Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 13 (4) 2014, 77–93

Adres do korespondencji – Corresponding authors: mgr inż. Magdalena Grzebinoga, dr inż. Jerzy Grela, mgr inż. Zbigniew Gabryś, MGGP SA o/Kraków, ul. J. Lea 112, 30-133 Kraków; dr inż. Adam Jarząbek, Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej – Zakład Gospodarki Wodnej, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków; e-mail: magdalena.grzebinoga@mggp.com.pl, jerzy.grela@mggp.com.pl, zbigniew.gabrys@mggp.com.pl, adam.jarzabe@iigw.pl.

PROPOZYCJA SZACOWANIA ŁADUNKÓW ZANIECZYSZCZEŃ ODPROWADZANYCH DO RZEKI ZE ŹRÓDEŁ PUNKTOWYCH I OBSZAROWYCH PRZY WYKORZYSTANIU BAZ DANYCH O UŻYTKOWANIU ZLEWNI

PROPOSITION OF ESTIMATING POLLUTANT LOAD DISCHARGE FROM POINT AND AREA SOURCES WITH USE OF BASIN USAGE DATABASE

Magdalena Grzebinoga, Jerzy Grela, Zbigniew GabryśMGGP SA o/Kraków

Adam JarząbekPolitechnika Krakowska

Streszczenie. Zaproponowano podejście metodyczne do rozwiązywania niektórych proble-mów analizy transformacji i przemieszczania się wybranych zanieczyszczeń. Wskazano, jak dokonując analizy poszczególnych źródeł zanieczyszczeń i ich drogi do odbiornika, radzić sobie z brakiem danych, wykorzystując istniejące informacje statystyczne, dane po-chodzące z katastru wodnego, a także jak dostępne dane dotyczące roku rozkładać na po-szczególne miesiące. Metodykę zilustrowano przykładem dla wybranej zlewni.

Abstract. A methodical approach to solving some problems of transformation analysis and migration of some pollutants is proposed. It is outlined how, when analyzing given pollution source and their path to receiver, deal with lack of data, using existing statistical information, data from water register, and also how to distribute existing year’s data among individual months. Method has been illustrated by an example for chosen water basin.

Słowa kluczowe: szacowanie ładunków zanieczyszczeń, transport ładunków zanieczyszczeń

Key words: estimation of pollutant load discharge, pollutant load transport

DOI: http://dx.doi.org/10.15576/ASP.FC/2014.13.4.77

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek78

WSTęP

W zadaniach bilansowych dotyczących zanieczyszczeń mamy często do czynienia z potrzebą określenia wielkości ładunków trafiających do cieku z określonego obszaru, na którym występują różne formy użytkowania terenu oraz punktowi i obszarowi użytkow-nicy o stałym lub zmiennym użytkowaniu zasobów wodnych w ciągu roku. Obszar ten jest na ogół słabo monitorowany – sieć pomiarowa posterunków wodowskazowych IMGW i posterunków pomiaru jakości WIOŚ zbyt jest rozproszona i niekompletna z punktu widzenia postawionego zadania, aby w sposób prosty dokonać odpowiednich wyliczeń. Poszczególne zlewnie cząstkowe mogą mieć oba punkty pomiaru, tylko jeden albo nie posiadać ich wcale. Również dane o użytkowaniu są fragmentaryczne, niepełne, wskaź-nikowe i wymagają dużego nakładu pracy, by uzupełnić je do akceptowalnego poziomu. W artykule zaproponowano szereg formuł matematycznych dotyczących punktowych i rozproszonych zanieczyszczeń komunalnych (z uwzględnieniem dodatkowych, okreso-wych obciążeń w sezonie turystycznym) oczyszczonych i nieoczyszczonych, zanieczysz-czeń przemysłowych, zanieczyszczeń pochodzących z nawożenia mineralnego, obciąże-nia ładunkami wynikającymi z hodowli i chowu zwierząt, gospodarki stawowej (stawy karpiowe i pstrągowe), a także depozycji atmosferycznej. Szczególny przypadek zlewni niekontrolowanych, gdzie nie ma możliwości potwierdzenia pomiarem stopnia depono-wania zanieczyszczeń w zlewni na drodze od użytkownika do cieku, rozwiązano poprzez dobór zlewni analogowej. Analog służy do wyliczenia określonego dla tego procesu współczynnika i przeniesienia go do obliczeń w zlewni niekontrolowanej.

