Ocena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacji ... - SGGW

Agnieszka BAŃKOWSKAKatedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGWDepartment of Hydraulic Engineering and Environmental Recultivation WAUOcena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacjiJeziora EłckiegoPerformance evaluation of the BIO-HYDRO structuresin recultivation of the Ełckie LakeSłowa kluczowe: rekultywacja jeziora, redukcjazanieczyszczeń, struktury BIO-HYDROKey words: lakes recultivation, pollutant reduction,BIO-HYDRO structuresWprowadzenieJezioro Ełckie leży w środkowej częściPojezierza Ełckiego, na terenie gminymiejskiej Ełk. Jego powierzchnia wynosi382,4 ha, a głębokość maksymalna55,8 m. Ze względu na wyraźne zróżnicowaniecharakterystyk morfometrycznychw jeziorze wyróżnia się trzy części,nazywane plosami: północnym, południowymi zachodnim, które traktuje sięjako trzy odrębne zbiorniki. Obserwowanaod lat siedemdziesiątych antropogennaeutrofizacja Jeziora Ełckiego, wtym plosa północnego, objawiała się całkowitymodtlenieniem hipo- i metalimnionu,powstaniem strefy siarkowodoroweji uruchomieniem wewnętrznegozasilania w fosfor. Parametry troficznei tlenowe zbiornika kwalifikowały jegowody do eutroficznych, niekiedy nawetdo politroficznych, a zakwity wód uniemożliwiałyrekreacyjne i gospodarczeużytkowanie akwenu. Rozpoczęta podkoniec lat dziewięćdziesiątych rekultywacjaplosa północnego obejmujetrzy grupy zabiegów: napowietrzaniehipolimnionu, chemiczną dezaktywacjęfosforu oraz zastosowanie strukturBIO-HYDRO do ograniczenia dopływubiogenów. Ocena działania tych strukturjest tematem niniejszej pracy.Charakterystyka obiektu badańPółnocne ploso Jeziora Ełckiego mapowierzchnię 80,4 ha, średnią głębokość9,7 m, a maksymalną 24 m. Jest onozbiornikiem przepływowym o objętości7 779 000 m 3 , który łączy się wąskimprzesmykiem z południowym plosemjeziora. Ploso północne zasilane jestprzez Potok Woszczelski, który w górnymbiegu przepływa przez jeziora: SawindaWielka, Woszczelskie i Sunowo,Ocena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacji Jeziora Ełckiego 21

oraz jest zasilany licznymi rowami melioracyjnymi.Na potoku, w sąsiedztwiedopływu do plosa północnego, istniejezbiornik wykorzystywany jako łowiskogospodarstwa rybackiego (rys. 1).Pomimo umiarkowanej odpornościna degradację (II kategoria podatności)ploso północne Jeziora Ełckiego ulegałoprzyspieszonej degradacji w wynikudopływu zanieczyszczeń z licznychźródeł punktowych i rozproszonych.Jako źródła zanieczyszczeń wymienianebyły: zanieczyszczenia obszarowe zezlewni bezpośredniej, zanieczyszczeniasanitarne z nieskanalizowanych osiedlimieszkaniowych zlokalizowanych nadbrzegiem jeziora, zrzuty ścieków opadowych,zanieczyszczenia dopływające PotokiemWoszczelskim, w tym pochodząceze stawów hodowlanych – odprowadzanychdo Potoku (Lossow i Gawrońska1992, Projekt... 1998, Raport 2003).Oszacowano, że z ogólnego ładunkufosforu dopływającego do plosa północnegoi wynoszącego 3955 kg P·rok –1 ,około 49 % pochodzi z Potoku Woszczelskiego,31% z zasilania wewnętrznego,a 14% dostarcza gospodarstwo rybackie(Projekt... 1998).W związku z postępującą degradacjąjeziora w 1998 roku w plosie północnympodjęto działania rekultywacyjne,zmierzające do zahamowania procesueutrofizacji oraz odwrócenia niekorzystnychtendencji. Działania te obejmująnapowietrzanie wód hipolimnionu orazchemiczną dezaktywację fosforu. Elementemprocesu rekultywacji jest takżeograniczenie dopływu biogenów wprowadzanychza pośrednictwem PotokuWoszczelskiego z jeziora Sunowo orazze stawów hodowlanych gospodarstwaRYSUNEK 1. Usytuowanie struktury BIO-HYDRO na Jeziorze Ełckim (Projekt... 1998)FIGURE 1. Localization of BIO-HYDRO structures on Ełckie Lake (Projekt... 1998)22 A. Bańkowska

