Punktowe i obszarowe zanieczyszczenia wód podziemnych

W ochronie wód podziemnych odróżnia się dwa główne rodzaje emisji zanieczyszczeń trafiających do gruntu i dalej wędrujących do warstwy wodonośnej – emisję punktową i emisję obszarową. W artykule przedstawiono problem zanieczyszczeń wód podziemnych w wyniku incydentalnych zdarzeń emisji punktowej oraz przykłady permanentnej emisji punktowej i obszarowej. Pozwalają one zrozumieć przebieg i rozmiary skażenia wód jakie się wydarzyły, dotychczas bardzo skromnie lub pobieżnie opisywanych w naszej literaturze specjalistycznej.

1. Punktowe incydentalne skażenia ropopochodnymi
Pośród substancji powodujących incydentalne punktowe skażenia wód podziemnych, dominują ropopochodne. Przykładem takiej emisji może być wypływ oleju napędowego z pękniętego zbiornika pojazdu mechanicznego, który uległ wypadkowi na drodze gruntowej. W większości takich wypadków kończy się to wsiąknięciem paliwa w grunt i dosyć szybką jego wędrówką w głąb. Jeżeli woda gruntowa znajduje się niezbyt głęboko, a piaszczystą strefę aeracji przykrywa mało urodzajna gleba znajdująca się na drodze, czyli gdy są to typowe wiejskie warunki, to paliwo może szybko dotrzeć do zwierciadła wody podziemnej, na którym się zatrzyma jako wieloletni depozyt. Właściciel pojazdu zwykle zataja lub bagatelizuje wsiąknięcie paliwa w grunt. Takich wypadków rozlewu ropopochodnych na drogach utwardzonych, gdzie interweniują odpowiednie służby by zapobiec skutkom rozlewu, rocznie rejestruje się około 3000. Jednak uważa się, że poza oficjalną statystyką wypadków rozlewu ropopochodnych, istnieje dodatkowo tyle samo niezarejestrowanych zdarzeń rozlewów o objętościach do 50 litrów na drogach polnych, leśnych bądź na terenach przydomowych. Po upływie nawet 10 lat takie miejscowe skażenia nadal zalegają w gruncie i są aktywne pod względem emisji ich frakcji do wody. Jeżeli uwzględni się, że w Polsce intensywny rozwój motoryzacji trwa od około 50 lat, to można sobie wyobrazić jak wiele jest punktowych skażeń wód podziemnych na terenie kraju.
Niezależnie od tych stosunkowo niedużych rozlewów zdarzają się bardziej obfite, incydentalne wypływy różnego rodzaju cieczy szkodliwych dla środowiska przewożonych cysternami samochodowymi lub kolejowymi. Skutki zależne są od ilości, rodzaju cieczy oraz jej cech fizycznych i chemicznych.
W wyniku obfitego wylewu ropopochodnych z cysterny część cieczy odparowuje, a część zostaje zatrzymana w strefie aeracji, oblepiając ziarna gruntu i wypełniając przestrzenie wewnątrz złoża, zaś reszta, jako depozyt, osiada spoczywając na zwierciadle wody. Stanowi on gęstą, lepką masę, z której w I fazie, oddzielają się frakcje najlżejsze i najmniej lepkie. Frakcje te mieszają się z wodą, a nawet częściowo rozpuszczają, wędrując z wodą na duże odległości (rys. 1). Gdy stężenie tych frakcji przekracza 0,01 g/m³, woda ma odrażający smak i zapach, stając się toksyczną dla ludzi i zwierząt, a więc skażoną.
Wkrótce ujawnia się II faza (rys. 2), gdy w ślad za frakcjami lekkimi, podążają frakcje nieco cięższe i mniej mobilne, oblepiając ziarna gruntu na trasie swej wędrówki i grzęznąc w niezbyt dalekiej odległości od depozytu. Zjawisko emisji frakcji z depozytu trwa dziesiątki lat.

2. Punktowe skażenia permanentne
W Polsce jest około 6800 stacji paliw płynnych, z których część powoduje permanentne punktowe skażenie wód podziemnych stanowiąc następstwo drobnych, czasem niezauważalnych, powtarzających się wycieków w czasie dystrybucji paliwa [4]. Przeciętna stacja położona w okręgu rolniczym w czasie 30 lat dokonuje sprzedaży paliw płynnych dla około 2 milionów pojazdów, więc przy tak dużej ilości operacji jest duże prawdopodobieństwo, że paliwo skazi otaczający grunt [5].
Większe wypływy permanentne zdarzają się wskutek awarii lub zaniedbań nie tylko w stacjach paliw płynnych, ale i w bazach paliwowych, na trasach rurociągów do przesyłu ropopochodnych, w zakładach przemysłowych itp., stając się przyczyną poważnych punktowych skażeń wód podziemnych. W końcu ubiegłego stulecia na terenie Polski nastąpiło dużo takich zdarzeń, przy czym część miała miejsce w bazach wojsk sowieckich, część na poligonach, a część w zakładach produkcyjnych, gdzie przyczyną były wycieki z instalacji technologicznych lub nieumiejętne przechowywanie płynów.

3. Skażenie przez duży depozyt ropopochodnych
W miejscu, w którym nastąpiło utworzenie dużego depozytu ropopochodnych, gdy po wielu latach od wydarzenia dokonuje się wierceń rozpoznawczych, zwykle napotykana ciecz jest już znacznie gęstszą od pierwotnej, na skutek oddalenia się frakcji lżejszych. Sytuację taką przedstawia rys. 3, zaczerpnięty z bardzo umiejętnie przeprowadzonego badania gruntu skażonego mieszaniną ropopochodnych [1]. Mieszaninę tę oznaczono na rysunku literami LNAPL, co jest skrótem od określenia w języku angielskim „ciecz organiczna lżejsza od wody”. Przed ponad 35 latami ropopochodne zostały zdeponowane w wykopanym dużym dole o głębokości około 2 m, w warstwie piaszczystej spoczywającej na glinie piaszczystej. Depozyt stanowią różnego typu oleje, smary, paliwa płynne, smółki, substancje smoliste i odpady organiczne pochodzące z procesów hutniczych.

Na rysunku wyraźnie widać trzy wypływy dosyć ciężkich frakcji, sięgające na odległość od 30 do 40 m od depozytu. Każdy wypływ nastąpił w innych latach w wyniku długotrwałych zmian poziomu wody podziemnej. Nie można wykluczyć, że gdyby cały czas utrzymywał się stały poziom zwierciadła wody, to zasięg jednego wypływu jaki by powstał, osiągnąłby długość bliską sumie wszystkich, a więc około 100 m od depozytu. W ten sposób na zwierciadle wody powstałaby aureola zanieczyszczenia rozprzestrzeniająca się z średnią prędkością około 3 m/rok, podczas gdy średnia prędkość przepływu skażonej wody przez warstwę wodonośną, możliwa jest z prędkością kilkuset m/rok.
Różnica prędkości przemieszczania się substancji ropopochodnych uświadamia, że:

• najlżejsze frakcje ropopochodnych unoszone przez wodę wędrują z taką prędkością, z jaką płynie woda w warstwie wodonośnej;
• cięższe frakcje bardzo wolno pełzają po powierzchni zwierciadła wody w kierunku jego nachylenia;
• depozyt ciągle jeszcze pozostaje w wykopanym dole, ale wykazuje tendencję do bardzo powolnego przemieszczania się zgodnie z nachyleniem zwierciadła wody.

