MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV GEOLOGICKÝCH VĚD
Optimalizace odvodnění stavební jámy CVIDOS MU v Brně Rešerše k diplomové práci
Markéta Nohavicová
Vedoucí práce: Mgr. Adam Říčka, Ph.D.
Brno 2014
Obsah 1. ÚVOD…………………………………………………………………………………...…..3 2. LOKALIZACE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ, ZDROJ KONTAMINACE……………….……..4 2. 1. 2. 2.
Lokalizace zájmového území…………………………………………………4 Zdroj kontaminace……………………………………………………………4
3. PŘÍRODNÍ POMĚRY ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ………………………………….…...…….5 3. 1. Geomorfologické poměry ………………………………………………….…5 3. 2. Geologické poměry…………………………………………………………....5 3. 2. 1. Proterozoikum………………………………………………….6 3. 2. 2. Terciér ‒ neogén………………………………………………..6 3. 2. 3. Kvartér …………………………………………………………6 3. 3. Klimatické poměry……………………………………………………………7 3. 4. Hydrologické poměry…………………………………………………………8 3. 5. Hydrogeologické poměry……………………………………………………..8 4. DOSAVADNÍ PROZKOUMANOST ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ A JEHO OKOLÍ………….9 5. CELKOVÁ CHARAKTERISTIKA KONTAMINANTŮ (ClE)……………………….....12 5. 1.
Chlorované etylény………………………………………………………..…13 5. 1. 1. Charakteristika skupiny chlorovaných etylénů……………………13 5. 1. 2. Základní fyzikální vlastnosti chlorovaných etylénů……………….14 5. 1. 3. Migrace chlorovaných etylénů horninovým prostředím………….18
6.
LITERATURA………………………………………………………………………..20
7.
PŘÍLOHY……………………………………………………………………………..22
2
1. ÚVOD V rámci výstavby administrativní budovy Centra výzkumných institutů a doktorských studií Pedagogické fakulty Masarykovy Univerzity Brno (dále jen CVIDOS PdF MU Brno), byl proveden hydrogeologický a sanačně geologický průzkum stavební jámy a nejbližšího okolí. Severovýchodně od stavební jámy se na ulici Křídlovická nachází bývalá chemická čistírna oděvů, která zde figuruje jako zdroj kontaminace podzemních vod. Koncem devadesátých let dvacátého století byla na lokalitě prokázána silná kontaminace horninového prostředí chlorovanými etylény, nicméně nejzávažnější je kontaminace podzemní vody. Před zahájením výstavby CVIDOS PdF MU Brno bylo zapotřebí vyřešit odčerpávání přítokových kontaminovaných vod do stavební jámy a jejich následnou dekontaminaci před zpětným zasakováním do horninového prostředí. Vzhledem k absenci předchozího hydrogeologického průzkumu bylo nutné v prostoru stavební jámy ověřit petrografické složení kvartérních uloženin, ověřit hloubku naražené a ustálené hladiny podzemní vody, hydraulické parametry kvartérního kolektoru a především intenzitu znečištění podzemních vod. Na základě těchto poznatků, informací uvedených v následujících kapitolách práce a za pomoci numerického modelování, je možné posuzovat generelní směr proudění podzemních vod, kalkulovat a následně optimalizovat přítok podzemních vod do stavební jámy, zaznamenat vývoj koncentrací kontaminantů a posoudit ovlivnění odtokových poměrů podzemní vody v okolí stavby. Hlavním cílem práce je ověřit vliv zahloubení stavby na proudění podzemních vod.
3
2.
LOKALIZACE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ, ZDROJ KONTAMINACE
2. 1.
Lokalizace zájmového území
Projektovaná stavba leží v územní městské části Staré Brno, severně od toku řeky Svratky, ve vnitrobloku mezi ulicemi Poříčí, Zahradnická, Křídlovická a Nádvorní (viz příloha 1). Novostavba je situována v místě již zdemolované původní budovy katedry tělesné výchovy Pedagogické fakulty (PdF) a těsně tak navazuje na přilehlou budovu PdF Poříčí 31 a atletické hřiště PdF. Předmětná stavební jáma se rozprostírá na ploše 965 m2. Vzhledem k cílům práce bylo zájmové území vztaženo k modelované oblasti a celkově tak bylo rozšířeno na plochu 1 117 520 m2. Celkový pohled na zájmové území je zobrazen v příloze 2.
2. 2.
Zdroj kontaminace
Stavební jáma pro založení objektu CVIDOS PdF MU Brno leží v prostoru tranzitního kontaminačního mraku chlorovaných etylénů (ClE), k jejichž úniku došlo v druhé polovině dvacátého století. Zdrojem kontaminace byl areál bývalé prádelny a chemické čistírny na ulici Křídlovická č. p. 28, která byla v provozu od 30. let 20. století do roku 1993. K úniku vysoce rizikových chlorovaných uhlovodíků, především perchloretylénu a trichloretylénu, došlo v druhé polovině dvacátého století. Tyto látky byly intenzivně používány při procesu chemického čištění oděvů a rovněž zde docházelo ke svozu a recyklaci z jiných čistírenských provozů. Údaje o celkovém používaném množství látek nejsou k dispozici. S látkami bylo manipulováno na nezabezpečeném terénu a docházelo tak k únikům látek do horninového prostředí, spodních vod a atmosféry. Hlavní ohnisko kontaminace byl vnější dvůr čistírny, kde byly skladovány nádrže s kontaminanty. Mezi hlavní používané chemikálie patřil benzín, jenž byl používán jako náplň některých čistících strojů, a perchloretylén, který zde byl recyklován a skladován (Kuchovský & Pašková, 1998). V rámci hydrogeologického průzkumu v druhé polovině 90. let byla vzorkováním podzemních vod zjištěna významná kontaminace látkami typu chlorovaných uhlovodíků. Půdní vzduch i zemina obsahovaly stopové množství nepolárních extrahovatelných látek (NEL) a aromatických uhlovodíků (BTEX). Celková zjištěná kontaminace horninového prostředí a podzemních vod byla vyhodnocena jako havarijní a bylo doporučeno okamžité zahájení sanačního zásahu (Štympl & Valeš, 1995, 1996). 4
V červenci roku 2012, před zahájením výstavby objektu, byl proveden sanačněgeologický průzkum a v místě budoucího staveniště, při okraji stavební jámy byly vyhloubeny dva hydrogeologické průzkumné vrty a odebrány vzorky pro posouzení potencionálních polutantů (Pospíšil et al., 2012).
