Wpływ eksploatacji wód podziemnych z ujęcia "Retków

WPŁYW EKSPLOATACJI WÓD PODZIEMNYCH Z UJĘCIA
„RETKÓW–STARA RZEKA” NA JAKOŚĆ UJMOWANEJ WODY
Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski
Instytut Inżynierii Środowiska, Akademia Rolnicza we Wrocławiu
Streszczenie. Intensywna eksploatacja wód podziemnych, w ilości ponad 1.5 mln. m3 rocznie
z utworów czwartorzędowych z ujęcia „Retków–Stara Rzeka” przyniosła niekorzystne zmiany
składu chemicznego oraz właściwości fizycznych ujmowanej wody. Niepożądane zmiany jakości wody ujawniły się przede wszystkim w postaci wzrostu jej alkaliczności, twardości,
elektrolitycznej przewodności właściwej oraz wzrostem koncentracji jonów żelaza i manganu
oraz siarczanów. Zasadowość wody wzrosła z wartości poniżej 1 mval/dm3 w roku 1986 do
ponad 4.5 mval/dm3 w 1994 r. Przewodnictwo właściwe (świadczące przede wszystkim o
ogólnej mineralizacji wody) w tym samym okresie wzrosło od wartości około 150 μS/cm do
średnio ponad 550 μS/cm, a w niektórych studniach nawet do blisko 900 μS/cm. Twardość
ogólna wody wzrosła w tym okresie od wartości około 60 mg CaCO3/dm3 do
300 mg CaCO3/dm3, sporadycznie nawet do 460 mg CaCO3/dm3. Koncentracja żelaza zmieniła się od wartości na poziomie 0.1 mg Fe/dm3 przed eksploatacją ujęcia do prawie
4 mg Fe/dm3 w roku 1994. Podobnie znacznie wzrosła zawartość manganu od wartości poniżej
0.03 mg Mn/dm3 w roku 1986 do około 0.5 mg Mn/dm3 w roku 1994. Wzrost koncentracji
żelaza i manganu spowodował, że surowa woda gruntowa nie spełnia pod względem tych
wskaźników wymogów jakościowych wody przeznaczonej do picia. Przeprowadzone analizy
wyraźnie wskazują, że w rejonie ujęcia istnieją bardzo dobre warunki infiltracji bardziej zanieczyszczonych wód płytkiego poziomu gruntowego do głównego poziomu użytkowego, w którym są zafiltrowane studnie ujęciowe.
Słowa kluczowe: ujęcia wód podziemnych, jakość wód podziemnych.
WSTĘP
Intensywna eksploatacja wód podziemnych często przynosi niekorzystne skutki,
takie jak osiadanie powierzchni terenu i posadowionych na podłożu gruntowym obiektów budowlanych, którego przyczynę stanowi wzrost naprężeń efektywnych wywołany
przez obniżenie położenia zwierciadła wody gruntowej w obszarze leja depresji. Obniżenie poziomu wód gruntowych może spowodować również pogorszenie się warunków
uwilgotnienia gleby i niekorzystnie wpłynąć na opłacalność produkcji rolniczej. Kolejnym niekorzystnym zjawiskiem, związanym z eksploatacją wód podziemnych często
bywa zanik wody w płytkich studniach gospodarczych (kopanych).
Szczególne jednak znaczenie spośród wielu niepożądanych zjawisk będących skutkiem
eksploatacji wód podziemnych posiadają niekorzystne zmiany właściwości fizycznych i
składu chemicznego wody podziemnej. W wyniku obniżenia zwierciadła wód podziemnych w rejonie ujęcia wzrasta miąższość strefy aeracji i w warunkach napowietrzenia
2
Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski
utworów strefy odsączonej następuje uaktywnienie się szeregu procesów chemicznych w
tej strefie, których efektem są często niekorzystne zmiany właściwości fizycznych i
składu chemicznego wody. Reakcje chemiczne pomiędzy tlenem i dwutlenkiem węgla
zawartym w powietrzu oraz minerałami występującymi w ośrodku gruntowym powodują
często wzrost twardości i mineralizacji wody oraz wzrost koncentracji żelaza i manganu,
co niekiedy przynosi poważne skutki ekonomiczne.
W niniejszej pracy przedstawiono analizę wpływu wieloletniej i intensywnej eksploatacji
wody podziemnej w ujęciu Retków – Stara Rzeka, znajdującym się na obszarze pradoliny Barycko–Głogowskiej, w obrębie Głównego Zbiornika Wód Podziemnych (GZWP)
Nr 314 na jakość wód podziemnych.
