docalternatywa czy dopełnienie metod oceny jakości wody
download 
Reklamacja Transkrypt
alternatywa czy dopełnienie metod oceny jakości wody
DAMIAN ABSALON MACIEJ KOSTECKI Uniwersytet Śląski Wydział Nauk o Ziemi Instytut Podstaw i Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu Zakład Ochrony i Gospodarki Wodami PIOTR ŁASZCZYCA MAGDALENA MATYSIK, MAREK RUMAN Uniwersytet Śląski Wydział Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytet Śląski Wydział Nauk o Ziemi Ciągły monitoring automatyczny a monitoring klasyczny – alternatywa czy dopełnienie metod oceny jakości wody Ramowa Dyrektywa Wodna i potrzeba racjonalizacji gospodarki zasobami wodnymi w warunkach antropopresji powoduje, że – oprócz monitoringu – konieczne staje się także modelowanie i prognozowanie stanu zbiorników zaporowych. Wymagania te wymuszają zmianę podejścia do technik monitoringu stanu wód, czego wyrazem jest zastosowanie automatycznych stacji pomiarowych teletransmitujących wyniki bezpośrednio do systemów komputerowego gromadzenia danych i modelowania. Automatyczne sondy umożliwiają obserwacje okołodobowej zmienności właściwości/ /jakości wód i natychmiastowe wykrywanie zagrożeń. Mimo stale zwiększanego zakresu mierzonych zmiennych nie mogą jednak zastąpić tradycyjnych metod monitoringu. Projekt ZiZOZap realizowany w zbiorniku goczałkowickim w latach 2010–2013 dostarcza wyników obrazujących problemy i korzyści związane z prowadzeniem ciągłego monitoringu automatycznego i okresowego monitoringu tradycyjnego. Z aporowy zbiornik goczałkowicki (ZG) na górnej Wiśle, będący modelem badawczym w Projekcie „Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego” – ZiZOZap, ujawnia wiele zależności środowiskowych i gospodarczych. Obok funkcji retencyjnych i przeciwpowodziowych jego zadaniem jest zaopatrzenie w wodę 66 gmin województwa śląskiego i 3 gmin województwa małopolskiego, liczących łącznie ok. 3,4 mln mieszkańców [8]. Pozostałe funkcje zbiornika, to gospodarka rybacka, ochrona przyrody na obszarze Natura 2000 i rekreacja [1]. Charakter ZG oraz wymagania związane z wdrażaniem Ramowej Dyrektywy Wodnej, a także realizacja Projektu ZiZOZap, powodują, że ZG stał się poligonem do integrowania nowych i tradycyjnych metod monitoringu hydrologicznego i hydrochemicznego. 296 ■ Monitoring hydrologiczny i hy- ków fosforu, które jak dotąd nie mogą być mierzone zdalnymi sondami. drochemiczny w Projekcie ZiZOZap Zespół Zakładu Hydrologii i Gospo– aspekt innowacji darki Wodnej Obszarów Urbanizowa- Zespół Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska w Zabrzu (IPIŚ PAN) prowadził manualny okresowy monitoring klasyczny przez bezpośredni pomiar właściwości wody na stanowiskach badawczych lub w pobranych próbach wody badanych laboratoryjnie. Badania wykonywano comiesięcznie od kwietnia do grudnia, w wypadku dopływów w ciągu całego roku, w latach 2010–2013, początkowo na ośmiu, a następnie na czterech stanowiskach w toni ZG, na pięciu stanowiskach w rząpiach i pięciu na płyciznach za stacjami pomp zapory bocznej oraz w wodach dopływów – Wisły i Bajerki. Badano 72 wskaźniki jakości wody. Metody były zgodne z rozporządzeniami na temat monitoringu wód (DzU 2009, Nr 81, poz. 685; DzU 2011, Nr 258, poz. 1550) oraz akredytowanymi procedurami badawczymi stosowanymi w Laboratorium Centralnym IPIŚ PAN (Certyfikat