Migracja zanieczyszczeń – obliczenia czasu migracji i podatności wód podziemnych

Generowanie wyników migracji zanieczyszczeń odbywa się poprzez dedykowany moduł dostępny w zakładce "Programy" ⭢ "Migracja zanieczyszczeń" (Dostępny jedynie dla użytkowników z aktywną subskrypcją programu "Migracja zanieczyszczeń"). Moduł pozwala na:

• zdefiniowanie podstawowych parametrów obliczeń:
  • opad roczny - wielkość rocznego opadu dla rozpatrywanego obszaru
  • charakterystyka na mapie - charakterystyka, która zostanie wyświetlona na mapie (indeks DRASTIC | Czas migracji - Witczak i Żurek | Czas migracji - Macioszczyk | Czas migracji - Bindeman | Czas migracji - AVI)
• zdefiniowanie klasyfikacji do obliczeń podatności na podstawie czasu migracji zanieczyszczeń:
  • klasyfikacja podatności - klasyfikacja podatności wyznaczona na podstawie czasu migracji zanieczyszczeń (Kleczkowski 1990 | Duda i in. 2011 | Stempvoort i in. 1992)
• zdefiniowanie klasyfikacji oraz wag do obliczeń indeksu DRASTIC/SINTACS:
  • klasyfikacja podatności - klasyfikacja podatności wyznaczona na podstawie indeksu DRASTIC (Engel i Navulur 1999 | PIG 2007 | Corniello i in. 2004)
  • W_D - waga dla głębokości do zwierciadła wody
  • W_R - waga dla zasilania warstwy wodonośnej
  • W_A - waga dla materiału warstwy wodonośnej
  • W_S - waga dla przypowierzchniowej warstwy gleby
  • W_T - waga dla topografii terenu
  • W_I - waga dla strefy aeracji
  • W_C - waga dla współczynnika filtracji warstwy wodonośnej
• wybór badań z tabeli, które zostaną wykorzystane do obliczeń migracji zanieczyszczeń
• podgląd błędów/ostrzeżeń dla poszczególnych danych widoczny w kolumnie "Błędy", gdzie symbol:
  • ⚠ oznacza błąd w danych badania
  • ⚠ ostrzeżenia np. dotyczące brakujących danych
• filtrowanie rekordów wyświetlanych w tabeli na podstawie wybranych kryteriów
• przycisk umożliwiający zaznaczenie wszystkich wyników zawierających zwierciadło wody
• zapisanie predefiniowanych zestawów wyboru badań
• generowanie wyników, przycisk "Generuj wyniki"

Generowanie wyników

W celu wygenerowania wyników należy wybrać z tabeli badania, dla których mają zostać wykonane obliczenia i kliknąć przycisk "Generuj wyniki". Po wykonaniu obliczeń pojawi się okno umożliwiające pobranie wyników obliczeń w formacie .xlsx oraz mapy przedstawiającą wybraną charakterystykę (czas migracji wg określonego wzoru lub indeks DRASTIC) w formacie .dxf.

1. Ocena czasu przesączania według formuły Witczaka i Żurek (1994) :

   \[{{t_{a} = {\sum{\frac{m_{i} \cdot w_{\mathit{\text{oi}}}}{J_{E}} =}}}{\sum\frac{m_{i} \cdot w_{\mathit{\text{oi}}}}{P \cdot w}}}{}\]

   gdzie:
   ta	-	czas przesączania pionowego [lata],
   mi	-	miąższość kolejnych przewarstwień strefy aeracji [m],
   woi	-	wilgotność objętościowa kolejnych przewarstwień strefy aeracji [-],
   JE	-	infiltracja efektywna roczna (JE = P ∙ w),
   P	-	wysokość opadów rocznych [m/rok],
   w	-	wskaźnik infiltracji efektywnej [-].