ybackiego. Działanie to realizowanejest za pomocą struktur BIO-HYDROzainstalowanych na jeziorze, w rejoniedopływu Potoku Woszczelskiego do plosapółnocnego (rys. 1).Struktury BIO-HYDRO mają postaćkratownicy z tworzywa sztucznego.Zbudowane są z paneli o wymiarach100 × 100 × 20 cm, podwieszonych dopływaków rurowych. W dolnej częścipaneli znajduje się obciążnik stabilizującystrukturę w pozycji pionowej. Budowęstruktury BIO-HYDRO przedstawionona rysunkach 2 i 3.Celem zastosowania struktury BIO-HYDRO było zapewnienie powierzchnido rozwoju glonów peryfitonowych,które w miarę swojego wzrostu i namnażaniasię zaczynały pełnić funkcjębiologicznego filtra, wbudowując w swąbiomasę nutrienty rozpuszczone w przepływającejprzez nie wodzie. Zadaniemstruktury jest zatem biologiczna dezaktywacjabiogenów docierających do północnegoplosa jeziora.Struktury BIO-HYDRO są instalacjąbezobsługową, wymagającą jedyniezanurzenia pod powierzchnię wody naokres zimy, z uwagi na ryzyko ich zniszczeniapodczas zamarzania jeziora. Zewzględu na trudności techniczne związanez zanurzaniem zaniechano zatapianiabarier na okres zimowy. Eksploatacjastruktur, zgodnie z zaleceniami, nie wymagatakże ich czyszczenia, wskazanyjest bowiem silny rozwój organizmówperyfitonowych (Projekt... 1998).Wyniki badań i ich analizaRYSUNEK 2. Struktura BIO-HYDRO – przekrój(Projekt... 1998)FIGURE 2. The BIO-HYDRO Structure – crosssection(Projekt... 1998)Oceny skuteczności struktur BIO--HYDRO w przechwytywaniu ładunkubiogenów dokonano na podstawiewyników badań jakości wódprzeprowadzonych w 2006 roku nadwóch stanowiskach usytuowanychprzed i za strukturą. Głębokość jeziorana tych stanowiskach wynosi 5 m,a analizy chemiczne wykonano dla próbRYSUNEK 3. Struktura BIO-HYDRO – widok (Projekt... 1998)FIGURE 3. The BIO-HYDRO Structure – view (Projekt... 1998)Ocena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacji Jeziora Ełckiego 23

pobranych z głębokości 1 m. Próbywody do analiz jakościowych pobranotrzykrotnie: w okresie wiosennej i jesiennejmiksji oraz stagnacji letniej. Wynikibadań jakości wody przedstawionow tabelach 1–4.W zakresie związków fosforu wiosnąobserwowano wyraźne zmniejszeniestężenia tego pierwiastka w wodzie przepływającejprzez strukturę – stężenie fosforuogólnego uległo redukcji o 62%, astężenie fosforanów o 66% (tab. 1).Wiosną następuje zatem bardzo wyraźneograniczenie ilości fosforu zawartegow toni wodnej. Należy natomiastpodkreślić, że wiosenne stężenie fosforucałkowitego w wodzie przed strukturąBIO-HYDRO odpowiada warunkompolitrofii i przekracza 12-krotnie stężenieuznawane za zapowiedź letnich zakwitówwód według kryterium Vollenweidera(Kajak 1979). Wynika z tego, żewiosną Potok Woszczelski wprowadzado plosa północnego duże ilości fosforu.Latem obserwuje się przeciwny kierunekzmian jakości wód – za strukturąwoda jest bardziej zasobna w fosforogólny, a koncentracja fosforanów jestznikoma na skutek ich silnej asymilacjiprzez fitoplankton. Jednocześnie stężeniefosforu ogólnego wiosną i latem, zarównoprzed, jak i za strukturą, utrzymuje sięw zakresie typowym dla II klasy czystościwód, określonej według metodykiopisanej przez Kudelską i inych (1992).Jesienią nie obserwuje się w zasadziewpływu struktur BIO-HYDRO