Rozprawa Doktorska
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
AGH Akademia Górniczo Hutnicza Wydział Geodezji Górniczej i In żynierii Środowiska Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska Rozprawa doktorska mgr in ż. Zbigniew Kowalewski WERYFIKACJA MO ŻLIWO ŚCI ZASTOSOWANIA INTEGRALNEGO KRYTERIUM DO OCENY STANU TROFICZNEGO WÓD PŁYN ĄCYCH Promotor: dr hab. in ż. Elena Neverova-Dziopak, prof. nadz. AGH w Krakowie Kraków, 2012 Składam serdeczne podzi ękowania Promotorowi pracy Pani Profesor Elenie Neverovej-Dziopak za po świ ęcony czas oraz pomoc podczas realizacji pracy 2 Spis tre ści 1. Wprowadzenie ................................................................................................................. 5 1.1. Uzasadnienie wyboru tematu ......................................................................................... 9 1.2. Cel pracy ....................................................................................................................... 10 1.3. Zakres pracy ................................................................................................................. 10 1.4. Tezy pracy .................................................................................................................... 10 2. Eutrofizacja jako priorytetowy problem ochrony wód ............................................. 12 2.1. Istota procesu eutrofizacji............................................................................................. 12 2.2. Źródła substancji eutrofizuj ących ................................................................................. 15 2.3. Konsekwencje eutrofizacji ........................................................................................... 20 3. Sposoby oceny stanu troficznego ................................................................................. 27 3.1. Sposoby oceny stanu troficznego na podstawie granicznych warto ści wska źników troficzno ści ................................................................................................................... 28 3.2. Sposoby oceny stanu troficznego na podstawie indeksów eutrofizacji........................ 34 4. Typologia wód płyn ących ............................................................................................. 45 5. Problemy metodologiczne oceny stanu troficzno ści wód .......................................... 52 6. Uzasadnienie wyboru indeksu ITS .............................................................................. 56 6.1. Ograniczenia zwi ązane z zastosowaniem istniej ących sposobów oceny stanu troficznego .................................................................................................................... 56 6.1.1. Graniczne warto ści wska źników troficzno ści...................................... 56 6.1.2. Indeksy eutrofizacji ............................................................................. 59 6.1.3. Wska źniki biologiczne ......................................................................... 60 6.2. Uzasadnienie wyboru indeksu ITS jako kryterium troficzno ści ................................... 60 7. Metodyka bada ń ........................................................................................................... 62 7.1. Charakterystyka bazy danych ....................................................................................... 62 7.2. Statystyczne opracowanie danych ................................................................................ 65 8. Opracowanie metodologii oceny tendencji do eutrofizacji ....................................... 68 9. Weryfikacja zastosowania indeksu ITS do oceny stanu troficzno ści rzek .............. 75 3 9.1. Ocena stanu troficznego w oparciu o indeks ITS ......................................................... 75 9.2. Weryfikacja oceny na podstawie warto ści granicznych wska źników troficzno ści ...... 76 9.2.1. Ocena na podstawie granicznych warto ści azotu ogólnego................. 77 9.2.2. Ocena na podstawie granicznych warto ści fosforu ogólnego .............. 80 9.2.3. Ocena na podstawie zawarto ści chlorofilu-a ....................................... 84 9.2.4. Ocena na podstawie zasady „one out – all out” ................................... 88 9.3. Weryfikacja oceny na podstawie indeksów eutrofizacji .............................................. 91 9.4. Analiza porównywalno ści oceny w oparciu o ITS z ocen ą na podstawie rozporz ądze ń Ministra Środowiska ..................................................................................................... 93 9.5. Podsumowanie wyników weryfikacji ........................................................................... 95 10. Efektywno ść ekonomiczna stosowania integralnego kryterium troficzno ści ITS 99 11. Podsumowanie i wnioski ko ńcowe .......................................................................... 