Index of /rozprawy2/10193

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Geologii Geofizyki i Ochrony Środowiska Katedra Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej. Rozprawa doktorska. ROLA GLEBY I STREFY AERACJI W PROCESACH SAMOOCZYSZCZANIA SIĘ ŚRODOWISKA WÓD PODZIEMNYCH ZDEGRADOWANYCH PRZEZ EMISJE PRZEMYSŁOWE W REJONIE HUTY ARCELOR MITTAL. Agnieszka Operacz. Promotor: dr hab. inż. Stanisław Witczak, prof. AGH. Kraków 2009.

(2) Autorka pragnie serdecznie podziękować Panu Profesorowi Stanisławowi Witczakowi, Panu Doktorowi Tomaszowi Stuczyńskiemu oraz Pracownikom Instytutu Uprawy, awożenia i Gleboznawstwa w Puławach, Panu Doktorowi Tadeuszowi Kucowi, Panu Magistrowi Wiesławowi Knapowi oraz Wszystkim, którzy przyczynili się do powstania niniejszej rozprawy..

(3) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz SPIS TREŚCI:. 1. CEL I ZAKRES .............................................................................................................................. 3 2. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ ............................................................................ 7 2.1. Położenie geograficzne ............................................................................................................. 7 2.2. Morfologia i hydrografia ........................................................................................................... 7 2.3. Budowa geologiczna ................................................................................................................. 8 2.4. Charakterystyka gleb ............................................................................................................... 12 2.5. Warunki hydrogeologiczne ..................................................................................................... 15 3. STOPIEŃ DEGRADACJI OBSZARU BADAŃ POD WPŁYWEM DZIAŁANIA HUTY ARCELOR MITTAL ....................................................................................................................... 19 3.1. Historia istnienia kombinatu metalurgicznego Arcelor Mittal ................................................ 19 3.2. Emisje do atmosfery – zanieczyszczenie obszarowe .............................................................. 23 3.3. Hałda odpadów pohutniczych – zanieczyszczenie punktowe ................................................. 25 4. MODEL KONCEPTUALNY REALIZOWANYCH BADAŃ ................................................ 27 5. ROLA GLEBY I STREFY AERACJI W OCENIE PODATNOŚCI WÓD PODZIEMNYCH NA ZANIECZYSZCZENIE ............................................................................ 30 6. PODSTAWY TEORETYCZNE OCENY ROLI GLEBY I STREFY AERACJI JAKO ŚRODOWISKA PROCESÓW SAMOOCZYSZCZANIA SIĘ WÓD ........................................ 34 6.1. Zmiany chemizmu wód infiltrujących poprzez glebę i strefę aeracji ..................................... 34 6.2. Podstawy procesu migracji zanieczyszczeń w strefie aeracji ................................................. 36 6.2.1. Adwekcja .......................................................................................................................... 37 6.2.2. Dyfuzja ............................................................................................................................. 38 6.2.3. Dyspersja .......................................................................................................................... 39 6.2.4. Sorpcja i desorpcja........................................................................................................... 40 6.2.5. Rozpad i biodegradacja zanieczyszczeń........................................................................... 41 7. CHARAKTERYSTYKA BADANYCH ZANIECZYSZCZEŃ ............................................... 42 7.1. Jony siarczanowe jako przykład migracji substancji konserwatywnych ................................ 42 7.2. Metale ciężkie jako przykład migracji substancji ulegających opóźnieniu ............................ 45 8. WYKORZYSTANIE WIELKOŚREDNICOWEJ STUDNI BADAWCZEJ DO MONITORINGU WÓD POROWYCH STREFY AERACJI ..................................................... 55 8.1. Schemat działania badawczej studni wielkośrednicowej (szybika A1) .................................. 55 8.2. Etap laboratoryjny ................................................................................................................... 58 8.3. Etap terenowy .......................................................................................................................... 61 8.4. Opróbowanie strefy aeracji ..................................................................................................... 63 1.

(4) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz 9. WYZNACZENIE PRĘDKOŚCI MIGRACJI WÓD INFILTRUJĄCYCH PRZEZ LESSOWĄ STREFĘ AERACJI ..................................................................................................... 65 9.1. Badania izotopowe (znaczników środowiska) ........................................................................ 66 9.1.1. Charakterystyka oznaczanych izotopów........................................................................... 67 9.1.2. Pozyskanie próbek wód porowych z profilu studni S-11A ............................................... 69 9.1.3. Oznaczenia wykonane w uzyskanych wodach porowych ................................................. 74 9.1.4. Interpretacja wyników ...................................................................................................... 78 9.2. Badania migracji jonów bromkowych jako znacznika sztucznego ......................................... 82 9.3. Badania migracji jonów siarczanowych .................................................................................. 87 9.3.1. Jony siarczanowe w profilu szybika badawczego A1 ....................................................... 89 9.3.2. Jony siarczanowe w profilu studni S-11A ........................................................................ 92 9.4. Czas migracji zanieczyszczeń przez strefę aeracji GZWP 450............................................... 94 10. ROLA GLEBY W PROCESACH SAMOOCZYSZCZANIA ............................................... 96 10.1. Właściwości pokrywy glebowej oraz zakres oznaczeń......................................................... 96 10.2. Badania w roku 1992............................................................................................................. 98 10.3. Badania w roku 2004 oraz trendy zmian w odstępie 12-letnim .......................................... 101 10.3.1. Analiza granulometryczna............................................................................................ 103 10.3.2. Oznaczenia odczynu pH ............................................................................................... 108 10.3.3. Oznaczenia próchnicy .................................................................................................. 112 10.3.4. Oznaczenia metali ciężkich .......................................................................................... 115 10.3.5. Precyzja wykonanych oznaczeń ................................................................................... 122 10.3.6. Rozkłady przestrzenne zawartości metali w glebie ...................................................... 128 10.3.7. Porównanie wyników w odstępie czasowym ................................................................ 148 11. MODEL GEOCHEMICZNY.................................................................................................. 149 11.1. Metodyka modelowania hydrogeochemicznego ................................................................ 149 11.2. Konceptualny model interakcji woda-skała ........................................................................ 154 12. PROCESY SAMOOCZYSZCZANIA ŚRODOWISKA Z METALI CIĘŻKICH ........... 157 13. PODSUMOWANIE I WNIOSKI .............................................................................................. 167 14. SPIS ZAŁĄCZNIKÓW 15. SPIS TABEL ZAMIESZCZONYCH W TEKŚCIE 16. SPIS RYSUNKÓW ZAMIESZCZONYCH W TEKŚCIE 17. SPIS FOTOGRAFII 18. LITERATURA. 2.

(5) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz. 1. CEL I ZAKRES Wybór obszaru badań podyktowany został wpływem długoletniej silnej antropopresji ze strony kombinatu metalurgicznego Arcelor Mittal1 oraz budową hydrogeologiczną, geologiczną, a także warunkami glebowymi umożliwiającymi przeprowadzenie zamierzonych badań terenowych oraz interpretację uzyskanych wyników. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej była ocena roli gleby i strefy aeracji w procesach migracji wybranych zanieczyszczeń przenoszonych drogą powietrzną wraz z emisjami przemysłowymi ze strony huty Arcelor Mittal. Z szeregu substancji zanieczyszczających wchodzących w skład pyłów i gazów emitowanych przez kombinat do analizy w ramach niniejszej pracy wybrano związki siarki oraz 8 metali ciężkich (Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Mn, Pb, Zn). Bardzo istotnym celem prowadzonych badań była ocena tzw. „skali czasowej” procesów migracji zanieczyszczeń konserwatywnych przez strefę aeracji do wód podziemnych. Świadomość skali czasowej migracji tych zanieczyszczeń jest niezwykle istotna. Proces dotarcia zanieczyszczeń do wód podziemnych z powierzchni ziemi może na obszarze badań trwać nawet 20-30 lat. Jest to czas, w którym skażenie jest obecne w systemie. Wody podziemne narażone są na zanieczyszczenie ze strony wielu substancji zanieczyszczających, różniących się m.in. źródłem pochodzenia, składem chemicznym, wpływem na organizmy żywe itp. W prezentowanej pracy podstawowym kryterium różnicującym substancje zanieczyszczające był charakter ich migracji. Prezentowane wyniki badań dotyczą dwóch wybranych skrajnych typów zanieczyszczeń pod względem prędkości ich przenikania z powierzchni do wód podziemnych. Pierwszy typ to zanieczyszczenia konserwatywne (jony siarczanowe) sygnalizujące największe niebezpieczeństwo, gdyż przenikają jako pierwsze do warstwy wodonośnej. Drugi typ to zanieczyszczenia zatrzymywane praktycznie całkowicie 1. Huta Arcelor Mittal w trakcie swych wielokrotnych przeobrażeń strukturalnych zmieniała również. swoją nazwę. W 1954 roku nadano Hucie nazwę „Huta im. Lenina”. Zmieniono ją w roku 1990 na „Huta im. Tadeusza Sendzimira” (Małecki, 1997). W kolejnych latach Huta z Przedsiębiorstwa Państwowego stała się Spółką przechodząc kolejne transformacje. Od 1 stycznia 2003 roku jej nazwa to ISPAT Polska Stal S.A. (dawniej Polskie Huty Stali S.A.). Firma ta była członkiem Grupy LNM Holdings N.V., drugiego co do wielkości producenta stali na świecie. 20 grudnia 2004 powstał Mittal Steel Company – największy koncern hutniczy świata. Firma powstała z połączenia ISPAT International Ltd. oraz LNM Holdings N.V. 17 lutego 2005 roku zarejestrowano oficjalnie Mittal Steel Poland S.A. i tym samym Huta kolejny raz zmieniła nazwę. Z połączenia Ispat International N.V., LNM Holdings N.V. oraz International Steel Group została utworzona największa na świecie globalna firma stalowa Arcelor Mittal - obecny właściciel Huty. Zatwierdzony temat rozprawy doktorskiej autorki mówił o „Hucie im. Tadeusza Sendzimira”. Kolejne szybkie zmiany nazwy powodowały niekonsekwencję w nazewnictwie kombinatu. W opracowaniu starano się wprowadzić obecnie obowiązująca nazwę Huty – Arcelor Mittal, a także nazywać ją w skrócie „Hutą”, bądź też „kombinatem metalurgicznym”. 3.

