Dynamika uwilgotnienia gruntu rekultywowanego zwałowiska zewnętrznego KWB Bełchatów

(1)

R O C Z N IK I G L E B O Z N A W C Z E T O M LV N R 2 W A R S Z A W A 2 0 0 4 : 5 0 9 - 5 1 6

STANISŁAW W ŁO D EK , A N D RZEJ B ISK U PSK I, JA N PA BIN , BORYS H R Y Ń C ZU K

DYNAMIKA UWILGOTNIENIA GRUNTU

REKULTYWOWANEGO ZWAŁOWISKA

ZEWNĘTRZNEGO KWB BEŁCHATÓW

MOISTURE DYNAMICS IN RECLAIMED LAND

OF THE BEŁCHATÓW BROWN COAL MINE EXTERNAL

DUMPING GROUND

Zakład Technik U praw y Roli i N aw ożenia.

Instytutu U praw y N aw ożenia i G leboznaw stw a, Jelcz-Laskow ice

A b stra ct: The investigation was carried out to determ ine the soil m oisture dynam ics in the

surface layer o f dumping ground during the period from March to November in the years 1979— 1988. The results have been compared with those obtained in an arable field. Soil moisture was analysed in respect o f its satisfying the w ater dem ands o f plants. In dum ping ground the increase in soil moisture content due to increased amount o f precipitation was somewhat lower than in the arable field. The level o f moisture appeared to depend on the content o f <0,02 mm fraction. The soil moisture content was never observed to be lower than the wilting coefficient, notw ithstanding periodical deficits o f precipitation. Under the climatic conditions o f B ełcha tów, in the 0 -2 4 0 cm layer o f external dum ping ground the w ater relations appeared to be suitable for a successful development o f plants.

Słowa kluczowe: uw ilgotnienie gruntów, odwodnienie, szkody górnicze. Key words: ground moisture, drainage, mining damages.

WSTĘP

P o z y sk iw a n ie k o p a lin m e to d ą o d k ry w k o w ą w y m ag a o d w o d n ie n ia z ło ż a i przem ieszczenia dużych ilości gruntu. W KW B B ełchatów rocznie pom puje się około 190 min. m 3 wody oraz zdejm uje średnio 100-120 min. m 3 nadkładu [Bielikowski i in. 1999]. W pierw szym etapie nadkład grom adzony je st na zw ałow isku zew nętrznym tw orzącym w zniesienie ponad pow ierzchnią terenu.

(2)

D ziałalność w y dobyw cza pow oduje w iele zm ian w n atu ralny m środow isku. P rzyczynia się do zniszczenia pokryw y glebowej razem z ekosystem em , w yłączenia z u żytkow ania gruntów rolnych i leśnych a także pow oduje zakłócenia stosunków w odnych przyległych do kopalni terenów (Rząsa i in. 1999). Zabezpieczenie zwałowiska przed działaniem erozji wodnej i wietrznej wym aga rekultywacji. Jednym ze sposobów stabilizacji pow ierzchni gruntu je st obsiew anie jej roślinnością traw iastą a także obsadzanie krzewam i i drzewami [Bender 1980, Bender i Gilewska 2000). Skuteczność tych zabiegów w dużej m ierze uzależniona je st od uw ilgotnienia utw orów glebow ych zw ałow iska. Znajom ość dynam iki uw ilgotnienia gruntu jest szczególnie w ażna w w a r u n k a c h g łę b o k ie g o

z a le g a n ia w ó d g ru n to w y c h o raz w strefie klim atycznej charakteryzującej się dużym i w ahaniam i opadów atm osfe rycznych. D otychczas prow a dzone prace koncentrowały się głów nie nad zm ianam i zacho dzącym i w środow isku glebo w ym na skutek oddziaływ ania g ó r n ic tw a o d k ry w k o w e g o [M ocek i in. 1998, B iskupski i in. 2 000, P ab in i in. 2000, W łodek i in. 2000], a także na r e k u lty w o w a n y m te r e n ie [S z a fra ń sk i i S ta ch o w sk i 1997]. W iedza o uwilgotnieniu p r z y p o w i e r z c h n i o w y c h w arstw gruntu może być przy datna przy podejm ow aniu de cyzji o sposobie rekultyw acji zw ałow iska oraz przy doborze gatunków i odm ian roślin do obsiew ania i nasadzania. C e lem pracy było określenie dy nam iki u w ilg otnienia w ierz chniej w a rstw y zw ało w isk a zew nętrzn ego i p rzean alizo wanie jej przebiegu pod kątem m ożliw ości zaspokojenia po trzeb w odnych roślin.