3. PŘÍRODNÍ POMĚRY ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ
3. 1.
Geomorfologické poměry
Z hlediska regionálně geomorfologického členění České republiky náleží zájmové území do provincie Česká vysočina, konkrétně je součástí podcelku Dyjsko-svratecká niva, který je součástí celku Dyjsko-svratecký úval, jenž představuje samostatnou jednotku Vněkarpatských sníženin (Czudek et al., 1972). Současný charakter území, jako součást rovinné údolní nivy, je výsledkem kombinace erozně akumulační činnosti řeky Svratky a antropogenní činnosti spojené s městskou zástavbou a povrchovými úpravami terénu. Převážná část území má rovinatý charakter s nadmořskou výškou kolem 200,8 m. n. m.
3. 2.
Geologické poměry
Z regionálně geologického hlediska je zájmové území situováno na západním okraji karpatské předhlubně mezi dvěma hlavními geologickými celky- českým masívem a karpatskou soustavou. Výplň karpatské předhlubně tvoří komplex neogenních sedimentů, které jsou překryty kvartérními uloženinami. Neogenní sedimenty nasedají v hloubce přibližně 100 metrů na skalní podloží (krystalinikum) tvořené magmatickými horninami brněnského masívu (Müller, Novák et al., 2000).
5
3. 2. 1.
Proterozoikum
Proterozoické horniny krystalinika brněnského masívů jsou převážně tvořeny granodioritem. V rámci hydrogeologických průzkumných prací však nebyly zastiženy. Vzhledem k monitorovacímu charakteru vrtů je jejich maximální hloubka 10 metrů.
3. 2. 2.
Terciér ‒ neogén
spodní báden Předkvartérní podloží zájmového území je reprezentováno především uloženinami neogenního miocenního moře. V prostoru zájmového pozemku byly v mělkých vrtech zastiženy pouze sedimenty spodního bádenu (morav), reprezentovány pelitickou facií vápnitých jílů (téglů) s vložkami písků a štěrků, které jsou zde nejrozšířenějším litofaciálním typem. Nejčastěji se jedná o modravě šedé, světle šedé až šedé, místy nazelenalé až nahnědlé, proměnlivě jemně písčité až prachovité silně vápnité jíly, které buď nasedají na bazální klastika nebo přímo na předbádenský reliéf (Müller, Novák et al., 2000). Ve větších hloubkách se mohou nepravidelně vyskytovat vrstvy ulehlých mokrých jemnozrnných a stejnozrnných písků až písčitých štěrků, na něž je vázáno zvodnění v neogenním souvrství (Pospíšil et al., 2012).
3. 2. 3.
Kvartér
Kvartérní horniny jsou zastoupeny fluviálními akumulacemi písčitých štěrků, které reprezentují údolní nivu řeky Svratky (stáří riss). Mocnost fluviálních uloženin je na lokalitě proměnlivá v závislosti na reliéfu nepropustného podloží spodního bádenu. Fluviální sedimenty dosahují hloubky 3,5 – 4 m p. t. a jsou překryty jílovitopísčitými povodňovými sedimenty s podílem organické hmoty v rozmezí mocnosti 2 – 3 m. Litologický charakter závisí na snosové oblasti, lokálně se mohou vyskytovat relikty starších sedimentů, jako jsou spraše a sprašové hlíny, které zpravidla převažují v nivách menších řek. Ze snosové oblasti při horním toku řeky Svratky byly ukládány smíšené písčité sedimenty až hlinité písky (včetně výplavových kuželů). Fluviální písčité štěrky (hrubě klastické) byly ukládány souvisle s tokem Svratky a dosahují mocnosti 4 – 5 m. Jejich polymiktní, hrubozrnná valounová složka je tvořena 6
převážně horninami krystalinika Českomoravské vrchoviny (granit, granodiorit, aplit, leukokratní žulorula a žilný křemen) a horninami brněnského masívu. Průměr valounů se pohybuje okolo 6 cm, ojediněle i více než 15 cm (Müller, Novák et al., 2000; Pospíšil et al., 2012). Na tuto vrstvu je vázáno zvodnění a vlivem proudění podzemních vod zde dochází k šíření kontaminantu. Vlivem dlouholeté stavební činnosti pokrývají zájmové území antropogenní navážky charakteru hlíny s příměsí písku, štěrku a stavebního odpadu až do mocnosti 1 m a tvoří tak nejsvrchnější část litologického profilu. Nejvyšší zjištěná mocnost antropogenní akumulace doprovázející koryto Svratky je 5 m. Nejvyšší mocnost zastižená vrtným průzkumem v oblasti Křídlovické ul. se pohybuje od 1,5 do 3,5 m (Štympl & Valeš, 1996). Geologický řez stavební jámou je zobrazen v příloze 3.