WARUNKI NATURALNE W REJONIE UJĘCIA
Ujęcie wód podziemnych „Retków–Stara Rzeka” jest zlokalizowane w województwie dolnośląskim, w gminie Grębocice, pomiędzy miejscowościami Retków – Stara
Rzeka – Wilczyn – Proszyce (rys. 1) i składa się z 9 studni, ujmujących wodę z utworów
fluwioglacjalnych doliny i pradoliny Barycko–Głogowskiej.
UJĘCIE
Rys. 1. Lokalizacja ujęcia „Retków – Stara Rzeka”
Fig. 1. Location of „Retków – Stara Rzeka”groundwater intake
Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu „Retków – Stara Rzeka” ...
3
Ujęcie jest położone w obszarze płaskim o rzędnych od 87.85 m n.p.m. do 84.51 m
n.p.m. Rejon ujęcia jest położony w najcieplejszym regionie Polski, średnia roczna temperatura przekracza nieco 8 oC, a okresu wegetacyjnego (kwiecień – wrzesień) 14 oC.
Średnia roczna suma opadu atmosferycznego, dla stacji Rudna, obliczona na podstawie
danych z okresu 1957–1997 wynosi 614 mm, natomiast dla okresu wegetacyjnego
383 mm [Czaban i inn.,1997].
W obszarze zasobowym ujęcia, którego powierzchnia wynosi około 1200 hektarów
występują dwie zasadnicze warstwy wodonośne: górna, stanowiąca źródło wody dla
studni kopanych oraz dolna, tzw. główna warstwa użytkowa, w której zafiltrowane są
studnie ujęcia.
Górna warstwa wodonośna jest utworzona z piasków i żwirów o różnym stopniu zaglinienia i posiada miąższość do 10 metrów. W jej obrębie występują wody o zwierciadle
swobodnym, które przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia zalegało na głębokości od
1 do 3 metrów. Górna warstwa wodonośna wykazuje ścisły związek z ciekami powierzchniowymi rzeki Rudnej i jej dopływów: Moskorzynki i Wilczyńskiego Potoku[Czaban i inn.,1997]. Brak izolacji od powierzchni sprawia, że warstwa ta jest bezpośrednio zasilana przez infiltrację opadów atmosferycznych i w związku z tym posiada
dużą podatność na degradację chemiczną i biologiczną, powodowaną przez lokalne
ogniska i źródła zanieczyszczeń.
W spągu górnej warstwy wodonośnej występuje pakiet utworów nieprzepuszczalnych i
słabo przepuszczalnych o miąższości przeciętnie od 2 do 10 metrów w postaci pyłów,
glin i iłów oraz miejscowo torfów. Lokalnie warstwa ta posiada nieciągłości w rejonie
studni 7–S oraz w rejonie miejscowości Proszyce i Proszówek, powodujące istnienie
kontaktu hydraulicznego pomiędzy górną i dolną warstwą wodonośną [Czaban i
inn.,1997].
Główną użytkową warstwę wodonośną tworzą utwory fluwioglacjalne w postaci piasków i żwirów z otoczakami o rozległym i równomiernym rozprzestrzenieniu, średnia
miąższość eksploatowanej warstwy wodonośnej wynosi 30 metrów, natomiast wartość
współczynnika wodoprzepuszczalności zawiera się w granicach od 1.4 do 2.2×10–5 m/s.
Zasilanie głównej warstwy użytkowej następuje głównie na obszarach moreny spiętrzonej na południu i zachodzie od ujęcia a także pośrednio przez infiltrację opadów atmosferycznych w miejscach nieciągłości (okien hydrogeologicznych) warstwy osadów nieprzepuszczalnych i słabo przepuszczalnych, rozdzielającej górny i użytkowy poziom
wodonośny.
Pokrywę glebową na obszarze zasobowym ujęcia stanowią gleby piaszczyste (ok. 60%
powierzchni) oraz pyłowe (34%), jedynie 6% powierzchni przypada na gleby o innym
składzie mechanicznym. Pod względem bonitacyjnym są to gleby zaliczane do klasy
IIIa, IIIb oraz IVa. W strukturze użytkowania ziemi dominują grunty użytkowane rolniczo (około 96% powierzchni), niespełna 4 % powierzchni zajmują lasy i zadrzewienia.
Na glebach ornych dominującymi uprawami są zboża oraz rzepak.
CHARAKTERYSTYKA UJĘCIA, DEPRESJE I POBORY WODY
Ujęcie zostało wybudowane w latach 1976–1977 przez Kombinat Geologiczny „Zachód” we Wrocławiu, składa się z 9 studni eksploatacyjnych o średnicy 250 mm i głębokości od 50.0 do 59.5 m, rozmieszczonych w postaci wielokąta o powierzchni około
5 km2 (rys. 2.).
4
Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski
Rys. 2. Lokalizacja studni i piezometrów w ujęciu „Retków – Stara Rzeka”
Fig. 2. Location of wells and piezometers in „Retków – Stara Rzeka”groundwater intake
Odległości pomiędzy poszczególnymi studniami wynoszą od 400 do 500 metrów, obszar
zasobowy ujęcia posiada powierzchnię około 1200 hektarów.
Zatwierdzone zasoby eksploatacyjne ujęcia w kategorii B wynoszą Q = 320 m3/h, przy
depresjach studziennych w zakresie od 5.0 do 7.6 metrów. Ujęcie posiada pozwolenie
wodno–prawne, wydane przez Urząd Wojewódzki w Legnicy w 1995 r. na pobór maksymalnie 320 m 3/h wody.
Eksploatacja ujęcia została rozpoczęta w końcu 1988 r., studnie ujęciowe są czynne
przemiennie, jednocześnie pompuje się wodę z 4 do 5 studni. Średni pobór wody podziemnej w okresie od 1989 r. do 1997 roku wynosił około 1.5 mln m3.
W rejonie ujęcia została wykonana sieć kilkunastu piezometrów do obserwacji dynamiki
zmian położenia zwierciadła wody w czasie eksploatacji ujęcia (rys 2 i 3).
Przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia zwierciadło wód gruntowych układało się na
głębokości od 40 cm do około 4 m poniżej powierzchni terenu. Na podstawie bezpośrednich pomiarów zwierciadła wody w studniach i otworach obserwacyjnych należy
stwierdzić, że średnia głębokość zwierciadła wody dla obszaru zasobowego wynosiła
1.63 m w maju 1977 r., objętość strefy aeracji w obrębie obszaru zasobowego ujęcia
wynosiła 17 mln m3. Układ hydroizobat na terenie obszaru zasobowego ujęcia w czasie
jego eksploatacji przedstawiono na rys. 3 dla stanu z września 1992 r. Średnia głębokość
położenia zwierciadła wody dla tego okresu wynosiła 3.50 m poniżej powierzchni terenu. W porównaniu z warunkami z 1977 r. objętość strefy aeracji powiększyła się do
36 mln m3.
Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu „Retków – Stara Rzeka” ...
5
11b
5p
7p
4p
2S 12b
15b
4b
1S
6p1
6p
4S 14b
3S
3p
5S
6S
3.0
7S
8S
2.0
9S
16b
1.0
3b
9p
0.0
Studnie eksploatacyje
Exploitation wells
Piezometry
Piezometers
10b
0
500
1000
Strefa ochronna
Protection zone
1500
Rys. 3. Układ hydroizobat w czasie eksploatacji ujęcia, wrzesień 1992 r.
Fig. 3. Groundwater depth contours during exploitation, September 1992.
WPŁYW EKSPLOATACJI NA JAKOŚĆ WÓD PODZIEMNYCH
Ponad dwukrotny wzrost objętości strefy aeracji w obszarze zasobowym ujęcia „Retków–Stara Rzeka” spowodował gwałtowną zmianę szeregu właściwości fizycznych oraz
składu chemicznego wód podziemnych w tym rejonie. W tabelach od 1–6 przedstawiono
wyniki badań jakości wody w wybranych studniach przed rozpoczęciem eksploatacji
ujęcia (1986) oraz w okresie jego eksploatacji (1994 oraz 1996), dla parametrów wody,
które uległy najbardziej znaczącym zmianom.
Przewodnictwo właściwe wody (świadczące przede wszystkim o ogólnej mineralizacji
wody) wzrosło od wartości około 150 μS/cm w roku 1986 do średnio ponad 550 μS/cm,
a w niektórych studniach 3–S oraz 4–S do blisko 900 μS/cm, (tab. 1).