(6) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz w przypowierzchniowej części strefy aeracji w przypadku istnienia dogodnych warunków fizykochemicznych (metale ciężkie). Oba rodzaje badanych zanieczyszczeń są jednocześnie głównymi składnikami emisji powietrznych ze strony Huty Arcelor Mittal. W obszarze badań półprzepuszczalny charakter lessowej strefy aeracji oraz jej znaczna miąższość (średnio kilkunastometrowa) wpływają na stosunkowo długie czasy wymiany wód w profilu. Tym samym generuje to znaczne opóźnienie reakcji wód eksploatowanych z GZWP 450 na zanieczyszczenie pochodzące z powierzchni terenu. Zmiany stopnia emisji (głównie ze strony Huty) znajdują swoje odzwierciedlenie w zmianie chemizmu wód podziemnych po znacznym upływie czasu od imisji zanieczyszczeń na powierzchni ziemi. W ramach niniejszej pracy dokonano oceny przemian, którym ulegają polutanty w trakcie migracji do wód podziemnych ze szczególnym uwzględnieniem procesów prowadzących do samooczyszczania się środowiska wodno-gruntowego. Znajomość procesów, jakim podlegają zanieczyszczenia na drodze migracji poprzez strefę aeracji i glebę pozwala określać realny stopień zagrożenia wód podziemnych oraz efektywność naturalnych procesów oczyszczających środowisko wód podziemnych (Natural Attenuation). Strefa aeracji wraz z warstwą glebową stanowi naturalną barierę chroniącą zbiornik wód podziemnych GZWP 450 przed zanieczyszczeniem (Karlikowska, Karpińska-Rzepa2, 2008). Budujące ją w obszarze badań utwory lessowe o niskich parametrach filtracyjnych stanowią bardzo dobre środowisko do intensywnego rozwoju procesów fizycznych, fizyko-chemicznych i biologicznych prowadzących do samooczyszczania się wód. Położona we wschodniej części Krakowa Huta Arcelor Mittal stanowi od momentu swego powstania poważny problem z zakresu ochrony środowiska dla przyległych terenów. Kilkuetapowy rozwój Huty oraz zmiany w wielkości produkcji stali odbijały się bezpośrednio na stopniu emisji zanieczyszczeń. W początkowych latach rozwoju emisja zanieczyszczeń do środowiska była bardzo wysoka. Obecnie stosowane technologie oraz surowe opłaty wydatnie ją zmniejszyły. Jednak zanieczyszczenia wyemitowane w trakcie wielu lat istnienia Huty stanowią poważny problem, a wyjaśnienie procesów, jakim podlegają jest zagadnieniem kluczowym dla oceny stanu środowiska przyrodniczego na badanym obszarze. Istotny jest również fakt, iż w obszarze przyległym do Huty zlokalizowane jest ujęcie wody pitnej w tzw. pasie D pobierające wodę z Głównego Zbiornika Wód Podziemnych GZWP nr 450 – Dolina rzeki Wisły. Ocena efektywności procesów naturalnych związanych z oczyszczaniem środowiska z zanieczyszczeń wymaga od badaczy prowadzenia długotrwałych obserwacji ze względu na powolność migracji wód opadowych do wód podziemnych oraz długie czasy zachodzenia procesów w strefie aeracji oraz pokrywie glebowej. W przypadku rejonu Huty Arcelor Mittal wystąpiły 2. obecnie Agnieszka Operacz 4.

(7) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz dogodne warunki do śledzenia wertykalnej migracji wód infiltrujących z powierzchni przez warstwę lessów (Karpińska-Rzepa, Witczak, 2002; Witczak i in., 2006). Lessowa strefa aeracji GZWP 450 stanowi tu rodzaj bariery pasywnej znacznie opóźniającej migrację wód infiltracyjnych oraz niesionych zanieczyszczeń. Uzyskanie próbek wód infiltracyjnych pochodzących z okresu 20-30 lat umożliwiła studnia wielkośrednicowa (tzw. szybik badawczy A1 – zał. 1) (Witczak i in., 1998) zlokalizowana w obszarze badań. Studnia ta wyposażona była w 4 pracujące próbniki do poboru wody porowej. Na potrzeby niniejszej pracy uzupełniono jej profil o dodatkowe 4 próbniki, co pozwoliło uzyskać pełniejszy obraz przesiąkania wód oraz zmiany ich chemizmu wraz z głębokością. W ramach niniejszej pracy kontynuowano opróbowanie wód infiltracyjnych strefy aeracji przez okres 4 lat z częstotliwością około 1 - 4 miesięczną. Na podstawie uzyskanych wyników składu fizykochemicznego dokonano ściślejszego oznaczenia czasu przesiąkania wód infiltracyjnych. Niezwykle cennych informacji dostarczyły wyniki przeprowadzonych badań znacznikowych z wykorzystaniem znaczników sztucznych (wybranych substancji konserwatywnych), jak i środowiskowych (trytu, izotopów stabilnych). Wykonane badania znacznikowe dostarczyły informacji o prędkości migracji badanych zanieczyszczeń, a tym samym o czasie, w którym mogą rozwijać się procesy samooczyszczania. Całkowity profil strefy aeracji zbiornika GZWP 450 opróbowano także w drugim punkcie obszaru badań - w miejscu wiercenia studni S11-A dla ujęcia Huty. Uzyskane próbki gruntu dostarczyły wielu danych pozwalających na szersze poznanie zjawisk zachodzących na drodze infiltracji wód opadowych do zbiornika wód podziemnych przy użyciu modelowania hydrogeochemicznego. Tendencje w procesie migracji metali ciężkich (jako przykładu substancji reaktywnych ulegajacych opóźnieniu) poprzez glebę i strefę aeracji rozpoznano na podstawie porównania ich stężeń w 12-letnim odstępie czasowym. Niezwykle cenna okazała się możliwość odniesienia do archiwalnych wyników badań przeprowadzonych w Zakładzie Hydrogeologii i Ochrony Wód AGH w ramach projektu badawczego nr 9 9229 92 03 przez Pracowników Instytutu Uprawy, Nawożenia i Gleboznawstwa w Puławach (Witczak i in., 1994). W ramach badań terenowych autorki wykonano ponowne opróbowanie gleb na omawianym obszarze (dzięki technice GPS z możliwie najdokładniej wyznaczonego tego samego punktu poboru) oraz ocenę ich własności i zawartości metali ciężkich. Badania wykonano stosując dwie metody rozkładu próbek oraz sposobu oznaczenia metali w uzyskanych roztworach. Wykonanie badań ściśle według metodyki stosowanej przez IUNG w roku 1992 było niezbędne w aspekcie prowadzenia badań zmian wieloletnich zachodzących w środowisku. Interpretacja uzyskanych wyników w określonym odstępie czasowym pozwoliła udowodnić trend pełnienia przez glebę roli ochronnej w procesie migracji metali ciężkich 5.

(8) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz do zbiornika wód podziemnych oraz zinterpretować zmiany zachodzące w środowisku w badanym odstępie 12 lat. Autorka z tego miejsca chce serdecznie podziękować dr Tomaszowi Stuczyńskiemu oraz Pracownikom Zakładu Gleboznawstwa, Erozji i Ochrony Gruntów Instytutu Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa w Puławach za nieocenioną pomoc przy analizach prób glebowych. Meritum niniejszej rozprawy doktorskiej stanowi wyłącznie ocena roli gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania środowiska wodno-gruntowego zdegradowanego poprzez wpływ istnienia kombinatu Arcelor Mittal. Na pełny obraz wpływu Huty na przyległy do niej obszar składa się szereg równie istotnych zagadnień jak m.in.: wpływ obecności zanieczyszczeń w glebie na jakość uprawianych roślin, wpływ zanieczyszczenia powietrza na organizmy ludzkie oraz potencjalne ryzyko utraty zdrowia przez zamieszkujących tu ludzi. Przedstawione w rozprawie wnioski w aspekcie wód podziemnych stanowić mogą ważny wkład w ocenę szeroko pojętego stanu przyrodniczego obszaru. Część wyników, jak np. oznaczenia stężeń metali ciężkich w glebie może zostać wykorzystana przez innych badaczy np. w ocenie wpływu zanieczyszczenia gleb na uprawy. Niniejsza rozprawa doktorska zawiera szeroki opis metodyki wykonanych badań, uzyskanych wyników oraz sposobu ich interpretacji. W ocenie autorki przeprowadzone działania osiągnęły zamierzony cel oraz mogą stanowić bardzo dobry materiał do prowadzenia dalszych bardziej szczegółowych badań w proponowanym kolejnym cyklu badawczym.. 6.