TABELA 1. Skład granolumetryczny utworów glebowych na stanowiskach stacjonarnego pomiaru wilgotności gruntu TABLE 1 .Granulometric composition of soil formations at the stands for stationary soil moisture measurement.

Warstwa Layer (cm)

Procentowa zawartość frakcji (mm) Percentage content fraction (mm) 1,0 -0,5 0,5 - 0 ,2 5 0,25 -0,1 0,1 -0,05 0,05 -0,02 <0,02

Zwałowisko - Dumping ground

0-20 7,2 54,1 31,7 1 0 6 20-40 4,2 42,6 31,2 3 7 12 40-60 8,4 46,7 32,9 1 2 9 60-80 5,9 41,3 27,8 3 8 14 80-100 6,5 41,1 25,4 5 9 13 100-120 3,2 41,3 36,5 6 2 11 120-140 3,8 42,9 32,3 2 7 12 140-160 4,6 44,2 28,2 4 7 12 160-180 5,4 43,3 24,3 6 8 13 180-200 5,7 42,8 26,5 2 9 14 200-220 7,2 61,3 24,5 2 1 4 220-240 6,3 60,5 29,2 1 0 3 Pole uprawne - Arable field

0-20 4,9 46,8 32,3 5 3 8 20-40 4,8 48,7 32,5 4 4 6 40-60 6,2 49,5 33,3 1 3 7 60-80 6,7 49,8 33,5 1 4 5 80-100 7,6 50,9 32,5 2 3 4 100-120 7,9 52,7 31,4 3 2 3 120-140 6,9 55,9 28,2 2 2 5 140-160 7,4 56,1 27,5 1 2 6 160-180 7,7 56,7 27,6 2 1 5 180-200 7,3 55,9 29,8 1 2 4 200-220 7,2 56,5 30,3 2 1 3 220-240 7,4 56,2 30,4 1 1 4

(3)

D ynam ika uw ilgotnienia gruntu rekultywow anego zw ałow iska zew nętrznego...511

MATERIAŁ I METODY

Pom iary uw ilgotnienia gruntu prow adzono w stałych punktach pom iarow ych zlo kalizow anych na zw ałow isku zew nętrznym K opalni W ęgla Brunatnego B ełchatów o w ysokości około 200 m ponad pow ierzchnią terenu oraz na polu upraw nym oddalonym około 2 km od zw ałow iska. Skarpy zw ałow iska od p oczątk u fo rm o w ania były rekultywowane techniką hydroobsiewu, polegającą na rozsiewaniu z samolotu mieszanki wodno-nawozowo-nasiennej. W okresie pomiarowym powierzchnia zwałowiska pokryta była m ieszanką traw oraz obsadzona odpow iednio dobranym i sadzonkam i drzew i krzew ów [B ielikow ski i in. 1999]. Stanow iska stacjonarnego pom iaru w ilgotności utw orów glebow ych zlokalizow ano w m iejscach o zbliżonym składzie granulo- m etrycznym (tab. 1). W ilgotność oznaczano sondą neutronow ą, dw a razy w m iesiącu, w sezonie w egetacyjnym od m arca do listopada włącznie, na głębokościach: 20, 60, 100,140,180 i 220 cm. M etodą neutronową rejestrowano wilgotność gleby w % objętości w stałych punktach profilu obejm ując zakresem pom iarow ym kulę o średnicy około 30 cm. Pom iary prow adzono w latach 1979-1988. W pierw szym etapie badań, w latach 1979-1983, punkty pom iarow e zlokalizow ano na szczycie, zboczu i u podnóża zwałowiska zewnętrznego. Po przeanalizowaniu zmian uwilgotnienia gruntu mierzonego na głębokości 20 cm [W łodek i in. 2001] w yelim inowano z dalszych pom iarów punkty zlokalizow an e na zboczu i u podnóża zw ałow iska, charakteryzujące się w y ższą w ilgotnością niż przy w ierzchołku. W yniki oznaczeń poddano analizie porów nującej uw ilgotnienie utw orów glebow ych zw ałow iska zew nętrznego z w ilgotnością gleby w terenie przyległym . Przeanalizow ano zm iany uw ilgotnienia gruntu w zależności od zaw artości frakcji <0,02 mm, a także sum opadów.

