RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek Chemie životního prostředí II – Znečištění složek prostředí Hydrosféra (07) Podzemní vody Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 2Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Hydrologický cyklus 3Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz V hydrosystému patří značná úloha vodním tokům, které splňují především tři hydrologické funkce:  odvádí povrchovou a srážkovou vodu  v místech, kde je hladina podzemní vody nízká, zavlažují okolí  v místech, kde je hladina podzemní vody vysoká, odvádějí přebytečnou vodu Dva poslední uvedené body zobrazuje obrázek: Podzemní vody 4Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Rozdělení podpovrchové vody Nepropustné skalní podloží Pásmo nasycení Hladina podzemní vody Pásmo provzdušnění (aerace) Povrch země Podzemní vody 5Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Pod zemským povrchem, všechny formy a skupenství. Podle původu:  vadózní - průsakem (infiltrací) srážkových a povrchových vod, kondenzací vodní páry atmosférického původu pod povrchem,  juvenilní - kondenzace par unikajících z chládnoucí magmy (termické prameny, zřídla, gejzíry). Podzemní vody 6Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Podpovrchová voda:  vázaná chemicky (krystalická) - hydrologicky nevyužitelná,  vázaná mechanicky: - v pásmu nasycení - podzemní, - v pásmu aerace - půdní Půdní:  gravitační - pohyb a účinek dán působením gravitačních sil,  kapilární - kapilární síly v malých pórech - závěsná, podepřená Podzemní:  obyčejné,  minerální. Podzemní vody 7Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Vrstva půdní vlhkosti Zóna aerace (vadozní zóna, nesaturovaná zóna) Kapilární třáseň Hladina podzemní vody Saturovaná zóna Podzemní vody 8Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Většina podzemní vody je v pohybu. Pohyb závisí na:  porozitě (procentické zastoupení pórů)  permeabilitě (měřítko snadnosti pohybu vody) Molekulární přitažlivost Při stejné porozitě různá permeabilita Podzemní vody 9Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz K pochopení hydrogeologických podmínek je nutné znát fyzikálně-chemické vlastnosti horniny v zájmové oblasti. Nejdůležitější vlastností pro tok podzemní vody je porozita horniny. Pokud je celkový objem krychle horniny Vt, objem pevných částic Vs a objem volného prostoru Vv, potom je porozita N definována následujícími vztahy: Vt = Vs + Vv N = Vv/Vt = 1 – ( Vs/Vt ) Podzemní vody 10Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Porozita je velmi důležitý parametr pro odhad rychlosti šíření kontaminace v podzemí. Závislost prolínání vody horninou v závislosti na její struktuře 30 % 15 % cement Podzemní vody 11Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Porozita závisí na struktuře horniny. Kubická struktura má průměrně 32 % volného prostoru, hexagonální struktura kolem 26 %. Porozita kolísá v širokém rozmezí, hodnotu menší než 1 % má beztvará krystalická břidlice, porozitu 50 % tvořící se jíl. Typické hodnoty porozity pro různé typy hornin: Materiál Porozita ( % ) štěrk 25-40 písek 25-50 bahno, naplavenina 35-50 jíl 40-70 pískovec 5-30 vápenec 5-30 břidlice 1-10 krystalická hornina 1-10 Podzemní vody 12Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Pohyb v zóně aerace (půdní vlhkost) Pohyb v saturované zóně (perkolace) Oblast doplňování a odvodňování – časový režim Pohyb podzemní vody 13Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Sezónní vlivy Rychlost proudění Pohyb podzemní vody 14Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Pohyb podzemní vody 15Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Artézské systémy Vlivy nadměrného čerpání Snížení hladiny podzemní vody Kompakce a poklesy Soupeření o povrchovou vodu Přenos mezi bazény 16Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Amu Darja, Syr Darja (hranice mezi Kazachstánem a Uzbekistánem)  Před třiceti lety bylo Aralské jezero čtvrtým největším jezerem světa (68 000 km2, 16 m hloubka, 45 000 tun ryb ročně)  Zavlažování: rybářské vesnice jsou 50 km od břehů, 40 000 km2, 9 m hloubka Aralské jezero Zavlažovací systém v Iráku Zavlažování v Kanadě Dopady 17Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Hydrogeologické podmínky mohou ovlivňovat kontaminaci do nesaturované či saturované zóny v závislosti tlakovém gradientu podzemní vody: Podzemní vody 18Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Přirozené znečištění:  během infiltrace půdními a horninovými vrstvami rozpouštění, vyluhování - Cl-, SO4 2-, NO3 -, méně F-, Br-, I-, PO4 3-, stopové prvky  za přítomnosti CO2 a O2: - CO2: CaCO3 (Mg, Fe, Mn) - málo rozpustné; HCO3 - - lépe, - redox děje: S2- SO4 2-, - biochemické děje - redox - aerobní biologický rozklad OL v provzdušněných vrstvách půdy, nitrifikace; anaerobní – redukce NO3 -, SO4 2Znečištění podzemní vody 19Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Potenciálně nebezpečné  Rozpustné ve vodě  Resistentní vůči biodegradaci  Užívané ve velkých množstvích  Toxické nebo škodlivé člověku Znečištění podzemní vody 20Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Antropogenní:  Průsaky pesticidů a hnojiv ze zemědělsky obdělávaných půd  Odpady (močůvka, silážní šťávy, skládky..), domácí a komunální odpad - v píscích se rychle vyčistí – mechanická filtrace bakterií, oxidace bakteriemi, kontakt s organismy, které se živí bakteriemi  Ropné produkty  Detergenty  Rozpouštědla  Dioxiny (málo rozpustné ve vodě = problém s kontaminací sedimentů, malý problém pro podzemní vody) Znečištění podzemní vody 21Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Běžná kontaminace dusičnany (hnojiva, odpady, skládky) a další zemědělské chemikálie  20 z 25 nejzastoupenějších kontaminantů = těkavé organické látky  Benzen, toluen, ethylen, xylen (BTEX – benzin)  DCE, TCE, PCE  Prosakující podzemní nádrže („LUST“ – leaking underground storage tanks)  Nejméně 25 % nádrží v USA a Kanadě prosakuje  Kontaminace slanou vodou Znečištění podzemní vody 22Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Chování kontaminantů pod povrchem  Porosita, permeabilita  Hladina podzemní vody, saturovaná a nesaturovaná zóna  Transport kontaminantů  Kontaminační mrak  Normální tok vody propustným prostředím – advekce Chování kontaminantů pod povrchem 23Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz  Kontaminant  Stejnou rychlostí – nezpomalený, neretardovaný  Pomaleji – zpomalení, retardace  Retardační faktor R = Vv / Vk  Retardace  Sorpce  Disperze  Biodegradace  Retardační faktor je možné zjišťovat sledováním pohybu nezpomalované složky (např. Cl–), která je obsažena v kontaminačním mraku. Chování kontaminantů pod povrchem 24Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Důležité charakteristiky:  Hustota kontaminantu ve vztahu k podzemní vodě  Lehčí (LNAPL – light nonaqueous phase liquid) – benzin  Těžší (DNAPL – dense …) – TCE Dekontaminace:  Aktivní  Pasivní („nulová“ varianta)  Přirozená atenuace (zeslabení, útlum)  Biostimulace Chování kontaminantů pod povrchem 25Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Cyklus vody v zóně voda – půda - vegetace 26Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky