci powinien zawieraü procedury dotyczące przemieszczania, skáadowania i dostarczania MMA w sposób zapewniający minimum segregacji lub obniĪania jakoĞci oraz w ustalonym zakresie temperatur [1]. PROJEKTOWANIE I WYKONYWANIE NAWIERZCHNI TYPU „ASFALT POROWATY” Projektowanie i wykonywanie nawierzchni drogowej mają szczególne znaczenie dla minimalizowania uciąĪliwoĞci, jakie wprowadza droga do Ğrodowiska. Dobrze zaprojektowana i wáaĞciwie wykonana nawierzchnia zachowuje przez dáuĪszy okres swą trwaáoĞü ,a jej eksploatacja jest taĔsza. Podstawowym parametrem nawierzchni z asfaltu porowatego jest jej gruboĞü. W doborze gruboĞci i ukáadu warstw nawierzchni drogowej moĪna stosowaü katalogi projektowania konstrukcji nawierzchni drogowych z uwzglĊdnieniem zapisów wymagaĔ technicznych WT-2. JeĪeli projektowana gruboĞü warstwy podbudowy asfaltowej jest wiĊksza niĪ najwiĊksza dopuszczalna gruboĞü warstwy technologicznej, to warstwĊ podbudowy pod warstwy typu asfalt porowaty naleĪy ukáadaü w kilku warstwach technologicznych (w tym równieĪ w mieszanek podanych w wymaganiach technicznych WT-4 i WT-5, tj. mieszanek z kruszyw niezwiązanych i związanych hydraulicznie). Projekt konstrukcji nawierzchni, ukáad warstw, ich gruboĞü oraz typ mieszanki mineralno-asfaltowej okreĞla dokumentacja projektowa, natomiast wybór materiaáów do mieszanki mineralno-asfaltowej oraz zaprojektowanie skáadu mieszanki MA naleĪy do producenta MMA. Jak wspomniano, warstwy typu porowatego mają uáatwiü szybsze odprowadzanie wód opadowych przenikających do nawierzchni. W związku z tym dobierając materiaáy do poszczególnych warstw nawierzchni trzeba ten aspekt stale uwzglĊdniaü. NaleĪy unikaü ukáadu warstw, w którym odpáyw wody bĊdzie utrudniony z warstwy poĞredniej pomiĊdzy warstwami szczelnymi. Ukáad warstw, w którym warstwa wiąĪąca o strukturze czĊĞciowo otwartej jest poáoĪona na szczelnej warstwie podbudowy, moĪe utrudniaü odpáyw wody przenikającej do nawierzchni. MoĪe to wywoáaü zjawisko powstawania pĊcherzy wskutek parowania wody zatrzymanej w wolnych przestrzeniach warstwy wiąĪącej. JeĪeli mieszanka mineralno-asfaltowa jest dostarczana z kilku wytwórni lub od kilku producentów, to naleĪy zapewniü zgodnoĞü typu i wymiaru mieszanki oraz speánienie wymagaĔ dokumentacji projektowej, jak równieĪ szczególne warunki, np. barwĊ warstwy Ğcieralnej. Podczas budowy nawierzchni naleĪy dąĪyü do uáoĪenia wszystkich warstw z warstwą Ğcieralną wáącznie przed sezonem zimowym, aby zapewniü szczelnoĞü nawierzchni i jej odpornoĞü na dziaáanie wody i mrozu. Dopuszczenie wykonanej warstwy asfaltowej do ruchu moĪe nastąpiü po jej scháodzeniu do temperatury maksimum 60oC. Zapewnia to jej odpornoĞü na deformacje trwaáe. Pozwala teĪ na osiągniĊcie odpowiedniego wskaĨnika ITR, kategorii przepuszczalnoĞci poziomej i pionowej oraz minimalnej maksymalnej Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 197 zawartoĞci wolnych przestrzeni. Jest to szczególnie trudne przy ukáadaniu w jednej operacji dwóch warstw porowatych, tj. tak zwanego kompakasfaltu [1, 2]. Projektowanie odwodnienia nawierzchni porowatej Osobnym problemem jest skáadowanie wody opadowej. W sytuacji gdy brak jest moĪliwoĞci odprowadzenia wody opadowej z nawierzchni drogi oraz z obiektów inĪynierskich do urządzeĔ odwodnienia drogi, naleĪy wodĊ opadową odprowadziü do specjalnie wybudowanych w tym celu zbiorników. Zbiorniki te, w zaleĪnoĞci od konstrukcji, powinny speániü nastĊpujące wymagania: x zapewniü retencjĊ i oczyszczenie wód opadowych, x przechwytywaü gwaátowne opady. W szczególnych przypadkach, gdy wymagania ochrony Ğrodowiska bĊdą wskazywaáy na potrzebĊ oczyszczania wód opadowych z produktów ropopochodnych, zbiorniki na wody opadowe powinny byü uzupeánione dodatkowymi urządzeniami oczyszczającymi. Do retencji i czyszczenia wód opadowych moĪna ponadto zastosowaü [1]: x rowy trawiaste, x powierzchnie trawiaste, x rowy infiltracyjne. Rowy trawiaste stosuje siĊ, gdy spáyw wód opadowych jest nie wiĊkszy niĪ 40 l/s oraz gdy wody są w niewielkim stopniu zanieczyszczone. Rowy te powinny speániaü nastĊpujące wymagania: a) pochylenie podáuĪne dna – 0,2y0,3%, b) pochylenie skarp nie wiĊksze niĪ 1:3, c) pokrycie gĊstą trawą wysoko koszoną, odporną na wodĊ zasoloną, d) grunt rowu przepuszczalny o wspóáczynniku filtracji wiĊkszym niĪ 1,25 cm/h – gdy nie zachodzi niebezpieczeĔstwo zanieczyszczenia wód gruntowych, tj. przy gruntach nienawodnionych i o gáĊbokim poziomie zalegania wód gruntowych, e) dno rowu wyposaĪone w przegrody obsypane kamieniami przeciwdziaáającymi wymywaniu gruntu. Po speánieniu tych wymagaĔ rowy trawiaste mogą byü wykorzystane do odprowadzania wód opadowych do zbiorników przyjmujących gwaátowne opady bez ich oczyszczenia. Wymienionych wymagaĔ nie muszą speániaü rowy sáuĪące tylko do przepáywu wód opadowych. Powinny one mieü jedynie wiĊksze pochylenie podáuĪne. Powierzchnie trawiaste moĪna zastosowaü, gdy spáyw wód opadowych z obiektu inĪynierskiego jest nieduĪy i są one w niewielkim stopniu zanieczyszczone, a teren w pasie drogowym ma odpowiednią powierzchniĊ, lub gdy istnieje moĪliwoĞü odprowadzenia wód opadowych na teren sąsiedni. Powierzchnie te powinny speániaü wymagania dotyczące rowów oraz zapewniü równomierne 198 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska rozprzestrzenianie wód opadowych. Rozprzestrzenianie wód opadowych uzyskuje siĊ w szczególnoĞci za pomocą sztucznych przegród z otworami lub kanaáów wypeánionych kamieniami, usytuowanych poprzecznie do pochylenia terenu trawiastego. WielkoĞü powierzchni trawiastej powinna wynikaü z warunku oczyszczenia peánej objĊtoĞci wód opadowych z obiektu, przy czasie eksfiltracji równym siedemdziesiąt dwie godziny. Rowy infiltracyjne moĪna zastosowaü w przypadku duĪego zanieczyszczenia wód opadowych. Powinny byü one przewidziane w miejscach wystĊpowania gruntu zapewniającego szybkoĞü filtracji nie mniejszą niĪ 0,7 cm/h i gáĊbokiego zalegania wód gruntowych, co wymaga uprzedniego potwierdzenia poprzez badania gruntu na gáĊbokoĞü 1,5 m poniĪej projektowanego dna rowu. Rów ten powinien speániaü nastĊpujące wymagania: a) szerokoĞü w przypadku autostrady –1,0y2,5 m, b) grunt rodzimy zastąpiony páukanymi rozdrobnionymi kamieniami lub grubym Īwirem o Ğrednicy ziarna 3,15y6,3 cm, c) Ğciany boczne odizolowane od gruntu materiaáem zabezpieczającym przed zamuleniem, d) w górnej czĊĞci zasypki kamiennej umieszczona przekáadka z geowáókniny filtrującej – zabezpieczająca przed zanieczyszczeniem materiaá wypeániający rów, e) dno wypeánione filtrem piaskowym o gruboĞci 15,0y30,0 cm, f) od strony napáywu wody przewidziane pasmo trawiastego terenu, a po przeciwnej stronie próg przelewowy, g) wyposaĪenie w studniĊ kontrolną w postaci perforowanej pionowej rury z odpowiednim przykryciem. Wymiary rowu infiltracyjnego powinny zapewniü eksfiltracjĊ peánej objĊtoĞci wód opadowych do gruntu w czasie siedemdziesiĊciu dwóch godzin. Zbiorniki do przechwytywania gwaátownych opadów powinny byü zastosowane w regionach o duĪym natĊĪeniu opadów i przy odprowadzeniu opadów z obiektów o duĪych powierzchniach. JeĞli warunki topograficzne pozwalają, powinny byü usytuowane w miejscach naturalnych zagáĊbieĔ terenu nawet w oddaleniu od obiektu. Zbiorniki te mogą byü wykonywane w zaleĪnoĞci od rodzaju podáoĪa w szczególnoĞci jako zbiorniki: x infiltracyjne, x retencyjne, x odparowujące. Muszą one speániaü wymagania Polskiej Normy. WáaĞciwe rozpoznanie rodzaju gruntów i poziomu wód gruntowych jest niezbĊdne przy lokalizacji zbiorników filtracyjno-odparowujących. Ich zastosowanie związane jest z odprowadzeniem wody deszczowej z powierzchni jezdni lub w przypadku asfaltów porowatych z jednej z warstw nawierzchni, po której woda jest odprowadzana do zamkniĊtych, szczelnych rowów lub kanali- Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 199 zacji deszczowej. NastĊpnie systemem urządzeĔ oczyszczających (piaskowniki, separatory) odprowadzana jest juĪ jako produkt oczyszczony do naturalnych zbiorników, tj. rowów melioracyjnych, rzek lub do gruntu, poprzez zbiorniki filtracyjno-odparowujące. Istotnym jest, aby zbiorniki te lokalizowane byáy w miejscach, gdzie w podáoĪu pod zbiornikiem nie zalegają grunty nieprzepuszczalne oraz gdzie poziom wód gruntowych nie powoduje napeániania siĊ zbiornika. NiezbĊdne jest równieĪ zabezpieczenie zbiornika przed napáywem wód z otaczającego terenu i spoza nawierzchni drogi. Taki stan rzeczy moĪe spowodowaü koniecznoĞü wykonania dodatkowych robót ziemnych w celu wykonania rowów odwadniających wodĊ napáywającą z przylegáego terenu. Ze wzglĊdu na przedstawione okolicznoĞci przyjmuje siĊ, Īe zbiorniki filtracyjno-odparowujące projektuje siĊ na pojemnoĞü co najmniej 50% wiĊkszą niĪ wynika to z obliczeĔ. Przykáad takiego zbiornika wybudowanego przy autostradzie o nawierzchni z asfaltu porowatego pokazano na rysunku 2. 1 2 Rys. 2. Widok zbiornika do gromadzenia wody spáywającej z nawierzchni porowatej, 1 – nawierzchnia porowata, 2 – zbiornik przed napeánieniem (Ĩródáo: wáasne) Fig. 2. View of the reservoir to the accumulation of water flowing from the porous surface, 1 – the porous surface, 2 – the reservoir before filling (source: own) Zbiorniki po peánym zagospodarowaniu (roĞlinnoĞü, ptaki) stanowią element maáej architektury danej drogi, wpisujący siĊ pozytywnie w monotonny obraz trasy. Ma to pozytywny wpáyw zarówno na zmniejszenie zmĊczenia kierowców, jak i zmniejszenie uciąĪliwoĞci budowli drogowej dla lokalnej przyrody. Zbiorniki retencyjne znajdują zastosowanie na terenach o bardzo zróĪnicowanej intensywnoĞci opadów deszczu w róĪnych przedziaáach czasowych. Są poáączone z kanaáami deszczowymi o duĪej Ğrednicy po to, aby w krótkim czasie pomieĞciü napáywające Ğcieki deszczowe z otaczającej zlewni. Aby zapobiec podtopieniom dróg i lokalnym powodziom, projektowane są zbiorniki retencyjne do miejscowego i chwilowego gromadzenia nadmiaru tych Ğcieków. Zbiorniki są budowane pojedynczo lub w bateriach. OpróĪnianie odbywa siĊ grawitacyjnie poprzez króüce wylotowe lub dodatkowe studnie dáawiące wyposaĪone w regulatory przepáywu. Dobór liczby i Ğrednicy zbiorników zaleĪy od geome- 200 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska trii zlewni oraz dostĊpnej powierzchni terenu, w którym zbiornik ma byü posadowiony. Zbiorniki retencyjne mogą byü równieĪ budowane w postaci rurociągu o róĪnej dáugoĞci, zlokalizowanego np. pod drogą samochodową. Dobrze wykonane zbiorniki mają zdolnoĞü samooczyszczania siĊ. Proces samooczyszczania powoduje, Īe nie ma potrzeby instalowania dodatkowych urządzeĔ spáukujących. Gdy pojemnoĞü komory retencyjnej zbiornika zostanie przekroczona, nadmiar Ğcieków zostanie odprowadzony bezpoĞrednio do odbiornika za pomocą przelewów. Komora wyposaĪona jest ponadto w czĊĞü dáawiącą, dziĊki której opróĪniana jest w sposób kontrolowany. Instaluje siĊ równieĪ detale uniemoĪliwiające przedostanie siĊ do komory zanieczyszczeĔ. Zasada zrównowaĪonego rozwoju, a w szczególnoĞci ksztaátowanie i ochrona zasobów wodnych wiąĪe siĊ z racjonalnym przygotowaniem zakresu robót, uwzglĊdniającym caáoĞciowe traktowanie zasobów wód powierzchniowych i podziemnych. Gospodarowanie wodami powinno uwzglĊdniaü zasadĊ wspólnych interesów. Jest ono realizowane poprzez wspóápracĊ administracji publicznej, w tym administracjĊ drogową, uĪytkowników wód i przedstawicieli lokalnych spoáecznoĞci tak, aby uzyskaü maksymalne korzyĞci spoáeczne zarówno w zakresie ochrony zasobów, jak równieĪ komfortu Īycia, a sieü dróg ma w tym procesie stanowiü miernik rozwoju spoáecznego i gospodarczego kaĪdego paĔstwa. Transport i ukáadanie MMA Krótkotrwaáym, bo jedynie podczas ukáadania mieszanek mineralno-asfaltowych, jest problem dostarczania ich na miejsce wbudowania. Transport, jak kaĪdy inny, wprowadza do Ğrodowiska zanieczyszczenie haáasem, a przewóz tak specyficznego materiaáu jak MMA – dodatkowo ograniczenia na drogach przejazdowych i ewentualnie ich zanieczyszczanie. Dlatego zapewnienie wáaĞciwego sposobu transportowania MMA oraz jego rozáadunek jest istotnym problemem przy planowaniu robót. Transport mieszanek mineralno-asfaltowych z wytwórni do miejsca wbudowania powinien odbywaü siĊ takimi Ğrodkami do transportu technologicznego, które zapewnią: x sprawny i szybki zaáadunek, przewóz oraz wyáadunek MMA, x moĪliwoĞü realizacji zamówienia na MMA w trudnych warunkach terenowych, x ochronĊ mieszanki przed zanieczyszczeniem i nadmiernym scháodzeniem, x wykorzystanie wydajnoĞci wytwórni i ukáadarki. Wyboru Ğrodków do transportu technologicznego MMA naleĪy dokonaü, kierując siĊ nastĊpującymi zasadami: x gdy wbudowanie mieszanki mineralno-asfaltowej odbywa siĊ ukáadarką, do przewozu naleĪy stosowaü samochody samowyáadowcze z wyáadunkiem materiaáu do tyáu, Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 201 x przy ukáadaniu MMA na maáej szerokoĞci (poszerzenie istniejącej drogi, naprawa kolein) naleĪy stosowaü maáe ukáadarki i jednostki transportowe o mniejszej áadownoĞci, x przy duĪych powierzchniach ukáadania (autostrady, nawierzchnia z áącznicą, place manewrowe w duĪych magazynach) naleĪy stosowaü wiĊksze jednostki transportowe. Ponadto na liczbĊ jednostek transportowych wpáyw ma rodzaj mieszanki i ukáadana warstwa oraz jej gruboĞü. Przy wiĊkszej gruboĞci zuĪywa siĊ wiĊcej mieszanki, jednak naleĪy pamiĊtaü, Īe warstwa wyrównawcza i wiąĪąca są ukáadane dáuĪej, a w związku z tym rozáadunek jednostek transportowych równieĪ jest dáuĪszy. Na czas przejazdu i na liczbĊ jednostek transportowych wpáyw ma trasa przejazdu, stan dróg dojazdowych na budowĊ, odpowiednia powierzchnia manewrowania i liczba punktów do zawracania. Realizacja zapotrzebowania na przewóz mieszanki z wytwórni na budowĊ uwarunkowana jest wieloma czynnikami, które czĊsto wynikają z bieĪących sytuacji, takich jak: zakáócenia ruchu na trasie przejazdu, zmiana organizacji robót wynikająca z braku MMA i brak skáadników do produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej, a nawet czasem awaria ukáadarki. Brak skáadników i MMA moĪe spowodowaü zamianĊ wytwórni na inną i w konsekwencji spowodowaü zmianĊ trasy przejazdu. Awaria moĪe czasowo wstrzymaü dostawy mieszanki na budowĊ. Wynika z tego, Īe realizacja zapotrzebowania na przewóz w znacznym stopniu wynikaü bĊdzie z prawidáowo przekazywanej informacji i przemyĞlanych decyzji w ciągu caáej zmiany roboczej. Jednostki transportowe naleĪy tak dobieraü, aby czas transportu MMA nie byá dáuĪszy niĪ dwie godziny, a warunkiem doboru jednostek transportowych jest zachowanie wymaganych wáaĞciwoĞci i wymaganej temperatury mieszanki mineralno-asfaltowej przed wbudowaniem. Przewóz gorącej MMA odbywa siĊ najczĊĞciej w samochodach samowyáadowczych lub w naczepach o duĪej áadownoĞci. Widok takich jednostek transportowych pokazano na rysunku 3. a) b) Rys. 3. Widok jednostek do transportu technologicznego, a) samochód samowyáadowczy, b) samochód z naczepa o specjalnym ksztaácie (Ĩródáo: wáasne) Fig. 3. View of units to the technological transport; a) the self-dumping car, b) the car with the semitrailer about the special shape (source: own) 202 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Jednym z waĪnych dokumentów jest „Zakáadowa kontrola produkcji” (ZKP) opisana szczegóáowo w wymaganiach technicznych. Dokument ten odnosi siĊ równieĪ do transportu MMA. Zgodnie z ZKP transport dotyczy dwóch przypadków: x gdy producent jest odpowiedzialny za dostawĊ mieszanki samochodem na budowĊ, x gdy wykonawca sam odbiera mieszankĊ z wytwórni wáasnym samochodem. Plan jakoĞci producenta powinien ĞciĞle okreĞliü sytuacjĊ, w której koĔczy siĊ jego odpowiedzialnoĞü za przemieszczanie, przechowywanie i dostarczanie MMA. Transport mieszanki z wytwórni na budowĊ powinien byü zorganizowany w taki sposób, aby dostarczony materiaá nie ulegá segregacji oraz aby wykazywaá odpowiednią lepkoĞü, niezbĊdną podczas zagĊszczania. WiĊkszoĞü mieszanek mineralno-asfaltowych wymaga odpowiedniego okrycia skrzyni (plandeka lub szczelne pokrywy górnej czĊĞci skrzyni zamykane mechanicznie z obu stron). WyziĊbienie mieszanki w trakcie przewozu moĪe byü przyczyną braku moĪliwoĞci osiągniĊcia odpowiedniego wspóáczynnika zagĊszczenia w trakcie wbudowywania. Oprócz spadku cech wytrzymaáoĞciowych uáoĪona warstwa charakteryzuje siĊ wówczas znaczną iloĞcią wolnej przestrzeni powodującej obniĪenie trwaáoĞci, a nawet ubytki nawierzchni przy realizacji robót w okresie póĨnej jesieni. Ma to szczególne znaczenie przy wbudowywaniu cienkich warstw Ğcieralnych. WielkoĞü obniĪenia temperatury MMA podczas transportu uzaleĪniona jest od takich czynników, jak: x prĊdkoĞü transportowania i czas przewozu áadunku, x iloĞü mieszanki mineralno-asfaltowej w skrzyni (wiĊksza masa áadunku zwiĊksza jego pojemnoĞü cieplną i obniĪa utratĊ ciepáa) i powierzchnia wymiany ciepáa przewoĪonego na skrzyni áadunku, x budowa skrzyni áadunkowej (skrzynie o podwójnych Ğciankach wypeánionych powietrzem lub materiaáem termoizolacyjnym ograniczają przepáyw powietrza na zewnątrz), x ksztaát skrzyni áadunkowej (powinien byü taki, aby przepáyw ciepáa w kaĪdym punkcie byá w przybliĪeniu jednokierunkowy), x szczelne zamkniĊcie górnej powierzchni skrzyni samochodu, x stosowane Ğrodki zapobiegające przyklejaniu siĊ mieszanki do burt, x temperatura powietrza w czasie transportu i ukáadania mieszanki mineralno-asfaltowej. PrĊdkoĞü transportowania MMA w samochodach do transportu technologicznego zaleĪy od wybranej trasy przejazdu, natĊĪenia ruchu oraz pory dnia (nocy) przewoĪenia áadunku. Wybór trasy moĪe byü związany z iloĞcią przewoĪonego áadunku, istniejącymi ograniczeniami noĞnoĞci obiektów inĪynierskich Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 203 oraz godziny (czasu) przejazdu z áadunkiem i bez áadunku. Transport MMA w godzinach szczytu przewozowego powoduje zmniejszenie prĊdkoĞci transportowej, co zwiĊksza liczbĊ samochodów do transportu technologicznego, a tym samym zwiĊksza równieĪ iloĞü spalin emitowanych do atmosfery. Dobrze dobrana trasa eliminuje czĊĞciowo to zjawisko. Szybki rozáadunek mieszanki na budowie, bez oczekiwania w kolejce, pozwala na utrzymanie wáaĞciwej temperatury mieszanki podczas wyáadunku. WydajnoĞü ukáadarek na budowie uzaleĪniona jest jednak od páynnego dostarczania mieszanki i utrzymania staáego kontaktu z wytwórnią lub wytwórniami mieszanki przygotowującymi MMA. TakĪe iloĞü mieszanki w skrzyni ma wpáyw na zmianĊ temperatury. Przejazd samochodu z czĊĞciowym napeánieniem nie jest korzystny z powodu wycháadzania mieszanki. Dlatego lepszym rozwiązaniem wydaje siĊ byü zastosowanie samochodu o mniejszej áadownoĞci skrzyni. Samochód z mniejszym áadunkiem moĪe równieĪ mieü zaplanowaną krótszą trasĊ ze wzglĊdu na noĞnoĞü obiektów inĪynierskich znajdujących siĊ na trasie. WáaĞciwa budowa skrzyni ogranicza w znaczącym stopniu straty ciepáa nie tylko wewnątrz áadunku, ale równieĪ w czĊĞci przypowierzchniowej, co umoĪliwia transport mieszanki na wiĊksze odlegáoĞci. Istotne wówczas staje siĊ zaplanowanie transportu mieszanki za pomocą wiĊkszych jednostek transportowymi (np. jednostki szeĞcioosiowe). Skrzynie samochodów zabezpieczone są od góry pokrywami dwuczĊĞciowymi, zamykanymi z obu stron lub są przykrywane plandeką. Podstawowym celem tego zabezpieczenia jest ograniczenie strat ciepáa na skutek konwekcji wymuszonej (przepáyw wymuszony strumienia powietrza) i w pewnym stopniu konwekcji swobodnej (spowodowanej róĪnicą gĊstoĞci nagrzanych i zimnych cząstek) oraz ograniczenie promieniowania. Przepáyw wymuszony – jako najistotniejszy – ogranicza siĊ poprzez zabezpieczenie skrzyni przed napáywem powietrza przedostającego siĊ nad przewoĪoną w skrzyni mieszankĊ w miejscach nieszczelnoĞci pomiĊdzy przykryciem a krawĊdzią burty. W celu zapobiegania przyklejaniu siĊ MMA do Ğcianek skrzyni stosuje siĊ Ğrodki antyadhezyjne. SkrzyniĊ naleĪy do kolejnego zaáadunku odpowiednio przygotowaü. Samochód musi zjechaü na osobne stanowisko w celu wyczyszczenia i skropienia Ğrodkiem antyadhezyjnym dna skrzyni i burt. PozostaáoĞci MMA odspojone z burt w czasie czyszczenia skrzyni wrzuca do specjalnego kontenera. Po wyczyszczeniu burt bardzo dokáadnie czyĞci siĊ tylną dolną krawĊdĨ skrzyni pod klapą i teĪ skrapia siĊ ją Ğrodkiem zabezpieczającym. Na rysunku 4 przedstawiono stanowisko do czyszczenia skrzyni wraz z kontenerem przeznaczonym do wrzucania mieszanki stanowiącej resztki przyklejone do burt i do dna skrzyni. 