Akredytacji PCA Nr AB 950) i normami państwowymi. Przenośne urządzenia pozwalające na pomiar właściwości fizycznych i chemicznych wody pojawiły się w latach 60. XX wieku. Jednak dopiero ostatnio automatyczne sondy stały się urządzeniami o wysokiej funkcjonalności, dzięki miniaturyzacji elektroniki, wprowadzeniu diod fotoemisyjnych i wykorzystaniu systemów teletransmisji (GPRS) oraz pozycjonowania (GPS) [3]. Umożliwia to natychmiastowy dostęp do gromadzonych wyników i zdalną konfigurację pomiaru. W ostatnim czasie pojawiły się także sondy umożliwiające pomiar stężeń chlorofilu dla różnych grup fitoplanktonu [10]. Problemem pozostaje pomiar niektórych wskaźników, np. stężeń związ- nych (Katedra Geografii Fizycznej, Wydział Nauk o Ziemi, Uniwersytet Śląski) odpowiadał za ciągły monitoring właściwości wody wykonywany automatycznymi sondami wieloparametrowymi firmy OTT Messtechnik Gmbh&Co. Sondy zainstalowano w charakterystycznych punktach ZG: □ stacjonarną sondę S1 na dopływie do zbiornika – w Strumieniu na jazie na Wiśle, □ sondę S2 na pławie w najgłębszym punkcie zbiornika (ok. 12 m), w dawnym korycie Wisły, ok. 0,5 km od spustu dennego – jest ona pierwszą w Polsce pływającą stacją hydrologiczno-meteorologiczną, □ stacjonarną sondę S3 w korycie Wisły na wypływie ze zbiornika, ok. 300 m poniżej spustu. Użyto automatycznych sond wieloparametrowych DS5X (HYDROLAB) firmy OTT Messtechnik GmbH & Co. KG, umożliwiających pomiar: temperatury wody, stężeń tlenu rozpuszczonego (metodą luminescencyjną), chlorofilu a (metodą fluorescencyjną) (rys. 1 B), azotanów i chlorków (elektrodą jonoselektywną), odczynu wody (pH) (rys. 1A), potencjału REDOX, przewodnictwa elektrolitycznego właściwego oraz mętności (metodą nefelometryczną w jednostkach NTU, wg ISO 7027-88 i EN ISO 7027-1999). Sondy są wyposażone w system, który przed pomiarem zmywa zanieczyszczenia czujników, zapewniając wiarygodność wyników. Interwał pomiarów może być dowolnie programowany. Wyniki były gromadzone w pamięci sondy i niezależnie transmitowane na bieżąco do serwerów projektu za poGospodarka Wodna nr 8/2014 Rys. 1. Relacja między wynikami pomiarów odczynu (A) i stężenia chlorofilu a (B) metodą manualnego monitoringu okresowego (oś pozioma – Z08) i automatycznego monitoringu ciągłego (oś pionowa – S2) na stanowiskach Z08 i S2 (Pława), odległych o ok. 150 m średnictwem systemu telekomunikacyjnego GSM-GPRS. Sonda S2 (na pławie) dodatkowo była wyposażona w zestaw do pomiarów podstawowych wskaźników meteorologicznych, a jej działanie zapewniało zasilanie z ogniw fotoelektrycznych. Zaletą zdalnego, ciągłego monitoringu hydrochemicznego i hydrofizycznego jest możliwość śledzenia zmienności okołodobowej i sezonowej z dużą rozdzielczością czasową (rys. 2). Zainstalowanie sond na różnych głębokościach pozwala badać stratyfikację wód zbiornika [6]. Zwiększa to nie tylko możliwości interpretacji otrzymywanych wyników i szybkość reakcji na zagrożenie. Rozmieszczenie sond w punktach charakterystycznych zbiornika dostarcza informacji o jakości wód dopływających i wypływających. Jest to ważne dla użytkowników ZG i Wisły poniżej zapory, ponieważ przerwanie kontinuum rzeki stopniem wodnym wpływa na procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne determinujące jakość wód w zbiorniku i w rzece poniżej zapory [2, 4, 7, 