2. Ocena czasu przesączania według formuły Bindemana :

   \[{{t_{a} = {\sum{\frac{m_{i} \cdot n_{\mathit{\text{ei}}}}{\sqrt[3]{\omega^{2} \cdot k_{i}}} =}}}{\sum\frac{m_{i} \cdot n_{\mathit{\text{ei}}}}{\sqrt[3]{({P \cdot w_{i}}{)^{2} \cdot k_{i}}}}}}{}\]

   gdzie:
   ta	-	czas przesączania pionowego [d],
   ne	-	porowatość efektywna [-],
   ω	-	roczna infiltracja efektywna (ω = P ∙ w) [m/d],
   P	-	wysokość opadów rocznych [m/d],
   w	-	wskaźnik infiltracji efektywnej [-],
   k	-	współczynnik filtracji i-tej warstwy strefy aeracji [m/d].

3. Ocena czasu przesączania według formuły Macioszczyka (1999) :

   \[{{t_{a} = {\sum{\frac{m_{i} \cdot w_{\mathit{\text{oi}}}}{\sqrt[3]{\omega^{2} \cdot k_{i}}} =}}}{\sum\frac{m_{i} \cdot w_{\mathit{\text{oi}}}}{\sqrt[3]{({P \cdot w_{i}}{)^{2} \cdot k_{i}}}}}}{}\]

   gdzie:
   ta	-	czas przesączania pionowego [d],
   woi	-	wilgotność objętościowa kolejnych przewarstwień strefy aeracji [-],

4. Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie:

   Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie - właściwość systemu hydrogeologicznego charakteryzująca możliwość przemieszczania się substancji zanieczyszczającej z powierzchni terenu do określonego systemu wodonośnego. Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie określa stopień ryzyka negatywnego oddziaływania działalności człowieka na jakość wód podziemnych w określonych warunkach naturalnych. (Graf 2007 )

   Klasy podatności wód podziemnych na zanieczyszczenia wg Fostera i in. (2002) zestawione z klasyfikacją opartą na czasie migracji według zasad przyjętych dla ochrony GZWP w Polsce Kleczkowski 1990.

   Przybliżony czas migracji	Klasa podatności
   < 2 lat	Bardzo duża
   2-5 lat	Duża
   5-25 lat	Średnia
   25-100 lat	Niska
   >100 lat	Bardzo niska

   Klasy podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie według zasad Fostera i in. (2002) dopasowane do przybliżonego czasu wymiany wody w profilu strefy aeracji za Duda i in. 2011

   Przybliżony czas migracji	Klasa podatności	Charakterystyka podatności
   < 5 lat	Bardzo duża	Ośrodek podatny na większość zanieczyszczeń. Szybki wzrost zanieczyszczenia dla wielu scenariuszy migracji zanieczyszczeń.
   5 - 25 lat	Duża	Ośrodek podatny na wiele typów zanieczyszczeń, oprócz silnie sorbowanych
   25 - 50 lat	Średnia	Ośrodek podatny na niektóre typy zanieczyszczeń, ale tylko, gdy są wprowadzane lub wyługowywane w sposób ciągły
   > 50 lat	Niska i bardzo niska	Ośrodek podatny tylko na zanieczyszczenia konserwatywne wprowadzane lub wyługowywane w sposób ciągły i na dużym obszarze. Obecne są warstwy izolujące o minimalnym przesiąkaniu lub istnieje naturalna trwała bariera hydrodynamiczna

5. Określenie podatności wód na zanieczyszczenie metodą AVI (Aquifer Vulnerability Index) :

   \[{c = {\sum\frac{m_{i}}{k_{i}}}}{}\]

   gdzie:
   mi	-	miąższość kolejnych przewarstwień strefy aeracji [m],
   ki	-	współczynnik filtracji kolejnych warstw [m/rok].