4. Skażenie przez długotrwały wyciek węglowodorów (WWA i BTX)
Inny przykład punktowego intensywnego skażenia wód podziemnych, dają wnikliwie przeprowadzone badania zanieczyszczenia pozostałego po zlikwidowanej fabryce farb i lakierów [2]. Fabryka przez około 60 lat produkowała emalie, lakiery, farby okrętowe i ogólnego stosowania, przeciwkorozyjne i rdzochronne, używając do produkcji barwników, terpentyny, żywic, ksylenu i toluenu oraz innych substancji. Niektóre składniki magazynowano w zbiornikach podziemnych, przypuszczalnie nieszczelnych, a w pozostałych miejscach fabryki dbałość o środowisko też widocznie nie była zbytnio doceniana. W wyniku niedbałej działalności wody podziemne zostały skażone punktowo, a zanieczyszczenia utworzyły depozyt na wysokość całego profilu strefy saturacji.
Obecnie, po około 20 latach od likwidacji fabryki, podziemny depozyt zanieczyszczeń pokazany na rys. 4, mierzony w przekroju pionowym, ma wysokość dochodzącą do 30 m i długość ok. 750 m, zaś szerokość średnio 190 m. Badania depozytu ustaliły, że w jego skład wchodzą: wielopierścieniowewęglowodory aromatyczne (WWA), lotne węglowodory aromatyczne (BTX) i fenole oraz miejscami utrzymujące się na powierzchni zwierciadła wody benzyny i oleje mineralne, tworzące skupiska o grubości 6÷32 cm. Prędkość przepływu wody można oszacować na kilkaset m/rok, zaś obecny kształt i położenie depozytu wskazują, że przemieszcza się on bardzo wolno, z prędkością ocenioną na 10÷70 m/rok, w kierunku zgodnym z ruchem wody podziemnej. O ile tylna ściana depozytu nie ma wypływów, to czołowa strona ma kształt wydłużony i świadczy, iż tworzące ją substancje oddalają się od jądra depozytu w kierunku przepływu wody.

Z omówionego przykładu można wyciągnąć następujące wnioski:

• depozyt składający się z różnych substancji chemicznych może zająć całą wysokość warstwy saturacji, stanowiąc przegrodę dla napływającej niezanieczyszczonej wody;
• depozyt może przemieszczać się w kierunku ruchu wody, ale czyni to z prędkością wielokrotnie mniejszą niż prędkość wody w warstwie wodonośnej;
• depozyt wyprzedzają szybciej oddalające się niektóre jego składniki.

5. Skażenie przez długotrwały wyciek substancji chloroorganicznych (VOC)
Przedstawiony tu kolejny przykład skażenia wody podziemnej pozwala poznać zmiany jakie następują samoistnie w depozycie zanieczyszczeń poprzez stopniowy rozkład jednego ze składników i przekształcanie się w inny [2].
W badanym przypadku zakład metalurgiczny w czasie swojego kilkudziesięcioletniego istnienia zanieczyścił grunt znajdujący się pod nim rozpuszczalnikami stanowiącymi związki chloroorganiczne używane do odnawiania pojazdów, a także do farb i lakierów. Kilka lat po likwidacji zakładu w warstwie wodonośnej stwierdzono obecność związków chloroorganicznych (VOC) w ilości do 195 mg/dm³, w tym 66% trichloroetanu i 29% tetrachloroetanu.
Substancje te są cieczami łatwo rozpuszczalnymi w wodzie, mają właściwości mutagenne, podejrzewa się, że są rakotwórcze, są toksyczne dla ludzi i organizmów wodnych. Jeden z nich, trichloroetan, przez wiele lat w XX wieku, był powszechnie dostępny w handlu pod nazwą „tri”. Cechą szczególną tetrachloroetanu jest jego podatność na rozkład w warunkach anaerobowych jakie panują w warstwie wodonośnej, gdzie przechodzi w trichloroetan, potem w dichloroetan, następnie w chlorek winylu, potem w etan będący gazem rozpuszczalnym w wodzie i który wreszcie przekształca się w metan.Rys. 5 przedstawia depozyt wyżej wymienionych zanieczyszczeń zanurzony poniżej zwierciadła wody i mający długość około 1050 m.