Obr. č. 1: Geologická mapa zájmového území Brno- Poříčí (uvedené zkratky: Q- kvartér, Nneogén, D- devon, Pt – proterozoikum), upraveno podle ČGS (2014).
3. 3.
Klimatické poměry
Podle klimatické rajonizace ČR (Quitt, 1971) patří zájmová oblast do klimatického rajónu T4, tj. jednotka teplé oblasti. Toto území je charakteristické velmi dlouhým, velmi teplým a velmi suchým létem, s velmi krátkým přechodným obdobím jara i podzimu. Zima je naopak velmi krátká, teplá, suchá až velmi suchá, s velmi krátkým trváním sněhové pokrývky. 7
Nejvyšší průměrné teploty vzduchu, které vychází dlouhodobého měření podle databáze Českého
hydrometeorologického
ústavu
(ČHMU,
2013),
jsou
v červenci
18,8°C.
Nejchladnějším měsícem je naopak leden s průměrnou teplotou -2,1°C. Průměrná roční teplota je 8,7°C.
3. 4.
Hydrologické poměry
Zájmové území náleží do povodí Svratky, jejíž průtokové poměry jsou sledovány v profilu Brno – Poříčí. Hydrologicky náleží hlavnímu povodí řeky Dunaj s číslem 4 – 00 – 00, dílčímu povodí 4–15–01 (Svratka po Svitavu) a rajónu s číslem 4–15–01–153 (Svratka od Komínského potoka po Ponávku). Řeka Svratka protéká jižně od zájmového území (Pospíšil et al., 2012). Plocha dílčího povodí je 24,85 km2, délka toku od rozvodnice k uvedenému profilu je 10 km a lesnatost 20%. Podle poměru plochy povodí a kvadrátu délky údolí toku rovno 0,25, se jedná o protáhlejší typ povodí. Celková plocha povodí Svratky nad sledovaným profilem Brno – Poříčí je 1637,21 km2. Průměrný průtok sledovaný v uvedeném profilu za období let 1931 – 1980 byl 7,68 m3.s-1 (Kuchovský & Pašková, 1998). Přirozený odtokový režim v řece je ovlivňován periodickým vypouštěním vody z Kníničské přehrady. Před regulací toku řeky Svratky její koryto silně meandrovalo a zasahovalo hluboko na sever do prostoru současného Mendlova náměstí a ulice Hybešova (Pospíšil et al., 2012).
3. 5.
Hydrogeologické poměry
Z regionálně hydrogeologického hlediska se prostor zájmového území řadí k rajónu č. 1643 – kvartérní fluviální sedimenty v povodí Svratky a rajonu č. 2241 – neogenní sedimenty Dyjsko-svrateckého úvalu (Michlíček a kol., 1986). V celé zájmové oblasti se nachází spojitý a vydatný průlinový kolektor podzemní vody s mírně napjatou hladinou, vázaný na vrstvu kvartérních fluviálních písčitých štěrků údolní nivy řeky Svratky. Neogenní bádenské jíly o značné mocnosti (až desítky metrů), s koeficientem hydraulické vodivosti (k) v řádu 10-8 – 10-10 m/s, tvoří nepropustné podloží nadložní kvartérní zvodni a jejich povrch leží v hloubce 8 – 9 m p. t. Mocnost tohoto komplexu kolísá v závislosti na morfologii předneogenního reliéfu. Vápnité bádenské jíly zároveň zastávají funkci stropního izolátoru, který brání průniku kontaminantů do podložního 8
artézského systému. Naražená hladina podzemní vody s mírnou tlakovou napjatostí leží v hloubce 3,8 – 4 m p. t. Pro většinu hydrogeologických subsystémů reliktů neogenních štěrků a písků uložených na brněnském masívu je charakteristická dosti silná až mírná propustnost (Müller, Novák et al., 2000). Fluviální písčité štěrky (kvartér) na lokalitě vykazují vysokou průlinovou propustnost s koeficientem filtrace (k f) v řádu 10-4 m/s. Podle Jetelovy klasifikace (Jetel, 1982) tyto sedimenty řadíme mezi dosti silně propustné horninové prostředí. Kvartérní kolektor podzemní vody na ně vázaný je v přímé hydraulické spojitosti s řekou Svratkou, která protéká přibližně 70 m jižně od zájmové lokality, a vytváří tak hydrogeologickou okrajovou podmínku proudění podzemních vod (Pospíšil et al., 2012).
4.
DOSAVADNÍ PROZKOUMANOST ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ A JEHO OKOLÍ
Přímo v prostoru stavby CVIDOS PdF MU Brno byly aktuálně provedené průzkumné práce realizovány z důvodu absence dřívějšího inženýrsko-geologického a hydrogeologického průzkumu. V blízkém okolí stavební jámy byly v minulosti realizovány následující geologické průzkumné práce: Štympl J., Valeš V. (1995): Závěrečná zpráva o hydrogeologickém průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. MS Geotest Brno, a.s. Závěrečná zpráva popisuje pilotní hydrogeologický průzkum areálu bývalé chemické čistírny, která se nachází v těsné blízkosti stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno. Od třicátých let dvacátého století až do roku 1993 byla čistírna v provozu. Především v druhé polovině dvacátého století bylo intenzivně nakládáno s ekologicky vysoce rizikovými chlorovanými uhlovodíky, a to při procesu chemického čištění a recyklaci čistícího média. V rámci průzkumu na lokalitě byly vyhloubeny 3 hydraulicky úplné průzkumné vrty (HV1, HP2 a HP3) a v rámci areálu čistírny byl proveden orientační průzkum půdního vzduchu a zemin. V oblasti areálu bývalé chemické čistírny byly zjištěny nadlimitní koncentrace pro nepolární extrahovatelné látky, jednotlivé chlorované etylény a BTEX. Rovněž byla zastižena významná kontaminace podzemní vody látkami typu chlorované uhlovodíky (ClU) ve vyhloubených vrtech, ale i v přilehlých studních ve směru proudění podzemních vod od 9
areálu čistírny, směrem na jih k řece Svratce. Ve studni St2 (příloha 4), situované přímo v areálu čistírny byla zjištěny koncentrace ∑ClU 87 700 µg/l, zastoupení perchloretylénu 45% a trichloretylénu 40%. Hlavní podíl kontaminace je vázán na nesaturovanou zónu tvořenou navážkami a povodňovými jílovotopísčitými hlínami, dále se šíří kvartérním kolektorem vysoce propustných písčitých štěrků v hloubce od 3 do 7,2 m, podloží tvoří nepropustné jíly, které jsou ukloněny směrem k řece Svratce, což zapříčiňuje snadný pohyb kontaminantu ve volné fázi ve směru proudění podzemních vod. Hladina podzemní vody byla naražena v hloubce 3,2 – 4,0 m p. t. Štympl J., Valeš V. (1996): Závěrečná zpráva o II. etapě hydrogeologického průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. MS Geotest Brno, a.s. V návaznosti na výše uvedený průzkum byla realizována další etapa průzkumných prací spočívající v provedení geofyzikálního průzkumu pro ověření litologie, atmogeochemického průzkumu pro vymezení ohnisek kontaminace v nesaturované zóně a dále hydrogeologického průzkumu, kdy bylo vyhloubeno dalších 11 hydrogeologických vrtů. V rámci vzorkování byla potvrzena masivní tranzitní kontaminace podzemních vod ClU, tranzitní kontaminační proudnice byla zastižena ve vrtu HP9Kř (příloha 4), který je situován pouze 28 m východně od stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno. Koncentrace ClU dosáhla hodnoty 142 250 µg/l a kontaminace se stopově projevila i v řece Svratce. Kuchovský T., Pašková M. (1998): Posouzení stavu znečištění podzemních vod a zemin na Starém Brně - Poříčí. MS Katedra geologie a paleontologie PřF MU Brno. Ve zprávě jsou uvedeny souhrnné informace o kontaminaci horninového prostředí a podzemních vod chlorovanými uhlovodíky s ohniskem kontaminace v areálu bývalé chemické čistírny na ul. Křídlovické. Na základě čerpacích zkoušek provedených v roce 1997 v rámci pilotního testu sanačního čerpání jsou ve zprávě uvedeny hodnoty hydraulické vodivosti k = 2,57.10-4 m/s a transmisivity T = 9,75.10-4 m2/s. Na základě vlastních i archivních laboratorních a hydrometrických prací je ve zprávě přehledně vykreslen rozsah tranzitní kontaminace v syntetické hydroekologické mapě. Okraj tohoto mraku zasahuje k východnímu okraji stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno.
10
Danišová J. (2010): Závěrečná zpráva o provedeném inženýrsko-geologickém průzkumu v areálu Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity za účelem výstavby nového objektu tzv. „Centra výzkumných institutů a doktorských studií pedagogické fakulty Masarykovy univerzity”. MS Topgeo spol s r.o., Brno. V inženýrskogeologické části práce byla provedena pouze rešerše archivních průzkumů. Hydrogeologickým průzkumným vrtům v těsné blízkosti stavební jámy (min. 25 m) byly přiřazeny pouze tabulkové geomechanické parametry, což je pro danou stavbu hloubenou ve složitých základových poměrech a zařazení do 3 geotechnické kategorie nedostatečné. Rovněž zde nejsou uvedeny hodnoty hydraulické vodivosti a nebyl kvantifikován přítok podzemní vody do stavební jámy. V rámci průzkumu byly pouze odebrány vzorky podzemních vod z okolních vrtů k posouzení aktuálního stavu jejich kontaminace. Čáslavský M. (2010): Centrum výzkumných institutů a doktorských studií PdF MU Brno. Nakládání s kontaminovanými zeminami a podzemní vodou. Autorizovaný prováděcí projekt. MS Geotest, a.s., Brno. V tomto
projektu
jsou
uvedeny
podrobné
metodické
prostupy
pro
nakládání
s kontaminovanou zeminou a podzemní vodou na stavbě CVIDOS PdF MU Brno, včetně detailní specifikace závazné legislativy k této problematice. Na druhou stranu v prováděcím projektu chybí konkrétní informace o kvalitě zemin a informace o celkovém množství odčerpávaných podzemních vod v průběhu výstavby, intenzitě jejich znečištění a stanovení místa pro jejich vypouštění. Rovněž odhad čerpaného množství 1 l/s se neopírá o žádné konkrétní výpočty či měření a je značně podhodnocen, vzhledem k již známým informacím.
11
5.
