Hydrosféra – typy vod RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz Typy vod Äantropogenní - odpadní Äpřírodní - atmosférické, podzemní, povrchové atmosférické povrchové (tekoucí, stojaté, mořské) přírodní podzemní (prosté, minerální) VODY odpadní splaškové průmyslové Vody podle užití – pitná, užitková, provozní, odpadní 3 Voda mohla být na Zemi už při jejím formování. Hydrosféra byla na Zemi již před více než 4 miliardami let. Mohla vzniknout při formování Měsíce. Skupenství vody vodní pára kapalina led Soubor:Glacial iceberg in Argentina.jpg Světové vodní zdroje Hydrosféra (vodní obal Země) představuje soubor všeho vodstva Země – tj. povrchové vody, podpovrchové vody, vody obsažené v atmosféře a vody v živých organismech. Na planetě Zemi neustále probíhá přesun vody mezi jednotlivými jejími rezervoáry. Povrchová voda je soustředěna převážně ve světovém oceánu a mořích, dále ve vodních tocích, v přírodních vodních nádržích (jezerech, bažinách, rašeliništích atd.), v umělých vodních nádržích (přehrady, rybníky), ve formě sněhu a ledu. Voda podpovrchová je obsažena v půdních pórech, průlinách, ve formě podzemního ledu v permafrostu. Voda v atmosféře se vyskytuje ve skupenství plynném (vodní páry), ve skupenství kapalném (vodní kapky), ale i ve skupenství pevném (sněhové vločky) a na závěr voda v živých organismech je bezpodmínečnou součástí rostlinných a živočišných těl (většinou přes 50 % jejich živé hmotnosti). Celkové zásoby vody na Zemi činí asi 1 370 000 km³, z toho sladká voda představuje 2,7 %. Ve světovém oceánu je obsaženo asi 97 % slané vody. •Největší množství sladké vody na světě, asi 70 %, je vázáno v ledovcích, a to zejména v Antarktidě a Grónsku. •Dalších téměř 30 % tvoří podzemní voda, většinou uložená hluboko pod zemským povrchem. •Pouze necelé 1 % tvoří povrchová voda (nejvíce jí je v jezerech, méně ve vodních tocích), voda v atmosféře a ve veškeré živé hmotě. Zdroje G:\Přednášky\Přednášky_verze pro přednášení\CHŽP_III_Hydrosféra, pedosféra, biosféra\Podklady\Watercyclesummary.jpg Globální hydrologický oběh je nejmohutnější ze všech přirozených látkových cyklů planety. Voda na zemském povrchu je v neustálém koloběhu (cirkulaci), kterého se zúčastňuje ročně 600 tisíc km³, která během oběhu přechází postupně z jednoho skupenství do druhého. Oběh vody je způsoben dopadající sluneční energií a zemskou přitažlivostí. Vlivem dopadajícího slunečního záření se voda ze zemského povrchu vypařuje do atmosféry, kde jí unášejí vzdušné proudy v podobě mraků. Při následném poklesu teploty dojde k tomu, že vodní pára začne kondenzovat v mracích a začne se snášet zpět na zemský povrch v podobě dešťových, či sněhových srážek. Převážné množství srážek spadne zpět do oceánu a jen asi 8,3 % dopadne na pevninu. Ze zeměpisného hlediska rozlišujeme dva oběhy: velký (výměna nastává mezi oceánem a pevninou) a malý vodní oběh (výměna probíhá pouze nad oceánem či pouze nad pevninou). Na planetě Zemi neustále probíhá přesun vody mezi jednotlivými jejími rezervoáry. Pohyby vzduchu a vody zejména v zemské atmosféře zkoumá také klimatologie a meteorologie. Voda se v kapalném a plynném stavu v pozemském prostředí prakticky neustále pohybuje a mění své skupenství. Neustálý pohyb vody probíhá i v mořích a oceánech, kde jde zejména o mořské proudy. Na pohyb vody má, kromě odlišného zahřívání vody a vzduchu nad pevninou a oceánem, vliv gravitační působení Země. Voda působením gravitačních sil teče vždy dolů, tedy stéká z vyšších míst na zemském povrchu do nižších míst (vodní toky). Pohyb vody v kapalném stavu dále také ovlivňuje i rotace Země, kde působí unášivá Coriolisova síla a odstředivá síla. Na pohyb vody mají vliv i slapové síly Slunce a Měsíce, které způsobují slapové jevy zvané příliv a odliv. Do zemského pláště nyní mizí přibližně 400 miliard kg vody ročně. Ale může to být i třikrát více než se odhadovalo, takže se ani nestačí dostávat tolik vody zpět na povrch. Nicméně i sopečné erupce mohou na povrch přivádět více vody než se dříve předpokládalo. Koloběh vody v zemském plášti je tak možný. Světové vodní zdroje http://img.ihned.cz/attachment.php/920/61016920/qVen3IkgfL26cE7jOHFA9NWpCSl8obP0/jarvis_55b52502498 e25ac055334bc Pro organismy včetně člověka je jako pitná voda využitelná pouze voda sladká (2,53 % celkového vodního objemu). Z tohoto množství je většina vody však vázána v ledovcích (68,4 %). Hlavním zdrojem vody je pro člověka voda ve vodních tocích a voda podpovrchová, která tvoří jen 1% veškeré vody na Zemi. V současnosti dochází k velkému znečišťování a poškozování vodních zdrojů, čímž pitné vody stále ubývá (již v současné době je cca 1 miliarda lidí bez dostatečného zdroje pitné vody). Hydrologický cyklus Odpaření (evaporace) Srážky a přímé odpaření a zachycení rostlinami a odpaření („vypoceni= evapotranspirace“) a povrchový odtok a vsakování (infiltrace) a mělký oběh a rezervoár podzemní vody Cesty K oběhu dochází účinkem sluneční energie, zemské gravitace a rotace Země. Voda se vypařuje z oceánů, vodních toků a nádrží, ze zemského povrchu (výpar, evaporace) a z rostlin (transpirace), dohromady se používá pojem