Aktualne położenie depozytu wskazuje, że oddalił się on około 100 m od źródła emisji, jakim był zakład metalurgiczny. Substancje stanowiące zanieczyszczenie wody, ukształtowały go w taki sposób, iż zagłębia się w wodzie w miarę oddalania od źródła emisji.
Na długości około 100 i 600 m, próby pobrane z depozytu wykazały obecność tetrachloroetanu w ilości 129 i 157 g/m³. Na dalszym odcinku, w kierunku czoła depozytu, stężenie tych substancji radykalnie maleje, co można odczytać na rysunku (liczby bez nawiasu). Świadczy to o przebiegającym procesie rozkładu, ale nie znaczy, że skażenie faktycznie zanika, lecz że z tetrachloroetanu powstaje dodatkowa ilość trójchloroetenu zwiększając jego początkowy stan i że osiąga on duże stężenie, podane na rysunku w nawiasach, a rosnące ku czołu depozytu.
Z przedstawionego przykładu wynika że:

• depozyt zanieczyszczeń nie powinien być traktowany jako nieruchoma materia spoczywająca w warstwie wodonośnej, gdyż może podlegać przemianom fizycznym i przemieszczać się;
• w depozycie zanieczyszczeń mogą zachodzić mniej lub bardziej intensywne przemiany substancji chemicznych wchodzących w jego skład;
• czasami przemiany odbywają się przy udziale procesu biodegradacji, co nie musi oznaczać, że zmniejsza się stopień skażenia wody;
• badania depozytu nie można ograniczać tylko do jednego wskaźnika, gdyż może to prowadzić do pominięcia zmian w ilości i jakości innych istotnych substancji.

6. Obszarowe zanieczyszczenie wód podziemnych przez zabudowę miejską
Wyżej opisane dwa depozyty o charakterze zanieczyszczeń historycznych, tj. węglowodorów i substancji chloroorganicznych, podane jako przykłady punktowego skażenia wód podziemnych, znajdują się obok siebie w dużym mieście, na terenie strefy ochrony pośredniej miejskiego ujęcia wody o wydajności kilkunastu tysięcy m³/d (rys. 6). Od tych depozytów utworzyła się smuga zanieczyszczeń zagrażających ujęciu, co stało się powodem przeprowadzenia wnikliwych badań przez Państwowy Instytut Geologiczny – PIB Oddział Geologii Morza w Gdańsku [6].

Oczywistą koniecznością było zbadanie szerokiego otoczenia wokół depozytów, co pozwoliło ustalić, że nie mają one istotnego wpływu na otoczenie, poza spływem zanieczyszczeń w kierunku ujęcia. Jednak badania te dostarczyły cennego materiału dla określenia wpływu miasta na znajdującą się pod nim warstwę wodonośną.
Zgeneralizowany przekrój geologiczny obszaru badań wskazuje, że przy powierzchni terenu znajduje się strop utworów czwartorzędowej, piaszczysto-żwirowej warstwy wodonośnej o statycznym zwierciadle wody położonym około 1 m pod terenem. W miarę oddalania się na zachód od ujęcia teren lekko się wznosi, przez co stopniowo wzrasta głębokość zwierciadła wody, licząc od terenu. Spąg omawianej warstwy wodonośnej spoczywa na mułkach plejstoceńskich na głębokości przeciętnie 30 m. Strefa aeracji jest bardzo małej miąższości i zależna od położenia dynamicznego zwierciadła wody związanego z intensywnością czerpania wody przez ujęcie. Wspomniane badania objęły też duży obszar otoczenia w kierunku południowym, gdzie znajduje się drugie ujęcie, ale dla potrzeb tej publikacji ograniczono się tylko do obszaru wskazanego na rys. 6 i 7. Na omawianym terenie mieszka około 45 tysięcy mieszkańców w zabudowie wielorodzinnej i mieszkalnictwie niskiej intensywności, stanowiąc fragment wielkiego miasta. Teren ten od północnego-wschodu graniczy z morzem, a z pozostałych stron przylega do sąsiednich dzielnic miasta, pod którymi też występują płytkie warstwy wodonośne, ulegające silnej antropopresji.