(9) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz. 2. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ W. poniższym. rozdziale. przedstawiono. charakterystykę. warunków. geologicznych. i hydrogeologicznych obszaru badań stanowiących podstawę do prowadzenia rozważań stopnia degradacji badanego środowiska wodno-gruntowego oraz zdolności do jego samooczyszczania się z przyjętych zanieczyszczeń. 2.1. Położenie geograficzne Obszar badań o powierzchni 6200 ha zlokalizowany został w południowej części Polski, na wschodnich obrzeżach Krakowa. Według podziału administracyjnego Polski teren w całości należy do województwa małopolskiego i leży w obrębie gmin: Kraków-miasto, IgołomiaWawrzeńczyce oraz Kocmyrzów-Luborzyca położonych w powiecie krakowskim. W obrębie obszaru badań znajdują się m. in. wsie: Ruszcza, Wadów, Tropiszów, Dojazdów, Prusy, Kocmyrzów, Czulice, Igołomia i Złotniki (zał. 1). Teren badań leży w obrębie europejskiego megaregionu 3 – Pozaalpejska Europa Środkowa, a szczegółowy ich podział obejmuje: podprowincje, makro- i mezoregiony fizycznogeograficzne (Kondracki, 2000) (zał. 2). Zajmuje on część mezoregionu Płaskowyżu Proszowickiego, należący do podprowincji Wyżyna Małopolska. Południowa granica poligonu stanowi jednocześnie granicę mezoregionów Płaskowyżu Proszowickiego i Niziny Nadwiślańskiej, która występuje już poza poligonem badawczym. 2.2. Morfologia i hydrografia Południowa część terenu badań położona jest na lewym tarasie wysokim rzeki Wisły. Szerokość całej doliny na tym odcinku waha się od 8 do 10 km (zał. 1). Szerokość samego tarasu wysokiego w rejonie badań to 2 - 3 km. Pod względem morfologicznym w dolinie Wisły wydzielone są dwa tarasy: -. taras niski na poziomie 190 - 200 m npm (poza obszarem badań),. -. taras wysoki na poziomie 205 - 220 m npm. Część północną obszaru stanowi szereg wzgórz lessowych (zał. 1, 3). Rzeźba terenu typowa. jest dla obszarów lessowych. Składa się na nią szereg płaskowzgórzy i garbów przeciętych wąskimi dolinami. małych. cieków.. Charakterystyczna. jest. asymetria. zboczy,. przejawiająca. się. w zróżnicowaniu ich wysokości i stromości oraz w odsłanianiu skał podłoża we wschodnich i południowo-wschodnich zboczach. Na zboczach zachodnich i północnych występuje grubsza pokrywa lessowa łagodząca ich nachylenie oraz osłaniająca skały podłoża (Kolasa, 1963). Zjawisko to wyjaśnia Walczak (1956) wpływem zachodnich wiatrów deszczonośnych oraz procesami soliflukcji potęgowanych nagrzewaniem bardziej eksponowanych zboczy przez słońce.. 7.

(10) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Generalne obniżenie terenu następuje w kierunku doliny Wisły, a wysokości bezwzględne wahają się od 200 do ok. 280 m npm (zał. 1). Taras wysoki Wisły rozciąga się pomiędzy 200 m npm, a 240 m npm. Powyżej znajdują się wyniesienia z najwyżej położonym punktem 286 m npm zlokalizowanym na NW od Prus. Największym ciekiem powierzchniowym w obrębie obszaru badań jest Potok Kościelnicki, który odbiera wodę z mniejszej Łucjanówki (zał. 1). W północno-zachodniej części terenu płynie potok Baranówka stanowiący dopływ Dłubni znajdującej się już poza badanym obszarem. Na rzece Dłubni w Zesławicach funkcjonuje zespół dwóch zbiorników retencyjnych, których rola sprowadza się do wyrównania przepływów rzeki Dłubni oraz zapewnienia wody dla ujęcia Huty Arcelor Mittal. Z uwagi na okresowo złą jakość wód zbiorniki te przestały pełnić funkcję awaryjnego ujęcia dla wodociągu miejskiego. Pozostałe drobne cieki o nazwach lokalnych tworzą sieć zasilającą wymienione potoki. Generalnie cieki płyną z północy na południe i stanowią fragment zlewni Wisły. Przy wschodniej granicy terenu znajduje się kanał ogólnospławnej kanalizacji przemysłowodeszczowej kombinatu o nazwie Suchy Jar (rys. 2). 2.3. Budowa geologiczna Pod. względem. geologicznym. obszar. badań. leży. na. pograniczu. zapadliska. przedkarpackiego (część południowa) i niecki nidziańskiej (miechowskiej). Schematyczny przekrój przez teren badań przedstawiony został na rys. 1. Mapa geologiczna zakryta obszaru stanowi załącznik nr 3 do niniejszej dysertacji. Zapadlisko przedkarpackie jest rozległym obniżeniem tektonicznym o typowych cechach rowu przedgórskiego, wypełnionym formacją ilastą wieku mioceńskiego. W zachodniej części województwa małopolskiego, na południe od Garbu Tenczyńskiego, ma ono charakter asymetrycznego rowu tektonicznego zwanego Bramą Krakowską. Współcześnie rów jest wykorzystywany przez rzekę Wisłę. Pozostały fragment zapadliska należy geograficznie do Kotliny Sandomierskiej stanowiąc jej zachodnią część. Podłoże zapadliska stanowią prekambryjskopaleozoiczno-mezozoiczne utwory platformowe. Osady mioceńskie, wypełniające zapadlisko przedkarpackie, wykazują znaczne miąższości od kilku do nawet 600 m i zalegają na wapieniach jury, bądź kredy (Myszka, 1992). Charakterystycznymi utworami miocenu są zwięzłe iły, często silnie zwapnione, a sporadycznie występujące nawet jako iłowce lub twarde iłołupki. Strop tych utworów w obrębie tarasu wysokiego Wisły występuje na głębokości 20 - 30 m ppt. Utwory ilastopylaste miocenu stanowią podłoże podplejstoceńskie w rejonie zapadliska przedkarpackiego, natomiast w obrębie niecki miechowskiej są to szczelinowe utwory margliste kredy górnej (rys. 1). Miąższość margli osiąga kilkadziesiąt metrów. Osady kredowe są głównie wieku senońskiego, sporadycznie także cenoman-turon (Gradziński, 1974). Utwory cenomanu i turonu wykształcone są 8.

(11) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz jako utwory wapienno-zlepieńcowate, występujące lokalnie w niewielkiej miąższości (kilkadziesiąt cm do ok. 2 m). Utwory miocenu wykształcone są w swej części stropowej jako szare lub zielonawo-szare iły, rzadziej iłowce lub iłołupki. Wśród iłołupków pojawić się mogą sporadycznie wkładki piasków pylastych, które jednak nie tworzą ciągłej warstwy. Łączna miąższość utworów miocenu w rejonie Nowej Huty - Ruszczy - Igołomii dochodzi do 600 m. Charakter stropu utworów mioceńskich na terenie. objętym. badaniami. charakteryzuje. równocześnie. ukształtowanie. podłoża. nieprzepuszczalnego dla plejstoceńskiego poziomu wodonośnego. Na utworach starszego podłoża zalegają dwuczęściowe pod względem litologicznym utwory plejstocenu wypełniające pradolinę Wisły. Miąższość utworów wodonośnych poziomu plejstoceńskiego jest zmienna zależnie od rzeźby starszego podłoża. Wynosi ona od 5 do 10-16 m (Kleczkowski, 2003), przy czym największe miąższości występują w kopalnej dolinie Wisły i w obrębie stożka Prądnika (Duda i in., 1997).. Rys. 1. Uproszczony przekrój przez teren badań (wg Witczak i in., 1994 - zmodyfikowany). Poziom plejstoceński jest zróżnicowany w pionie pod względem składu ziarnowego. Najgrubszy materiał występuje w spągowej części warstwy wodonośnej (Duda i in., 1997). 9.

(12) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Spągową część warstwy plejstoceńskiej zajmują utwory piaszczysto-żwirowe. Kompleks piaszczysto-żwirowy. największe. miąższości. rzędu. kilkunastu. metrów. osiąga. w obrębie wysokiego tarasu doliny Wisły. W kierunku północnym w stronę Niecki Nidy miąższość plejstoceńskich utworów piaszczystych maleje. Generalnie kompleks piaszczysto-żwirowy ma miąższości rzędu 6 - 17,5 m. W obrębie kompleksu wyróżnia się 4 poziomy (od najwyżej położonego): - poziom żwirowy górny - poziom żwirowy pokrywowy - poziom żwirowy środkowy - poziom żwirowy dolny Litologicznie poziomy te zbudowane są przeważnie z otoczaków piaskowców. W niewielkich ilościach napotykane są otoczaki granitoidów oraz lokalnie przewarstwienia ilastopylaste o miąższości od kilku cm do często nawet 2 m. Najwyższą. część. profilu. plejstocenu. stanowi. kompleks. osadów. lessowatych. o miąższości od kilku do kilkunastu metrów. Utwory plejstoceńskie są w swym wykształceniu litologicznym dość znacznie zróżnicowane. Na wzgórzach rozciągających się na północ od terenu Huty Arcelor Mittal utwory te reprezentowane są przez gliny pylaste, gliny piaszczyste i gliny lessopodobne. Tworzą one serię utworów słaboprzepuszczalnych. W obrębie wysokiego tarasu Wisły, w górnej części profilu, utwory plejstoceńskie wykształcone jako gliny i gliny lessopodobne mają miąższość od 8 do 12 m. Natomiast w obrębie tarasu niskiego utwory strefy przypowierzchniowej to namuły, iły, gliny oraz torfy. Ich miąższość waha się od 1 do 6 m. Miąższość utworów plejstocenu oraz udział utworów słabo- i dobrze przepuszczalnych ma istotne znaczenie dla oceny warunków infiltracji i stopnia zagrożenia wód podziemnych ze strony zanieczyszczeń przenikających z powierzchni terenu. Charakterystyka osadów lessowych. Utwory lessowe Polski określane są zgodnie z definicją zaproponowaną przez H. Maruszczaka (1990, 1991) jako lessy i utwory lessopodobne z przewarstwieniami gleb kopalnych. W Polsce lessy występują wyłącznie w południowej części kraju. Znane są na Wyżynie Lubelskiej, Wyżynie Śląsko-Małopolskiej i na Wzgórzach Trzebnickich. Występują też wąskim pasmem wzdłuż północnego brzegu Karpat. Na tych obszarach lessowych istnieją też najurodzajniejsze gleby, obszary intensywnych upraw polowych i kultur sadowniczo-warzywnych. Z obszarami występowania lessów wiąże się geneza niektórych starych centrów osadnictwa, takich jak: Kraków, Sandomierz, Opole czy Grody Czerwieńskie (Malicki, 1967). Lessy na obszarze 10.