WYMAGANY ZAKRES INFORMACJI I PRACE PRZYGOTOWAWCZE

Założono, że proponowana metodyka może być stosowana na danym obszarze przy dostępie do następujących danych: • dobowe wielkości natężeń przepływów z wielolecia o odpowiednich długościach

ciągów danych dla wodowskazów i wielkości miesięcznych opadów atmosferycz-nych dla stacji opadowych IMGW,

• wyniki badań jakości wody z punktów monitoringowych,• identyfikacja użytkowników wód powierzchniowych odprowadzających ścieki do rzek

z informacjami o wielkościach zrzutów, ich stężeniach według pozwoleń wodnopraw-nych, a w przypadku zrzutów oczyszczonych ścieków komunalnych także z informa-cją o operatorze oczyszczalni ścieków,

• dane o oczyszczalniach w aglomeracji – zawierające szacunkowe liczby ludności korzystającej z oczyszczalni przypisanych do poszczególnych aglomeracji,

• wykaz operatorów z podaniem m.in. liczby obsługiwanych przez nich oczyszczalni oraz szacunkowej, sumarycznej liczby ludności korzystającej z tych oczyszczalni,

• wykaz miejscowości zawierający: liczbę ludności (dane przekazywane przez gminy do GUS), ewentualną przynależność do aglomeracji, a w przypadku miejscowości wchodzących w skład aglomeracji przypisanie konkretnej oczyszczalni ścieków,

• identyfikacja stawów karpiowych z informacjami o wielkościach i terminach realiza-cji zrzutów wody,

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 79

• identyfikacja ferm hodowlanych oraz liczby DJP przypisanych do poszczególnych miej-scowości w analizowanych zlewniach (dane opracowane na podstawie informacji pocho-dzących z systemu Identyfikacji i Rejestracji Zwierząt prowadzonego przez ARiMR),

• dane statystyczne dotyczące nawożenia użytków rolnych na analizowanym obszarze,• opracowania zawierające dane o użytkowaniu obszarów rolniczych wykonane na

potrzeby wyznaczania wód wrażliwych na zanieczyszczenia azotanami oraz doty-czące OSN (obszar szczególnie narażony).

Pozostałe informacje możliwe do pozyskania dotyczą:• depozycji atmosferycznej na podstawie publikowanych raportów o stanie środowiska,• danych GUS z Banku Danych Lokalnych takich jak:

– liczby osób podłączonych do oczyszczalni ścieków w poszczególnych gminach,– ilość udzielonych noclegów (ruch turystyczny),– zużycia nawozów mineralnych fosforowych i azotowych na 1 ha użytków rolnych,– liczby DJP.

Przed przystąpieniem do prac obliczeniowych należy przeprowadzić następujące działania:• określić sposób zagospodarowania wszystkich zlewni (kontrolowanych i niekontrolo-

wanych) poprzez wyszczególnienie procentowego udziału: lasów, gruntów ornych, łąk, pastwisk, sadów, powierzchni zurbanizowanych, jezior przy wykorzystaniu programu CorineLandCover,

• dokonać wyboru cieków „reperowych”, dla których były i będą prowadzone pomiary ilościowe i badania jakości wód, oraz przeanalizować sposób zagospodarowania ich zlewni („reperowe”), geomorfologię, parametry hydrograficzne i hydrologiczne (rzeki i jeziora), reżim przepływu wody,

• przeprowadzić grupowanie zlewni o zbliżonym sposobie zagospodarowania, geomor-fologii, parametrach hydrograficznych i hydrologicznych (rzeki i jeziora), reżimie przepływu wody w stosunku do analizowanych wcześniej zlewni „reperowych”,

• określić liczbę mieszkańców obsługiwanych przez poszczególne oczyszczalnie ścieków.

TRANSPORT ŁADUNKÓW BZT5, NOG, POG ZE ZLEWNI DO WÓD POWIERZCHNIOWYCH

Transport ładunków BZT5, Nog, Pog do wód ze zlewni jest bardzo złożony. Składa się zasadniczo z dopływu ładunków pochodzenia obszarowego i punktowego.

Punktowy dopływ ładunków może być lepiej określony jeżeli wszyscy użytkow-nicy w zlewni są opomiarowani. Niestety, na ogół tak nie jest i w obliczaniu ładunków opieramy się najczęściej na danych zaczerpniętych z pozwoleń wodnoprawnych o wiel-kościach zrzutów i dopuszczalnych stężeniach BZT5, Nog, Pog w ściekach.

