Pobierz KWAŚNE OPADY ATMOSFERYCZNE J ICH WPŁYW NA ... i więcej Streszczenia w PDF z Inżynieria tylko na Docsity!
POLITECHNI KA ZIELONOGÓRSKA • ZESZYTY NAUKOWE NR l l l
Nr S INŻYNIERIA Ś RODOWI SKA 1996
E wa Górska, Maria Świderska- Dróż •
KWAŚNE OPADY ATMOSFERYCZ NE J ICH WPŁYW NA GLEBY l WODY POWlERZCHNIOWE
S tr eszczenie Omówio no przyczyny 1 ZJffi l'lsko poll'stall'a/1/a 1...-waśnyc:h opadóll' alm osfet ycznych oraz sposóh uy myll'ania Iransportu zanieczyszczeJ) z powietrza do gleb i wód powierzchnioH:I'ch. Przedstawiono skład chemi czny opadów ze szczególnym uwzględnieni em 1ch odczynu. Wvkazanu. :ce k11 'a.:n e opa(~Y a lllw~>feJyc::IU! u • spóldecydu;ą o zm1anach skladu chemic;;n('go g/eh i wód powierzr luuouych przyczy/1/ając .11
oslat eczme do Zll'tf(kszema stopnta def!.mdacji tych /.. o mponentou · środowiska.
l. WPROWADZENJE
Zjawisko degrad acji ś r o d owiska glebowego i wodnego jest śc i ś l e związane z emtsj ą odpadów powstając yc h w wyn iJ...'U działal n oś ci gospodarc zej człowi eka. Skutkiem em isji do powietrza za nie czyszcz eń kwasotwórczych (S0 2 i NOx) jest zakwasze nie opadów atmosfe- ryczn ych , a tak że mi erza ln e z miany w s kł adz i e che mi cz nym gleb i wód powi erzc hn iowych.
2. POWST AWANJ.E KWAŚN YCH OPADÓW ATMOSFE RYCZ NYC H
Naturalna zawa rt ość C0 2 w powietrzu powoduje, i ż odczyn opadów atmosferycznyc h wynosi ok. 5,6 pH. Przyjcrto , że opady c h arak t eryzujące
- Ewa GÓRSKA. Maria Ś W IDERS KA - BRÓŻ. Polit cc hni ka Wrocławska
62 Ewa^ GÓRS^ KA.^ Ma^ r^ ia^ ŚW^ ID^ ERSKA-^ SRÓŻ
Stv mntejszą wartosetą odczynu są za ni eczyszczone an t ropogenicznie t nale żą do opadów kwaśnych. Jako niebezpieczne dla środowiska traktuje się opady, których odczyn jest mniejsze niz 3,6 pH [ 20. Zwoździak i inni .. l 990]. Głównym źró dł em powstawa ni a kwaśnych opadów jest emisja do powietrza a tm os fe rycznego dwutlenku siarki i tlenków azotu. so2 emitowany jest przede wszystkim podczas spala nia
paliw energetycznych, a i l ość poc h o d zącą z tego ź r ó dł a oce ni a s ię na ok. 80 85% całkowitej emisji antropoge ni cznej [6. Kabsch, 199 1]. lstotnym ź ród ł em tlenków azotu są spa lin y sam ochodowe, z kt órych pochodzi ok. 45% całk ow i tej em isji t yc h zw ią zków. Z uwagi na r óż nicę wyso k oś c i emiterów tlenków siarki i azotu, te osta tni e m aj ą mni ej sz ą sz an sę na wejście do two r Lącego się sys temu chmurowego i w konsekwencji szyb ciej powracaj ą na p owi er zc hn ię zie mi. Mimo pod ej mowania d z iałań z m ierzaj ącyc h do ogra ni czenia w i e lk ości emisji so 2 i NOX, w dalszym
ciągu. bardzo d u że ich il ości t r a fi ają do powietrza atmos fe ry cznego. Wg danyc h GUS [9, 1995 ], w Polsce w 1995 r ., c ałk o wita e mi sja S0 2 oraz
tl enków azotu wynosi ł a od powiedni o 26 45 i 11 20 tysivcy ton. Wy em itowane do atmosfery gazy (glównie S0 2 ) przenoszone są z masa rni