evapotranspirace. Vodní páry a drobounké kapičky vody v oblacích se pak v ovzduší pohybem vzduchových mas způsobených nestejným zahříváním vzduchu nad pevninou a oceány i zemskou rotací neustále přemisťují (cirkulace atmosféry). Po kondenzaci páry z ovzduší dopadá voda ve formě srážek na zemský povrch, zejména ve formě deště a sněhu (viz hydrometeory). Zde se část vody hromadí a odtéká jako povrchová voda, vypařuje se zpět do ovzduší nebo se vsakuje pod zemský povrch a doplňuje zásoby podzemní vody (infiltrace). Podzemní voda po určité době znovu vystupuje na povrch ve formě pramenů nebo dotuje vodní toky (drenáž podzemní vody). Zdroje Dva hlavní faktory: ÄKvalita ÄMnožství Podzemní voda Äméně než 1 % z celkového množství vody Ä40× více než ve sladkovodních jezerech Ävíce než 98 % nezmrzlé vody v hydrologickém cyklu jako podzemní voda Ävětšinou v oblasti do 750 m Äobjem ekvivalentní vrstvě 55 m vody na kontinentech Podzemní voda tvoří asi 30% světových zdrojů sladké vody, což je asi 1% vody na celém světě, včetně oceánů a permanentního ledu. Je důležitým zdroj, který může fungovat jako přirozené úložiště, které může tlumit nedostatek povrchové vody v době sucha. Podzemní voda je přirozeně doplňována povrchovými vodami ze srážek, potoků a řek, když tento doplněk dosáhne hladiny podzemní vody. Podzemní voda může být dlouhodobým „rezervoárem“ přirozeného vodního cyklu (s dobou zdržení od dnů do tisíciletí), na rozdíl od krátkodobých vodních rezrvoárů, jako je atmosféra a sladká povrchová voda (které mají krátkou rezidenci). časy od minut do let). Pro hlubokou podzemní vodu (která je vzdálená od povrchového doplňování) může trvat velmi dlouho, než se dokončí její přirozený cyklus. Hydrologický cyklus - kvantifikace Objem vody v jednotlivých zásobnících (v miliónech km3) a toky vody (v miliónech km3 za rok). Townsend et al. (2010) Ročně se z oceánů vypaří cca 430 000 km3 vody, z níž většina spadne opět ve formě srážek do oceánů. Dalších 70 000 km3 se vypaří z pevnin. Ve formě srážek dopadne na pevninu ročně pouze cca 110 000 km3 vody, z níž největší část se vypaří, část odteče řekami (40 000 km3 - tzv. stabilní roční odtok) a část dosáhne moře jako podzemní voda. Převážné množství srážek spadne zpět do oceánu. Existuje rovnováha srážek a výparu, ale V celoroční bilanci může množství srážek převýšit Evapotranspiraci nebo naopak. Jelikož je přenos vodní páry z oceánů do atmosféry doprovázen velkým množstvím tepelné energie, tento podproces hydrologického cyklu reguluje klima a počasí. Koloběh vody je skutečně velmi komplexní nekonečný systém s mnoha podprocesy. Například čím více tepla ledovec přijme, tím je sice méně zásobárny vody v pevném stavu, nicméně tím více je povrchové vody, která odteče do oceánu, tím více se může vypařit vodní páry, a konečně tím více může vzniknout srážek, jež mohou opět dopadnout na ledovec v podobě ledových krystalků. V ideálním případě je koloběh vody rovnovážný cyklus a "čím více ubude, tím více přibude". Zároveň všude platí reverzní vztah, což znamená, čím více ledovce, tím více povrchové vody, a současně, čím více povrchové vody, tím méně ledovce. Hydrologický cyklus Přemisťování vody pomocí nadzemních i podzemních odtoků chemicky i fyzicky eroduje zemi a utváří její reliéf. Převádí a ukládá sedimenty do řek, vytváří delty či povrch mořského dna. Pokud voda pronikne do porézních částí zemského povrchu, může rozpustit skály a utvářet tak krasové systémy. Voda dále přenáší minerály a živiny, jež jsou potravou pro sladkovodní a mořské ekosystémy. V neposlední řadě je voda největší složkou většiny biologických organismů. V lidském organismu se nachází přibližně 60% vody, v těle medúzy až 90%. Vztahy mezi vodou a krajinou Voda a sluneční energie jsou základem fungování veškerých biogeochemických cyklů na Zemi, jež zahrnují pohyby chemických prvků mezi organismy a neživými částmi atmosféry, litosféry a hydrosféry. Hydrologický cyklus tak ovlivňuje mnoho dalších dynamických systémů. Zatímco koloběh vody je sám o sobě biogeochemickým cyklem, tok vody nad a pod Zemí je klíčovou součástí cyklování dalších biogeochemikálií. Odtok je zodpovědný za téměř veškerý transport erodovaného sedimentu a fosforu z pevniny do vodních ploch. Salinita oceánů je odvozena z eroze a transportu rozpuštěných solí z pevniny. Kulturní eutrofizace jezer je způsobena především fosforem, který se v nadměrném množství aplikuje na zemědělská pole v hnojivech a poté se transportuje řekami. Splavování do podzemních vod i tok podzemní vody hrají významnou roli při přepravě dusíku ze země do vodních útvarů. Odtok také hraje roli v uhlíkovém cyklu, opět prostřednictvím transportu erodované horniny a půdy. 13 Vztah bilance vody a energie Diagram Description automatically generated Define footer – presentation title / department 14 Dokonalé klimatizační zařízení: strom Define footer – presentation title / department 15 Energetická bilance krajiny Pokud sluneční energie dopadne na odvodněné plochy, přem ění se v teplo, zvětší se rozdíly teplot mezi dnem a nocí, zvětší se i rozdíly teplot mezi místy (např. mezi pevninou a mořem, mezi odvodněnými plochami