Ponadto wielu użytkowników komunalnych odprowadza ścieki w sposób niekontrolo-wany. Proponujemy oszacować tę część zanieczyszczeń, przyjmując „produkcję” ładunków BZT5, Nog, Pog w ciągu doby przez jednego mieszkańca i znając liczbę mieszkańców nie ob-sługiwanych przez oczyszczalnie na terenie zlewni, określić wielkości ładunków wytwo-rzonych na jej obszarze. Pozostaje jeszcze określić, jaki procent mieszkańców niepodłączo-nych do oczyszczalni odprowadza ścieki bezpośrednio do wód powierzchniowych.

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek80

Ryc.

1. D

rogi

tran

spor

tu ła

dunk

ów B

ZT5,

azot

u og

ólne

go i

fosf

oru

ogól

nego

do

wód

pow

ierz

chni

owyc

hFi

g. 1

. Tr

ansp

ort p

aths

of B

OD

5, to

tal n

itrog

en a

nd to

tal p

hosp

horu

s to

surf

ace

wat

ers

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 81

Ładunki pochodzące z zanieczyszczeń obszarowych są równie trudne do określe-nia. W przypadku ładunków BZT5, Nog, Pog o ich wielkości decydują:• depozycja atmosferyczna (Nog, Pog),• ścieki bytowo-gospodarcze (komunalne) dopływające w sposób niekontrolowany,

rozsączane i rozlewane po powierzchni (BZT5, Nog, Pog),• chów i hodowla zwierząt połączone z nawożeniem użytków rolnych obornikiem,

gnojówką i gnojowicą (BZT5, Nog, Pog),• stosowane uprawy, zabiegi agrotechniczne, nawożenie mineralne (BZT5, Nog, Pog).

Część ładunków BZT5, Nog, Pog podlega stratom i wynoszeniu w plonach. Dopiero tzw. pozostała na powierzchni pola wielkość ładunków BZT5, Nog, Pog bierze udział w migracji, zasilając zasoby wodne. Można założyć, że straty i wynoszenie BZT5, Nog, Pog w plonach są stałe na podobnie zagospodarowanych rolniczo zlewniach, stosowanych rodzajach upraw oraz zabiegach agrotechnicznych.

Na wysokość ładunków BZT5, Nog, Pog biorących udział w migracji do wód powierzch-niowych wpływ mają drogi ich transportu:• po powierzchni terenu – występują podczas intensywnych opadów oraz w czasie

roztopów, powodując przemieszczanie się ładunków BZT5, Nog, Pog w formie rozpusz-czonej oraz związanej z erodowanymi cząstkami gleby,

• podpowierzchniowo w formie rozpuszczonych związków,• poprzez infiltrację i zasilanie wód podziemnych, których odpływ zasila w miarę

równomiernie wody powierzchniowe (rozpuszczone formy związków),• systemami drenarskimi (dominują formy rozpuszczone i w niewielkim stopniu

wymywane są z cząstkami gruntu).

METODYKA OBLICZANIA OBCIĄŻENIA ŁADUNKAMI BZT5, Nog, Pog ZLEWNI

Obliczenia dokonywane będą w układzie miesięcznym uwzględniającym zmien-ność czasową obciążenia ładunkami BZT5, Nog, Pog powierzchni zlewni w ciągu roku. Proponuje się zastosowanie przedstawionych niżej formuł obliczeniowych.

Ładunki ze źródeł komunalnych

Obciążenie punktowe wód ładunkami ze źródeł komunalnych w zlewni i w danym miesiącu:

1(( ) ) WNO( )

nk

OCZ OCZ MKOCZ NIEOCZ NIEOCZ MKKOMi

Ł Mk T Ł Mk T Ł

(1)

gdzie: KOMŁ – sumaryczny ładunek ścieków komunalnych i bytowo-gospodarczych pocho-

dzących z oczyszczalni ścieków i od osób niekorzystających z oczyszczalni ścieków, odprowadzających ścieki bezpośrednio do wód powierzchniowych, zlokalizowanych w danej zlewni, kg · m-c–1,

MkOCZ – liczba mieszkańców odprowadzających ścieki do oczyszczalni,

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek82

TOCZ – liczba turystów odprowadzających ścieki do oczyszczalni (wartość zmienna zależna od miesiąca roku), przyjęto rozkład: czerwiec 1/6 rocznej liczby turystów i odpowiednio: lipiec 1/3, sierpień 1/3, wrzesień 1/6, pozostałe 0,

MkNIEOCZ – liczba mieszkańców odprowadzających ścieki w sposób niekontrolowany, TNIEOCZ – liczba turystów odprowadzających ścieki w sposób niekontrolowany