11]. Stężenie chlorofilu a w wodzie jest istotnym wskaźnikiem jakości wody i zagrożenia zakwitami, niosąc zarazem informacje o pierwotnej produkcji biomasy oraz zasobności pokarmowej zbiornika dla konsumentów. Wskaźnik ten jest uwikłany w relacje przyczynowo-skutkowe ze stężeniem tlenu i dwutlenku węgla, odczynem, temperaturą wody (tabela), insolacją i mętnością (pochłanianiem światła), a także stężeniami biodostępnych form azotu i fosforu. Stężenie chlorofilu a jest też funkcją liczebności fitoplanktonu, na który w ZG składa się dziewięć grup taksonomicznych (bruzdnice, eugleniny, kryptofity, okrzemki, różnowiciowce, sinice, sprzężnice, zielenice i złotowiciowce) z dominacją okrzemek, zielenic i sinic, stanowiących w zmiennych proporcjach powyżej 80% biomasy glonów [12]. Oznaczanie chlorofilu przez zliczanie osobników planktonu jest uciążliwe i czasochłonne, ponadto na etapie zagęszczania prób można zgubić najdrobniejsze formy nanoplanktonowe. Monitoring klasyczny z laboratoryjnym oznaczaniem chlorofilu jest równie pra- Współczynniki korelacji między zmiennymi hydrochemicznymi badanymi metodą monitoringu ciągłego na stanowisku S2 (Pława). Dane surowe, nieselekcjonowane ze względu na zmienność sezonową – obrazowanie relacji uproszczone Korelowane wskaźniki Współczynnik korelacji (r) pH/stężenie O2 0,483 pH/stężenie chlorofilu a 0,499 Stężenie O2/stężenie chlorofilu a 0,369 Temperatura wody/stężenie chlorofilu a 0,118 Temperatura wody/stężenie O2 -0,567 ■ Efektywność monitoringu – śledzenie procesów hydrologicznych w toku Ciągły monitoring z użyciem zdalnych sond już w początkowym okresie (czerwiec-listopad 2010 r.) pozwolił wykazać, że w ZG – pomimo niewielkiej głębokości maksymalnej – występuje okresowa stratyfikacja termiczna. Pomiary ujawniły też zmienność okołodobową badanych wskaźników i umożliwiły poszukiwanie związków między ich zmiennością, co jest podstawą scharakteryzowania procesów zachodzących w ZG. Interesujące są m.in. zależności pomiędzy mętnością, stężeniem chlorofilu a, zawartością tlenu rozpuszczonego i odczynem wody. Gospodarka Wodna nr 8/2014 Rys. 2. Wyniki monitoringu ciągłego obrazujące dzienne wartości maksymalne i minimalne stężenia chlorofilu a na stanowisku S2 (Pława) w zbiorniku goczałkowickim w czerwcu 2012 r. 297 nitoringu obserwuje się taką właśnie zbieżność (rys. 1). Przypadkiem szczególnym jest pomiar mętności wykonywany automatyczną sondą nefelometryczną (wynik podawany jest w NTU – nefelometrycznych jednostkach mętności) i pomiar przezroczystości wody wykonywany metodą krążka Secchiego (odpowiadający granicznej głębokości, na której widoczny jest zanurzony w mętnej cieczy wzorzec). Konwersja wyników, ze względu na odmienność i złożoność fizycznych podstaw pomiaru, jest zagadnieniem trudnym i wymagającym odrębnego postępowania analitycznego. ■ Zalety i wady stosowanych technik monitoringowych Rys. 3. Obraz relacji wejście – wyjście dla zawartości azotanów w wodzie dopływającej do ZG z Wisłą (rzędna – S1 strumień) i wodzie w toni w okolicy upustu dennego (odcięta – S2 Pława); dane surowe, nieselekcjonowane ze względu na zmienność sezonową – obrazowanie relacji uproszczone cochłonny. Metody metagenomiczne, które ujawniają półilościowo obecność DNA rybosomalnego z chloroplastów głównych grup, mają podobne ograniczenia jak monitoring manualny, a