Znečišťování vod a ekologie technických zásahů Jan Helešic Ústav botaniky a zoologie MU Brno Syllabus nCo je náplní přednášky nDostupné učebnice – Domácí – Cizí nHistorie zacházení s vodou nVývoj legislativy nSoučasné normy a zákony n Syllabus nOvlivňování biologických procesů ve vodách člověkem –hydrologický režim recipientů nvodárenské odběry a derivační elektrárny nekologicky únosné minimální průtoky nVodní stavby – Podélné regulace – Příčné regulace nJezy nPřehrady nPřerušení říčního kontinua a špičkování hydroelektráren Syllabus nZnečištění vod – Globální znečištění nAcidifikace vodních ekosystémů nEutrofizace vodních ekosystémů nGlobální oteplování nGlobální znečišťující látky a radionuklidy – Lokální znečištění nTepelné znečištění Syllabus nLokální znečištění – Klasifikace odpadních vod n Typy a zdroje odpadních vod n Biologické účinky – Samočisticí pochody ve vodních tělesech (recipientech) n Syllabus nPřirozená a řízená restaurace a revitalizace vodních ekosystémů – Pojmy a legislativa – Na úrovni povodí – krajiny – Na úrovni říčního úseku – Zdánlivý střet ekonomicko-sociálních zájmů s ekologickými Dostupné učebnice domácí nZelinka M. & Kubíček F., 1985: Základy aplikované hydrobiologie. Skripta. SPN Praha. nZelinka M. & Sládeček V., 1964: Hydrobiologie pro vodohospodáře. SNTL Praha nSládečková A. & Sládeček V., 1995: Hydrobiologie. Nakl. ČVUT. nSládečková A., Vymazal J. & Sládeček V., 1982: Návody k laboratořím z technické hydrobiologie. Skripta VŠCHT Praha. nStraškraba M. akol., 1992: Metodika sledování a hodnocení jakosti vody vodárenských nádržích. HBÚ ČSAV Č. Budějovice. nSvobodová Z. a kol., 1987: Toxikologie vodních živočichů. MŽP ČR a ČRS, SZN Praha. nŠtěpánek M. a kol., 1979: Hygienický význam životních dějů ve vodách. Avicenum Praha. nŠtěrba O. & Rosol J., 1989: Znečištění a ochrana vod. Skripta PF UP Olomouc. Dostupné učebnice - cizí nHynes H.B.N., 1960: The biology of polluted waters. Liverpool Univ. Press nWelch E.B. & Lindell T., 1980: Ecological effectes of wastewater. Applied limnology and pollution effects. E&FN SPON, London nMason C.F., 1991: Biology of freshwater pollution. Second edition. Longman sci.&Tech., Harlow England nHellawell J.M., 1986: Biological indicators of freshwater pollution and environmental management. Elesevier App.Sci.Publ., London nRosenberg D.M. & Resh V.H. (Eds.), 1993: Freshwater biomonitoring and benthic macroinvertebrates. Chapman & Hall, New York. Dostupné učebnice - speciální nCalow P. & Petts G.E. (Eds.), 1994: The Rivers Handbook.I.II., Blackwell Sci., Oxford. nEiseltová M. & Biggs J., 1995: Restoration of stream ecosystems. An integrated catchment approach. IWRB Publ. 37., UK. nEiseltová M. (Eds.), 1994: Restoration of lake ecosystems. A holostic approach. IWRB Publ. 32, UK. nGore J.A. (Eds.), 1985: The restoration of rivers and streams. Theories and Expirience. Butterworth Publ., Boston, UŚA. nHarper D.M. & Ferguson J.D. (Eds.), 1995: The ecological basis for river management. J.Wiley & Sons, Chichester. nBoon P.J., Calow P. & Petts G.E. (Eds.), 1992: River conservation and management. J.Wiley & Sons, Chichester. nNriagu J.O.(eds.), 1983: Aquatic toxicology. J.Wiley & Sons, New York. nHoffman D.J., Rattner B.A., Burton Jr., G.A. & Cairns Jr., J.,1995: Handbook of ecotoxicology. Lewis Publ., Boca Raton. Náplň oboru nAplikace obecných poznatků do vodohospodářské praxe nCo sem patří: –Detekce, kvalifikace a kvantifikace antropogenních vlivů –Bioindikace stavu vodního prostředí –Biotechnologie ve vodohospodářství –Využívaní a zneužívaní vody člověkem Ekologické vlivy (disturbance) ve vodním ekosystému nZměna klimatu nVzestup UV radiace nRůst populace nEmise z dopravy nRozšiřování měst nKyselý déšť nSpotřeba vody v aglomeracích nUžívání biocidů nChlorace vody nProdukce tekutých odpadů nVodní nádrže a elektrárny nVysychání recipientů nMinimální průtoky nDrénování kyselých hornin nIntrodukce nových druhů nExport vody mezi povodími nVysoké průtoky - záplavy nPlavení dřeva nMotorová lodní doprava nSportovní rybářství nVodní sporty Historie zacházení s vodou (vodohospodářství) nBabylonie (Chammuraki) – první známé zákony o vodě – 18. stol. před Kristem – Kdo ukradne nádobu na vodu zaplatí tři šekely, kdo ukradne vodní kolo, bude mu uťata pravá ruka –Mutakki (1130 p. Kr.) – Zloděj konve vody byl trestán smrtí –Pojem „vodoprávní jednání“ – spory měst Ur, Eridu, Nirive a Akkad o vodu z Eufratu. První vodohospodářské stavby n2000 let p.Kr. – vodovod ve městě Bavianu v Asyrii (první známe klenby v architektuře) nStavitel Iy v Číně – první řízení průtoku na řekách Jangc´tiang a Chuang Che, hráze, povodně jen za 10 – 20 let, stal se císařem Chuang Ti. nEvropa - Řím– Aqua Appia 305 l p. Kr. stavitel Appius Claudius nDoba Augusta Octavia – 700 veřejných studní, 130 kašen a 150 vodotrysků n n Vodohospodářská správa nBabylonie – královský úředník se zvláštními poctami – na ulici byl doprovázen čestným doprovodem dvaceti pištců a bubeníků. Museli mu dávat přednost všichni mimo kněží a královské rodiny. nŘím r. 97 za císaře Nera – ministr Curator Aquarum Vodní právo v Anglii n1653 – The Compleat Angler n1847 – The Gas Works Clauses Act n1861 – 1865 – The Salomon Fischeries Act n1857 – ministerstvo Royal Commission on Prevention of River Pollution n1876, 1890 – The Rivers Pollution Act n1898 – Royal Commission on Sewage Disposal n1898 – Ministry of Health, Agriculture and Fisheries nI. Světová válka – klasifikace dle B.O.D. Vodní právo u nás nKolem 1500 – Vladislav Jagelonský – právní zásada o veřejnosti tekoucích vod. Splavné řeky byly statkem královským (tedy státním). n16. a 17. stol. – mlynářské řády n19. stol. Rakouský občanský zákon n1870 – Říšský vodní zákon (93/1869) nPrvní republika – platí Říšský zákon nI. Státní vodohospodářský plán 1949 – 50 nZákon o vodním hospodářství 11/1955 Sb. nZákon o vodním hospodářství 138/1973 Sb. nZákon č. 254/2001 Sb. - o vodách (vodní zákon) http://www.tzb-info.cz Principy práva nZákon nVládní nařízení nVyhlášky vlády a ministerstev nVyhlášky krajů a obcí nSměrnice (WFD – Rámcová směrnice o vodě – EU, Směrnice OECD, UNESCO, IUSN atd.) nNormy (ČSN – EN – ISO) nZávazné metodiky Historie aplikované hydrobiologie nHodnocení jakosti vod – saprobiologie – Kolkwitz & Marson (1902,1908,1909) – Thienemann 1930 – metody – Pantle & Buck 1955 – Liebmann 1958 – 1962 – Hynes 1960 – Wetzel 1965 – Uhlmann 1970 Historie aplikované hydrobiologie – u nás nBratři Cyrusové a R. Šrámek – Hušek nL. Hanuška nV. Sládeček, M. Zelinka, P. Marvan, F. Kubíček nA. Sládečková, P. Rotschein, nJ. Zahrádka, S. Zahrádková, J. Kokeš, D. Němejcová, K. Brabec a pracovníci povodí. n n Kde se provozuje nMinisterstvo životního prostředí – Výzkumný ústav vodohospodářský TGM Praha, Brno, Ostrava – Český hydrometeorologický ústav Praha s pobočkami Brno, Ostrava. – Česká geologická služba – Agentura ochrany přírody – Česká inspekce životního prostředí Kde se provozuje nMinisterstvo zemědělství – státní podniky Povodí Ohře, Vltava, Labe, Morava a Odra nVelké toky, vodní nádrže – Zemědělská vodohospodářská správa nZVHS zabezpečuje výkon správy drobných vodních toků v délce více než 35 tisíc kilometrů a více než 11 tisíc kilometrů odvodňovacích zařízení, dále mimo jiné i 493 nádrží (stav k 31.12.2005). Jedná se o vodní toky protékající zejména zemědělsky