Povrchové vody - Ústav technologie vody a prostředí

Povrchové vody - Ústav technologie vody a prostředí

definice
znečištění
samočištění
jakost a způsob klasifikace
ochrana
povodně
sucho
POVRCHOVÉ
VODY
povrchové vody
• definice dle vodního zákona:
– vody přirozeně se vyskytující na zemském
povrchu; tento charakter neztrácejí, protékají-li
přechodně zakrytými úseky, přirozenými dutinami
pod zemským povrchem nebo v nadzemních
vedeních
• stojaté a tekoucí
• z hlediska využití: vodárenské a ostatní
• vodní zdroj i recipient zároveň
Odběry povrchových vod v ČR v letech 1980–2014
Zdroj: MZe, s. p. Povodí, VÚV T.G.M., v.v.i.
Odběry podzemních vod v ČR v letech 1980–2014
Zdroj: MZe, s. p. Povodí, VÚV T.G.M., v.v.i.
Vypouštění odpadních vod v ČR v letech 1980–2014
Zdroj: MZe, s. p. Povodí, VÚV T.G.M., v.v.i.
Znečištění povrchových vod
• zdroje:
– bodové: splaškové, průmyslové, městské odpadní
vody
→ ČOV
– difúzní: malé rozptýlené zdroje
→ domácí čistírny, napojení na kanalizaci
– plošné: mokré a suché depozice, urbanizované
plochy, lesy, zemědělské plochy, vodní eroze
→ prevence: omezení plynných emisí, vhodné
hospodaření na lesních, zemědělských půdách…
• největší producenti znečištění
– chemický průmysl
– výroba celulózy
– potravinářský průmysl
znečišťující látky
• působící přímo toxicky
•
•
•
•
– OV fenolové a z povrch. úpravy kovů
– OV z nemocničních zařízení a léčeben
– tenzidy
– radioaktivní OV
– ropné látky - rozpuštěné, nerozpuštěné, emulgované, sorbované
– zemědělské znečištění
ovlivňující látkovou bilanci
způsobující organoleptické závady
„inertní“
tepelné znečištění
• nejvyšší přípustná koncentrace (NPK)
• porušení samočisticí schopnosti
eutrofizace
• soubor přírodních a uměle vyvolaných
pochodů zvyšujících obsah biogenních
prvků ve vodě (N, P aj.)
– přirozená
– antropogenní
→ zvýšení produkce biomasy (tzv. primární
produkce)
sekundární (druhotné) znečištění
• zhoršení kvality vody v důsledku primárního
znečištění
• např.
– kyslíkový deficit způsobený organismy
přemnoženými v důsledku prim. znečištění
– remobilizace sedimentů apod.
Sphaerotilus natans
legislativní ochrana
• Nařízení vlády 401/2015 Sb. o ukazatelích a hodnotách
přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod,
náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod
povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech
stanovuje:
– emisní standardy vypouštěných OV (komunálních, průmyslových,
s obsahem zvlášť nebezpečných látek)
• koncentrace ukazatelů
• minimální účinnost čištění
– NEK – normy environmentální kvality
– nejlepší dostupné technologie v oblasti zneškodňování odpadních
vod
• emisní limity - stanovuje vodoprávní úřad na jejich základě
• kombinovaný přístup = emisní limity + emisní standardy +
+ NEK + nejlepší dostupné techniky a technologie
Vypouštěné a zpoplatněné znečištění
v letech 1990-2014
Vypouštěné a zpoplatněné znečištění
v letech 1990-2014
Koloběh toxických látek a živin v tekoucích vodách
T - transport proudem vody, U - místní koloběh; 1 - přísun z břehů,
2 - přísun z atmosféry, 3 - přísun z podzemí, 4 - odlet, 5 - výlov ryb,
6 - sedimentace unášených látek, 7 - únik plynů do atmosféry