a horami), což má za následek zrychlené proudění vzduchu i přívalové srážky. Ubývá srážek malých a častých, přibývá srážek mohutných i když méně častých. Klima se mění na kontinentální, na stepní. • Odvodňováním velkých ploch podstatně omezujeme výpar a tím zmenšujeme i jeho klimatizační efekt. Člověk tedy svojí činností výrazně mění toky (způsob disipace) sluneční energie v krajině. Krajina se mění ze systému živého, dynamického, nerovnovážného na systém neživý, fyzikální bez schopnosti autoregulace. • Změny toků sluneční energie působné neuvědoměle hospodářskou činností člověka jsou o několik řád ů vyšší nežli jsou toky energie člověkem produkované a registrované v ekonomice. Antropogenní ovlivnění hydrologického cyklu Lidské aktivity, které ovlivňují hydrologický cyklus: zemědělství průmysl změna chemického složení atmosféry výstavba přehrad odlesňování a zalesňování odstraňování podzemní vody ze studní odběr vody z řek urbanizace - aby se zabránilo jejímu dopadu, lze procvičovat městský design citlivý na vodu Voda je kritickým zdrojem pro udržení života Odhadovaná spotřeba vody porovnání spotřeby vody v roce 2010 a 2030 Přístupná voda se zajištěnou dodávkou v současnosti pochází z více než osmdesáti procent z povrchových zdrojů a z necelých dvaceti procent z podzemních. Poptávka po vodě se bude zvyšovat do té míry, že v roce 2030 bude chybět 2700 miliard krychlových metrů, tedy asi 40 procent globálních potřeb. gryz004_1 Led, sníh - kryosféra Kryosféra je fyzicko-geografická sféra zahrnující veškeré prostředí planety Země, kde se voda nachází v pevném skupenství. Zahrnuje mořský led, jezerní led, led na řekách a menších tocích, sněhovou pokrývku, ledovce, ledové čepice, ledové příkrovy a zamrzlé půdy (včetně permafrostu). S ostatními fyzicko-geografickými sférami (atmosféra, hydrosféra, litosféra) se kryosféra vzájemně ovlivňuje, často formou zpětných vazeb. Mezi tyto vlivy patří působení na povrch Země, toky vlhkosti, tvorba srážek a mraků, čímž je celkově ovlivňována atmosférická a oceánická cirkulace. Díky těmto vlivům patří změny kryosféry mezi hlavní příčiny globální změny klimatu, proto se někdy označuje jako přirozený teploměr. Jelikož ale kromě teploty ovlivňuje i již zmíněné jevy, je přesnějším označením přirozený měřič klimatu. Sníh je specifická forma ledu, pevného skupenství vody. Je tvořen ledovými krystalky seskupenými do sněhových vloček. V přírodě vzniká přirozeně za vhodných klimatických podmínek v oblacích na převážně biologickém podkladu jako jsou bakterie, odkud se snáší k zemi. Tento děj se nazývá sněžení. Sníh nahromaděný ve větším množství na dostatečně prochladlém zemském povrchu se nazývá sněhová pokrývka. Na rozdíl od dešťové vody z místa dopadu ihned neodtéká, představuje tak důležitý prvek v koloběhu vody v přírodě. Významná je také jeho tepelně izolační schopnost, která umožňuje mnoha rostlinným i živočišným druhů přečkat mrazy. Různé formy výskytu ledu v Arktice icebeaff3_1 icebeaff2 icebeaff1 iceberg V polární oblasti lze pozorovat mnoho druhů ledu: nový tenký led, led druhého roku, ledové kry, ledovce a další gryz004_1 Ä krystalický hexagonální led atmosférický tlak, teplota 0 až 273 K Ä polykrystalický led Ä amorfní led velmi pomalá depozice vodní páry na povrch při < 130 K Ä Morfologie ledu LED – nejčetnější, fascinující krystalická pevná látka ØLed na jezerech a řekách ØMořský led ØLed v atmosféře ØSníh ØLedovcový a polární led ØZmrzlý povrch Ø10 % povrchu planety Ø5 % povrchu oceánu Ø ØPlanetární led ØMezihvězdný led ÄLed Ih (hexagonální) + 13 krystalických fází ÄVodíkové vazby ~20 kJ mol-1 ÄTetrahedrální vazebná geometrie: 109.5° Ädefekty / kanály Ä Hydrologický cyklus Atmosférické vody Atmosférická voda – veškerá voda v ovzduší bez ohledu na skupenství. Atmosféra - 200 - 60 000 ppm (0,02 - 6 % H2O (g) ) Vznik - klesne-li T příslušné vrstvy vzduchu pod rosný bod za přítomnosti kondenzačních jader (kondenzace na tuhých površích) (H2O (g) ® H2O (l) ). Nejčistší druh přírodní vody (v okamžiku vzniku, pH=5,56) - průchod atmosférou - záchyt (g), (l), (s), velmi měkká voda, nízký osmotický tlak, není vhodná k pití, pH= 4-5. Srážky se měří v mm ð 1 mm kapalných srážek = 1 l vody na 1 m2. Úhrn srážek (srážkový úhrn) – celková výška srážek spadlých na danou plochu za uvažované období. Trvání srážek. Intenzita deště (průměrná nebo okamžitá) – podíl úhrnu srážek a trvání. Celosvětový průměr srážek - 900 mm.r-1 – minimum - pouště (20 - 200 mm; 0 mm - poušť Atacama Chile) maximum 2 000 - 5 000 mm (22 461 mm - Čerapudž, Indie, 1860-1). ČR – kolem 700 mm ročně Obsah znečištění - 10 - 100 mg.l-1 - průmyslové oblasti, přímořské - podstatně vyšší. Srážky - kapalné, tuhé, horizontální, vertikální. Atmosférické vody Chemické látky jsou transportovány z atmosféry na povrch vody a půdy atmosférickou depozicí. Atmosférická depozice: Ämokrá, Äsuchá. Mokrá atmosférická depozice – suma vymývání deštěm (vnitrooblačné vymývání) a vymývacího, podoblačného procesu. Suchá atmosférická depozice – suma depozice aerosolu a absorpce plynů. Suchá a mokrá atmosférická depozice Schéma rozdělení celkové atmosférické depozice 11 