Wraz z gwałtownym rozwojem przemysłu następowało równie gwałtowne skażenie środowiska, a w tym także skażenie wód podziemnych. Wprowadzano do nich szereg różnorodnych substancji w ilościach często wielokrotnie przekraczających normy. Pojawił się istotny problem określenia tzw. "stopnia podatności" zbiorników wód podziemnych na skażenie. Często zamiennie, choć w odwrotnym znaczeniu, stosuje się określenie "stopnia odporności" lub też „stopnia wrażliwości” wód podziemnych na zanieczyszczenie.
Naturalna podatność systemu wodonośnego, nazywana podatnością właściwą, wewnętrzną lub hydrogeologiczną, rozumiana jest jako wyznacznik ryzyka migracji substancji zanieczyszczających z powierzchni terenu do wód podziemnych. Określa się ją najczęściej poprzez ocenę parametrów hydrogeologicznych struktur wodonośnych oraz układu krążenia wód, zwłaszcza warunków ich zasilania, przepływu i drenażu (Krogulec, 2004). Podatność naturalną wód podziemnych na wpływy antropogeniczne uznaje się za główny czynnik determinujący stopień ich zagrożenia (Graf, 2007).
Parametrem posiadającym kluczowe znaczenie przy tego typu badaniach jest czas migracji substancji zanieczyszczających do zbiornika. Rzeczywisty czas przesiąkania zanieczyszczeń jest dla nich jednocześnie maksymalnym czasem działania potencjalnych procesów prowadzących do oczyszczenia środowiska.
Migracja substancji zanieczyszczających jest procesem skomplikowanym zależnym od rodzaju substancji i od charakteru ośrodka oraz wielu innych parametrów. W toku wieloletnich badań nad tym zjawiskiem wypracowano szereg metod pozwalających oszacować podatność zbiorników wód podziemnych na zanieczyszczenie. W sposób mniej lub bardziej przybliżony i uproszczony metody te opisują proces infiltracji zanieczyszczeń z wodami opadowymi do wód podziemnych.
Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie zdefiniowano jako „tendencję lub prawdopodobieństwo osiągnięcia przez zanieczyszczenie konkretnego miejsca w systemie wodonośnym po uprzednim ich wprowadzeniu w dowolną pozycję ponad najpłytszym zbiornikiem wód podziemnych” (Suter Glenn, 1993). Można również ją uznać za naturalną właściwość środowiska przyrodniczego określającą ryzyko migracji z powierzchni ziemi do poziomu wodonośnego substancji szkodliwych pochodzenia antropogenicznego. Według hydrogeologów amerykańskich wszystkie wody podziemne są podatne ("ibidem"). Przedostanie się zanieczyszczeń do wód podziemnych z powierzchni terenu wymaga czasu i w zależności od stopnia izolacji może trwać przez długi czas.
Odporność na zanieczyszczenie jest cechą zbiorników wód podziemnych wynikającą z budowy geologicznej i warunków hydrogeologicznych decydującą o możliwościach ich ochrony przed istniejącym lub potencjalnym zanieczyszczeniem i wpływającą na opóźnianie i ograniczanie migracji substancji zanieczyszczających. Zależy głownie od stopnia izolacji zbiornika wód podziemnych od powierzchni (ogniska zanieczyszczeń), czyli tzw. stopnia odkrycia oraz charakteru ośrodka skalnego tworzącego nadkład i warstwę wodonośną. Cechy tego ośrodka decydują o prędkości przepływu wód i substancji zanieczyszczających, zdolnościach sorpcyjnych itp. Wrażliwość zbiornika wód podziemnych jest także funkcją głębokości zalegania zwierciadła w warstwie oraz warunków jego zasilania i drenażu (Dowgiałło i in., 2002).
Celem niniejszej rozprawy doktorskiej była próba oceny roli strefy aeracji (wraz z przykrywającą ją glebą) płytkiego plejstoceńskiego zbiornika wód podziemnych w procesach samooczyszczania zdegradowanego środowiska wodno-gruntowego. Rolę utworów strefy aeracji i gleby utożsamiono z oceną roli nadkładu zbiornika jako bariery ochronnej. Gleba oraz lessowa strefa aeracji stanowią ważny etap na drodze wędrówki zanieczyszczeń do wód podziemnych, między innymi dlatego, że stanowią ostatnie ogniwo i zanieczyszczenia przechodzące przez tą strefę trafiają już bezpośrednio do wód podziemnych.