nazmiany zasobności wody w fosfor ogól-TABELA 1. Zmiany stężenia fosforu w wodzie w wyniku jej przepływu przez strukturę BIO-HYDROTABLE 1. Changes of phosphorus concentration in water flowing trough the BIO-HYDRO structureData badańInvestigationdateStężenie fosforu całkowitego[μg P·dm –3 ]Total phosphorus concentrationprzed strukturąin front of structureza strukturąbehind structureStężenie fosforanów[μg P-PO 4 ·dm –3 ]Phosphates concentrationprzed strukturąin front of structureza strukturąbehind structure07.05.2006 r. 127 48 86 2906.08.2006 r. 34 74 2 912.10.2006 r. 34 31 1 0TABELA 2. Zmiany stężenia azotu azotanowego i ogólnego w wodzie w wyniku jej przepływu przezstrukturę BIO-HYDROTABLE 2. Changes of nitrates and total nitrogen concentration in water flowing trough the BIO-HY-DRO structureData badańInvestigationdateStężenie azotanów[mg N-NO 3·dm –3 ]Nitrates concentrationprzed strukturąin front of structureza strukturąbehind structureStężenie azotu ogólnego[mg N·dm –3 ]Total nitrogen concentrationprzed strukturąin front of structureza strukturąbehind structure07.05.2006 r. 0,15 0,18 2,28 2,0506.08.2006 r. 0,06 0,06 0,87 0,8612.10.2006 r. 0,07 0,06 0,64 0,7424 A. Bańkowska

ny, natomiast zasoby fosforanów ulegającałkowitemu wyczerpaniu w wynikuprodukcji pierwotnej.W tabeli 2 przedstawiono wynikizmian stężenia azotu azotanowegoi ogólnego w wyniku przepływu wodyprzez strukturę BIO-HYDRO. Równieżw tym wypadku brak jest jednoznacznychtendencji wpływu struktury na zmianęstężeń badanych zanieczyszczeń wody.Wiosną stężenie azotu ogólnegozmniejszyło się nieznacznie w wynikuprzepływu wody przez strukturę BIO--HYDRO. Latem stężenia azotanówi azotu ogólnego w wodzie przed i zastrukturą były podobne, a jesienią stężenieazotu ogólnego w wyniku przepływuwody przez strukturę nieznaczniewzrosło. W odniesieniu do azotu badanastruktura biologiczna nie wykazuje zatemwyraźnej tendencji oddziaływania.Podobne wnioski można sformułowaćna podstawie wyników badań przewodnościelektrolitycznej wody, któreprzedstawiono w tabeli 3.Przewodność elektrolityczna wodyna stanowisku przed i za strukturą praktycznienie zmieniała się w całym okresiebadawczym. Wynika z tego, że strukturaBIO-HYDRO nie redukuje ogólnej ilościsubstancji rozpuszczonych w wodzie.Niepokojące są zwłaszcza duże wartościtego wskaźnika w okresie wiosennym(398 i 396 μS·cm –1 ), które wskazują napozaklasowy charakter wód w rejonieujścia Potoku Woszczelskiego.TABELA 3. Zmiany przewodności elektrolitycznej wody w wyniku jej przepływu przez strukturę BIO--HYDROTABLE 3. Changes of water electrolytic conductivity after flowing trough the BIO-HYDRO structureData badańInvestigation dateprzed strukturąin front of structurePrzewodność elektrolityczna[μS·cm –1 ]Electrolytic conductivityza strukturąbehind structure07.05.2006 r. 398 39606.08.2006 r. 315 31912.10.2006 r. 358 360TABELA 4. Zmiany stężenia chlorofilu „a” w wodzie w wyniku jej przepływu przez strukturę BIO--HYDROTABLE 4. Changes of chlorophyll “a” concentration in water flowing trough the BIO-HYDRO structureData badańInvestigation dateprzed strukturąin front of structureStężenie chlorofilu „a”[μg·dm –3 ]Chlorophyll „a“ concentrationza strukturąbehind structure07.05.2006 r. 8,89 9,3606.08.2006 r. 34,17 18,3512.10.2006 r. 47,74 33,58Ocena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacji Jeziora Ełckiego 25