(wartość zmienna zależna od miesiąca roku), przyjęto rozkład: czer-wiec 1/6 rocznej liczby turystów i odpowiednio: lipiec 1/3, sierpień 1/3, wrzesień 1/6, pozostałe 0,

ŁMK – ładunek jednostkowy od jednego mieszkańca, ŁMKOCZ – ładunek jednostkowy w ściekach oczyszczonych przypadający na jednego

mieszkańca, WNO – parametr określający, jaka część mieszkańców zlewni niekorzystających

z oczyszczalni ścieków odprowadza swoje ścieki bezpośrednio do wód powierzchniowych (przyjęto WNO = 0,5),

WNO (MkNIEOCZ + TNIEOCZ) – liczba ludności odprowadzającej ścieki bezpośrednio do wód, powierzchniowych,

nk – liczba oczyszczalni w zlewni i.

Przedstawiony powyżej algorytm umożliwia obliczenie punktowego obciążenia komunalnego w przypadku niskiej wiarygodności danych z pozwoleń wodnoprawnych. Przy uwzględnieniu danych z precyzyjnie i systematycznie wykonywanych pomiarów ilości i jakości punktowych zrzutów ścieków komunalnych pierwszy człon równania może być zastąpiony sumarycznym zrzutem ładunków z oczyszczalni w zlewni.

Jednostkowy ładunek w ściekach odprowadzanych z oczyszczalni do odbiornika obli-czany jest wg następującej formuły:

ŁMKOCZ = ŁMK · RED · nm-c (2)

gdzie: RED – wskaźnik redukcji ładunku danego wskaźnika zanieczyszczeń na oczyszczalni

(oczyszczalniach) ścieków lub przy znajomości dokładnej liczby mieszkańców obsługiwanych przez konkretną oczyszczalnię,

ŁMK – ładunek jednostkowy (BZT5, Nog, Pog) „produkowany” przez osobę w ciągu doby,

nm-c – liczba dni w miesiącu.

Roczne obciążenie punktowe wód ładunkami ze źródeł komunalnych ŁKOMR w zlewni i, obliczamy jako sumę ładunków miesięcznych:

12

1KOMR KOMŁ Ł (3)

Ładunki ze źródeł rolniczych

Bilans ładunków zanieczyszczeń pochodzenia rolniczego dostarczany na powierzch-nię użytków rolnych analizowanej zlewni to suma nawożenia organicznego pochodzącego od zwierząt oraz nawożenie mineralne. W nawożeniu organicznym jednostką odniesienia

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 83

jest tzw. duża jednostka przeliczeniowa DJP, która „produkuje” w odchodach (obornik, gnojówka, gnojowica) określoną ilość masową danego wskaźnika zanieczyszczeń w ciągu roku. Poziom nawożenia mineralnego jest podawany w Banku Danych Lokalnych GUS w odniesieniu do nawożenia związkami azotu i fosforu na poziomie województwa.

Ładunek wskaźnika zanieczyszczeń deponowany na obszarze użytkowanym rolniczo w zlewni proponujemy obliczać według wzoru:

ŁR = AR · ŁjR + (DJP’ · ŁDJP’ + DJP’’ · ŁDJP’’ + DJP’’’ · ŁDJP’’’) (4)

gdzie: ŁR – roczny ładunek wskaźnika z powierzchni użytków rolnych w zlewni,

kg · rok–1, ŁjR – ładunek jednostkowy wskaźnika, kg · ha–1 · rok–1, pochodzący z nawożenia

mineralnego, właściwy dla województwa, DJP’ – liczba umownych jednostek przeliczeniowych odpowiadająca liczbie bydła, DJP’’ – liczba umownych jednostek przeliczeniowych odpowiadająca liczbie trzody

chlewnej, DJP’’’ – liczba umownych jednostek przeliczeniowych odpowiadająca liczbie drobiu.

Z uwagi na konieczność przyporządkowania poszczególnych rodzajów zwierząt do trzech grup, do grupy bydła przyporządkowano: bydło, konie, kozy, owce i daniele, natomiast w grupie trzody chlewnej uwzględniono również norki.ŁDJP’, ŁDJP’’, ŁDJP’’’ – ładunek wskaźnika, kg · rok–1, „produkowany” przez 1 DJP w ciągu

roku,AR – powierzchnia użytków rolnych w zlewni, ha.