powietrza czasami nawet na bardzo duze od l egł ośc i. Podczas transportu gazy te utleniane są bezpoś red n i o lub poś redni o do bezwodnik ów kwasów siarkowego i azotowego oraz azotanów i siarczanów [4. Hegg i in ., 1986). Ro l ę utl eni aczy p eł ni ą tl en, ozon, na dtl enek wodo ru oraz najba rd ziej efektywne -- rodniki hydro ksy lowe. Utl eni anie so 2 i NOXmoż e o db yw a ć s i ę w fazie gazowej (gł ów n ie z ud z i a ł e m rodnik ów hydrok sy lowych), c i ekłej (w kroplach chmur i m g ieł , a w warunkach du żej w i l go tn ośc i - rów ni ez na powier zc hni aerozoli) oraz na powierzc hni c iał s t ałych (cząs t ek pył ów i sadzy) posi adaj ącyc h du ż ą pojemn ość so rpc yjną w sto- sunku do S0 2 i NO :-. oraz utl e ni aczy [8. Kuli sz, 1988 ]. P o wstaj ące kwasy mogą być częśc i owo neutrali zow an e przez amoniak or az obec ne w a tm osferze za ni eczyszczenia p y ł owe mając e charakter zasadowy. Ma to istot ne znaczenie szczególnie w rejonie ź r ó deł emisji pr ze m ysł owyc h , w którym w powietrzu obecne są czynnik i a l ka li zujące. Przy ich braku, kwaśne zanieczyszcze ni a m ogą być pr ze noszone na du że o dl eg ł ośc i b ę dąc powodem k w aś n yc h deszczy w miejscach o dl egłyc h od ź r ó dła e mi sji. Z powietrza zanieczyszczenia wymywane są z deszczem lub ś ni eg i e m.
64 Ewa GÓRSKA, Maria ŚWfDERSKA- BRÓŻ
odpowiadają poni ż szym warunkom: odczyn <4, l pH, przewodność właściw a > 60f..1S / cm i stężenia SO·, NO i CI ·, większe od 8 gf m3 [. Jansen i in ., 1988]. O wartości odczynu opadów, poza wymienionymi jonami w spółdecydują również jony Ca 2+, Mg^2 +, NH , Na+ i K+.
Kwaśn e deszcze są problemem ogólnoświatowym. W Europie średnioroczne wartości odczynu opadów w 1985r, w granicach 4, 1- 5, pH stwierdzono w Norwegii, Szwecji, Finlandii, Niemczech Czechosłowacji , Danii, Holandii oraz Polsce [12. Seip, 1988]. Przeprowadzone w latach 1994- 1995 badarua składu chemicznego opadów w 33 stacjach pomiarowych zlokalizowanych w dorzeczu środkowej i górnej Odry (stanowiącym 13,5% powierzchni kraju) wykazały duż y poziom zanieczys zczenia opadów oraz znaczne zróżnicowanie ich jakości w czasie i przestrzeni. Największy poziom zanieczyszczenia stwierdzono dla opadów atmosferycznych w środkowej części zlewni, zaś najmniejszy w południowej części zlewni górnej Odry oraz w woj. zielonogórskim. Porównanie stężeń badanych wskaźników z zawartościami dopuszczalnymi w wodach powierzchniowych wykazało, że opady we wszystkich stacjach pomiarowych okresowo charakteryzowały się niską wartością (min. = 3,7 pH), a maksymalne stężerua ołowiu , miedzi i cynku (odpowiednio równe : 0,099, 0, i 0,367 g!m3) były większe od dopuszczalnych w środkowej części zlewni. W 70% wszystkich próbek zawartość fosforu ogólnego była większa od dopuszczalnej w wodzie III klasy czystości , a maksymalna wynosiła l , gP fm3 [ 16. Twarewski i in ., 1996]. Istotne zakwaszenie (4, 1-4 ,8 pH) stwierdzono równie ż w próbkach zbieranych w odległości 0, 2-13 ,5 km od elektrowni Dolna Odra [ 19. Zabłocki , 1996]. Woda opadowa zbierana na terenie miasta Krakowa w latach 1992- charakteryzowała się niskim odczynem. Średruoroczna wartość odczynu była równa 5,05 pH. Odczyn podczas gdy dla opadów w okolicach Krakowa była zdecydowanie niższy i wynosił 3,7 pH. Różnicę na korzyść aglomeracji miejskiej tłumaczy się obecnością w powietrzu pyłów neutralizujących [2. Godzik, 1994]. Bardzo duże zakwaszenie opadów mokrych (śr. rrue s ięczne 3,8- 5,3 pH, najczęściej < 4,3 pH) oraz opadów całkowitych (śr. miesięczne 4,0- 6, l pH, a przeważnie < 5,0 pH) stwierdzono dla śródmieścia Wrocławia [14. Twarewski i in ., 1994]. Przykładem wpływu zanieczyszczeń napływowych było zanieczyszczenie opadów atmosferycznych na terenie Karkonoszy w latach 1991- 1993.
