Abstrakt Výzkum možností minimalizace obsahů organických škodlivin ve zdrojích pitných vod v Krušných horách říjen 2013 řešitelský tým: VULHM, v.v.i.; BC AV ČR. v.v.i.; Lesy ČR, s.p.; POH, s.p.; Landestalsperrenverwaltung Sachsen; Euroregion Krušnohoří
Vedoucí partner projektu: Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v.v.i. Partneři projektu: Biologické centrum AV ČR, v.v.i. Lesy ČR, s.p. Povodí Ohře, s. p. Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen Euroregion Krušnohoří, o.p.s. Foto: M. Krtička
Úvod Cílem projektu bylo hledat a ověřit možnosti snižování obsahu organických látek ve zdrojích pitné vody v oblasti Krušných hor, které zásobují obyvatele Saska, Ústeckého a případně také Karlovarského kraje. Krušné hory jsou významnou oblastí přirozené akumulace vody. Právě pro akumulaci vod slouží soustava nádrží zadržujících vodu pro úpravu pitné vody. Na české straně se nachází 9 (Horka, Myslivny, Přísečnice, Křímov, Kamenička, Jirkov, Jezeří, Janov a Fláje) a na straně saské 17 nádrží (Dröda, Werda, Muldenberg, Carlsfeld, Sosa, Eibenstock, Cranzahl, Stollberg, Einsiedel, Neunzehnhain I a II, Saidenbach, Rauschenbach, Lichtenberg, Klingenberg, Lehnmühle a Gottleuba) a další 4 vodní díla vedená jako rybníky (Dörnthaler Teich, Obersaider Teich, Oberer Grosshartmannsdorfer Teich a Grosser Galgenteich). Výše položené oblasti Krušných hor jsou citelně poznamenány dřívější intenzivní těžbou minerálů a rud, a přeměnou původních biotopů pro zemědělské a lesnické účely. Významné je zde také poškození imisními vlivy, obsahujícími především SO 2, aerosoly a prachové částice ke kterému docházelo zejména v průběhu 70. let minulého století. Oblasti nacházející se na úpatí Krušných hora a v nižších nadmořských výškách jsou relativně hustě osídleny a průmyslově a zemědělsky intenzivně využívány. Na české straně převažuje těžba uhlí a s ní spojená teplárenská energetika, zatímco v saské části převažuje lehký průmysl a je využívána více zemědělsky. Nehledě na poškozující antropogenní vlivy se však v Krušných horách stále nacházejí cenné ekosystémy, jejichž zachování je třeba respektovat. Monitorování čistoty zdrojů pitné vody prokázalo, že v nich zhruba od přelomu století dochází k průběžnému zvyšování obsahu přírodních organických látek, z nichž převažující součást tvoří huminové látky. Příčiny tohoto jevu byly přisuzovány řadě faktorů. Propočty ukázaly, že jen z nádrží na české straně odtéká za rok cca 750 tun organických látek. Tyto látky nejsou samy o sobě zdraví škodlivé. Avšak po úpravě zdrojových vod na pitnou vodu chlorací vznikají z huminových látek trihalometany a sloučeniny, v nichž je atom chlóru vázán na aromatické jádro. Takto lidskou činností vzniklé látky jsou potenciálně karcinogenní. Ke splnění cíle projektu, tj. ověřit možnosti snížení obsahů organických látek v pitných vodách, bylo třeba provést podrobné analýzy klimatologické a hydrologické, určit vlivy lesnic-kého hospodaření na stav rašelinišť jako zdrojů pitné vody, stanovení obsahů organických (huminových) látek v jednotlivých lokalitách a jejich kolísání v závislosti na srážkových spadech. V rámci řešení projektu byly vedle terénních šetření prováděny i modelové laboratorní experimenty (hydroponie, nádobové pokusy, fotodegradace) i terénní experimenty na stanovištích (retenční přehrázka, pokusná výsadba lesních dřevin). Základem projektu jsou výsledky komparativní rešerše, které shrnují údaje ze zemí, kde se pitná voda získává ze zdrojových lokalit (vysokohorská jezera, rašeliniště), v nichž rovněž dochází ke kumulaci organických látek a řeší se analogická problematika (Norsko aj.) (1) Ze zahraničních, částečně i tuzemských zkušeností tak vyplynula potřeba provést: - výzkum, zařazení a deskripci lokality z širšího bioklimatologického, geologického a fytogeografického pohledu (2,4), což znamenalo provést geobotanický (3); geotechnický, hydrologický a hydrogeologický průzkum (4); - průběžné sledování změn hydrologických parametrů lokality (4,5); - bioindikaci lokality určením typických zástupců mikrofauny (pancířníci) (7) a stanovením přítomnosti symbiotických hub (mykorrhiza) (8); 2
- charakteristiku genetické struktury umělé výsadby cílové dřeviny smrku ztepilého na sledované lokalitě (14) z hlediska prognózy zalesnění v zájmové lokalitě; - určení radiokarbonového stáří organických sloučenin - stanovení obsahu izotopu 14 C (1,6); - konzultace s pracovníky lesní správy, správy vodních toků a ostatními odborníky (ochranáři, hospodářskými pracovníky apod.). - obsah HL v přítocích potoka Rašeliník činil 2 60 mg.l -1 ; nejvyšší koncentrace HL látek byly zaznamenány ve vodách levostranného přítoku (bod č. 6); vysoké koncentrace HL byly rovněž zjištěny v tůních, po intenzivnějších deštích a tání sněhu; v levostranném přítoku (bod č. 3) se ve vegetační sezóně pohybovala koncentrace HL mezi 7 9 mg.l -1, při tání sněhu v dubnu 2013 obsahovala voda 50 mg.l -1 HL i při vysokém průtoku (1,5,6); Výsledky těchto průzkumných a popisných prací lze shrnout do následujících závěrů (podrobnější informace lze nalézt v jednotlivých kapitolách Zprávy nebo na webovém portálu Projektu (www.ochranavody.cz): - sledovaná rašeliniště jsou významně ovlivněna lidskou činností (půdní úpravy, imise); většinou se nejedná o živé (rostoucí) rašeliniště, avšak na některých, plošně velmi omezených místech je rašeliniště ještě živé (celkově do 2% rozlohy) (3,4,7); - mikrofauna (pancířníci) i mikroflóra (mykorhizní houby) jsou na těchto degradovaných lokalitách druhově velmi chudé (3,7,8); - z rašelinišť jsou vyplavovány přirozeně se vyskytující huminové látky (HL) do povrchových toků, jen ze sledovaného povodí Rašeliníku (6,42 km 2 ) je to cca 14 tun ročně (1,4,5,6); - izolované HL z přítokových vod byly studovány tradičními a spektrálními metodami; barevný koeficient A 465/665 těchto HL odpovídá fulvokyselinám (FK); podobné, celkově však poněkud nižší hodnoty barevného koeficientu byly zjištěny také u vzorků ze Saska. Rovněž analýzy provedené FTIR a 13 C NMR spektroskopií prokázaly, že jde převážně o FK (6); - průměrná molekulová hmotnost (M r ) HL izolovaných z přítoků potoka Rašeliník se pohybovala mezi 1,8-2,1 kda. Vody obsahovaly především nízkomolekulární FK; podíl vysokomolekulární frakce činil okolo 2 %; vody ze saské strany obsahovaly FK o M r mezi 1,8-2,5 kda, ale podíl vysokomolekulární frakce byl větší (až 7 %)(1,6); - radiouhlíkové datování pomocí AMS ukázalo, že do Rašeliníku jsou vyplavovány FK pocházející z 150 250 let starých vrstev rašeliny; na podzim a v zimě byly vyplavovány mladší, v létě převážně starší HL a FK, což patrně souvisí s dekompozičními procesy, výškou hladiny podzemní vody a aerací povrchových vrstev rašeliny(6); - ve vodách obnovených rašelinišť v Sasku byly zjištěny HL staré až 850 let, což dokládá, že terénní úpravy spojené s revitalizací mají za následek uvolňování starších zásob HL, což jejich export do povrchových vod zvyšuje (6); 3