W ciągu roku nawożenie roślin, głównie zbóż, okopowych i użytków zielonych prze-prowadzane jest kilkakrotnie:• jesienią, gdy przyorywany jest obornik i pozostała na gruntach słoma, a pola zasilane

są przedsiewnie nawozami mineralnymi pod zboża ozime, rozdrobnionym oborni-kiem nawożone są użytki zielone,

• wiosną, gdy przyorywany jest obornik, od przedwiośnia do kłoszenia zbóż nawożone są nawozami mineralnymi zboża ozime i jare oraz rośliny okopowe (jest to najbar-dziej intensywna pora przeprowadzania nawożeń mineralnych), a wczesną wiosną nawozami mineralnymi, gnojówką i gnojowicą nawożone są użytki zielone,

• późną wiosną i latem, w czasie wegetacji, gnojówką i gnojowicą nawożone są użytki zielone.

Z przedstawionego harmonogramu ogólnego nawożeń widać, że w okresie wiosny można spodziewać się największych odpływów ładunków BZT5, Nog, Pog ze zlewni użyt-kowanych rolniczo do wód. Proponuje się, aby na bazie zaobserwowanych odpływów ładunków ze zlewni reperowych zagospodarowanych rolniczo określony został procen-towy współczynnik rozdziału odpływów ładunku rocznego ŁR w poszczególnych miesią-cach (WRM). Wówczas miesięczny ładunek ze źródeł rolniczych w kg · m-c–1 wynosi:

ŁRM = ŁR · WRM/100%

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek84

Ładunki z depozycji atmosferycznej

Przyjęto, że depozycja atmosferyczna zasila całe powierzchnie zlewni oraz jezior, zbiorników i dużych rzek w sposób równomierny zgodnie z wynikami badań prezen-towanych w raportach o stanie środowiska i literaturze fachowej. Przy rozpatrywaniu powierzchni terenu, z którego odpływać będą ładunki Nog i Pog, całkowita depozycja danego wskaźnika zanieczyszczeń z atmosfery do podłoża wyniesie:

Łdep = Azl · Łjdep (5)

gdzie: Łdep – ładunek wskaźnika zanieczyszczeń z depozycji atmosferycznej w roku,

kg · rok–1, Azl – powierzchnia analizowanej zlewni, ha, Łjdep – wielkość masy depozycji na jednostkę powierzchni w roku wg badań,

kg · ha–1 · rok–1.

Zaproponowano, aby procentowy rozkład depozycji dla poszczególnych miesięcy w roku został określony wg wskaźnika odpowiadającego rozkładowi średniomiesięcz-nych opadów atmosferycznych (WOM) występujących w latach 2008–2012 na całym obszarze. Wówczas miesięczny ładunek z depozycji atmosferycznej w kg · m-c–1 oblicza się następująco:

Łdep M = Łdep · WOM/100% (6)

SPOSÓB PRZEPROWADZENIA OBLICZEŃ ŁADUNKÓW BZT5, Nog, Pog DLA WYBRANEJ ZLEWNI

1. Obliczenia ładunków pochodzących ze źródeł punktowych wprowadzanych w mie-siącu do wód powierzchniowych:

cp PRZ STK STP KOMŁ Ł Ł Ł Ł (7)

gdzie: Łcp – ładunek całkowity ze źródeł punktowych, kg · m-c–1, PRZŁ – sumaryczny ładunek w ściekach pochodzących z zakładów przemysłowych

zlokalizowanych w danej zlewni, na podstawie pozwoleń wodnoprawnych z uwzględnieniem sezonowości, kg · m-c–1,

STKŁ – sumaryczny ładunek w zrzutach ze stawów karpiowych zlokalizowanych w danej zlewni, realizowanych przede wszystkim w październiku i listopa-dzie wg danych z pozwoleń wodnoprawnych, kg · m-c–1,

1( )

nsk

STK STK STKi

Ł s Q

(8)

gdzie: nsk – liczba stawów karpiowych w zlewni,

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 85

ŁSTK – ładunek w zrzutach z kolejnego stawu karpiowego w zlewni, kg · m-c–1, QSTK – wielkość zrzutu z kolejnego stawu karpiowego, m3 · m-c–1, sSTK – stężenie zrzutu z kolejnego stawu karpiowego w zlewni, kg · m–3; STKŁ – sumaryczny ładunek w zrzutach ze stawów pstrągowych zlokalizowa-

nych w danej zlewni, realizowanych równomiernie w ciągu roku wg danych z pozwoleń wodnoprawnych, kg · m-c–1:

1( )

nsp

STP STP STPi

Ł s Q

(9)

gdzie: nsp – liczba stawów pstrągowych w zlewni, ŁSTP – ładunek w zrzutach z kolejnego stawu pstrągowego w zlewni, kg · m-c–1, QSTP – wielkość zrzutu z kolejnego stawu pstrągowego, m3 · m-c–1, sSTP – stężenie zrzutu z kolejnego stawu pstrągowego w zlewni, kg · m–3.

