Heavy metals in bottom sediments in selected tributaries of the Kłodnica river

Przedstawiono wyniki badań zawartości metali ciężkich w osadach dennych wybranych dopływów rzeki Kłodnicy. Badaniami objęto następujące rzeki: Bytomkę, Czarniawkę oraz Potok Toszecki. Badania wykazały najwyższą zawartość metali ciężkich w osadach dennych Bytomki. Na nieco niższym poziomie odnotowano stężenia pierwiastków toksycznych w osadach dennych Czarniawki, natomiast najniższe w Potoku Toszeckim. Zgodnie z klasyfikacją LAWA, osady denne Bytomki i Czarniawki mogą być sklasyfikowane jako silnie zanieczyszczone/zanieczyszczone. Natomiast zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 16 kwietnia 2002 r. w sprawie rodzajów oraz stężeń substancji, które powodują, że urobek jest zanieczyszczony, jedynie osady Bytomki są zaliczane do zanieczyszczonych. Ponadto wysokie stężenia Zn, Pb i Cd w górnym biegu Bytomki są wynikiem oddziaływania przemysłu wydobywczego rud cynkowo-ołowiowych, który tam się rozwijał do końca XIX wieku. Wyniki badań zawartości metali ciężkich w osadach wybranych dopływów Kłodnicy wskazują również na konieczność objęcia monitoringiem niewielkich dopływów tej rzeki, gdyż w okresach wezbrań powodziowych duża część materiału zgromadzonego w osadach zostaje uruchomiona i przetransportowana w niższe partie zlewni, przyczyniając się tym samym do wtórnego zanieczyszczenia rzek. Stan obecny jest przyczyną klęski ekologicznej w obrębie zlewni rzeki Kłodnicy.Research results of heavy metals concentrations in bottom sediments in selected tributaries of the Kłodnica river are showed in this paper. Studies were taken out in the following rivers: the Bytomka, the Czarniawka and the Potok Toszecki. Bottom sediments were collected from five sample points in each river. Research showed the highest heavy metals contamination in bottom sediments of the Bytomka river (Zn up to 1900 mg kg-1, Pb - 287 mg kg-1, Cd - 6.1 mg kg-1, Cu - 127 mg kg-1, Ni - 26 mg kg-1, Cr - 25 mg kg-1, Mn - 694 mg kg-1, Fe - 13.9 g kg-1. Contamination of bottom sediments in the Czarniawka river was a bit lower than in the Bytomka river. Concentrations of Zn - up to 1050 mg kg-1, Pb - 289 mg kg-1, Cd - 4.0 mg kg-1, Cu - 90 mg kg-1, Ni - 39 mg kg-1, Cr - 38 mg kg-1, Mn - 973 mg kg-1, Fe - 42.1 g kg-1 were determined. The lowest heavy metals concentrations were observed in sediments of the Potok Toszecki. Both the Bytomka and the Czarniawka are the rivers with industrial basin area. The Potok Toszecki is the river with agricultural basin. Concentration of heavy metals in this river's sediments is at the level of geochemical background. Concentration of heavy metals in the Bytomka and the Czarniawka bottom sediments shows that these rivers are under strong anthropogenic influence. Classification of bottom sediments according to LAWA shows that the Bytomka and the Czarniawka sediments are strongly contaminated/contaminated. But according to ordinance of Polish Government from 16th April 2002 only the Bytomka river sediments can be classified as contaminated. Moreover, high concentrations of Zn, Pb and Cd in the upper Bytomka bottom sediments are caused by zinc-lead mine industry which was localized there to the end of 19th century. Results of research show the necessity of small tributaries monitoring, because a huge load of contaminants which is deposited in sediments is discharged and transported to the lower parts of river basin during the floods, and it is conducted to secondary basin contamination. The present condition is a reason of ecological disaster which is observed in the area of the Kłodnica river basin

The role of suspended solids in the transport of heavy metals in surface water, exemplified by the Klodnica River (Upper Silesia)