103 Spis literatury ................................................................................................................... 109 Spis ilustracji .................................................................................................................... 121 Spis tabel ........................................................................................................................... 122 Spis zał ączników .............................................................................................................. 124 Zał ączniki ......................................................................................................................... 125 4 1. Wprowadzenie Obecnie procesy rozwoju i transformacji ekosystemów wodnych przebiegaj ą znacznie szybciej ni ż wcze śniej, poniewa ż s ą uwarunkowane nie tyle czynnikami naturalnymi, działaj ącymi w skali procesów geologicznych, ile czynnikami antropogenicznymi. Do globalnych procesów, których pr ędko ści znacznie wzrosły w ostatnich dziesi ęcioleciach, mo żna zaliczy ć proces eutrofizacji antropogenicznej, obejmuj ący wielu akwenów wodnych na całym świecie i prowadz ący do pogorszenia jako ści wód. Zjawisko eutrofizacji jest cz ęsto definiowane jako wzbogacenie wód w substancje biogenne, które wywołuj ą masowy rozwój ro ślinno ści wodnej. Jednak jest to tylko zewn ętrznym objawem bardzo skomplikowanego przyrodniczo-antropogenicznego procesu, w którym dominuj ącą rol ę odgrywaj ą czynniki przyrodnicze, a czynniki antropogeniczne są mocnym katalizatorem tego procesu. Eutrofizacja stanowi cz ęść składow ą naturalnego procesu, który niektórzy autorzy nazywają „starzeniem si ę wód”. Proces ten prowadzi do zwi ększenia ich produktywno ści w wyniku wzbogacania si ę wód w substancji biogenne dostarczane ze źródeł naturalnych. Działalno ść antropogeniczna w znacznym stopniu przyspieszyła rozwój procesów eutrofizacji i doprowadziła do takich zmian, które w sposób naturalny pojawiłyby si ę za dziesi ątki tysi ęcy lat. Sprzyjały temu budowa zbiorników zaporowych i elektrowni wodnych, odprowadzanie ścieków komunalnych i przemysłowych do odbiorników oraz spływy powierzchniowe z terenów zurbanizowanych, rozwój rolnictwa, hodowli zwierz ąt oraz żeglugi i rekreacji, a tak że inne rodzaje działalno ści gospodarczej. Badania naukowe pokazały, że zmiana stanu i jako ści wód powierzchniowych jest uwarunkowana nie tylko dostarczaniem substancji biogennych ze źródeł zewn ętrznych, ale równie ż procesami, które przebiegaj ą w ekosystemach wodnych oraz stanem ich równowagi ekologicznej. Z tego punktu widzenia antropogeniczne dostarczanie substancji biogennych stanowi okre ślony etap procesu eutrofizacji, do którego doł ączaj ą si ę naturalne procesy biologiczne, prowadz ące do intensywnej akumulacji substancji organicznej w wodach powierzchniowych i ich samozanieczyszczenia. Problem eutrofizacji od lat siedemdziesi ątych ubiegłego stulecia nabiera skali globalnej ze wzgl ędu na jej negatywne konsekwencje, których rezultatem mo że by ć całkowita utrata gospodarczych i biosferycznych funkcji ekosystemów wodnych. 5 Na uwag ę zasługuje fakt, że „zakwity wód”, stanowi ące najbardziej spektakularny symptom eutrofizacji, powstaj ą w wyniku oddziaływania antropogenicznego i mog ą by ć traktowane jako reakcja przystosowania ekosystemu do zmieniaj ących si ę warunków środowiskowych i nowy etap jego funkcjonowania. „Zakwity”, z jednej strony, jest to wska źnik pogorszaj ącego si ę stanu sanitarno-higienicznego wód, z drugiej strony – same stanowi ą źródło ich biologicznego zanieczyszczenia ze wszystkimi wynikaj ącymi st ąd konsekwencjami zdrowotnymi, ekologicznymi i ekonomicznymi. Dla ekosystemów wodnych zagro żenie eutrofizacj ą antropogeniczn ą jest nie mniej gro źne, ni ż zanieczyszczenie substancjami toksycznymi. Kiedy zawarto ść w wodzie substancji biogennych, zwłaszcza zwi ązków azotu i fosforu, znacznie przewy ższa poziom krytyczny, zwi ększa si ę intensywno ść procesów życiowych organizmów wodnych. Wynikiem tego jest masowy rozwój ro ślinno ści wodnej, woda staje si ę m ętna, pojawiaj ą si ę nieprzyjemne zapach i smak. Wzrastaj ąca zawarto ść substancji organicznej stymuluje rozwój bakterii saprofitowych (w tym niebezpiecznych chorobotwórczych), powstaj ą sprzyjaj ące warunki do rozwoju grzybów i wirusów, co pogarsza sytuacje epidemiologiczn ą. Przy nadmiarze substancji organicznych w wodzie powstaj ą stabilne organiczno-mineralne zwi ązki metali ci ężkich, a znaczna cze ść rozpuszczonego w wodzie tlenu jest zu żywana na utlenienie substancji organicznych. Z kolei deficyty tlenu negatywne wpływaj ą na funkcjonowanie organizmów wodnych i sprzyjaj ą zwi ększeniu rozpuszczalno ści zwi ązków fosforu, które uwalniaj ą si