Zasoby

Woda jest jednym z najważniejszych zasobów naturalnych naszej planety. Bez niej nie istniałoby życie. Chociaż na Ziemi jest mnóstwo wody, nie zawsze znajduje się ona we właściwym miejscu, we właściwym czasie i nie zawsze posiada odpowiednią jakość. Między innymi przez to, że odpady chemiczne nieodpowiednio zutylizowane wczoraj, dziś pojawiają się w zasobach wodnych i to w miejscach najmniej spodziewanych. Hydrologia jako nauka rozwinęła się w odpowiedzi na potrzebę zrozumienia funkcjonowania złożonej sieci wodnej na Ziemi, a hydrolodzy odgrywają niezmiernie ważną rolę w rozwiązywaniu problemów związanych z użytkowaniem wody.

Hydrologia jest nauką o występowaniu, rozmieszczeniu, ruchach i właściwościach wód na Ziemi oraz ich związku ze środowiskiem w każdej fazie cyklu hydrologicznego. Wszystkie procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne z udziałem wody przemieszczającej się różnymi drogami w powietrzu, na i pod powierzchnią skorupy ziemskiej oraz w roślinach są przedmiotem zainteresowania hydrologów. Woda potrafi obrać wiele dróg w nieprzerwanym procesie opadów (deszczu lub śniegu) i parowania do atmosfery. Może być uwięziona przez miliony lat w polarnych pokrywach lodowych. Może też spływać do rzek, a następnie do mórz i oceanów. Potrafi wsiąknąć w glebę, by potem wyparować bezpośrednio z jej powierzchni (ewaporacja) lub poprzez liście roślin (transpiracja). Może także nastąpić jej infiltracja do wód gruntowych (poziomów wodonośnych). Niekiedy trwa to krótko, a kiedy indziej – miliony lat. Ludzie próbują – we własnym, dobrze pojętym interesie – nad tym zapanować i niesforny żywioł ujarzmić. Budują ujęcia wody, meliorują grunty rolne lub je nawadniają (irygują), wykorzystują wodę do celów komunalnych, przemysłowych, a także do produkcji energii elektrycznej. W tak różnorodny sposób „przepracowana” i wyzyskana woda z reguły trafia ponownie do środowiska. Oczywiście – zazwyczaj wcześniej poddawana jest procesowi uzdatniania. Niestety nawet oczyszczona jest już gorszej jakości niż istniejąca w stanie pierwotnym.

Hydrolodzy – zarówno teoretycy, jak i praktycy – procesy zachodzące w obrębie cyklu wodnego analizują pod każdym względem (ilościowym i jakościowym), wyciągając stosowne wnioski. Inżynier hydrolog jest zaangażowany w prowadzenie całościowej, zrównoważonej gospodarki zasobami wodnymi. Zagadnienia te interesują jednak również specjalistów z innych dziedzin: meteorologów, oceanografów, geologów, chemików, fizyków, biologów, ekonomistów, politologów, a nawet specjalistów od matematyki stosowanej i informatyki.

Czym zajmują się hydrolodzy?

Hydrolodzy wykorzystują wiedzę naukową do rozwiązywania kwestii społecznych związanych z wodą: problemów z jej ilością, jakością oraz dostępnością. Zajmują się poszukiwaniem zasobów wodnych, melioracją i nawadnianiem gruntów, powodziami i erozją wodną. Pracują także na rzecz ochrony środowiska: usuwają zanieczyszczenia, tworzą miejsca bezpiecznej utylizacji odpadów itp. Osoby z przygotowaniem hydrologicznym mogą obejmować rozmaite stanowiska, pracować zarówno za przysłowiowym biurkiem, jak i być na pierwszej linii frontu w terenie, gdzie mają bezpośredni kontakt z groźnym żywiołem. W terenie zajmują się zbieraniem danych, nadzorują badania jakości wody, kierują robotnikami i obsługują specjalistyczne urządzenia. Charakter ich pracy wymaga częstych podróży. Praca biurowa polega głównie na analizach i interpretacji danych w celu określenia możliwych zasobów, przewidywania powodzi lub określania wpływu różnorodnych inwestycji na środowisko wodne. Praca hydrologów jest tak zróżnicowana, jak rozmaite są zastosowania wody, a jej zakres jest tak szeroki, że obejmuje zarówno planowanie wartych miliony euro przedsięwzięć, jak i udzielanie porad mieszkańcom terenów podmokłych pragnącym uporać się z niby tak prozaicznym problemem jak odwodnienie ich podwórka.