   Klasy podatności dla metody AVI (Stempvoort i in. 1992 )

   Wskaźnik podatności c	Klasa podatności
   0 - 10 lat	Bardzo duża
   10 - 100 lat	Duża
   100 - 1 000 lat	średnia
   1 000 - 10 000 lat	mała
   > 10 000 lat	bardzo mała

6. Określenie podatności wód na zanieczyszczenie metodą DRASTIC/SINTACS:

   D (Depth to groundwater) – Głębokość zw. wody gruntowej od powierzchni terenu,
   R (Recharge Net) – Wysokość infiltracyjnego zasilania wód gruntowych,
   A (Aquifer media) – Utwory budujące warstwę wodonośną,
   S (Soil media) – Rodzaj gleby (ze względu na skład granulometryczny),
   T (Topography) – Nachylenie powierzchni terenu,
   I (Impact of vadose zone) – Charakter strefy aeracji,
   C (Conductivity of the aquifer) – wodoprzepuszczalność warstwy wodonośnej.

   1. Głębokość do zwierciadła wody

      Rangi dla głębokości do zwierciadła wody gruntowej (Aller i in. 1987 )

      Głębokość do zwierciadła wody gruntowej [m]	Ranga DR
      0.0 - 1.5	10
      1.5 - 4.5	9
      4.5 - 9.0	7
      9.0 - 15.0	5
      15.0 - 22.0	3
      22.0 - 30.0	2
      > 30.0	1

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi odpowiadającej za uwzględnienie głębokości do zwierciadła wody gruntowej:

      D_R = 0.0069D² - 0.506D + 10.16 dla D < 30 m

      D_R = 1.0 dla D ≥ 30 m
      

      gdzie:
      D	-	głębokość do zwierciadła wody w [m],
      DR	-	ranga dla głębokości do zwierciadła wody.

   2. Zasilanie warstwy wodonośnej

      Rangi dla zasilania warstwy wodonośnej (Aller i in. 1987 )

      Zasilanie warstwy wodonośnej [m]	Ranga RR
      0.0 - 0.05	1
      0.05 - 0.1	3
      0.1 - 0.18	6
      0.18 - 0.25	8
      > 0.25	9
      Zasilanie warstwy wodonośnej (infiltracja efektywna): \[{J_{E} = {P \cdot {\sum\frac{m_{i}}{m_{a}}} \cdot w_{i}}}{}\] P - roczny opad atmosferyczny [m] mi - miąższość i-tej warstwy strefy aeracji ma - miąższość strefy aeracji wi - wskaźnik infiltracji efektywnej [-]

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi odpowiadającej za zasilanie warstwy wodonośnej:

      R_R = -84.43J_E² + 58.15J_E - 0.47 dla J_E < 0.25

      R_R = 9.0 dla J_E ≥ 0.25

      gdzie:
      JE	-	infiltracja efektywna [m],
      RR	-	ranga dla zasilania warstwy wodonośnej.

   3. Utwory warstwy wodonośnej

      Rangi dla utworów warstwy wodonośnej (Aller i in. 1987 )

      Materiał	Ranga AR
      Łupki, łupki ilaste (lite)	2 (1-3)
      Skały metamorficzne i magmowe	3 (2-5)
      Zwietrzałe skały metamorficzne i magmowe	4 (3-5)
      Gliny morenowe, zwałowe	5 (4-6)
      Sekwencje skał osadowych: łupków, wapieni, piaskowców	6 (5-9)
      Piaskowce lite	6 (4-9)
      Wapienie lite	6 (4-9)
      Piasek i żwir	8 (6-9)
      Bazalt	9 (2-10)
      Wapień krasowy	10 (9-10)

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi uwzględniającej utwory budujące warstwę wodonośną:

      A_R = 3.34e^0.1ln(k) 1 ≤ A_R ≤ 10

      gdzie:
      k	-	współczynnik filtracji utworu [m/rok],

   4. Skład mechaniczny gleb (max do 1 m głębokości)

      Rangi dla składu mechanicznego gleb (Aller i in. 1987 )