W wyniku prac badawczych ustalono, że na analizowanym obszarze obejmującym zabudowę mieszkalną, w wodzie pierwszego horyzontu, powszechnie występowały substancje typowe dla ścieków komunalnych: związki azotu (NH4, NO2, NO3), detergenty anionowe, fenole, fluor oraz metale: nikiel, glin, tytan, arsen. Domieszki te obniżyły jakość wód do III i IV, a często także V klasy (klasyfikacja wg [7]). Za główną przyczynę tego zanieczyszczenia uznano eksfiltrację ścieków z kanalizacji miejskiej i z tego powodu został wyznaczony obszar (rys. 7) uznany za objęty szkodliwym oddziaływaniem sieci kanalizacyjnej na jakość wód podziemnych stropu czwartorzędowej warstwy wodonośnej [6]. Obszar ten stanowi aż 75% terenów zabudowanych i jest uznany za silnie wpływający na jakość wód podziemnych pierwszego horyzontu wodonośnego nieizolowanego od infiltracji zanieczyszczeń. Ponadto wykazano, że w obszarowym zanieczyszczeniu wód podziemnych mają też udział stacje paliw płynnych, podziemne zbiorniki tych paliw oraz pralnie chemiczne znajdujące się w wolno stojących budynkach. Na tej podstawie można przypuszczać, że prawdopodobne jest też niekorzystne oddziaływanie innych obiektów, takich jak warsztaty samochodowe, składy złomu czy schroniska dla zwierząt i szereg podobnych komponentów składających się na pojęcie – miasto.

Z omawianych wyników badań, można wysnuć następujące wnioski, bardzo istotne dla lokalizowania nowych ujęć wód podziemnych:

• jeżeli miasto znajduje się na terenie pod którym jest warstwa wodonośna nieizolowana od infiltracji zanieczyszczeń z powierzchni terenu, to kanalizacja miasta
• może być przyczyną obszarowego zanieczyszczenia wód podziemnych;
• nie należy opierać zaopatrzenia w wodę miejscowości na ujęciu czerpiącym ją z nieizolowanej warstwy wodonośnej znajdującej się pod tą miejscowością, tak jak
• uczyniono to w omawianym przykładzie oraz w wielu innych miastach.

7. Obszarowe zanieczyszczenie wód podziemnych przez mieszkalnictwo wiejskie
Zespół państwowej służby hydrogeologicznej Państwowego Instytutu Geologicznego – PIB w jednej z gmin dokonał rozpoznania zanieczyszczenia wód podziemnych pierwszego horyzontu. Stwierdzono, że na terenach rolniczych mieszkalnictwo indywidualne zostało wyposażone w 430 przydomowych oczyszczalni ścieków, z których odpływy są rozsączane w gruncie systemami drenażowymi lub przez studnie chłonne. Na obszarze 65 km² (rys. 8) zainstalowano 380 oczyszczalni, co daje średnie zagęszczenie 5,8 instalacji/km².

Na analizowanym obszarze od powierzchni terenu znajduje się nadkład lessów triasowych o miąższości od 5 do 30 m, w górnej części silnie zwietrzały do głębokości około 2 m. Niżej znajdują się zwietrzałe piaskowce triasowe i ich zwietrzeliny, a więc utwory o ograniczonej wodoprzepuszczalności. Wody podziemne na całym obszarze zostały zanieczyszczone, co przejawia się nadmiernym stężeniem azotu, potasu, niklu, arsenu, chlorków oraz odnotowuje się silne ślady leków. Ponadto stwierdzono zanieczyszczenie wód bakteriami grupy coli, enterokokami kałowymi oraz bakteriami Escherichia coli. Wody te zostały zdyskwalifikowane jako źródło zaopatrzenia dla miejscowej ludności. Jak więc widać, pierwszy horyzont na obszarze 65 km² został zanieczyszczony antropogenicznie na skutek realizacji chybionego rozwiązania problemu utylizacji ścieków z gospodarstw domowych. O ile oczyszczalnie przydomowe działają względnie dobrze po ich uruchomieniu, to na skutek powstających uszkodzeń z powodu mrozów i osiadania, zaniedbań w eksploatacji, nieregularnego usuwania osadów, niedbalstwa i nieumiejętności obsługi, braku konserwacji itp. czynników, z każdym rokiem pogarsza się sumaryczny efekt oczekiwany od dużej ilości oczyszczalni, jak w podanym przykładzie 380 oczyszczalni, co skutkuje stopniowym obszarowym silnym zanieczyszczeniem wód podziemnych.
Z powyższego wynika, że:
nie można traktować środowiska podziemnego jako odbiornika dużej ilości odpływów z przydomowych oczyszczalni ścieków;
oczyszczalnie przydomowe, z których odpływ ścieków oczyszczonych jest kierowany do środowiska podziemnego są rozwiązaniami trafnymi dla pojedynczych farm w krajach o małej gęstości zaludnienia, ale nie w aglomeracjach mieszkalnictwa indywidualnego, gdzie gęstość zaludnienia na terenie skupisk zabudowy wiejskiej, jak w omawianym przykładzie, wynosi średnio 81 mieszkańców/km².

8. Literatura

1. M. Gwoździkiewicz, P. Kuna, A. Lubowicz: Migracja zanieczyszczeń ropopochodnych w gruntach piaszczystych na granicy stref aeracji i saturacji, „Przegląd Geologiczny” nr 1/2011.
2. A. Szelewicka, T. Kowalewski, M. Lidzbarski, Z. Kordalski: Rozpoznanie zanieczyszczeń w wodach podziemnych w rejonie byłej Fabryki Farb i Lakierów „Polifarb” w Gdańsku, „Przegląd Geologiczny” nr 6/2016.
3. A. Kuczyńska, R. Janica: Analiza wpływu oddziaływania zanieczyszczeń bytowo-komunalnych ze źródeł rozproszonych na jakość wód podziemnych na przykładzie prac zespołu interwencyjnego Państwowej Służby Hydrogeologicznej, „Przegląd Geologiczny” nr 11/2017.
4. Zanieczyszczenia gruntów i wód gruntowych substancjami ropopochodnymi na wybranych stacjach paliw płynnych CPN w Wielkopolsce, Współczesna Problematyka Hydrogeologii. Tom VIII str. 261-264, Wrocław.
5. M. Sołtysiak, D. Dąbrowska, M. Kupiec: Zastosowanie ustawy o zapobieganiu szkodom w środowisku i ich naprawie w ochronie wód podziemnych, „Przegląd Geologiczny” nr 10/2015.
6. A. Karwik, M. Lidzbarski, Z. Kordalski, A. Szelewicka: Jakość wód podziemnych w strefie dopływu wód do ujęcia „Czarny Dwór” i „Zaspa Wodna” w Gdańsku”, „Przegląd Geologiczny nr 6/2016.
7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 23 lipca 2008 r. w sprawie kryteriów i sposobu oceny stanu wód podziemnych. (Dz. U. 2008.143.896).
   

mgr inż. Bohdan Łyp
Autor poradników: Strefy ochrony wód podziemnych,
Cywilizacyjne zanieczyszczenia wód podziemnych w Polsce,
Planowanie miejskiej infrastruktury wodnej i ściekowej

źródło Technologia Wody 5/2019