Napowierzchniowe zbiorniki wody pitnej

Większość miast zaspokaja swoje zapotrzebowanie na wodę, czerpiąc ją z najbliższej rzeki, jeziora czy też sztucznego zbiornika. Hydrolodzy pomagają ustalić, ile wody można uzyskać z lokalnych zasobów oraz czy taka ilość będzie wystarczająca do pokrycia przewidywanych potrzeb danej miejscowości czy określonego regionu. W tym celu studiują istniejące dane o opadach atmosferycznych, średnich temperaturach, ukształtowaniu terenu, przepływie i poziomie wód powierzchniowych i tak dalej. Projektowanie, budowa i zagospodarowanie sztucznych zbiorników lub regulacja, retencjonowanie naturalnych akwenów mogą być procesami dość złożonymi i kosztownymi, jednakże zwiększającymi zasadniczo niezawodność lokalnych zasobów wodnych.

Hydrolodzy korzystają więc z map topograficznych, zdjęć lotniczych oraz dziesiątek innych analiz w celu ustalenia, gdzie powinna przebiegać linia brzegowa zbiornika, a także obliczają jego głębokość i pojemność. Prace te gwarantują, że przy zgromadzeniu nawet maksymalnej ilości wody nie zostaną podtopione pobliskie drogi, linie kolejowe czy domy.

Decyzja, ile w danym momencie wypuścić wody, a ile zachować w zbiorniku, uzależniona jest od pory roku, prognoz przepływów na kolejne kilka miesięcy, a także zapotrzebowania mieszkańców na wodę pitną. Jeżeli akwen wykorzystuje się także w celach rekreacyjnych lub do wytwarzania energii hydroelektrycznej, należy uwzględnić odpowiednie wymagania innych użytkowników. Hydrolodzy zbierają niezbędne informacje, wprowadzają je do komputera i tworzą specjalne modele matematyczne, aby przewidzieć rezultaty różnych strategii działania. Na podstawie tych badań zarządcy zbiornika mogą podjąć właściwe decyzje.

Dostępność wód powierzchniowych do spożycia, rekreacji, nawadniania pól i celów przemysłowych jest niekiedy ograniczona z powodu zanieczyszczeń. Czasami są one tylko niedogodnością, nierzadko jednak mogą stanowić śmiertelne zagrożenie dla całego środowiska – ludzi, zwierząt i roślin. Hydrolodzy pomagają więc urzędnikom zajmującym się sprawami zdrowia w monitorowaniu zasobów wodnych. Po stwierdzeniu zanieczyszczenia, inżynierowie środowiska we współpracy z hydrologami opracowują niezbędny program kontroli. Należy objąć nadzorem jakość wody w estuariach (ujściach rzek do mórz), źródłach, rzekach i jeziorach oraz kontrolować stan ryb i roślinności występującej wzdłuż badanego obszaru. Prace pokrewne dotyczą analizy opadów kwaśnego deszczu i określanie jego wpływu na środowisko, jak i występowania metali ciężkich, toksyn i organicznych substancji chemicznych w bezpośrednim otoczeniu zbiorników. Proste analizy, takie jak analiza pH, mętności oraz zawartości tlenu mogą być przeprowadzane w terenie. Pozostałe badania wymagają bardziej wyszukanych metod i urządzeń laboratoryjnych.

Podziemne zasoby wody pitnej

Wody ujmowane spod powierzchni gruntu są zwykle wyższej jakości niż wody powierzchniowe. Dlatego są też często wykorzystywane do celów wodociągowych. Na wielu terenach są zresztą jedyną opcją. Ponadto złoża podziemne są dużo bogatsze, zawierają o wiele więcej wody niż mogą pomieścić wszystkie zbiorniki powierzchniowe.

Wielkość podziemnego złoża można oszacować na podstawie pomiaru poziomów wody w miejscowych studniach oraz poprzez odwierty geologiczne określające ilość, głębokość i stan miąższości osadów wodonośnych i skał. Przed rozpoczęciem budowy pełnowymiarowej studni hydrolodzy dokonują wierceń próbnych. Odnotowują głębokość, na jakiej znajduje się woda i pobierają próbki gleby, skał i wody do precyzyjnych analiz laboratoryjnych. Określają także najbardziej wydajne tempo pompowania wody, monitorując przy tym powstające depresje, czyli spadki poziomu wody w eksploatowanej studni oraz w jej najbliższym otoczeniu. Zbyt szybka eksploatacja studni mogłaby bowiem spowodować jej wyschnięcie lub zakłócać eksploatację sąsiednich ujęć. Na wybrzeżu nadmierna eksploatacja mogłaby natomiast powodować przenikanie wód słonych do studni. Dzięki nowoczesnym programom komputerowym, tworząc modele matematyczne i analizując liczne dane, hydrolodzy potrafią oszacować maksymalną i optymalną wydajność powstającej studni.

Skażenia wód gruntowych są mniej widoczne, ale nie mniej szkodliwe niż zanieczyszczenia rzek i jezior, a przy tym bywają trudniejsze do usunięcia. Zanieczyszczenie wód gruntowych najczęściej jest wynikiem niewłaściwego gromadzenia i unieszkodliwiania odpadów. Główne źródła takich zanieczyszczeń obejmują substancje chemiczne w ściekach przemysłowo-bytowych, składowiska odpadów, stawy - osadniki do przetrzymywania i filtrowania ścieków przemysłowych, odpady hydrauliczne i ścieki poprodukcyjne z kopalń, komory solankowe, nieszczelne podziemne magazyny ropy naftowej i ropociągi, osady ściekowe i instalacje fermentacyjne, nawozy i środki ochrony roślin.

Hydrolodzy udzielają wskazówek dotyczących lokalizacji studni monitoringowych, tzw. piezometrów, wokół wysypisk odpadów i pobierają z nich próbki (w regularnych odstępach czasu) w celu stwierdzenia, czy niepożądane odcieki po ługowaniu, zawierające zwykle toksyczne lub niebezpieczne substancje chemiczne, nie przedostają się do wód gruntowych. Na zanieczyszczonych obszarach pobierają próbki gleb i wody w celu określenia rodzaju i obszaru zanieczyszczeń. Następnie dane z analiz chemicznych nanoszą na mapę, aby zobrazować rozmiar i kierunek ruchu toksycznych odpadów. W sytuacjach problematycznych, komputerowe modele przepływu wody i migracji trucizn stanowią wskazówki dla programu usuwania zanieczyszczeń. W ekstremalnych przypadkach, w ramach działań naprawczych, może być wymagane wykopanie i usunięcie zanieczyszczonej gleby. Współczesne społeczeństwa zdają sobie sprawę, że nakłady na działania profilaktyczne są o wiele mniejsze niż koszt późniejszego usuwania zanieczyszczeń. Dlatego inżynierowie środowiska często otrzymują prośby o pomoc w wyborze właściwej lokalizacji dla nowych obiektów utylizacji odpadów.

Niebezpieczeństwo zanieczyszczeń minimalizuje się także, rozmieszczając studnie kontrolne na obszarach występowania wód głębinowych i gleb nieprzepuszczalnych. Pozostałe praktyki obejmują wyłożenie dna składowiska odpadów materiałami wodoszczelnymi, drenaż odcieków po ługowaniu i w miarę możliwości zakrywanie powierzchni wysypiska. Wszystkie te zabiegi i środki ostrożności są niezbędne – tu nie warto ulegać zgubnej pokusie bezsensownych oszczędności.

Ze względu na swoje zdolności rozpuszczania różnych substancji, woda nigdy nie jest czysta w stu procentach. Dużo zależy od tego, przez jakie utwory skalne przepływała i jakie domieszki dzięki temu się w niej znalazły. Świetnym przykładem mogą być tu wody mineralne zawierające niezbędne do życia mikroelementy. Czasami w wodach podziemnych rozkładają się substancje chemiczne, nadając im specyficzne właściwości. Znane i cenione wody siarkowe powstają w wyniku rozpuszczania i rozkładu związków siarki, a są szczególnie przydatne w leczeniu chorób układu pokarmowego. Inne wody zawierają sole poprawiające funkcjonowanie układu oddechowego i są wykorzystywane w tężniach. Niestety, nawet pozornie czysta woda może nie nadawać się do użycia z powodu skażenia bakteriologicznego. Całość tych właściwości będziemy dzielić na fizyczne i chemiczne, choć są one ściśle zależne od siebie.

Znaczniki fizyczne czystości wody

Barwa

Zasadniczo woda jest bezbarwna, choć czysta, zgromadzona w głębokich zbiornikach wydaje się być błękitna. W wodach powierzchniowych może mieć barwę żółto-brunatną, szczególnie jeśli przepływa przez bagna i lasy. Przy zakwitach glonów jej barwa zmienia się na zieloną. Gdy przepływa przez skały zawierające duże ilości żelaza, nabiera koloru czerwonego. Jednak głównym powodem zabarwienia tej życiodajnej cieczy są ścieki. W zależności od ich składu chemicznego woda przybiera rozmaite zabarwienie, może być nawet czarna.