Vnitrooblačné vymývání, podoblačné vymývání a depozice aerosolu jsou jednosměrným advekčním transportním procesem – chemické látky jsou odstraňovány z atmosféry do vod a půd – tento mechanismus se realizuje pokud látka má vyšší fugacitu ve vodě nebo půdě. Absorpce plynů má difusní mechanismus. Dochází pouze k absorpci látky z plynné fází vodou či půdou, pokud je fugacita ve vzduchu vyšší než fugacita ve vodě či půdě. Pokud je fugacita ve vodě či půdě vyšší, výsledek je opačný, dochází k vytěkání. Suchá a mokrá atmosférická depozice Mokrá depozice zahrnuje následující procesy: Ävymývání nebo pod-oblačné vynášení – proces, který probíhá pod oblaky, během kterého plyny a částice jsou absorbovány padajícími kapkami, Ädešťové vymývání nebo vnitro-oblačné vymývání, proces, který probíhá v oblacích, plyny nebo částice jsou vynášeny kapkami oblaků a chemické látky jsou vynášeny během dalšího deště. Mokrá atmosférická depozice Účinnost procesu mokré depozice závisí na meteorologických faktorech jako je trvání, intenzita a typ srážek (sníh, déšť, kroupy), ale také na velikosti hustotě kapek. Důležitým parametrem je také rozpustnost v dešti nebo sněhu. Podoblačný proces je účinným odstraňovacím procesem pro rozpustné plyny (nízká Henryho konstanta) a pro aerosoly o velikosti > 1 mm. Pro méně rozpustné plyny (vyšší hodnoty Henryho konstanty) padající kapky budou absorbovat pouze malá množství látek pod oblaky. Mokrá atmosférická depozice Pro plynné organické látky vnitro-oblačné bude nejdůležitějším atmosférickým vymývacím procesem. Pod-oblačné vymývání je důležité v případě, kdy koncentrace pod oblaky jsou vyšší než koncentrace uvnitř oblaků, například v blízkosti emisních zdrojů. V oblacích je vysoce účinným procesem příjem aerosolů kapkami oblaků. Mokrá atmosférická depozice Mechanismy znečištění mokré atmosférické depozice Interakce, které určují složení vodní kapky v atmosféře Chemické složení – závisí na složení a znečištění ovzduší ve spodní a střední vrstvě atmosféry. Místně velmi kolísá – závisí kromě proměnlivé složení znečištění ovzduší na úhrnu srážek, jejich trvání a jejich intenzitě. Chemické složení a vlastnosti atmosférických vod Nejvíce jsou znečištěny srážkové vody v okolí velkých průmyslových center a sídlišť a nejméně v horských oblastech, pokud není jejich složení ovlivněno dálkovým transportem. Celková mineralizace v oblastech bez antropogenního znečištění se pohybuje v jednotkách mg l-1, výjimkou jsou mořské srážky. V antropogenně zatížených oblastech bývá mineralizace vyšší než 10 mg l-1. Chemické složení a vlastnosti atmosférických vod Dominujícím kationtem je NH4+, nejčastěji se vyskytující anionty – SO42-, NO3-, Cl- a F-. pH – CO2 a jeho iontové formy – přirozené pH srážek – 5,6 - kyselé srážky lze z chemického hlediska definovat jako vodu, ve které byla vyčerpána tlumivá kapacita uhličitanového systému a na kyselosti se začínají podílet silné minerální kyseliny. Hydrologický cyklus V hydrosystému patří značná úloha vodním tokům, které splňují především tři hydrologické funkce: Øodvádí povrchovou a srážkovou vodu Øv místech, kde je hladina podzemní vody nízká, zavlažují okolí Øv místech, kde je hladina podzemní vody vysoká, odvádějí přebytečnou vodu Podzemní vody Dva poslední uvedené body zobrazuje obrázek: Pod zemským povrchem, všechny formy a skupenství. Podle původu: ÄVadózní - průsakem (infiltrací) srážkových a povrchových vod, kondenzací vodní páry atmosférického původu pod povrchem, ÄJuvenilní - kondenzace par unikajících z chladnoucí magmy (termické prameny, zřídla, gejzíry). ÄFosilní - podzemní voda uchovaná v dutinách hornin z minulých geologických období a neúčastnící se v průběhu delšího časového období koloběhu vody v přírodě. Podzemní vody Podpovrchová voda – voda v zemské kůře ve všech skupenstvích: Ävázaná chemicky (krystalická) - hydrologicky nevyužitelná, Ävázaná mechanicky: - v pásmu nasycení - podzemní, - v pásmu aerace – půdní Podzemní vody Podzemní voda je voda, která se nachází pod zemským povrchem, zejména v pórech mezi částicemi půdy a v místech, kde je narušena kontinuita hornin. Podzemní vodou je i voda ve studních, ve vrtech, či voda vyvěrající z pramenů. Z pohledu geologického, resp. hydrogeologického, jde o vodu pod zemským povrchem, v nasycené zóně, kde vyplňuje všechny dutiny a je ohraničena svým horizontem. Ostatní vody pod povrchem, které této definici neodpovídají, jsou vody podpovrchové. Patří do nich půdní vlhkost, vody v nenasycené zóně, vody v jiném skupenství i kapilární voda. Výzkumem podzemní vody se zabývá hydrogeologie. Podzemní voda tvoří okolo 20 % dostupných světových zásob sladké vody, využívá se často jako zdroj pitné i užitkové vody. Jak v laických popisech, tak i v renomovaných českých periodikách je rozšířeno chybné používání termínu spodní voda Půdní – veškerá voda v půdě, která obvykle nevytváří souvislou hladinu: Ägravitační - pohyb a účinek dán působením gravitačních sil, Äkapilární - kapilární síly v malých pórech - závěsná, podepřená Podzemní – voda přirozeně se vyskytující v horninovém prostředí, pokud není vázána kapilárními silami: Äobyčejné (prosté), Äminerální – speciální kritéria Ädůlní – všechny vody, které vnikly do hlubinných nebo povrchových důlních prostorů a to až do jejich spojení s jinými stálými povrchovými nebo podzemními vodami. Podzemní vody Rozdělení podpovrchové vody • • Šindele Nepropustné skalní podloží Pásmo nasycení – část geologického profilu, ve které jsou póry zcela zaplněny vodou Hladina podzemní vody Pásmo provzdušnění (aerace) - část geologického profilu mezi povrchem terénu a pásmem nasycení, kde část prostoru je vyplněna vzduchem Povrch země Podzemní vody Izolátor – horninové těleso pro vodu málo propustné nebo nepropustné Kolektor – propustné horninové těleso schopné shromažďovat vodu a dále ji vést Zvodeň – hydraulicky spojitá akumulace gravitačních podzemních vod v pásmu nasycení vyplňující kolektor Podmínky pro vznik podzemní vody jsou přibližně do hloubky 10 km pod zemským povrchem. Zásoby podzemní vody se doplňují trojím způsobem: ØInfiltrací srážkových a povrchových vod (nejvýznamnější) ØKondenzací vodních par v půdě ØVznikem a kondenzací vodních par z magmatu Ä Část podzemních vod vzniká břehovou infiltrací – pronikáním povrchových vod z nádrží nebo toků do kolektorů vlivem hydraulického gradientu. Podzemní vody Vrstva půdní vlhkosti Zóna aerace (vadozní zóna, nesaturovaná zóna) Kapilární třáseň Hladina podzemní vody Saturovaná zóna Podzemní vody Hladina podzemní vody tvoří rozhraní mezi saturovanou zónou a nesaturovanou zónou v horninovém prostředí. Průběh a kolísání hladiny podzemní vody závisí na prostorové geometrii kolektorských hornin a na směru hydraulického gradientu. Výšková úroveň hladiny podzemní vody není časově stálá. Kolísá v závislosti na celé řadě faktorů jako jsou např. srážky, kolísání hladiny v povrchových vodotečích, umělých hydraulických zásazích (čerpání vody z vrtů a studní) apod. Dlouhodobé pozorování (režimní pozorování) úrovní hladin podzemní vody je velmi důležité pro sledování např. změn zásob podzemní vody. Pravidelně se provádí na vrtech Státní pozorovací sítě, kterou provozuje a spravuje ČHMÚ. Většina podzemní vody je v pohybu. Pohyb závisí na: Äporozitě (procentické zastoupení pórů) Äpermeabilitě (měřítko snadnosti pohybu vody) Molekulární přitažlivost Při stejné porozitě různá permeabilita Podzemní vody K pochopení hydrogeologických podmínek je nutné znát fyzikálně-chemické vlastnosti horniny v zájmové oblasti. Nejdůležitější vlastností pro tok podzemní vody je porozita horniny. Pokud je celkový objem krychle horniny Vt, objem pevných částic Vs a objem volného prostoru Vv, potom je porozita N definována následujícími vztahy: Vt = Vs + Vv N = Vv/Vt = 1 – ( Vs/Vt ) Podzemní vody Porozita je velmi důležitý parametr pro odhad rychlosti šíření kontaminace v podzemí. Závislost prolínání vody horninou v závislosti na její struktuře 30 % 15 % cement Podzemní vody Porozita závisí na struktuře horniny. Kubická struktura má průměrně 32 % volného prostoru, hexagonální struktura kolem 26 %. Porozita kolísá v širokém rozmezí, hodnotu menší než 1 % má beztvará krystalická břidlice, porozitu 50 % tvořící se jíl. Typické hodnoty porozity pro různé typy hornin: Materiál Porozita ( % ) štěrk 25-40 písek 25-50 bahno, naplavenina 35-50 jíl 40-70 pískovec 5-30 vápenec 5-30 břidlice 1-10 krystalická hornina 1-10 Podzemní vody Pohyb v zóně aerace (půdní vlhkost) Pohyb v saturované zóně (perkolace) Oblast doplňování a odvodňování – časový režim Pohyb podzemní vody Sezónní vlivy Rychlost proudění Pohyb podzemní vody Darcyho zákon: Darcyho zákon byl odvozen pro proudění vody v nasycené zóně. Pohyb podzemní vody Znečištění (kontaminace) podzemních vod nelze zjistit ani určit tak snadno jako znečištění povrchových vod.^[4] Podzemní vody jsou náchylné ke kontaminaci ze zdrojů, které nemohou ovlivnit povrchové vody, a na rozdíl od plošného znečištění je zdroj irelevantní. Unikající chemikálie kontaminující půdu daleko od povrchových vod nemusejí nutně působit místní znečištění nebo rozptýlené znečištění. Přesto mohou kontaminovat podzemní vody. Analýzu kontaminace podzemních vod lze zaměřit na povahu kontaminace i na vlastnosti půdy. Artézské systémy Vlivy nadměrného čerpání Snížení hladiny podzemní vody Kompakce a poklesy Soupeření o povrchovou vodu Přenos mezi povodími Zvodeň shora uzavřená nepropustným stropem (izolátorem, artéským stropem) s napjatou hladinou. Po provrtání stropního izolátoru vystoupí vody na příslušnou piezometrickou tlakovou hladinu, která leží nad úrovní terénu. ØAmu Darja, Syr Darja (hranice mezi Kazachstánem a Uzbekistánem) ØPřed třiceti lety bylo Aralské jezero čtvrtým největším jezerem světa (68 000 km2, 16 m hloubka, 45 000 tun ryb ročně) ØZavlažování: rybářské vesnice jsou 50 km od břehů, 40 000 km2, 9 m hloubka Aralské jezero Zavlažovací systém v Iráku Zavlažování v Kanadě Dopady Hydrogeologické podmínky mohou ovlivňovat kontaminaci do nesaturované či saturované zóny v závislosti tlakovém gradientu podzemní vody: Podzemní vody Chemické složení podzemních vod je výsledkem vzájemného působení srážkových a povrchových vod, podzemní atmosféry a horninového prostředí – složení půd a hornin. Složení PV je ovlivňováno: -Přímým rozpouštěním – nepříliš významné s výjimkou kontaktu se snadno rozpustnými minerály na bázi síranů a chloridů – sádrovec, anhydrit, kamenná sůl. Dochází také k přímému rozpouštění huminových látek z půdy. -Chemickým působením – působení CO2 nebo minerálních kyselin (důlní vody) – převod málo rozpustných uhličitanů na hydrogenuhličitany, obecně hydrolytické reakce. -Vliv srážkových a povrchových vod – dle jejich složení -Modifikující přeměny – primárně vzniklé komponenty podléhají druhotným modifikujícím přeměnám výměnou iontů, chemickou a biochemickou oxidací a redukcí – tzv. metamorfóza chemismu. Chemické složení podzemní vody Přirozené znečištění: Äběhem infiltrace půdními a horninovými vrstvami - rozpouštění, vyluhování - Cl-, SO42-, NO3-, méně F-, Br-, I-, PO43-, stopové prvky Ä Äza přítomnosti CO2 a O2: - CO2: CaCO3 (Mg, Fe, Mn) - málo rozpustné; HCO3- - lépe, - redox děje: S2- àSO42-, - biochemické děje - redox - aerobní biologický rozklad OL v provzdušněných vrstvách půdy, nitrifikace; anaerobní – redukce NO3-, SO42- Znečištění podzemní vody ØPotenciálně nebezpečné Ø ØRozpustné ve vodě Ø ØResistentní vůči biodegradaci Ø ØUžívané ve velkých množstvích Ø ØToxické nebo škodlivé člověku Znečištění podzemní vody Antropogenní: ØPrůsaky pesticidů a hnojiv ze zemědělsky obdělávaných půd Ø ØOdpady (močůvka, silážní šťávy, skládky..), domácí a komunální odpad - v píscích se rychle vyčistí – mechanická filtrace bakterií, oxidace bakteriemi, kontakt s organismy, které se živí bakteriemi Ø ØRopné produkty Ø ØDetergenty Ø ØRozpouštědla Ø ØDioxiny (málo rozpustné ve vodě = problém s kontaminací sedimentů, malý problém pro podzemní vody) Znečištění podzemní vody ØBěžná kontaminace dusičnany (hnojiva, odpady, skládky) a další zemědělské chemikálie Ø Ø20 z 25 nejzastoupenějších kontaminantů = těkavé organické látky Ø ØBenzen, toluen, ethylbenzen, xylen (BTEX – benzin) Ø ØDCE, TCE, PCE Ø ØProsakující podzemní nádrže („LUST“ – leaking underground storage tanks) Ø ØKontaminace slanou vodou Znečištění podzemní vody ØChování kontaminantů pod povrchem ØPorosita, permeabilita ØHladina podzemní vody, saturovaná a nesaturovaná zóna Ø ØTransport kontaminantů ØKontaminační mrak ØNormální tok vody propustným prostředím – advekce Chování kontaminantů pod povrchem ØKontaminant ØStejnou rychlostí – nezpomalený, neretardovaný ØPomaleji – zpomalení, retardace ØRetardační faktor R = Vv / Vk Ø ØRetardace ØSorpce ØDisperze ØBiodegradace ØRetardační faktor je možné zjišťovat sledováním pohybu nezpomalované složky (např. Cl–), která je obsažena v kontaminačním mraku. Chování kontaminantů pod povrchem Důležité charakteristiky: ÄHustota kontaminantu ve vztahu k podzemní vodě ÄLehčí (LNAPL – light nonaqueous phase liquid) – benzin ÄTěžší (DNAPL – dense …) – TCE Dekontaminace: ÄAktivní ÄPasivní („nulová“ varianta) ÄPřirozená atenuace (zeslabení, útlum) ÄBiostimulace Chování kontaminantů pod povrchem Hydrologický cyklus Povrchové vody Vody odtékající nebo zadržované v přirozených a umělých nádržích na zemském povrchu. Vzniká ze srážek, z výronů podzemní vody, táním ledovců. Vodní recipient - vodní útvar přijímající vodu z určitého povodí: Äpřirozený Äumělý Dle pohybu vody: Ävody stojaté: - přirozené (oceány, moře, jezera, močály) - umělé (rybníky, přehrady) Ävody tekoucí: - přirozené - potoky, bystřiny, řeky - umělé - kanály, průplavy. Hydrologický cyklus – typy povrchových vod – stojaté vody - základní charakteristiky Chemické složení stojatých vod se mění zejména ve vertikálním směru a do určité míry ve směru horizontálním – u nádrží v závislosti na průtoku vody nádrží. Má své denní i sezónní variace – v závislosti na změnách teploty, koncentrace rozpuštěného kyslíku a oxidu uhličitého, chemických a biochemických procesech – nitrifikace, denitrifikace, oxidace, redukce, srážecích a rozpouštěcích procesech, adsorpci a desorpci - dominují změny redox potenciálu a pH. Hydrologický cyklus – typy povrchových vod – stojaté vody - základní charakteristiky Z těchto příčin dochází k vertikální stratifikaci: -teploty, -rozpuštěného kyslíku, -volného CO2 -sloučenin N a P -Fe, Mn, a kovů vyskytujících se ve více oxidačních stupních (Cr, As) -Hodnot pH a KNK4,5 -Ca (pokud dochází ke srážení kalcitu) Stojaté vody – teplotní stratifikace Charakteristickou je stratifikace teploty (termální, teplotní stratifikace) - souvisí se změnou hustoty vody v důsledku teplotních změn. Letní teplotní stratifikace – V – VII Epilimnion – vrchní vrstva, teplejší s menší hustotou a s intenzivnější cirkulací a proto s přibližně konstantní teplotou. Poklesem teploty se zvyšuje hustota vody. Metalimnion (skočná vrsva, termoklima) – s hloubkou se výrazně mění teplota (může mít i několik metrů a několik dílčích gradientů). Hypolimnion – T se s hloubkou mění jen málo – u hlubokých nádrží bývá T u dna kolem 4 °C a voda má největší hustotu. Teplotní stratifikace je charakterizována dobře promíchávanou teplejší svrchní vrstvou a chladnější vrstvou nad dnem, obě vrstvy jsou odděleny skočnou vrstvou. Mělké nádrže – v důsledku větrného a konvektivního míchání nejsou stratifikovány . Vytvoření stratifikace