(13) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Polski, zalegając wąską i poprzerywaną smugą na wyżynach i u północnego podnóża Karpat, stanowią jedno z ogniw wielkiego łańcucha tych utworów wykształconych w facji zimnej, która zaczyna się u atlantyckich wybrzeży Francji, a ciągnie się dalej ku wschodowi przez Belgię, Holandię i Niemcy (Malicki, 1967). Genezą i stratygrafią lessów szczegółowo zajmował się m.in. Lindner (1992) oraz Maruszczak (1990, 1991). Pierwotna forma doliny Wisły w obszarze badań została wyerodowana w iłach i łupkach ilastych miocenu. Późniejsze procesy zachodzące w plejstocenie doprowadziły do dwukrotnego zasypania doliny i ponownego wcięcia we własne osady. Wynikiem tych procesów są dwa tarasy: wysoki zbudowany z utworów aluwialnych i pokryty lessem oraz taras niższy, nadzalewowy bez pokrywy lessowej. Taras na badanym terenie jest przykładem tzw. „tarasu wysokiego zasypania” opisanego przez Kolasę (1963). Pokrywa lessowa spoczywa tu bezpośrednio na piaskach i żwirach, a miejscami na glinach stanowiących utwory zasypania pradoliny Wisły. Taras niski stanowią utwory aluwialne obejmujące żwiry, piaski i namuły (Kolasa, 1963). W obrębie tarasu wysokiego na powierzchni występują jedynie osady lessowate. Lessy występują tu w postaci pyłów jasnożółtych lub szarych, a utwory lessowe to głównie gliny pylaste (Kolasa, 1963; Turlik-Borkowska, Kowalski, 1985). Obserwuje się w nich niekiedy wkładki torfów lub namułów z dużą zawartością części organicznych (gytie). Sporadycznie pojawiają się również przeławicenia piaszczysto-żwirowe. Wiek osadów lessowatych obszaru badań to plejstocen, tylko częściowo holocen. Wychodnie żwirów i piasków plejstoceńskich oraz utworów starszego podłoża obserwowane są w rejonie wzgórz na północy obszaru badań. Utwory miocenu i kredy występują głównie na zboczach oraz w głębiej wciętych jarach (Kleczkowski, 1964). Skład granulometryczny jest podstawową cechą litologiczną lessów. Charakterystyki składu granulometrycznego lessów były omawiane w wielu pracach w polskiej literaturze lessowej (np. Cegła, 1972; Jersak, 1973; Dolecki, 1993; Dwucet 1993, 1999; Jary, 2006; Jary i in., 2007). Charakterystyczne właściwości fizyczne lessów takie jak mała przepuszczalność, duża porowatość i łupliwość. Rozwijające się w ich obrębie procesy osiadania i sufozji są pochodnymi składu mineralogicznego i granulometrycznego. Skała lessowa w jej najbardziej typowej, klasycznej postaci składa się przede wszystkim z pyłowych cząstek kwarcu. Odróżnia się od glin morenowych, glin wietrzeniowych i piaszczystych głównie tym, że w stanie suchym jest mało zwięzła i zwykły nacisk palców wystarcza na zupełne rozkruszenie odłamka skały. Roztarty w palcach odłamek lessu zamienia się łatwo na drobny, luźny pył, którego cząstki są tak drobne, że wnikają w pory ludzkiej skóry. Zanurzony w wodzie less również szybko i. łatwo rozpada się na cząstki składowe. W lessach tzw. „typowych” przy. występowaniu małej ilości części koloidalnych (średnio 10 - 12 %), brak również składników 11.

(14) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz o średnicy ziarna większej niż 1 mm. Nawet cząstki o wielkości 0.1 – 1.0 mm występują w niewielkiej ilości, tworząc od ułamka do 3.0 % ogólnego składu mineralnego. O właściwościach fizycznych lessów decyduje głównie frakcja 0.02 – 0.05 mm, zwana wręcz „frakcja lessową” i tworząca w składzie mechanicznym zwykle od 50 do 60 % (Malicki, 1967). W składzie mineralnym lessu przewagę mają ziarna kwarcu, średnio 60-70 % ogólnej objętości skały. Resztę stanowią węglany (niekiedy nawet powyżej 30 %) oraz skalenie (10 – 20 %), tlenki żelaza (2 %), tlenki manganu, minerały akcesoryczne. W procencie wagowym te ostatnie oznaczone są zwykle niewysokim mianem (do 2 %) (Malicki, 1967). Badania mineralogiczne lessów z terenu badań wykazały, że we frakcjach 60 µm i 60 - 2 µm dominującym materiałem jest kwarc stanowiący 50 – 90 % tych frakcji. Ilość jego maleje we frakcjach poniżej 2 µm (Helios-Rybicka, Ratajczak, 1978). Drugim składnikiem są skalenie, których ilość w poszczególnych frakcjach ziarnowych jest prawie równa i wynosi ok. 23 % wagowych. Zaznacza się prawie dwukrotna przewaga skaleni potasowych nad plagioklazami. Udział minerałów ilastych zmienia się od 8 % we frakcji 60 – 80 µm do około 25 % we frakcjach 10 – 2 µm. Spośród minerałów ilastych występuje illit, kaolinit i chloryt (2 – 30 %) i minerał o strukturze mieszanopakietowej smektyt/illit (ponad 50 % wagowych we frakcji poniżej 2 µm). Analizy chemiczne wykazały, że w lessach jest mało CaCO3 (poniżej 4 % wagowych), a ilość substancji organicznej zawarta jest w przedziale 0.14 – 2.11 % wagowych (Helios-Rybicka, Ratajczak, 1978). Nieskomplikowana i zasadniczo jednorodna budowa strefy aeracji zbiornika oraz wymienione powyżej własności budujących ją lessów zadecydowały o wyborze terenu badań w aspekcie pionowej migracji zanieczyszczeń do zbiornika. Półprzepuszczalność oraz odpowiednia miąższość utworów lessowych stwarza możliwość wieloletniej obserwacji procesu. Dodatkowo zwierciadło wód podziemnych zalega zwykle w podścielających lessy piaskach i żwirach, co pozwala pominąć wpływ jego wahań. 2.4. Charakterystyka gleb Skały macierzyste gleb obszaru badań stanowią głównie plejstoceńskie osady lessowe związane ze zlodowaceniem Wisły. Całkowicie podrzędnie na małych powierzchniach NE części obszaru występują gleby wykształcone na wychodniach margli kredowych. Obok wymienionych pierwotnych osadów lessowych w wąskich dolinach cieków występują osady aluwialne i deluwialne. Bardzo małe fragmenty dolin cieków zajmują utwory mułowo-torfowe i torfowomułowe. Z agroekonomicznego punktu widzenia gleba stanowi nieodnawialne ogromnej wartości dobro człowieka i z tego względu musi podlegać szczególnej ochronie i być racjonalnie użytkowana tak, aby stanowiła warsztat produkcji odpowiedniej ilości surowców roślinnych o wysokich parametrach jakościowych, zabezpieczający potrzeby żywnościowe (Zalewski, 1995). 12.

(15) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Nadmierna akumulacja substancji i pierwiastków toksycznych w glebach powodująca daleko idącą, często nieodwracalną ich degradacje chemiczną, jest podstawową przyczyną obniżenia ich produkcyjności oraz produkcji surowców roślinnych o parametrach jakościowych nie odpowiadających normie paszowej (Kabata-Pendias i in., 1993). Z punktu widzenia rolnictwa na obszarze badań dominuje kompleks pszenny bardzo dobry stanowiący 64.6 % powierzchni gruntów ornych. Kompleks pszenny dobry stanowi 27.6 %. Inne rodzaje są zdecydowanie podrzędne (pszenny wadliwy: 3.9 %, zbożowo-pastewny mocny: 3.8 % i kompleks żytni dobry: 0.1 %). Razem gleby gruntów ornych stanowią 83.9 % ogólnej powierzchni terenu. Gleby trwałych użytków zielonych stanowią 10.2 % ogólnej powierzchni terenu. Gleby leśne stanowią 0.5 % ogólnej powierzchni. Pozostałą powierzchnię zajmują nieużytki (3.2 %); tereny komunikacyjne PKP (1.9 %) i tereny o zwartej zabudowie 0.3 % (Witczak i in., 1994). Powierzchnie poszczególnych typów i podtypów obliczone na podstawie planimetrowania przedstawione zostały w tabeli 1. Powierzchnia [hektary]. Procent [%]. 1308.7. 22.4. 178.0. 3.0. 134.4. 2.3. 50.5. 0.9. 785.4. 13.4. 3009.0. 51.4. 299.4. 5.1. gleby glejowe wykształcone z lessu ilastego. 43.1. 0.7. rędziny wykształcone z margli kredowych. 29.4. 0.5. gleby mułowo- torfowe i torfowo-mułowe. 16.9. 0.3. Razem. 5854.8. 100.0. Typy i podtypy gleb gleby brunatne właściwe wykształcone z utworów lessowych zwykłych i lessowych ilastych gleby brunatne właściwe deluwialne wykształcone z utworów lessowych zwykłych i lessowych ilastych gleby brunatne wyługowane wykształcone z utworów lessowych zwykłych i ilastych czarnoziemy właściwe wykształcone z utworów lessowych zwykłych czarnoziemy właściwe deluwialne wykształcone z utworów lessowych zwykłych i lessowych ilastych czarnoziemy zdegradowane wykształcone z utworów lessowych zwykłych i lessowych ilastych mady wykształcone z utworów aluwialnych o składzie pyłu zwykłego i pyłu ilastego oraz iłu pylastego. Tab. 1. Powierzchnie typów i podtypów gleb w obszarze badań (wg Witczak i in., 1994). Ocena gleb dokonana na podstawie badań podstawowych własności gleb wykonanych przez Tomasza Stuczyńskiego i Henryka Kerna - Pracowników Instytutu Uprawy, Nawożenia i Gleboznawstwa w 1992 roku (Witczak i in., 1994) wykazała, że pokrywa glebowa analizowanego terenu odznacza się bardzo wyrównanym stopniem uziarnienia (zał. 4). Ponad 96 % stanowiły utwory ciężkie wytworzone z lessów ilastych. 13.

(16) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Wyniki badań składu granulometrycznego pokrywy glebowej wykonane w roku 1992 wskazywały, że oznaczone próbki gleb reprezentują niemal wyłącznie utwory ciężkie wykształcone w postaci pyłów ilastych. Typy i podtypy gleb wydzielone na obszarze badań w ramach badań w roku 1992 potwierdzają dominację gleb wykształconych na lessach. Ocena wybranych parametrów gleb wykonanych w ramach badań własnych autorki wraz z analizą zmian w odstępie 12-letnim przedstawiona została w rozdziale 10 niniejszej rozprawy. Gleby obszaru badań w przewadze charakteryzowały się odczynem obojętnym i zasadowym. Procentowy udział gleb kwaśnych wynosił około 30 %. Za stosunkowo niegroźnym stanem zakwaszenia gleb przemawiały także wyniki kwasowości hydrolitycznej oraz duży udział utworów z wysokim stopniem nasycenia zasadami (83.5 %). Pod względem zawartości w próchnicę zdecydowana większość gleb należała do utworów o wysokiej próchniczności. Poza tym badane gleby charakteryzowały się wysoką i bardzo-wysoką zawartością składników przyswajalnych w tym głównie fosforu i magnezu. Zawartość węgla organicznego (próchnicy) w glebach w roku 1992 wahała się od 1.21 do 8.44 %, ze średnią 2.76 %. Pojemność kationowa gleb w warstwie 0 - 0.2 m osiągała 3.28 do 36.72 meq(+)/100g. Badania w 3 profilach do głębokości 1.3 m wykazały utrzymywanie się podobnej pojemności w całym profilu. W składzie kationów kompleksu sorpcyjnego dominował wapń, a na drugim miejscu z kilkakrotnie niższą zawartością był magnez (Witczak i in., 1994). Wyróżniono następujące grupy gleb (Kabata-Pendias i in., 1993): a). – gleby bardzo lekkie zawierające do 10 % frakcji spławialnej (< 0.02 mm) niezależnie od pH; - gleby lekkie zawierające 11 – 20 % frakcji spławialnej (< 0.02 mm), bardzo kwaśne (pH ≤ 4.5), kwaśne (pH 4.6 – 5.5) i słabo kwaśne (pH 5.6 – 6.5);. b). - gleby lekkie zawierające 11 – 20 % części spławialnych (< 0.02 mm), odczyn obojętny (pH > 6.5); - gleby średnie zawierające 21 – 35 % części spławialnych (< 0.02 mm), bardzo kwaśne (pH ≤ 4.5) i kwaśne (pH 4.6 – 5.5); - gleby ciężkie zawierające > 35 % części spławialnych (< 0.02 mm), bardzo kwaśne (pH ≤ 4.5) i kwaśne (pH 4.6 – 5.5); - gleby mineralno-organiczne zawierające 6 – 10 % substancji organicznej, bez względu na pH;. c). - gleby średnio ciężkie zawierające 21 – 35 % części spławialnych (< 0.02 mm) i ciężkie zawierające > 35 % części spławialnych (<0.02 mm), słabo kwaśne (pH 5.6 – 6.5) i i obojętne (pH > 6.5); - gleby organiczno-mineralne i organiczne zawierające ponad 10 % substancji organicznej, bez względu na pH. 14.

(17) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Znajomość zawartości metali ciężkich w glebach oraz takich cech gleby jak zawartość próchnicy, odczyn i skład granulometryczny pozwala na określenie za pomocą odpowiednich normatywów, stanu zanieczyszczenia gleb tymi pierwiastkami, przydatności lub nieprzydatności gleb dla rolnictwa oraz umożliwia zaproponowanie odpowiedniej struktury użytkowania gleb zanieczyszczonych i sposobów ich rekultywacji (Baran, Turski, 1996; Siuta, 1998). Skład granulometryczny, odczyn oraz zawartość próchnicy w glebie determinują wraz z zawartością metali ciężkich, zaliczenie gleby do określonej klasy (stopnia) zanieczyszczenia (tab. 2) (Terelak i in., 2008). Gleby obszaru badań są glebami grupy „c”. Stopień zanieczyszczenia gleb „c” 0. I. II. III. IV. V. Metal. zawartość naturalna. zawartość podwyższona. słabe zanieczyszczenie. średnie zanieczyszczenie. silne zanieczyszczenie. bardzo silne zanieczyszczenie. Pb Zn Cu Ni Cd. 70 100 40 50 1,0. 200 300 70 75 3. 500 1000 100 100 5. 7000 8000 750 1000 20. > 7000 > 8000 > 750 > 1000 > 20. mg/kg gleby 2000 3000 150 300 10. Tab. 2. Graniczne zawartości metali ciężkich w 0–20 cm warstwie gleb (Terelak i in., 2008) (klasyfikacja IUNG) Grupa jakości gleb „c” – gleby średnio ciężkie i ciężkie zawierające 21 – 35 % i > 35 % części spławialnych, słabo kwaśne (pH 5.6 – 6.5) lub obojętne (pH > 6.5). Szczegółowa. charakterystyka. gleb. obszaru. badań. pod. względem. ich. stopnia. zanieczyszczenia metalami ciężkimi oraz tendencji zmian skażenia tymi pierwiastkami w okresie wieloletnim opisana została w rozdziale 10 niniejszej dysertacji. 2.5. Warunki hydrogeologiczne Teren badań leży na obszarze dwudzielnego Głównego Zbiornika Wód Podziemnych GZWP 450 Dolina rzeki Wisły (Kleczkowski i in., 1990) (zał. 5) w jego wschodnim fragmencie położonym na wysokim tarasie Wisły (Kleczkowski, 1964). Na terenie badań występuje tylko jeden poziom wodonośny - plejstoceński. Warstwę wodonośną stanowią utwory żwirowo-piaszczyste zalegające na nieprzepuszczalnych ilastych osadach miocenu. Utwory wodonośne przykrywa płaszcz półprzepuszczalnych pyłów lessowatych miąższości kilku do kilkunastu metrów (rys. 1). W spągu utworów lessowatych leżą płatami słabo przepuszczalne osady o zwiększonej zawartości frakcji ilastej (gliny i gliny pylaste). Miąższość warstwy wodonośnej na obszarze tarasu wysokiego wynosi od 13.4 do 16.8 m (Kleczkowski, 2003). Pod względem własności hydrogeologicznych lessy zajmują środkowe pozycje w tabelach klasyfikacyjnych. Ich współczynnik filtracji jest kilkadziesiąt razy mniejszy od współczynnika filtracji piasków oraz kilka tysięcy razy większy od współczynnika filtracji iłów czy glin. 15.

(18) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Współczynniki filtracji oznaczone na podstawie próbnych pompowań dla piaszczystożwirowej warstwy wodonośnej obszaru wynosiły średnio ok. 6.0x10-4 m/s (Kleczkowski i in. 1974). Badania wykonane metodą Niesterowa (zalewania szybików) wykazały, że w obrębie górnej części pokrywy utworów lessowych nad złożem wodonośnym współczynniki filtracji w kierunku pionowym wynoszą odpowiednio (Kleczkowski i in., 1974).: - dla utworów lessowych w obrębie występowania warstwy próchniczej glebowej, głębokości 0 – 1 m: (3–8)x10-6 m/s; - dla utworów lessowych, głębokości 0.4 – 2.4 m : 6x10-7 – 1x10-6 m/s; - dla glin pylastych, głębokości 0.8 – 1.2 m: ok. 3x10-8 m/s. Współczynnik filtracji lessów badanego obszaru określony metodą Giryńskiego waha się w granicach 1x10-6 do 3.2x10-8 m/s. W obrębie tarasu niskiego i wysokiego Wisły warstwa wodonośna ma charakter ciągły. Obszar badań znajduje się w całości na tarasie wysokim. Na terenach położonych na północ od terenu Huty Arcelor Mittal (poza obszarem badań) warstwa wodonośna jest nieciągła, przybierając formę soczewek o nieznacznej miąższości. W taras wysoki w obrębie obszaru badań wcina się na głębokość ok. 10 m dolina niewielkiego potoku Łucjanówka. Poziom terenu sięga tu mniej więcej do rzędnej 206 m npm, to jest do zwierciadła wód podziemnych w utworach tarasowych przy stanie pierwotnym nie obniżonym przez pracę ujęcia dla Huty (Kleczkowski i in., 1974). W obrębie tarasu niskiego wody poziomu są najczęściej pod ciśnieniem. W granicach tarasu wysokiego i na obszarach wysoczyznowych na północ od tego tarasu zwierciadło wód plejstoceńskich jest swobodne, a tylko lokalnie pod nieznacznym ciśnieniem. Zwierciadło wody podziemnej występuje na głębokościach od 3 do 10 m na tarasie niskim i od 10 do ponad 15 m na tarasie wysokim. W obszarze badań zwierciadło wody ustalone stwierdzone w studniach pasa „D” położone jest obecnie generalnie 13 - 17 m ppt z wyjątkiem studni S-3, gdzie zalega płytko 7 m ppt (zał. 6). Układ hydroizohips w rejonie ujęcia wody dla Huty w pasie D pokazany został na rys. 2 oraz na zał. 13. Na podstawie obserwacji w latach 1960 - 1970 podczas budowy ujęcia wody w pasie D stwierdzono, że zwierciadło wody w poziomie piaszczysto-żwirowym wykazuje znaczne wahania zarówno sezonowe, jak i w ciągu kilku lat (Kleczkowski i in., 1974). Od rozpoczęcia w 1964 roku eksploatacji ujęcia Huty Arcelor Mittal zwierciadło uległo obniżeniu z 204.5 – 205.0 m npm do stanu obserwowanego w latach 90-tych XX wieku na poziomie 192.7 – 196.1 m npm (Dzięgiel M., 1988, 1991). W tym ostatnim okresie (koniec XX wieku) zasięg leja depresyjnego osiągnął ok. 800 – 900 m od skrajnych studni ujęcia. Było to o prawie 300 m więcej niż w latach 70-tych, gdzie zasięg ten wynosił ok. 600 m (Kleczkowski i in., 1974).. 16.

(19) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Zasilanie GZWP 450 odbywa się bezpośrednio z infiltracji wód opadowych lub poprzez ascenzyjny dopływ z jurajskiego i kredowego piętra wodonośnego (Duda i in. 1997). W obszarze badań dominującym jest zasilanie wód plejstoceńskiego poziomu wodonośnego na drodze infiltracji opadów atmosferycznych poprzez strefę aeracji. Przenikanie wód odbywa się w kierunku pionowym, co stwarza dogodne warunki do śledzenia migracji zanieczyszczeń wprowadzanych wraz z opadami i imisją atmosferyczną do gleb i głębszych utworów tworzących strefę aeracji. Wielkość infiltracji uzależniona jest między innymi od wykształcenia litologicznego i miąższości utworów strefy przypowierzchniowej. Średnią infiltrację ocenia się na około 100 mmH2O w ciągu roku (Bury, 1994).. Rys. 2. Mapa hydroizohips w rejonie ujęcia wody pitnej dla Huty Arcelor Mittal, zajmującego południowo-zachodnią część obszaru badań (wg Zuber i in., 1985 – zmodyfikowany). 17.

(20) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Wody podziemne płyną generalnie ku południowi ku rzece Wiśle, która stanowi bazę drenażu. Eksploatacja ujęcia wody podziemnej w pasie „D” spowodowała lokalne zmiany w układzie zwierciadła wody. Dlatego tez obserwuje się w rejonie ujęcia Huty. spływ wód. podziemnych do centrum leja depresyjnego, gdzie są wypompowywane przez system studni tworzących ujęcie (rys. 2, zał. 13). Część studni ujęcia jest obecnie wyłączona z eksploatacji i pracuje jako bariera ochronna nie dopuszczając do przedostania się zanieczyszczeń wypłukiwanych z hałdy odpadów zlokalizowanej bezpośrednio w pobliżu (rys. 2) do dalszych studni ujęcia. Szczegółowy opis oddziaływania hałdy jako punktowego ogniska zanieczyszczeń GZWP 450 przedstawiono w rozdziale 3.3.. 18.

(21) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz. 3. STOPIEŃ DEGRADACJI OBSZARU BADAŃ POD WPŁYWEM DZIAŁANIA HUTY ARCELOR MITTAL W niniejszym rozdziale przedstawiono wpływ głównego źródła zanieczyszczeń, jakim jest Huta Arcelor Mittal, na stopień zanieczyszczenia środowiska wodno-gruntowego w rejonie objętym badaniami oraz stopień jego degradacji. O wyborze obszaru badań zadecydował fakt istnienia silnej ponad dwudziestoletniej antropopresji. Huta Arcelor Mittal wymieniana jest na pierwszym miejscu wśród zakładów przemysłowych województwa małopolskiego uznawanych za szczególnie uciążliwe dla środowiska. Emituje ona przede wszystkim zanieczyszczenia pyłowo-gazowe, które w postaci opadu mokrego i suchego trafiają na powierzchnię ziemi. Głównymi zanieczyszczeniami dostającymi się tą drogą są związki siarki oraz metale ciężkie (Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn). Teren badań znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie Huty, co stanowi dla niego realne zagrożenie środowiskowe (zał. 1). Obszar zlokalizowany jest na wschód od kombinatu, co stanowi dla niego dodatkowy aspekt niekorzystny, gdyż jest to generalnie przeważający kierunek wiatrów przenoszących wyemitowane zanieczyszczenia pyłowe i gazowe (zał. 1, opis w rozdz. 3.2). Dodatkowym potencjalnie niebezpiecznym dla środowiska aspektem istnienia kombinatu metalurgicznego są składowiska odpadów poprodukcyjnych. W rejonie badań zlokalizowana została hałda odpadów pohutniczych (zał. 1, rys. 2, opis w rozdz. 3.3) stanowiąca punktowe ognisko zanieczyszczenia wód podziemnych. Wpływ istnienia hałdy nie stanowił obiektu badań prowadzonych w ramach niniejszej dysertacji. 3.1. Historia istnienia kombinatu metalurgicznego Arcelor Mittal Historia rozwoju Huty Arcelor Mittal przedstawiona w sposób schematyczny obejmuje następujące etapy: 1954 r. - Huta im. Lenina rozpoczęła produkcję. Uruchomiono podstawowe wydziały: aglomerownię, wielkie piece, stalownię martenowską, walcownię-zgniatacz oraz walcownię gorącą i zimną blach. W pierwszym etapie huta produkowała 1.5 mln ton stali rocznie. 1966 r. - zakończenie drugiego etapu budowy. W tym okresie powstały: wydziały rur zgrzewnych i cegły dolomitowo-smołowej, walcownie profili drobnych i drutów, ocynkownie - ogniowa i elektrolityczna, stalownia konwertorowo-tlenowa oraz kolejny wielki piec. Produkcja zwiększyła się do 3.3 mln ton stali rocznie. 1975 r. - uruchomienie walcowni blach karoseryjnych. Produkcja stali – 6.5 mln ton rocznie. 1990 r. - wyłączenie przestarzałych, nieekonomicznych urządzeń i ograniczenie produkcji do 1.7 mln ton stali rocznie. Zmiana patrona huty na Tadeusza Sendzimira. 1993 r. - uruchomienie nowoczesnej Linii Elektrolitycznego Cynkowania. 1996 r. - modernizacja wielkich pieców nr 3 i 5. Uruchomienie linii Ciągłego Odlewania Stali. 19.

(22) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz 1.01.2003 r. - Huta im. Sendzimira wchodzi w skład koncernu Polskie Huty Stali S.A. 17.02.2005 r. – powstanie Mittal Steel Poland S.A. i kolejna zmiana nazwy. 25.06.2006 r. - połączenie firm Mittal Steel i Arcelor w Arcelor Mittal. Produkcja obecnie jest na poziomie około 3 mln ton stali rocznie, przy czym podlega dynamicznym zmianom szczególnie w dobie trwającego światowego kryzysu. W trakcie ponad 50-letniego istnienia huta przechodziła wiele radykalnych zmian, zarówno ekonomicznych, prawnych, własnościowych, jak i technologiczno-produkcyjnych. Korzystne środowiskowo okazały się zmiany po roku 1990. Światowy rozwój przemysłu wymusił wprowadzanie coraz to nowszych technologii produkcji. Jednocześnie malało zapotrzebowanie na stal, co w konsekwencji prowadziło do ograniczenia produkcji. Pod koniec XX wieku wzrosła ogromnie świadomość ekologiczna społeczeństwa, co wymusiło w konsekwencji szereg zmian w zakresie zmniejszenia oddziaływania huty na środowisko. Istotnie w ciągu ostatnich 10 - 15 lat emisje ze strony huty zmalały wielokrotnie ze względu przede wszystkim na ograniczenie produkcji i wprowadzenie efektywnych metod ograniczania emisji (rys. 3). Dobrze obrazuje to także ilość urządzeń kombinatu emitujących zanieczyszczenia pyłowo-gazowe: w roku 1968 było ich około 500, a w roku 1996 już znacznie mniej tj. 298 (Proszowski, 1997). Szczegółowy bilans emisji zanieczyszczeń do powietrza z poszczególnych zakładów huty dostępny za lata 1997-2003 został zamieszczony w zał. 7.. EMISJA w tys. Mg/rok. 90 80 70 60 50 40 30 20 10. PYŁ CO ( x 10 ) SO2 CnHm NO2 04 05. 02 03. 98 99. 96 97. 94 95. 00 01. rok. 92 93. 90 91. 88 89. 86 87. 84 85. 82 83. 80 81. 78 79. 0. Rys. 3. Dynamika zmian emisji zanieczyszczeń podstawowych ze strony Huty Arcelor Mittal w latach 1978-2005. Równocześnie z ograniczaniem produkcji malała ilość wytworzonych odpadów. Odpady te składowane były głównie w postaci hałd odpadów pohutniczych. Szczegółowy opis tego typu składowiska zlokalizowanego w obszarze badań przedstawiony został w rozdziale 3.3. 20.

(23) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz W roku 2005 masa odpadów powstałych z działalności Arcelor Mittal była ponad 2-krotnie niższa niż ilość odpadów wytworzona w roku 1980. Znacząco zmniejszył się także udział odpadów składowanych w porównaniu do masy odpadów wytworzonych (rys. 4). tys. Mg 5000. 4000. 3000. 2000. 1000. 0 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. ODPADY W YTW ORZONE. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 00. 01. 02. 03. 04. 05. ODPADY SKŁADOW ANE. Rys. 4. Dynamika zmian gospodarki odpadami w hucie Arcelor Mittal w latach 1980-2005. Ograniczenie produkcji wiązało się również z wielokrotnie mniejszym zapotrzebowaniem na wodę dla potrzeb przemysłowych kombinatu metalurgicznego oraz spowodowało znacznie mniejszą ilość zrzucanych ścieków (rys. 5).. Przepływ 3 [m /s] 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05. Rok. - ZRZUT ŚCIEKÓW. - POBÓR WODY. Rys. 5. Pobór wody z rzeki Wisły i Dłubni oraz zrzut ścieków z Huty Arcelor Mittal w latach 1980 - 2005. Istnienie dużego kombinatu metalurgicznego wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości wody zużywanej w procesie technologicznym oraz na potrzeby socjalno-bytowe pracowników huty. Zapotrzebowanie na wodę Huty Arcelor Mittal pokrywane jest z trzech źródeł: − z ujęć wody powierzchniowej z Wisły i Dłubni (woda do celów przemysłowych), − z ujęć wody podziemnej (woda do celów pitnych i socjalno-bytowych), − z MPWiK (zakup wody). 21.