Samočištění
• souhrn přirozeně probíhajících fyzikálních,
chemických, biologických a biochemických
pochodů, kterými se povrchové vody
v přírodě zbavují znečišťujících látek
• důležitým faktorem: kyslíkové poměry
• nejúčinnější a nejrychlejší samočištění
– v mělkých peřejnatých tocích
– pod vyššími jezy
• společnost narušuje samočisticí procesy
a nutno zajistit i umělé čištění OV
Fyzikální faktory
• ředění
• mísení
• sedimentace nerozpuštěných látek
–
–
–
–
–
rozdílná hustota částic
horizontální i vertikální proudění
proměna velikosti částic
strhávání bakterií
sorpce látek
• odplavování usazenin
• přestup kyslíku
• sluneční záření a tepelná stratifikace
Schéma sezónního cyklu termiky jezera mírného pásma
Schéma sezónního cyklu termiky jezera mírného pásma
letní stagnace
podzimní cirkulace
jarní cirkulace
zimní stagnace
Schéma letní teplotní stratifikace
- epilimnion
- metalimnion
(termoklina, skočná vrstva)
- hypolimnion
Schéma sezónního cyklu termiky jezera mírného pásma
Schéma horizontálního a vertikálního členění vodní
nádrže stratifikované teplotně a světelným klimatem
v době letní stagnace
Vztah teplotní
a světelné
stratifikace
vodní nádrže
v době letní
stagnace
Vliv světelných podmínek na biochemické děje
Schéma sezónního cyklu stratifikace kyslíku
Schéma sezónního cyklu stratifikace kyslíku
Chemické faktory
• reakce látek v OV s látkami v recipientu
– oxidace, redukce, neutralizace, srážení…
• O2 a CO2
– určující je kyslíkový režim
• rozpustnost O2 ovlivňuje teplota, tlak, salinita
• koncentraci O2 ovlivňuje rovnováha na fázovém
rozhraní voda-vzduch, fotosyntéza, respirace, rozklad
organických látek
– C – nejdůležitější zákl. prvek org. hmoty
– fotosyntéza: 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2
– vertikální zonace O2 opačná než CO2
Typický průběh vertikální stratifikace rozpuštěného
kyslíku, oxidu uhličitého a teploty v době letní
stagnace ve vodní nádrži s vysokou produktivitou
oxidačně-redukční reakce
• u hladiny oxidace → imobilizace
• u dna redukce → remobilizace
srážecí reakce
• vylučování uhličitanů
Ca2+ + HCO3- → CaCO3 (s) + H+
Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 (s) + CO2 + H+
• oxidace železa a manganu
4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 (s) + 8H+
2Mn2+ + O2 + 2H2O → 2MnO2 (s) + 4H+
• reakce železnatých a sulfidových iontů
Fe2+ + S2- → FeS (s)
• reakce trojmocného železa s fosforečnany
Fe3+ + PO43- → FePO4 (s)
komplexotvorné reakce
• centrální atom + ligand
– anorg. ligandy: OH-, CO32-, HCO3-,SO42-, F-, Cl-,
CN-, polyfosforečnany
– org. ligandy: anionty huminových kys.,
fulvinových kys.
• tvorba stabilních komplexů
– komplex – jiné vlastnosti než částice, z nichž se
skládá
– ovlivnění migrace kovů v prostředí
• zabránění vzniku málo rozpustných forem kovů
• potlačení adsorpce kovů
• snížení toxicity kovů pro různé organismy
tlumivá kapacita vody
• umožňuje přírodním vodám vyrovnat se do určité míry
s kyselými nebo zásaditými OV
• způsobena protolytickými systémy, převažuje uhličitanový
systém
• vyjadřuje ji neutralizační kapacita vody
– ZNK – zásadová neutralizační kapacita - neutralizace OH• H2CO3*, H2PO4- , H2S, mastné kyseliny aj.