Kwaśne opady atmosferycz ne i ich wpływ na gleby i wody powierzchniowe 65
Wartość odczynu mie ści ła się w granicach 3,2- 6,6 pH, a maksymalne stężenia SO -, NO + NO, Zn^2 + i Cu^2 + były odpowiednio równe : 22 glm 3, 2,64 gN/m3, 0,284 g!m3 i 0,172 g!m3 [15. Twarewski i in ., 1994). Jeszcze większe zakwaszenie (do 2,5 pH) i zasolenie wykazywały opady w Ojcowskim Parku Narodowym w latach 1988-1995 (OPN). Zwierały one do 26 gSO-/m3, 22 gNO / m3 , 3 gCI-/ m3 oraz do 0,86 gZn2+f m3 [1 l. Różkowski i in ., 1996]. Stwierdzony poziom zanieczyszczenia był wynikiem sąsiedztwa OPN z GOP oraz aglomeracjami miejskimi. Omówione przykłady świadczą, że problem kwaśnych opadów atmosfery- cznych oraz wynikających z tego skutków jest bardzo istotny w Polsce.
4. WPLYW KWAŚNYCH OPADÓW ATMOSFERYCZNYCH NA GLEBY
Gleba jako układ otwarty jest bardzo podatna na wpływ czynników zewnętrznych , czego wynikiem jest jej zakwaszenie spowodowane kwaśnymi opadami atmosferycznymi. Jony H+ wprowadzone do gleby wraz z mokrymi i suchymi opadami mogą być w niej c zęś ciowo neutralizowane. Zdolność przyjmowania protonów be z zmiany wartości odczynu określa się odpornością gleby na zakwaszenie. Zmniejszenie wartości odczynu w środowiska glebowego następuje gdy zawart ość czynników zakwaszających jest duża i przekracza możliwości buforujące gleby. Odporność gleby za zakwaszenie zależy od rodzaju i zawartości substancji buforojących oraz produktów reakcji neutralizacji. W glebie istnieją różne systemy buforujące działające w określonym zakresie odczynu (tab l) , a przedstawiono je w tab. l. W wyniku neutralizacji kwasów z kompleksu sorpcyjnego gleb wraz ze zmniejszającą się wartością odczynu wymywane są kolejno kationy wymienne: Ca2 +, Mg2+, Mn2+, AJ3 + i Fe2 +, a ich ilość zależy od rodzaju gleby i jest większa dla gleb lekkich. Jony te przec hodzą do roztworu glebowego i są pobierane przez rośliny łub , w wyniku migracji wodnej, transportowane do wód podziemnych bądź , z wodami gruntowymi , do wó d powierzchniowych. Spośród kationów wymiennych największe znaczenie, w aspekcie toksycznego działania , mają jony glinu, których stężenie jest wprost proporcjonalne do poziomu zakwaszenia gleby.