(24) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Huta Arcelor Mittal zaopatruje się w wodę pitną z poziomu plejstoceńskiego tworzącego Główny Zbiornik Wód Podziemnych nr 450 Dolina rzeki Wisły (Kleczkowski i in., 1990) (zał. 5). W rejonie Huty znajdują się trzy duże ujęcia wody podziemnej oznaczone symbolami: "A", "D" i "P". W obszarze badań znajduje się w całości tylko ujęcie wód podziemnych w tzw. pasie D wykonane w latach 1956 – 1986. Zasoby ujęcia pasa D zostały udokumentowane w kat. "B" i zatwierdzone decyzją Centralnego Urzędu Geologii decyzją z dnia 26.06.1969 r. znak: KDH/013/2987/I/69 w ilości 325.8 m3/h. Ujęcie w pasie D składa się aktualnie z 13 studni, przy czym pobór wody do celów pitnych odbywa się ze studni: S-1, S-2, S-8, S-9, S-10, S-11, S-13, natomiast studnie S-3, S-4, S-5, S-6, S-7 i S-12 stanowią barierę ochronną, przechwytującą wody skażone od istniejącej hałdy opadów hutniczych znajdującej się w obszarze badań (opis w rozdziale 3.3). Lokalizacja w/w studni pokazana została na rys. 6. Zestawienie danych o otworach zlokalizowanych w pasie D przedstawione zostało w zał. 6. Aktualny stan zwierciadła wody w trakcie pracy ujęcia przedstawiono na zał. 13.. Rys. 6. Lokalizacja studni ujęcia w pasie "D" Huty Arcelor Mittal skala 1: 10 000. Istnienie dużego kombinatu metalurgicznego wywiera ogromny wpływ na szeroko pojęte środowisko przyrodnicze. Szczególnie widoczne jest to w bezpośrednim pobliżu kombinatu, gdzie mamy do czynienia ze skutkami emisji zarówno wysokiej, jak i niskiej. 22.

(25) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Obecnie, pomimo prowadzonych działań modernizacyjnych zakładu, Huta Arcelor Mittal pozostaje jednak zakładem stanowiącym jedno z największych zagrożeń dla środowiska i przoduje w wielkości emisji zanieczyszczeń. 3.2. Emisje do atmosfery – zanieczyszczenie obszarowe Największe stężenia substancji szkodliwych w powietrzu notowane są w promieniu kilku – kilkudziesięciu km od huty, głównie na kierunku wschodnim jako generalnym kierunku wiatrów. Obszar badań położony jest bezpośrednio za wschodnią granicą kombinatu i sięga do około 10 km w kierunku wschodnim (zał. 1). Krakowski oddział Arcelor Mittal znajduje się pod stałym nadzorem WIOŚ w Krakowie. Jako zakład należący do prowadzonej przez Ministerstwo Środowiska w latach 1990-2005 roku listy zakładów najbardziej uciążliwych w skali kraju (tzw. „Listy 80”) jest kontrolowany minimum raz w roku, przy czym na ogół kontrole mają miejsce kilka razy w ciągu roku. Huta w ramach badań własnych prowadzi w obrębie strefy ochronnej pomiary: •. stężeń pyłu zawieszonego i SO2 – w jednym punkcie usytuowanym na kierunku południowym,. •. opady pyłu w 15 punktach. Zarówno w studniach ujęciowych, jak i w studniach stanowiących barierę ochronną. prowadzone są systematyczne badania jakości wód. W załączniku 8 przedstawiono charakterystykę fizykochemiczną wód wszystkich studni ujęcia na podstawie udostępnionych autorce wyników monitoringu jakości prowadzonego przez kombinat w latach 1991-2004. W okresie początkowym eksploatacji ujęcia huty (w czasie istnienia wyłącznie studni S-1 do S-5) wody charakteryzowały się. mineralizacją około 500 mg/l i typem HCO3-Ca-Mg. wg Altowskiego – Szwieca. Charakterystyka składu chemicznego wód według wzoru Kurłowa wyglądała następująco (Kleczkowski i in., 1974):. M 500. HCO 384 ⋅ SO 410 ⋅ Cl 4 Ca 72 − 75 ⋅ Mg 18 − 23 ⋅ a 6. Aktualnie na skutek imisji przemysłowych na obszarze zbiornika GZWP 450 położonym na wschód od Huty Arcelor Mittal skład wód ulega stopniowej modyfikacji głównie poprzez wzrost zawartości siarczanów. Źródłem siarczanów jest przede wszystkim SO2 przenoszone drogą atmosferyczną. Na podstawie dostępnych analiz wód wszystkich studni w pasie D (zał. 8) oraz na podstawie danych archiwalnych (Dzięgiel,1991) wykreślono linie trendu zmian zawartości suchej pozostałości w studniach ujęciowych (rys. 7) oraz w studniach pełniących funkcję barierową (rys. 8). Trendy zmian dopasowano funkcją wielomianową stopnia drugiego. Linie trendu wykreślono dla całego ciągu dostępnych obserwacji, niezależnie od ilości wykonanych rocznie analiz. Obserwacje w studniach zbisowanych potraktowano jako kontynuację badań. 23.

(26) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz Dla studni ujęciowych S-10, S-11 i S-13 (eksploatowanych od 1986 roku) dysponowano wartościami suchej pozostałości zanotowanej w okresie 1991-2004. Wartości te nie wykazywały wyraźnych tendencji wzrostowych (rys. 7). W studni S-13 utrzymywał się nawet trend malejący. 1100 R² = 0,9577. Linie trendu 1000. sucha pozostałość ogólna [mg/dm3]. 900 S-1 R² = 0,9287. R² = 0,0905. S-10. 800. S-13 S-11. R² = 0,1492. 700 S-9. R² = 0,3432. S-8. R² = 0,7423. R² = 0,3664. 600. S-2 500. 400. 300 2004. 2002. 2000. 1998. 1996. 1994. 1992. 1990. 1988. 1986. 1984. 1982. 1980. 1978. 1976. 1974. 1972. 1970. 1968. 1966. 1964. Rys. 7. Wykres linii trendu suchej pozostałości notowanej w latach 1964-2004 w studniach ujęciowych Pasa D (wg danych archiwalnych (Dzięgiel, 1991) oraz wyników analiz Huty) (rozkład rezultatów pomiarowych przedstawiono przykładowo dla studni S-1). W okresie badań własnych autorki we wszystkich studniach wartość suchej pozostałości przekracza wyraźnie 600 mg/dm3 (rys. 7 i 8). W latach 1991 – 2004 parametr ten w studniach ujęciowych (S-2, S-9, S-10, S-11, S-13 z wyjątkiem studni S-8) utrzymywał się w przedziale od 600 do 900 mg/dm3 (zał. 8). Jedynie w przypadku studni S-1 notowano wartości wyższe zawierające się w przedziale 900 - 1150 mg/dm3. W studni S-8 w dniu 18 marca 2004 zanotowano incydentalną bardzo wysoką wartość suchej pozostałości równą 1402 mg/dm3 (zał. 8). W studniach S-3, S-4, S-5, S-6, S-7 tworzących barierę przed odciekami pochodzącymi z hałdy odpadów zlokalizowanej w rejonie Pasa D notowano w latach 1964 - 2004 wyraźny trend rosnący zawartości suchej pozostałości (rys. 8). Analizy wykonane w studniach S-5, S-6 i S-7 wykazywały na znacznie intensywniejsze tempo wzrostu badanego parametru, niż w pozostałych studniach barierowych. Są to studnie barierowe zlokalizowane w pierwszej linii bezpośrednio w pobliżu hałdy (rys. 6). Analiza wykresu na podstawie dostępnych danych dla lat 1991 – 2004 w przypadku studni S-12 wskazywała na tendencję spadkową utrzymującą się po roku 1998.. 24.

(27) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz 2200 R² = 0,9721 2000. Linie trendu 1800. sucha pozostałość ogólna [mg/dm3]. S-7 1600. R² = 0,9852 S-6. 1400 R² = 0,9903. S-5 1200 S-12. R² = 0,4302. 1000. R² = 0,885. S-3 S-4. 800 R² = 0,9049 600 400 200 0. 2004. 2002. 2000. 1998. 1996. 1994. 1992. 1990. 1988. 1986. 1984. 1982. 1980. 1978. 1976. 1974. 1972. 1970. 1968. 1966. 1964. Rys. 8. Wykres suchej pozostałości notowanej w latach 1991-2004 w studniach barierowych Pasa D (wg danych archiwalnych (Dzięgiel, 1991) oraz wyników analiz Huty) (rozkład rezultatów pomiarowych przedstawiono przykładowo dla studni S-7). Charakterystyczną cechą wód podziemnych w rejonie ujęcia huty są naturalnie wysokie stężenia żelaza i manganu. Wszystkie studnie ujęcia zlokalizowanego w pasie "D" wykazują obecność żelaza i manganu zarówno w czasie rozpoznania (wiercenia studni), jak i w czasie wieloletniego użytkowania (Bielec, 2002). Przed uruchomieniem omawianego ujęcia wód w pasie D wody gruntowe wykazywały na tym terenie generalnie dobrą jakość. Wraz z rozpoczęciem w 1964 roku eksploatacji ujęcia obserwowano niekorzystny trend zmian składu wody. Rosła sucha pozostałość oraz obserwowano wyraźny wzrost siarczanów, chlorków oraz wapnia, co spowodowało także zwiększenie się twardości ogólnej. Zaobserwowano także pojawienie się i wzrost zawartości związków azotu amonowego, fenoli oraz od roku 1986 również detergentów. Inne składniki wód podziemnych jak azotany, azotyny oraz takie cechy jak utlenialność, zasadowość i barwa wykazywały przyrost bardzo minimalny lub też zależność ich zawartości od czasu była nieistotna (Dzięgiel, 1991). Od 1987 roku notowane są przekroczenia dopuszczalnych zawartości dla wód pitnych takich składników. jak. sucha. pozostałość,. twardość. ogólna,. siarczany. oraz. azot. amonowy. i detergenty (Dzięgiel, 1991). 3.3. Hałda odpadów pohutniczych – zanieczyszczenie punktowe Wspomniana wcześniej hałda odpadów hutniczych stanowi podstawowe ognisko degradacji jakości wód ujęcia huty, szczególnie w jego zachodniej części (rys. 2). Szczegółowa 25.

(28) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz analiza rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pochodzących od hałdy nie stanowiła przedmiotu badań w ramach niniejszej pracy. Zasięg oddziaływania hałdy jest lokalny i dodatkowo ograniczony tzw. „barierą ochronną ujęcia” opisaną poniżej i pokazaną na rys. 2. Głównymi składnikami hałdy powstałej w 1951 roku są odpady stałe w postaci żużli martenowskich i wielkopiecowych oraz odpady ciekłe usuwane z zakładu koksochemicznego i walcowni zimnej blach (Fiszer i in., 1984). Wśród odpadów ciekłych szczególnie niebezpieczne są 2 rodzaje smółek kwaśnych, bardzo dobrze rozpuszczalnych w wodzie: posytnikowa i parafinacyjna. Smółka posytnikowa jest odpadem konsystencji półpłynnej i zawiera 10 – 18 % siarczanu amonowego, 5 - 6 % zasad pirydynowych, 2 – 3.5 % kwasu siarkowego oraz 25 – 30 % części nierozpuszczalnych w benzenie. Smółkę parafinacyjną stanowi odpad o konsystencji płynnej, silnie kwaśny i palny. W skład jej wchodzą m.in.:10 - 20 % benzolu (mieszanina głównie benzenu, toluenu i ksylenu, stosowana niegdyś jako dodatek do benzyny), 15 - 25 % kwasu siarkowego i 11 - 25 % części nierozpuszczalnych w benzenie (Dzięgiel, 1991). U podnóża hałdy od strony kanału Suchy Jar (rys. 2) obserwowano okresowo wycieki cieczy o barwie ciemnobrązowej (Dzięgiel, 1991). Wykonane 2 analizy pobranych odcieków w roku 1990 wskazały na wysokie zawartości jonów siarczanowych (1590 - 2211 mg/dm3). Zawartości. jonów. wodorowęglanowych. chlorkowych. były. również. wysokie. (HCO3-:. 85 – 2123 mg/dm3, Cl-: 72 – 86 mg/dm3). Suma kationów stałych (wapnia, magnezu, sodu i potasu) wyniosła 929 – 1880mg/dm3, a ogólna mineralizacja 3200 mg/dm3 (Dzięgiel, 1991). Zanieczyszczenia pochodzące ze strony hałdy ujawniły się najwcześniej w studni nr 6 (lokalizacja na rys. 2 i 6). W 1970 roku wskutek wzrostu zawartości substancji organicznej utlenialność w studni osiągnęła wartość 28 mgO2/dm3, podczas gdy w studniach wschodniej części ujęcia sięgała zaledwie 1 mgO2/dm3 (Dzięgiel, 1991). Rok później w zachodniej części ujęcia pojawiły się fenole. W roku 1973 studnię S-6 wyłączono, nie zaprzestając jej pompować. Ciągłe pompowanie powstrzymywać miało napływ zanieczyszczeń do dalszych studni ujęcia tworząc rodzaj bariery ochronnej. Niestety w studniach S-5 i S-7 również zanotowano wzrost zanieczyszczeń, wolniejszy ze względu na większą odległość od ogniska, niż w przypadku studni S-6. W 1974 roku wyłączono z użytku studnię S-7, a w 1977 studnię S-5. Nieprzerwanie pracują jako studnie bariery ochronnej ujęcia. W studniach tych zanotowano dalsze pogorszenie jakości pompowanych wód w postaci wzrostu suchej pozostałości do powyżej 1000 mg/dm3, wzrostu stężeń żelaza (ok. 9 mg/dm3), manganu (ok. 5 mg/dm3) i siarczanów (450 mg/dm3) (Dzięgiel, 1991). Pojawiły się również detergenty, które dodatkowo zaobserwowano w wodach studni S-4, co spowodowało w 1987 roku zakwalifikowanie jej również do bariery ochronnej. Obecnie 6 studni (S-3, S-4, S-5, S-6, S-7 i S-12) pracuje na wylew usuwając zanieczyszczenia napływające ze strony hałdy do ujęcia. 26.

(29) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz. 4. MODEL KONCEPTUALNY REALIZOWANYCH BADAŃ W poniższym rozdziale zebrano wstępne opisowe założenia stworzonego modelu konceptualnego migracji wybranych zanieczyszczeń. Podstawowym założeniem przyjętym dla dalszych rozważań jest ograniczenie rozpatrywanego wpływu huty do zanieczyszczeń obszarowych manifestujących się emisjami atmosferycznymi. Wśród wielu substancji zanieczyszczających przenoszonych drogą powietrzną autorka szczególną uwagę skupiła na zanieczyszczeniach związkami siarki oraz wybranymi metalami ciężkimi. Charakter migracji wybranych polutantów jest skrajnie odmienny. Zanieczyszczenia związkami siarki uznano za doskonały przykład migracji substancji konserwatywnych, natomiast metale ciężkie za przykład migracji substancji ulegających w znacznym stopniu retardacji. Szczegółowy opis parametrów rządzących migracją wymienionych zanieczyszczeń przedstawiono w rozdziale 7. Jako ogniska zmian jakości wód podziemnych GZWP 450 na obszarze badań uznano: emisję substancji do powietrza w strefie oddziaływania Huty Arcelor Mittal (główne ognisko), rolnictwo, infiltrację zanieczyszczonych wód powierzchniowych oraz czynniki geogeniczne. Lokalnie w obszarze ujęcia wody pitnej dla Huty zlokalizowanego w pasie D na jakość wód podziemnych ma także wpływ hałda odpadów pohutniczych, nie stanowiąca jednak przedmiotu szczegółowych badań w ramach niniejszej pracy. Ogólny opis oddziaływania hałdy na wody podziemne zamieszczony został w rozdziale 3.3, a jej lokalizację pokazano na rys. 2. W niniejszej pracy nie brano pod uwagę wpływu ognisk punktowych, jak opisana hałda odpadów pohutniczych o lokalnym zasięgu oddziaływania. W ramach badań stanowiących temat niniejszej dysertacji autorka skupiła się na procesach samooczyszczania się środowiska z zanieczyszczeń pochodzących z emisji powietrznej ze strony Huty Arcelor Mittal (związków siarki i metali ciężkich). Schematyczny obraz warunków krążenia wód w obszarze badań oraz dostawy zanieczyszczeń przedstawiony został na przestrzennym diagramie zamieszczonym poniżej (rys. 9). Głównym emitorem zanieczyszczeń na obszarze badań jest Huta Arcelor Mittal zlokalizowana bezpośrednio przed zachodnią granicą obszaru. Emituje ona ogromną ilość substancji. pyłowo-gazowych. zagrażających. naturalnemu. środowisku.. Zanieczyszczenia. wyemitowane do atmosfery dostają się wraz z wodami opadowymi na powierzchnię gruntu. Gleba oraz strefa aeracji stanowią pierwszy etap drogi, jaką przebywają zanieczyszczenia migrujące wraz z wodami infiltracyjnymi do wód podziemnych. Wyemitowane zanieczyszczenia wraz z wodami opadowymi wsiąkając w głąb ziemi pogarszają jakość wód podziemnych.. 27.

(30) Praca doktorska – Rola gleby i strefy aeracji w procesach samooczyszczania … Agnieszka Operacz. Rys. 9. Model konceptualny warunków hydrogeologicznych oraz głównych kierunków dostawy zanieczyszczeń. W obszarze badań lessowa strefa aeracji charakteryzuje się dużą zdolnością retencyjną ze względu na znaczną miąższość (średnio kilkanaście m) i słabe własności przepuszczalne. Stwarza to możliwość zaabsorbowania części zanieczyszczeń. Z drugiej strony wody infiltracyjne są podstawowym źródłem zasilania zbiornika wód podziemnych GZWP 450 na tym terenie. Obszar badań użytkowany jest przede wszystkim rolniczo. Pola uprawne zajmują zdecydowaną większość terenu. Wpływ rolnictwa na stopień zanieczyszczenia wód podziemnych GZWP 450 może manifestować się głównie wzrostem zawartości związków azotowych wskutek intensywnego nawożenia nawozami bogatymi w ten pierwiastek. Użytkowanie rolnicze terenu ma zasadniczy wpływ na warunki glebowe, w tym szczególnie na pH i zawartość próchnicy. Determinuje to zdolności retencyjne gleby w aspekcie zatrzymywania zanieczyszczeń, takich jak rozpatrywane w rozdziale 10 niniejszej pracy metale ciężkie. Infiltracja zanieczyszczeń z cieków powierzchniowych obserwowana jest lokalnie w obrębie leja depresji ujęcia wody dla kombinatu zlokalizowanego w pasie D. Przepływająca tam Łucjanówka zmienia charakter z rzeki drenującej na infiltrującą, co stwarza możliwość skażenia wód zbiornika GZWP 450. Prowadzi ona wody zanieczyszczone m. in. ściekami spływającymi z osiedla Ruszcza oraz z dużego dworca towarowego PKP. Pozostałe cieki na obszarze badań mają 28.