Kvalita vody a zhodnocení antropogenního znečištění sedimentů fluviálních jezer Labe

Souhrn

Tato práce je zaměřena na zhodnocení kvality vody a antropogenního znečištění sedimentů ve starých ramenech Kozelská tůň a Vrť středního toku Labe. Stará říční ramena jsou významnými ekosystémy, ve kterých se může ukládat velké množství znečištěného materiálu. Tato kontaminace může pocházet z průmyslových zdrojů znečištění především z 2. pol. 20. století. Fluviální jezera také dokladují změny trasy koryta řeky a přispívají ke zvýšení stability říčního ekosystému. Výzkum Kozelské tůně byl zvolen především kvůli poloze tohoto jezera, které se nachází v blízkosti areálu Spolana Neratovice, a. s., která v minulosti představovala jeden z největších zdrojů labského znečištění. Tento výzkum zahrnoval měsíční analýzy chemických a fyzikálních parametrů vody v období od prosince 2016 do listopadu 2017. Další část výzkumu zahrnovala stanovení koncentrace kovů a arsenu v sedimentech ve frakci 20 µm. K výluhu sedimentů byl použit rozklad lučavkou královskou. Hodnocení kvality povrchové vody v jezerech prokázalo zvýšené koncentrace N-NO₃. Obsah N-NH₄ ve vodě byl v Kozelské tůni i v jezeře Vrť nejvyšší ze všech porovnávaných fluviálních jezer Polabí. Z hlediska kontaminace sedimentů byly nejvyšší koncentrace stanovovaných prvků zjištěny především v Kozelské tůni, což by mohlo potvrdit hypotézu o šíření průmyslové kontaminace z blízkých zdrojů znečištění (Spolana, a. s., v Neratovicích) při povodni pravděpodobně i proti proudu řeky, jak bylo zaznamenáno např. za povodně v roce 2002, kdy došlo ke zpětnému vzdutí řeky Labe. Naopak sedimenty jezera Vrť byly kontaminovány méně. Z hlediska kontaminace sedimentů byla nejvyšší míra znečištění zaznamenána v případě stříbra a kadmia. Jak výzkum prokázal, kontaminované sedimenty fluviálních jezer představují v řadě lokalit v Polabí staré antropogenní zátěže, které mohou být během povodní remobilizovány, a kontaminovaný materiál tak může představovat sekundární zdroj znečištění.

Úvod

Stará říční ramena tvoří velmi významné ekosystémy. Nejen že mohou být domovem vzácných a chráněných druhů, ale zvyšují retenční potenciál krajiny, takže hrají velmi důležitou roli v protipovodňové ochraně. Kromě jejich ekologického významu představují zdroj informací o historickém znečištění, které se v povodí Labe od 2. poloviny 20. století s rozvojem průmyslu významně zvýšilo. Od roku 1900 bylo Labe intenzivně regulováno a také vystavováno zhoršující se kvalitě životního prostředí kvůli nadužívání hnojiv, nedostatečnému čištění odpadních vod apod. Řeka je dlouhodobě vystavena znečišťování ze zemědělství, jelikož protéká intenzivně zemědělsky využívanou oblastí s pěstováním obilí, zeleniny a dalších plodin a průmyslovou výrobou včetně komunálního znečištění z výroby a sídel soustředěných v tomto regionu (Pardubice, Kolín, Neratovice). I přesto se ve starých říčních ramenech zachovaly fungující nivní ekosystémy [1].

V posledních letech se kvalitou vody a sedimentů v jezerech v této oblasti zabývali vědečtí pracovníci Univerzity Karlovy [1–3], kteří se zaměřili mimo jiné i na výzkum kvality vody ve fluviálním jezeře Vrť. Zmíněné studie zahrnovaly vybrané oblasti labské nivy a mnoho fluviálních jezer zůstalo stále nezmapováno. Jedním z nich je Kozelská tůň. Toto jezero bylo pro tuto studii vybráno kvůli poloze u Spolany Neratovice, a. s., která v minulosti představovala jeden z největších zdrojů znečištění Labe.

Práce se zaměřila na pravidelné odečty vodních stavů a měsíční analýzy chemických a fyzikálních parametrů kvality vody. V rámci průzkumných prací se prováděly zrnitostní analýzy a stanovení koncentrací kovů a arsenu v sedimentech.