Kwaśne opady alm mferyczne i ich wpływ na gleby i wody powierzchnio we 67
Ten pozorny paradoks wynika stąd , że na terenach uprzemysłowionyc h powietrze zanieczyszczone jest pyłami zasadotwórczymi, neutralizującymi kwasowo ść opadów. Potwierdzają to dane przedstawione na rys. 1, który obrazuje zakwaszenie powierzchniowej warstwy gleby (w 19 9 1 r.) w funkcji od legł ości od Huty im. Sendzimira [ 13. Siuta, 1993]. Ocena poziomu zakwaszenia gleb w profilu pionowym wykazuje, że wartość odczynu zwiększa się wraz z głębokością warstwy gleby.
W zakwaszonym środowisku glebowym znacznemu ograniczeniu ulega aktywność biologiczna bakterii i promieniowców, co hamuje wiele korzystnych przemian zw iązków azotu w glebie. Ponadto w środow isku kwaśnym i w obecności jonów glinu i że la za następuje wytrącanie trudno rozpuszczalnych zw iązków fosforu.
6,0 o - 5, 5,
war~t~
4,
--+-pH min. ---pH maks.
Odczyn w Bowi~zch~owej (^6 8 10 12 14 16 18 ) Odległość od huty, km
Rys. l Wp lyw odległości emitora na odczyn powierzc hniowej
warsfli:Y gleby.
Widoczną miarą skutków zakwaszenia gleb są zmiany patologiczne szaty roślinnej , a szczególnie wrażliwe są lasy. Postępująca degradacja lasów polskich obrazuje rosnące zakwaszenie gleb. Kern [3. Górska, 1996] analizując wyniki licznych pomiarów wartości odczynu w środowiska glebowego w Polsce, wyd z ielił na terenie kraju 15 obszarów różniących się stopniem zakwaszenia gleb (rys. 2).
68 Ewa GÓRSKA , Maria Ś WlDERSK.A-BRÓŻ
(^14) l
/
Rys. 2. Regiony wyst ępo w an i a g/eh o okr e!s lonym odczyni e, wg A. erna: l odczyn
o b oję tny lub alkaliczny, 2-odczyn lekko kwa.<ny i h vaJny , 3 odczyn A:waśny
i b ardzo kwaśny f 3. Górska, 1996}
Kwaśne opady zwiększają rozpuszczalno ś ć zdeponowanych w glebie trudno rozpuszczalnych związków metali ciężkich , przyczyniając się do ich migracji do głębszych warstw, a następnie do wód naturalnych. Często są również przyczyną istotnego zanieczyszczenia gleb tymi metalami, co wyraźni e stwierdza się w rejonach uprzemysłowionych. Stwierdzone stężenia niektórych metali ciężkich w glebach takich rejonów oraz ich stężenia naturalne i dopuszczalne w gl ebach przedstawiono w tabeli 2. Kwaśne opady atmosferyczne mają również udział w zwiększaniu zawartości azotanów, siarczanów i chlorków w glebach.
70 Ewa GÓRSKA. Maria ŚWLDE RSKA-BRÓŻ
opady trafiające wprost do wód powierzchniowych oraz spływy powierzchniowe i wody roztopowe nie mające większego kontaktu z g leb ą lub skalą ma c ierzy stą. Jest to możliwe przy bardzo małej powier zchni zlewni, w przeciwnym wypadku kontakt wody opadowej z powi erz chnią gleby jest wystarczająco długi aby wyraźnie zmienił się skład chemiczny spływu z takiej powierzchni. Ostatecznie stę ż enie jonów H+ w wodzie powierzchniowej jest wynikiem oddziaływania opadów atmosferycznych oraz produktów reakcji zachodzących w wodzie powierzchniowej i na granicy faz: woda- koryto cieku powierzchniowego. Bardzo istotnym czynnikiem decydującym o wynikowej warto ś ci odczynu wody jest rodzaj minerałów budujących z lewnię. W zlewniach bogatych w minerały głównie węglanowe do zakwaszenia wód powierzchniowych zwykle nie dochodzi. Miarą podatności wód powierzchniowych na zakwaszenie jest