CELKOVÁ CHARAKTERISTIKA KONTAMINANTŮ (ClE)
Organické sloučeniny antropogenního původu, mezi něž patří i chlorované etylény, jsou v současné době součástí všech složek životního prostředí. Tyto látky jsou rizikové z hlediska negativního účinku na ekosystém i zdraví člověka, u mnohých z nich dochází ke kombinaci nežádoucích vlastností tj. toxicita, mutagenita, schopnost akumulace, rezistentnost, nízká rozpustnost a s tím spojené dlouhodobé setrvání v horninovém prostředí. Chlorované etylény jsou celosvětově rozšířeny a využívány v mnoha odvětvích lidské činnosti. Vzhledem ke skutečnosti, že se jedná o látky s extrémně negativními účinky na živé organismy a ekosystémy, jsou řazeny do skupiny nejsledovanějších polutantů. Za nejzávažnější lze považovat kontaminaci horninového prostředí, jakož to primárního příjemce znečištění, odtud se kontaminace šíří do ostatních složek životního prostředí. Látky transportované horninovým prostředím mohou podléhat fyzikálním a chemickým přeměnám a produkty těchto přeměn jsou často mnohem škodlivější než primární kontaminanty. Metodický pokyn MŽP 2013 „Indikátory znečištění“ stanovuje indikátory znečištění zemin, podzemní vody a půdního vzduchu pro posuzování a hodnocení závažnosti antropogenního znečištění. Jako podklad pro odvození hodnot indikátorů znečištění byly použity tzv. screeningové hodnoty (tj. koncentrace chemických látek v jednotlivých složkách životního prostředí, jejichž překročení by si mělo vyžádat další průzkum či odstranění kontaminace) odvozené americkou agenturou pro ochranu životní prostředí USEPA (United States Environmental Protection Agency). Indikátory znečištění jsou stanoveny pro posuzování a hodnocení závažnosti antropogenního znečištění, kdy se jejich překročení posuzuje jako indikace znečištění, které by mělo být dále zkoumáno a hodnoceno, a to především z hlediska rizik pro případné příjemce znečištění a ohrožené ekosystémy (MŽP, 2014). Míra kontaminace horninového prostředí chlorovanými etylény (ClE) v prostoru stavby přesahuje kritérium C, odvozené z fyzikálně-chemických, ekotoxikologických vlastností látek, jejichž překročení přestavuje znečištění, které znamená riziko ohrožení zdraví člověka a složek životního prostředí. Odebrané vzorky zeminy a půdního vzduchu vykazují jen stopové množství nepolárních extrahovatelných látek (NEL) a aromatických látek (BTEX). 12
5. 1.
Chlorované etylény
5. 1. 1. Charakteristika skupiny chlorovaných etylénů Chlorované etylény, obecně označovány jako chlorované uhlovodíky, řadíme do obsáhlé skupiny chlorovaných derivátů organických sloučenin. Podle tvaru řetězců uhlíku se chlorované uhlovodíky dělí do dvou základních skupin – aromatické (monocyklické nebo polycyklické) a alifatické sloučeniny. Mezi chlorované alifatické uhlovodíky patří sloučeniny odvozené od metanu, etanu a etylénu, a některé nebo všechny atomy vodíku v molekulách mohou být nahrazovány atomy chlóru. Chlorované etylény (ClE) jsou chlorované alifatické nenasycené sloučeniny, jejichž základem struktury je molekula etylénu. Podle zastupovaní čtyř, tří, dvou nebo jednoho atomu vodíku atomy chloru v molekule etylénu je dělíme na: tetrachloretylén (perchloretylén), trichloretylén, 1,2 dichloretylén – 2 izomery odlišné prostorovou distribucí atomů chloru v molekule (cis a trans), 1,1 dichloretylén a vinylchlorid (viz Tab. 1). Tab.1: Sloučeniny skupiny chlorovaných etylénů název používaná sloučeniny zkratka tetrachloretylén PCE trichloretylén TCE cis 1,2 dichloretylén c-1,2 DCE trans 1,2 dichloretylén t-1,2 DCE 1,1 dichloretylén 1,1 DCE vinylchlorid VC
zjednodušený vzorec CCl2=CCl2 CHCl=CCl2 CHCl=CHCl CHCl=CHCl CH2=CCl2 CH2=CHCl
molární hmotnost 165,83 131,39 96,94 96,94 96,94 62,5
Upraveno podle Howarda a kol. (1990): Všechny uvedené sloučeniny ze skupiny chlorovaných etylénů jsou antropogenního původu a žádná z nich se v přírodě nevyskytuje přirozeně.