Studované lokality

Kozelská tůň

Kozelská tůň se nachází na pravém břehu řeky Labe mezi 851,9 a 851,1 říčním km blízko obce Mlékojedy, která leží v okrese Neratovice. Toto fluviální jezero je spojeno s řekou úzkými kanály na 851,9 a 850,1 říčním km. Podloží lokality tvoří hlinito-písčité sedimenty.

Ve druhé polovině 20. století bylo zamrzlé jezero vápněno a také proběhlo vybagrování sedimentů ze dna jezera. Severovýchod jezera je obklopen ornou půdou a pastvami. V jihovýchodní části se nachází les, na severu od jezera se nachází chatová kolonie, která může představovat lokální zdroj znečištění z jejich domácností, pěstování plodin a vypouštění vody z bazénů.

Obrázek 1 znázorňuje vývoj jezera. Jak je vidět na mapě z III. vojenského mapování, v roce 1852 byl meandr ještě stále součástí řeky. Meandr byl pravděpodobně odstaven na začátku 20. století. Pravá část obr. 1 zobrazuje současný stav jezera, kdy je zřejmé, že tok byl napřímen a meandr je s řekou spojen pouze úzkými kanály.

Obr. 1. III. vojenské mapování (vlevo [4]) a současné ortofoto Kozelské tůně (vpravo [5]) 1 : 25 000
Fig. 1. The III. Military survey (left [4]) and current aerial photograph (right [5]) of lake Kozelská, 1 : 25 000

Vrť

Jezero Vrť se nachází na levém břehu řeky Labe mezi 881,7 a 881,2 říčním km v obci Semice, která je situována v okrese Nymburk. Jezero je spojeno s Labem jen úzkým kanálem na 881,2 říčním km pod jezerem ve směru toku Labe. Podloží lokality tvoří pleistocenní fluviální sedimenty a písčitými štěrky [6]. Ve druhé polovině 20. století bylo jezero vápněno [3]. Obrázek 2 zobrazuje propojení meandru s řekou v roce 1852. Jezero bylo odstaveno od Labe pravděpodobně ve 40. letech 20. století. V 50. letech bylo kompletně odstaveno bez povrchové komunikace s řekou. K opětovnému spojení došlo až v 90. letech 20. století. Aktuální stav je zobrazen v pravé části obr. 2, kdy je jezero s řekou propojeno kanálem.

Obr. 2. III. vojenské mapování (vlevo [4] 1 : 25 000) a aktuální ortofoto jezera Vrť (vpravo [5] 1 : 10 000)
Fig. 2. The III. Military survey (left [4] 1 : 25 000) and current aerial photograph (right [5] 1 : 10 000) of Vrť lake

Metody

Fyzikálně-chemické parametry povrchové vody

Měření fyzikálně-chemických parametrů povrchové vody v Kozelské tůni proběhlo ve dvou různých částech jezera (obr. 3). Výsledná hodnota jednotlivých měsíčních koncentrací byla spočítána jako průměr z těchto dvou hodnot. V jezeře Vrť probíhalo vzorkování povrchové vody z jednoho odběrového místa. Měření proběhlo 9× za rok. V terénu byla multiparametrickou sondou HQ40D Hach-Lange měřena teplota vody, rozpuštěný kyslík ve vodě, pH a vodivost. Přesnost sondy při měření koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě je ±1 %, u měření konduktivity 0,5 % a u teploty 0,3 %.

Obr. 3. Odběrová místa povrchové vody z Kozelské tůně (vlevo) a z jezera Vrť (vpravo) [5]
Fig. 3. Sampling sites of surface water in Vrť lake (V) and Kozelská lake (K1, K2) [5]

Povrchová voda byla odebrána z hloubky 10 cm pod hladinou, ze vzdálenosti cca 1 m od břehu. Další stanovované parametry jako chemická spotřeba kyslíku (CHSK_Mn), biochemická spotřeba kyslíku (BSK₅), N-NH₄, N-NO₂, N-NO₃, P-PO₄, Cl, alkalita, Ca, Fe, Mn a tvrdost vody byly měřeny v laboratoři Ústavu pro životní prostředí na Univerzitě Karlově. Vzorky povrchové vody byly odebrány mezi 10 h a 14 h a dopraveny v chladicím boxu do laboratoře do 16 h stejného dne. Tabulka 1 znázorňuje seznam použitých laboratorních metod.