ponadto wymagają stworzenia baz danych i kalibracji. Ograniczeń tych nie ma monitoring z użyciem automatycznych sond wykrywających chlorofil metodą fluorescencyjną. Obecnie metody fluorescencyjne pozwalają na pomiar in situ stężenia barwników fotosyntetycznych charakterystycznych dla 4–5 różnych grup taksonomicznych fitoplanktonu (sinice, zielenice, okrzemki z bruzdnicami i złotowiciowcami, kryptofity), [6, 10]. Ciągły monitoring pozwala obserwować okołodobowe pionowe migracje fitoplanktonu oraz współzmienność stężenia tlenu i odczynu (rys. 2., tabela). Wyniki z odpowiednio rozmieszczonych sond zdalnych dają możliwość dokonywania bieżącego bilansowania ładunku biogenów pomiędzy dopływem a spustem wód zbiornika na podstawie obserwowanch różnic stężęń (rys. 3). Tak uzyskane dane są komplementarne z bilansem biogenów (N, P) w zbiorniku, wykonanym na podstawie monitoringu klasycznego. Równania regresji stężeń azotanów pomiędzy dopływem a odpływem ze ZG, jak i bilans ładunków azotu, dokonywany na podstawie monitoringu klasycznego wskazują na oczyszczanie wody w toni ZG. Eliminowane jest od 5 do 20% ładunków azotu i od 16 do 70% ładunków fosforu [5]. Można to przypisać głównie procesom mikrobiologicznym, w części prowadzącym do uwalniania azotu w postaci gazowej. 298 Synteza wyników monitoringu klasycznego wskazuje, że wody ZG w całym okresie badań w Projekcie ZiZOZap cechowały się bardzo dobrą jakością, odpowiadającą I klasie czystości (DzU z 2004 r. Nr 32, poz. 284). Zastosowanie w praktyce wyników monitoringu ułatwi zarządzającemu ZG utrzymanie dobrego stanu wód, a tym samym realizację Ramowej Dyrektywy Wodnej oraz przyczyni się do optymalizacji kosztów produkcji wody użytkowej przez Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA. Dane z monitoringu ciągłego stanowią doskonały wsad do cyfrowych modeli ekosystemu zbiornika (np. CAEDYM), podczas gdy rzadziej pozyskiwane dane z monitoringu manualnego, za to zbierane na większej liczbie stanowisk, stanowią punkty kontrolne do kalibracji modeli, niezależnie od faktu, że są odpowiedzią na prawne uwarunkowania i wymagania monitoringu. Niezależenie od niemożliwych do usunięcia rozbieżności między wynikami pomiarów uzyskiwanych różnymi metodami powinna między nimi występować zbieżność trendów zmienności właściwych dla badanego zjawiska. W przypadkach porównywalnych wyników mo- Wymagany prawem monitoring, prowadzony na zbiornikach zaporowych z częstością raz na kwartał, może nie dawać pełnego obrazu zmian jakości wody. Dotyczy to wskaźników o dużej zmienności dobowej, takich jak: mętność, stężenie chlorofilu a oraz tlenu rozpuszczonego. W przeciwieństwie do monitoringu okresowego monitoring ciągły dostarcza wyników o nieporównywalnie lepszej rozdzielczości czasowej. Pozwala to na właściwsze odwzorowanie zjawisk hydrochemicznych w modelach zbiornika, daje szanse na wykrycie chwilowych i szybkozmiennych zjawisk o charakterze incydentów chemicznych i awarii [9]. Ciągły monitoring z użyciem automatycznych sond pomiarowych dostarcza danych umożliwiających optymalizację pracy ujęć wody. Wyniki uzyskane z wyprzedzeniem z sond automatycznych dają stacji uzdatniania czas na reakcję, stosownie do sygnalizowanych zmian jakości wody, np. przez zmianę dawki, bądź rodzaju koagulanta, zmianę parametrów urządzeń do filtracji itp. Monitoring