• uhličitanový systém: CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+
HCO3- ↔ CO32- + H+
– KNK – kyselinová neutralizační kapacita - neutralizace H+
HCO3- + H+ → CO2 + H2O
CO32- + H+ → HCO3OH- + H+ → H2O
• vyčerpání tlumivé kapacity = narušení samočisticích
procesů
tlumivá kapacita vody
• umožňuje přírodním vodám vyrovnat se do určité míry
•
s kyselými nebo zásaditými OV
neutralizační kapacita vody
– ZNK – zásadová neutralizační kapacita - neutralizace OH• H2CO3*, H2PO4- , H2S a mastné kyseliny
• uhličitanový systém: CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+
HCO3- ↔ CO32- + H+
– KNK – kyselinová neutralizační kapacita - neutralizace H+
HCO3- + H+ → CO2 + H2O
CO32- + H+ → HCO3OH- + H+ → H2O
• vyčerpání tlumivé kapacity = narušení samočisticích procesů
Biochemické a biologické faktory
• přeměna mrtvé hmoty ve výše
organizovanou živou hmotu
• odumírání organismů - rozklad
– aerobní
– anaerobní
• destruenti – producenti – konzumenti
aerobní stupně samočištění
•
•
•
•
redox potenciál nad + 50 mV
konečný akceptor elektronů – rozpuštěný kyslík (1 – 2 mg/l)
postupná oxidace organických látek, mineralizace, nitrifikace
mikroorganismy i makroorganismy
–
–
–
–
–
–
bakterie
prvoci
plankton
nižší a vyšší vodní rostliny
bezobratlí a vyšší vodní živočichové
„vodní policie“
Tubifex
a organická hmota a bakterie a prvoci a vířníci, korýši a
larvy hmyzu a ryby
anaerobní stupně samočištění
•
•
•
•
hnilobné procesy za nepřítomnosti kyslíku
bakterie
produkty: CH4, CO2, H2S, NH3, NMK
nejdůležitejší pochody
–
–
–
–
–
–
CO(NH2)2 + 2 H2O g (NH4)2CO3
rozklad bílkovin a aminokyseliny a CO2, H2S, NH3, H2O
štěpení mastných kyselin a CH4
štěpení celulózy a sacharidů
desulfatace
denitrifikace
koloběh dusíku
• základní biogenní prvek
• antropogenní zdroje: atmosférické depozice, zemědělství,
•
splaškové vody
sloučeniny N - ve vodách málo stabilní, podléhají v závislosti
na pE a pH biochemickým změnám
producenti přijímají rozpuštěný anorg. N a org. hmota
•
• nitrifikace – oxidace NH3 na NO2- až NO3– nitritace:
– nitratace:
2NH3 + 3O2 → 2NO2- + 2H+ + 2H2O
2NO2- + O2 → 2NO3-
• denitrifikace – redukce NO2- a NO3- na N2
– 5CH3OH + 6NO3- → 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH– 5C6H12O6 + 24NO3- → 30CO2 + 12N2 + 18H2O + 24OH-
• vertikální stratifikace
koloběh fosforu
• základní biogenní prvek
• antropog. zdroj: splaškové vody, splachy
• PO43- + Fe3+ a nerozpustné fosfáty
železa, nerozpustný Fe(OH)3 a hromadění
na dně
a v anaerobních podmínkách a vznik
rozpustných forem Fe a uvolnění PO43- !
Schéma koloběhu P ve vodním ekosystému
v interakci s Fe a S
koloběh síry
Mikrobiální přeměna sloučenin síry ve velmi
produktivním jezeře
Rozhodující faktory samočištění
• doba zdržení vody v daném úseku
• intenzita kontaktu mezi vodou a aktivním povrchem
koryta toku
→ rozhodujícím činitelem: společenstva organismů
Křivky kyslíkového nasycení vody v řece
po různém zatížení odpadními vodami
Schematizovaný
podélný úsek
samočištění
ovlivnění samočisticí kapacity
• opatření snižující samočisticí kapacitu vodních toků
– napřimování a zahlubování toků
– opevňování koryt
– zesplavňování toků
 zkrácení doby zdržení vody v jednotlivých úsecích koryta
 redukce nárostových společenstev
 zrychlené odvodňování krajiny, zrychlení průběhu
povodní, omezení tlumivých rozlivů povodní, prohloubení
dopadů sucha
• opatření obnovující samočisticí kapacitu vodních toků –
revitalizace
– obnovení přírodního rázu koryt → členitost trasy, příčného
profilu, podélného profilu, drsnost povrchu koryta
 členitost rychlostí a hloubek proudění vody
Přírodně a technicky upravené koryto
přirozené znečišťování
• přirozené znečišťování – přirozené
obohacování živinami do přirozené úrovně
nasycení
• umělé znečišťování → překročení
přirozené úrovně nasycení
• cílové stavy samočištění – v mezích
přirozené úrovně nasycení vody v daném
místě toku
• kvantifikace samočištění – obtížná
• vodní právo samočištění nezohledňuje
Jakost povrchových vod
a způsob jejich klasifikace
• Vyhl. č. 98/2011 Sb., o způsobu hodnocení stavu útvarů
povrchových vod, způsobu hodnocení ekologického potenciálu
silně ovlivněných a umělých útvarů povrchových vod
a náležitostech programů zjišťování a hodnocení stavu
povrchových vod
→ stav útvarů povrchových vod
• chemický a ekologický stav
• ekologický potenciál (silně ovlivněných nebo umělých útvarů)