Analýza sedimentů

Jádra dnových sedimentů byla odebrána pístovým odběrákem Eijkelkamp ze člunu z místa cca 3 m od břehu a byla rozdělena do vrstev po 10 cm, které pak byly analyzovány odděleně. Jednotlivé vzorky byly uchovány ve vzduchotěsných sáčcích v chladicím boxu. Délka odebraných jader sedimentů činila 59 cm. V každém jezeře byl proveden jeden odběr (obr. 4). Z Kozelské tůně byl sediment odebrán téměř u konce východní části ramene, jelikož v ostatních místech jezera nebyly pro odběr vhodné zrnitostní podmínky (příliš hrubý materiál). Z jezera Vrť byl odběr sedimentů úspěšně proveden zhruba uprostřed délky jezera.

Obr. 4. Odběrová místa sedimentů v Kozelské tůni (vlevo) a v jezeře Vrť (vpravo) [5]
Fig. 4. Sampling sites of sediments in Vrť lake (V) and Kozelská lake (K) [5]

Tabulka 1. Použité laboratorní metody při analýze povrchové vody
Table 1. Laboratory methods of water quality determination

V sedimentech byly stanoveny koncentrace Ag, Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn a Ti vždy z reprezentativního vzorku ze zhomogenizované 10 cm silné vrstvy. Homogenizace byla provedena v třecí misce za mokra, po rozdružení byla odebrána část vzorku na oddělení frakce 20 µm. Tato zrnitostní frakce byla zvolena z důvodu srovnatelnosti s dalšími výzkumy labských sedimentů. Produkt sítování byl následně usušen při laboratorní teplotě na vzduchu na Petriho miskách. Pro chemickou analýzu bylo takto získáno cca 5 gramů vzorku.

Koncentrace kovů a arsenu v sedimentech byly stanoveny ve výluhu lučavkou královskou. Navážka vzorku 0,5 g byla zalita 10 ml lučavky královské (2,5 ml HNO₃ + 7,5 ml HCl) do tlakových nádobek Savilex, které přes noc stály uzavřené při laboratorní teplotě. Poté byly zahřívány 6 hodin při teplotě 105 °C, po vychladnutí byl roztok převeden do objemu 50 ml. K měření pomocí emisní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP OES) bylo použito ředění 10× a 100×.

Obsah rtuti byl stanoven atomovým absorpčním spektrometrem AMA-254 z pevných vzorků. Výsledky hodnocení míry kontaminace sedimentů jsou popsány v kapitole 4.2.

Výsledky a diskuse

Kvalita povrchové vody

Hodnoty pH povrchové vody v jezeře Vrť i Kozelské tůni představovaly neutrální nebo slabě alkalické prostředí (tabulka 2). Mírné zvýšení pH bylo zjištěno na konci zimy a na začátku jara, což bylo pravděpodobně způsobeno zvýšenou činností fytoplanktonu, při které byl z vody odčerpáván CO₂.

Tabulka 2. Naměřené hodnoty parametrů povrchové vody (určení charakteristické hodnoty, k jejímuž nepřekročení dojde s 90% pravděpodobností a následné zařazení do tříd kvality vody bylo provedeno podle ČSN 75 7221 – Jakost vod)
Table 2. Concentrations of measured parameters in water (characteristic value was calculated with 90% probability; clasiffication to quality classes was made according to the Czech National Standard – Classification of Surface Water Quality (757 221))

Zejména v jezeře Vrť byly naměřeny vysoké hodnoty konduktivity během zimních a jarních měsíců, což mohlo korespondovat s vyššími koncentracemi Ca, Cl (obr. 6) a N-NO₃. Ke zvýšení konduktivity mohly přispět splachy látek z polí a posypu silnic během tání sněhu nebo vápnění jezer. Vyšší koncentrace chloridů a fosforečnanového fosforu můžou také indikovat znečištění odpadními vodami [7]. Hodnoty konduktivity v Kozelské tůni byly nejpodobnější hodnotám naměřeným v jezeře Obříství (tabulka 3).

V Kozelské tůni byl v létě pozorován vyšší obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě (obr. 5), což mohlo být výsledkem vysoké populace fytoplanktonu v jezeře. V jezeře Vrť byl zaznamenán nižší obsah kyslíku od dubna do září 2017, což pravděpodobně korespondovalo s vyššími teplotami vody, kdy je rozpustnost kyslíku nižší a zvyšuje se intenzita rozkladných procesů, kdy je kyslík spotřebováván. Nižší koncentrace kyslíku byly také zaznamenány v období „clear water“ po úpadku fytoplanktonu, který byl doprovázen vysokými koncentracemi fosforečnanového fosforu ve vodě [6]. Podobný trend koncentrací kyslíku naměřených v jezeru Vrť byl pozorován také v jezeru Němčice (tabulka 3).