využívanou krajinou, ale i zastavěnými částmi obcí. –České lesy s.p. n drobné toky v lesích n Státní podniky Povodí CR2 Kde se učí nVysoká škola chemicko-technologická Praha – Fakulta technologie ochrany prostředí nÚstav technologie vody a prostředí nVysoké učení technické v Brně –Chemická fakulta nÚstav chemie a technologie ochrany životního prostředí –Fakulta stavební nÚstav vodního hospodářství obcí nÚstav vodních staveb nÚstav vodního hospodářství krajiny nMendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně –Agronomická fakulta nÚstav zoologie, rybářství, hydrobiologie a včelařství nČVUT Praha, ČZÚ Praha a další UVODSCHEMA001 Potřeba a spotřeba vody UVODSCHEMA002 Ovlivňování biologických procesů ve vodách člověkem Hydrologický režim recipientů 1.Vodárenské odběry, odběry pro závlahy 2.Derivační vodní elektrárny 3.Přehrady s energetickým nebo závlahovým režimem 4.Podélné regulace přítoků a vlastního toku 5.Změny v krajině – lesnatost, zemědělské hospodaření, zástavba krajiny lidskými sídly Derivační elektrárny Mlýny a mlýnské náhony hydro003 Derivační vers. klasická elektrárna hydro004 Přehrady s energetickým nebo závlahovým režimem hydro005 Co tyto regulace vyvolávají? nZměna ročního a denního hydrologického režimu nZměna ročního a denního teplotního režimu nZměny v odnosovém režimu nZměny morfologie a granulometrie sedimentů dna a břehů nMinimální průtoky n Roční průběh průtoků a teplot Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny 27 Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 Evening peak (max. 16.3 m 3 /s) Morning peak (max. 16.5 m 3 /s) Hours 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Morning peak (46 m 3 /s) Evening peak (46.5 m 3 /s) Morning peak (32 m 3 /s) hours 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Morning peak ( 47m 3 /s) Evening peak (50 m 3 /s) Morning peak (46 m 3 /s) hours 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 1,0 m 3 /s Whole day peak (max. 47 m 3 /s) Morning peak (32 m 3 /s) hours hydro006 Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny 15 20 25 30 35 40 45 2 4 6 8 10 Early morning peak (7,8 m 3 /s) Afternoon peak (9,8 m 3 /s) hours 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 Afternoon peak (10 m 3 /s) Early morning peak (28m 3 /s) hours 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 Evenig peak (47 m 3 /s) Morning peak (10 m 3 /s) hours Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny hydro007 Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny hydro008 Denní průběh průtoků – špičkující vodní elektrárny nZměna hydraulických parametrů – max. a min. průtoky n No. of Turbine Rel. Depth (cm) Discharge (m3.s-1) Current Velocity (m.s-1) Boundary Reynolds No. Shear Stress (dyn.cm-2) 0 15 1.2 0.3 10.5 413 1 55 16 0.9 21.8 1515 2-3 70 31-46 1.5 34.8 1928 Změny v teplotě vody a v dalších parametrech Změna saturace a vodivosti Denní změny teploty a dalších parametrů 0 20 40 60 80 10 20 30 40 50 60 Time (min) 8 10 12 14 Diss. oxygen Temperature pH Depth Denní změny teploty a dalších parametrů 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 Time (min) 6 7 8 9 10 11 12 Diss. oxygen Temperature pH Depth Změny v dně a na březích nRychlý odnos lehkých částic – nic se neukládá, koryto se pořád vyplachuje nKolísání saturace – posun anoxické – redoxní zóny k povrchu –Důsledek substrát prorostlý inkrustacemi železa a manganu –Neprostupnost dna nTrvalá a masivní eroze břehů Změny v granulomerii substrátu Změny v organické hmotě v sedimentech 100-0056_IMG 100-0057_IMG 100-0007_IMG Biologické a ekologické důsledky změn hydrologického režimu nNa úrovní druhů a populací bezobratlých a