závisí na: ÄDobě zdržení vody v nádrži ÄHloubce nádrže ÄVelikosti nádrže ÄHydraulických poměrech ÄPůsobení větru (zde je či není chráněna okolními svahy) ÄRočním období Průtočné nádrže – doba průtoku menší než 10 dnů. Za vhodných podmínek dochází ke stratifikaci při době zdržení nad 300 dnů. Optimální stratifikace – hloubka 25 m, doba zdržení 50 – 100 dnů Stojaté vody – teplotní stratifikace Podzimní cirkulace - na podzim dochází k ochlazení svrchní vrstvy a metalimnion se posunuje do spodních vrstev nádrže, až poklesne na dno. K promíchávání vrstev dochází i působením větru. Teplota se v celé nádrži vyrovná a nádrž získá homotermii. V zimě, po podzimní cirkulací, dochází ochlazováním povrchu vody v nádrži k inverznímu vrstvení T, protože voda chladnější než 4 °C má menší hustotu a hromadí se u hladiny – zimní stagnace. Na jaře se opět působením větru celý obsah nádrže promíchává – jarní cirkulace. Postupným oteplováním vody v jarních měsících se opět za vhodných podmínek vytváří teplotní stratifikace a nastupuje znovu období letní stagnace. Stojaté vody – teplotní stratifikace Teplotní stratifikace podmiňuje i stratifikaci dalších ukazatelů jakosti vody, především kyslíkovou stratifikaci. Ta je významná z hlediska chemických a biochemických pochodů probíhajících ve vodách – ovlivňuje oxidačně-redukční potenciál a biologické osídlení. Stojaté vody – kyslíková stratifikace Spodní vrstvy hlubších nádrží mívají deficit kyslíku a v období letní a zimní stagnace může dojít až k úplnému vyčerpání rozpuštěného kyslíku nade dnem, kde se vytvoří anoxické ev. až anaerobní podmínky. Deficit kyslíku v hypolimniu je způsoben pomalou difuzí kyslíku do hypolimnia a biochemickou spotřebou kyslíku při rozkladu organických látek. Naopak voda v epilimniu může být v létě při intenzivním slunečním svitu v důsledku fotosyntetické asimilace až přesycena kyslíkem – denní variace s maximem přes den. Zdroj kyslíku v nádržích: -Atmosférická reaerace -Fotosyntetická asimilace fytoplanktonu Stojaté vody – kyslíková stratifikace Chemické, fyzikálně-chemické a biochemické procesy ovlivňující jakost vody v nádržích a jezerech a podmiňující vertikální stratifikaci Epilimnion: ØOxidace (> O2, > E) ØAlkalizace a srážení kovů (> pH, < CO2) ØFotosyntetická asimilace (tvorba biomasy) ØInkorporace kovů, sloučenin Na P do biomasy ØAdsorpce na nerozpuštěných látkách (kovy, sloučeniny P) ØNitrifikace Hypolimnion: ØRedukce (< O2, < E) ØAcidifikace a rozpouštění sloučenin kovů (< pH, > CO2) ØDisimilace (rozklad biomasy) ØUvolňování sloučenin kovů, N a P ze sedimentů a z rozkládající se biomasy) ØDesorpce kovů a sloučenin P ØDenitrifikace ØBiologický rozklad organických látek ØZa anaerobních podmínek redukce síranů a srážení sulfidů (ve vrstvě na sedimenty nebo až v sedimentech) Hydrologický cyklus – typy povrchových vod – tekoucí vody - základní charakteristiky Termín splaveniny označuje přirozený materiál koryta vodního toku, unášený za určitých situací (zpravidla vyšší průtoky) vodním proudem. Splaveniny se obvykle dělí podle způsobu pohybu na: •splaveniny dnové, které se po dně pohybují sunutím, válením nebo saltací (poskoky); •splaveniny suspendované, pohybující se ve vznosu. Ty ještě můžeme rozdělit na: •suspendované splaveniny jako takové (v anglické literatuře suspended load), tvořené materiálem koryta •plaveniny (v anglické literatuře washload), tvořené splachy z povodí a pod. (čili zcela odlišná geneze). V terminologii jakosti vod se plaveniny označují jako nerozpuštěné látky. Vzhledem k tomu, že jsou z velké části tvořeny jílovými minerály a organickým materiálem s velkou sorbční schopností, mohou být význačným nositelem jiných látek, nař. polutantů. Znečištění povrchových vod Map Description automatically generated ØOrganické látky ØBSK - biochemická spotřeba kyslíku (BOD) ØEutrofizace – živiny (fosfor, dusíkaté látky) – plankton, řasy ØInfekční látky ØMikroorganismy – Escherichia coli Znečištění povrchových vod ØKyselé a alkalické odpady ØKyselé důlní vody (AMD) ØKyselé deště (ARD) ØČpavek, louh ØTermické znečištění ØSuspendované látky ØJíly ØPapírenské odpady ØPotravinářské odpady (cukrovary, jatka..) Primární: ØInertní materiály (půda, kaolín..) ØOrganické látky: Ø - přirozené - huminové látky, splašky… Ø - antropogenní - ropné látky, fenoly, pesticidy, detergenty.. ØAnorganické látky: Ø - zvyšující solnost a korozivnost (NaCl, CaCl2) Ø - způsobující sekundární znečištění (PO43-, NO3-) Ø - měnící pH vody (NH3, kyseliny) Ø - toxické (toxické kovy..) ØBakteriální - patogenní organismy ØTepelné - zvýšení T - pokles koncentrace kyslíku - urychlení rozkladu organických látek ØRadioaktivní Znečištění povrchových vod Sekundární: Äeutrofizace vod - nadměrný rozvoj některých organismů vyvolaný přísunem živin Znečištění povrchových vod Povrchové vody - znečištění ÄCelková mineralizace - 100 - 500 mg.l-1, tající sníh, ledovce < 100 mg.l-1 ÄNerozpuštěné látky - jednotky mg.l-1 (záplavy desítky až stovky mg.l-1) ÄRozpuštěný kyslík (= f (T, koncentrace biologicky rozložitelných látek, intenzity fotosyntézy)); neznečištěné toky - 85-95 % nasycení - pokles - organické znečištění