Roczny ładunek pochodzący ze źródeł punktowych jest sumą ładunków miesięcz-nych:

12

1cpR cpŁ Ł (10)

2. Obliczenia ładunków pochodzących ze źródeł obszarowych• Ładunki BZT5, Nog, Pog ze źródeł komunalnych nieoczyszczone, zrzucane do ziemi

miesięcznie:

(1 ) ( )KOM NIEOCZ NIEOCZ NIEOCZ MKŁ WNO Mk T Ł (11)

i rocznie:

12

1KOM NIEOCZ R KOM NIEOCZŁ Ł (12)

• Ładunki BZT5, Nog, Pog z rolnictwa rocznie:

ŁR = AR · ŁjR + (DJP’ · ŁDJP’ + DJP’’ · ŁDJP’’ + DJP’’’ · ŁDJP’’’) (13)

• Ładunki Nog, Pog z depozycji atmosferycznej rocznie:

Łdep = Azl · Łjdep (14)

gdzie: KOM NIEOCZŁ – sumaryczny ładunek ścieków komunalnych i bytowo-gospodarczych

pochodzący od osób niekorzystających z oczyszczalni ścieków, odpro-wadzających ścieki bezpośrednio do ziemi, zlokalizowanych w danej zlewni, kg · m-c–1,

ŁMK – ładunek jednostkowy od jednego mieszkańca, (1 – WNO) * (MkNIEOCZ + TNIEOCZ) – ludność odprowadzająca ścieki bezpośrednio do

ziemi.

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek86

Sumaryczny ładunek obszarowy roczny deponowany na powierzchni zlewni

Łc obsz = ŁKOM NIEOCZ R + ŁR + Łdep (15)

Sumaryczny ładunek roczny pochodzący ze źródeł punktowych i obszarowych w ana li-zowanej zlewni:

ŁZL C = ŁcpR + Łc obsz (16)

ŁADUNKI OBSZAROWE I WSPÓŁCZYNNIKI ICH REDUKCJI W ZLEWNIACH REPEROWYCH – MONITOROWANYCH

Zlewnie skupione, które są monitorowane ilościowo i jakościowo możemy potrak-tować jako zlewnie reperowe i dokonać w nich oszacowania współczynnika redukcji ładunku obszarowego w zlewni. Ładunki BZT5, Nog, Pog możemy obliczyć na podstawie badań jakości wody oraz dobowych wartości przepływów. Wyznaczone ładunki trakto-wane są jako średniomiesięczne.

Ryc. 2. Schemat obliczeniowy dla zlewni reperowych – monitorowanych ilościowo i jakościowoFig. 2. Calculation scheme for basins with fixed-point observation – quality and quantity moni-

tored

Dla przekroju monitoringowego obliczany jest ładunek naturalny BZT5, Nog, Pog:

ŁN = QM · sM – Łcp (17)

gdzie: Łcp – suma ładunków ze wszystkich zrzutów punktowych w zlewni, kg · m-c–1, QM – przepływ miarodajny w punkcie monitoringowym, m3 · m-c–1, sM – stężenie miarodajne wskaźnika zanieczyszczeń w punkcie monitoringowym,

kg · m–3.

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 87

Dla przekroju ujściowego oblicza się ładunek BZT5, Nog, Pog odpływający z całej zlewni:

Ł = ŁN · Ac /AM + Łcp (18)

Obliczony ładunek naturalny ŁN to pozostałość po zredukowanym na drogach trans-portu ładunku obszarowym z miesiąca Łc obsz.

Poszukiwany dla zlewni współczynnik µ redukcji deponowanego ładunku obszaro-wego w miesiącu wynosi:

/ ( )N dep M KOM NIEOCZ RMŁ Ł Ł Ł (19)

Współczynnik redukcji µ deponowanego ładunku obszarowego jest obliczany przy założeniu, że straty ładunków obszarowych BZT5, Nog, Pog oraz ich wynoszenie z plonami jest stałe dla wszystkich zlewni analizowanego obszaru i nie jest konieczne bilansowanie wnoszonych i wynoszonych ładunków „na powierzchni pola”.