– metodika
• situační monitoring
• provozní monitoring
• monitoring kvantitativních charakteristik povrchových vod
• průzkumný monitoring
Klasifikace jakosti tekoucích vod
• ČSN 75 7221 Jakost vod – Klasifikace jakosti
povrchových vod
atřídy jakosti
I. třída - velmi čistá voda / neznečištěná voda
II. třída - čistá voda / mírně znečištěná voda
III. třída - znečištěná voda
IV. třída - silně znečištěná voda
V. třída - velmi silně znečištěná voda
• podle skupin ukazatelů
–
–
–
–
–
obecné, fyzikální a chemické ukazatele
specifické organické látky
kovy a metaloidy
mikrobiologické a biologické ukazatele
radiologické ukazatele
Mezné hodnoty tříd jakosti vody
ukazatel
jednotka
(ČSN 75 7221)
třída
1
2
3
4
5
obecné, fyzikální a chemické ukazatele
rozpuštěný kyslík
mg.l-1
>7,5
>6,5
>5
>3
≤3
biochemická spotřeba kyslíku
mg.l-1
<2
<4
<8
<15
≥15
chemická spotřeba kyslíku - Mn
mg.l-1
<6
<9
<14
<20
≥20
chemická spotřeba kyslíku - Cr
mg.l-1
<15
<25
<45
<60
≥60
celkový organický uhlík
mg.l-1
<7
<10
<16
<20
≥20
mS.m-1
<40
<70
<110
<160
≥160
elektrolytická konduktivita
rozpuštěné látky
mg.l-1
nerozpuštěné látky
mg.l-1
<20
<40
<60
<100
≥100
amoniakální dusík (a)
mg.l-1
<0,3
<0,7
<2
<4
≥4
dusičnanový dusík (c)
mg.l-1
<3
<6
<10
<13
≥13
celkový fosfor
mg.l-1
<0,4
<1,0
≥1,0
železo
mg.l-1
saprobní index makrozoobentosu
<300 <500
<0,05 <0,15
<800 <1 200 ≥1 200
<0,5
<1
<2
<3
≥3
<1,5
<2,2
<3,0
<3,5
≥3,5
• charakteristická hodnota ukazatele
jakosti vody
– charakterizuje celý soubor naměřených hodnot
– hodnota s 90% nepřekročením
(u O2 překročením)
• pro 11 – 15 hodnot – hodnota předposlední
• pro 16 – 23 hodnot – hodnota 3. odzadu
• pro 24 a více hodnot - empirická pravděpodobnost
nepřekročení:
Pm = (m-0,3)/(n+0,4)
Pm – empirická hodnota m-té hodnoty v řadě, m – pořadové číslo
prvku ve vzestupné (pro O2 sestupné) řadě, n – počet prvků řady
• výsledky klasifikace
– hodnocené období
– aritm. průměr průtoku při odběrech vzorků
– pro každý ukazatel jakosti vody:
• celkový počet stanovení, počet hodnot pod mezí
stanovitelnosti, aritm. průměr hodnot, medián,
charakteristická hodnota, třída jakosti vody
– základní klasifikace jakosti vody
• vybrané ukazatele: SI zoobentosu, BSK5, CHSKCr,
N-NO3-, N-NH4+, Pc
• výsledná třída podle nejnepříznivějšího zatřídění
amapa jakosti vody: I. II. III. IV. V. tř.
Hlavní vodní toky v ČR
Jakost vody v tocích ČR v letech 1991-1992
Jakost vody v tocích ČR v letech 2002-2003
Jakost vody v tocích ČR v letech 2008-2009
Jakost vody v tocích ČR v letech 2009-2010
Jakost vody v tocích ČR v letech 2010-2011
Jakost vody v tocích ČR v letech 2011-2012
Jakost vody v tocích ČR v letech 2012-2013
Jakost vody v tocích ČR v letech 2013-2014
Trofický limnologický systém
• pomocí složení živé org. hmoty hodnotí
úživnost povrchových vod
– skutečná organická produkce
– potenciální produktivita
• růstová odezva zelené řasy Scenedesmus quadricauda
• Mp [mg/l] - trofický potenciál
a trofická pásma
Scenedesmus
quadricauda
Trofický potenciál
stupeň trofie
1
2
ultraoligotrofní
oligotrofní
3
4
5
6
mezotrofní
eutrofní
polytrofní
hypertrofní
trofický potenciál Mp
[mg/l]
<5
5 – 50
50 – 200
200 – 500
500 – 1000
> 1000
Odhad trofie v nádržích
stupeň trofie
Pc
[mg/m3]
≤4
průhlednost
[m]
≥ 12
chlorofyl a
[mg/m3]
≤1
ultraoligotrofní
oligotrofní
mezotrofní
eutrofní
≤ 10
10 – 35
35 – 100
≥6
3–6
1,5 – 3
≤ 2,5
2,5 – 8
8 – 25
hypertrofní
≥ 100
≤ 1,5
≥ 25
zdroj: WQA
Schéma pravděpodobnosti výskytu jednotlivých stupňů
trofické stupnice ve vztahu ke koncentraci celkového
fosforu ve vodních ekosystémech
Srovnání oligotrofních a eutrofních jezer
Ochrana povrchových vod
•
•
•
•
ochrana zdrojů podzemních i povrchových vod
výstavba ČOV
změny technologií průmyslových výrob
rozumné hospodaření v zemědělství
→ opatření
– rušení zastaralých, zavádění bezodpadových
technologií
– dodržování agrotechnických opatření
– provozní kázeň při manipulaci s ropnými aj. látkami
– intenzifikace stávajících ČOV
– zvýšení úplat za vypouštění OV
– zlepšení kontroly
Povodně
• přechodné výrazné zvýšení hladiny vodních
toků nebo jiných povrchových vod, při kterém
voda zaplavuje území mimo koryto vodního
toku a může způsobit škody
– přirozené – deště, tropické bouře, tání sněhu
– zvláštní – havárie vodního díla
• stupně povodňové aktivity
1. bdělosti (nevyhlašuje se)
2. pohotovosti – vyhlašuje vodoprávní úřad
(zák. č. 180/2008 Sb.)