ÄPřesycení - peřeje (tekoucí), fotosyntetická asimilace vodních rostlin (stojaté) ÄVolný CO2 - nízké koncentrace ÄpH - 6,0 - 8,5 (rašeliniště < 4,0) ÄKoncentrace slabých a silných kyselin - koreluje s pH ÄTlumivý systém - uhličitanový (H2CO3 - HCO3-), maximum = 6,3, minimum = 8,3 ÄHCO3- - rozpouštěním CO32-, HCO3-, pohlcováním CO2 ÄSO42- - z poloviny dáno atmosférickou depozicí, z poloviny zvětráváním a rozpouštěním minerálů, minerální hnojiva ÄCl- - z geologického podloží, méně z atmosféry ÄCa2+ - z uhličitanů, méně hlinitokřemičitany ÄMg2+ - opačně ÄK+ - zvětrávání (hlinitokřemičitany) ÄNa+ - zvětrávání (hlinitokřemičitany), Cl-, spad z atmosféry ÄN - z atmosféry, zemědělství ÄP - nízká koncentrace (málo rozpustné soli), antropogenní ÄFe, Mn - nízká koncentrace, oxidy oxidace ÄIontové asociáty ÄOrganické látky Povrchové vody - znečištění Podle ovlivnění kvality povrchových vod lze znečišťující látky rozdělit na: Älátky působící přímo toxicky nebo způsobující organoleptické závady Älátky ovlivňující kyslíkovou bilanci toku Ä„inertní látky“ (anorganické nerozpuštěné a rozpuštěné netoxické látky) Povrchové vody - znečištění Odpadní vody (OV), které mohou nepříznivě ovlivnit vlastnosti vod povrchových: Ävody silně kyselé nebo silně alkalické, k jejichž zneškodnění nestačí přirozená neutralizační kapacita vody Ävody s velkou koncentrací solí Ävody s velkou koncentrací nerozpuštěných látek Ävody obsahující látky, které ovlivňují přestup kyslíku do vody (tenzidy, ropné látky) Ävody s velkým obsahem biologicky snadno rozložitelných látek nebo látek spotřebovávajících kyslík chemickými pochody Povrchové vody - znečištění Odpadní vody (OV), které mohou nepříznivě ovlivnit vlastnosti vod povrchových/II: Ävody obsahující látky ovlivňující nepříznivě organoleptické vlastnosti vody (chlorfenoly, chlorované uhlovodíky, barviva, ropné látky) Ävody, které obsahují látky toxické pro vodní organismy (kovy, kyanidy, chlorované uhlovodíky, pesticidy, radioaktivní látky) Ävody bakteriálně znečištěné patogenními zárodky (OV z léčebných ústavů, koželužen..) Ävody s větším množstvím látek, v nichž jsou zastoupeny sloučeniny P, N, které mají eutrofizační účinek Äoteplené vody Povrchové vody - znečištění Základní ukazatele pro vypouštění OV do vod povrchových: Äbiologický stav vody - index saprobity - < 2,2 - vodní toky; < 3,2 - ostatní) Äobvyklý život pstruhovitých ryb ve vodárenských tocích a kaprovitých ryb v ostatních povrchových vodách Ästav bez pachu u vodárenských toků a nádrží a slabě cizorodý u ostatních vod Ästav, při němž nejsou patrné barevné změny u vod vodárenských ve vrstvě do 20 cm, u ostatních do 10 cm Äteplota do 20 °C u pstruhových vod a u vodárenských toků a do 26 °C u ostatních Povrchové vody - znečištění Základní ukazatele pro vypouštění OV do vod povrchových/II: Øneporušená schopnost samočištění povrchových vod Østav povrchových vod, při němž nedochází k nadměrnému vývoji nežádoucích organismů (vodní květ) ani ke vzniku kalových lavic nebo k pokrytí vodní hladiny pěnou, tuky, oleji nebo jinými látkami Østav povrchových vod, při němž nedochází k porušování hygienických požadavků na ochranu zdraví před ionizujícím zářením Østav povrchových vod, při němž nedochází k toxickému působení radioaktivních a jiných látek na vodní organismy Povrchové vody - znečištění Klasifikace tekoucích vod z obecného (ekologického) hlediska Ukazatelé: Ø Øfyzikálního znečištění Ø Øanorganického znečištění Ø Øorganického znečištění Ø Øanorganického a organického průmyslového znečištění Ø Øbiologické Povrchové vody - znečištění Otevřené moře Dominantou planety při pohledu z vesmíru je voda - oceány kapalné vody zaplavují většinu povrchu, zatímco vodní pára víří v atmosférických oblacích a póly jsou zakryty ledem. Oceány jako celek tvoří jediný mořský systém, kde kapalná voda - „univerzální rozpouštědlo“ - rozpouští živiny a látky obsahující prvky jako kyslík, uhlík, dusík a fosfor. Tyto látky jsou nekonečně cyklovány a recyklovány, chemicky kombinovány a poté znovu rozloženy, rozpuštěny a poté vysráženy nebo odpařeny, vnášeny a vynášeny zpět na pevninu a do atmosféry a oceánského dna. Poháněny jak biologickou aktivitou mořských organismů, tak přirozeným působením slunce a přílivu a odlivu a pohybů v zemské kůře, to jsou mořské biogeochemické cykly. Fotická zóna, eufotická zóna, epipelagická zóna nebo zóna osvětlená sluncem je nejvyšší vrstva moře, která přijímá sluneční světlo a umožňuje fytoplanktonu provádět fotosyntézu. Prochází řadou fyzikálních, chemických a biologických procesů, které dodávají živiny do horního vodního sloupce. Fotická zóna je díky své poloze domovem většiny mořských živočichů. „Všechno z kontinentů nakonec skončí v moři“ • • Komunální odpad (patogenní viry mohou přežít v oceánské vodě až 17 měsíců) Pobřeží Znečištění mořského prostředí ØVypouštění z lodí (balastní voda) a jejich havárie ØExxon Valdez – březen 1989 Aljaška, 10 milionů galonů (4,54 l), 5 000 km pobřeží ØMalé úniky: ročně 17 EV do Středozemního moře ØRočně 6 milionů tun ropy do oceánů – 1 tuna ropných znečistí 6 km2 vodní plochy Galveston Bay, Texas, 1990 Otevřený oceán