obratlovců nZměny společenstev bezobratlých a obratlovců n„Montanizace“ potamálních úseků nPřerušení řičního kontinua (River Discontinuity Concept) nFragmentace říčních úseků n Minimální průtoky nŠpičkování – mezi špičkami často až nulové průtoky nDerivační elektrárny – mlýny s náhony – ovlivněný úsek řeky nOdběry vod – vodárenské a užitkové nManipulace s vodospodářskými soustavami např. napouštění rybníků Definice minimálního průtoku MQ nMQ je bilanční hodnota, která má charakter přednostně zabezpečovaného nároku na vodní zdroj; respektuje zachování podmínek pro biologickou rovnováhu v toku a v jeho nejbližším okolí a umožňuje obecné užívání vody, které nevyžaduje povolení vodohospodářských orgánů. (SVP ČR) n Bernhard Statzner 1990 nZákladem posouzení musí být morfologie dna. nČím větší byly technické úpravy v korytě řeky, o to musí být nadlepšen zbytkový průtok (Resrabfluss). nPro bezobratlé je hloubka méně kritickou proměnnou než pro ryby, kde je třeba respektovat také určité proudění. nZbytkový průtok by měl být “přírodě blízký”, včetně příslušného složení a distribuce celkové fauny dna nebo významných druhů. nZbytkový průtok musí vyhovovat rybám i kořisti. nPrůtokové podmínky vyhovující chráněným druhům se musí preferovat před ostatními. nMQEKOL se musí stanovovat případ od případu. Metoda Kubíček & Zelinka nDle m-denních průtoků nQ 330 – 300 ekologicky únosný průtok dle kvantitativních dat – zachováno 80% abundance a biomasy minpru022 Doporučovaná MQ v korytě nQM dní za N let: Stalnaker 1979, Bovee 1982 - hodnota minimálního průtoku Q7dní za 10 roků je definovaná jako skrytá zásoba vody, která poteče během M(7) za sebou jdoucích dní a bude podkročena 1x za N(10)let. nMQEKOL: Statzner 1990 nQMF: minimum flows (Gordon et al. 1992) je průtok potřebný pro volný pohyb ryb, k zajištění dostatečných skryší, má přijatelnou teplotu, obsah kyslíku a úměrnou salinitu n Doporučovaná MQ v korytě nQ364 - Q355 : Vodohospodářská praxe, Metodika pro úpravu toků (revitalizace) nQ364 - Q355 - Q330: Odpovídá %Q 8 - 14 - 22 % (Kubíček a kol. 1991) nQ347: N=10, přirozené toky bez ovlivňování (Swiss, Germany - Schädler 1988) nQA: 10-30% ® 60-100% (krátkodobé přežití až optimum pro ryby a bezobratlé - Leonard et al.1986, Tennant 1976 metoda Montana) nQ300-Q330: Poupě 1991, pro ryby nQ210-Q270: Mužík 1993, pro ryby nQ180: Správa CHKO Jeseníky, pro lososovité a mihule nMQbiol: Zelinka 1983 nMQEKO: Horváthová &Škoda 1994 (0,65 - 0.75 Q364) n Doporučovaná MQ v korytě minpru023 Hodnoty Q - řeka Svratka Hodnoty Q - řeka Dyje Vliv změn hydrologie a fyz.-chem. parametrů nPopulace a druhová úroveň Taxony jen nad přehradou Vranov nPlumatela repens nUnio crassus nUnio pictorum nLymneaidae nPotamantus luteus nEphoron virgo nApelocheirus aestivalis nCyrnus trimaculatus nNeureclipsis bimaculata nLype phaeopa nArthripsodes cinereus nA. albifrons nMystacides nigra nCeraclea dissimilis Taxony jen pod přehradou Vranov nDugesia gonocephala nPolycelis nigra nPerlodes microcephala nIsoperla grammatica nIsoperla obscura nPerla burmeisteriana nLeuctra fusca nLeuctra albida nGammarus roeseli nAgapetus sp. nOligoplectrum maculatum nLimnephilus sp. nPotamyphylax latipes nChaetopteryx sp. nSericostoma sp. Biomasa a produktivita minpru024 minpru025 Reakce společenstva vodních bezobratlých Počet taxonů – druhová bohatost Druhová rozmanitost Jak dlouhý úsek je ovlivněn Sampling sites Value of t- test P S1 - S2 2.33 0.04 S2 - S3 - 0.62 0.55 S3 - S4 - 2.24 0.04 S1 - S4 - 0.24 0.82 Na Dyji až do vzdálenosti 32 km po proudu pod přehradou Vranov Ostatní typy příčných přehrazenin - jezů minpru026 Základní vlastnosti a vlivy nVznik nádrže – pohyb