- k akumulaci HL (až 65 mg.l -1 ) dochází rovněž ve vodách malých tůní, v odvodňovacích kanálech i v okolním odlesněném terénu, z nichž jsou HL vyplavovány a snižují kvalitu zdrojových vod (1,2,5,6); - v nádržích shromažďujících pitnou vodu dochází v důsledku klimatických oscilací (teploty, srážky) k ovlivnění teploty a množství vstupních vod, které určují teplotní rozvrstvení (primární a sekundární termokliny) vody, což opět určuje výrazné rozdíly v obsahu HL a FK (5); - vyselektovaná zbytková populace cílové dřeviny (smrku ztepilého) vzniklá umělou výsadbou v povodí Rašeliníku ve věku 20-30 let je geneticky dostatečně variabilní, což je předpokladem přežití tohoto druhu dřeviny v místních extrémních přírodních podmínkách (14). Na základě výše uvedených zjištění byla provedena řada modelových testů v laboratorních i terénních podmínkách. Mezi partnery projektu byla od počátku řešení projektu shoda, že navržená řešení budou na daném modelovém povodí realizována tak, aby byla co možná šetrná k okolnímu prostředí a současně, aby bylo možné tato zjištění případně přenést (po zohlednění rozdílů v místních podmínkách) do dalších lokalit. Na sledovaném území byla realizována dvě investiční opatření: retenční přehrázka a výsadba rychle rostoucích dřevin. Přehrázka byla postavena za účelem ovlivnění vnosu HL do přehrady Fláje. Tento způsob ochrany nádrže na pitnou vodu má zabránit extrémnímu přívodu HL po dlouhotrvajících srážkách a v průběhu tání sněhu. Zpomalení toku a rozšíření vodní plochy nad přehrádkou má prodloužit dobu slunečního osvitu a tím zvýšit fotodegradaci HL rozpuštěných ve vodě. Fotodegradace huminových látek byla ověřena v laboratorních podmínkách. Výsadba dřevin proběhla na několika stanovištích, kde bylo postupně vysazeno přes 10 000 sazenic vrb, osik a jeřábů, které jsou vhodné pro extrémní lokality jako podmáčená stanoviště a mrazové kotliny, snášejí teplotní výkyvy a rostou i na chudých půdách. Tyto dřeviny zde plní několik funkcí: stabilizují půdu, omezují její snos a snižují vymývání látek z půd (narušují kořenovými systémy půdní rašelinné horizonty). Zadržují srážkovou vodu na svých površích (intercepce) a zvyšují jejich odpar (evapotranspirace). Byl proveden výzkum fixace HL na povrchu kořenů a jejich případné metabolizace kořenovými systémy. Oba procesy mohou hrát významnou roli v situacích, kdy je srážková voda zadržována v terénních depresích ať už přirozených, nebo vzniklých lidskou činností (např. při nešetrných těžbách), v níž se kumuluje 4-10krát více HL, čímž se zvyšuje jejich vyplavování do zdrojů pitné vody. V důsledku výsadby také dochází k provzdušnění svrchních partií rašeliniště, což v dlouhodobém horizontu zvyšuje retenční schopnost rašeliniště Výsledky testů provedených v povodí potoka Rašeliník a v laboratorních podmínkách lze shrnout do následujících závěrů: - fotodegradační testy v dané lokalitě prokázaly významné snížení obsahu HL (11); - vrby pěstované v hydroponii v roztoku HL (přímá interakce kořenového systému s HL) významně snížily jejich koncentraci (10); - v hydroponických testech byl prokázán 4