Ocenę podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie można wykonać stosując różnorodne metody:
• metody klasyfikacji warunków hydrogeologicznych • metody macierzowe i algebraiczne
• metody indeksacji parametrów ( system DRASTIC ) • metody znacznikowe
• metody hydrochemiczne
• metody obliczania czasu migracji • numeryczne modele symulacyjne • metody statystyczne
W zależności od celu i przyjętych kryteriów wydzielić można kilka grup metod oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenia (Graf, 2007) (tab. 3). Jedną z grup metod wchodzących w skład systemu oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie są metody rangowe (indeksacji parametrów), w których dokonuje się wyboru zbioru parametrów mających największy wpływ na migrację potencjalnych zanieczyszczeń do wód podziemnych. Do metod indeksacji parametrów (tab. 3) zaliczamy m.in. metody: GOD, DRASTIC, DIVERSITY, GPSRI czy Nomogram LeGranda, omówione przez Chełmickiego (1997) oraz Krogulec (2004, 2006), w których, stosując zmienną liczbę elementów wejściowych, analizuje się i ocenia naturalną podatność (odporność) zbiorników wód podziemnych na zanieczyszczenie pochodzące z powierzchni terenu.
Kryterium hydrogeologiczne obejmuje zbiór cech diagnostycznych, wśród których dominują: głębokość do zwierciadła wód podziemnych, parametry filtracyjne struktur wodonośnych, stopień izolacji zbiornika wód podziemnych, przepuszczalność gruntów oraz charakter litologii utworów powierzchniowych. Informacje te często uzupełniane są przez kryteria czy uwarunkowania: klimatyczne, morfometryczne oraz użytkowanie gruntów lub stopień zagospodarowania obszaru. Wykorzystując powyższe metody, nie uwzględnia się natomiast rodzaju i właściwości substancji zanieczyszczającej, jak również procesów hydrogeochemicznych, które zachodzić mogą podczas migracji zanieczyszczeń.
Przedstawione poniżej metody wyznaczenia czasu infiltracji wód opadowych poprzez strefę aeracji dają wyniki mniej lub bardziej przybliżone do rzeczywistości. Przy opracowaniach regionalnych oszacowanie podatności zbiorników na zanieczyszczenie prostymi metodami jest uznawane za wystarczające. Szereg istniejących wzorów i metod pozwalających określać czas przesiąkania opisuje skomplikowane warunki rzeczywiste w sposób bardziej lub mniej uproszczony.
Grupy metod i ich charakterystyka Parametry podlegające ocenie* Metody klasyfikacji warunków hydrogeologicznych – oparte na
charakterystyce systemu wodonośnego i przyporządkowaniu poszczególnym obszarom określonej oceny podatności.
Metody hydrochemiczne – podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie określa się na podstawie mineralizacji wód podziemnych.
Metody parametryczne (macierzowe, algebraiczne) – dotyczą wyboru najbardziej istotnych parametrów pod względem potencjalnego zagrożenia wód podziemnych, a następnie hierarchizacji tych parametrów.
GOD (Foster, 1987)
- głębokość do zwierciadła wód podziemnych
- stopień izolacji zbiornika - typ warstwy wodonośnej (utworów przypowierzchniowych)
DRASTIC (Aller i in., 1985)
- głębokość do zwierciadła wód podziemnych
- wskaźnik zasilania wód podziemnych - rodzaj utworów i gleb
- nachylenie terenu - cechy strefy aeracji - przewodność hydrauliczna
Metody rangowe (indeksacji parametrów) – związane z wyborem zestawu parametrów mających największy wpływ na możliwość zanieczyszczenia wód podziemnych
GPSRI (Holman, 1985)
- czynniki ryzyka: istniejące ogniska potencjalnych zanieczyszczeń
- czynniki ochrony: zdolność środowiska do unieszkodliwiania
Metody znacznikowe (terenowe metody wskaźnikowe) – umożliwiają określenie podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie na podstawie bezpośredniego pomiaru warunków przepływu zanieczyszczeń.