204 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska a) b) Rys. 4. Widok stanowiska do czyszczenia skrzyni: a) sprawdzanie krawĊdzi, b) czyszczenie (Ĩródáo: wáasne) Fig. 4. View of the position detergent of the box: a) the check of the edge, b) the cleaning (source: own) W czasie transportu mieszanki waĪna jest równieĪ temperatura powietrza i pora roku realizowanych robót. Wysoka temperatura powietrza uáatwia transport mieszanki, natomiast niska wymaga lepszych zabezpieczeĔ skrzyni i ogranicza transport mieszanki na wiĊksze odlegáoĞci. Niska temperatura powoduje równieĪ ocháodzenie miejsca ukáadania mieszanki, a tym samym intensyfikuje oddawanie ciepáa i powoduje koniecznoĞü przyspieszenia caáego procesu ukáadania i zagĊszczania danej warstwy. W celu ochrony temperatury przewoĪonej mieszanki mineralno-asfaltowej moĪna zastosowaü samochody ze skrzyniami podgrzewanymi (ze specjalnym obiegiem spalin w ukáadzie wydechowym). Liczba jednostek transportowych przeznaczonych do transportowania MMA na budowĊ jest ĞciĞle uzaleĪniona od zastosowanej technologii robót. Klasycznym rozwiązaniem jest zaplanowanie jednej ukáadarki i wspóápracujących z nią jednostek transportowych, jest to jednak rozwiązanie nieprawidáowe ze wzglĊdu iloĞü emisji spalin oraz czas wykonania robót np. na autostradzie. Powoduje ono wydáuĪenie czasu robót i kolejkĊ oczekujących na rozáadunek samochodów. Wynika to z faktu, Īe ukáadarka po wykonaniu jednego przejazdu wraca na początek odcinka, co przy maáej prĊdkoĞci jazdy znacznie wydáuĪa czas oczekiwania samochodów. NaleĪy zaznaczyü, Īe w Holandii samochody oczekujące w kolejce nie wyáączają silników w czasie oczekiwania na rozáadunek. Ciepáy silnik ma mniejszą emisjĊ spalin, a poza tym przemieszczanie siĊ w kolejce powodowaáoby kilkakrotne wáączanie silnika, co wpáywa negatywnie zarówno na sam silnik, jak i na otaczającą przyrodĊ. Ukáad z jedną ukáadarką przedstawiono na rysunku 5. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie kilku ukáadarek pracujących równolegle (rys. 6). Rozwiązanie to eliminuje manewrowanie ukáadarek na początek odcinka i znacznie skraca czas budowy, co ma istotny wpáyw na oddziaáywanie na otoczenie przyrodnicze budowy. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... 205 Rys. 6. Widok zestawów maszyn i Ğrodków transportowych (Ĩródáo: wáasne) Fig. 6. View of sets of machines and transportances (source: own) Rys. 5. Widok jednej ukáadarki z samochodem samowyáadowczym (Ĩródáo: wáasne) Fig. 5. View of one paver with car to self-dumping (source: own) Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie zbiornika dodatkowego stanowiącego magazyn mieszanki na budowie (rys. 7). a) b) Rys. 7. Widok: a) kontenera do rozáadunku mieszanki, b) urządzenie schuttle bugge (Ĩródáo: wáasne) Fig. 7. The view: a) the container to the unloading of the mixture, b) the device schuttle bugge (source: own) Rozwiązanie z kontenerem pozwala na zniwelowanie kolejki oczekujących samochodów, poniewaĪ przywoĪą one mieszankĊ, rozáadowują do tego swoistego magazynu i odjeĪdĪają. Podobne rozwiązanie stanowi mobilny zbiornik schuttle bugge. Samochody podjeĪdĪają pod ten zbiornik wyáadowują mieszankĊ i odjeĪdĪają. Istotne w tych rozwiązaniach jest prawidáowe obliczenie liczby samochodów do transportu technologicznego mieszanki. Gdy roboty wykonywane są w porze nocnej, rozwiązanie to ma duĪe znaczenie równieĪ z powodu haáasu silników samochodów oczekujących na rozáadunek. W tym przypadku stoi w kolejce najczĊĞciej tylko jeden samochód. Pod wzglĊdem technologii robót najnowszym innowacyjnym rozwiązaniem jest ukáadanie dwóch warstw jednoczeĞnie. Taka technologia powoduje zwiĊkszenie wydajnoĞci robót oraz znaczne przyspieszenie czasu realizacji. W efekcie 206 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska warstwy są lepiej poáączone, a wartoĞcią dodaną jest wczeĞniejsze oddanie do uĪytku danej drogi [1]. WNIOSKI 1. Przedstawione rozwiązania stanowią przykáad poszukiwania w krajach Unii Europejskiej najlepszych technologii z punktu widzenia ochrony przyrody oraz kosztów spoáecznych budowy dróg. Rozwiązania te mogą byü udostĊpnione na rynku polskim, a istotnym czynnikiem transferu są uczelnie wyĪsze, które powinny je promowaü i wskazywaü jako najlepsze dla lokalnych spoáecznoĞci oraz dla mieszkaĔców Wspólnoty odwiedzających coraz czĊĞciej nasz kraj. 2. Transfer przedstawionych technologii dla asfaltu porowatego jest problemem zupeánie nowym, bo zastosowanie materiaáów z recyklingu nie jest nawet brane pod uwagĊ w procedurze przetargowej budowy dróg, co w krajach zachodnich stanowi normĊ. W Holandii technologia stosowania przy budowie dróg materiaáów przetworzonych w procesie recyklingu jest obligatoryjna. 3. Budowa dróg pozwala bez obniĪenia jakoĞci produktu koĔcowego zagospodarowaü znaczne iloĞci odpadów pochodzących z istniejących obecnie obiektów budowlanych. W efekcie likwiduje siĊ odpady gromadzone na haádach oraz pozyskuje nowe powierzchnie do ponownego zagospodarowania. 4. Przedstawione rozwiązania innowacyjne stanowią ogromny dorobek paĔstw Unii Europejskiej, które tak jak Polska otrzymywaáy pomoc finansową na budowĊ dróg. Obecnie jest to podstawa do wymiany doĞwiadczeĔ miĊdzy firmami polskimi a zachodnimi, a nowa perspektywa finansowa na lata 2014-2020 bĊdzie takie technologie w sposób szczególny promowaáa w Programie Operacyjnym Infrastruktura i ĝrodowisko. LITERATURA [1] Martinek W., Tokarski Z., Chojnacki K., 2012. Organizacja budowy asfaltowych nawierzchni drogowych. PWN Warszawa. [2] PN-EN 13108-7 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania. CzĊĞü 7: Asfalt porowaty. PKN 2008. [3] PN-EN 13108-8 Mieszanki mineralno asfaltowe. Wymagania. czĊĞü 8: Destrukt asflatowy. PKN 2008. [4] Wymagania Techniczne WT-1, 2010. Kruszywa do mieszanek mineralnoasfaltowych i powierzchniowych utrwaleĔ na drogach krajowych. Warszawa. [5] Wymagania Techniczne WT-2, 2010. Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. Warszawa. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Transfer innowacyjnych technologii... THE TRANSFER OF INNOVATIVE PRACTICAL TECHNOLOGIES USING TO THE CONSTRUCTION OF HIGHWAYS AS THE HELPING ELEMENT OF ENVIRONMENTAL PROTECTION Abstract. In this paper the description of problems consequential from the realization of road surfaces with use of the porous asphalt are included. A base for the elaboration are procedures of this innovative technology definite in local and European standards. On the basis of gained experiences on constructions in Holland, rules of the correct realization of these surfaces and the influence of each acts on polluting of the environment are presented. The transfer of technologies connected with construction and exploitation of ways, checked on western Europe constructions, will permit to reduce negative influence of many factors for environment, which are described in this article. Keywords: civil engineering, norms, road, recycling, technologies 207 INNOWACYJNE TECHNOLOGIE W RECYKLINGU MATERIAàÓW DO BUDOWY DRÓG JAKO ELEMENT POLITYKI ZRÓWNOWAĩONEGO ROZWOJU Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski*1 Streszczenie. W pracy zaprezentowano stan prawny dotyczący nowych technologii w recyklingu budowy dróg. Przedstawiono róĪne technologie pozyskiwania materiaáów, stosowane w budowie warstwy Ğcieralnej nawierzchni drogowej oraz zasady rozwiązaĔ w zakresie innowacyjnych materiaáów i procedur produkcyjnych. KoĔcowym efektem prezentowanego materiaáu są konkretne wyniki pomiarów, które zostaáy dokonane na terenie Holandii. Sáowa kluczowe: budownictwo, normy, droga, recykling, technologie WSTĉP DziĊki przystąpieniu Polski do Unii Europejskiej problematyka dbaáoĞci o Ğrodowisko naturalne zaczĊáa siĊ pojawiaü w wielu opracowaniach dotyczących dziaáaĔ indywidualnych, spoáecznych oraz gospodarczych. Od roku 2004 rozpocząá siĊ powolny proces naprawiania polskiego prawa w tym zakresie oraz zmiany mentalnoĞci projektantów, inwestorów i uĪytkowników obiektów budowlanych, w tym równieĪ obiektów drogowych. ZaczĊto sobie uĞwiadamiaü, Īe o Ğrodowisko naleĪy dbaü podczas projektowania, budowy i uĪytkowania dróg. W szczególnoĞci dotyczy to dróg najwyĪszych klas technicznych, które dzielą znaczne obszary Ğrodowiska naturalnego na czĊĞci, przez co utrudniają przemieszczanie siĊ zwierząt i ludzi. Ponadto pojazdy drogowe, których jest coraz wiĊcej, emitują zanieczyszczenia, w tym szczególnie uciąĪliwy haáas. ĝwiadomoĞü, Īe dobrze zaprojektowany obiekt moĪe sáuĪyü przyrodzie i gospodarce, a záy spowoduje trudnoĞci, bĊdące przyczyną zwiĊkszenia zagroĪenia bezpieczeĔstwa zwierząt i ludzi, jest w spoáeczeĔstwie polskim coraz wiĊksza. Zanieczyszczenie wód i powietrza moĪe w szerszej perspektywie spowodowaü wyginiĊcie caáych populacji okreĞlonych gatunków istot Īywych. Przykáadem „nowego myĞlenia” jest ochrona obszarów Natura 2000, gdzie w przypadku przedsiĊwziĊü liniowych (dróg, linii kolejowych) wymagana jest decyzja o Ğrodowiskowych uwarunkowaniach caáego przedsiĊwziĊcia. Dotyczy to zarówno projektowania samej drogi, jak i jej lokalizacji, na wybór której coraz wiĊkszy wpáyw mają lokalne spoáecznoĞci ze wzglĊdu na ewentualne uciąĪliwoĞci zbudowanego obiektu. * dr inĪ. Zbigniew TOKARSKI, prof. dr hab. inĪ. Edward KUJAWSKI, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 210 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Innym problemem jest stan dróg istniejących zbudowanych przed przystąpieniem Polski do Wspólnoty. Degradacja sieci drogowej wynikająca z braku Ğrodków na utrzymanie dróg oraz záa polityka związana z zarządzaniem siecią drogową doprowadziáy do tego, Īe Polska staáa siĊ drogowym „korkiem Europy”, co w roku 2006 zostaáo potwierdzone w dokumentach Naczelnej Izby Kontroli. Zmiana stanu prawnego oraz szerokie dziaáania organów paĔstwa odpowiedzialnych za Ğrodowisko naturalne staáy siĊ wiĊc koniecznoĞcią. Jako istotne uzupeánienie tej problematyki pojawiáo siĊ nowe pojĊcie tzn. zrównowaĪony rozwój. PojĊcie to naleĪy rozumieü jako rozwój trwaáy, samopodtrzymujący siĊ, a wiĊc taki, w procesie którego zaspokajanie bieĪących potrzeb spoáecznoĞci nie przynosi uszczerbku dla moĪliwoĞci rozwoju przyszáych pokoleĔ. ZrównowaĪony rozwój powinien uwzglĊdniaü nastĊpujące zasady: wykorzystanie lokalnych (regionalnych) zasobów, wykorzystanie w pierwszym rzĊdzie zasobów odtwarzalnych, poszukiwanie i wybieranie rozwiązaĔ, które nie niszczą Ğrodowiska naturalnego, uwzglĊdnianie ochrony i racjonalnego wykorzystania dziedzictwa kulturowo-przyrodniczego, uznanie za podstawĊ decyzji wiĊzi spoáecznych oraz warunków spoáecznych i gospodarczych, Ğcisáe sprzĊĪenie struktur wáadzy spoáecznej z organizacjami gospodarczymi i pozarządowymi, wspieranie drobnych firm nieformalnego sektora gospodarczego, uwzglĊdnianie szerokich kontaktów systemów lokalnych, które opierają siĊ na wzajemnej kooperacji z odlegáymi rynkami zewnĊtrznymi. Obszary strategiczne zrównowaĪonego rozwoju przedstawiono na rysunku 1. W tabeli 1 wymieniono filary zrównowaĪonego rozwoju zgodne z podaną strategią. Gospodarka SpoáeczeĔstwo ĝrodowisko naturalne Rys. 1. Schemat zrównowaĪonego rozwoju (Ĩródáo: wáasne) Fig. 1. Schema of sedate development (source: own) Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 211 Tabela 1. Koncepcja zrównowaĪonego rozwoju (Ĩródáo: wáasne) Table 1. Idea of the sedate development (source: own) Instrumenty Zagadnienia Grupa kluczowych partnerów Filary zrównowaĪonego rozwoju ekonomiczne rynek Klienci/konsumenci Kontrahenci/dostawcy i partnerzy Inwestorzy Sektor publiczny Odpowiedzialne zarządzanie áaĔcuchem dostaw JakoĞü Innowacja BezpieczeĔstwo produktu WáaĞciwa cena Satysfakcja klienta i oczekiwania klienta Etyczna reklama spoáeczne Ğrodowiskowe miejsce pracy spoáecznoĞü Ğrodowisko Pracownicy Wáadze publiczne Naturalne Ğrodowisko Związki zawodowe Organizacje poza- Rzecznicy Ğrodowiska: Pracodawcy rządowe (organizacje organizacje pozarządowe SpoáecznoĞü lokalna lokalnych pracodaspoáecznoĞü lokalna Organizacje przedsiĊ- wców, szpitale, obywatele/konsumenci biorców szkoáy, organizacje pracownicy Wáadze publiczne spoáeczne) wáadze publiczne ZróĪnicowanie miejsca pracy Równe szanse Zachowana równowaga Zdrowie i bezpieczeĔstwo Szkolenia i rozwój Satysfakcja Páace i Ğwiadczenia Tworzenie miejsc pracy Prawo pracy Etykieta produktu Elastyczne godziny Karta klienta pracy Marketing (w szczególnoĞci Udziaá w procesie marketing zaangaĪowany decyzyjnym spoáecznie) Wspóápraca ze związKomunikacja zewnĊtrzna kami zawodowymi Standardy (np. ISO 9000, Programy praktyk znaczki akcji spoáecznych) Partnerstwo z siecią Systemy zarządzania zewnĊtrzną jakoĞcią Standardy Integracja spoáeczna Opieka medyczna Edukacja JakoĞü Īycia Regeneracja ekonomiczna i rozwój Lokalna infrastruktura BezpieczeĔstwo Darowizny a) pieniĊĪne b) w naturze Usáugi bezpáatne PoĪyczanie zasobów firmy Udziaá okreĞlenie/ /wolontariat Udziaá pracodawcy (pojedyncze akcje, partnerstwo publiczne i prywatne, akcje komercyjne/ sponsoring) Istotne dla okreĞlenia: 1. wykorzystanie zasobów: materiaáy, zuĪycie wody 2. odpady: skáadowisko; teren, zanieczyszczenie gleby, woda gruntowa 3. zanieczyszczenie: powietrza, wody, gleby (ekosystem), zmniejszenie róĪnorodnoĞci biologicznej Przewidywanie nowych przepisów Systemy zarządzania okreĞlenie Projekt dla Ğrodowiska Ocena cyklu Īycia Ekologiczne etykiety Deklaracje o wpáywie produktu na Ğrodowisko Czysty produkt Badanie i rozwój Planowanie przestrzenne Plan transportu Dobrowolne umowy W ujĊciu szczegóáowym moĪna stwierdziü, Īe zrównowaĪony rozwój ma nastĊpujące aspekty: 1) biologiczno-przyrodniczy: x postĊpujące rozwijanie i róĪnicowanie siĊ organizmu, x rosnąca zdolnoĞü do reagowania na zmiany w otoczeniu, x rosnąca spójnoĞü, x powstawanie wewnĊtrznych mechanizmów integrujących; 2) spoáeczno-ekonomiczny: x przemiany jakoĞciowe w Īyciu spoáecznym, x zmiany gáĊbokie, istotne dla sfery gospodarczej, kulturowej oraz politycznej; 212 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska 3) regionalny lub lokalny: x rozwój zidentyfikowany terytorialnie pewnej wspólnoty na poziomie lokalnym, x rozwój zbiorowoĞci na poziomie regionalnym. EUROPEJSKA POLITYKA TRANSPORTOWA Przesáanki tworzenia europejskiej polityki transportowej (EPT) moĪna podzieliü nastĊpująco: 1. Integracja krajów czáonkowskich Unii. 2. Znaczenie gospodarcze transportu. 3. Znaczenie transportu dla jakoĞci Īycia spoáeczeĔstw. 4. Oddziaáywanie transportu na Ğrodowisko naturalne. Integracja krajów czáonkowskich UE wymaga efektywnego utworzenia wspólnej przestrzeni gospodarczej o áatwej dostĊpnoĞci, w celu swobodnego przepáywu kapitaáu, dóbr, usáug i osób zgodnie z celami Wspólnoty. Infrastruktura transportowa kreuje moĪliwoĞci rozwojowe, przesądzając o dostĊpnoĞci poszczególnych regionów oraz podwyĪszając spójnoĞü kontynentu. Integracja europejska przewiduje równomiernoĞü rozwoju, szczególnie w regionach uboĪszych, do których naleĪy Polska, jako stymulatora ich rozwoju. Znaczenie gospodarcze transportu dotyczy m.in. wydatków na transport. W Polsce przykáadem mogą byü wydatki związane z mistrzostwami piákarskimi „EURO 2012” i budową znacznej iloĞci sieci drogowej uáatwiającej przemieszczanie siĊ obywateli róĪnych krajów Europy na terenie Polski. W kosztach tych naleĪy równieĪ uwzglĊdniü nowe miejsca pracy w firmach drogowych i zakup nowych maszyn oraz Ğrodków transportowych do budowy dróg. Transport jako podstawowy element systemu logistycznego jest uniwersalnym i niezbĊdnym kooperantem wszystkich procesów wytwarzania i obrotu gospodarczego. Jest równieĪ czynnikiem lokalizacji produkcji oraz ksztaátowania sieci osiedleĔczej. Transport istotnie oddziaáuje na koszty produkcji i koszty logistyczne, a tym samym na zdolnoĞü konkurencyjną gospodarki unijnej. Z jakoĞcią Īycia wiąĪe siĊ m.in. mobilnoĞü spoáeczeĔstw i podejmowanie podróĪy na coraz wiĊksze odlegáoĞci. Skracanie czasu podróĪy, zwiĊkszenie bezpieczeĔstwa i ograniczenie ryzyka podróĪowania oraz wygoda podróĪowania są najwaĪniejszymi elementami zmniejszenia wysiáku związanego z czasem spĊdzonym w podróĪy. Oddziaáywanie transportu na Ğrodowisko naturalne jest coraz bardziej uĞwiadamiane spoáecznie oraz wyceniane finansowo. Transport zajmuje przestrzeĔ, ingeruje w krajobraz, florĊ i faunĊ, generuje haáas oraz zanieczyszczenia powietrza, wody i gleby. Polityka transportowa w tym zakresie polega na oddziaáywaniu na lokalizacjĊ dziaáalnoĞci transportowej, na technologie transportu, zwáaszcza preferowanie gaáĊzi transportu i technologii przyjaznych Ğrodowisku. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 213 Mając na uwadze powyĪsze przesáanki, wypracowano ideĊ przeksztaáconą w koncepcjĊ polityczną zrównowaĪonego rozwoju transportu, polegającą na rozwoju transportu odpowiadającym zmianom popytu, zharmonizowanym z potrzebami spoáeczeĔstwa i racjonalnie wykorzystującym zasoby naturalne. STAN PRAWNY W ZAKRESIE TRANSPORTU Europejska polityka transportowa jest jednym z priorytetowych obszarów gospodarczo-spoáecznych i naleĪy do najwiĊkszych beneficjentów europejskich Ğrodków finansowych. Rozwój polityki transportowej ewoluowaá w kierunku zwiĊkszenia efektywnoĞci, spójnoĞci, sprawiedliwych cen, konkurencyjnoĞci oraz zrównowaĪonego rozwoju gospodarki. Unia Europejska ogáosiáa w formie oficjalnych opracowaĔ nastĊpujące dokumenty: 1. Zielona ksiĊga „Ku sprawiedliwemu i efektywnemu stanowieniu cen transporcie” –1995 rok. 2. Biaáa ksiĊga „Sprawiedliwe opáaty za uĪytkowanie infrastruktury” –1998 rok. 3. Biaáa ksiĊga „Europejska polityka transportowa 2010: czas na decyzje” – 2001. PowyĪsze dokumenty stanowiáy podstawĊ do przygotowania i przyjmowania dyrektyw i rozporządzeĔ regulujących funkcjonowanie i rozwój europejskiego transportu. WdraĪanie norm europejskich w budownictwie drogowym w Polsce WdroĪenie 80% norm europejskich byáo jednym z warunków przyjĊcia Polski do Unii Europejskiej. Dotyczy to norm zharmonizowanych, opracowywanych i ustanawianych przez europejskie instytucje normalizacyjne. Dla drogownictwa najwaĪniejsze są normy opracowywane przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN). Prace normalizacyjne CEN prowadzone są w specjalistycznych Komitetach Technicznych (TC). Z waĪniejszych Komitetów Technicznych, których prace są ĞciĞle związane z budownictwem drogowym, naleĪy wymieniü: 1. Komitet Techniczny TC 154-Kruszywa i wypeániacze. 2. Komitet Techniczny TC 226-WyposaĪenie dróg. 3. Komitet Techniczny TC 227-Materiaáy drogowe. 4. Komitet Techniczny TC 246-KamieĔ naturalny. 5. Komitet Techniczny TC 336-Lepiszcza asfaltowe. Komitety Techniczne podzielone są na Grupy Robocze (WG). Dla TC 227 podziaá na grupy robocze jest nastĊpujący: 1. WG 1-Mieszanki mineralno-asfaltowe na gorąco. 2. WG 2-Powierzchniowe utrwalenia i cienkie warstwy na zimno. 3. WG 3-Materiaáy do nawierzchni betonowych wraz z wypeánieniem i zalewami spoin. 4. WG 4-Mieszanki związane spoiwami hydraulicznymi i niezwiązane. 5. WG 5-Cechy powierzchniowe nawierzchni. 214 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Komitety Techniczne, zwáaszcza TC 154, TC 227 i TC 336, opracowują normy o podstawowym znaczeniu dla budownictwa drogowego (lepiszcza, kruszywa, wypeániacze). Dla mieszanek mineralno-asfaltowych przygotowano w WG 1 osiem podstawowych norm na wyroby. Są to normy: 1. EN 13 108-1 beton asfaltowy. 2. EN 13 108-2 mieszanki mineralno-asfaltowe do bardzo cienkich warstw. 3. EN 13 108-3 miĊkkie mieszanki mineralno-asfaltowe. 4. EN 13 108-4 mieszanki HRA. 5. EN 13 108-5 mieszanki SMA. 6. EN 13 108-6 asfalt lany. 7. EN 13 108-7 asfalt drenaĪowy. 8. EN 13 108-8 mieszanki z rozbiórki warstw nawierzchni asfaltowych. Uzupeánieniem są dwie normy dotyczące zapewnienia jakoĞci produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych, tj. norma EN 13 108-20 i norma EN 13 108-21. NiezaleĪnie od wymienionych norm EN opracowanych przez TC 227, bardzo istotne dla budownictwa drogowego są normy dotyczące kruszyw, którymi zajmuje siĊ Komitet Techniczny CEN TC 154. Europejska norma 13043:2002 – Kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleĔ stosowanych na drogach i innych powierzchniach przeznaczonych dla ruchu odwoáuje siĊ do dyrektywy UE 89/106 Rady Wspólnot Europejskich z 1989 roku. W jednym z tzw. WymagaĔ Podstawowych dyrektywa stanowi, Īe naleĪy tak projektowaü, aby utrzymywaü na niskim poziomie iloĞü energii wymaganą do uĪytkowania obiektu, z uwzglĊdnieniem warunków klimatycznych, lokalizacji i potrzeb uĪytkowników. Rozwijając sens tej dyrektywy, moĪna stwierdziü, Īe obiekt budowlany naleĪy traktowaü jako swego rodzaju dzierĪawĊ Ğrodowiska naturalnego i jego zasobów, a projektowanie powinno dotyczyü obiektu „zagregowanego”, rozumianego jako sumĊ nakáadów np. energii na jego wzniesienie, eksploatacjĊ i rozbiórkĊ. Dotyczy to równieĪ wytworzenia materiaáów budowlanych, ich transportu i wbudowania, rozbiórki i utylizacji lub zagospodarowania, np. poprzez ponowne wbudowanie materiaáów przetworzonych w procesie recyklingu. Tak rozumiana ochrona zasobów naturalnych i zastosowanie najlepszych, dostĊpnych technologii stanowi podstawĊ do wprowadzenia jednego z najwaĪniejszych priorytetów Wspólnoty, tj. innowacyjnoĞci opisanej szczegóáowo w dalszej czĊĞci. W szerszym znaczeniu jest to energocháonnoĞü wytworzenia materiaáów budowlanych, ich transportu, wbudowania oraz rozbiórki i utylizacji. W aspekcie energii naleĪy problem rozpatrywaü jako pozyskanie energii z krajowych surowców energetycznych, w tym równieĪ lokalnych, ale takĪe zastosowanie alternatywnych odnawialnych Ĩródeá energii. Istnieją juĪ w Europie projekty nawierzchni podgrzewanych w okresie zimowym instalacjami zasilanymi w energią sáoneczną. Nie bez znaczenia jest teĪ wytwarzanie takich produktów, jak mieszanka mineralno-asfaltowa i mieszanki kruszynowe, na których pro- Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 215 dukcjĊ moĪna zuĪywaü paliwa alternatywne: biogaz, paliwa pochodzenia roĞlinnego i inne. Ma to na celu ograniczenie zuĪycia energii, co jest tym bardziej istotne, Īe najnowsze technologie ukierunkowane są na ukáadanie poszczególnych warstw nawierzchni w niĪszej temperaturze, to znaczy na ciepáo, gdzie nastĊpuje obniĪenie temperatury nawet o 40oC. NiĪsza temperatura produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej i niĪsza temperatura ukáadania w istotny sposób wpáywają na zagregowany proces oceny zuĪycia energii na wytworzenie okreĞlonej produkcji budowlanej, w tym przypadku odcinka nowej drogi. Gáównym zadaniem jest jednak zagospodarowanie znacznej iloĞci odpadów budowlanych zalegających na haádach i zajmujących znaczne obszary mogące sáuĪyü do zagospodarowania w celach rekreacyjnych czy do stworzenia obszarów przyrodniczych. Jest to szczególnie waĪne w sytuacji, gdy wiele projektów realizuje siĊ w Polsce przy duĪym wsparciu finansowym Unii Europejskiej, a to wymusza stosowanie technologii zgodnych z wymogami ochrony Ğrodowiska, a wiĊc i tych, które umoĪliwiają zagospodarowanie ogromnych iloĞci materiaáów pozyskiwanych w procesie recyklingu. Destrukt i granulat asfaltowy InnowacyjnoĞü produktowa jest w polskich dokumentach okreĞlona w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka. W odniesieniu do budownictwa drogowego innowacyjnoĞü jest równieĪ procesowa, bowiem odnosi siĊ do zupeánie nowych okreĞleĔ, takich jak destrukt. Pozyskiwanie materiaáów odpadowych do produkcji kruszyw stanowi zupeánie nowe ujĊcie problemu w polskich normach. Przykáadem jest norma PN-EN 13108 czĊĞü 8, w której destrukt okreĞlono jako mieszankĊ mineralno-asfaltową, uzyskaną w wyniku frezowania warstw asfaltowych, rozkruszenia páyt wyciĊtych z nawierzchni asfaltowej, bryá uzyskanych z páyt oraz z mieszanki mineralno-asfaltowej odrzuconej lub bĊdącej nadwyĪką produkcji [3]. Uzupeánieniem tych definicji jest nowe pojĊcie tzw. granulat asfaltowy, który zgodnie z normą moĪna rozumieü jako okreĞloną iloĞü materiaáu do uĪycia jako materiaá skáadowy do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco. System BAT Wprowadzanie polskich aktów prawnych dotyczących gospodarki odpadami rozpoczĊto od ustawy „o odpadach”. Wprowadziáa ona obowiązek opracowywania na szczeblu krajowym, wojewódzkim, powiatowym i gminnym, planów gospodarki odpadami, w tym równieĪ odpadów z sektora budownictwa. Krajowy plan gospodarki odpadami staá siĊ podstawą do opracowywania programów wojewódzkich i do poszukiwania rozwiązaĔ optymalnych, których istotą byáo opracowanie podstaw organizacyjnych badaĔ, produkcji i zastosowania surowców wtórnych, z wykorzystaniem rozwiązaĔ juĪ istniejących, zgodnie z tzw. systemem BAT (ang. Best Available Technologies). System ten wprowadza zasadĊ stosowania najlepszych dostĊpnych technologii przy jedno- 216 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska czesnym ograniczaniu zanieczyszczenia Ğrodowiska poprzez unikanie tworzenia odpadów i efektywne wykorzystanie energii w procesach produkcyjnych. Na podstawie tych dokumentów jednostki terytorialne zostaáy zobowiązane do sukcesywnego zwiĊkszania udziaáu recyklingu w procesach produkcyjnych i inspirowania do powstawania nowych zakáadów, zajmujących siĊ przetwarzaniem surowców nadających siĊ do wtórnego wykorzystania. Zagospodarowanie odpadów budowlanych przewidziano do: x wykorzystania jako substytut kruszywa, x wbudowania w nasypy i podbudowy drogowe, x wzmacniania gruntów, x wykonywania drenujących warstw wyrównawczych, x rekultywacji terenów. TECHNOLOGIA POZYSKIWANIA MATERIAàÓW JAKO INNOWACYJNOĝû PROCESOWA I PRODUKTOWA Przez innowacjĊ rozumie siĊ wprowadzenie do praktyki w przedsiĊbiorstwie nowego lub znacząco ulepszonego rozwiązania w odniesieniu do produktu (towaru lub usáugi), procesu, marketingu lub organizacji. Istotą innowacji jest wdroĪenie nowoĞci do praktyki. WdroĪenie nowego produktu polega na zaoferowaniu go na rynku. Ulepszenie moĪe dotyczyü charakterystyk technicznych, komponentów, materiaáów oraz innych cech funkcjonalnych. Innowacja procesowa oznacza wprowadzenie do praktyki w przedsiĊbiorstwie nowych lub znacząco ulepszonych metod produkcji lub dostaw. WdroĪenie nowego procesu polega na ich zastosowaniu w bieĪącym funkcjonowaniu przedsiĊbiorstwa. PrzedsiĊbiorstwo innowacyjne to takie, w którym w przyjĊtym okresie obserwacji, np. w ostatnich trzech latach, dokonano innowacji, czyli wprowadzono pewną nowoĞü do praktyki w odniesieniu do produktu (towaru lub usáugi). Prawidáowe dziaáanie innowacyjne dotyczące produktu moĪe prowadziü do innowacyjnoĞci organizacyjnej, którą naleĪy rozumieü jako nową metodĊ organizacji dziaáalnoĞci nowych miejsc pracy lub nowych relacji zewnĊtrznych. W tym przypadku bĊdzie to wykorzystanie doĞwiadczeĔ firm zachodnich (np. holenderskich w zakresie wprowadzania na rynek mieszanek kruszynowych pozyskiwanych w procesie recyklingu). W odniesieniu do dokumentów aplikacyjnych moĪe to byü wykorzystanie polskich i holenderskich wymagaĔ technicznych typu WT. Maszyny do recyklingu nawierzchni Maszyny stosowane do recyklingu moĪna klasyfikowaü w zaleĪnoĞci od miejsca wykonywania procesów. Na budowie projektuje siĊ roboty przygotowawcze, w których moĪna zastosowaü maszyny do robót ziemnych oraz frezarki i páyty kruszące (gilotyny). Maszyny do robót ziemnych mają czĊsto dodatkowe wyposaĪenie robocze, np. máot do kruszenia nawierzchni jako wyposaĪe- Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 217 nie koparki, dodatkowe wyposaĪenie spycharek do odspajania gruntów spoistych i nawierzchni niskich klas, wywrotki do transportowania odspojonego materiaáu. JeĪeli nawierzchnia ma znaczną gruboĞü i maszynami do robót ziemnych nie moĪna dokonaü rozbiórki, to stosuje siĊ kruszenie poprzez áamanie pionową páytą w prowadnicach, zrzucaną z wysokoĞci. Zarówno materiaá frezowany, jak i áamany, poddawane są dalszej obróbce technologicznej w procesie przygotowania tego materiaáu do wykonania nowej mieszanki mineralno-asfaltowej. Proces ten polega na ustawieniu w pobliĪu miejsca rozbiórki drogi poligonowego zestawu maszyn do jedno- lub dwustopniowego kruszenia materiaáu áamanego. Frezarki Organizacja ruchu drogowego oraz robót na budowie w istotny sposób wpáywają na planowanie robót z zastosowaniem frezarek. Bardzo waĪne jest równieĪ natĊĪenie ruchu na remontowanej, przebudowywanej lub odnawianej drodze. Brak moĪliwoĞci caákowitego zamkniĊcia drogi dla ruchu na czas robót oraz krótki czas realizacji wyznaczony przez zamawiającego roboty powodują, Īe konieczne jest przygotowanie kilku wariantów wykonania robót we wáaĞciwej porze dnia lub nocy. Najprostszy wariant polega na frezowaniu i jednoczesnym zaáadunku materiaáu frezowanego na samochody samowyáadowcze, przewoĪące destrukt (granulat asfaltowy) do wytwórni MMA lub na skáadowisko. Bardziej skomplikowane rozwiązania, ze wzglĊdu na wáaĞciwą organizacjĊ robót, wymagają ustalenia wydajnoĞci frezarek i ukáadarek oraz okreĞlenia odpowiedniego przedziaáu czasu, w którym frezarki bĊdą rozpoczynaáy frezowanie. Dla wáaĞciwej organizacji robót istotne jest ustalenie czasu rozpoczĊcia pracy frezarek i ukáadarek [1]. Przykáad podstawowego zestawu do frezowania nawierzchni przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Schemat maszyn do frezowania i zaáadunku granulatu na samochody (Ĩródáo: wáasne) Fig. 2. Schema of machines to milling and the loading granulate on cars (source: own) Koparki i áadowarki Koparki i áadowarki stanowią wyposaĪenie przy róĪnych robotach budowlanych. MoĪna je równieĪ zastosowaü do rozbiórki dróg. Na rysunku 3 przedstawiono zestawy maszyn do robót rozbiórkowych nawierzchni drogi. Cechą charakterystyczną przetwarzania destruktu ze starych nawierzchni jest miejsce pozyskania i kruszenia tych materiaáów. Przy zastosowaniu frezowania i zaáadunku materiaáu bezpoĞrednio na samochody, podstawowy zestaw 218 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska skáada siĊ z frezarki i odpowiednio dobranej liczby samochodów. JeĪeli frezarek pracuje wiĊcej i pracują na caáej szerokoĞci drogi, to roboty przebiegają szybciej, co ma szczególne znaczenie przy zamykaniu autostrady tylko na bardzo krótki czas, np. w okresie weekendu. Pozyskany z frezowania materiaá nadaje siĊ bezpoĞrednio do produkcji MMA i czĊsto koĔcowym elementem przetwarzania jest dodanie go do mieszanki produkowanej na tą samą budowĊ. Materiaá z frezarki moĪe byü skáadowany na haádach (na odkáad) i wówczas zaáadunek moĪe odbyü siĊ w czasie póĨniejszym (rys. 3). a) b) Rys. 3. Schematy zestawów maszyn a) zaáadunek koparką po frezowaniu na odkáad, b) zaáadunek áadowarką po frezowaniu na odkáad (Ĩródáo: wáasne) Fig. 3. Schema of machines sets a) loading with the excavator after milling on the layer, b) loading with the loader after milling on the layer (source: own) Na rysunku 4 zaprezentowano schematy maszyn do pozyskiwania materiaáu w postaci áamanych páyt oraz bryá. Materiaá ten moĪna równieĪ zaáadowaü na samochody w póĨniejszym terminie áadowarką lub koparką. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 219 a) b) Rys. 4. Schematy zestawów maszyn do kruszenia páyt i bryá: a) máot, b) gilotyna (Ĩródáo: wáasne) Fig. 4. Schema of machines sets to breaking into fragments plates and blocks: a) the hammer, b) the guillotine (source: own) ORGANIZACJA PUNKTÓW DEPONOWANIA I PRZETWARZANIA MATERIAàÓW NA PRZYKàADZIE WYTWÓRNI HOLENDERSKICH Pozyskiwanie materiaáów do budowy dróg odbywa siĊ najczĊĞciej w profesjonalnych kamienioáomach, jednak w krajach takich jak Holandia, gdzie brakuje surowców naturalnych, wykorzystuje siĊ równieĪ materiaáy przetworzone w róĪnych wytwórniach kruszyw. WyróĪnia siĊ trzy rodzaje zakáadów produkujących kruszywo z destruktu: • stacjonarne wytwórnie kruszywa, • punkty deponowania róĪnych materiaáów stanowiących destrukt budowlany oraz koĔcówkĊ produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej na daną budowĊ, • poligonowe wytwórnie kruszywa. W wytwórniach stacjonarnych w Holandii produkuje siĊ kruszywa budowlanego, ale jednoczeĞnie gromadzi wszystkie moĪliwe materiaáy odpadowe: beton cementowy z filarów mostów, páotów i fragmentów obiektów budowlanych, odpadów komunalnych, nawet takich jak liĞcie, produkty drewniane wyposaĪenia mieszkaĔ, papier, szkáo. Nie są one innowacyjne po wzglĊdem zastosowanych technologii kruszenia, jednak jako punkty gromadzenia odpadów stanowią istotny dla danego obszaru teren oddziaáywania na ludzi i zwierzĊta. Dotyczy to w szczególnoĞci emisji zanieczyszczeĔ powietrza, kurzu i zagroĪeĔ dla wody gruntowej. 220 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Punkty deponowania Istotnym rozwiązaniem innowacyjnym dla pozyskiwania kruszywa do budowy dróg są punkty deponowania materiaáów budowlanych. Okres gromadzenia tych odpadów jest róĪny w zaleĪnoĞci od pory roku i warunków atmosferycznych. Dostarczane przez obywateli i firmy materiaáy są segregowane i po zgromadzeniu wystarczającej iloĞci surowców zamawiany jest mobilny zestaw kruszący o wydajnoĞci okoáo 100 Mg/h, który produkuje kruszywo w systemie jedno- lub dwustopniowym. WyposaĪenie takiego zestawu do kruszenia pokazano na rysunku 5. 3 2 1 5 4 Rys. 5. Schemat poligonowego zestawu kruszącego: 1 – zasobnik kruszywa, 2 – kruszarka, 3 – sortownik, 4 – wyprodukowane kruszywo, 5 – koparka (destrukt), (Ĩródáo: wáasne) Fig. 5. Schema of set breaking into fragments: 1 í the container of the aggregate, 2 í the impactor, 3 í the sorter, 4 í the made aggregate, 5 í the excavator (source: own) Usytuowanie punktów deponowania i przetwarzania wiąĪe siĊ z proporcjonalnie maáym terenem w porównaniu z wytwórniami stacjonarnymi, a ich cechą charakterystyczną jest staáa rotacja materiaáu. Materiaá jest przyjmowany do kruszenia, a jednoczeĞnie jest sprzedawany odbiorcom, zgáaszającym siĊ przewaĪnie z wáasnym transportem. Bardzo waĪne jest oddzielenie na osobnym stanowisku materiaáu zawierającego metal oraz zmniejszenie objĊtoĞci gruzu áamanego gilotyną. Zmniejszenie objĊtoĞci odbywa siĊ przez podniesienie kawaáka materiaáu na wysokoĞü kilku metrów w áyĪce áadowarki i grawitacyjne zrzucanie na metalową gáowicĊ o duĪej twardoĞci. To wstĊpne pokruszenie ma na celu przyspieszenie procesu rozdrabniania po ustawieniu poligonowego zestawu do kruszenia. Podstawowy mobilny zestaw kruszący skáada siĊ z pojemnika na materiaá oraz kruszarki i sit. Dodatkowo do kruszenia materiaáu o wiĊkszych wymiarach moĪna zastosowaü koparkĊ wyposaĪoną w máot lub szczĊki hydrauliczne. Schemat linii do kruszenia przedstawiono na rysunku 6. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 1 2 221 3 4 5 8 1 9 1 1 6 7 1 1 Rys. 6. Schemat linii produkcyjnej do kruszenia gruzu: 1 – gruz asfaltowy, 2 – koparka, 3 – zasobnik, 4 – sortownik do wstĊpnego sortowania, 5 – kruszarka, 6 – zasobnik, 7 – przenoĞnik, 8 – elektromagnes, 9 – pojemnik, 10 – produkt koĔcowy, 11– przenoĞnik, 12 – przenoĞnik, 13 – piasek, 14 – áadowarka (kierunek przemieszczania materiaáu zaznaczono strzaákami), (Ĩródáo: wáasne) Fig. 6. Schema of the production line to breaking into fragments of the rubble: 1 í the asphalt-rubble 2 í the excavator, 3 í the container, 4 í the sorter to the initial classification, 5 í the impactor, 6 í the container, 7 í the conveyor, 8 í the electromagnet, 9 í the container, 10 í the final product, 11 í the conveyor, 12 í the conveyor, 13 í sand, 14 í the loader (the direction of the displacement of material is marked with pointers) (source: own) JeĪeli materiaá jest silnie zanieczyszczony gruntem lub humusem, to dodatkowo naleĪy zastosowaü przesiewacze z zestawem przenoĞników taĞmowych. Pierwszy stopieĔ kruszenia wykonuje kruszarka do kruszenia grubszego materiaáu. Materiaá do zasobnika pierwszej kruszarki áaduje koparka. Rozdrobniony materiaá jest transportowany przenoĞnikiem taĞmowym do zasobnika drugiej kruszarki, która rozdrabnia ten materiaá, sortuje na przesiewaczach i przemieszcza wáaĞciwą frakcjĊ na haádĊ lub transportuje nadziarno przenoĞnikiem powrotnym do ponownego kruszenia w drugiej kruszarce. Istotą tego rozwiązania jest odpowiednie dozowanie materiaáu do kruszenia w drugiej kruszarce, do której podawane jest kruszywo z kruszarki pierwszej oraz z przesiewacza jako kruszywo do ponownego kruszenia. Punkty deponowania wyznacza siĊ równieĪ doraĨnie wzdáuĪ frezowanej nawierzchni. Haády frezowanego materiaáu są czasowo gromadzone i w póĨniejszym czasie jako áadunki powrotne dostarczane do wytwórni mieszanki mineralno-asfaltowej. Taka sytuacja jest najczĊĞciej spowodowana zbyt duĪą odlegáoĞcią transportowania tego materiaáu, z powodu braku miejsca w wytwórni MMA lub z braku zapotrzebowania na materiaá o bardzo niskiej jakoĞci. 222 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Poligonowe wytwórnie kruszywa Poligonowy zestaw kruszący ma równieĪ zastosowanie w poligonowych wytwórniach kruszyw. W przeciwieĔstwie do punktu deponowania zestaw ten znajduje siĊ przy drodze przeznaczonej do rozbiórki. NajczĊĞciej wyposaĪony jest w nastĊpujące maszyny i urządzenia: x mobilna kruszarka szczĊkowa z przesiewaczem (pierwszy stopieĔ kruszenia). x mobilna kruszarka walcowa z przesiewaczem (drugi stopieĔ kruszenia) x koparka podsiĊbierna napeániająca kosz kruszarki szczĊkowej, x áadowarka mniejsza (áyĪka 2,5 m3 do transportowania materiaáu zbrylonego pod koparkĊ), x áadowarka wiĊksza (áyĪka 3,5 m3 do zaáadunku przekruszonego materiaáu na haádĊ lub na samochody przewoĪące wyprodukowany granulat do wytwórni MMA). WydajnoĞü zestawu uzaleĪniona jest od produkowanej frakcji. Dla frakcji 0/32 wydajnoĞü takiego zestawu wynosi okoáo 1000 Mg/zmianĊ. Ze wzglĊdu na brak miejsca do gromadzenia przekruszonego materiaáu niezbĊdny jest jego przewóz do wytwórni mieszanki mineralno-asfaltowej na haády przygotowane zgodnie z produkowaną frakcją. Materiaá ten jest nastĊpnie opisany i wykorzystany do produkcji MMA „na gorąco” zgodnie z ustaloną frakcją. JeĪeli w wytwórni MMA nie ma miejsca, wyznacza siĊ doraĨnie miejsce gromadzenia granulatu w najbliĪszej okolicy tej wytwórni. Lokalizacja poligonowej wytwórni kruszywa jest najczĊĞciej wybierana w dogodnym miejscu dla jednostek transportowych dostarczających materiaá z rozbieranej drogi. Jednak ze wzglĊdu na uciąĪliwoĞü produkcji (haáas, kurz, niszczenie lokalnych dróg przez samochody do transportu technologicznego) niezbĊdna jest wczeĞniejsza konsultacja z mieszkaĔcami. CzĊsto przygotowuje siĊ teĪ punkty informacyjne dla mieszkaĔców z animacją procesu produkcyjnego i eliminacją potencjalnych zagroĪeĔ. Pozwolenia na produkcjĊ kruszywa w poligonowych wytwórniach wydaje siĊ tylko na okreĞlony czas. ZASTOSOWANIE MATERIAàÓW Z RECYKLINGU W POLSCE Podstawowymi dokumentami dopuszczającymi stosowanie destruktu i granulatu asfaltowego w Polsce są wymagania techniczne WT-1 i WT-2. Uzupeánieniem jest norma PN-EN 13043, która definiuje wáaĞciwoĞci geometryczne, fizyczne, mechaniczne i chemiczne kruszyw oraz podaje kategorie wymagaĔ sáuĪące do oceny jego jakoĞci. Norma ta nie okreĞla wymagaĔ dotyczących kruszywa do konkretnych zastosowaĔ, pozostawiając ich okreĞlenie krajom czáonkowskim CEN. WT-1 okreĞlają zalecane wáaĞciwoĞci i metody badania kruszywa zastosowanego do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleĔ, nie dotyczą jednak kruszyw uzyskiwanych z recyklingu mieszanek mineralno-asfaltowych. Te kruszywa w postaci destruktu lub granulatu Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 223 opisane są w WT-2. NajwaĪniejszą czĊĞü wymagaĔ technicznych zawierających materiaáy z recyklingu stanowi WT-4. Podano tu wszystkie definicje dotyczące podáoĪa (w tym równieĪ ulepszonego), podbudowy i kruszyw (w tym równieĪ destruktu) stosowanych do budowy dróg. Istotna dla tych wymagaĔ jest norma PN-EN 13242, wedáug której do mieszanek niezwiązanych hydraulicznie moĪna stosowaü kruszywa naturalne, kruszywo z recyklingu oraz mieszankĊ z poáączenia tych kruszyw. Kruszywo to jest przeznaczone do warstw podbudowy, nawierzchni z kruszywa niezwiązanego oraz do ulepszonego podáoĪa gruntowego [4, 5, 6]. W zaáączniku A podano przykáadowe zawartoĞci materiaáu w róĪnych mieszankach niezwiązanych. Przykáadowy skáad mieszanek niezwiązanych przedstawiono w tabelach 2, 3 i 4. Przykáadowe mieszanki z roĪnych materiaáów odpadowych zgodnie z WT-4 zaáącznik A. Zaáącznik ten zawiera równieĪ bardzo dokáadny opis kontrolowania caáego procesu produkcji mieszanek zawarty w czĊĞci dotyczącej zakáadowej kontroli produkcji (ZKP). Tabela 2. Mieszanki z betonu przekruszonego [6] Table 2. Mixtures from the concrete broken into fragments [6] Skáadniki Gáówne skáadniki Inne materiaáy ziarniste Zanieczyszczenia przekruszony beton (o gĊstoĞci >2,1 Mg/m3) i kruszywo (áącznie z ĪuĪlem) przekruszony mur destrukt asfaltowy skáadniki spoiste (áącznie z gliną) skáadniki organiczne ZawartoĞü [% (m/m)] > 90 < 10 <5 <1 < 0,1 Tabela 3. Mieszanki z przekruszonego muru [6] Table 3. Mixtures from wall broken into fragments [6] Skáadniki Gáówne skáadniki Inne materiaáy ziarniste Zanieczyszczenia przekruszony mur (o gĊstoĞci >1,6 Mg/m3), przekruszony beton (o gĊstoĞci >2,1 Mg/m3) i kruszywo (áącznie z ĪuĪlem) materiaáy ziarniste o gĊstoĞci <1,6 Mg/m3 destrukt asfaltowy skáadniki spoiste (áącznie z gliną) skáadniki organiczne ZawartoĞü [% (m/m)] > 80 < 20 <5 <1 < 0,1 224 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Tabela 4. Przekruszone materiaáy drogowe [6] Table 4. Broken fragments road fragments [6] ZawartoĞü [% (m/m)] Skáadniki Gáówne skáadniki materiaáy drogowe áącznie z kruszonym betonem, niezwiązanymi kruszywami i przekruszone mieszanki kruszyw związane hydraulicznie > 90 Potencjalnym miejscem pozyskiwania materiaáów są równieĪ istniejące w Polsce drogi. W tabeli 5 przedstawiono dane dotyczące stanu polskich dróg w latach 2001-2009. Tabela 5. Stan nawierzchni drogowych w Polsce w latach 2001-2009 (Ĩródáo: wáasne) Table 5. The state of road surfaces in Poland in years 2001-2009 (source: own) Stan [%] Dobry Niezadowalający Záy Suma 2001 28,5 37,5 34,0 2002 37,0 33,4 29,6 2003 40,1 30,3 29,6 2004 45,5 28,7 25,8 Rok 2005 48,9 26,2 24,9 100 % 2006 53,2 23,4 23,4 2007 54,9 22,6 22,5 2008 53,6 25,1 21,3 2009 59,6 21,5 18,9 W roku 2002 nastąpiáa zmiana tendencji w jakoĞci dróg. Notowany jest ciągáy wzrost dáugoĞci odcinków w stanie dobrym w stosunku do odcinków w stanie záym. W 2009 roku róĪnica ta wyniosáa juĪ ponad 40% na korzyĞü stanu dobrego nawierzchni. W kolejnych latach í mimo wzrostu ruchu pojazdów (w tym pojazdów ciĊĪkich) í udaáo siĊ zmniejszyü do niespeána 19% iloĞü odcinków nawierzchni w stanie záym. Osobnym problemem jest szybkie tempo wykonywanych robót i trwaáoĞü nowych nawierzchni wykonanych w ostatnim czasie. ZAKOēCZENIE Technologie z zastosowaniem frezarek oraz innych maszyn do recyklingu wymagają bardzo dokáadnego sprawdzenia skáadników w istniejącej nawierzchni. Badane są cechy powierzchniowe nawierzchni oraz wáaĞciwoĞci warstw bitumicznych. Frezowane kruszywo jest mieszane z nowymi skáadnikami (np. w recyklerze) i w związku z tym niezbĊdna jest staáa kontrola materiaáu pozyskiwanego ze starej nawierzchni. W tej technologii wybór najlepszego rozwiązania dotyczy gáównie wáaĞciwego doboru nowych i starych skáadników, ale okreĞlenie wáaĞciwej zawartoĞci lepiszcza dla konkretnych mieszanek mineralnych moĪe byü ustalone jedynie na podstawie odpowiednich metod obliczeniowych i zweryfikowane doĞwiadczalnie dla ustalonych w danym miejscu warunków realizacji. Dobre przygotowanie tych robót i ustalenie zasad kontrolowania przebiegu caáego procesu oraz ustalenie zakresu robót jest pod- Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 225 stawą do zaprojektowania optymalnej mechanizacji tych robót. Dobre przygotowanie robót oznacza równieĪ dokáadne zorganizowanie dostaw materiaáów. WaĪny jest równieĪ wybór czasu realizacji robót. Realizacja robót na dwie zmiany (w tym równieĪ w dni wolne) przyspieszy wykonanie, ale jednoczeĞnie spowoduje potrzebĊ uzgodnieĔ z dostawcami skáadników. Potrzebny jest równieĪ kompromis z lokalną spoáecznoĞcią. Haáas w godzinach nocnych spowodowany pracą maszyn moĪe byü zrekompensowany wczeĞniejszym oddaniem drogi do uĪytku i zwiĊkszeniem bezpieczeĔstwa oraz komfortu poruszania siĊ pojazdów na drodze. Kompromisem moĪe byü równieĪ wykorzystanie w danym okresie dobrych warunków atmosferycznych i przyspieszenie robót poprzez ich realizacjĊ w dodatkowych godzinach. Istotnym elementem jest równieĪ dobór technologii i zakresu robót do moĪliwoĞci finansowych zamawiającego. JeĪeli przyspieszenie robót nie umoĪliwi korzystania z nowej drogi z powodu innych zakáóceĔ, np. opóĨnieĔ w wykonaniu mostu, a jednoczeĞnie pozwoli na oszczĊdnoĞci wynikające z zastosowania maszyn taĔszych o mniejszej wydajnoĞci, to dokonanie wyboru najlepszej technologii moĪe przebiegaü wedáug takich kryteriów jak koszt realizacji, komfort Īycia (haáas maszyn w nocy), zatrudnienie firm lokalnych, nowe miejsca pracy dla miejscowej ludnoĞci. Przy duĪych inwestycjach drogowych proces dokonywania wyboru moĪe teĪ byü poáączony z wykorzystaniem Ğrodków finansowych z Unii Europejskiej przeznaczonych na technologie innowacyjne oraz przygotowanie kadry poprzez zorganizowanie za pieniądze unijne szkoleĔ i warsztatów. Te ostatnie kryteria stanowią istotne kroki w rozwoju lokalnych spoáecznoĞci czĊsto zagubionych w nowej rzeczywistoĞci. Pozbycie siĊ uciąĪliwych odpadów i zbudowanie nowej drogi z udziaáem miejscowej, dobrze wyszkolonej ludnoĞci, jest równieĪ szansą na poáączenie wykluczonych geograficznie regionów Polski z innymi regionami Polski i Europy. Innym problemem jest dąĪenie projektantów do stosowania innowacyjnych technologii, poniewaĪ zdarza siĊ, Īe projektanci w obawie przed konsekwencjami stosują jak najlepsze materiaáy, czĊsto drogie i trudne do zdobycia na danym terenie. Na jednej autostradzie poszczególne odcinki mają róĪne przekroje, bo projektowali je inni projektanci, a rozwiązaniem jest standaryzacja przekrojów jak w Holandii. Zastosowanie materiaáów pozyskiwanych z recyklingu musi byü obligatoryjne, z uwzglĊdnieniem preferencyjnego wykorzystania materiaáów z danego terenu, gdzie np. zalegają haády gruzu budowlanego. Obecnie czĊsto moĪna zobaczyü haády kruszywa z przekruszonych budynków starych fabryk, których nikt nie chce wykorzystaü. SpoĪytkowanie tego materiaáu odpowiednio zbadanego pod wzglĊdem przydatnoĞci w budownictwie drogowym, np. do wykonania podbudowy zasadniczej lub pomocniczej, staje siĊ wrĊcz koniecznoĞcią, jednak nie odbĊdzie siĊ to w warunkach, gdy projektanci nie są zainteresowani takimi rozwiązaniami. MoĪe dobrym rozwiązaniem na początek byáyby odcinki doĞwiadczalne, na których moĪna by sprawdziü przydatnoĞü tych technologii na danym terenie. Zasadniczym problemem jest to, 226 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska kto, jaka instytucja byáaby tym zainteresowana, lecz przede wszystkim muszą siĊ w tym wzglĊdzie zmieniü jak najszybciej przepisy. WNIOSKI 1. Przedstawione innowacyjne technologie są stosowane do budowy dróg w Holandii, a doĞwiadczenia firm holenderskich w tym zakresie bĊdą przydatne dla firm budowlanych w Polsce. 2. Zmiana mentalnoĞci projektantów w kwestii stosowania materiaáów pochodzących z recyklingu powinno byü przedmiotem szkoleĔ i badaĔ w jednostkach badawczych, w tym równieĪ w uczelniach wyĪszych. 3. Wybór materiaáów z recyklingu do budowy dróg powinien byü obligatoryjny w procedurze przetargowej, co wynika z zasad zrównowaĪonego rozwoju gospodarki. 4. W związku z brakiem wymagaĔ dla technologii wbudowania mieszanek mineralno-asfaltowych opartych na juĪ wprowadzonych normach PN-EN, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad w Warszawie, w stosownym piĞmie z 2004 roku, okreĞliáa, Īe stosowanie tej normy jest moĪliwe tam, gdzie w specyfikacjach na okreĞlone budowy zostaną podane takie wymagania. Wynika z tego, Īe przy braku doĞwiadczeĔ związanych z badaniami kruszyw i odniesienia wyników do wymagaĔ eksploatacyjnych nawierzchni, odpowiedzialnoĞü na obecnym etapie wprowadzania norm europejskich moĪe ponosiü tylko projektant. Bardzo praktyczne staje siĊ dla projektantów jak najszybsze budowanie odcinków doĞwiadczalnych, tak jak robi siĊ to w krajach Unii Europejskiej. LITERATURA [1] Martinek W., Tokarski Z., Chojnicki K., 2012. Organizacja budowy asfaltowych nawierzchni drogowych. PWN Warszawa. [2] Norma PN-EN 13108-7 Asfalt porowaty. PKN Warszawa 2008. [3] Norma PN-EN 13108-8 Destrukt asfaltowy. PKN Warszawa 2008. [4] Wymagania Techniczne WT-1 Kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleĔ na drogach krajowych. GDDKiA Warszawa, 2010. [5] Wymagania Techniczne WT-2 Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. GDDKiA Warszawa, 2010. [6] WT-4 Mieszanki niezwiązane na drogach krajowych. GDDKiA Warszawa, 2010. [7] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 roku, Dz.U. NR 62, poz. 628. Zbigniew Tokarski, Edward Kujawski Innowacyjne technologie w recyklingu materiaáów… 227 INNOVATIVE TECHNOLOGIES IN RECYCLING MATERIALS USING TO THE CONSTRUCTION OF ROADS AS THE ELEMENT OF A SUSTAINABLE DEVELOPMENT POLICY Abstract. In this paper the legal status concerning of new technologies in the road – building recycling is presented. There is shown varied technologies of gaining materials using to the construction of surface layers and the rule of qualifying of solutions for product and process innovation. A final effect of presented material are concrete results of measurement, which were effectuated in Netherlands. Key words: civil engineering, norms, road, recycling, technologies UZDATNIANIE WODY PODZIEMNEJ DO CELÓW KOTàOWYCH Z ZASTOSOWANIEM ODWRÓCONEJ OSMOZY GraĪyna Totczyk, Ryszard OkoĔski, Leonard Boszke*1 Streszczenie. Woda wykorzystywana do celów kotáowych musi speániaü wyostrzone kryteria jakoĞciowe, które okreĞlają producenci. Gáównymi czynnikami decydującymi o jakoĞci wody zasilającej są parametry pracy kotáa, jego konstrukcja, warunki eksploatacji i obciąĪenie powierzchni wymiany ciepáa. Obecnie coraz czĊĞciej stosowane są metody uzdatniania wody z uĪyciem moduáów odwróconej osmozy, które gwarantują wysoki stopieĔ demineralizacji wody. W artykule przedstawiono wyniki badaĔ uzdatniania wody podziemnej do celów kotáowych z zastosowaniem procesu odwróconej osmozy. Sáowa kluczowe: odwrócona osmoza, uzdatnianie wody, woda kotáowa WPROWADZENIE Wody naturalne, a takĪe wodociągowe nie nadają siĊ do celów kotáowych bez wczeĞniejszego przygotowania, gdyĪ muszą speániaü specjalne wymagania, związane z konstrukcją kotáów, ich eksploatacją, obciąĪeniem cieplnym czy jakoĞcią materiaáów, z których zostaáy wykonane. Z tego wzglĊdu nie jest moĪliwe okreĞlenie jednoznacznych wymagaĔ dla wody kotáowej. Musi ona speániaü przede wszystkim wymogi producenta kotáów, a wymagania podane w obowiązujących przepisach [5, 8] mają jedynie charakter zaleceĔ. Zawsze jednak woda kotáowa musi byü tak uzdatniona, aby nie powodowaáa wytrącania siĊ osadów (typu kamienia kotáowego lub szlamu), nie byáa korozyjna w stosunku do urządzeĔ kotáowych i nie pieniáa siĊ [2, 4]. W celu odpowiedniego przygotowania wody zasilającej kotáy í oprócz metod konwencjonalnych í coraz czĊĞciej stosuje siĊ metodĊ odwróconej osmozy [1, 9]. Jest to proces rozdziaáu cząsteczek wody od rozpuszczonych w niej substancji, który zachodzi dziĊki selektywnej membranie przepuszczalnej tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika. Wspóápraca moduáów odwróconej osmozy z filtrami wĊglowymi oraz mechanicznymi daje bardzo wysokie efekty oczyszczania wody, która pozbawiona zostaje substancji koloidalnych, jonowych, bakterii i wirusów. * dr inĪ. GraĪyna TOTCZYK, mgr inĪ. Ryszard OKOēSKI, dr hab. Leonard BOSZKE, prof. nadzw. UTP, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected] 230 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska EFEKTYWNOĝû TECHNOLOGICZNA PROCESU ODWRÓCONEJ OSMOZY Na efektywnoĞü dziaáania moduáów odwróconej osmozy ma wpáyw jakoĞü zasilającej wody, dlatego wymaga ona wstĊpnego uzdatnienia. W przypadku wody wodociągowej konieczne jest usuniĊcie cząstek staáych, twardoĞci wody oraz chloru. Gdy zasilanie moduáów odbywa siĊ wodą z ujĊü podziemnych, zachodzi koniecznoĞü dodatkowego usuniĊcia Īelaza i manganu. Niedostateczne oczyszczenie wody przed wprowadzeniem jej na moduáy odwróconej osmozy powoduje skrócenie czasu funkcjonowania membran, spadek wydajnoĞci oraz pogorszenie jakoĞci uzyskiwanej wody zdemineralizowanej. W praktyce do okreĞlania zdolnoĞci wody do zanieczyszczenia membrany powszechnie stosowany jest indeks koloidalny í SDI (ang. Silt Density Index). Oznacza siĊ go doĞwiadczalnie, mierząc obniĪenie siĊ strumienia filtratu w okreĞlonym czasie, pod staáym ciĞnieniem i przy zastosowaniu membran o wielkoĞci porów 0,1-1,0 μm [1, 4]. Indeks SDI przyjmuje wartoĞci z przedziaáu 0÷6,67. Gdy SDI <3, to woda jest maáo zanieczyszczona, a gdy SDI >5, to woda jest zanieczyszczona w stopniu wysokim i ma duĪy potencjaá zanieczyszczania membran [4]. Membrany powinny byü czyszczone, gdy stwierdzi siĊ [2]: x wzrost zasolenia filtratu o ponad 15% i wzrost ciĞnienia o ponad 20%, x spadek wydajnoĞci hydraulicznej o wiĊcej niĪ 5%, x obecnoĞü osadów na membranach. WskaĨnikami okreĞlającymi efektywnoĞü przebiegu procesu odwróconej osmozy są [4, 6]: x stopieĔ zatrzymania (R), który okreĞla stopieĔ eliminacji substancji rozpuszczonej z roztworu zasilającego, obliczany z zaleĪnoĞci: R = (c1-c2) / c1 gdzie: c1 í stĊĪenie substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym [g/m3], c2 í stĊĪenie substancji rozpuszczonej w filtracie [g/m3], zwiĊkszenie stĊĪenia substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym zmniejsza selektywnoĞü membrany (wartoĞü R maleje); x stopieĔ odzysku (Y), okreĞlany wzorem: Y = Qp / Qf ·100% , gdzie: Qp í natĊĪenie przepáywu filtratu [m3/s], Qf – natĊĪenie przepáywu roztworu zasilającego [m3/s], zwiĊkszenie stopnia odzysku powoduje wzrost stĊĪenia substancji rozpuszczonej w roztworze zasilającym, w konsekwencji zmniejsza siĊ szybkoĞü filtracji i stopieĔ rozdziaáu. GraĪyna Totczyk, Ryszard OkoĔski, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotáowych... 