13
5.1.2. Základní fyzikální vlastnosti chlorovaných etylénů Stejně jako u všech kapalných látek, tak i v případě chlorovaných etylénů, fyzikálněchemické vlastnosti a vlastnosti horninového prostředí výrazně ovlivňují charakter jejich distribuce a zákonitosti jejich migrace horninovým prostředím. Chlorované etylény patří mezi látky DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquids). Tyto organické látky jsou nemísitelné s vodou a vyznačují se nízkými hodnotami rozpustnosti ve vodě. Tento faktor významně ovlivňuje chování látek zejména v saturované zóně. Rozpustnost ClE ve vodě se zvyšuje s poklesem počtu atomů chloru vázaných v molekule, jedinou výjimku představuje vinylchlorid. Nejvyšší hodnotu rozpustnosti má t-1,2 DCE, naopak nejnižší hodnoty vykazuje PCE. Existují určité rozpory v udávaných hodnotách rozpustnosti sloučenin ve vodě (Pankow & Cherry, 1996). Důležitá fyzikální vlastnost, která ovlivňuje migraci kapalných kontaminantů v saturované zóně nebo při hranici nesaturované a saturované zóny, je hustota kapalné fáze. Chlorované etylény mají vyšší hustotou než voda, tedy nad 1 kg/m3. Zmíněná hustota klesá s klesajícím počtem atomů chloru (s klesajícím stupněm halogenizace) v molekulách ClE. Hustota kapalné fáze také závisí na teplotě, s rostoucí teplotou se hustota snižuje. Rovněž teploty tání (resp. tuhnutí) i teploty varu, klesají se snižujícím se zastoupením atomů chlóru v molekule ClE. Nejvyšší hustoty dosahuje tetrachloretylén (1,62 / 20°C) a nejnižší vinylchlorid (0,91 / 20 °C) (U. S. EPA 1994). Za normálních tlakových podmínek se mohou ClE v prostředí dlouhodobě vyskytovat jako kapaliny, výjimku tvoří vinylchlorid (VC). Tab. 2: Hodnoty hustot chlorovaných etylénu název sloučeniny
hustota [g/cm3]
tetrachloretylén 1,62/25 °C (MERCK, 1996) trichloretylén 1,46/25 °C (MERCK, 1996) c-1,2 dichloretylén 1,28/20 °C (Barbee, 1994) t-1,2 dichloretylén 1,26/20 °C (Barbee, 1994) 1,1 dichloretylén 1,21/20 °C (MERCK, 1996) vinylchlorid 0,91/20 °C (Barbee, 1994)
14
Tab. 3: Teploty tání, tuhnutí a varu chlorovaných etylénů bod tání [°C]
bod tuhnutí [°C]
bod varu [°C]
-19 (Howard et al., 1990) -73 (Howard et al., 1990) -80,5 (Howard et al., 1990) -50 (Howard et al., 1990) -
-22 (MERCK,1996) -86 (MERCK, 1996) -122 (MERCK, 1996) -159 (MERCK, 1996)
121 (MERCK, 1996) 86,7 (MERCK, 1996)) 60,3 (Howard et al., 1990) 48,7 (Howard et al., 1990) 32 (MERCK, 1996) -14 (MERCK, 1996)
Fyzikální veličina, která vzniká působením kohezních sil mezi jednotlivými molekulami kapaliny, se nazývá viskozita a významně tak ovlivňuje možnost migrace kapalné fáze ClE horninovým prostředím. Kapalné fáze ClE mají vždy nižší hodnoty kinematické viskozity a jsou tak mobilnější ve srovnání s vodou, která má při teplotě 20 °C kinematickou viskozitu 1,00 cps. Tetrachloretylén ze všech známých ClE dosahuje nejvyšších hodnoty absolutní (0,88/20°C mPas) i kinematické (0,55/20°C cps) viskozity (MERCK, 1996), nejnižších hodnot naopak dosahuje 1,1 dichloretylén s absolutní hodnotou viskozity (0,33 / 20°C mPas) (Pankow & Cherry, 1996). Viskozita chlorovaných etylénů klesá se snižujícím se počtem zastoupených atomů chloru v molekule. Tab. 4: Viskozita kapalných fází chlorovaných etylénů název sloučeniny
absolutní viskozita mPas
kinematická viskozita cps
zdroj
tetrachloretylén trichloretylén c-1,2 dichloretylén t-1,2 dichloretylén 1,1 dichloretylén vinylchlorid
0,88 / 20 °C 0,58 / 20 °C 0,54 / 25 °C 0,48 / 20 °C 0,41 / 20 °C 0,33 / 20 °C
0,55 / 20°C 0,38 / 20°C 0,38 / 25°C 0,32 / 20°C 0,33 / 20°C -
(MERCK, 1996) (MERCK, 1996 Pankow & Cherry (1996) Pankow & Cherry (1996) Pankow & Cherry (1996) Pankow & Cherry (1996)
15
Další složkou ovlivňující chování a možnosti migrace ClE v horninovém prostředí je těkavost. Vytěkávání je proces, při kterém dochází k přechodu látek ze skupenství kapalného do skupenství plynného, dochází k tomu pouze na rozhraní kapalné fáze nebo roztoku s půdním vzduchem nebo atmosférou. Fyzikální veličina, která charakterizuje snadnost vytěkávání látek z kapalné fáze je tlak par. Čím vyšší je tlak par, tím snadněji přechází kapalné látky do skupenství plynného. Tlak par roste se zvyšující se teplotou a klesajícím počtem zastoupení atomů chloru v molekule ClE (Kuchovský, 2000). Nejvyšší hodnoty tlaku při 50 °C má vinylchlorid a nejnižší naopak tetrachloretylén za teploty 25 °C (Hovard et al., 1990). Henryho zákon charakterizuje vytěkávání látek rozpuštěných ve vodě a numericky je