      Materiał	Ranga SR
      Bardzo płytka lub brak pokrywy glebowej	10
      Żwir	10
      Piasek	9
      Torfy	8
      Gleby ilaste zagregowane, kurczliwe, spękane	7
      Gliny piaszczyste, piaski gliniaste	6
      Glina	5
      Gliny pylaste	4
      Gliny zwięzłe, gliny pylaste zwięzłe	3
      Gleby mineralno – organiczne (murszowe)	2
      Gleby ilaste niezagregowane, mało kurczliwe	1

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi uwzględniającej utwory budujące wierzchnią warstwę (gleby):

      S_R = 0.62∙ln(k)+3.3 1 ≤ S_R ≤ 10

      gdzie:
      k	-	współczynnik filtracji utworu [m/rok],

   5. Nachylenie powierzchni terenu (topografia)

      Rangi dla nachylenia powierzchni terenu (Aller i in. 1987 )

      Topografia - nachylenie powierzchni terenu [%]	Ranga TR
      0 - 2	10
      2 - 6	9
      6 - 12	5
      12 - 18	3
      > 18	1

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi uwzględniającej pochylenie terenu:

      T_R = -0.0003T³ + 0.0292T² - 0.9447T + 10 dla T < 18

      T_R = 1.0 dla T ≥ 18

      gdzie:
      T	-	pochylenie terenu w [%],
      TR	-	ranga dla pochylenia terenu.

   6. Strefa aeracji (poniżej profilu glebowego i powyżej zwierciadła wody)

      Rangi dla utworów budujących strefę aeracji (Aller i in. 1987)

      Materiał	Ranga IR
      Warstwa nieprzepuszczalna (napinająca)	1
      Pył/ił	1 (1-2)
      Łupek ilasty	3 (2-5)
      Wapień	6 (2-7)
      Piaskowiec	6 (4-8)
      Sekwencje skał osadowych: łupków, wapieni, piaskowców	6 (4-8)
      Piaski, żwiry i pospółki gliniaste	6 (4-8)
      Skały metamorficzne i magmowe	4 (2-8)
      Piaski, żwiry i pospółki	8 (6-9)
      Bazalt	9 (2-10)
      Wapień krasowy	10 (8-10)

      Na podstawie powyższej tabeli dla celów obliczeniowych przyjęto następującą zależność do obliczenia rangi uwzględniającej utwory budujące strefę aeracji:

      I_R = 2.55e^0.13ln(k) 1 ≤ I_R ≤ 10

      gdzie:
      k	-	współczynnik filtracji utworu [m/rok],

   7. Współczynnik filtracji warstwy wodonośnej

      Dla celów obliczeniowych do określenia rangi dla przewodności warstwy wodonośnej w oparciu o Civita i De Maio (2004) wyprowadzono następujące równanie:

      C_R = 0.7ln(k)+13.5 1 ≤ C_R ≤ 10

      gdzie:
      k	-	współczynnik filtracji [m/s],
      CR	-	ranga dla współczynnika filtracji

   8. DRASTIC/SINTACS Index (index podatności P)
      \[{{P = W_{D}}{D_{R} + W_{R}}{R_{R} + W_{A}}{A_{R} + W_{S}}{S_{R} + W_{T}}{T_{R} + W_{I}}{I_{R} + W_{C}}C_{R}}{}\]

      \[{{P = 5}{D_{R} + 4}{R_{R} + 3}{A_{R} + 2}{S_{R} + 1}{T_{R} + 5}{I_{R} + 3}C_{R}}{}\]

      gdzie:
      WD	-	waga dla głębokości do zwierciadła wody (5),
      WR	-	waga dla zasilania warstwy wodonośnej (4)
      WA	-	waga dla materiału warstwy wodonośnej (3)
      WS	-	waga dla przypowierzchniowej warstwy gleby (2)
      WT	-	waga dla topografii terenu (1)
      WI	-	waga dla strefy aeracji (5)
      WC	-	waga dla współczynnika filtracji warstwy wodonośnej (3)

      Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie na podstawie indeksu DRASTIC (Engel i Navulur 1999 )

      Indeks podatności P	Klasa podatności
      < 100	Niska
      101 - 140	Średnia
      141 - 200	Duża
      > 200	Bardzo duża

      Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie na podstawie indeksu DRASTIC (PIG 2007 )

      Indeks podatności P	Klasa podatności
      < 110	Niska
      110 - 140	Średnia
      140 - 170	Duża
      170 - 200	Bardzo duża
      > 200	Ekstremalnie duża

      Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie na podstawie indeksu DRASTIC (Corniello i in. 2004 )

      Indeks podatności P	Klasa podatności
      < 80	Bardzo niska
      81 - 105	Niska
      106 - 140	Średnia
      141 - 186	Duża
      187 - 210	Bardzo duża
      > 210	Ekstremalnie duża

      Parametry przyjmowane przez program do obliczeń podatności dostępne są w tabeli domyślnych rodzajów gruntów ("Edytor" ⭢ "Dane projektu"). Niektóre parametry takie jak współczynnik filtracji mogą być także przypisane bezpośrednio do warstwy w otworze wiertniczym.

Literatura

1. Aller, L., Lehr, J. H., Petty, R. i Bennett, T. (1987). DRASTIC: a standardized system to evaluate groundwater pollution potential using hydrogeologic settings. National Water Well Association, Worthington, Ohio, United States of America.
2. Civita M., Maio M. D. (2004). Assessing and mapping groundwater vulnerability to contamination: the Italian „combined” approach. Geofísica Internacional, 43(4), s. 513–532.
3. Civita M. V. (2010). The Combined Approach When Assessing and Mapping Groundwater Vulnerability to Contamination. Journal of Water Resource and Protection, 2(1), s. 14–28.
4. Corniello, A., Ducci, D., Monti, G. M. (2004). Aquifer pollution vulnerability in the Sorrento peninsula, southern Italy evaluated by SINTACS method. Geofísica Internacional, Vol. 43, Num. 4, pp. 575-581.
5. Duda R., Witczak S., Żurek A. (2011). Mapa wrażliwości wód podziemnych Polski na zanieczyszczenie 1:500 000. Metodyka i objaśnienia tekstowe. AGH, Kraków.
6. Engel, B. A., i Navulur K. C. S. (1999). The role of geographical information systems in groundwater engineering . The handbook of groundwater engineering. CRC, Boca Raton, 703–718.
7. Foster, S., Hirata R., Gomes D., D’Elia M., Paris M. 2002. Groundwater quality protection: a guide for water service companies, municipal authorities and environment agencies. The World Bank.
8. Graf R. 2007. Podatność wód podziemnych na zanieczyszczenie jako czynnik determinujący stopień ich zagrożenia - na przykładzie zlewni mogilnicy. Badania Fizjograficzne nad Polską zachodnią, Seria A - Geografia Fizyczna, Tom 58: 179-201.
9. Kajewski, I. (2000). Metoda oceny zagrożenia jakości wód podziemnych przy pomocy systemu DRASTIC assessment of groundwater vulnerability to pollution using DRASTIC system. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu XI (385): 217–23.
10. Macioszczyk T. (1999). Czas przesączania pionowego wody jako wskaźnik stopnia ekranowania warstw wodonośnych, Przegląd geologiczny, Vol 47, No 8.
11. PIG. Podatność wód na zanieczyszczenie. Dostęp 05.2019. https://www.pgi.gov.pl/gdansk/wody-podziemne-pomorza/hydrogeologia-pomorza/6382-podatnosc-wod-zanieczyszczenia.html
12. Stempvoort D. V., Ewert L., Wassenaar L. (1992). Aquifer Vulnerability Index: A Gis - Compatible Method for Groundwater Vulnerability Mapping. Canadian Water Resources Journal / Revue canadienne des ressources hydriques, 18(1), s. 25–37.