OBLICZENIA ŁADUNKÓW W ZLEWNIACH Z MONITORINGIEM JAKOŚCI WÓD

Ryc. 3. Schemat obliczeniowy dla zlewni z monitoringiem jakości wódFig. 3. Calculation scheme for basin with water quality monitoring

W zlewniach skupionych z monitoringiem jakości wód przepływ w przekroju moni-toringowym obliczany jest na bazie odpływu jednostkowego qj uzyskanego w zlewni analogowej. Pełna formuła obliczenia przepływu ma postać następującą:

Q q A Q QM j M Zii

ni

Pp

np

p= ⋅ + −

= =∑ ∑

1 1 (20)

gdzie: qj – odpływ jednostkowy obliczony w zlewni analogowej, m3 · m-c–1 · km–2, QZi – wielkość i-tego zrzutu ścieków w zlewni powyżej punktu monitoringowego,

m3 · m-c–1,

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek88

QPp – wielkość k-tego poboru w zlewni powyżej punktu monitoringowego, m3 · m-c–1, ni – ilość punktowych zrzutów w zlewni, w tym ścieków nieoczyszczonych, np – ilość punktowych poborów w zlewni.

Dla zlewni, w których różnica sum poborów i zrzutów w stosunku do iloczynu odpływu jednostkowego i powierzchni zlewni jest niewielka w formule wielkości sum poborów i zrzutów można pominąć. Wówczas uproszczona formuła ma postać:

QM = qj · AM (21)

Następnie obliczany jest ładunek rzeczywisty:

ŁRZ = QM · SM, kg · m-c–1 (22)

Kolejny krok obliczeń dotyczy wyznaczenia ładunku naturalnego:

ŁN = QM · sM – Łcp, kg · m-c–1 (23)

Dla przekroju ujściowego obliczamy ładunek BZT5, Nog, Pog odpływający z całej zlewni:

Ł = ŁN · Ac/AM + Łcp, kg · m-c–1 (24)

OBLICZENIA ŁADUNKÓW ZE ZLEWNI NIEMONITOROWANYCH ILOŚCIOWO I JAKOŚCIOWO

Ryc. 4. Schemat obliczeniowy dla zlewni niemonitorowanych ilościowo i jakościowoFig. 4. Calculation scheme for basin with quality and quantity not monitored

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 89

Wybrana zlewnia reperowa jest analogiem dla dobranej lub dobranych zlewni niekon-trolowanych o zbliżonych sposobach zagospodarowania, geomorfologii, parametrach hydrograficznych i hydrologicznych (rzeki i jeziora), reżimie przepływu wody. Obliczony dla zlewni reperowej współczynnik µ stanowi podstawę obliczeń redukcji deponowanych ładunków obszarowych dla tych zlewni.

Ładunki wnoszone ze zlewni skupionych

Ryc. 5. Schemat obliczeniowy ładunków wnoszonych ze zlewni skupionychFig. 5. Calculation scheme of loads for single-point outlet basin

Dla przekroju ujściowego obliczamy ładunek naturalny w miesiącu:

,N dep M KOM NIEOCZ RMŁ Ł Ł Ł (25)

Dla przekroju ujściowego obliczamy ładunek całkowity w miesiącu:

Ł = ŁN + Łcp, kg · m-c–1 (26)

Ładunki wnoszone ze zlewni obszarowych

Dla całego zasilania liniowego odpływ ładunków BZT5, Nog, Pog w miesiącu jest obliczany przy zastosowaniu współczynnika redukcji deponowanego ładunku obsza-rowego µ:

,N dep M KOM NIEOCZ RMŁ Ł Ł Ł Ł (27)

W przypadku występowania w zlewni obszarowej zrzutów punktowych muszą one być oczywiście uwzględnione w sumarycznym odpływie ładunków BZT5, Nog, Pog.

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek90

PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA METODYKI

Metodykę zastosowano do obliczeń sumarycznego ładunku odprowadzanego do rzeki Odry, Zalewu Szczecińskiego i Zalewu Kamieńskiego. Obszar bilansowy zdekom-ponowany został na 13 zlewni skupionych, 12 zlewni obszarowych i 3 obszary wodne. Wykorzystana została baza danych udostępniona przez RZGW Szczecin w zakresie wymaganych niniejszą metodyką informacji. Dla obszaru zaproponowano rozkłady współczynników WOM i WRM według ryc. 7 i 8.