231 OPIS OBIEKTU Badaniem objĊta zostaáa stacja uzdatniania wody (SUW) pracująca na potrzeby Centrum Onkologii w Bydgoszczy, Ğwiadczącego usáugi lecznictwa otwartego i zamkniĊtego. W SUW wyodrĊbnione są dwa stopnie ukáadu technologicznego. W ukáadzie pierwszego stopnia (I°) uzdatniana jest woda na potrzeby wodociągowe obiektu, a ukáad stopnia drugiego (II°) í to dalsze uzdatnianie wody do celów kotáowych. W kotáowni eksploatowane są cztery kotáy firmy Viessmann: x dwa kotáy parowe wysokotemperaturowe o mocy Q = 4 MW i Q = 11570 kW, których maks. ciĞnienie robocze wynosi 16 bar, a maks. temperatura pracy kotáów wynosi 150°C, x dwa kotáy wodne wysokotemperaturowe o mocy 7 MW, o maks. ciĞnieniu roboczym 10 bar i maks. temperaturze pracy kotáów 150°C. Kotáownia zaspokaja potrzeby centralnego ogrzewania, ciepáej wody uĪytkowej i wody technologicznej dla szpitala (sterylizacja, dezynfekcja, kuchnia, pralnia). Obiekt zasilany jest w wodĊ podziemną czerpaną za pomocą studni wierconej o gáĊbokoĞci 209 m. Posiada takĪe dwa ujĊcia z miejskiej sieci wodociągowej, które peánią rolĊ ujĊü awaryjnych. Ukáad technologiczny I°, na który podawana jest woda surowa, jest przedstawiony na rysunku 1. komora koagulacji o filtr I (odĪelaziacz) filtr II o (odmanganiacz) zbiornik retencyjny na 2 stopieĔ uzdatniania 2 degree treatment nd woda wodociągowa woda surowa raw water tap water coagulation chamber retention filter I o filter II o (water deferrization) (water demanganization) tank do sieci wodociagowej tap-water network Rys. 1. Ukáad technologiczny uzdatniania wody na potrzeby wodociągowe (opracowanie wáasne) Fig. 1. Technological water treatment system for tap-water purposes (own scientific description) Woda pompowana ze studni gáĊbinowej trafia do komory koagulacji, gdzie za pomocą automatycznego systemu dozowania dawkowany jest koagulant. Powoduje on wytwarzanie siĊ káaczkowatej, gąbczastej zawiesiny, na której adsorbowane są zanieczyszczenia koloidalne. NastĊpnie woda przepáywa na dwa filtry ciĞnieniowe, poáączone szeregowo, do których doprowadzane jest równieĪ sprĊĪone powietrze. Pierwszy filtr peáni rolĊ odĪelaziacza, a drugi wy- 232 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska peániony masą katalityczną – braunsztynem pracuje jako odmanganiacz. Na filtrach usuwane są związki Īelaza, manganu i pozostaáe zawiesiny pokoagulacyjne. NastĊpnie podczas przepáywu do zbiorników retencyjnych woda poddawana jest procesowi chlorowania podchlorynem sodu (NaOCl) w celu dezynfekcji i zapobiegawczo, aby nie dopuĞciü do rozwoju bakterii w zbiornikach. Ze zbiorników retencyjnych czĊĞü wody kierowana jest do Centrum Medycznego jako woda wodociągowa, a czĊĞü na drugi ukáad technologiczny í do dalszego uzdatniania. Ukáad uzdatniania II° (rys. 2) ma za zadanie dostarczenie wody do celów kotáowych. zespóá filtrów wstĊpnego oczyszczania 50 Pm 5 Pm záoĪe jonitowe filtr 5 Pm preliminary puryfikation filters 50 Pm and 5 Pm ion exchange resins deposit filter 5 Pm woda wodociągowa tap water filtr z wĊglem aktywnym filtr1 Pm odwrócona osmoza zbiornik wody do kotáowni boiler room filter with active carbon filter 1Pm reverse osmosis water tank Rys. 2. Ukáad technologiczny uzdatniania wody do celów kotáowych (opracowanie wáasne) Fig. 2. Technological water treatment system for boiler-room purposes (own scientific description) Ze zbiorników retencyjnych woda przepáywa przez ukáad szeregowo pracujących dwóch filtrów wstĊpnego oczyszczania 50 μm i 5 μm. Kolejnym procesem uzdatniania jest zmiĊkczanie wody, czyli usuwanie z niej przede wszystkim wĊglanów oraz siarczanów wapnia i magnezu, powodujących tzw. twardoĞü wody. Proces ten przebiega na równolegle poáączonych jonitach. Zastosowano jonity kationowymienne kwaĞne pracujące w cyklu wodorowym i sodowym. Ostatecznym rezultatem jest dekarbonizacja, zmiĊkczenie i w znacznym stopniu odsolenie wody. Po jonitach woda trafia na kolejny filtr przeciw- GraĪyna Totczyk, Ryszard OkoĔski, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotáowych... 233 koloidowy 5 μm, a nastĊpnie na filtry z wĊglem aktywnym, gdzie usuwany jest przede wszystkim chlor pozostaáy po dezynfekcji wody wodociągowej, niektóre metale ciĊĪkie i związki organiczne. Na drodze dalszego przepáywu wody, przed moduáami odwróconej osmozy znajduje siĊ filtr przeciwkoloidowy 1 μm. Podczas procesu odwróconej osmozy nastĊpuje demineralizacja wody. Tak uzdatniona woda kierowana jest do kotáowni parowej i wodnej. W celu ochrony membran odwróconej osmozy przed osadzaniem siĊ kamienia kotáowego i zatykaniem por w membranach do wody dawkowane są odpowiednie chemikalia í antyskalanty. Ostatnim etapem przygotowania wody zasilającej kotáy jest korekta chemiczna. Ma ona na celu nadanie wodzie wáaĞciwoĞci antyosadowych i antykorozyjnych oraz stabilizacjĊ odczynu. METODY BADAē Analiza efektywnoĞci procesu uzdatniania wody do celów kotáowych przeprowadzona zostaáa na podstawie wyników badaĔ analitycznych, które wykonywane są okresowo w zakáadowym laboratorium. Badaniem objĊte są wody surowe i uzdatnione w kolejnych procesach jednostkowych ukáadu technologicznego. W ukáadzie I° badana jest woda surowa pobierana ze studni, po procesie koagulacji, filtracji I i II stopnia, i ze zbiorników retencyjnych, czyli woda dystrybuowana wewnątrzzakáadową siecią wodociągową. Kontrola analityczna próbek wody obejmuje oznaczenie barwy, mĊtnoĞci, odczynu, zasadowoĞci ogólnej, tlenu, CO2, Īelaza ogólnego, N-NH4, N-NO2, N-NO3, azotu ogólnego, manganu, chlorków, siarczanów i utlenialnoĞci. W ukáadzie II° badana jest woda po procesie zmiĊkczania, demineralizacji metodą odwróconej osmozy i na zasilaniu kotáów. W próbkach tych przeprowadza siĊ oznaczenia twardoĞci ogólnej, zasadowoĞci, odczynu, Īelaza ogólnego i przewodnictwa elektrolitycznego. Wszystkie oznaczenia wykonywane są zgodnie z obowiązującą w Polsce metodyką badaĔ. WYNIKI I DYSKUSJA Ukáad technologiczny I° Ujmowana woda podziemna o odczynie 7,6 pH charakteryzuje siĊ podwyĪszoną barwą (25 mgPt/l), mĊtnoĞcią (2,7 NTU), zawartoĞcią Īelaza wystĊpującego w stĊĪeniu 2,02 mg/l i jonu amonowego w stĊĪeniu 0,78 mg/l. Pozostaáe wskaĨniki jakoĞci wody surowej ksztaátują siĊ na poziomie lub poniĪej wartoĞci dopuszczalnych dla wody przeznaczonej na cele pitne [7]. 234 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Przedstawione w tabeli 1 wyniki badaĔ Ğwiadczą o tym, Īe w trakcie uzdatniania wody w kolejnych procesach technologicznych nastĊpuje stopniowe usuwanie niepoĪądanych substancji aĪ do uzyskania wody odpowiadającej wymogom stawianym wodzie pitnej. NaleĪy wiĊc stwierdziü, Īe ukáad technologiczny I° uzdatniania wody wáaĞciwie speánia swoją rolĊ. Tabela 1. Wyniki badaĔ wody uzdatnianej do celów wodociągowych [3] Table 1. Testing results for the water treated for tap-water purposes [3] Oznaczenie Jednostka Woda surowa Barwa MĊtnoĞü Odczyn ZasadowoĞü og. N-NH4 N-NO2 N-NO3 Azot ogólny ĩelazo og. Mangan Chlorki Siarczany UtlenialnoĞü Tlen CO2wolny mg Pt/l NTU pH mval/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mgO2/l mg/l mg/l 25 2,70 7,6 5,7 0,78 n.w. 0,31 1,05 2,02 0,12 74,5 <10 5,30 1,70 6,60 Woda po procesie koagulacji 20 2,90 7,4 5,8 0,37 n.w. 0,28 0,98 1,07 0,80 74,5 <10 3,10 1,10 6,60 Woda po Woda WartoĞü dofitracji w zbiorniku puszczalna dla I i II stopnia retencyjnym wody pitnej [7] 17 10 15 0,65 0,14 1,00 7,5 7,7 6,5÷9,5 5,7 n.o. n.o. 0,27 <0,06 0,50 n.w. n.w. 0,50 0,21 0,86 50,0 0,87 0,96 n.o. 0,16 0,06 0,20 0,05 n.w. 0,05 76,0 74,6 250,0 <10 <10 250,0 3,00 2,30 5,0 5,40 9,00 n.o. 7,70 2,20 n.o. n.o. í nie okreĞlono, n.w. í nie wykryto Ukáad technologiczny II° Ukáad technologiczny II° zasilany jest wodą ze zbiorników retencyjnych, o jakoĞci wody wodociągowej. W procesie zmiĊkczania wody na jonitach zostaáa ona pozbawiona związków powodujących twardoĞü, a stĊĪenie Īelaza ogólnego obniĪone zostaáo do wartoĞci 0,04 mg/l (tab. 2). W wyniku dalszego uzdatniania wody metodą odwróconej osmozy zawartoĞü Īelaza ogólnego zmniejszyáa siĊ do 0,01 mg/l, wystąpiáa szczątkowa twardoĞü ogólna, a przewodnictwo elektrolityczne wynosiáo 346 μS/cm. W ostatecznym efekcie uzdatniania otrzymano wodĊ, która speánia wymagania okreĞlone przez producenta kotáów. Jednak woda je zasilająca charakteryzowaáa siĊ zawartoĞcią Īelaza na granicy dopuszczalnoĞci. Biorąc pod uwagĊ, Īe stĊĪenie Īelaza zarówno po záoĪach jonitowych, jak i po moduáach RO byáo o poáowĊ niĪsze i wynosiáo 0,01 mg/l, moĪna przypuszczaü, Īe jego związki kumulują siĊ w zbiorniku wody do zasilania kotáów (rys. 2). W takim przypadku naleĪaáoby wyáączyü zbiornik z eksploatacji i przeprowadziü jego páukanie. GraĪyna Totczyk, Ryszard OkoĔski, Leonard Boszke Uzdatniane wody podziemnej do celów kotáowych... 235 Tabela 2. Wyniki badaĔ wody uzdatnianej na potrzeby kotáowni [3] Table 2. Testing results for the water treated for boiler-room purposes [3] Oznaczenie Jednostka Woda wodociągowa Odczyn ZasadowoĞü m ZasadowoĞü p Zelazo og. TwardoĞü og. Przewodnictwo elektrolityczne pH mval/l mval/l mg/l mval/l 7,68 2,75 n.o. 0,06 2,5 μS/cm n.o. Woda po procesie Woda po procesie zmiĊkczania demineralizacji na jonitach na RO n.o. 7,77 n.o. n.o. n.o. n.o. 0,01 0,01 n.w. 0,018 n.o. 346 Woda zasilająca kotáy 8,66 1,20 0,15 0,02 n.w. 480 n.o. í nie okreĞlono, n.w. í nie wykryto Woda zasilająca kotáy miaáa odpowiedni odczyn i znacznie niĪsze wartoĞci zasadowoĞci ”m” í wobec oranĪu metylowego i „p” í wobec fenoloftaleiny (odpowiednio 1,2 i 0,15 mval/l) od dopuszczalnych, nie wykazywaáa twardoĞci. Przewodnictwo elektrolityczne wynoszące 480 μS/cm równieĪ mieĞciáo siĊ w zakresie dopuszczalnych wartoĞci. Przeprowadzona analiza jakoĞci wody zasilającej kotáy pozwala stwierdziü, Īe ukáad technologiczny II° funkcjonuje poprawnie. Zastosowane rozwiązanie hybrydowe, polegające na szeregowej wspóápracy záóĪ jonitowych i moduáów odwróconej osmozy, charakteryzuje siĊ wysoką efektywnoĞcią technologiczną. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników badaĔ sformuáowano nastĊpujące wnioski: 1. Odpowiedni dobór technologii i urządzeĔ do uzdatniania wody pozwala na wykorzystanie wody podziemnej do celów kotáowych. 2. Zastosowany dwustopniowy ukáad technologiczny uzdatniania zapewnia dostawĊ wody o odpowiedniej jakoĞci do wewnątrzzakáadowej sieci wodociągowej i na potrzeby kotáowni analizowanego obiektu. 3. Zastosowanie odwróconej osmozy w uzdatnianiu wody kotáowej umoĪliwia speánienie wysokich wymagaĔ jakoĞciowych, jakie stawiane są wodzie stosowanej w energetyce. LITERATURA [1] Bodzek M., Konieczny K., 2005. Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Oficyna Wydawnicza Projprzem–EKO Bydgoszcz. [2] Kowal A.L., ĝwiderska-BróĪ M., 1996. Oczyszczanie wody. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa-Wrocáaw. 236 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [3] Materiaáy Ĩródáowe. [4] Nawrocki J., Biáozor S. i in. 2000. Uzdatnianie wody. Procey chemiczne i biologiczne. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa-PoznaĔ. [5] PN-85/C-04601 Woda do celów energetycznych. Wymagania i badania jakoĞci wody dla kotáów wodnych i zamkniĊtych obiegów ciepáowniczych. [6] Rautenbach R., 1996. Procesy membranowe. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa. [7] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 w sprawie jakoĞci wody przeznaczonej do spoĪycia przez ludzi – Dz.U. 2007 nr 61, poz.417, z póĨniejszymi zmianami.. [8] StaĔda J., 1995. Woda dla kotáów parowych i obiegów cháodzących siáowni cieplnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa. [9] Totczyk G., 2005. Uzdatnianie wody na cele energetyczne metodą odwróconej osmozy. XXV MiĊdzynarodowe Sympozjum im. Bolesáawa Krzysztofika, AQUA, Politechnika Warszawska, Páock. UNDERGROUND WATER TREATMENT FOR BOILER PURPOSES APPLYING REVERSE OSMOSIS Abstract. The water applied for boiler-room purposes must meet the higher quality criteria determined by producers. The main factors determining the quality of supplying water are the boiler operation parameters, boiler design, conditions of use and the heat transfer surface load. At present the water treatment methods involving reverse osmosis modules, which guarantee a high degree of water demineralization, are applied more and more frequently. The paper presents the results of research into the underground water treatment for boiler-room purposes applying the process of reverse osmosis. Key words: reverse osmosis, water treatment, boiler water KONCEPCJA WYKORZYSTANIA STRATEGICZNEJ MAPY AKUSTYCZNEJ W PROCESIE TWORZENIA MIEJSCOWYCH PLANÓW ZAGOSPODAROWANIA PRZESTRZENNEGO Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska*1 Streszczenie. Sposób zagospodarowania przestrzeni w Polsce okreĞla system opracowaĔ planistycznych regulowany przez UstawĊ z dnia 27 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym. Na poziomie gminy aktem prawa miejscowego stanowiącego podstawĊ rozwoju urbanistycznego przestrzeni miejskiej jest miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego (MPZP). Analizując proces tworzenia polskich miast, moĪna stwierdziü brak kompleksowych badaĔ Ğrodowiska uwzglĊdniających problem klimatu akustycznego. Tryb postĊpowania przy tworzeniu MPZP obejmuje jedynie ogólną diagnozĊ Ğrodowiska bez podawania mierzalnych wielkoĞci negatywnego oddziaáywania zanieczyszczeĔ, w tym poziomu haáasu Ğrodowiskowego. Celem pracy jest przedstawienie problematyki wpáywu klimatu akustycznego na proces zagospodarowania przestrzeni miast z wykorzystaniem Strategicznej Mapy Akustycznej (SMA). Mapa umoĪliwia caáoĞciową ocenĊ stopnia zagroĪenia terenów miejskich haáasem, okreĞla jego przyczyny oraz przedstawia prognozy zmian jego poziomu. W pracy zaproponowano ponadto etapy realizacji MPZP z uwzglĊdnieniem SMA jako narzĊdzia wspomagającego okreĞlanie poziomu haáasu Ğrodowiskowego. Zaletą uwzglĊdnienia SMA w procesie tworzenia MPZP jest moĪliwoĞü weryfikacji ustaleĔ koncepcji rozwiązaĔ przestrzennych pod kątem ochrony przed haáasem oraz póĨniejsze ich uwzglĊdnienie w projekcie planu. SMA jest cennym i niezastąpionym Ĩródáem informacji o poziomie haáasu i powinna byü wykorzystywana przez urbanistów w procesie planowania przestrzeni miasta w myĞl zasad zrównowaĪonego rozwoju i áadu przestrzennego. Sáowa kluczowe: planowanie przestrzenne, haáas Ğrodowiskowy, klimat akustyczny, strategiczna mapa akustyczna, miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego WPROWADZENIE Wszelkie dokuczliwe i szkodliwe zjawiska dĨwiĊkowe pojawiające siĊ w Ğrodowisku wspóátworzą klimat akustyczny otoczenia [8]. Wraz z gwaátownym rozwojem miast, zmniejszeniem przestrzeni urbanistycznej oraz wciąĪ rosnącą liczbą emitorów haáasu problem jego oddziaáywania na poziomie ponadnormatywnym staá siĊ zjawiskiem powszechnym [12, 17, 18]. Haáas * dr hab. inĪ. Janusz KWIECIEē, prof. UTP, mgr inĪ. Kinga SZOPIēSKA, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected], [email protected] 238 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska w aglomeracjach miejskich powoduje dyskomfort wĞród ludnoĞci, przyczyniając siĊ w ten sposób do powstania tzw. stresu miejskiego, jak równieĪ wpáywa niekorzystnie na gospodarowanie zasobami miasta [1, 2]. OkreĞlenie klimatu akustycznego projektowanych rozwiązaĔ terenowych jest waĪnym elementem umoĪliwiającym kreowanie przestrzeni miejskiej w sposób harmonijny, z peánym wykorzystaniem jej potencjaáu i zachowaniem walorów Ğrodowiskowych. Problem ten podejmuje Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 25 czerwca 2002 roku odnosząca siĊ do oceny i zarządzania poziomem haáasu w Ğrodowisku [4]. Obowiązkiem paĔstw czáonkowskich jest okreĞlenie poziomu haáasu, wskazanie dziaáaĔ zmierzających do poprawy stanu akustycznego oraz ochrona terenów, na których poziom dĨwiĊku jest wáaĞciwy. Polska jako czáonek Unii Europejskiej zobligowana jest do przestrzegania zapisów powyĪszej dyrektywy. MAPA AKUSTYCZNA JAKO NARZĉDZIE WYKORZYSTYWANE PRZY OKREĝLANIU KLIMATU AKUSTYCZNEGO Jednym z zaproponowanych w dyrektywie 2002/49/WE dziaáaĔ zmierzających do ochrony przed haáasem jest strategiczna mapa akustyczna (SMA) [4]. SMA to uĞredniona mapa haáasu emitowanego do Ğrodowiska przez róĪne grupy Ĩródeá. Daje ona moĪliwoĞü caáoĞciowej oceny stopnia zagroĪenia terenów miejskich haáasem, okreĞla jego przyczyny oraz przedstawia prognozy zmian jego poziomu. Obliczenia dla SMA wykonuje siĊ w oparciu o bazĊ danych GIS oraz specjalistyczne programy komputerowe, m.in. CadnaA, SoundPlan czy IMMI [5, 6, 14]. W polskim prawodawstwie podstawowym aktem prawnym regulującym zagadnienia dotyczące poziomu haáasu Ğrodowiskowego jest Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 roku Prawo Ochrony ĝrodowiska [16]. Zgodnie z treĞcią art. 112 ochrona przed haáasem polega na zapewnieniu jak najlepszego akustycznego stanu Ğrodowiska poprzez utrzymanie poziomu haáasu nieprzekraczającego wartoĞci dopuszczalnych. Sporządzając SMA haáas Ğrodowiskowy moĪna okreĞliü za pomocą wskaĨnika: LDWN oraz LN. LDWN to dáugookresowy Ğredni poziom dĨwiĊku A wyraĪony w decybelach (dB), wyznaczony w ciągu wszystkich dób w roku, z uwzglĊdnieniem: pory dnia, pory wieczoru i pory nocy, natomiast LN – dáugookresowy Ğredni poziom dĨwiĊku A wyraĪony w decybelach (dB) wyznaczony w ciągu wszystkich pór nocy w roku. WartoĞci dopuszczalne powyĪszych wskaĨników na terenach wraĪliwoĞci okreĞla Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 1 paĨdziernika 2012 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie dopuszczalnych poziomów haáasu w Ğrodowisku [13]. Poziom wskaĨników uzaleĪniony jest od rodzaju Ĩródáa dĨwiĊku oraz od przeznaczenia obszaru nim zagroĪonego (tab. 1). Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Koncepcja wykorzystania strategicznej mapy akustycznej... 