Jedynym wskaźnikiem jakości wódwykazującym stałą tendencję zmian przyprzepływie wody przez barierę BIO--HYDRO jest stężenie chlorofilu „a”, pośrednioinformujące o zasobności wodyw nutrienty (tab. 4).Wiosną stężenia chlorofilu „a” nastanowisku przed i za strukturą BIO--HYDRO były zbliżone, jednak w leciei na jesieni wykazywały wyraźną i stałątendencję spadkową w wyniku przepływuwody przez barierę biologiczną.Przy czym najsilniej oddziaływanie tozaznaczało się latem, kiedy stężeniechlorofilu „a” w wodzie za barierą byłoprawie dwukrotnie niższe niż na stanowiskuprzed nią. Pod względem stężeniachlorofilu „a” wodę przed barierą BIO--HYDRO można zaliczyć do III klasy,a wody za nią – do II klasy czystości.Uzyskane wyniki mogą wskazywać nato, że woda po przepłynięciu przez badanąstrukturę była mniej zasobna w biogenyi mniej produktywna. Nie znajduje tojednak potwierdzenia w danych o stężeniachazotu, fosforu oraz przewodnościelektrolitycznej.Podsumowanie i wnioskiUzyskane wyniki badań nie pozwalająjednoznacznie ocenić działania strukturBIO-HYDRO. Jakość wód przy przepływieprzez barierę w zależności odwskaźnika jakości i okresu badań ulegapoprawie lub pogorszeniu. Nie zauważasię wyraźnych i jednoznacznych tendencjizmian jakości wody w wynikuoddziaływania bariery. Jedynie daneo stężeniu chlorofilu „a” sugerują, że barierywpływają na zmniejszenie ogólnejproduktywności wody. Jednakże przeczytemu stwierdzeniu brak wpływustruktur BIO-HYDRO na ogólną ilośćsoli rozpuszczonych w wodzie. Wiosnązaznacza się wyraźnie silne oddziaływaniestruktury BIO-HYDRO w stosunkudo stężenia fosforu ogólnego, który ulegałredukcji nawet o 66%. Jednak latemi jesienią obserwuje się wzrost ilości fosforuw wodzie za barierą w stosunku dostanowiska położonego przed nią. Podobniezarysowują się zmiany stężeniaazotu. Wiosną zaznacza się wpływ barieryBIO-HYDRO, co wyraża się niecomniejszym nagromadzeniem azotu zatą strukturą. Jednak latem i jesienią nieobserwuje się oczyszczającego działaniabariery. Wnioski te prowadzą do stwierdzenia,że efektywność działania strukturBIO-HYDRO jest bardzo wysokaw stosunku do fosforu wiosną i nieznacznaw stosunku do azotu w tym samymokresie. Jednak okresowo struktury tenie tylko nie wykazują działania oczyszczającego,ale – co więcej – wpływająna wzrost zasobności wody w nutrienty.Bariera nie wykazuje natomiast nawetokresowego działania biofiltracyjnego,w stosunku do ogólnej ilości związkówrozpuszczonych w wodzie, mierzonegowartością przewodności elektrolitycznejwłaściwej.Opisana sytuacja może być spowodowanakilkoma czynnikami. Jakopierwsze nasuwa się przypuszczenie, żeprzyczyną niskiej efektywności barierBIO-HYDRO może być ich sposób zainstalowania– odmienny niż zakładanow projekcie technicznym rekultywacji.Struktury BIO-HYDRO usytuowane sąw plosie północnym w jednej linii, podczasgdy projekt techniczny zakładał ichrozmieszczenie w trzech rzędach. Przytakim układzie paneli woda przepływała-26 A. Bańkowska

y przez struktury trzykrotnie, a obecnieprzepływa jeden raz, co w sposób oczywistymoże wpływać na efektywnośćoddziaływania struktur BIO-HYDRO.Zastanawiające jest także, że okresowostężenia biogenów w wodzie zabarierą są wyższe niż w stanowisku położonymprzed nią. Może to wskazywaćna to, że Potok Woszczelski nie jest jedynymźródłem dopływu zanieczyszczeń.Sugerowały to także wyniki badańwykonanych w latach 1999–2001 (Ejsmond-Karabini in. 2001).Wyższe okresowo stężenia biogenóww wodzie na stanowisku za barierąBIO-HYDRO mogą także wskazywaćna to, że sama bariera staje się okresowoźródłem uwalniania nutrietów wskuteksilnego rozwoju organizmów na jej powierzchnii