zasadowość M wody i jest ona odwrotnie proporcjonalna do zasadowo ś ć M. Jako mało wrażliwe na zakwaszenie uznaje się wody o zasadowości M > 1,5 vaVm [7. Kozłowski , 1991]. Do wód płynących podatnych na zakwaszenie należą głównie wody potoków i rzek górskich. Badania prowadzone dla wód kilkunastu potoków karkonoskich oraz wód w zlewni rz. Kamienna wykazały , że charakteryzowały się one wartością odczynu od 4, 55 do 6, pH oraz bardzo małą zasadowością wynoszącą 0,06- 0, 45 valfm3 [18. Wasilewski i in ., 1993 ]. Gwałtowne zmiany wartości odczynu obserwuje się wiosną, w okresie spływów wód roztopowych. Pierwsze objętości wody roztopowej są bardzo zakwaszone, a ich odczyn obniża się wówczas do wartości < 3, pH powodując tzw. "szok pH" w wodach odbiornika. W pozostałych porach roku ładunek jonów H+ wnoszonych z opadami atmosferycznymi jest zwykle mniejszy. Jak wykazały badania prowadzone na obszarze zlewni górnej i środkowej Odry, roczny ładunek jonów [H+] zmieniał się od 0,02 kg[H+]fha do ponad 0,4 kg[H+]fha [16. Twarawski i in ., 1996]. W wodach płynących , ujemny wpływ kwaśnych opadów ujawnia się również podczas intensywnych opadów atmosferycznych tj. w okresie dużej intensywności zasilania powierzchniowego. W okresach suchych zakwaszenie wód powierzchniowych jest zwykle mniejsze dzięki buforującej aktywno ś ci gleb (bogatych w materiały buforujące). Bezpośredni sposób zakwaszania ma większy udział w przypadku wód płynąc y ch ni ż stojących. Reak cj a jezior na zakwaszanie jest zwykle
Kwaśne opady atmosfe ryczne i ich wp ływ na gleby i wody powierzchniowe 71
wolniejsza, co nie zmienia faktu, iż bardzo du ża objętość wód jeziorowych na świecie jest zdecydowanie bardziej zakwaszona ni ż wody płynące. W zakwaszonych wodach stwierdza się podwyższone stężenie kompleksów glinu, a przy wartościach < 4,0 pH również toksycznych jonów AJ 3 +. Badania wód jeziorowych w Norwegii wykazały , że w wodach charakteryzujących się około 4,8 pH za wartość glinu wynosiła ok. 128 11gAJ dm3 [l O. Rosseland i in ., 1990 ]. Zakwaszenie wód zwiększa również rozpuszczalność metali ciężkich powodując ich wtórne uwalnianie z osadów dennych, a kwaśne opady atmosferyczne często są również ź ródłem tych trwałych i niebezpiecznych zanieczyszczeń. W wodzie w obecności glinu przebiega proces samokoagulacji zanieczyszczeń , w tym tak że substancji humusowych, zwiększając przezroczystość wody. Zjawisko to obserwuje się głównie w wodach jeziorowych, a jego bezpośrednim skutkiem jest wzrost produkcji pierwotnej substancji organicznych, których r ozkład w wodach zakwaszonych przebiega wolniej. Kwaśne opady atmosferyczne są równie ż źródłem substancji biogennych trafiających w sposób bezpośredni lub po średn i do wód powierzchniowych. Ponadto kwaśne opady zakwaszając gleby skracają czas zatrzymania w środowisku glebowym substancji nawozowych - sprzyjając szybszemu ich wymywaniu do wód powierzchniowych i osta- tecznie intensyfikacji eutrofizacji. Roczne ładunki fosforu i azotu ogólnego wnoszone z opadami atmosferycznymi na teren zlewni gó rnej i środkowej Odry były większe od dopuszczalnych (wyznaczonych wg kryterium Vollenweidera; l gNfm2 i O, 1 -0, 15 gPfm2) dla wód większości