splavenin nAiryho rovnice G = B . v 6 G – hmotnost částice, B – součinitel koef. tření, hustoty vody a částic, v – rychlost proudění minpru027 Základní vlastnosti a vlivy nNádrž –Vznik nového prostředí – stojaté vody n usazené sedimenty – rozkladné procesy – odnímaní rozpuštěného kyslíku n větší plocha hladiny – teoreticky větší možnost rozpouštění kyslíku přes fázové rozhraní –Vlastní přepad vodního paprsku přes korunu jezu nebo vývar spodní výpusti n Základní vlastnosti a vlivy nDůležitá veličina – konstanta reareace K2 , která je měřítkem reareačních schopností toku a je závislá na teplotě, turbulenci vody, ploše hladiny atd. nNahrazuje se: n Rovnice pro atmosférickou aeraci Součin udává množství kyslíku v g, které projde za 1 den přes plochu 1 m2. Hodnota je přímo úměrná kyslíkovému deficitu pod hladinou; čím deficit větší tím se voda rychleji dosycuje. Základní vlastnosti a vlivy minpru028 Základní vlastnosti a vlivy nV nádrži nad jezem může vniknout anoxická nebo anaerobní zóna – v zásadě neznámy jev pro tekoucí vody nNa přepadu – ve vývaru překotné sycení vodou plyny ze vzduchu (O2 a také N2) nVznik mikrobublinek plynů – efekt tzv. bubble disease - nekrózy na žábrách ryb a bezobratlých = snížení fitness a produkce Přerušení říčního kontinua minpru029 Přerušení říčního kontinua minpru030 Přerušení říčního kontinua srdm031 Rozdíly mezi odtokem z epilimnia resp. nestratifikované nádrže a z hypolimnia Přerušení říčního kontinua nZměny ve spirálním koloběhu látek srdm032 Přerušení říčního kontinua srdm033 Změny v poměru CPOM/FPOM Vliv na potravní skupiny bezobratlých Přerušení říčního kontinua - souhrn srdm034 Přerušení říčního kontinua - souhrn srdm035 srdm036 Ostatní regulace – opevňování břehů a dna srdm037 a)Zatrubnění b)Panelová opevnění – plné nebo vegetační tvárnice c)Zpevněný nebo nezpevněný kamenný zához, drátěný program d)Kamenný zához jen na nárazovém břehu srdm042 Přípustné opevňování břehů Ostatní regulace – opevňování břehů a dna srdm038 srdm039 Reakce bioty na opevňování – potravní skupiny Reakce bioty na opevňování – diverzita společenstva Ostatní regulace – podélný profil srdm040 srdm041 Návrhy úprav geometrie toku (Jihlava) srdm043 Snížení samočisticích schopností toku Fragmentace řek (ekosystémů) srdm044 srdm045 Náprava a záchrana znehodnocených ekosystémů nRestaurace ekosystémů – pojem hlavně užívaný v USA a Britanii –Odstranění příčiny nebo umělé vytvoření podmínek blízkých původnímu stavu nRevitalizce – v EU –Vše jak v předešlém bodě a navíc vrácení původních taxonů flory a fauny Předmět a úroveň zásahů revital077 Vstupní údaje a rozhodovací proces revital079 Paradox hospodářské úrovně a znečištění vod / znehodnocení ekosystémů Integrovaný ekologicko-ekonomické-sociální management revital080 Realizovatelné cíle revital081 revital078 Úroveň povodí – říční systém (dílčí povodí) nNáprava odtokových poměrů v krajině nÚroveň zemí (územních celků) a států revital082 Kde lze zasáhnout, co lze změnit revital083 Záplavová území - nivy revital084 Ohrázování nivy revital085 Úpravy říčních úseků I. revital086 Úpravy říčních úseků II. revital087 Úpravy říčních úseků III. revital088 Úroveň habitat – úpravy jezů – koruna jezu a objem zdrže revital089 Úroveň habitat – úpravy jezů – prostupnost jezu revital090 revital091 Úroveň habitat – prostupnost říčních úseků nRybochody na jezech – vedle jezového tělesa – v jezovém tělese – rybí výtahy (elevátory) – zábrana migrace ryb do turbín nSpeciální zastíněné náhony s větší hloubkou nVybudovaní cesty přímo v korytě n Úprava břehů a dna revital092 Biomonitoring zásahů nPopulace indikátorových taxonů nSpolečenstva bezobratlí a ryby revital093