239 Tabela 1. Dopuszczalny poziom haáasu dla poszczególnych grup Ĩródeá [13] Table 1. Acceptable noise level for particular groups of sources [13] Rodzaj terenu Strefa ochronna „A” uzdrowiska, tereny szpitali poza miastem Teren zabudowy mieszkaniowej jednorodzinnej, domów opieki spoáecznej, szpitali w miastach i tereny zabudowy związane ze staáym lub czasowym pobytem ludzi Teren zabudowy mieszkaniowej wielorodzinnej i zamieszkania zbiorowego, teren zabudowy zagrodowej, tereny rekreacyjno-wypoczynkowe, tereny mieszkaniowo-usáugowe Tereny w strefie Ğródmiejskiej miast powyĪej 100 tys. mieszkaĔców Dopuszczalny poziom haáasu [dB] pozostaáe obiekty drogi lub linie i dziaáalnoĞü bĊdąca kolejowe Ĩródáem haáasu LDWN LN LDWN LN 50 45 45 40 64 59 50 40 68 59 55 45 70 65 55 45 HAàAS ĝRODOWISKOWY W PROCESIE TWORZENIA PRZESTRZENI POLSKICH MIAST Sposób zagospodarowania przestrzeni w Polsce okreĞla system opracowaĔ planistycznych regulowany przez UstawĊ z dnia 27 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym [15]. Podstawą dziaáaĔ planistycznych są zasady zrównowaĪonego rozwoju oraz áad przestrzenny. Na poziomie lokalnym aktem prawa miejscowego stanowiącego podstawĊ rozwoju urbanistycznego jest miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego (MPZP). Stanowi on element poĞredni pomiĊdzy poziomem planowania strategicznego, studium uwarunkowaĔ i kierunków zagospodarowania przestrzennego (SUiKZG) a poziomem operacyjnym, w którym dochodzi do realizacji ustaleĔ planu przez wydanie decyzji o pozwoleniu na budowĊ inwestycji (rys. 1). 240 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 1. Struktura planowania przestrzennego w Polsce Fig. 1. The structure of spatial planning in Poland W MPZP ustala siĊ przeznaczenie obszaru, rozmieszczenie inwestycji celu publicznego oraz okreĞla sposób zagospodarowania i warunki zabudowy terenu. Etapy opracowania MPZP przedstawiono na rysunku 2. Zgodnie z art. 71 Ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo Ochrony ĝrodowiska wraz z póĨniejszymi zmianami podstawą do sporządzenia i aktualizacji MPZP są zaáoĪenia m.in. ochrony Ğrodowiska [16]. Zgodnie z ustawą w planach miejscowych naleĪy podaü niezbĊdne rozwiązania prowadzące do zapobiegania zanieczyszczeniom w Ğrodowisku oraz tak planowaü przestrzeĔ, aby utrzymaü równowagĊ przyrodniczą i racjonalnie gospodarowaü zasobami Ğrodowiska z uwzglĊdnieniem m.in. potrzeb w zakresie ochrony przed haáasem. W planach miejscowych wymóg ten realizowany jest na wiele sposobów, do których moĪna zaliczyü m.in.: 1) wyznaczenie w MPZP terenów o róĪnych funkcjach i zasadach zagospodarowania, w tym obszarów wraĪliwoĞci akustycznej, dla których obowiązują akustyczne standardy jakoĞci Ğrodowiska; do obszarów tych naleĪą tereny przeznaczone pod zabudowĊ mieszkaniową, pod szpitale i domy opieki spoáecznej, przeznaczone na cele uzdrowiskowe oraz pod budynki związane ze staáym lub czasowym pobytem dzieci i máodzieĪy; 2) zdefiniowanie w granicach planu obszarów ograniczonego uĪytkowania, w tym terenów cichych, gdzie haáas jest na poziomie wáaĞciwym; 3) sytuowanie terenów przeznaczonych pod dziaáalnoĞü produkcyjną, skáadowania i magazynowania w odlegáoĞciach eliminujących ich negatywne oddziaáywanie na Ğrodowisko i ludzi; do oddziaáywania tego zaliczyü moĪna ponadnormatywny poziom haáasu przemysáowego. Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Koncepcja wykorzystania strategicznej mapy akustycznej... 241 Rys. 2. Etapy opracowania miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 2. Stages of Local Land Use Plan (source: own work) PROBLEM BADAWCZY W dziaáaniach związanych z planowaniem przestrzeni miejskiej, a w szczególnoĞci przy okreĞlaniu terenów naraĪonych na szkodliwe dziaáanie haáasu wyznaczenie poziomu dĨwiĊku pochodzącego z projektowanych w MPZP Ĩródeá haáasu jest niezbĊdne do prawidáowego funkcjonowania struktury miasta [7, 9]. Procedura tworzenia MPZP polega na weryfikacji stanu istniejącego oraz okreĞleniu zmian zachodzących w zagospodarowaniu przestrzennym. Cymerman [3] etapy tworzenia MPZP podzieliá na cztery zasadnicze fazy. Faza 0 to zebranie danych wejĞciowych dostarczających informacji o przestrzeni. Do materiaáów tych zalicza siĊ m.in. mapĊ zasadniczą, ekofizjografiĊ oraz inwentaryzacjĊ urbanistyczną (rys. 3). Analizy stanu Ğrodowiska przyrodniczego dostarcza ekofizjografia. Opracowanie zawiera informacje o stanie istniejącym oraz o zagroĪeniach poszczególnych komponentów Ğrodowiska, w tym o poziomie haáasu i ewentualnych zmianach jego wartoĞci w czasie. Po weryfikacji i ocenie kompletnoĞci zebranych materiaáów wejĞciowych nastĊpuje faza I – 242 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska prace analityczne. Na tym etapie dochodzi do oceny uwarunkowaĔ rozwoju na podstawie dostĊpnych opracowaĔ oraz rozpoznania zagroĪeĔ Ğrodowiska i jego podatnoĞü na zmiany. Faza II to tworzenie wstĊpnej koncepcji rozwiązaĔ przestrzennych, na podstawie której sporządza siĊ projekt planu, prognozĊ skutków finansowych oraz prognozĊ oddziaáywania ustaleĔ planu na Ğrodowisko przyrodnicze (faza III). Celem prognozy oddziaáywania na Ğrodowisko jest ocena skutków wynikających z realizacji ustaleĔ MPZP. Na podstawie jej wyników moĪna przeprowadziü weryfikacjĊ uwarunkowaĔ projektu planu w zakresie negatywnego oddziaáywania na Ğrodowisko. Przy tworzeniu prognozy korzysta siĊ z danych wejĞciowych m.in. SUiKZP, ekofizjografii oraz opracowaĔ kartograficznych. Po zaopiniowaniu, uzgodnieniu i konsultacji spoáecznej projekt planu zapisuje siĊ w formie aktu prawa miejscowego oraz formuje regulacje dotyczące zagospodarowania terenu i parametrów zabudowy. Faza IV obejmuje prace koĔcowe związane z uchwaleniem MPZP. Obecnie w Polsce tryb postĊpowania przy tworzeniu planów miejscowych obejmuje diagnozĊ Ğrodowiska w postaci ekofizjografii oraz prognozy oddziaáywania na Ğrodowisko (zwana dalej prognozą). W ekofizjografii informacje dotyczące klimatu akustycznego obszaru pochodzą przede wszystkim z SUiKZP oraz badaĔ zamieszczonych w raportach o stanie Ğrodowiska dla poszczególnych województw (zwany dalej raportem). W opracowaniach tych analizy akustyczne wykonywane są wybiórczo. W raporcie pomiar dĨwiĊku realizowany jest w gáównych miastach i nie uwzglĊdnia haáasu generowanego ze wszystkich grup Ĩródeá. W SUiKZP analizy klimatu akustycznego wykonuje siĊ jedynie w postaci opisowej bez podawania wielkoĞci mierzalnych. Analogiczna sytuacja dotyczy prognozy, w której brakuje badaĔ haáasu wynikających z precyzyjnych pomiarów jego poziomu. Wszystkie analizy dla stanu istniejącego i sytuacji docelowej (przy peánym wykonaniu uwarunkowaĔ planu) pochodzą jedynie z opracowaĔ towarzyszących, m.in. SUiKZP. NaleĪy podkreĞliü, Īe w omawianych opracowaniach nie przeprowadza siĊ precyzyjnych analiz akustycznych poziomu dĨwiĊku generowanego przez ustalone projektem planu Ĩródáa haáasu [11]. Wszystkie propozycje ochrony akustycznej, tj. ekrany akustyczne, minimalne odlegáoĞci lokalizacji terenów wraĪliwoĞci od Ĩródeá dĨwiĊku, nie wynikają z obliczeĔ, a są jedynie interpretacją cząstkowych, maáo wiarygodnych danych [12]. Praktyka zawodowa, szereg prac badawczych oraz wnikliwa analiza treĞci opracowaĔ ekofizjograficznych, raportów o stanie Ğrodowiska dla poszczególnych województw oraz studium uwarunkowaĔ dla gmin wskazują na brak w nich dostatecznej diagnozy Ğrodowiska akustycznego analizowanej przestrzeni zurbanizowanej. W związku z tym proponuje siĊ uwzglĊdniü w procesie tworzenia MPZP (rys. 2) strategiczną mapĊ akustyczną (SMA) poprzez nastĊpujące rozwiązania projektowe (rys. 3): 1) SMA jako wierzytelne Ĩródáo informacji o poziomie haáasu powinno zostaü wáączone do materiaáów wejĞciowych procedury tworzenia MPZP (faza 0); Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Koncepcja wykorzystania strategicznej mapy akustycznej... 243 2) przy sporządzaniu prognozy oddziaáywania na Ğrodowisko naleĪy wprowadziü analizy SMA uwzglĊdniające poziom dĨwiĊku pochodzący z ustalonych projektem planem Ĩródeá haáasu (faza 3); 3) po analizach prognozy zaleca siĊ ponowne przeanalizowanie ustaleĔ projektu planu pod kątem zachowania standardów akustycznych dla obszarów wraĪliwoĞci (faza 3). Korzystając z SMA otrzymuje siĊ mierzalne wartoĞci poziomu haáasu wyraĪone w decybelach, co prowadzi do przejrzystego i weryfikowalnego zamieszczenia wniosków w prognozach. Tym samym zapobiega to powszechnej, wysoce nieprawidáowej praktyce stosowania w niej maáo precyzyjnych stwierdzeĔ dotyczących klimatu akustycznego, tj. duĪy, maáy, silny, sáaby do stanu istniejącego oraz dla sytuacji docelowej: prawdopodobnie na tym samym poziomie, pozostający bez zmian – bez podawania wartoĞci okreĞlających ten stan rzeczy. Rys. 3. Etapy opracowania MPZP z uwzglĊdnieniem SMA (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 3. Stages of LLUP including the SNM (source: own work) 244 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska ZAKOēCZENIE I WNIOSKI KOēCOWE Problem wpáywu klimatu akustycznego na proces tworzenia przestrzeni miejskiej oraz przedstawienie schematu etapów opracowania MPZP z uwzglĊdnieniem strategicznej mapy akustycznej (SMA) umoĪliwia sformuáowanie nastĊpujących wniosków: 1. W procesie tworzenia MPZP problem haáasu Ğrodowiskowego i ochrony przed nim nie jest dostatecznie rozpoznany. 2. SMA jest cennym i niezastąpionym Ĩródáem informacji o poziomie haáasu i powinna byü wykorzystywana przez urbanistów w procesie planowania przestrzeni miasta w myĞl zasad zrównowaĪonego rozwoju i áadu przestrzennego. 3. Wszystkie analizy klimatu akustycznego otoczenia, w ramach którego ma zastaü uchwalony plan miejscowy odbywają siĊ intuicyjne na podstawie niekompletnych materiaáów. Sytuacja ta dotyczy stanu istniejącego oraz stanu prognostycznego – po peánej realizacji ustaleĔ planu. 4. SMA umoĪliwia weryfikacjĊ wniosków zawartych w prognozie oddziaáywania na Ğrodowisko w zakresie ochrony przed haáasem, poniewaĪ daje mierzalne wartoĞci jego poziomu. W konsekwencji pozwala na trafne okreĞlenie granic obszarów o róĪnym sposobie zagospodarowania, w szczególnoĞci terenów wraĪliwoĞci, gdzie naleĪy utrzymaü standardy akustyczne okreĞlone przez ustawodawcĊ. 5. Zaletą wykorzystania SMA w procesie tworzenia MPZP jest moĪliwoĞü weryfikacji ustaleĔ koncepcji rozwiązaĔ przestrzennych pod kątem ochrony przed haáasem oraz póĨniejsze ich uwzglĊdnienie w projekcie planu. WstĊpne wyniki badaĔ potwierdziáy koniecznoĞü uwzglĊdnienia wpáywu poziomu haáasu w dziaáaniach związanych z planowaniem przestrzeni zurbanizowanej, szczególnie jego poziomu prognostycznego wynikającego z ustaleĔ miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego. Zmiany zachodzące w przestrzeni (w tym towarzyszący im haáas) są zjawiskiem dynamicznym, w związku z tym pojawia siĊ koniecznoĞü ciągáego ich monitorowania. Rzetelna informacja w zakresie zmian poziomu haáasu Ğrodowiskowego jest niezbĊdna uczestnikom przestrzeni w podejmowaniu wáaĞciwych decyzji inwestycyjnych, jak równieĪ urbanistom w tworzeniu przyjaznego mieszkaĔcom miasta speániającego zaáoĪenia zrównowaĪonego rozwoju. Po wejĞciu w Īycie zapisów Dyrektywy 2002/49/WE dotyczących tworzenia SMA w aglomeracjach powyĪej 100 tys. mieszkaĔców dostĊp do precyzyjnych danych akustycznych niebudzących wątpliwoĞci staje siĊ áatwiejszy. Wykorzystanie nowego Ĩródáa informacji w procesie tworzenia MPZP pozwoli trafniej okreĞliü granice obszarów o róĪnym sposobie zagospodarowania, w szczególnoĞci terenów wraĪliwoĞci, gdzie zgodnie z rozporządzeniem poziom haáasu nie moĪe przekroczyü wartoĞci dopuszczalnych [13]. Peáne rozeznanie tematyki wpáywu poziomu haáasu Ğrodowiskowego na proces tworzenia przestrzeni miejskiej wymaga dalszych badaĔ i analiz. Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Koncepcja wykorzystania strategicznej mapy akustycznej... 245 LITERATURA [1] Adams M., Cox T., Croxford B., Rafae M., Sharples S., 2006. Sustainable soundscapes: noise policy and urban experience. Urban Studies 43(13), 2385-2398. [2] Arana M., San Martin R., San Martin M.L., 2010. Strategic noise map of a major road carried out with two environmental prediction software packages. Environmental Monitoring and Assessment 163(1-4), 503-513. [3] Cymerman R. (red.), 2010. Podstawy planowania przestrzennego i projektowania urbanistycznego. UWM Olsztyn. [4] Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady Europejskiej z dnia 25 czerwca 2002 r. odnosząca siĊ do oceny i zarządzania poziomem haáasu w Ğrodowisku (Dz.U. WE L 189 z dnia 18 lipca 2002 r.). [5] Fyhri A., Aasvang G.M., 2010. Noise, sleep and poor health: modeling the relationship between road traffic noise and cardiovascular problems. Sci. Total Environ. 408(21), 4935-4942. [6] Italo C. Montalvão Guedes, Stelamaris R. Bertoli, Paulo H.T. Zannin. 2011. Influence of urban shapes on environmental noise: A case study in Aracaju – Brazil. Sci. Total Environ. 412-413, 66-76. [7] Krajewska M., SzopiĔska K., 2012. Noise Level in Relation to Real Estate Prices in Selected Settlements in Poland. FIG Working Week, Knowing to manage the territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage, Rome, Italy, 6-10 May, http://www.fig.net/pub/fig2012/papers/ts06h/TS06H_krajewska_szopinska_ 5538.pdf. (access: 23 may, 2012). [8] KwiecieĔ J., SzopiĔska K., Sztubecka M., 2010. Problem ochrony przed haáasem na terenach zurbanizowanych na przykáadzie miasta Bydgoszcz. Ekologia i Technika XVIII(4), 205-212. [9] Lebiedowska B., 2005. Acoustic background and transport noise in urbanised areas: A note on the relative classification of the city soundscape. Transportation Research Part D 10, 341-345. [10] PapiĔska E., 2007. Rola opracowaĔ ekofizjograficznych w procesie planowania przestrzennego. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Czasopismo Techniczne A 7, 185-190. [11] Paszkowski W., 2011a. Elementy planowania przestrzennego w projektowaniu Ğrodowiska akustycznego na terenach zurbanizowanych. Management Systems in Production Engineering 3(3), 33-37. [12] Paszkowski W., 2011b. Powiązanie mapy akustycznej z planowaniem przestrzennym. VI Seminarium CMAM, 17.02.2011, Zabrze. [13] Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 1 paĨdziernika 2012 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie dopuszczalnych poziomów haáasu w Ğrodowisku (Dz.U. Nr 0, poz. 1109). [14] Souza L.C., Giunta M.B., 2011. Urban indices as environmental noise indicators. Computers. Environment and Urban Systems 35(5), 421-430. [15] Ustawa z dnia 23 marca 2003 r. o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym (Dz.U. z 2003 r. Nr 80, poz. 717). [16] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo Ochrony ĝrodowiska (Dz.U. z 2008 r. Nr 25, poz. 150, z póĨn. zm.). 246 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [17] Xie D., Liu Y., Chen J., 2011. Mapping urban environmental noise: a land use regression method. Environmental Science & Technology 45(17), 7358-7364, September. [18] Yu C., Kang J., 2011. Acoustic Sustainability in Urban Residential. 3rd International Conference on Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT 2011), Procedia Environmental Sciences 10, 471-477. THE CONCEPT OF USING THE STRATEGIC NOISE MAP IN THE PROCESS OF LOCAL LAND USE PLANS Abstract. In the territory of Poland spatial planning policies are described by a system of planning documents controlled by Spatial Planning and Land Development Act of 27 March 2003 As for communal local legal regulations being the support for urban development, it is the Local Land Use Plan (LLUP). When analyzing the development process of Polish cities, an obvious conclusion emerges about the lack of complex studies and researches of the environment concerning the issue of acoustic climate. The procedures of development of LLUP involve merely a general diagnosis of an environment excluding measured values of pollution, including noise levels. The main aim of this article is to introduce the issue of the influence that acoustic climate has on the urban space planning with the application of Strategic Noise Map (SNM). The map enables holistic assessment of the degree to which urban areas are exposed to noise, determines its sources and forecasts variations of its levels. Moreover, stages of an LLUP implementations have been suggested with the use of an SNM, being a tool made for assisting the process of environmental noise level. Applying SNM in verification of conceptual space arrangements in terms of protection against noise in the preparation of LLUP as well as their further application in the plan is a considerable advantage. The noise map is a valuable and irreplaceable source of information about noise levels and thus should be applied by urban planners in the process of urban space planning according to principles of sustainable development and spatial order. Key words: spatial planning, environmental noise, acoustic climate, strategic noise map, local land use plan TECHNOLOGIA GIS W TWORZENIU STRATEGICZNEJ MAPY AKUSTYCZNEJ Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska* 12 Streszczenie. W pracy omówiono zagadnienia związane z pojĊciem systemów informacji geograficznej (GIS) oraz przedstawiono problem ochrony przed haáasem Ğrodowiskowym w Polsce ze szczególnym uwzglĊdnieniem Strategicznej Mapy Akustycznej (SMA). Scharakteryzowano elementy bazy danych GIS pomocne przy okreĞlaniu poziomu haáasu w Ğrodowisku oraz metodykĊ tworzenia SMA z wykorzystaniem danych geoinformacyjnych. Zaprezentowane takĪe wyniki badaĔ klimatu akustycznego budynków Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy. Analizy przeprowadzono na podstawie bazy danych GIS oraz dostĊpnych map akustycznych miasta Bydgoszczy. Sáowa kluczowe: systemy informacji geograficznej, dane geoinformacyjne, haáas Ğrodowiskowy, strategiczna mapa akustyczna, klimat akustyczny WPROWADZENIE Koniec dwudziestego wieku byá okresem fascynującego rozwoju technik i technologii umoĪliwiających dostĊp do danych charakteryzujących Ğwiat. Elektroniczne urządzenia uáatwiają inwentaryzacjĊ zasobów otaczającej przestrzeni, które mogą byü wykorzystywane w teoretycznych badaniach i praktycznym rozwiązywaniu problemów. Do koĔca lat 80. ubiegáego wieku stosowano tradycyjne metody zbierania danych o przestrzeni (np. zdjĊcia fotograficzne, mapy papierowe). Z początkiem lat dziewiĊüdziesiątych sytuacja ta radykalnie zaczĊáa siĊ zmieniaü dziĊki rozwojowi systemów informacji geograficznej, które dostarczając dane o Ziemi w postaci cyfrowej, pozwalają na globalną wymianĊ informacji dziĊki sieciom komputerowym (internet). Obserwowana tendencja do przyspieszania rozwoju infrastruktury informacyjnej dotyczy równieĪ zagadnieĔ związanych z ochroną Ğrodowiska, w tym przeciwdziaáania ponadnormatywnemu poziomowi haáasu Ğrodowiskowego. Zgodnie z zapisami dyrektywy 2002/49/WE podstawowym narzĊdziem w ochronie przed haáasem jest strategiczna mapa akustyczna. Obszerna analiza stanu Ğrodowiska niezbĊdna przy jej tworzeniu wskazuje na celowoĞü wykorzystania danych geoinformacyjnych. Ich zastosowanie umoĪliwia wprowadzenie jednolitych zasad gromadzenia i archiwizacji wyników pomiarów, obliczeĔ oraz analiz wielkoĞci charakteryzujących stan przestrzeni zurbanizowanej i