Pobierz streszczenie

Czynniki i procesy kształtujące
obieg składników mineralnych
w wodach rzecznych zlewni górnej Narwi
Streszczenie
Strategia ochrony morza Bałtyckiego musi być poprzedzona rozpoznaniem źródeł,
czynników i procesów kształtujących obieg i odpływ składników mineralnych doń
wnoszonych przez wody rzeczne. Przykładem nizinnej zlewni stanowiącej grupę
mniejszych i większych rzek, w której nie dokonano jeszcze szczegółowego rozpoznania czynników kształtujących odpływ składników mineralnych w skali całej
zlewni jest zlewnia górnej Narwi. Określenie wielkości odpływu składników mineralnych oraz wskazanie regulujących go czynników i procesów jest ściśle związane z
polityką ochrony wód zlewni górnej Narwi co niewątpliwie podkreśla znaczenie i
duży udział niniejszej pracy w ochronie środowiska zlewni badanej rzeki. Zlewnia
górnej Narwi jest położona w północno-wschodniej Polsce na obszarze znanym
jako “Zielone Płuca Polski”. Jest tutaj z jednej strony dużo lasów, jezior, mokradeł, i
niezanieczyszczonych cieków wodnych oraz niewielki przemysł i ekstensywne rolnictwo z drugiej strony. Zlewnię tą można uznać jako reprezentatywną zlewnią
nizinną dorzecza Wisły. W tych warunkach ocena ładunków składników mineralnych a konkretnie ich form rozpuszczonych N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, SSO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Fe2+/3+ i Zn2+ w wodach oraz ich eksportu ze zlewni
staje się bardzo ważnym elementem w opracowywaniu strategii poprawiania jakości wody w badanym regionie.
Celem pracy było wskazanie mechanizmów, przyczyn i źródeł wzbogacania w
składniki mineralne zasobów wód rzecznych na obszarze zlewni górnej Narwi. W
związku z tak postawionym celem autor postanowił odpowiedzieć na następujące
pytania i zagadnienia:
144 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi
Jakie ładunki jednostkowe składników mineralnych dostają się z powierzchni
zlewni górnej Narwi do wód powierzchniowych i jaka rolę pełnią przy tym wody
opadowe? Jakie czynniki i procesy rządzą tą dostawą oraz jakie są jej źródła?
Jakie ładunki składników mineralnych wynoszone są przez wody powierzchniowe z badanej zlewni oraz jakie są ich źródła?
Jaki wpływ na skład chemiczny wody rzek wywierają źródła powierzchniowe i
punktowe składników mineralnych i procesy zachodzące w środowisku wodnym
badanej zlewni?
Jakie czynniki wpływają na stężenie i ładunek składników mineralnych w wodzie powierzchniowej zlewni górnej Narwi? Jakie są główne przyczyny tego wpływu?
Które ładunki składników mineralnych decydują o ogólnym ładunku wynoszonym ze zlewni przez wody rzeki Narew?
Czy jest możliwe i w jakim zakresie przewidywanie stężenia oraz ładunków
składników mineralnych w wodach zlewni górnej Narwi na podstawie wielkości
hydrologicznych, geomorfologicznych i sezonowych na tym terenie?
Zaprezentowane w pracy wyniki pochodzą z badań wód opadowych, rzecznych, z rowów melioracyjnych oraz ścieków oczyszczonych odprowadzanych do
badanych rzek. Badania były przeprowadzone w latach 2001-2005 na obszarze
zlewni górnej Narwi. W próbkach oznaczano stężenie N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, PPO43-, S-SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Fe2+/3+, Zn2+ oraz przewodność elektryczną i
pH. Analizy chemiczne przeprowadzono za pomocą spektrofotometrów (VIS)
HACH DR-2000 i DR-4000 a także za pomocą spektrometru absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA) Varian typu SpectrAA-100A. Do analiz statystycznych
wyników badań zastosowano szereg wielowymiarowych metod statystycznych:
wielowymiarową analizę czynnikową (FA), analizę składowych głównych (PCA),
analizę skupień w wersji Warda (CA) oraz sztuczne sieci neuronowe (AAN). W
pracy obliczano ładunki składników mineralnych w wodach opadowych, rzecznych, melioracyjnych i ściekach oczyszczonych.