Przedstawiono wyniki badań zawartości jonów wybranych metali ciężkich (Zn, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Mn i Fe) w zawiesinach zawartych w wodzie powierzchniowej, na przykładzie Kłodnicy (Górny Śląsk). Próbki wody z zawiesinami pobrano w 8 punktach zlokalizowanych wzdłuż całej długości rzeki. Uzyskane wyniki badań interpretowano zgodnie z niemiecką klasyfikacją LAWA. Stwierdzono korelację pomiędzy zawartością jonów badanych metali ciężkich a zawartością żelaza w zawiesinach. Stwierdzono również, że zawartość metali w zawiesinach obecnych w wodzie z Kłodnicy była mniejsza niż w zawiesinach w Odrze i jej dopływach. Wykazano trównież, że zawartość jonów metali ciężkich w zawiesinach była kilkakrotnie większa niż w osadach dennych, co świadczyło o istotnej roli zawiesin w procesie przemieszczania się zanieczyszczeń wraz z biegiem rzeki. Duże zmiany zawartości jonów metali ciężkich w zawiesinach, obserwowane zarówno w trakcie prowadzenia badań, jak i wynikające z danych literaturowych, wskazują na celowość prowadzenia badań nad dynamiką tych zmian.Concentrations were measured of eight heavy metals (Zn, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Mn, Fe) found in the suspended solids of surface water. The Klodnica River was chosen as an example to demonstrate the role of suspended solids in heavy metal transport. Water samples containing suspended solids were collected at eight points located along the entire length of the river. The results were interpreted using the German classification LAWA. A correlation was found to occur between the heavy metal ion content and the iron content of the suspended solids. Comparative analysis has demonstrated that the heavy metal content of suspended solids was lower in the Klodnica than in the Odra River and its tributaries. Analysis of the results has also revealed that the heavy metal ion content of suspended solids was several times that of the bottom sediments. This substantiates the significant role of suspended solids in the transport of pollutants down the river. Considerable changes in the heavy metal ion content of suspended solids (not only observed during this study but also reported in the literature) corroborate the need of investigating the dynamics of these changes

Changes in trace metal load in suspended solids carried along the river

The paper discusses potential use of changes in load of suspended solids and co-transported trace metal ions to define sectors of the river where increased sedimentation occurs as river bottom deposits. Therefore, flow rate of the river was being determined as well as content of total suspended solids and of selected metal ions (Zn, Cd, Cu, Mn, Pb, Cr, Ni, Fe) in suspended solids and bottom sediments. Changes in the load of suspended solids and of metals with suspended solids found along the course of the river (Klodnica, Upper Silesia) were estimated. It was established that under similar hydraulic conditions the load of metals associated with suspended solids was a function of change in the load of suspended matter. The results of the research allowed determination of sectors of the Klodnica River where sedimentation of the major part of suspended solids is observed and where the number of metal ions in the bottom sediments is increased. This will enable defining sectors of small and medium-sized rivers that require certain measures to be taken in order to improve their ecological state.Przedstawiono możliwości praktycznego wykorzystania zmian ładunku zawiesin i transportowanych wraz z nimi jonów metali śladowych do określenia odcinków koryta rzeki, na których następuje zwiększona sedymentacja zanieczyszczeń w postaci osadów dennych. W tym celu wyznaczano wartości strumienia objętości wody w rzece, zawartość zawiesin ogólnych oraz jonów wybranych metali (Zn, Cd, Cu, Mn, Pb, Cr, Ni, Fe) w zawiesinach i osadach dennych. Określono zmiany ładunku zawiesin oraz metali wraz z zawiesinami, jakie wystąpiły wzdłuż biegu rzeki (Kłodnica, Górny Śląsk). Stwierdzono, że ładunek metali śladowych związanych z zawiesinami, przy zbliżonych warunkach hydraulicznych, był funkcją zmian ładunku zawiesin. Wyniki badań pozwoliły na wskazanie odcinków rzeki, na których sedymentuje znaczna część zawiesin, a w osadach dennych występuje zwiększona zawartość związków metali śladowych. Umożliwi to wskazanie odcinków małych i średnich rzek, na których konieczne są zabiegi mające na celu poprawę ich stanu ekologicznego

Heavy metal compounds in the bottom sediments of the river Klodnica (Upper Silesia)