6
Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski
Zasadowość wody, stanowiąca odzwierciedlenie zawartości jonów wodorowęglanowych
i węglanowych [Appelo i Postma, 1993] wzrosła z wartości poniżej 1 mval/dm 3 w roku
1986 do ponad 4.5 mval/dm3 w 1994 r., (tab. 2). Twardość ogólna wody wzrosła w tym
okresie od wartości około 60 mg CaCO3/dm3 do 300 mg CaCO3/dm3, sporadycznie nawet 460 mg CaCO3/dm3 (tab. 3). Koncentracja żelaza zmieniła się od wartości na poziomie 0.1 mg Fe/dm 3 przed eksploatacją ujęcia do prawie 4 mg Fe/dm 3 w roku 1994,
(tab. 4). Bardzo znaczący wzrost zaobserwowano również w zakresie zawartości manganu od 0.03 mg Mn/dm3 w roku 1986 do około 0.40 mg Mn/dm3 w roku1994 oraz około
0.50 mg Mn/dm3 w roku 1996, (tab. 5)
Tabela 1
Table 1
Przewodnictwo właściwe wody w studniach
Electrical conductivity of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
181.1
207.0
132.8
168.7
157.5
Przewodnictwo właściwe
Electrical Conductivity
(μS/cm)
1994
540.0
576.0
733.5
787.5
585.0
1996
528.8
542.3
892.6
807.8
546.0
Tabela 2
Table 2
Zasadowość wody gruntowej w studniach
Alkalinity of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
0.6
0.9
0.8
0.6
0.8
Zasadowość
Alkalinity
(mval/dm3)
1994
4.5
4.6
4.3
4.8
4.3
1996
3.9
4.4
4.6
4.7
4.2
Tabela 3
Table 3
Twardość ogólna wody w studniach
Total hardness of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
63.2
52.9
51.4
64.1
73.9
Twardość ogólna
Total hardness
(mg CaCO3/dm3)
1994
285.3
309.7
370.6
379.7
290.1
1996
264.3
290.0
461.4
430.2
292.8
Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu „Retków – Stara Rzeka” ...
7
Tabela 4
Table 4
Zawartość żelaza w studniach
Iron content of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
0.02
0.04
0.10
0.11
0.10
Zawartość żelaza
Iron content
(mg Fe/dm3)
1994
2.80
3.80
2.95
3.19
2.37
1996
3.22
3.60
0.66
4.07
2.63
Tabela 5
Table 5
Zawartość manganu w studniach
Manganese content of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
0.03
Brak danych
No data
Zawartość manganu
Manganese content
(mg Mn/dm3)
1994
0.38
0.28
0.48
0.36
0.40
1996
0.44
0.30
0.57
0.48
0.43
Tabela 6
Table 6
Zawartość siarczanów w studniach
Sulphate content of groundwater in wells
Numer studni
Well Number
1-S
2-S
3-S
4-S
5-S
1986
18.8
9.3
0.8
12.6
32.1
Zawartość siarczanów
Sulphate content
(mg SO42-/dm3)
1994
46.1
46.9
119.8
98.8
55.6
1996
47.0
41.7
51.5
100.4
65.8
Biorąc pod uwagę klasyfikację jakości zwykłych wód podziemnych dla potrzeb monitoringu środowiska (PIOŚ 1993, weryfik. 1995 r.) należy stwierdzić, że przed rozpoczęciem eksploatacji ujęcia woda podziemna charakteryzowała się w zakresie wszystkich oznaczanych parametrów i składników najwyższą jakością (klasa Ia). W wyniku
eksploatacji wód podziemnych nastąpiła istotna degradacja jakości wody. Pod względem
elektrolitycznego przewodnictwa właściwego nastąpiła zmiana jakości wody do klasy II,
a w studniach 3–S i 4–S nawet do klasy III, w roku 1996. Pod względem twardości
ogólnej i zawartości żelaza nastąpiła degradacja wody do klasy Ib, natomiast w zakresie
8
Stanisław Czaban, Ireneusz Kajewski, Jerzy Kowalski
zawartości manganu nastąpiła degradacja jakości wody do klasy II w roku 1994 oraz
klasy III w roku 1996.
Pod względem zawartości żelaza oraz manganu surowa woda gruntowa nie spełnia wymagań, jakim powinna odpowiadać woda do picia [Dz.U. 2002 nr 203 poz. 1718], co
powoduje konieczność jej uzdatniania i przez to wzrost kosztów produkcji.
Pogorszenie jakości wody podziemnej nastąpił w wyniku reakcji ługowania węglanu
wapnia oraz dolomitu w dobrze napowietrzonej, o zwiększonej objętości strefie aeracji,
zgodnie z równaniami podawanymi przez Kowalskiego [1998]:
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO3–
(1)
CaMg(CO3) + 2CO2 + 2H2O → Mg2+ + Ca2+ + HCO3–
(2)
Wzrost zawartości żelaza z całą pewnością nastąpił w wyniku utlenienia w strefie aeracji
nierozpuszczalnego pirytu FeS2, często występującego w osadach fluwioglacjalnych
[Kowalski, 1998]:
FeS2 + 7O2 +2H2O →2FeSO4 + 2H2SO4
(3)
5FeS2+14NO3–+ 4H+ →7 N2 + 10SO42– + 5Fe2+ + 2H2O
(4)
Podobnie do utlenienia pirytu, zachodzi również reakcja utlenienia nierozpuszczalnego
siarczku manganu MnS.