automatyczny jest ograniczony do niewielkiej liczby wskaźników. Monitoring okresowy może być prowadzony dla bardzo dużej liczby wskaźników, które określają dynamikę zmian w długim horyzoncie czasowym (np. w skali roku). Porównanie wyników uzyskanych w ZG w monitoringu ciągłym oraz w monitoringu okresowym – z uwzględnie- Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG 01.01.02-24-078/09 Gospodarka Wodna nr 8/2014 niem daty i godziny pomiarów – wykazało, że silnie korelują ze sobą pomiary odczynu wody, stężenia chlorofilu a, przezroczystości wody (mętności) oraz przewodnictwa właściwego (rys. 1A, B). Doświadczenia zebrane podczas realizacji Projektu ZiZOZap wykazały komplementarność obu metod badań. Przy realizacji ciągłego monitoringu za pomocą automatycznych urządzeń pomiarowych należy zwrócić uwagę na ścisłe przestrzeganie procedur kalibracji czujników, okresowego czyszczenia sond i okresowej, zgodnej z instrukcją, wymiany czujników. Obie metody powinny być stosowane równolegle – daje to możliwości natychmiastowej reakcji na szybkozmienne procesy, wpływające na jakość wody (automatyczny monitoring ciągły) oraz pozwala na analizowanie zmienności i trendów długookresowych dla znacznie większej liczby wskaźników (monitoring okresowy „klasyczny”). ANDRZEJ SIUDY Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA, Uniwersytet Śląski w Katowicach Wydział Nauk o Ziemi JANUSZ OGIEGŁO Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA Monitoring środowiska – narzędzie wspomagające zarządzanie zbiornikami zaporowymi Połączenie sił to początek, pozostanie razem to postęp, wspólna praca to sukces. Henry Ford LITERATURA 1. D. ABSALON, M. MATYSIK, M. RUMAN, 2011, Location, hydrological conditions and factors influencing water quality of Goczałkowice Reservoir and its catchment [w:] Anthropogenic and natural transformations of lakes, 5, 7–15. 2. W. GALICKA, A. KRUK, G. ZIĘBA, 2007, Bilans azotu i fosforu w Zbiorniku Jeziorsko, T. 1, z. 2., Wyd. Akademii Rolniczej im. A. Cieszkowskiego, Poznań, 1–9. 3. H.B. GLASGOW, J.M. BURKHOLDER, R.E. REED, A.J. LEWITUS, J.E. KLEINMAN, 2004, Real-time remote monitoring of water quality: a review of current applications, and advancements in sensor, telemetry, and computing technologies, Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 300, 409–448. 4. Z. KAJAK, 1984, Changes In River Water Quality In Reservoirs, Exemplified By Studies In Poland, [W:] A. Lillehamer, S.J. Saltveit (red.), Regulated rivers, Publ. Universitetsforlanget AS, Oslo, 521–531. 5. M. KOSTECKI, 2013, ZiZOZap, raport z realizacji projektu. IPIŚ-PAN (niepublikowany). 6. T. LEEUW, E.S. BOSSEMAIL, D.L. WRIGHTEMAIL, 2013, In situ Measurements of Phytoplankton Fluorescence Using Low Cost Electronics. Sensors, 13(6), 7872–7883; doi:10.3390/ s130607872 7. T. PENCZAK, W. GALICKA, M. GRZYBKOWSKA, H. KOSZALIŃSKI, M. JANISZEWSKA, A. TEMECH, A. ZACZYŃSKI, L. GŁOWACKI., L. MARSZAŁ, 1994, Wpływ Zbiornika Jeziorsko na jakość wody w Warcie, populacje ryb i ich bazę pokarmową (1985–1992), Rocz. Nauk. PZW, 6, 79–114. 8. A. SIUDY, A. BILNIK, T. ŚWIERCZ, Z. SZLĘK, 2005, Wielofunkcyjny zbiornik retencyjny Goczałkowice na Małej Wiśle i jego znaczenie dla gospodarki wodnej Górnego Śląska, Konferencja Naukowo-Techniczna z okazji Jubileuszu 50lecia budowy Zbiornika Wodnego na Małej Wiśle w Goczałkowicach, GPW, Pszczyna. 