Mętność

Płynąca woda niesie ze sobą drobne cząsteczki mineralne i organiczne. Ilość tych substancji ma wpływ na przezroczystość wody. To dlatego rzeki o rwącym nurcie nie są krystalicznie przejrzyste, natomiast w wodach stojących mętność bywa dużo mniejsza.

Smak

Woda czysta (destylowana) nie posiada smaku. Na smak wody duży wpływ ma jej temperatura: woda do 5°C jest niesmaczna, ponieważ powoduje podrażnienie gardła, od 5 do 10°C woda dobrze smakuje i świetnie gasi pragnienie, natomiast powyżej tego przedziału staje się mdła i nieapetyczna. Smak jest wynikiem występowania wielu substancji, głównie pochodzenia antropogenicznego – czyli powstałego w wyniku działań człowieka. Oczywiście substancje pochodzenia naturalnego zawarte w skałach także mogą nadawać wodzie smak od słonego, przez kwaśny, aż po gorzki.

Zapach

Woda pozbawiona jest zapachu, jednakże w praktyce może posiadać zapach roślinny, bagienny lub substancji w niej rozpuszczonych – w szczególności gazów. Wspomniane już wody mineralne niekiedy nieprzyjemnie pachną zgniłym jajem, co jest wynikiem rozpuszczonych w nich siarczków. Najczęściej jednak, nienaturalna, przykra woń wody może sugerować jej skażenie ściekami. Najbardziej znanym wszystkim zapachem wody jest woń chloru wykorzystywanego do jej dezynfekcji w procesie uzdatniania.

Temperatura

Jest głównym czynnikiem wpływającym na pozostałe właściwości wody, na jej zdolność do rozpuszczania substancji, kierunek migracji oraz zmiany stanów skupienia. Najbardziej na wpływ temperatury podatne są powierzchniowe wody stojące. W okresie letnim temperatura wody może przekraczać 25°C, natomiast zimą w warstwach powierzchniowych ma 0°C, a w warstwach głębszych, przydennych +4°C. W wodach płynących temperatura jest mniej zróżnicowana ze względu na ciągły proces mieszania. Ogólnie, temperatura wody zależy od prędkości jej przepływu oraz od głębokości zbiornika. W wodach podziemnych temperatura uzależniona jest od głębokości położenia źródła oraz utworów skalnych, przez jakie wędruje. Warto tu wspomnieć o wodach termalnych o temperaturze dochodzącej nawet do kilkudziesięciu stopni Celsjusza, które w dużej mierze są wykorzystywane do zasilania basenów kąpielowych oraz mogą być przydatne, jako ekologicznie czyste i odnawialne źródło energii cieplnej.

Znaczniki chemiczne czystości wody

Przewodność elektrolityczna

Jest to zdolność wody do przenoszenia ładunku elektrycznego. Idealnie czysta woda destylowana nie przewodzi prądu. To rozpuszczone w wodzie sole – ich jony – sprawiają, że jest ona dobrym przewodnikiem. Oznacza to, że tym wyższa przewodność, im więcej rozpuszczonych substancji posiada woda.

Odczyn

Jest to stosunek jonów dodatnich do ujemnych, a inaczej ujmując: dodatnich jonów wodorowych do ujemnych wodorotlenowych. W normalnych warunkach jony te znajdują się w równowadze; wtedy pH (odczyn) jest obojętny i leży w obszarze 6,5 – 8,5. Są jednak wody, które posiadają wysokie pH (do 14). To wody zasadowe, przepływające głównie przez utwory wapienne. Przykładem takich wód mogą być znane akwarystom jeziora Malawi i Tanganiki. Natomiast wody Amazonki posiadają odczyn kwaśny o pH poniżej 5, co wynika z nagromadzenia dużej ilości gnijących szczątków roślinnych i zwierzęcych. Kwaśny odczyn może być spowodowany również tzw. „kwaśnymi deszczami” zawierającymi związki siarki i azotu pochodzącymi z zanieczyszczeń powietrza. Deszcz o rekordowo niskim pH (2,4) spadł w 1974 r. w Szkocji i był on bardziej kwaśny niż sok cytrynowy.

Twardość

Jest to zdolność wody do rozpuszczania mydła. Woda miękka bardzo łatwo usuwa zabrudzenia, natomiast twarda potrzebuje wspomagania – detergentów. Duża ilość proszku potrzebnego do prania oraz niski stopień pienienia się mydła świadczą o wysokim stopniu twardości wody. Twardość wody określa się ilością jonów wapnia i magnezu, a także żelaza, manganu oraz metali ciężkich. Im więcej ich w wodzie, tym jest ona twardsza, a tym samym odznacza się większym napięciem powierzchniowym, które utrudnia zwilżanie powierzchni, na skutek czego trudno jest przy jej pomocy prać ubrania i zmywać naczynia.