vyjádřen Henryho konstantou. Za zvýšených hodnot Henryho konstanty (H k) se předpokládá snadnější přechod látek rozpuštěných ve vodném roztoku do plynného skupenství (Kuchovský, 2000). Proces vytěkávání může být považován za významný transportní mechanismus pro látky s charakteristickými hodnotami Kh vyššími než 3 x 10-7 atm-m3/mol, naopak látky s hodnotami Kh menšími než 3 x 10 -7 atm-m3/mol jsou považovány za netěkavé (Lyman et al., 1984). Za rovnovážného stavu mají látky s hodnotami Kh vyššími než 10-5 atm-m3/mol vyšší podíl látek v plynném skupenství než ve vodném roztoku (Barbee, 1994). Všeobecně mají chlorované etylény vysoké hodnoty tlaků par i Henryho konstanty a vytěkávání je u nich považováno za významný transportní mechanismus na rozhraní kapalné fáze i vodného roztoku. Tab. 5: Hodnoty tlaku par, Henryho konstanty a rozpustnosti chlorovaných etylénů název sloučeniny
tlak nasycených par Henryho konstanta
rozpustnost ve vodě
zdroj
kPa
atm-m3/mol
mg/l
tetrachloretylén
2,47 (25 °C)
1,49 x 10-2
150,3 (25 °C)
Hovard et al., 1990
trichloretylén
9,2 (25 °C)
-2
1110 (25 °C)
Hovard et al., 1990
c-1,2 dichloretylén
26,67 (35 °C)
3,37x 10
-3
3500 (25 °C)
Hovard et al., 1990
t-1,2 dichloretylén
45,33 (25 °C)
6,72x 10-3
6300 (25 °C)
Hovard et al., 1990
1,1 dichloretylén
66,3 (20 °C)
2,29x 10
-2
2500 (20 °C)
MERK, 1996
vinylchlorid
734 (50 °C)
2,78x 10-2
1100 (20 °C)
MERK, 1996
1,03 x 10
Kapalná fáze chlorovaných etylénů a voda jsou považovány za nemísitelné kapaliny, což je zapříčiněno velmi nízkými hodnotami rozpustnosti chlorovaných etylénů ve vodě 16
(Cohen & Mercer, 1993). Napětí, které působí na rozhraní dvou kapalin, způsobuje, že plocha kontaktu mezi kapalinami je vždy co nejmenší. Napětí na rozhraní kapalné fáze ClE a vody ovlivňuje hodnoty vstupního tlaku pórů a puklin a díky tomu i charakter distribuce kapalné fáze ClE v saturované zóně. Přitom hodnoty napětí na rozhraní kapalné fáze kapaliny a jejich par bývají vyšší než hodnoty napětí mezi dvěma kapalinami. Lynman et al. (1984) uvádějí hodnoty napětí na rozhraní dvou fází v rozmezí od nuly, pro dokonale mísitelné kapaliny, do 72 dynů/cm, což je povrchové napětí vody při 25 °C. Podle Pankowa a Cherryho (1996) se hodnoty napětí na rozhraní kapalné fáze ClE a vody pohybují v rozmezí 20 – 30 dynů/cm v závislosti na změně teploty – pokles napětí s rostoucí teplotou (Cohen & Mercer, 1993) a hodnotě pH vody. Důležitý fyzikální proces, který ovlivňuje možnost migrace organických kontaminantů v podzemní vodě a půdním vzduchu, je sorpce na horninotvorný materiál. Mechanismy sorpce organických látek na horninové prostředí však nejsou doposud dostatečně poznány (Pankow & Cherry, 1996). V horninovém prostředí probíhá sorpce látek, podle hydrofobního sorpčního modelu, který je používám i pro ClE, především na organický uhlík. V praxi se pro vyjádření sorpce používá lineární sorpční izoterma, ale ve skutečnosti lze sorpci lépe vystihnout Freundlichovou sorpčí izotermou. Schopnost sorpce na organický materiál roste se zvyšujícím se množstvím organické pevné fáze v kolektoru, tedy čím vyšší jsou hodnoty foc charakterizující frakci organického uhlíku v hornině a Koc, symbolizující rozdělovací koeficient organický uhlík/voda. Experimentálně byly prokázány
mírné odlišnosti
v naměřených hodnotách Koc pro dané látky v různých typech sedimentů, hodnoty se však pohybují ve stejném řádu. Fetter (1999) uvádí hodnoty Koc v korelaci s hodnotami Kow (rozdělovací koeficient oktanol/voda) a rozpustnostmi látek ve vodě. Ball & Roberts (in Pankow & Cherry, 1996) poukazují na skutečnost, že čas potřebný k vytvoření sorpční rovnováhy převyšuje dobu trvání laboratorních experimentů, výsledná sorpce tak může být podhodnocena.
17
Tab. 6: Hodnoty rozdělovacího koeficientu Ko/w a Ko/c chlorovaných etylénů. název sloučeniny
Ko/w -
Log Ko/w -
Ko/c -
tetrachloretylén trichloretylén c-1,2 dichloretylén t-1,2 dichloretylén 1,1 dichloretylén vinylchlorid
2512 (3) 263 (3) 72,4 (3) -
3,4 (2) 242 (3) 1,86 (2) 2,06 (2) 1,36 (4)
209 -238 (2) 87-150 (2) 49 (2) 36 (2) 65 (4) 57 (4)
1 – Pankow & Cherry (1996), 2 – Howard et al. (1999), 3 – Favel & Hunt (1991), 4 – Barbee (1994) Z hodnot uvedených pro koeficienty Kow a Koc je patrná jejich snižující se hodnota s klesajícím počtem atomů chloru v molekulách ClE. Nejvyšší sorpci vykazuje PCE a nejnižší naopak oba izomery 1,2 DCE. Z hlediska mobility, podle Draguna (in Barbee, 1994), můžeme na základě hodnot Koc označit PCE jako středně mobilní, TCE jako mobilní a ostatní látky jako mobilní až velmi mobilní. Na základě zjištěných hodnot Kow nepatří chlorované uhlovodíky mezi výrazně hydrofobní látky (Pankow & Cherry, 1996). Migrace chlorovaných etylénů horninovým prostředím
5. 1. 3.