Przedstawiono wyniki badania zmian zawartości metali (Zn, Pb, Cu, Ni, Cr, Cd, Mn, Fe) w osadach dennych Kłodnicy (Górny Śląsk) w latach 2004 i 2006. W odniesieniu do klasyfikacji LAWA stwierdzono, że zawartość niklu i chromu w osadach nie przekraczała wartości tła geochemicznego. Zawartość ołowiu, miedzi i cynku wskazywała na umiarkowane zanieczyszczenie, natomiast zawartość kadmu klasyfikowała osady denne jako mocno zanieczyszczone. Zaobserwowano także wzrost zawartości żelaza i manganu w osadach dennych, spowodowany dopływem ścieków z terenu kopalń węgla kamiennego. Wskazuje to na konieczność ograniczenia niekorzystnego wpływu przemysłu wydobywczego na stan czystości rzeki. Stwierdzono wzrost zawartości kadmu w 2006 r. w porównaniu do 2004 r., co może oznaczać jego większą kumulację w organizmach roślinnych i zwierzęcych. Przeprowadzone badania wskazują na celowość objęcia zmian zawartości metali ciężkich w osadach dennych Kłodnicy stałą kontrolą analityczną.The paper reports on the changes in the concentrations of heavy metals (Zn, Pb, Cu, Ni, Cr, Cd, Mn, Fe) measured in the bottom sediments of the river Klodnica in 2004 and 2006. The study has produced the following findings. According to the LAWA classification, the values of the nickel and chromium content determined in the bottom sediments did not exceed the values measured in the geochemical background. The concentrations of lead, copper and zinc were indicative of moderate contamination, whereas the concentration of cadmium showed that the bottom sediments of the Klodnica were severely contaminated. The rise observed in the iron and manganese content of the bottom sediments was associated with the wastewater discharge from coal mines. This finding indicates that the problem of reducing the impact of mining operations on the quality of the river water has taken on a sense of urgency. In 2006, the cadmium content measured in the bottom sediments was higher than in 2004, which suggests an increased accumulation of this metal in the organisms of plants and animals. The results of the study make it clear that heavy metal concentrations in the bottom sediments of the Klodnica river should be monitored on a regular basis

The role of shallow, lowland dam reservoir in the river-lake-river system. Part II. The phosphorus changes and budget in the Slupsko Dam-Reservoir

Przedstawiono wpływ płytkiego nizinnego zbiornika zaporowego Słupsko (Górny Śląsk) na zmiany stężeń i ładunków związków fosforu w Potoku Toszeckim. Zbiornik Słupsko funkcjonuje w warunkach wysokiego obciążenia zewnętrznego fosforem, co stwarza warunki dla degradacji tego ekosystemu. Bilans fosforu wykazał, że zbiornik nie zmniejsza dopływającego ładunku fosforu, zatem z punktu widzenia ochrony zbiornika Pławniowice jego rola jest niewielka. Zbiornik Słupsko na obecnym etapie swojego funkcjonowania i w aktualnych uwarunkowaniach zmienia mineralne formy fosforu na organiczne. Odwrotna zależność wielkości ładunków fosforu od wielkości przepływu na dopływie do zbiornika oraz widoczny efekt rozcieńczania wskazują na równomierne w czasie wprowadzanie do wód związków fosforu na terenie zlewni. Ustalenie źródeł pochodzenia fosforu na terenie zlewni zbiornika oraz ich eliminacja wydatnie poprawi jakość wody zarówno w Potoku Toszeckim, jak i w zbiornikach Słupsko i Pławniowice.The influence of a shallow, lowland dam-reservoir (the Słupsko reservoir in Upper Silesia) on the changes of concentration and loads of phosphorus in the Potok Toszecki is presented. The Słupsko reservoir functions in the high phosphorus external load conditions, what causes its degradation. The phosphorus budget showed that only small amount of the phosphorus load inflowed to the reservoir is reduced. In this case the role of reservoir for protection of the Pławniowice reservoir is not important. At the present phase of the reservoir functioning and in the current environmental conditions, in the Słupsko dam-reservoir mineral forms of phosphorus change to the organic forms. The inverse function relationship between phosphorus loads and velocity of flow as well as the dilution effect show that the regular load of phosphorus is introduced from the catchment area. Location of phosphorus sources in the Słupsko dam-reservoir basin and their elimination could improve the water quality in the Potok Toszecki as well as in the Słupsko and the Pławniowice dam-reservoirs

The role of shallow, lowland dam-reservoir in the "river-dam-reservoir-river" system. