Monitoring geochemiczny — propozycja dla stacji bazowych
Zintegrowanego Monitoringu Œrodowiska Przyrodniczego (ZMŒP)
Ewa Pilichowska-Kazimierska*
Geochemical monitoring — the offer for the base stations of the Integrated Environmental Monitoring (IEM). Prz. Geol., 50:
996–999.
S u m m a r y. The geochemistry which is the science investigating the circulation of the chemical elements in nature, can be useful in the assessment of the civilisation impact on the chemical equilibrium of the natural environment. The suggestion to introduce the geochem-ical monitoring as one of the IEM elements is nothing more than to propose a method of the interpretation of the data collected from the already on going research projects. The only extension would be the inclusion of the geochemical monitoring of river bed sediments at the most downstream point within the test catchment.
Key words: monitoring, geochemistry, environmental protection
W klasycznym rozumieniu, geochemia zajmuje siê wystêpowaniem pierwiastków na Ziemi, w szerokim i w¹skim tego s³owa znaczeniu. Z biegiem czasu i rozwoju nauk wy³oni³y siê z geochemii nauki jej pochodne, m.in. takie jak:
kosmochemia, której wiedza charakteryzuje
wpraw-dzie wystêpowanie pierwiastków we wszechœwiecie, co pozostaje jednak w zwi¹zku z zagadnieniami geochemicz-nymi naszej planety i poszczególnych jej stref (Polañski & Smulikowski, 1969),
hydrogeochemia, nauka zajmuj¹ca siê chemizmem
wód podziemnych i jego genez¹ (Macioszczyk, 1987), czy
biogeochemia — nauka zajmuj¹ca siê obiegiem w
przyrodzie pierwiastków chemicznych, wyselekcjonowa-nych pod wp³ywem procesów biologiczwyselekcjonowa-nych, odby-waj¹cych siê wspó³czeœnie lub zaistnia³ych w geologicznej historii Ziemi (Kabata-Pendias & Pendias, 1999).
Naturalny obieg pierwiastków w przyrodzie modyfiko-wany przez wspó³czesn¹ cywilizacjê, którego badaniem zajmuje siê geochemia œrodowiska, podlega ró¿nego rodzaju zniekszta³ceniom pod wp³ywem gospodarczej i technicznej dzia³alnoœci cz³owieka, co w konsekwencji oddzia³ywuje na chemiczn¹ równowagê œrodowiska przy-rodniczego, czasem zagra¿aj¹c poszczególnym ekosyste-mom lokalnie, a nawet prowadz¹c do zagro¿eñ globalnych. Szans¹ przeciwdzia³ania powy¿szym problemom s¹ bada-nia œrodowiska przyrodniczego „czuwaj¹ce” nad jego wydolnoœci¹ i odpornoœci¹ na przeciwnoœci wynikaj¹ce z dzia³alnoœci cz³owieka. Ustalone, a pozostaj¹ce w zgodzie z prawami przyrody, zasady i metody œledzenia wystêpo-wania i zachowystêpo-wania siê pierwiastków chemicznych w œro-dowisku przyrodniczym, a szczegó³owo w poszczególnych jego elementach, stanowi¹ s³uszn¹ drogê badañ objêtych terminem „monitoring geochemiczny”, w którym rola wie-dzy geochemicznej powinna stanowiæ merytorycznie rolê wiod¹c¹.
Monitoring geochemiczny
Monitoring geochemiczny stanowi wspó³czeœnie rozu-miane, jedno z g³ównych zadañ geochemii. Uzasadnienie s³usznoœci powy¿szego sformu³owania zaczniemy od scharakteryzowania terminu. Otó¿ geochemia zajmuje siê równie¿ naturaln¹ histori¹ pierwiastków chemicznych. Wymaga ona okreœlenia zawartoœci danego pierwiastka
oraz sposobu jego wystêpowania w danym komponencie œrodowiska przyrodniczego. Monitoring zaleca œledzenie iloœciowe i jakoœciowe w czasie, a to w celu „czuwania”, aby nie zerwane zosta³y „œciêgna” wydolnoœci œrodowiska czy ekosystemu. Monitoring geochemiczny zaœ, ma byæ analiz¹ (przemyœleniem) otrzymanych wyników w sensie zawartoœci danego pierwiastka, formy w jakiej wystêpuje on w tym œrodowisku, ale tak¿e przeanalizowaniem tych dwóch cech charakteryzuj¹cych ów pierwiastek w konte-kœcie (na tle) wystêpowania innych pierwiastków w ana-lizowanym œrodowisku, które to pierwiastki mog¹ wspoma-gaæ — uaktywniaæ lub byæ antagonistycznymi wobec pier-wiastka, g³ównego bohatera.
Rola wiedzy geochemicznej w monitoringu œrodowi-ska jest nie do pominiêcia, bowiem dziêki niej jest mo¿li-we œledzenie, przewidywanie losów pierwiastków. Warto te¿ przypomnieæ termin wprowadzony przez Perelmana w 1971 r. „geochemia krajobrazu”, który jakoby wieñczy pra-ce wszystkich podsystemów monitoringu i który geoche-mia obejmuje swoim szerokim, a jednak analitycznym spojrzeniem. ¯yw¹ substancjê, pokrywaj¹c¹ zwart¹ pow³ok¹ powierzchniê kuli ziemskiej uwa¿a Perelman za d³ugo i nieprzerwanie dzia³aj¹cy mechanizm prze-kszta³cania energii promieni s³onecznych w potencjaln¹, a nastêpnie w kinetyczn¹ energiê procesów geochemicz-nych. W œlad za tym pojawia siê termin „chemia œrodowi-ska” jako nauka zajmuj¹ca siê rol¹ pierwiastków chemicznych w procesach syntezy i rozk³adu naturalnej materii wszelkiego rodzaju, w³¹czaj¹c w to specyficzne zmiany wywo³ywane dzia³alnoœci¹ cz³owieka (O’Neill, 1998).
Propozycja dla stacji bazowych
Zintegrowany Monitoring Œrodowiska Przyrodniczego funkcjonuje w ramach Pañstwowego Monitoringu — w bloku Monitoringu Jakoœci Œrodowiska i programowo nawi¹zuje do europejskiego Integrated Monitoring
(Inter-national Co-operative Programme on Integrated Monito-ring on Air Pollution Effects). Jego zadaniem, w
odró¿nieniu od innych monitoringów specjalistycznych badaj¹cych jeden z wybranych komponentów geoekosys-temów, jest prowadzenie obserwacji mo¿liwie jak najwiêk-szej liczby jego elementów oraz wykrywanie zale¿noœci pomiêdzy nimi.
Podstaw¹ realizacji programu ZMŒP jest dobrze zorga-nizowany system pomiarowy w obrêbie ma³ego fragmentu zlewni rzeki lub jeziora, spe³niaj¹cych wyraŸnie okreœlone kryteria i reprezentatywnych dla g³ównych stref krajobra-zowych Polski. Monitorowane s¹ wybrane elementy œro-996
Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 10/2, 2002
*Katedra Ochrony Œrodowiska i Zasobów Naturalnych, Wydzia³ Geologii, Uniwersytet Warszawski, ul. ¯wirki i Wigury 93,
dowiska (czêœci abiotycznej i biotycznej) na podstawie skoncentrowanych badañ stacjonarnych — realizowanych przez stacje bazowe ZMŒP. W konsekwencji ich efektem jest œledzenie jakoœciowe i iloœciowe elementarnych obie-gów energii i materii (a wiêc i pierwiastków) w œrodowisku naturalnym jak i modyfikowanym przez funkcjonowanie gospodarki. Ni¿ej na ryc. 1 i 2 przedstawiono uproszczone modele obiegu materii ekosystemu leœnego oraz w postaci schematu w zlewniach ekosystemów leœnego i rolniczego.