W opracowaniu poszukiwano przyczyn i źródeł wzbogacania w składniki mineralne zasobów wód rzecznych na obszarze zlewni górnej Narwi. Określono w niej
ładunki jednostkowe składników mineralnych dostające się z powierzchni zlewni
górnej Narwi do wód powierzchniowych oraz ładunki składników mineralnych
transportowane przez wody powierzchniowe w badanej zlewni i ich źródła. Określono rolę wód opadowych w kształtowaniu ogólnego ładunku składników mineralnych w wodach powierzchniowych. Porównano ładunki składników mineral-
Streszczenie
145
nych wnoszone przez te wody z ładunkami wynoszonymi przez wody z systemów
melioracyjnych i rzecznych. Okazało się, że procesy toczące się w zlewni działają
retencyjnie w przypadku niektórych składników mineralnych. Wskazano szereg
źródeł składników mineralnych w zlewni ze szczególnym uwzględnieniem źródeł
antropogenicznych o charakterze punktowym i powierzchniowym. Wykazano
wpływ powierzchniowych i punktowych źródeł składników mineralnych na skład
chemiczny wód rzecznych i procesy zachodzące w badanych środowiskach wodnych. W pracy określono czynniki wpływające na stężenie i ładunek składników
mineralnych w wodach powierzchniowych zlewni górnej Narwi. Określono ogólny
ładunek składników mineralnych wynoszony ze zlewni górnej Narwi oraz tworzące
go ładunki składowe. Wykonano i przetestowano modele sieci neuronowych do
prognozowania stężenia i ładunków składników mineralnych na podstawie wielkości hydrologicznych, geomorfologicznych i sezonowych na tym terenie.
Przeprowadzone badania wykazały a testy statystyczne potwierdziły że największy ładunek składników mineralnych spośród wszystkich dużych dopływów
Narwi odpływa ze zlewni Orlanki. Zlewnia tej rzeki jest użytkowana rolniczo. Skutkuje to zwiększonym dopływem składników mineralnych z jej obszaru. Do głównych przyczyn i źródeł wzbogacania składnikami mineralnymi wód Orlanki zaliczono punktowe źródło – miasto Bielsk Podlaski oraz procesy intensywnego przemieszczania tych składników z obszaru zlewni w czasie zmiennych warunków atmosferycznych. Największe ładunki jednostkowe składników mineralnych odpływają ze zlewni grupy małych rzek. Charakter rolniczy, leśny i zurbanizowany zlewni tych rzek dodatkowo różnicował stężenie badanych składników. Małe rzeki wykazują przewagę zasilania powierzchniowego nad podziemnym co jest bezpośrednią przyczyną znacznego wzbogacania ich wód w składniki mineralne migrujące z
ich urozmaiconych zlewni. Ponadto procesy samooczyszczania w tych rzekach są
ograniczone z uwagi na ich wielkość. Średnie stężenie N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, SSO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+ i Zn2+ było dodatnio zależne od średniego przepływu
wód Narwi natomiast ujemnie stężenie Fe2+/3+. Jest to efekt przewagi źródeł powierzchniowych składników mineralnych nad punktowymi w zlewni bezpośredniej
górnej Narwi. Nie uzyskano wiarygodnych zależności pomiędzy stężeniem badanych składników a przepływem wód Supraśli. Stężenie większości badanych składników w wodach Narewki nie wykazywały korelacji z przepływem, oprócz P-PO43-,
S-SO42- i Cl-. W tych przypadkach otrzymano zależności ujemne. Widoczna jest
tutaj przewaga źródeł punktowych nad powierzchniowymi oraz znaczne zalesienie
zlewni, działające retencyjnie na wody obu rzek powodujące okresowo uwalnianie
146 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi
niektórych składników z osadów dennych do wód. W wodach Orlanki otrzymano
zależności na poziomie współczynników korelacji mieszczących się w zakresie 0,600,95 między natężeniem przepływu a stężeniem większości badanych składników,
co również prowadzi do stwierdzenia o przewadze źródeł powierzchniowych w jej
zlewni nad punktowymi. W przypadku małych rzek nie wykazano tych zależności,
dając równocześnie podstawę do dowodu o przewadze źródeł punktowych nad
powierzchniowymi w ich zlewniach.
Factors and processes determining
the circulation of minerals in river waters
of upper Narew river catchment
Abstract
Strategy for Baltic Sea protection has to be preceded by a recognition of sources,
determinants, and processes forming the circulation and runoff of minerals that are
carried by river waters. The upper Narew river catchment is an example of a lowland reservoir including smaller and larger streams and rivers, where detailed identification of factors that form the minerals runoff, has not been made yet. Determining the amount of minerals runoff as well as indicating the regulatory factors
and processes is closely associated with the policy of upper Narew river water protection, which no doubt underlines the importance and contribution of present
study to the environment protection of the river in question. The upper Narew
river catchment is situated in north-east Poland called "Green Lungs of Poland".
There is large forest area, many lakes, swamps, and uncontaminated water flows at
very low intensity of industry along with extensive farming, on the other hand. The
catchment can be considered as a representative lowland one within Vistula river
basin. Under such circumstances, the estimation of minerals, namely their watersoluble forms (N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, S-SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+,
Fe2+/3+, and Zn2+) in waters as well as their export out of the catchment becomes
very important element of the strategy for improving the water quality within studied region.