oddziaáywania poziomu haáasu. * dr hab. inĪ. Janusz KWIECIEē, prof. UTP, mgr inĪ. Kinga SZOPIēSKA, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska UTP, e-mail: [email protected], [email protected] 248 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska SYSTEMY INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ Definicja pojĊcia systemy informacji geograficznej (ang. Geographical Information Systems – GIS) wymaga szerszego omówienia. NaleĪy zwróciü szczególną uwagĊ na okreĞlenie „system informacji” (lub „system informacyjny”) oraz sprecyzowanie terminu „geograficzny”. OkreĞlenie geograficzny jest uĪywane w odniesieniu do danych, które są okreĞlone pod wzglĊdem geograficznym, czyli wzglĊdem Ziemi [2, 12]. PrzestrzeĔ, w której dane te są identyfikowane, moĪe byü trójwymiarowa lub dwuwymiarowa, np. sprowadzona do páaszczyzny lub powierzchni elipsoidy ziemskiej, gdy trzeci wymiar í wysokoĞü í jest pomijany. Dodatkowy wymiar stanowi czas niezbĊdny do przedstawienia zmiennoĞci danych [4]. System informacyjny moĪna natomiast okreĞliü jako áaĔcuch operacji, na który skáadają siĊ: planowanie obserwacji i gromadzenie danych, magazynowanie i operowanie danymi oraz ich analiza i w efekcie wykorzystanie posiadanych danych procesach podejmowania decyzji. System informacyjny jako zbiór danych i narzĊdzi do ich przetwarzania moĪna przedstawiü w postaci analogowej (np. rĊkopis, slajdy fotograficzne) lub teĪ cyfrowej (np. binarny zapis komputerowy). Wprawdzie systemy informacji geograficznej teoretycznie nie muszą opieraü siĊ na technologii komputerowej, jednak trudno dzisiaj sobie wyobraziü funkcjonowanie takich systemów bez informatycznego zaplecza. Technologia zarządzania geoinformacją rozwijaáa siĊ w wielu dyscyplinach. Geograficzne systemy rysunkowe (o rozbudowanych moĪliwoĞciach graficznych), analityczne (mające narzĊdzia analizy przestrzennej) i statystyczne (z mechanizmami zarządzania bazą danych) rozwijane byáy niezaleĪnie, począwszy od lat 50. i 60. ubiegáego wieku. Gáównym problemem, jaki rozwiązaü musieli informatycy tworzący takie systemy, byá wydajny sposób przetwarzania danych przestrzennych. W początkach rozwoju GIS widaü byáo jego silny związek z istniejącymi i tworzonymi systemami inĪynieryjnymi. ZaleĪnoĞü ta szczególnie uwidoczniáa siĊ w poszczególnych pracach nad metodami wizualizacji danych, interfejsu graficznego i graficznych urządzeniach wyjĞciowych. Standardem staáa siĊ stworzona w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w póĨnych latach 50. technologia wspomaganego komputerowo projektowania (CAD í Computer Aided Drafting). Systemy CAD, które przeznaczone byáy gáównie do graficznych opracowaĔ projektowych, nie speániają jednak wymagaĔ stawianych oprogramowaniu systemów informacji geograficznej. Dopiero w ciągu ostatnich kilkunastu lat uksztaátowaá siĊ miĊdzynarodowy rynek oprogramowania sáuĪącego systemom informacji geograficznej. DostĊpna jest juĪ znaczna liczba pakietów oprogramowania, nazywanych systemami informacji geograficznej. WĞród osób zajmujących siĊ w Polsce problematyką systemów informacji geograficznej nie ma jednomyĞlnoĞci, co do definicji i zakresu znaczeniowego tego pojĊcia. Po czĊĞci wynika to ze stosunkowo krótkiej obecnoĞci tych systemów na naszym rynku i niedostatecznej iloĞci dobrych polskich opracowaĔ na ich temat. Jest to teĪ efektem (a takĪe przyczyną) róĪnic znaczeniowych miĊdzy Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 249 angielskimi terminami (GIS, LIS í ang. Land Information System) a ich polskimi odpowiednikami. Obecnie funkcjonują nastĊpujące definicje GIS: „GIS jest systemem przeznaczonym do zbierania, przechowywania, weryfikacji, integrowania, manipulowania, analizy i wizualizacji danych przestrzennie odniesionych do powierzchni Ziemi”. „GIS jest zautomatyzowanym systemem do gromadzenia, przechowywania, wyszukiwania, analizowania i wyĞwietlania danych przestrzennych”. Z cytowanych powyĪej definicji wynikają trzy gáówne cechy systemu GIS: x udostĊpnia on mechanizmy wprowadzania, gromadzenia i przechowywania danych przestrzennych oraz zarządzania nimi, zapewnia integralnoĞü i spójnoĞü oraz pozwala na ich wstĊpną weryfikacjĊ, x na podstawie zgromadzonych w systemie danych moĪliwe jest przeprowadzenie specyficznych analiz opierających siĊ m.in. na relacjach przestrzennych miĊdzy obiektami, x wyniki analiz przestrzennych i operacji charakterystycznych dla programów obsáugujących bazy danych mogą byü przedstawione w postaci opisowej (tabelarycznej) lub graficznej (mapa, diagramy, wykresy, rysunki), stąd cechą GIS jest wizualizacja i udostĊpnianie informacji przestrzennych w Īądanej postaci. Dla wielu osób system informacji geograficznej oznacza zupeánie odmienne spojrzenie na informacje. Integruje on sprzĊt komputerowy, oprogramowanie, dane i zasoby ludzkie, dając nowe perspektywy kreatywnego rozwiązywania skomplikowanych problemów. System informacji geograficznej powinien byü rozumiany nie tylko jako kombinacja sprzĊtu i oprogramowania, której funkcjonalnym celem jest przetwarzanie danych przestrzennych. GIS, zgodnie z koncepcją systemową, skáada siĊ z piĊciu wzajemnie powiązanych elementów: sprzĊtu komputerowego, oprogramowania, danych, zasobów ludzkich metod (zadaĔ). KoncepcjĊ tĊ ilustruje rysunek 1. Brak choüby jednego z tych podsystemów wyklucza sprawne dziaáanie systemu jako caáoĞci. oprogramowanie GIS sprzĊt ludzie zadania dane Rys. 1. Koncepcja systemowa GIS (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 1. The system concept of GIS (source: own work) 250 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Ze wzglĊdu na zawrotne w ostatnich latach tempo rozwoju technologii komputerowych standardowe konfiguracje sprzĊtowe GIS podlegają szybkiej dezaktualizacji. Zacierają siĊ wyraĨne jeszcze na początku lat 90. róĪnice miĊdzy komputerami osobistymi, mikrokomputerami a stacjami roboczymi. Aktualnie tylko od specyfiki realizowanych zadaĔ zaleĪy klasa sprzĊtu do realizacji GIS. Istotne funkcje GIS to wprowadzanie danych i uzyskiwanie produktu koĔcowego, dlatego do niezbĊdnych elementów sprzĊtu komputerowego GIS naleĪą urządzenia sáuĪące do wprowadzania i wyprowadzania danych (np. skanery, plotery). Oprogramowanie peáni rolĊ integratora podsystemów GIS. Musi umoĪliwiaü realizacjĊ piĊciu podstawowych funkcji GIS: wprowadzania danych przestrzennych i opisowych, wstĊpnego ich przetwarzania, przechowywania danych, analizy i prezentacji wyników (tworzenia produktu koĔcowego). Dane stanowią najwaĪniejszy i najbardziej wartoĞciowy element systemów informacji geograficznej. Immanentną cechą GIS jest zdolnoĞü integracji danych przestrzennych i atrybutowych (opisowych), co ma zasadnicze znaczenie przy realizacji funkcji analitycznych i prezentacji wyników. Pozyskanie odpowiednich danych do realizacji celów danego GIS jest z reguáy procesem dáugotrwaáym, pocháaniającym wiĊkszą czĊĞü kosztów związanych z opracowaniem GIS. PóĨniejsze utrzymanie bazy danych wymaga w wiĊkszoĞci przypadków znacznie mniejszych nakáadów. KaĪdy kompleksowy system informacji geograficznej realizowany jest wokóá celów i zadaĔ przed nim postawionych. WáaĞciwe rozpoznanie potrzeb i dokáadne okreĞlenie wymagaĔ, jakie powinien speániaü GIS, warunkuje sukces caáego przedsiĊwziĊcia. WáaĞnie takie zadania związane z wykorzystaniem informacji przestrzennych i rozpoznane metody ich realizacji rzutują na klasĊ i rodzaj wymaganego sprzĊtu i oprogramowania oraz wymagania kadrowe. Pakiet oprogramowania GIS sam w sobie nie pozwala na realizacjĊ konkretnych zadaĔ, specyficznych dla danego uĪytkownika í z reguáy konieczne jest stworzenie specjalistycznych aplikacji, bazujących na rozwiązaniach oferowanych przez oprogramowanie GIS. Sprzyja temu otwarta struktura wspóáczesnych programów GIS, pozwalająca na praktycznie dowolne rozszerzanie moĪliwoĞci systemu poprzez opracowywanie dodatkowych moduáów, przy wykorzystaniu niezaleĪnych bądĨ wbudowanych jĊzyków programowania. STRATEGICZNA MAPA AKUSTYCZNA W OCHRONIE PRZED HAàASEM ĝRODOWISKOWYM Zgodnie z zapisami prawa Ğrodowisko jako ogóá elementów przyrodniczych, w tym równieĪ przeksztaáconych w wyniku dziaáalnoĞci czáowieka podlega ochronie polegającej na podjĊciu lub zaniechaniu dziaáaĔ umoĪliwiających zachowanie lub przywrócenie równowagi przyrodniczej w myĞl zasad zrównowaĪonego rozwoju [23]. Haáas jako zanieczyszczenie Ğrodowiska jest jednym z najwiĊkszych problemów Ğrodowiskowych. ĝwiatowa Organizacja Zdrowia (WHO) uplasowaáa go na trzecim miejscu wĞród wszystkich zagroĪeĔ. WyĪej Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 251 znalazáy siĊ jedynie gazowe zanieczyszczenia powietrza oraz zanieczyszczenia wód. Pomimo znacznych obniĪeĔ emisji zjawisk dĨwiĊkowych w latach 70. ubiegáego wieku haáas nadal stanowi jeden z gáównych problemów Ğrodowiskowych. W chwili obecnej co trzeci mieszkaniec Europy naraĪony jest na ponadnormatywny poziom haáasu [17]. Analizując wyniki wielu prac badawczych oraz wyniki publikacji WHO z marca 2010 roku moĪna stwierdziü, Īe uciąĪliwoĞü akustyczna na terenie paĔstw europejskich nadal wystĊpuje w duĪym stopniu [7, 15, 17]. Do najbardziej dokuczliwej akustycznie grupy Ĩródeá zalicza siĊ haáas pochodzenia drogowego [11, 20], aĪ 16% ludnoĞci europejskiej zamieszkującej aglomeracje powyĪej 250 tys. mieszkaĔców naraĪona jest na szkodliwy poziom tego rodzaju dĨwiĊku. Odziaáywanie pozostaáych Ĩródeá, jak np. haáas lotniczy i przemysáowy wynosi 0,1%, a szynowy 1,0% [15]. Sadowski i Szudrowicz [19] zespóá zjawisk akustycznych powstających w Ğrodowisku zewnĊtrznym nazwali „klimatem akustycznym Ğrodowiska przyrodniczego”. Podstawą prawidáowego ksztaátowania Ğrodowiska akustycznego jest formowanie optymalnych dla potrzeb zdrowia i dziaáalnoĞci czáowieka warunków akustycznych. Na wynik wartoĞciowania haáasów Ğrodowiskowych, bĊdących skáadowymi klimatu akustycznego wpáywają dĨwiĊki pochodzące z róĪnych grup Ĩródeá, w tym m.in.: haáas drogowy, kolejowy, lotniczy, wodny i przemysáowy. Haáas o ponadnormatywnym dziaáaniu ma wpáyw na jedną trzecią mieszkaĔców Polski. ZasiĊg negatywnego oddziaáywania obejmuje 21% powierzchni kraju [8]. Podobnie jak w innych paĔstwach europejskich tak i w Polsce problem haáasu drogowego jest najwiĊkszy. Zgodnie z danymi zamieszczonymi na portalu NOISE [15] aĪ 36% Polaków mieszkających w aglomeracjach powyĪej 250 tys. mieszkaĔców naraĪona jest na ponadnormatywny poziom haáasu drogowego. Prawie poáowa ludnoĞci Warszawy, tj. 47,7% oraz 20% mieszkaĔców Bydgoszczy i Gdyni naraĪona jest na szkodliwe dziaáanie ruchu drogowego. Nieco mniejsze wartoĞci wystĊpują we Wrocáawiu i Biaáymstoku. Najmniejszy odsetek mieszkaĔców naraĪonych na haáas drogowy zanotowano w Poznaniu – 6,3%, Szczecinie – 7,5%, Krakowie – 7,7% oraz àodzi – 8,6% [15]. Poziom haáasu Ğrodowiskowego moĪna zaprezentowaü na mapach haáasu realizowanych w odpowiedniej skali z przedstawieniem usytuowania budynków, sieci infrastruktury komunikacyjnej oraz lokalizacją obszarów przemysáowych. SzczegóáowoĞü map zaleĪy od istniejącego oraz planowanego sposobu uĪytkowania terenu podlegáemu badaniu. Na mapie w sposób graficzny przedstawia siĊ strefy zasiĊgu haáasu. Są to obszary, dla których wartoĞü dáugotrwaáego Ğredniego poziomu dĨwiĊku z korekcją zawiera siĊ miĊdzy dwoma okreĞlonymi poziomami, np. 55-60 dB [16]. Zgodnie z dyrektywą 2002/49/WE [1] opracowaniem kartograficznym prezentującym w sposób przestrzenny strefy zasiĊgu szkodliwych dĨwiĊków w Ğrodowisku jest strategiczna mapa akustyczna (SMA). W myĞl tej dyrektywy SMA to uĞredniona mapa haáasu emitowanego do Ğrodowiska przez róĪne grupy Ĩródeá, dająca moĪliwoĞü caáoĞciowej oceny stopnia zagroĪenia haáasem na terenie miasta, moĪliwoĞü stwierdzenia przyczyn tego stanu oraz moĪliwoĞü realizacji ogólnych prognoz zmian haáasu. Na jej 252 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska podstawie moĪna równieĪ tworzyü záoĪone wskaĨniki oceny zagroĪenia haáasem poprzez okreĞlenie liczby osób naraĪonych na dziaáanie haáasu przekraczającego wartoĞü dopuszczalną na danym terenie. Strategiczna mapa akustyczna wpisuje siĊ we wszystkie kluczowe obszary polityki ochrony przed haáasem [14]. Odnosi siĊ do caáoĞciowej oceny naraĪenia ludnoĞci na haáas w podziale na Ĩródáa powstawania dĨwiĊku w Ğrodowisku. Stanowi podstawĊ przy tworzeniu planów ochrony przed haáasem oraz jest udostĊpniona spoáeczeĔstwu na stronach internetowych [21]. W opinii Kompaáy [10] SMA zawiera w sobie dane wykorzystywane do globalnego szacowania sytuacji na danym obszarze albo do ogólnych przewidywaĔ dotyczących takiego obszaru pochodzących z mapy akustycznej. OcenĊ stanu klimatu akustycznego w SMA wykonuje siĊ na podstawie wyników pomiarów poziomów haáasu okreĞlonych wskaĨnikami haáasu LDWN i LN [23]. Proces tworzenia SMA jest czasocháonną analizą danych demograficznych oraz danych dotyczących sposobu zagospodarowania i uĪytkowania terenu [9]. Obliczenia do jej sporządzenia wykonuje siĊ przy uĪyciu specjalistycznego oprogramowania komputerowego do analiz akustycznych np.: IMMI, CadnaA, SoundPlan, Mithra, ArcAkus itd. na podstawie bazy danych GIS [10, 13, 14]. PaĔstwa czáonkowskie Unii Europejskiej zostaáy zobligowane poprzez zapisy dyrektywy 2002/49/WE [1] do opracowania strategicznych map akustycznych z zastrzeĪeniem nastĊpujących terminów realizacji: do 30 czerwca 2007 roku – dla aglomeracji o liczbie mieszkaĔców przekraczającej 250 tys. oraz do 30 czerwca 2012 roku – dla wszystkich aglomeracji na swym terytorium1.3W polskim prawodawstwie ustalenia te potwierdza artykuá 117 Ustawy Prawo Ochrony ĝrodowiska [23]. Na terenie Polski dla wszystkich aglomeracji liczących powyĪej 100 tys. mieszkaĔców opracowano strategiczną mapĊ akustyczną. Strategiczna mapa akustyczna rozumiana jako system zawiera czĊĞü opisową i graficzną. W czĊĞci opisowej znajduje siĊ: charakterystyka obszaru podlegającego ocenie wraz z identyfikacją i charakterystyką Ĩródeá haáasu; uwarunkowania akustyczne wynikające z planu miejscowego oraz metody, oceny, zestawienia wyników badaĔ z analizą trendów zmian stanu akustycznego Ğrodowiska oraz identyfikacją terenów zagroĪonych haáasem. CzĊĞü graficzna zbudowana jest z szeregu map akustycznych, tj.: mapy charakteryzujące haáas emitowany z poszczególnych grup Ĩródeá, mapy stanu akustycznego Ğrodowiska, mapy obszarów cichych24oraz mapy terenów zagroĪonych haáasem [13]. PoniĪej przedstawiono niektóre sugestie zawarte w zaáączniku nr IV dyrektywy [1], które dotyczą realizacji strategicznej mapy akustycznej. 1 2 W rozumieniu Dyrektywy 2002/49/WE aglomeracja oznacza czĊĞü terytorium o liczbie mieszkaĔców przekraczającej 100 tysiĊcy i gĊstoĞci zaludnienia powodującej, Īe PaĔstwo Czáonkowskie uznaje je za teren zurbanizowany [1]. Obszary ciche to takie, na których poziom haáasu jest prawidáowy, tzn. nie przekracza wartoĞci dopuszczalnych okreĞlonych przez ustawodawcĊ. Dla tych terenów w strategicznej mapie akustycznej przedstawia siĊ dziaáania utrzymujące wartoĞü dĨwiĊku na co najmniej istniejącym poziomie [1]. Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 253 1. Dane zawarte w strategicznej mapie akustycznej powinny obejmowaü nastĊpujące zagadnienia: ocena istniejącego, przeszáego lub prognozowanego stanu klimatu akustycznego okreĞlonego za pomocą wskaĨnika haáasu, ustalenie przekroczeĔ wartoĞci dopuszczalnych, szacunkowe ustalenie liczby lokali mieszkalnych, szkóá i szpitali na danym obszarze, na które oddziaáuje haáas o okreĞlonej wartoĞci, oszacowanie liczby ludzi zamieszkaáych na obszarze naraĪonym na haáas. 2. Strategiczne mapy haáasu mogą byü prezentowane spoáeczeĔstwu jako: materiaá graficzny, zestaw danych numerycznych zawartych w tabelach (wydruki). 3. Strategiczne mapy haáasu dla aglomeracji powinny káaĞü szczególny nacisk na haáas emitowany przez: ruch drogowy, ruch kolejowy, porty lotnicze, obszary dziaáalnoĞci przemysáowej, áącznie z portami. Zgodnie z artykuáem 119 ustawy Prawo Ochrony ĝrodowiska strategiczna mapa akustyczna stanowi podstawĊ do sporządzenia i aktualizacji programów ochrony przed haáasem [1]. Program ten tworzy siĊ dla terenów zagroĪonych haáasem. Jego celem jest dostosowanie poziomu haáasu do wielkoĞci dopuszczalnych. Szczegóáowe wytyczne dotyczące planów dziaáaĔ oraz metodykĊ jego wykonania okreĞla Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 14 paĨdziernika 2002 r. w sprawie szczegóáowych wymagaĔ, jakim powinien odpowiadaü program ochrony Ğrodowiska przed haáasem [18]. Programy te muszą równieĪ uwzglĊdniaü zapisy pozostaáych aktów prawnych regulujących zagadnienia związane z ochroną przed haáasem [23]. Opracowanie to skáada siĊ z trzech czĊĞci. Pierwsza z nich – opisowa í zawiera informacje dotyczące: charakterystyki obszaru badaĔ, naruszeĔ dopuszczalnych poziomów haáasu w Ğrodowisku, kierunków i zakresów dziaáaĔ niezbĊdnych do przywrócenia odpowiedniego stanu akustycznego badanego terenu, kosztów realizacji programu oraz Ĩródeá finansowania. Druga czĊĞü programu ochrony przed haáasem zawiera wykaz organów administracji odpowiedzialnych za wydawanie aktów prawa miejscowego, monitorowanie realizacji programu lub jego etapów oraz wydawanie decyzji, których ustalenia zmierzają do osiągniĊcia celów programu. Trzecia czĊĞü zawiera dane i wnioski wynikające ze strategicznej mapy akustycznej, w tym: informacje o gĊstoĞci zaludnienia, zakres przekroczeĔ poziomu haáasu, charakterystykĊ techniczno-akustyczną Ĩródeá mających negatywny wpáyw na poziom haáasu w Ğrodowisku, analizĊ materiaáów, dokumentów, publikacji i niezrealizowanych czĊĞci programu wraz z przyczynami braku realizacji. W programie ochrony okreĞla siĊ i ocenia powstającą emisjĊ haáasu z eksploatacji zakáadów, urządzeĔ, ciągów komunikacyjnych. W badaniach uwzglĊdniony jest haáas powstający przed i po 254 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska realizacji zadaĔ programu z uwzglĊdnieniem liczby mieszkaĔców oraz efektywnoĞci ekonomiczno-ekologicznej. Problem ochrony przed haáasem Ğrodowiskowym jest istotny nie tylko dla wáadz paĔstw europejskich. W wielu miastach spoza Europy istnieją mapy akustyczne pomagające w zachowaniu wáaĞciwego klimatu akustycznego. W krajach rozwijających siĊ Ameryki Poáudniowej pomimo braku ustaleĔ legislacyjnych w zakresie tworzenia SMA i niepeánej informacji kartograficznej powstają mapy akustyczne. Przykáadem mogą byü miasta brazylijskie, tj. Belém, Rio de Janeiro, Sorocaba czy Curitiba [5, 24]. ZASTOSOWANIE DANYCH GEOINFORMACYJNYCH W PROCESIE TWORZENIA STRATEGICZNEJ MAPY AKUSTYCZNEJ Charakterystyka GIS dla SMA Analiza stanu Ğrodowiska akustycznego, záoĪonoĞü jego opisu i charakterystyki przy istniejących i rozwiniĊtych podstawach teoretycznych emisji i propagacji haáasu w zróĪnicowanych warunkach terenowych, a takĪe wymagania wynikające z krajowych i miĊdzynarodowych przesáanek legislacyjnych wskazują na celowoĞü zastosowania komputerowego systemu informacji geograficznej GIS jako podstawy metodologicznej do budowy Strategicznej Mapy Akustycznej (SMA) w aglomeracjach miejskich. Technologia GIS áącząca cyfrowe mapy analizowanego terenu z relacyjnymi bazami danych umoĪliwia nie tylko zastosowanie ujednoliconych zasad gromadzenia i archiwizacji wyników pomiarów i analiz, ale takĪe zapewnia moĪliwoĞü automatycznego wykonywania obliczeĔ związanych z wyznaczaniem wskaĨników i innych wielkoĞci charakteryzujących stan Ğrodowiska akustycznego. GIS jako gáówne Ğrodowisko zarządzania przestrzennymi bazami danych jest wykorzystywane w specjalistycznych oprogramowaniach do tworzenia map akustycznych, które zapewniają przestrzenną prezentacjĊ akustycznych sytuacji. Celem projektu bazy danych GIS systemu SMA jest przeprowadzenie obszernej analizy stanu Ğrodowiska potrzebnej przy okreĞleniu dáugookresowych wskaĨników oceny klimatu akustycznego przestrzeni zurbanizowanej dla wszystkich grup Ĩródeá oraz ich prezentacja kartograficzna w postaci cyfrowej mapy akustycznej. Baza danych GIS dla sytemu SMA skáada siĊ z dwóch niezaleĪnych komponentów. Pierwszym z nich jest model pojĊciowy informacji opisowej o stanie przestrzeni zurbanizowanej z przedstawieniem charakterystyki Ĩródeá haáasu. Drugim skáadnikiem jest mapa cyfrowa utworzona na podstawie mapy zasadniczej oraz wysokorozdzielczego zobrazowania satelitarnego QuickBird (podkáadu rastrowego) zawierającego w sobie poszczególne elementy Ğrodowiska z uwzglĊdnionym sposobem zagospodarowania. KoĔcowym etapem tworzenia systemu SMA jest implementacja danych geoinformacyjnych do oprogramowania komputerowego zajmującego siĊ obliczaniem klimatu aku- Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 255 stycznego. Przy tworzeniu bazy danych GIS systemu SMA niezbĊdne są dobrej jakoĞci dane wejĞciowe, które czĊsto są rozproszone, mają róĪnorodne formaty i pochodzą z róĪnych Ĩródeá, np.: x dane w postaci obiektów rozmieszczonych na powierzchni Ziemi, np. sieci komunikacyjne, budynki, zakáady przemysáowe, lotniska, uksztaátowanie terenu; x dane zbierane przez urządzenia rejestrujące (czujniki elektroniczne, kamery), np. urządzenia do pomiaru haáasu, natĊĪenia ruchu drogowego; x dane zbierane bezpoĞrednio przez ludzi, np. szkice polowe, kwestionariusze, ankiety; x dane graficzne o lokalizacji powierzchniowych Ĩródeá haáasu oraz obszarów wraĪliwoĞci akustycznej; x przetworzone dane w postaci analogowej lub cyfrowej, np. mapy, dane statystyczne; x dane czerpane z istniejących systemów informatycznych, np. baza danych GeoKataster. Na rysunku 2 przedstawiono, jak uĪytkownik moĪe utworzyü dziĊki technologii GIS warstwy tematyczne dla SMA na podstawie wybranych atrybutów opisowych. Podczas integracji danych z róĪnych Ĩródeá naleĪy braü pod uwagĊ dwa waĪne aspekty, tj. ograniczonoĞü danych i wystĊpowanie róĪnych ukáadów wspóárzĊdnych. KaĪdy zbiór danych ma wáaĞciwe dla niego ograniczenia. Korzystając z danych Ĩródáowych, naleĪy równieĪ wziąü pod uwagĊ przestrzenną dokáadnoĞü poáoĪenia obiektu, która moĪe zmieniaü siĊ od kilku do kilkuset metrów. W pewnych przypadkach dokáadnoĞü danych moĪe byü za maáo szczegóáowa dla wykonywanego projektu, chociaĪ moĪe byü wystarczająca na etapie wstĊpnych prac badawczych. WaĪne jest teĪ, aby dla caákowicie róĪnych zbiorów danych przyjąü wspólny ukáad wspóárzĊdnych. Technologia GIS dysponuje narzĊdziami do sprowadzania do jednolitego ukáadu geograficzno-kartograficznego (z ang. Coordinate System and Map Projection) [1]. 256 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska Rys. 2. Warstwy tematyczne (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 2. Layered structure of the database (source: own work) Przykáad wykorzystania bazy danych GIS systemu SMA Przedmiotem badaĔ byáy obiekty Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. J.J ĝniadeckich w Bydgoszczy (UTP) mieszczące siĊ na osiedlu Akademickie – Wschód w jednostce Fordon miasta Bydgoszcz oraz ich otoczenie i sąsiedztwo. W strukturze przestrzennej badanego terenu dominuje zabudowa mieszkaniowa wielorodzinna, uzupeániona zabudową usáugową o charakterze podstawowym. Klimat akustyczny badanego terenu ksztaátuje wiele Ĩródeá dĨwiĊku. WyróĪniono haáas pochodzenia drogowego oraz przemysáowego. Podstawowym kryterium wyboru obszaru do badaĔ byáa róĪnorodnoĞü funkcji i sposobów zagospodarowania, znaczny udziaá obszarów wraĪliwoĞci akustycznej, mnogoĞü Ĩródeá haáasu oraz dostĊpnoĞü materiaáów wejĞciowych do sporządzenia systemu strategicznej mapy akustycznej (SMA). Modelowanie baz danych GIS dla systemu SMA badanego terenu rozpoczĊto od wygenerowania mapy cyfrowej wybranego fragmentu miasta. Stworzono klasy obiektów dla sieci dróg, budynków oraz róĪnych sposobów zagospodarowania przestrzeni. Na rysunku 3 przedstawiono fragment wektoryzowanej ortofotomapy obiektów UTP oraz pobliskich ulic (al. Prof. S. Kaliskiego oraz ul. Bydgoskich Olimpijczyków). Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 257 Rys. 3. Wyrys z wektoryzowanej ortofotomapy satelitarnej (kampus Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy), (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 3. A part of vectorized satellite orthophotomap (campus of University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz), (source: own work) Kolejnym etapem tworzenia bazy danych GIS dla systemu SMA byáo okreĞlenie modelu opisowego zawierającego dane o sposobie zagospodarowania terenu, Ĩródáach haáasu oraz obszarach wraĪliwoĞci. Do tego zadania wykorzystano program GeoMedia Professional. Przykáad poáączenia danych opisowych z obiektami graficznymi zlokalizowanymi przestrzennie przedstawia rysunek 4. Zaprezentowano klasĊ obiektów typu powierzchniowego (kompleks UTP) – jako przykáad obszaru wraĪliwoĞci akustycznej í oraz warstwĊ parkingów – jako przykáad powierzchniowego Ĩródáa haáasu. W obu przypadkach w pierwszej kolejnoĞci zdefiniowano klucz gáówny, nastĊpnie przyporządkowano parametry charakteryzujące dany element przestrzeni zurbanizowanej. Dla obiektów UTP okreĞlono liczbĊ pracowników, liczbĊ studentów, funkcjĊ budynku oraz dane adresowe, natomiast dla warstwy parkingów informacje o wáaĞcicielu i maksymalnej liczbie pojazdów osobowych mogących skorzystaü z postoju. Tworzenie SMA przy uĪyciu oprogramowania komputerowego odbywa siĊ na podstawie charakterystyki Ĩródáa dĨwiĊku. Dla haáasu drogowego Ĩródáem tym jest ruch pojazdów na danym odcinku drogi. W bazie opisowej warstwy dróg znajdują siĊ parametry dotyczące charakterystyki badanego odcinka oraz informacje dotyczące ruchu pojazdów. Dane te wprowadzono do bazy opisowej analizowanej warstwy. W ramach systemu GIS-SMA wykonano pomiary równowaĪnego poziomu dĨwiĊku LDWN oraz badania natĊĪenia ruchu drogowego (NRD) szczytu porannego i popoáudniowego na skrzyĪowaniach analizowanego terenu, w rejonie ulic: gen. Wá. Andersa, Akademicka, FordoĔska oraz J. Brzechwy. Do badaĔ wykorzystano caákujący miernik poziomu dĨwiĊku Mediator 2238 firmy Bruel&Kjaer. Z przeprowadzonych badan wynika, iĪ wraz ze wzrostem natĊĪenia 258 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska ruchu drogowego wzrasta poziom haáasu drogowego. NajwiĊkszy ruch pojazdów koáowych odnotowano na skrzyĪowaniu ulic FordoĔskiej í Kaliskiego, gdzie poziom haáasu drogowego wskaĨnika LDWN wyniósá aĪ 75,1 dB. NajniĪszą wartoĞü uzyskano na skrzyĪowaniu ulic Andersa – Igrzyskowa í 66,8 dB. Uzyskane wyniki badaĔ natĊĪenia ruchu drogowego oraz poziomu haáasu drogowego wskaĨnika LDWN wprowadzono do bazy opisowej GIS dla systemu SMA dla odpowiednich odcinków sieci dróg. NastĊpnie bazĊ zaimplementowano do programu CadnaA i na jej podstawie wygenerowano mapy akustyczne haáasu drogowego. Rys. 4. Przestrzenne rozmieszczenie elementów analizowanego terenu z prezentacją atrybutów opisowych (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 4. Spatial distribution of elements of analyzed area with the presentation of attributes descriptive (source: own work) Przy opracowaniu map akustycznych dla miasta Bydgoszczy wykorzystano metody obliczeniowe zalecane przez DyrektywĊ 2002/49/WE [1]. Poziom haáasu drogowego okreĞlono na podstawie metody francuskiej „NMPB-Routes - 96 (SETRA-CERTU-LCPC-CSTB)”. Do ustalenia haáasu szynowego posáuĪono siĊ holenderską metodą obliczeniową SRM II oraz alternatywie dla haáasu tramwajowego normą niemiecką í Schall03 [3, 6, 22]. Haáas przemysáowy obliczono zgodnie z metodą zawartą w normie ISO 9613-2 „Akustyka. Táumienie dĨwiĊku podczas propagacji w przestrzeni otwartej: CzĊĞü 2: Ogólne metody obliczeĔ”3.5Do obliczeĔ haáasu lotniczego zastosowano metodĊ ECAC.CEAC Doc. 29. 3 Zapis normy zgodny z podanym w Dyrektywie 2002/49/WE. JednakĪe norma ma juĪ status normy polskiej (PN). Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 259 Rysunek 5 przedstawia mapĊ dáugookresowego Ğredniego poziomu haáasu drogowego wskaĨnika LDWN. NajwiĊksze wartoĞci odnotowano na ulicy FordoĔskiej, gdzie poziom haáasu przekroczyá 75 dB. Wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego pozwala okreĞliü rozkáad dĨwiĊku w Ğrodowisku. Haáas drogowy równomiernie rozchodzi siĊ w przestrzeni zurbanizowanej. Wraz ze wzrostem odlegáoĞci od osi dróg poziom haáasu maleje i na analizowanym terenie oscyluje w granicach 55-65 dB. Na obszarach najbardziej oddalonych od dróg, umiejscowionych miĊdzy obiektami mieszkalnictwa wielorodzinnego, poziom haáasu drogowego jest najniĪszy i wynosi 50-55 dB. Rys. 5. Wyrys z analizowanego Miejscowego Planu Zagospodarowania Przestrzennego w zestawieniu ze Strategiczną Mapą Akustyczną (istniejący poziom haáasu drogowego – wskaĨnik LDWN), (Ĩródáo: opracowanie wáasne) Fig. 5. Dimensioned drawing of the analyzed Local Land Use Plan in comparison with SNM (existing level of traffic noise – noise indicator Lden), (source: own work) PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOēCOWE Zasadniczym celem realizacji strategicznej mapy akustycznej (SMA) jest uzyskanie aktualnych informacji o stanie akustycznym Ğrodowiska z uwzglĊdnieniem danych nieakustycznych, takich jak demografia oraz sposób zagospodarowania i uĪytkowania terenu. Zgodnie z dyrektywą [1] celem SMA jest stworzenie podstaw dla rozwijania Ğrodków wspólnotowych w zakresie obniĪania haáasu z gáównych Ĩródeá, w szczególnoĞci z taboru drogowego i szynowego oraz ich infrastruktury, samolotów, urządzeĔ pracujących na otwartej przestrzeni i urządzeĔ przemysáowych oraz maszyn i urządzeĔ samobieĪnych. Efek- 260 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska tem prac, realizowanych na zamówienie organów ochrony Ğrodowiska w urzĊdach miast, są: x diagnozy stanu Ğrodowiska akustycznego na obszarze miasta zgodne zarówno z wymaganiami unijnymi, jak i polskimi przepisami ochrony Ğrodowiska, w tym przygotowanie zestawieĔ statystycznych dla potrzeb Komisji Europejskiej i krajowego raportu z wyników procesu mapowania akustycznego; x system techniczno-organizacyjny umoĪliwiający posáugiwanie siĊ mapą akustyczną w zakresie oceny stanu, analizy trendów zmian, ocen wpáywu róĪnego rodzaju inwestycji na zmiany stanu klimatu akustycznego itp.; dane takie niezbĊdne są do opracowania skutecznego programu ochrony Ğrodowiska przed haáasem; x materiaá do informowania spoáeczeĔstwa nt. stanu klimatu akustycznego w miejscu zamieszkania i odpoczynku udostĊpniany na stronie internetowej. Wykonanie mapy akustycznej miasta to zaawansowany technologiczne system GIS w skali odpowiadającej danej aglomeracji. Wymaga to duĪego nakáadu prac związanych z pozyskaniem danych przestrzennych z róĪnych Ĩródeá. W budowie SMA uczestniczą nie tylko róĪne jednostki organizacyjne miasta, ale takĪe instytucje odpowiedzialne za komunikacjĊ w mieĞcie, jak równieĪ zarządcy duĪych zakáadów przemysáowych. Wykonawca mapy akustycznej dane te weryfikuje, uzupeánia i przetwarza dla potrzeb obliczeĔ haáasu. System SMA powinien stanowiü element miejskiego systemu informacji geograficznej. Analiza zebranych informacji o wykorzystaniu danych geoinformacyjnych w procesie tworzenia SMA pozwala sformuáowaü nastĊpujące wnioski: 1. Obszerna analiza komponentów przestrzeni zurbanizowanej niezbĊdna przy tworzeniu SMA wskazuje na celowoĞü wykorzystania technologii GIS jako podstawy metodologicznej jej realizacji. 2. Dane GIS umoĪliwiają wprowadzenie ujednoliconych zasad gromadzenia i archiwizacji wielkoĞci charakteryzujących stan Ğrodowiska, jak równieĪ parametrów wpáywających na poziom haáasu. 3. Do obliczeĔ rozkáadów poziomu haáasu w przestrzeni zurbanizowanej wykorzystuje siĊ specjalistyczne oprogramowanie komputerowe umoĪliwiające tworzenie szeregu map haáasu. 4. Generowanie SMA przy uĪyciu specjalistycznego oprogramowania komputerowego odbywa siĊ na podstawie charakterystyki Ĩródáa dĨwiĊku. Poziom haáasu komunikacyjnego wynika z ruchu pojazdów oraz charakterystyki trasy komunikacyjnej. 5. Wraz ze wzrostem natĊĪenia ruchu drogowego wzrasta poziom haáasu. Na analizowanym terenie najwiĊkszy ruch pojazdów koáowych odnotowano na skrzyĪowaniu ulic FordoĔskiej í Kaliskiego, gdzie poziom haáasu drogowego wskaĨnika LDWN wyniósá aĪ 75,1 dB. NajniĪszą wartoĞü uzyskano na skrzyĪowaniu ulicy Andersa z ulicą Igrzyskową í 66,8 dB. Janusz KwiecieĔ, Kinga SzopiĔska Technologia GIS w tworzeniu strategicznej mapy akustycznej 261 LITERATURA [1] Dyrektywa 2002/49/WE Parlamentu Europejskiego oraz Rady Europejskiej z dnia 25 czerwca 2002 r. odnosząca siĊ do oceny i zarządzania poziomem haáasu w Ğrodowisku (Dz.U. WE L 189 z dnia 18 lipca 2002 r.). [2] Dyrektywa 2007/2/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 14 marca 2007 r. ustanawiająca infrastrukturĊ informacji przestrzennej we Wspólnocie Europejskiej (INSPIRE) (Dz.U. WE L 108 z 25.4.2007) [3] French standard XPS 31-133:2001. Acoustique – Bruit des infrastructures de transports terrestres – calcul de l’attenuation du son lors de sa propagation en milieu extérieur, incluant les effets météorologiques, AFNOR, 2001. [4] GaĨdzicki J., 1990. Systemy informacji przestrzennej. PPWK Warszawa. [5] Guedes I.C.M., Bertoli S.., Zannin P.H.T., 2011, Influence of urban shapes on environmental noise: A case study in Aracaju – Brazil, Sci. Total Environ. 412-413, 66-76. [6] Guide du Bruit des Transports Terrestres – Prévision des niveaux sonores, Ministére de l’Environnement et du Cadre de Vie/Minisitére des Transports/CETUR, Novembre 1980. [7] Health and environment in Europe: progress assessment, 2010. WHO Regional Office for Europe ISBN 978 92 890 4198 0 [8] Jarosz W., 2005. WstĊp, Program Wieloletni ĝrodowisko a Zdrowie, e-biuletyn, Instytut Ekologii Terenów Uprzemyslowionych, 9, 1. [9] King E.A., Murphy E., Rice H.J., 2011. Implementation of the EU environmental noise directive: Lessons from the first phase of strategic noise mapping and action planning in Ireland. Journal of Environmental Management 92, 756-764 [10] Kompaáa J., 2009. Mapa akustyczna i program ochrony Ğrodowiska przed haáasem jako elementy systemu zarządzania Ğrodowiskiem. Prace Naukowe GIG, Katowice. [11] Kompaáa J., Lipowczan A., 2007. Noise hazard to the population of areas connected with functioning of roadway frontier crossings. Archives of Acoustics 32(2), 279-286. [12] KwiecieĔ J., 2004. Systemy Informacji Geograficznej. Podstawy. Wyd. Uczeln. ATR Bydgoszcz. [13] KwiecieĔ J., SzopiĔska K., Sztubecka M., 2010. Problem ochrony przed haáasem na terenach zurbanizowanych na przykáadzie miasta Bydgoszcz. Ekologia i Technika XVIII(4), 205-212. [14] Murphy, E., King, E.A., 2010. Strategic environmental noise mapping: methodological issues concerning the implementation of the EU environmental noise Directiveand their policy implications. Environment International 36(3), 290-298. [15] NOISE - Noise Observation and Information Service for Europe [web site], 2011. Copenhagen, European Environment Agency, 2010 (http://noise.eionet.europa.eu). [16] PN-ISO 1996-2 „Opis i pomiary haáasu Ğrodowiskowego. Zbieranie danych dot. sposobu zagospodarowania terenu”. [17] Report from the Commission to the European Parliament and the Coincil, 2011, On the implementation of the Environmental Noise Directive in accordance with Article 11 of Directive 2002/49/EC. [18] Rozporządzenie Ministra ĝrodowiska z dnia 1 paĨdziernika 2007 r. w sprawie w sprawie zakresu danych ujĊtych na mapach akustycznych oraz ich ukáadu i prezentacji (Dz. U. Nr 187, poz. 1340). 262 InĪynieria i ochrona Ğrodowiska [19] Sadowski J., Szudrowicz B., 2002. InĪynieria Ğrodowiska w ksztaátowaniu klimatu akustycznego Ğrodowiska i jego ochrony przed haáasem i drganiami. Monografia Komitetu Inzynierii PAN 12, 117-139. [20] Salomons E.M., Pont M.B., 2012. Urban traffic noise and the relation to urban density, form, and traffic elasticity. Landscape and Urban Planning 108, 2-16. [21] SzopiĔska K., Krajewska M., Beáej M., 2012. Apartment Market Analysis Considering Environmental Noise Level in Poland. European Real Estate Society 19th Annual Conference, Edinburgh, Scotland, 13-16 June. [22] The French national computation method "NMPB-Routes-96 (SETRA-CERTULCPC-CSTB)", referred to in "Arrêté du 5 mai 1995 relatif au bruit des infrastructures routières, Journal Officiel du 10 mai 1995, Article 6. [23] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo Ochrony ĝrodowiska (Dz.U. z 2008 r. Nr 25, poz. 150, z póĨn. zm.). [24] Zannin P.H.T., Queiroz de Sant’Ana D., 2011. Noise mapping at different stages of a freeway redevelopment project – A case study in Brazil. Applied Acoustics 72, 479-486. GIS TECHNOLOGY IN CREATING NOISE STRATEGIC MAP Abstract. The following article discusses issues related to the concept of geographic information systems (GIS), and presents the problem of environmental noise protection in Poland, with particular emphasis on Strategic Noise Map (SNM). Elements of a GIS database for the determination of the noise level in the environment and development of the methodology SNM using geospatial data have been described. In addition, the article presents the results of the acoustic climate of buildings near the University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz. Analysis based on GIS database and acoustic software was made. Key words: spatial information systems, environmental noise, acoustic climate, strategic noise map, local land use plan