Zasadowość i kwasowość

Zasadowością określa się zdolność wody do zobojętniania jonów kwaśnych. Występuje ona przy pH poniżej 4,6. Kwasowość z kolei to zdolność do zobojętniania jonów zasadowych. Kwasowość i zasadowość tworzą bufor chroniący środowisko wodne przed wpływami zanieczyszczeń, a naruszenie tego układu powoduje nieodwracalne zmiany w ekosystemach.

Żelazo i mangan

W odróżnieniu od wód podziemnych, w wodach powierzchniowych żelazo i mangan występują w małych ilościach. Ich podwyższone stężenia wpływają nie tylko negatywnie na nasz organizm, lecz także na korozyjność rurociągów i niszczenie pranej odzieży. Obydwa pierwiastki wpływają też na zapach i smak H₂O.

Sód i potas

Wody powierzchniowe cechują się zazwyczaj niskim stężeniem sodu (soli), chyba że do zbiornika wpływają ścieki lub znajduje się on blisko morza. W wodach podziemnych ilość sodu uzależniona jest od położenia warstwy wodonośnej. Dlatego wody solankowe możemy spotkać w Ciechocinku czy Inowrocławiu. Duże stężenia tego pierwiastka wpływają negatywnie na korozyjność wody oraz na nasze zdrowie. Nadmierne spożycie soli może mieć wpływ na choroby naczyniowe, cukrzycę, uszkodzenie nerek, dolegliwości wątroby, podwyższone stężenie cholesterolu i uczucie zmęczenia.

Formy azotu

Najczęściej oznaczany jest azot amonowy. Jego wysoki poziom świadczy o obecności fekaliów. Natomiast duża ilość azotu na wyższych stopniach utlenienia spowodowana jest zanieczyszczeniem wody nawozami sztucznymi bądź ściekami przemysłowymi.

Metale ciężkie

Należą do nich arsen, kobalt, ołów, kadm, rtęć, miedź, cynk, nikiel i chrom. W wodach metale ciężkie pochodzą głównie z zanieczyszczeń przemysłowych. Czasami ich obecność spowodowana jest jednak naturalnym wymywaniem z utworów skalnych. Są bardzo toksyczne i łatwo kumulują się w organizmie (kościach, nerkach, mózgu), będąc przyczyną groźnych, ostrych i przewlekłych zatruć, chorób układu krążenia, układu nerwowego, schorzeń nerek i pojawiania się złośliwych nowotworów.

Chlorki

Pochodzą głównie ze ścieków, a ich wysokie stężenie świadczy o dużym zanieczyszczeniu wody. Powodują słony smak wody i jej wysoką korozyjność.

Substancje organiczne

Substancje organiczne zawarte przede wszystkim w wodzie powierzchniowej, to żywe mikroorganizmy lub też obumarłe i rozłożone części roślinne i zwierzęce, a także substancje, które trafiły do środowiska naturalnego w rezultacie naszej aktywności gospodarczej, np. węglowodory aromatyczne (składniki benzyn, olejów itp.).

Gazy rozpuszczone

Przede wszystkim chodzi tu o tlen i dwutlenek węgla. Ich ilości świadczą o dobrych warunkach dla życia organizmów oraz o możliwości samooczyszczania się wody. Duża ilość CO₂ wpływa na korozyjność wody.

Bakteriologia

Bakteriologia określa ilość bakterii, wirusów i pierwotniaków, a nawet pasożytów, jakie znajdują się w wodzie. O ile źródła podziemne są zazwyczaj czyste bakteriologicznie, tak powierzchniowe w dużej mierze bywają zamieszkałe przez różne organizmy. Najgroźniejsze z nich to bakterie fekalne typu coli i enterococae oraz zarazki i wirusy chorobotwórcze, a w szczególności salmonelle, legionelle, pałeczki duru brzusznego, pałeczki czerwonki, jak i bakterie typu pseudomonas – szczególnie odporne na chlorowanie – powodujące zakażenia dróg oddechowych i moczowych, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, kości, szpiku, stawów, oka lub ucha; przyczyniają się do powstawania ropni, zapalenia osierdzia, wsierdzia, czasem zatruć pokarmowych; dla zdrowych osób są nieszkodliwe, mogą jednak powodować ciężkie schorzenia u chorych z upośledzoną odpornością.