w jej rejonie. Struktura porośniętaglonami tworzyć może dogodnewarunki dla rozwoju peryfitonu zwierzęcegoi innych grup bezkręgowców. Zdająsię to potwierdzać dane o stężeniu fosforui azotu w rejonie struktury. Wiosną,kiedy bariera nie jest jeszcze silnie zajętaprzez peryfiton, oddziałuje redukującona ilości biogenów zgromadzonychw wodzie. Latem i jesienią strukturaprzestaje oczyszczać wodę – koncentracjebiogenów za strukturą są nawetwyższe niż przed nią. Być może dziejesię tak dlatego, że nagromadzenie organizmóww rejonie bariery jest wówczasbardzo silne, a w efekcie ich bytowania,w tym ekskrecji, obumierania i rozkładu,do wody uwalniane są nutrienty w ilościkompensującej sorbujące oddziaływaniestruktury. Projekt techniczny rekultywacjipodkreśla, że struktury nie powinnybyć czyszczone, ponieważ silny rozwójorganizmów jest korzystny dla ich działania.Jednakże w obecnej sytuacji, gdyich efektywność jest raczej niska, wydajesię, że oczyszczanie paneli mogłobyusprawnić działanie bariery.Precyzyjne wyjaśnienie przyczynokresowej niskiej efektywności działaniastruktur BIO-HYDRO wymaga przeprowadzeniadalszych szczegółowychbadań. Ponieważ bariera stanowi głównyelement ochrony jeziora przed dopływembiogenów, a wyeliminowanie dopływunutrietów z zewnętrznych źródeł jest warunkiempodstawowym dla prowadzeniaw ekosystemie jeziornym zabiegów rekultywacyjnych,więc konieczne jestdokładne monitorowanie oddziaływaniastruktur BIO-HYDRO na jakość wodyoraz ewentualne ich usprawnienie.LiteraturaEJSMONT-KARABIN J., KALINOWSKAK., KARABIN A., KORNATOWSKA R.,KUFEL I. 2001: Ocena skutków ekologicznychrekultywacji plosa północnego JezioraEłckiego metodą ograniczenia dopływów fosforuz głębinowych osadów dennych i z jezioraSunowo. Wyniki badań prowadzonychw latach 1999–2001. Stacja HydrobiologicznaInstytutu Ekologii PAN w Mikołajkach.KAJAK Z. 1979: Eutrofizacja jezior. PWN, Warszawa.KUDELSKA D., CYDZIK D., SOSZKA H. 1992:Wytyczne monitoringu podstawowego jezior.Biblioteka Monitoringu Środowiska. PIOŚ,Warszawa.LOSSOW K., GAWROŃSKA H. 1992: Koncepcjarekultywacji Jeziora Ełckiego. AkademiaRolniczo-Techniczna w Olsztynie, Olsztyn.Projekt techniczny rekultywacji Jeziora EłckiegoPółnocnego, 1998: EKO-TECH S.C., Warszawa.Raport o stanie środowiska województwa warmińsko-mazurskiegow roku 2002, 2003.Red. S. Różański. Wojewódzki InspektoratOchrony Środowiska w Olsztynie, Olsztyn.Ocena działania struktur BIO-HYDRO w rekultywacji Jeziora Ełckiego 27

SummaryPerformance evaluation of the BIO--HYDRO structures in recultivation of theEłckie Lake. The paper presents the evaluationof effectiveness the water pollutantsremoval process by using the BIO-HYDROstructures, which play a role of biofilter forpollutants inflows to the Ełckie Lake withwaters of the Woszczelski Stream. The waterquality investigation were carried out inspring, summer and autumn of 2006 in twotest stands localized in front of the BIO-HY-DRO structures and behind them. Based onchanges the pollutant concentrations in teststands it was found that generally structuresworks poorly. Only during spring time theBIO-HYDRO structures worked effective incase of phosphorus – it was found that the totalphosphorus concentration in water behindthe structures was reduced in over 60%.Author’s address:Agnieszka BańkowskaSzkoła Główna Gospodarstwa WiejskiegoKatedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiskaul. Nowoursynowska 159, 02-776 WarszawaPolande-mail: agnieszka_bankowska@sggw.pl28 A. Bańkowska