Ryc. 6. Schemat obliczeniowy ładunków wnoszonych ze zlewni obszarowychFig. 6. Calculation scheme of loads for distributed outlet basin

Ryc. 7. Rozdział ładunku rocznego ŁR na miesiące (propozycja autorska dla zlewni Międzyodrza)Fig. 7. Distribution of year’s load ŁR on months (author’s proposition for Międzyodrze basin)

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 91

Dla dwóch wskaźników, tj. azot ogólny i fosfor ogólny prócz ładunku zrzucanego w zlewniach skupionych i rozproszonych należy uwzględnić w całkowitym ładunku dodatkowo depozycję atmosferyczną na obszarze akwenów. Stąd postać wzorów na całkowity ładunek przedstawia się następująco:

Całkowity ładunek azotu ogólnego

13 25 3

1 14 1ogN i skupionej i obszarowej jdepN j

i i jŁC Ł Ł Ł AW

(28)

gdzie: ŁCNog

– całkowity ładunek azotu ogólnego, kg · m-c–1, ŁjdepN – masa depozycji azotu ogólnego na hektar w danym miesiącu, kg· ha–1 · m-c–1, AWj – powierzchnia j-ego jeziora lub zalewu, ha.

Całkowity ładunek fosforu ogólnego

13 25 3

1 14 1ogP i skupionej i obszarowej jdepP j

i i jŁC Ł Ł Ł AW

(29)

gdzie: ŁCPog

– całkowity ładunek fosforu ogólnego, kg· ha–1 · m-c–1, ŁjdepP – masa depozycji fosforu ogólnego na hektar w danym miesiącu.

W przypadku wskaźnika BZT5 całkowity ładunek obliczany jest analogicznie lecz z pominięciem trzeciego członu dotyczącego depozycji atmosferycznej.

Sumaryczny bilans wprowadzanych do rzek w obrębie analizowanego obszaru dla ładunków azotu ogólnego prezentuje ryc. 9.

Ryc. 8. Rozkład ładunku Łdep na miesiące (propozycja autorska dla zlewni Międzyodrza)Fig. 8. Distribution of load Łdep on months (author’s proposition for Miedzyodrze basin)

Acta Sci. Pol.

M. Grzebinoga, J. Grela, Z. Gabryś, A. Jarząbek92

Ryc. 9. Sumaryczny bilans wprowadzanych ładunków azotu ogólnego do rzek w obrębie analizo-wanego obszaru

Fig. 9. Total balance of total nitrogen load introduced into river flows for analyzed area

WNIOSKI

1. Elementy proponowanych założeń metodycznych mogą być zastosowane w szeroko pojętym bilansowaniu ilościowo-jakościowym zasobów wodnych, a także wykorzy-stane w procesie przygotowania dokumentów planistycznych w gospodarce wodnej, np. warunków korzystania z wód regionów wodnych bądź zlewni.

2. Zaproponowana metoda daje możliwość oceny wielkości zanieczyszczeń w zlew-niach niekontrolowanych i niemonitorowanych, które są przeważającymi w Polsce. Umożliwia to uzyskanie obrazu obciążenia zanieczyszczeniami dla obszaru całego kraju, a nie tylko dla nielicznych zlewni kontrolowanych i monitorowanych.

3. Warunkiem jest dostępność danych pomiarowych dotyczących ilości i jakości za-sobów, opadów oraz danych na temat wykorzystania zasobów wodnych i danych o użytkowaniu zlewni.

4. Przykład zastosowania metody do obszaru Międzyodrza, Zalewu Szczecińskiego i Zalewu Kamieńskiego pokazuje, że metoda, choć jest pracochłonna i żmudna, przy-nosi efekty, właściwie identyfikując strukturę i wielkości ładunków pochodzących z różnych źródeł, co daje podstawę do formułowania ocen, jakiego rodzaju zanie-czyszczenia dominują na danym obszarze i wymagają ograniczeń.

Formatio Circumiectus 13 (4) 2014

Propozycja szacowania ładunków zanieczyszczeń odprowadzanych do rzeki... 93

PIŚMIENNICTWO

Laskosz E., Gabryś Z., Grela J., Grzebinoga M., Jarząbek A., Krawczyk D., Gąsior M., Olszar M., 2013. Metodyka szacowania obciążenia wód rzeki Odry i jej odnóg oraz Zalewu Szczecińskiego i Zalewu Kamieńskiego. MGGP S.A. Kraków.

Tyszewski S., Herbich P., Indyk W., Jarząbek A., Pusłowska-Tyszewska D., Rutkowski M., 2008. Metodyka opracowania warunków korzystania z wód regionu wodnego oraz warunków korzy-stania z wód zlewni. Pracowania Gospodarki Wodnej „PRO-WODA” Warszawa.

Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 2.12.2014