WYNIKI I DYSKUSJA

Dziesięciolecie 1979-1988, w którym prowadzono monitoring uwilgotnienia gruntów, charakteryzowało się dużą zm iennością opadów (tab.2). Sumy m iesięczne w okresie od m arca do października wahały się od 2,5 do 154,1 mm. N ajw iększe zróżnicowanie w

TABELA 2. Suma opadów (mm) w okresie wegetacyjnym w latach 1979-1988 TABLE 2. Amount of precipitation (mm) in the vegetation periods of 1979-1988 Rok

Year

Miesiąc - Month Suma-Sum III IV V VI VII VIII IX X

1979 36,7 40,7 73,2 63,9 35,4 76,7 46,0 22,4 395,0 1980 13,4 86,4 21,8 102,9 134,6 41,4 31,6 72,8 504,9 1981 71,3 15,4 52,8 148,5 64,0 112,0 74,7 59,1 597,8 1982 2,5 25,7 61,4 93,5 27,1 59,2 14,9 17,1 301,4 1983 65,6 18,6 79,5 24,1 25,4 46,0 19,7 33,2 312,1 1984 18,4 23,5 114,6 58,0 70,5 15,1 114,3 19,3 433,7 1985 21,7 33,7 114,1 115,3 83,5 154,1 21,8 22,9 567,1 1986 23,7 21,7 74,4 51,8 50,8 132,3 54,3 33,8 442,8 1987 22,0 29,0 48,0 77,7 56,4 123,7 44,3 35,8 436,9 1988 49,1 16,2 44,2 139,6 63,7 60,4 29,6 7,1 409,9

(4)

RYSUNEK 1 Dynamika uwilgotnienia gruntu w sezonie wegetacyjnym w latach 1979-1988, lokalizacja stanowiska pomiarowego: zwałowisko

FIGURE 1 Soil moisture dynamics during vegetation seasons in the years 1979-1988, localization of the measurement stand: Dumping ground

(5)

RYSUNEK 2 Dynamika uwilgotnienia gruntu w sezonie wegetacyjnym w latach 1979-1988, lokalizacja stanowiska pomiarowego: pole uprawne

FIURE .2 Soil moisture dynamics during vegetation seasons in the years 1979-1988, localization of the measurement stand: arable field

(6)

8 10 12 % zawarto ś ci frakcji <0,02 mm

% fraction ccntent<0.02 mm

RYSUNEK 3 Zależność wilgotności gruntu od zawartości frakcji <0,02 mm FIGURE 3 Dependence of the soil mois ture on <0,02 mm fraction content

okresie badawczym wystąpiło w marcu, maksymalny opad przewyższał minimalny prawie 30-krotnie. Najniższe wahania opadów występowały w czasie od kwietnia do lipca, stosunek maksymalnej sumy miesięcznej opadu do minimalnej wynosił w tym okresie od 5 do 6. Suma opadów w okresie wegetacyjnym wahała się od 301,4 do 597,8 mm. Duże zróżnicowanie ilości opadów miało wpływ na zm iany uwilgotnienia gruntu. Zaw artość w ody w gruncie, oznaczana na stanowisku zlokalizowanym przy szczycie zwałowiska, wahała się od 4,4 do 20,3% objętości (rys. 1 ). Również duże wahania uwilgotnienia gruntu występowały na stanowisku zlokalizowanym na polu uprawnym (rys. 2). W tym przypadku

zwałowisko - dumping ground pole uptawne - arabie field

opad - precipitation nun opa.<ł - porciptsktiotfi nur.

RYSUNEK 4 Wpływ sumy opadów na wilgotność gruntu

(7)

w ynosiły one od 2,4 do 20,0%. W iatach 1979,1982 i 1983, charakteryzujących się m ałą ilością opadów w okresie wegetacyjnym , nieprzekraczającą 400 mm, obserwowano systematyczne zmniejszanie się uwilgotnienia gleby. Jednak w żadnym okresie minimalna w ilgotność gleby nie była m niejsza od współczynnika więdnięcia, określanego dla gleb lekkich na poziomie 1,5% s.m. [Dzieżyc 1974]. Szafrański i Stachowski [1997] w pracach prow adzonych na rekultyw ow anym zw ałowisku wew nętrznym rów nież stw ierdzają występowanie okresowych niedoborów wilgoci.

W ilgotność gruntu w analizow anych w arstw ach uzależniona była od zaw artości frakcji <0,02 mm. (rys.3). N a zw ałow isku przeciętna zaw artość w w arstw ie 0 -2 4 0 cm w ym ienionej frakcji w ynosiła 10%), natom iast w polu upraw nym 5%. Z ależność w ilgotności od składu m echanicznego była przyczyną w yższego poziom w ilgotności gruntu na zw ałow isku niż w polu uprawnym . W pierw szym przypadku przeciętne uw ilgotnienie wynosiło około 10%, natom iast w drugim 1% obj.

P rzyrost średniej rocznej w ilgotności gruntu w w arstw ie 0 -2 4 0 cm zależał od lokalizacji stanowiska pomiarowego. Przy zróżnicowaniu opadów od około 300 do 600 m m na zw ałow isku zew nętrznym w ilgotność w zrosła o 1,7%, natom iast w polu upraw nym o 2,2%> (rys. 4). N a podstaw ie analizy składu granulom etrycznego gleby należałoby się spodziew ać innych wyników. Grunt na zw ałow isku charakteryzow ał się w iększą zaw artością frakcji <0,02 mm., w zw iązku z tym powinien grom adzić większe ilości wody. M niejszy przyrost w ilgotności gruntu na zw ałow isku był spow odow any praw dopodobnie w iększym niż na polu upraw nym spływ em pow ierzchniow ym oraz intensyw niejszym parow aniem z pow ierzchni gleby narażonej na silniejsze działanie w iatru. P rzybyła i K ozaczyk [1997] zau w aż ają w iększe p rz esu szen ie gleb y na stanowiskach położonych na wierzchowinie, tłum aczą to innym od pozostałych składem granolumetrycznym .

U zyskane wyniki potw ierdziły zaobserw ow ane w latach 1979-1983 tendencje. O kazało się, że mniejsze niż na polu uprawnym przyrosty uwilgotnienia na zw ałowisku d otyczą nie tylko wilgotności m ierzonej na poziom ie 20 cm, ale rów nież w arstw sięgających do głębokości 240 cm.

PODSUMOWANIE

Przeprow adzone badania potwierdziły, że stosunki w odne m ateriału glebow ego w w arunkach głęboko zlegającego zw ierciadła w ody gruntowej są kształtow ane przede w szystkim przez opady. Również położenie stanowiska pom iarow ego m iało w pływ na dynam ikę uw ilgotnienia. Efektyw ność opadów była w iększa na polu upraw nym niż przy szczycie zw ałow iska znajdującym się około 200 m ponad pow ierzchnią terenu. U w idoczniła się ona w iększym przyrostem uw ilgotnienia w arstw y 0-240 cm. W dziesięcioletnim okresie badawczym w latach o małej ilości opadów występowały niskie w ilgotności gleby, jed n ak w żadnym okresie nie były one m niejsze od w spółczynnika w iędnięcia. N a tej podstaw ie m ożna w nioskow ać, że zw ałow iska zew nętrzne m ożna rekultyw ow ać przez obsiew anie roślinnością traw iastą oraz nasadzenia krzew am i i d rz ew am i. P rzy d o b o rz e g atu n k ó w i o d m ian n a le ż y b rać p o d u w a g ę ro ś lin y charakteryzujące się niskim i potrzebam i wodnym i oraz odpornością na okresow e niedobory w ody w glebie.