zbiorników na tym terenie [16. Twarawski i in. , 1996]. Poza wymienionymi skutkami, kwaśne opady atmosferyczne zwiększają stężenie siarczanów w wodach powierzchniowych, a w rejonach nadmorskich również chlorków. Azotany wnoszone z opadami do środowiska wodnego, jako dobrze przyswajalne substraty pokarmowe, włączane są do łańcucha biologicznego i nie rzutują na zwiększenie ich zawartości w wodzie. Zakwaszenie wód i wynikające z niego skutki są głównym p owo dem zachwiania równowagi biologicznej wód naturalnych, co znajduje r ów nież
Kwaśne opady atmo:,feryczne i ich wpływ na gleby i wody powierzchnio we 73
[7] KOZŁOWSKI S.: Gospodarka a środow i sko przyrodnicze, PWN , 1991 [8] KULISZ 1.: Kwaśne opady i ich wpływ na środowisko, Wydawnictwa Geologiczne, 1988 [9] Ochrona Środow i ska 1995, itiformacje i opracowania statystyczne, GUS, Warszawa 1995 [10] ROSSELAND 8.0., HENRIKSEN A.: Acidification in Notway loss oj fish populations and the 1000 - Lake Survey 198 6, The Science o f t he To tal Environment 1990/ (11] RÓŻKOWSKI J ., LEŚNIOK M., PARTYKA J.: Zanieczysz- czenie opadów, wód powierzchniowych i podziemnych w wybranym rejonie krasowym Polski południowej , Mat. Konf., "Problemy hydrogeologiczne południowo - zachodniej Polski", Wrocław 1996 (12] SEIP J.: Zakwaszenie wód - najważni ejszy problem zakwaszenia środowiska w Norwegii, Aura 1988/ (13] SIUTA J.: Przemysłowe czynniki kwasowej degradacji pokrywy glebowo-ro.mnnej, Mat. Symp. Nauk., "Przyrodnicze i antropo- geniczne przyczyny oraz skutki zakwaszenia gleb" , Lublin, 1993 [14] TWAROWSKI R., GENDOLLA T.: Udzia ł zan ieczyszczeń z opadów mokrych w c ałkowitym obc iążeniu powierzchniowym ładunkami wnoszonymi przez opady atmosferyczne w aglomeracji mi ejsko-prze mysłowej na przykładzie miasta Wrocławia, Mat. Konf. VII Międzynarodowej Konf. Nauk ., "Chemizm opadów atmosfe- rycznych wód powierzchniowych i podziemnych", Łódź, 1994 (15] TW AROWSKI R., GENDOLLA T.: Zm ienność powierz- chniowego obciążenia obszaru Karkonoszy zanieczyszczeniami wnoszonymi przez opady atmosferyczne, Prace Inst. Badawczego Leśnictwa , 1994 (16] TWAROWSKI R., SZYJKOWSKI A., GENDOLLA T.: Monitoring zanieczyszcze/1 wno szonych przez opady atmosferyczne na obszary zlewni górnej i .vrodkowej Odry i ocena wynikających stąd zagrazen geoekosystemów, Mat. Konf. , "Problemy hydro geo logiczne południowo - zach odn i ej Polski", Wrocław , 1996 [17] WASILEWSKI W.: Ocena jako.~ci zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego, Ochrona Powietrza 1986/
74 Ewa GÓRSKA, Maria ŚWIDERSKA-SRÓŻ
[18] WASILEWSKI M., TWAROWSKI R., NOWOSIELSKI M.: Chemizm wód płynących w Karkonoszach i niektóre jego uwarunkowania, Mat. Konf. "Odra i jej dorzecze" , Wrocław, 1993 [19] ZABŁOCKI Z., Zm iany chemizmu opadów na obszarze oddzia ływania imi.~ji z elektrowni opalanej węglem w latach 1977- 1994, Mat. Konf. , Problemy hydrogeologiczne południowo zachodniej Polski, Wrocław , 1996. [20] ZWOŹDZIAK J., LISOWSKI A., KMIEĆ G., ZWOŹDZIAK A., MA TYNIAK Z., JAGiELLO R.: Okrdlenie rodzaju i stopnia skażenia chemicznego poszczególnych komponentów ~^1 rodowiska. identyfikacja zaniec zyszcze11 napływowych, Raport SPR, Politechnika Wrocławska , l- 15 , 1990