9. M.V. STOREY, B. VAN DER GAAG, B.P. BURNS, 2011, Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems, Water Research 45, 741–747. 10. Submersible Spectrofluorometer with Automatic Algae Class and Chlorophyll Analysis® (bbe moldaenke, 2013), http://www.ppsystems.com/ Literature/FluoroProbe.pdf 11. J.S. WARD, J.A. STANFORD, 1983, The intermediate – disturbance hypothesis: an explanation for biotic diversity patterns in lotic ecosystems, [w:] T.D. FONTANIE, S.M. BARTELL, (red.), Dynamic of lotic ecosystems, Publ. Ann. Arbor Sci., The Butterworth Group. Michigan, 347–356. 12. E. WILK-WOŹNIAK, 2013, ZiZOZap, raport z monitoringu, IOP-PAN s(niepublikowane). Gospodarka Wodna nr 8/2014 Zbiornik goczałkowicki powstał w 1955 r. i od tego czasu stale były prowadzone jego badania przez wiele ośrodków naukowych przy współpracy z administracją obiektu. Prace prowadzono w sposób niezależny, często bez wymiany wniosków. W 2010 r. konsorcjum, którego liderem jest Uniwersytet Śląski, rozpoczęło realizację projektu „Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap)”. W ramach projektu zebrano archiwalne dane o zbiorniku oraz te pochodzące z bieżącego monitoringu, i na ich podstawie wykonano numeryczny model obszaru zlewni, modele hydrodynamiczne zbiornika i wód podziemnych oraz numeryczny model ekosystemu zbiornika. Rozwiązania zaproponowane w projekcie wymagają adaptacji przed ich zastosowaniem na innych obiektach, ze względu na niepowtarzalny charakter każdego zbiornika. Natomiast bezpośrednio należy wprowadzać filozofię – ideę stałej współpracy świata nauki z administracją zbiorników zaporowych. ■ Badania zbiornika – ciągłość i in- tegralność monitoringu w perspektywie Ramowej Dyrektywy Wodnej W 2010 r. Konsorcjum, którego liderem jest Uniwersytet Śląski, rozpoczęło realizację Projektu „Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap)” wykonywanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Celem projektu jest rozwiązanie problemu obniżania się potencjału ekologicznego i funkcjonalne- go zbiorników zaporowych w wyniku ich starzenia się oraz presji wynikających z zagospodarowania obszaru zlewni. Dokładnie 10 lat wcześniej przestała istnieć Stacja Hydrobiologiczna Polskiej Akademii Nauk w Goczałkowicach; jej pracownicy prowadzili badania zbiornika od początku jego eksploatacji w 1955 r. Projekt jest kontynuacją wieloletniej współpracy pomiędzy administratorem zbiornika, Górnośląskim Przedsiębiorstwem Wodociągów SA, a Instytutem Inżynierii i Gospodarki Wodnej Politechniki Krakowskiej, Instytutem Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, Uniwersytetem Śląskim oraz Instytutem Ekologii Terenów Uprzemysłowionych. Do 2010 r. współpracę prowadzono w sposób niezależny, często bez wymiany wniosków i doświadczeń pomiędzy wykonawcami prac badawczych. Obowiązująca w krajach europejskich Ramowa Dyrektywa Wodna stawia przed zarządcami zbiorników zaporowych nowe wymagania, obejmujące także cele środowiskowe. Skuteczna realizacja tych założeń musi opierać się na pogłębieniu i integracji wiedzy zarówno o zjawiskach hydrologicznych, jak i o biologii zbiorników zaporowych. ■ Zbiornik goczałkowicki w regionie – więcej niż tylko zasoby wody i ochrona przeciwpowodziowa W grudniu 1955 r. ukazał się numer specjalny (nr 12) miesięcznika „Gospo- 299