Chlorované etylény se mohou v horninovém prostředí vyskytovat jako kapalná fáze, rozpuštěné ve vodném roztoku, plynu nebo půdním vzduchu a sorbované na horninové částice. Vstup kapalné fáze do puklinového či průlinového prostředí je ovlivněn kapilárními jevy (Cohen & Mercer, 1993). V důsledku měnícího se nasycení horninového prostředí vodou se výrazně liší migrace a výsledná distribuce kapalné fáze ClE v nesaturované a saturované zóně. V horninovém prostředí se kapalná fáze vyskytuje ve dvou formách - jako volná fáze nebo kapalné reziduum. Část volné fáze zachycená po jejím průchodu přes póry a pukliny horninového prostředí se nazývá kapalné reziduum (Cohen & Mercer, 1993). Kapalné reziduum je vázáno kapilárními silami, je nemobilní a není propojeno mezi jednotlivými póry či puklinami. Při průchodu volné fáze horninovým prostředím dochází k postupnému snižování jejího objemu formováním kapalného rezidua a bez další dotace volné fáze do horninového prostředí může dojít k úplnému vyčerpání volné fáze. Množství kapalného rezidua v hornině se nazývá 18
reziduální nasycení, vyjádřené jako podíl objemu kapalné fáze k celkovému objemu pórů. Schopnost horniny zadržet určité množství kapalného rezidua vyjadřuje retenční kapacita hornin, udávaná v l/m3 (Kuchovský, 2000).
19
6.
LITERATURA
Barbee, G. C. (1994): Fate of Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons in The Vadose Zone and Ground Water. — Winter 1994. GWMR. Cohen, R. M. – Mercer, J. W. (1993): DNAPL Site Evaluation. – C. K. Smoley CRC Press. Inc. Boca Raton Florida. Czudek, T. (1972): Geomorfologické členění ČSR. Brno. ČHMU
(2013):
Český
hydrometeorologický
ústav.
–
Online:
http://www.chmi.cz/portal/dt?portal_lang=cs&menu=JSPTabContainer/P1_0_Home Fawell, J. K. – Hunt, S. (1991): Environmental toxicology: organics polutants. Ellis Horwood Limited Publishers. Chichester. Fetter, C. W. (1999): Contaminant hydrogeology, 2nd ed. Prentice Hall, Upper-Saddle river. New Jersey. Howard, P. H. – Sage, G. H. – Jarvis, W. F. – Gray, D. A. (1990): Handbook of environmental fate and exposure date for organic chemical. — Lewis Publisher. Michigan. Jetel, J. (1982): Určování hydraulických parametrů hornin hydrodynamickými zkouškami ve vrtech. — Vyd. 1. Academia, nakladatelství Československé akademie věd. Praha. Kuchovský, T. (2000): Kvantitativní a kvalitativní změny znečišťujících látek v horninovém prostředí – chlorované etylény. — Katedra geologie a paleontologie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Brno. Kuchovský, T. - Pašková, M. (1998): Posouzení stavu znečištění podzemních vod a zemin na Starém Brně – Poříčí. — MS Katedra geologie a paleontologie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Brno. Lyman, W. J. – Reehl, W. F. – Rosenblatt, D. H. (1984): Handbook of Chemical Properte Estimation Methods. — McGraw – Hill New York. New York. 20
MERCK (1996): Katalog výrobku. Merck G.m.b.H. Michlíček, E. et al. (1986): Hydrogeologické rajóny ČSR, sv.2. Povodí Moravy a Odry. — Geotest. Brno. Müller, P. – Novák, Z. – et al. (2000): Geologie Brna a okolí. — Český geologický ústav. Praha. MŽP
(2014):
Věstník
Ministerstva
životního
prostředí.
—
Online:
http://www.mzp.cz/www/ippc4.nsf/b8b42dbc0c8637bac125773c0021a91e/2f0c6525dc2fa823 c1257ccc00321bc2?OpenDocument. dne 12. 8. 2014. Pankow, J. F. – Cherry, J. A. (1996): Dense Chlorinated Solvents and other DNAPLs in Ground Water: History, Behaviour and Remediation. Waterloo Press, Portland. Oregon. Pospíšil, O. – Malec, P. & Bolečková, G. (2012): Hydrogeologický a sanačně geologický průzkum saturované zóny horninového prostředí. —
Centrum výzkumných institutů a
doktorských studií PdF MU Brno. MS závěrečná zpráva. Aquaenviro. Brno. Quitt, E. (1971): Klimatické oblasti Československa. — Studia geographica 16, geografický ústav ČSAV. Brno. Štympl, J. – Valeš, V. (1995): Závěrečná zpráva o hydrogeologickém průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. — MS Geotest Brno, a.s. Brno. Štympl, J. – Valeš, V. (1996): Závěrečná zpráva o II. etapě hydrogeologického průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. — MS Geotest, a.s. Brno. Vavříček, Z. (2007): Kontaminace podzemních vod na lokalitě Brno - Křídlovická. MS, diplomová práce. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity. Brno. K-VZ-2007VAVR.
21
7.
PŘÍLOHY
Příloha 1: Přehledná situace zájmového území – CVIDOS PdF MU Brno Příloha 2: Celkový pohled na modelované území Příloha 3: Geologický řez stavební jámou Příloha 4: Syntetická hydrogeologická mapa
22
Příloha 1: Přehledná situace zájmového území – CVIDOS PdF MU Brno (CUZK,2014)
Příloha 2: Celkový pohled na modelované území (plocha 1117520 m2), GisViewer
23
Příloha 3: Geologický řez stavební jámou se zaznačenou hladinou podzemní vody a hlavními vrty v rámci stavební jámy.
24
Příloha 4: Syntetická hydrogeologická mapa s vyznačením předpokládaného rozsahu tranzitního znečištění se zaznačením studny St2 (Bolečková, 2013).
25