Mnogoœæ i wielorakoœæ prac i wniosków, a szczególnie ogólna koncepcja realizacji ZMŒP, nasunê³a myœl zapropo-nowania dla stacji bazowych pewnego sposobu widzenia i interpretacji wyników obserwacji. Tak naprawdê monito-ring geochemiczny jest realizowany przynajmniej frag-mentarycznie ju¿ wiele lat, choæ istotnie przez d³ugi czas badania te dotyczy³y raczej poszczególnych wydarzeñ badawczych okreœlonych terminem „charakterystyka geo-chemiczna” czy „zdjêcie geochemiczne” (Lis & Pasieczna, 1995). Wykonywane w zlewniach testowych stacji bazo-wych zintegrowanego monitoringu œrodowiska przyrodni-czego (ZMŒP) oznaczenia zawartoœci okreœlonych (wybranych) pierwiastków w ramach realizowanych pro-gramów badawczych, tj. np. w powietrzu, glebach czy wodach, stanowi¹ bardzo istotny wk³ad w analizê geoche-miczn¹. Jednak¿e, aby sprostaæ zadaniu wytyczonemu przez Kostrzewskiego (1996), œledzenia obiegu energii i materii w obrêbie zlewni testowej, co mia³oby stanowiæ materia³ bazowy do wnioskowania o kondycji (stanie)
œro-dowiska, dla którego owa zlewnia bazowa jest jego wier-nym, reprezentatywnym obiektem, jest konieczna wspólna interpretacja wyników badañ poszczególnych komponen-tów œrodowiska. Zgodnie z zasadami geochemii, choæ kla-sycznej, efektem takich studiów stanie siê logiczny ci¹g wydarzeñ, procesów, którym ulega³y badane pierwiastki wkomponowane w œrodowisko, b¹dŸ pochodz¹ce z tech-nosfery — obce, nowo zaistnia³e w przyrodzie i stoj¹ce przed problemem wbudowania siê w nie.
Dotychczasowa struktura organizacyjna Pañstwowego Monitoringu Œrodowiska (1992) nie dostrzega geochemii na odpowiednim dla jej roli w badaniach nad œrodowiskiem przyrodniczym miejscu (ryc. 3). Analizuj¹c cel ZMŒP sformu³owany jako, rejestracjê i analizê krótko i d³ugoter-minowych zmian zachodz¹cych w geosystemie pod wp³ywem przemian klimatu, zanieczyszczeñ i innych prze-jawów ingerencji cz³owieka (Program PMŒ, 1992) wydaje siê, ¿e wiedza geochemiczna i jej integruj¹cy charakter s¹ temu celowi bardzo pomocne i sprzyjaj¹ce. W œwietle powy¿szego stwierdzenia przyk³adowo, pomiary sk³adu powietrza, realizowane w ramach podsystemu monitoringu powietrza atmosferycznego, powinny byæ rozumiane tak¿e jako pomiary w ogniwie obiegu ko³owego (nawet jeœli naruszonego cywilizacj¹) poszczególnych, analizowanych pierwiastków (ryc. 4).
997
Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 10/2, 2002
biomasa organów asymilacyjnych gleba kompleks sorpcyjny pobieranie przez korzenie poziom wód gruntowych poziomy glebowe sp³yw po pniach opad podokapowy L O E B C
Ryc. 1. Uproszczony model obiegu materii i energii w profilu
pionowym ekosystemu leœnego; opad podokapowy + sp³yw po pniach + opad œció³ki leœnej = odp³yw podziemny + przyrost biomasy (pobieranie przez korzenie i akumulacja) ilustruj¹cy obieg pierwiastków (Manual, 1993 [W:] Kostrzewski — red., 1996 — Ÿród³o: http//main.amu.edu.pl/ ~ zmsp/org/3.htm)
Fig. 1. A simplified model of matter and energy circulation in a
vertical profile of forest ecosystem; under-canopy precipita-tion + runoff along tree trunks + forest litter fall = underground flow-off + biomass increase (uptake by roots and accumulation) illustrating elements circulation (Manual, 1993 [In:] Kostrzewski — editor, 1996 — source:
http//main.amu.edu.pl/~ zmsp/org/3.htm)
ZLEWNIA LEŒNA
mokra depozycja + sucha depozycja + wietrzenie = odp³yw + ³ugowanie gruntowe + akumulacja + aerozole
ZLEWNIA ROLNICZA
mokra depozycja + sucha depozycja + wietrzenie + nawo¿enie = odp³yw + ³ugowanie gruntowe + akumulacja + aerozole + plony/spasanie
³ugowanie do wód gruntowych i/lub odp³yw powierzchniowy odp³yw ³ugowanie do wód gruntowych i/lub nawo¿enie aerozole aerozole plony i/lub spasnie mokra depozycja mokra depozycja sucha depozycja sucha depozycja ZLEWNIA ZLEWNIA
Ryc. 2. Uproszczony model bilansu geochemicznego zlewni
leœnej i rolniczej (Manual, 1993 [W:] Kostrzewski — red., 1996 — Ÿród³o http.//main.amu.edu.pl/ ~ zmsp/org/3.htm)
Fig. 2. A simplified model of a geochemical balance of forest and
agricultural basins (Manual, 1993 [In:] Kostrzewski — editor, 1996 — source: http//main.amu.edu.pl/ ~ zmsp/org/3.htm)
W sytuacjach szczególnych warto rozwa¿yæ mo¿li-woœæ analizowania losów okreœlanego pierwiastka w tzw. ma³ym obiegu, tj. takim, w którym szczegó³owiej analizuje siê migracjê danego pierwiastka w danym ekosystemie. Wnioskowanie o zmianach w funkcjonowaniu ekosyste-mów, w oparciu o wzmo¿one zawartoœci danego pierwiastka s³uszna jest dopiero po wykazaniu ró¿nych stê¿eñ w odnie-sieniu do klasycznej, t³owej zawartoœci w poszczególnych ogniwach obiegu i na podstawie analizy charakterystyki œrodowiska ekosystemów. Otó¿ same bezwzglêdne wartoœci stê¿eñ w rzeczywistoœci s¹ z³udne, mog¹ doprowadziæ do b³êdnych wniosków, a i wykazanie tylko ró¿nic miêdzy poszczególnymi wartoœciami na niewiele siê zda. Otó¿ prze-jawy ingerencji cz³owieka, mierzone bezwzglêdnymi war-toœciami stê¿eñ pierwiastków obci¹¿aj¹cych dany ekosystem, bêd¹ przy tej samej „dawce” dla tego œrodowi-ska ró¿ne. Wynika to z bardzo wielu czynników, spoœród których za bardzo istotne wed³ug geochemików s¹ uzna-wane procesy sorpcji przez minera³y ilaste ca³ej gamy pier-wiastków, czy te¿ intensywnoœæ biologicznego poch³aniania, który to fakt jest wykorzystywany przy bioindykacji.
Dla zwiêkszenia wiarygodnoœci i rzetelnoœci wiedzy o danym œrodowisku, warto te¿ chyba na kanwie owych ma³ych obiegów, podj¹æ próbê bilansu przynajmniej pó³ilo-œciowego. Wydaje siê, ¿e dotychczasowe wyniki prac wykony-wanych w ramach ZMŒP, dostarczy³y wystarczaj¹cego materia³u dla przeprowadzenia takiego bilansu. Uzyskane w ramach prac nad obiegiem i bilansem wyniki mog³yby stano-wiæ mocne merytoryczne argumenty i dowody w przewidy-waniach nad obci¹¿aniem, czy a¿ uzale¿nianiem œrodowiska od poczynañ cz³owieka.