Present work aimed at indicating mechanisms, reasons, and sources of mineral-enrichment of river waters in upper Narew river catchment. Therefore, the Author decided to answer some questions and issues:
What unit loads of minerals are carried into surface waters from the upper Narew river catchment area and what roles are played by rainwaters? What factors
and processes govern the supply and what are its sources?
148 Czynniki i procesy kształtujące odpływ składników mineralnych w wodach rzecznych w zlewni górnej Narwi
How much minerals are discharged along with surface waters out of studied
catchment and what are their sources?
What influence do surface and point sources of minerals as well as processes
occurring within riparian environments of studied catchment, on chemistry of
river waters?
Which factors have their impact on the concentration and loads of minerals in
surface waters of the upper Narew river catchment? What are the main reasons of
such influences?
Which loads of minerals determine the total load carried out of the catchment
by Narew river waters?
Is it possible and to what extent to predict the concentrations and loads of
minerals contained in the upper Narew river waters on a base of hydrological, geomorphological, and seasonal amounts on that area?
Results presented in this paper are from examinations of rainwaters, river waters, melioration ditches, as well as treated wastewaters discharged into the studied
rivers. The research was carried out in 2001-2005 within upper Narew river catchment. Concentrations of N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, S-SO42-, Cl-, Ca2+,
Mg2+, Na+, K+, Fe2+/3+, Zn2+, as well as electrolytic conductivity and pH value were
determined in water samples. Chemical analyses were made by means of spectrophotometers (VIS) HACH DR-2000 and DR-4000, as well as AAS device (Varian,
SpectrAA-100A type). A spectrum of multidimensional numerical methods were
applied to statistical processing of achieved results: factor analysis (FA), principal
components analysis (PCA), Ward's cluster analysis (CA), and artificial neuron
networks (ANN). Loads of minerals were calculated for rainwaters, river waters,
melioration ditches, and treated wastewaters.
Reasons and source of river waters enrichment in minerals within upper Narew
river catchment were searched for in this publication. Unit load of minerals that penetrate from upper Narew river catchment are into the surface waters as well as mineral loads transported by surface waters through the catchment along with their
sources were determined. The role of rainwaters in forming the general load of minerals in surface waters was also defined. The loads of minerals carried with waters
from melioration and river systems were compared as well. It was revealed that
processes occurring within the catchment, have retention effects for some minerals.
A variety of mineral sources in the catchment were pointed out, namely the point
and surface anthropogenic types. The influence of surface and point sources of minerals on chemistry of river waters as well as processes occurring within examined
Summary
149
riparian environments were proven. The research also presents factors affecting the
concentrations and loads of minerals in surface waters of upper Narew river catchment. The general load of minerals discharged out of the upper Narew river catchment with component loads were also determined. To do this, neuron network models to predict concentrations and loads of minerals on a base of hydrological, geomorphological, and seasonal on studied area, were constructed and tested.
The research revealed and statistical tests confirmed that Orlanka stream catchment discharged the highest loads of minerals among all large tributaries of Narew river. The former catchment is typically agricultural one, which results in increased inflow of minerals from its area. The main reasons and sources of enrichment the Orlanka stream with minerals were: point source – Bielsk Podlaski city as
well as processes of intensive transport of these components from the catchment
area during variable atmospheric conditions. The highest unit loads of minerals are
discharged from the catchments of small rivers group. Agricultural, forest, and
urbanized character of these rivers catchments was additional factor that differentiated the concentrations of examined contaminants. Small rivers have the surplus
of the surface over underground supply, which is a direct cause for considerable
enrichment of their waters in minerals migrating from such diverse catchments.
Furthermore, the self-cleaning processes in these streams are limited due to their
size. Mean concentrations of N-NO2-, N-NO3-, P-PO43-, S-SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+,
Na+, K+, and Zn2+ were positively correlated with mean flow of Narew river water,
while Fe2+/3+ concentration revealed negative dependence. It is the effect of surface
over point source of minerals in direct catchment of upper Narew river. No credible relationships between studied components concentrations vs. river Supraśl
water flow was found. Concentrations of majority of examined components in
Narewka stream did not show any correlation with water flow, except from P-PO43, S-SO42-, and Cl-. Negative dependencies were recorded in these cases. The domination of point over surface sources as well as significant catchment afforestation
having the retention effects on both rivers waters making temporary release of
some components from bottom sediments into the water, is prominent. For Orlanka stream, achieved dependencies between water flow and most of studied components concentrations were at the level of correlation coefficients within the range of
0.60-0.95, which also led to conclusion upon the supremacy of surface over point
sources within its catchment. In the case of small rivers, no such associations were
observed, which made a basis for a hypothesis on prevailing point over surface
sources within their catchments.