Obr. 5. Koncentrace rozpuštěného O₂ ve vodě v jezeře Vrť (nahoře) a v Kozelské tůni (dole)
Fig. 5. Concentrations of O₂ dissolved in water in Vrť lake (above) and Kozelská lake (down)

Kozelská tůň i jezero Vrť vykazovaly vysoké koncentrace N-NH₄. V obou jezerech byl v březnu, dubnu a srpnu vyčerpán P-PO₄ (obr. 6) kvůli vysoké produktivitě fytoplanktonu. Naopak vysoké koncentrace P-PO₄ byly zaznamenány během období „clear water“, kdy nízký obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě umožnil uvolnění P ze sedimentů po redukci železa v molekule FePO₄ [8]. Vyšší obsah P byl také naměřen v zimě a na konci vegetačního období, k čemuž mohlo přispět smývání hnojiv z přilehlých polí nebo jiné antropogenní znečištění či dotace z obohacené podzemní vody.

V obou jezerech byly naměřeny vysoké hodnoty CHSK_Mn během vegetačního období při zvýšení biochemických a rozkladných procesů za vyšší teploty.

V rámci klasifikace ČSN 757 221 [9] byla povrchová voda zařazena do kategorie „silně znečištěná“ (IV. třída) v případě parametru BSK₅ v Kozelské tůni (tabulka 1). Do kategorie „znečištěné vody“ (III. třída) byla kvalita povrchové vody zařazena v případě parametrů BSK₅ v jezeře Vrť, CHSK_Mn v obou jezerech a u N-NH₄ v jezeře Vrť (tabulka 2).

Tabulka 3. Srovnání fyzikálně-chemických parametrů povrchové vody s dalšími fluviálními jezery Středního Polabí [1, 3, 10–12] (v mg/l, v případě konduktivity v ms/m; uvedený rok odpovídá době, kdy probíhalo měření v dané lokalitě)
Table 3. Comparison of chemical and physical parameters of surface water with the other oxbow lakes of the middle course of the Elbe River [1, 3, 10–12] (in mg/l, in the case of conductivity in ms/m; year corresponds to the time of measurement in each locality)

Kvalita sedimentů

Nižší koncentrace téměř všech měřených prvků byly zaznamenány ve vzorcích z jezera Vrť, která byla od 50. do 90. let oddělena od Labe, a proto zde nedocházelo v takové míře k sedimentaci kontaminovaného materiálu. V tomto úseku Labe se rovněž nenachází významný zdroj znečištění, jako je tomu např. v oblasti Neratovic nebo Pardubic (Synthesia, a. s.). Vyšší obsahy stanovovaných látek v Kozelské tůni pravděpodobně souvisely s její polohou v blízkosti Spolany Neratovice, a. s., a jejímu celkovému umístění v nivě a spojení s Labem, kdy za povodní dochází k zalití celé oblasti. V roce 2002 bylo rovněž zaznamenáno vzdutí proti proudu Labe z rozvodněné Vltavy, jejíž soutok neleží daleko [13]. Při takových hydrologických situacích dochází k resuspendaci jemné frakce sedimentů, která může obsahovat značné množství škodlivin, a tak se mohla kontaminace rozšířit do širší oblasti nivy.

Tabulka 4. Průměrné koncentrace měřených prvků v sedimentárních jádrech z vybraných starých ramen Středního Polabí [1, 10, 11] s barevným rozlišením míry kontaminace podle indexu geoakumulace na základě pozaďových hodnot Turekiana a Wedepohla (1961) (uvedený rok odpovídá době, kdy byl proveden odběr sedimentu a jeho analýza)
Table 4. Mean concentrations of measured elements in sediment cores of selected oxbow lakes of the middle course of the Elbe River [1, 10, 11]; colors correspond to the rate of contamination according to Geoacumulation Index calculated from background values of Turekian and Wedepohl (1961); year corresponds to the time of sampling and its analyses

Tabulka 4 znázorňuje průměrné koncentrace měřených prvků v jádrech sedimentů zkoumaných jezer ve srovnání s výsledky starších výzkumů provedených v dalších ramenech ve Středním Polabí. Barevné rozlišení odpovídá zařazení do kategorie míry znečištění sedimentů pomocí Geoakumulačního indexu, jak definuje [14] za použití pozaďových koncentrací stanovených [15].