Podsumowanie
Elementy monitoringu geochemicznego realizowane s¹ w zlewniach testowych stacji bazowych ZMŒP, rozpro-szone w kilku, a nawet kilkunastu programach badaw-czych, np.: chemizm powietrza, gleby, a w zasadzie roztworów glebowych, chemizm listowia i œció³ki, che-mizm wód powierzchniowych i gruntowych, wód opado-wych z opadem podkoronowym i sp³ywem po pniach itp. Interpretacja wyników badañ geochemicznych prowadzo-nych w tym zakresie odbywa siê odrêbnie dla ka¿dego z 998
Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 10/2, 2002
PAÑSTWOWY MONITORING ŒRODOWISKA
EMISJA I PROGNOZYOCENY JAKOŒÆŒRODOWISKA
MONITORING POWIETRZA powietrze
wody odpady MONITORING WÓD · powierzchniowych podziemnych · MONITORING LASÓW MONITORING PROMIENIOWANIA JONIZUJ¥CEGO MONITORING HA£ASU MONITORING GLEB MONITORING PRZYRODY ZINTEGROWANY MONITORING ŒRODOWISKA PRZYRODNICZEGO
meteorologia metaleciê¿kiewmchach gleby wodygruntowe hydrobiologia:r
zek,jezior wodypowier zchniowe:r zeki,jeziora florairoœlinnoœæzlewnireprezentatywnej uszkodzeniadr zewidr zewostanów epifitynadr zewne faunabezkrêgowa MONITORING GEOCHEMICZNY chemizmpowietr za chemizmopadubiologicznego chemizmorganówasymilacyjnych chemizmroztworówglebowych chemizmsp³ywupopniach chemizmopadupodokapowego chemizmopadówatmosfer ycznych Ryc. 3. Programy pomiarowe ZMŒP na tle struktury organiza-cyjnej Pañstwowego Monitoringu Œrodowi-ska, wraz z propozycj¹ w³¹czenia programu „monitoringu geoche-micznego”
Fig. 3. Measurment
pro-grammes of ZMŒP (Natural Environmental Monitoring Plant) against the background of the State Environ-ment Monitoring orga-nisational structure including a proposal for the incorporation of a ”geochemical monito-ring” programme
programów. Dlatego nale¿y podj¹æ dyskusjê nad metod¹ wspólnej interpretacji wyników badañ chemizmu poszcze-gólnych komponentów œrodowiska, ewentualnie ich grup, co powinno u³atwiæ i wzbogaciæ za³o¿one w definicji monitoringu stacji bazowych — œledzenie obiegu energii i
materii w obrêbie zlewni testowej i na tej podstawie oceny równie¿ stanu œrodowiska. Monitoring geochemiczny w systemie ZMŒP by³by realizowany, wiêc nie przez wpro-wadzenie odrêbnego systemu pomiarowego, lecz przez odpowiednie interpretowanie danych uzyskiwanych w wyniku realizacji innych programów badawczych stacji bazowej. Interpretacja polega³aby w du¿ej mierze na synte-zie wyników badañ poszczególnych komponentów œrodo-wiska. Mo¿na rozwa¿yæ wprowadzenie jeszcze jednego elementu — badanie chemizmu osadów dennych rzek.
Wyniki badañ chemizmu osadów dennych, jako ¿e
g³ównym noœnikiem materii w zlewni jest woda, maj¹ pod-stawowe znaczenie dla oceny poprawnoœci syntezy inter-pretacji wyników monitoringu geochemicznego w stacji bazowej ZMŒP.
Literatura
KABATA-PENDIAS A. & PENDIAS H. 1999 — Biogeochemia pier-wiastków œladowych. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa.
KOSTRZEWSKI A. (red), 1995 — Zintegrowany monitoring œrodowi-ska przyrodniczego. Zasady organizacji, system pomiarowy, wybrane metody badañ. Biblioteka Monitoringu Œrodowiska. Wyd. PIOŒ. War-szawa.
LIS J. & PASIECZNA A. 1995 — Atlas geochemiczny Polski. Wyd. Pañstw. Inst. Geol. Warszawa.
MACIOSZCZYK A. 1987 — Hydrogeochemia. Wyd. Geol.
Manual, 1993 — Manual for Integrated Monitoring. Programme Phase
1993–96. Environment Data Centre, National Board of waters and the Environment. Helsinki.
O’NEILL P. 1998 — Chemia œrodowiska. Wyd. Nauk. PWN. Warszawa–Wroc³aw.
PERELMAN A. I. 1971 — Geochemia Krajobrazu. Pañstw. Wyd. Nauk. Wroc³aw.
POLAÑSKI A. & SMULIKOWSKI K. 1969 — Geochemia. Wyd. Geol.
Program Pañstwowego Monitoringu Œrodowiska, 1992. Biblioteka
Monitoringu Œrodowiska. Warszawa.
Zastosowanie modelu numerycznego do wyznaczania sta³ych równania Langmuira
na podstawie doœwiadczenia dynamicznego
Tomasz Gruszczyñski*, Jerzy J. Ma³ecki*
An application of numerical model for determining constants of Langmuir’s equation based on column experiments. Prz. Geol.,
50: 999–1003.
S u m m a r y. This article discusses interpretation of results derived from column experiments. The study was performed on a column sorptiometer SK–2000. To assess the equivalent concentrations of ions adsorbed on the surface of solid phase, the authors suggest using a one-dimensional model of mass transport in advection-dispersion flux with regard to processes of sorption and ion exchange. The empirical data derived from the experiments performed and the results of model calculation were used for determining constant values of Langmuir’s isotherm. These are preliminary results and this study is ongoing.
Key words: sorption, column experiment, transition curve, Langmuir’s isotherm
Procesy sorpcji i wymiany jonowej maj¹ ogromne zna-czenie przy analizie migracji substancji zanieczysz-czaj¹cych w œrodowisku wód podziemnych. Efektem oddzia³ywañ sorpcyjnych jest zatrzymywanie zanieczysz-czeñ na powierzchni ziarn skalnych, co powoduje
spowol-nienie ich rozprzestrzeniania w warstwie wodonoœnej. Obecnie najczêœciej parametry sorpcyjne ska³ okreœlane s¹ laboratoryjnie na podstawie metody statycznej. W meto-dzie tej poszukuje siê zale¿noœci pomiêdzy stê¿eniem zanieczyszczenia zatrzymanego na powierzchni fazy sta³ej a jego równowagowym stê¿eniem w roztworze. Tego typu badania dostarczaj¹ danych niezbêdnych do wykonania prognozy procesu przemieszczania zanieczyszczenia w wodzie podziemnej. Uzyskane wyniki s¹ obarczone b³êdem, wynikaj¹cym z nieuwzglêdnienia procesu
999
Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 10/2, 2002
atmosfera osady oceany l¹dy 1 2 3 8 6 1 2 3 3 5 7 2 4 zbiorniki reservoirs droga transportu transportation route 1opad atmosferyczny 5 atmospheric precipitation uwalnianie gazu gas release 6 2py³y dusts
rzeki - materia³y w nich rozpuszczone i zawieszone
rivers - materials dissolved and suspended in them 7
3rozpylanie wody morskiej sea water spraying
sedymentacja
sedimentation 4odgazowanie
de-gassing
wynoszenie materia³u ku powierzchni Ziemi
material lifting towards Earth's surface 8
Ryc. 4. Schemat ogólny cyklu geochemicznego (wg O’Neill,
1998)
Fig. 4. A general layout of a geochemical cycle (after O’Neill,
1998)
*Katedra Ochrony Œrodowiska i Zasobów Naturalnych, Wydzia³ Geologii, Uniwersytet Warszawski, ul. ¯wirki i Wigu-ry 93,