Metody obliczania czasu migracji – podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie szacuje się na podstawie czasu przesączania i przesiąkania.
umeryczne modele symulacyjne (metody modelowania matematycznego i hydrogeochemicznego) – prognozy zanieczyszczeń na modelach filtracji i transportu zanieczyszczeń. Metody statystyczne i geostatystyczne- wybór zmiennych diagnostycznych
DIVERSITY (Ray, O’dell, 1993)
- cechy warstwy wodonośnej - wielkość zasilania - prędkość przepływu
- kierunek rozpływu zanieczyszczeń
Nomogram LeGranda (1964)
- głębokość i spadek zwierciadła wód podziemnych
- zdolność sorpcyjna utworów strefy aeracji
- przepuszczalność utworów - kierunek przepływu wód - odległość zbiornika od źródła zanieczyszczeń
Tab. 3. Metody oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie (Graf, 2007)
* zmienne diagnostyczne wykorzystywane w metodach rangowych (wybrane przykłady) oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie. Opis cech przedstawiono za Chełmickim (1997)
Czas migracji zanieczyszczeń konserwatywnych jest jednym z wymiernych kryteriów przyjmowanych przy ocenie podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie. Jest on uzależniony od wielu czynników, z których najważniejsze to litologia skał, a właściwie ich porowatość i stopień nasycenia por wodą oraz miąższość strefy aeracji i intensywność zasilania czyli infiltracji. Dla oceny podatności pierwszego poziomu wodonośnego określa się czas migracji przez profil glebowy i dalszą część strefy aeracji. Można także określać podatność głębszych warstw wodonośnych poprzez ocenę prędkości przesiąkania przez utwory rozdzielające, zakładając warunki potęgujące migrację, czyli obniżenie naporu w warstwie wodonośnej o połowę (Kleczkowski i in., 1991).
Dla potrzeb wyznaczenia potencjalnego stopnia zagrożenia GZWP powstała klasyfikacja oparta o czas migracji (Kleczkowski, 1990). Czas migracji zanieczyszczeń konserwatywnych przez strefę aeracji (t= ta+tp) jest sumą przesączania się przez strefę aeracji (ta) i ewentualnego przesiąkania przez głębszą pokrywę ochronną (tp) (Żurek i in., 2002). Można go określać w przybliżeniu na podstawie czasu wymiany wody w profilu skalnym przy założeniu wypierania tłokowego. Przyjmujemy wtedy, że zanieczyszczenia konserwatywne rozpuszczone w wodzie dyfundują także do wody immobilnej znajdującej się w porach skalnych i migrują z taką prędkością, jakby wypierana była cała woda zawarta w profilu skalnym (Żurek i in., 2002). Czas przesączania przez strefę aeracji określa się go ze wzoru :
ta
∑
= ⋅ = n i e i o i I w m 1 ) (- gdzie: mi - miąższość kolejnych warstw profilu strefy aeracji [m];
(wo)i - przeciętna wilgotność objętościowa kolejnych warstw strefy aeracji [bezw.];
Ie - infiltracja opadów atmosferycznych w głąb profilu glebowego [m3/m2rok] otrzymana z pomnożenia wskaźnika infiltracji (ωi [ % ]) i wielkości opadu.
W skali lokalnej infiltracja wód opadowych jest procesem dość skomplikowanym i wyznaczenie dokładnego czasu przesiąkania wód do strefy saturacji może nastręczać pewne trudności. Chociaż metody matematyczne mogą coraz wierniej oddawać rzeczywistość to jednak zawsze wyniki są obarczone błędem w zależności od przyjętych założeń. Dlatego też autorka zdecydowała się na przeprowadzenie szeregu badań terenowych, które pomogłyby wyznaczyć rzeczywisty czas przesiąkania wód opadowych poprzez strefę aeracji. Pomocne okazały się badania zawartości izotopu trytu, zawartości jonów siarczanowych oraz bromkowych w wodach porowych profilu strefy aeracji. Szczegółowy opis wykonanych badań oraz interpretacja wyników zawarte zostały w rozdziale 9 niniejszej pracy. Uzyskany z badań rzeczywisty czas przesiąkania zanieczyszczeń traktowano jako maksymalny czas działania potencjalnych procesów prowadzących do samooczyszczenia środowiska.