(8)

LITERATURA

BIELIKOW SKI K., CZAPLA Z., LIBICKI J., PIERTRYSZCZEW W., SZWARNOWSKI A., W ŁODARCZYK B., WOJCIECHOW SKI Cz. 1999: Węgiel brunatny w Polsce. Porozumienie Producentów W ęgla Brunatnego:.66 ss.

BISKUPSKI A., HRYŃCZUK B , WŁODEK S., PABIN J. 2000: Zmiany w uwilgotnieniu profilu gleb ornych w rejonie kopalni odkrywkowej węgla brunatnego - Bełchatów. Ogólnopolska Konfe rencja Naukowa “Wpływ górnictwa odkrywkowego węgla brunatnego na zmiany w środowisku glebowym”. Ślesin, 14—16.06.2000 Roczn. AR Poznań CCCXVII, Rolnictwo 56: 305-316. BENDER J. 1980: Biologiczna rekultywacja zwałowisk pokopalnianych. Międzyn. Czas. Roln.

RW PG 3 :5 0 -5 5 .

BENDER J., GILEW SKA M. 2000: Rekultywacja w konfrontacji z aktami prawnymi, badaniami naukowymi i praktyką gospodarczą. Roczn.AR Poznań CCCXVII. Rolnictwo 56: 343-356. DZIEŻYC J. 1974: Nawadnianie roślin. PWRiL, Warszawa: 580 ss.

MOCEK A., RZĄSA S., OW CZARZAK W. 1998: Ocena wpływu odkrywki węgla brunatnego „W ładysławów” na degradację produktywności gleb wsi Russocice. Zesz. Probl. Post. Nauk

Roi. 460: 639-650.

PABIN J., W ŁODEK S., BISKUPSKI A. HRYŃCZUK B. 2000: Dynamika uwilgotnienia gleb leśnych w rejonie kopalni odkrywkowej węgla brunatnego - Bełchatów. Ogólnopolska Konfe rencja Naukowa “Wpływ górnictwa odkrywkowego węgla brunatnego na zmiany w środowi sku glebowym ” . Ślesin, 14-16.06.2000 Roczn. AR Poznań CCCXVII, Rolnictwo 56: 317-326. PRZYBYŁA Cz. KOZACZYK P. 1997: Wpływ ukształtowania terenu na dynamikę zmian uwil

gotnienia deszczowanych gleb. Rocz AR Pozn. Melior. Inż. Środ. 19, cz.II: 169-182

RZĄSA S., OWCZARZAK W., MOCEK A. 1999: Problemy odwodnieniowej degradacji gleb upraw nych w rejonach kopalnictwa odkrywkowego na Niżu Środkowopolskim. AR Poznań: 394 ss. SZAFRAŃSKI C., STACHOWSKI P. 1997: Zmiany zapasów wody w wierzchnich warstwach

rekultywowanych rolniczo gruntów pogómiczych. Rocz AR Pozn. Melior. Inż. Środ. 19, cz.II: 2 1 1-2 2 1.

W ŁODEK S., BISKUPSKI A., HRYŃCZUK B., PABIN J. 2001 : Uwilgotnienie gleby zwałowiska zewnętrznego kopalni odkrywkowej węgla brunatnego - Bełchatów. XIX M iędzynarodowa Konferencja Naukowa „Inżynieria procesowa w ochronie środowiska” . Opole - Jamrozowa Polana 2001: 182-186.

WŁODEK S., BISKUPSKI A., HRYŃCZUK B., PABIN J. 2000: Zmiany uwilgotnienia profilu gleb użytków zielonych w rejonie kopalni odkrywkowej węgla brunatnego - Bełchatów. Ogólnopol ska Konferencja Naukowa “Wpływ górnictwa odkrywkowego węgla brunatnego na zmiany w środowisku glebowym”. 14-16.06.2000./tocz/7. AR Poznań CCCXVII, Rolnictwo 56: 295-303.

d r inż. Stanislaw W łodek

Z a kła d Techniki U prawy R oli i N aw ożenia IU N G u l Ł ąkow a 2, 55-230 Jelcz-L askow ice