3. stav ohrožení (evakuace)
• povodňové plány TNV 75 2931
• povodňové orgány
– mimo povodeň: obecní úžady, krajské úřady, MŽP
– při povodni: povodňové komise obcí, krajů, ústřední
povodňové komise
• záplavová území
policie jej uzavřela
protipovodňová ochrana
• komplexní řešení
– péče o odtok srážek
– ochrana území
– snaha o příznivý odtok v závěrném profilu
• priority
1. ochrana zastavěných území obcí
2. ochrana nezastavěných, zemědělsky využívaných ploch
• snaha o soulad opatření technických a přírodních
–
–
–
–
–
podpora vsakování a zadržení srážkových vod
zpomalování koncentrace a postupu povodňových vln
obnova potočních a říčních pásem
vytváření ochranných koryt
poldry – suché nádrže
PPO jednotlivce
před povodní
• vytipujte si bezpečné místo
• kontaktujte přítele mimo záplavovou oblast
• připravte:
–
–
–
–
–
pytle s pískem
potraviny a vodu na 2 - 3 dny
automobil k použití
evakuaci zvířat
evakuační zavazadlo
(tvanlivé potraviny, pitná voda, předměty denní potřeby, osobní
doklady, peníze, pojistné smlouvy, cennosti, přenosné rádio + baterie,
hyg. potřeby, léky, svítilna, náhr. oděv, obuv, pláštěnka, spacák nebo
deka, nůž, zápalky, zvuková signalizace)
• upevněte věci, které by mohla voda odnést
při povodni
• opusťte ohrožený prostor
• dodržujte zásady pro opuštění bytu / domu
• přesuňte se na vytipované místo
po povodni
• zkontrolujte stav obydlí
• zlikvidujte uhynulé zvířectvo, potraviny, plodiny
• informujte se o místech human. pomoci
• kontaktujte pojišťovnu
Sucho
• klimatické změny
• nešetrné hospodaření v krajině (odstranění
důležitých krajinných prvků, napřímení vodních
toků, scelení pozemků, zvýšená orientace na
produkci technických plodin)
– odvodnění a erozní ohrožení půdy → narušení
přirozeného vodního režimu krajiny → povodně,
sucha, degradace půdy
• Meziresortní komise VODA-SUCHO
• opatření: omezení poptávky po vodních zdrojích,
regulace požadavků v problematických obdobích,
zvyšování množství a kvality vodních zdrojů
Zdroj: ČHMÚ
rekapitulace
• eutrofizace
• chemické, fyzikální
a biologické faktory samočištění
• vertikální stratifikace
• koloběh N a P ve vodním ekosystému
• klasifikace jakosti povrchových vod
– třídy jakosti
– trofický stupeň, saprobní index
• protipovodňová opatření, revitalizace
• sucho
Tyto materiály jsou určeny především pro studenty Vysoké školy chemicko-technologické v Praze.
Některá data v nich obsažená jsou z veřejných zdrojů a z důvodu přehlednosti nejsou uvedeny
všechny citace tak, jak bývá v odborné literatuře zvykem.
S případnými výhradami se, prosím, obracejte na autory.
Pavla Šmejkalová, Aleš Pícha