stimulační účinek huminových látek na sekundární metabolismus fenolických látek, což může přispívat ke zvýšení rezistence dřevin ke stresovým podmínkám (12); - ujímavost vysazených dřevin činila více jak 75%, což je v mrazových údolích a na velmi chudé půdě degradovaných rašelinišť velmi pozitivní výsledek (13). Výsledky získané v průběhu řešení Projektu dostatečně přesně nejen ilustrují složitou problematiku výskytu HL a možností jejich minimalizace v rašelinných ekosystémech, ale řadu z nich lze pokládat za obecně platné, takže by mohla být aplikována také v jiných lokalitách. Je třeba si uvědomit, že přívod organických látek a především HL do vodárenských nádrží a jejich obsahy ve zdrojích pitné vody v horských oblastech jsou dány geochemickými a klimatickými faktory charakteristickými pro danou oblast, ale také antropogenními vlivy a zásahy (průmysl, lesní hospodaření). Protože kumulace HL ve zdrojích pitné vody je jev dlouhodobý, je třeba zvolit a realizovat taková opatření, která budou mít dlouhodobý až trvalý efekt. Tato opatření musejí být vzhledem k životnímu prostředí zároveň co nejšetrnější. došlo k významné degradaci rašelinišť lidskou činností, anebo souběhem jiných faktorů. Tato opatření spočívají hlavně ve vysazování přípravných/melioračních dřevin (preferenční jsou vrby a osiky) v místech, kde vlivem imisí došlo k odumření rašelinných smrčin, což by mělo významně snížit akumulaci HL látek a jejich následné vyplavování v důsledku: - interakce kořenových systémů vysazených dřevin s povrchovými vrstvami rašelinného tělesa a zvýšení retenční kapacity svrchního půdního horizontu (zadržení většího objemu srážkové vody); - snížení mobility HL kořenovými systémy dřevin, což v omezuje jejich vyplavování do zdrojových vod; - snížení objemu srážek dopadajících na půdní povrch v důsledku intercepce a evapotranspirace; - poklesu obsahu vyplavovaných HL v podzemních vodách; proto je třeba výsadby dřevin uskutečnit v profilech mezi vodotečí a rašelinných tělesem tedy ve směru proudění podzemních vod k vodoteči; - zpomalení toku meandry, anebo umělými překážkami snižuje obsahy HL ve vodách; proto je podporovat přirozené meandrování malých toků, zejména v úsecích s kamenitým dnem/břehem - osvitu slunečním zářením dochází (především v létě) k významnému poklesu koncentrací HL; výstavba plochých mělkých zdrží tak může omezit přívod HL do vodních nádrží. Navrhovaná opatření mají význam pro horské lokality, které slouží jako zdrojové oblasti pro odběr pitné vody a kde se vyskytují vysoké toky vyplavovaných HL (přesahující 1t.km -2.rok -1 ), zejména pro lokality, v nichž 5
Odkazy (1-15) výstupy projektu: 1. Novák, F.: Export DOC z rašelinišť - literární rešerše 2. Buriánek, V.: Charakteristika širšího území 3. Vávra, J.: Biologická deskripce lokality Rašeliník 4. Beránek, J., Zahrádka, V.: Definice zdrojových rašelinišť 5. Paul, L.: Vědecký monitoring k posouzení technických opatření optimalizace řízení kvality vody se zaměřením na huminové látky v přehradách Rauschenbach a Fláje 6. Novák, F., Šestauberová, M.: Huminové látky v povodí Rašeliníku 7. Starý, J.: Půdní organismy - pancířníci - a jejich ovlivnění lidskou činností 8. Mrnka, L.: Aktivita lignocelulytických enzymů 9. Krtička, M.: Popis přehrázky - technické parametry 10. Krtička, M. a kol.: Testy biodegradace huminových látek dřevinami 11. Krtička, M. a kol.: Fotodegradační testy 12. Cvikrová, M.: Stanovení obsahů volných a vázaných fenolických kyselin v půdě a v rostlinném materiálu 13. Dostál, J. a kol.: Pokusné výsadby v oboře Fláje 14. Cvrčková, H., Máchová, P.: Studium polymorfismu u vybraných populací smrku ztepilého Picea abies (L) Karsten pomocí DNA analýz 15. Grabic, R. a kol.: Sledování obsahů organických polutantů 6
Autoři projektu děkují za podporu Evropského fondu pro regionální rozvoj, Operačního programu Přeshraniční spolupráce ČR/Sasko Ziel3/Cíl3. 7
POZNÁMKY 8
POZNÁMKY 9