Potwierdzeniem reakcji chemicznych ługowania węglanów (1), (2) jest duży wzrost
zasadowości ogólnej wody (tab. 2), pozostającej w ścisłym związku z koncentracją jonów wodorowęglanowych (HCO3–). Reakcje utleniania siarczków (3) i (4), które zaszły
w wyniku napowietrzenia profilu gruntowego w związku z obniżeniem poziomu wody
gruntowej potwierdza wzrost koncentracji siarczanów (tab. 6).
PODSUMOWANIE
W wyniku intensywnej eksploatacji wód podziemnych z utworów czwartorzędowych
pochodzenia wodnolodowcowego w ujęciu „Retków–Stara Rzeka”nastąpiło pogorszenie
się jakości wód podziemnych w tym rejonie. W wyniku obniżenia zwierciadła wód podziemnych w rejonie ujęcia wzrosła miąższość strefy aeracji i w warunkach napowietrzenia profilu gruntowego w odwodnionej strefie nastąpiło uaktywnienie się procesów
chemicznych ługowania węglanów oraz utleniania siarczków żelaza i manganu. Wzrost
twardości wody, ogólnej mineralizacji wody oraz koncentracji jonów żelaza i manganu
spowodowały degradację jakościową wód podziemnych, ujmowanych w tym ujęciu.
Koncentracja żelaza oraz manganu wzrosła na tyle poważnie, że konieczne jest jej
uzdatnianie przed skierowaniem do sieci wodociągowej.
Analizy zmian jakości wody podziemnej udowodniły, że w rejonie ujęcia izolacja eksploatowanego poziomu wód podziemnych od górnej warstwy wodonośnej, którą stanowią utwory słabo przepuszczalne rozdzielające obie warstwy jest słaba i wynika prawdopodobnie z nieciągłości warstwy rozdzielającej.
Wpływ eksploatacji wód podziemnych w ujęciu „Retków – Stara Rzeka” ...
9
PIŚMIENNICTWO
Czaban S., Kowalski J.,Kajewski I., 1997: Analiza skutków eksploatacji ujęcia „Retków
– Stara Rzeka” na środowisko wodno–glebowe, Instytut Inżynierii Środowiska AR
we Wrocławiu, maszynopis.
Appelo C.A.J., Postma D., 1993: Geochemistry, groundwater and pollution. A.A. Balkema, Rotterdam.
Dz.U. 2002 nr 203 poz. 1718: Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 19 listopada
2002 r. w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia
przez ludzi.
Kowalski J., 1998: Hydrogeologia z podstawami geologii. Wyd. AR we Wrocławiu.
PIOŚ 1993. Klasyfikacja jakości zwykłych wód podziemnych dla potrzeb monitoringu
środowiska (weryfik. 1995r).
INFLUENCE OF GROUNDWATER EXPLOITATION IN “RETKÓW–STARA
RZEKA” INTAKE ON WATER QUALITY
Abstract. Intensive exploitation (1.5 million cubic meters per year) of water resources in
“Retków–Stara Rzeka”groundwater intake from quaternary deposits of fluvioglacial origin
caused unintended and unfavourable changes of water quality. Unfavourable changes of water
quality concern its alkalinity, hardness, electrical conductivity as well as iron and manganese
content. Alkalinity has risen from less than 1 meq/dm 3 in 1986 to more than 4.5 meq/dm3 in
the year 1994. Electrical conductivity has risen from 150 μS/cm to 550 μS/cm and even to near
900 μS/cm (in some wells) in the same period. Increase of electrical conductivity is directly
connected with the increase of Total Dissolved Solids (TDS). Total hardness has risen during
the same time from 60 mg CaCO3/dm3 to 300 CaCO3/dm3 and even 460 CaCO3/dm3 in some
cases. Concentration of iron ions has changed from less than 0.1 mg Fe/ dm 3 before exploitation to nearly 4 mg Fe/ dm3 in the year 1994, similarly has risen manganese concentration,
from less than 0.03 mg Mn/ dm3 in the year 1986 to 0.5 mg Mn/ dm3 in the year 1994. Increase
of manganese and iron ions concentration caused that raw groundwater does not fulfil polish
and European Union drinking water standards. Analyses has shown that almost impermeable
layer of loam which separates first and second (exploited) aquifer uncontinuous.
Key words: groundwater intake, groundwater quality.