C_n = koncentrace naměřená ve vzorku

B_n = pozaďová koncentrace měřeného prvku

Třídy kontaminace včetně limitních hodnot Geoakumulačního indexu uvádí tabulka 5.

Lze konstatovat, že podle použité klasifikace vykazovaly sedimenty ve srovnávaných labských starých ramenech vysokou zátěž stříbrem a kadmiem. Vyšší kontaminace sedimentů byla zjištěna především v lokalitách u významných průmyslových zdrojů znečištění a s intenzivnější komunikací s řekou, což by odpovídalo vyšším obsahům kovů v Kozelské tůni, která se nachází blízko Spolany Neratovice, a. s., a je spojena kanály s Labem a při povodních zde dochází k zalití širší nivy včetně zkoumané lokality.

Závěr

Kontaminace z bodového znečištění se od roku 1990 významně snížila, ale plošné zdroje znečištění, např. z orné půdy, představují stále problém [16]. Díky tomu vykazují stará ramena často vyšší koncentrace N-NO₃. V Kozelské tůni i v jezeře Vrť byly ve vodě naměřeny rovněž nejvyšší koncentrace N-NH₄ ve srovnání s některými porovnávanými starými rameny Středního Polabí.

Z hlediska zatížení sedimentů lze konstatovat, že většina starých labských ramen vykazovala vyšší zatížení sedimentů stříbrem a kadmiem. V některých jezerech, např. v Kozelské tůni, byl také naměřen vysoký obsah rtuti a olova. V Kozelské tůni byly kromě těchto prvků naměřeny vyšší koncentrace i arsenu a zinku. Podobná míra kontaminace byla zaznamenána i v dalších lokalitách s výjimkou starých ramen Němčice či Doleháj, což by bylo možné vysvětlit jejich výrazně omezenou komunikací s řekou, která zamezila ukládání kontaminované suspenze, nebo se jezera nacházela nad průmyslovými zdroji znečištění, jako tomu bylo v případě starého ramene Němčice [1].

Obr. 6. Koncentrace Cl (nahoře) a P-PO₄ (dole) v jezeře Vrť a Kozelské tůni
Fig. 6. Concentrations of Cl (above) and P-PO₄ (down) in Vrť lake and Kozelská lake

Znečištění v Kozelské tůni mohlo být způsobeno transportem kontaminovaného materiálu při povodních z oblasti u Spolany Neratovice, a. s., i přes to, že jezero leží cca 2 km proti proudu od této chemické továrny. Tato hypotéza je založena na faktech z povodní, kdy byla celá oblast zaplavená. „V průběhu druhé fáze srpnové povodně Vltava způsobila ve značné délce zpětné vzdutí hladiny a po určitou dobu dokonce zpětné proudění v trati Labe směrem k Brandýsu nad Labem. Chemický podnik Spolana Neratovice na břehu Labe byl zaplaven právě zpětným vzdutím Vltavy“ [13].

Tabulka 5. Třídy kontaminace sedimentů podle Igeo [14]
Table 5. Igeo classes of sediment pollution [14]

Dalším významným faktorem byla významnost a vzdálenost od průmyslového zdroje znečištění. Takto lze vysvětlit např. nižší míru kontaminace v jezeře u Poděbrad, neboť ačkoliv toto staré rameno komunikuje intenzivně s řekou, kolínský průmysl pravděpodobně nedosahoval takového významu, jak tomu bylo např. v případě Synthesie, a. s., v Pardubicích, nebo Spolany, a. s., v Neratovicích. Kontaminace sedimentů starých ramen pochází ze starého antropogenního znečištění, které může být remobilizováno během povodní. Za takových situací mohou tyto staré zátěže představovat i sekundární zdroj znečištění. Za určitých hydrologických podmínek nebo při průmyslových haváriích se může změnit pH nebo redoxní potenciál, kdy se stabilní formy toxických prvků mohou stát opět rozpustnými a kontaminovat tak vodní prostředí. Tyto formy jsou snadněji využívány živými organismy a mohou se tak dostat do potravního řetězce. Při povodni mohou tyto toxické látky kontaminovat i přilehlé zemědělské oblasti. Jak je tedy evidentní, rizikovost kontaminovaných sedimentů je velmi značná, a proto je třeba se tímto výzkumem především v hustě obydlené a zemědělsky využívané oblasti labské nivy detailně zabývat.

Původní příspěvek byl publikován ve sborníku Rybníky 2018, ISBN 978-80-01-06452-8.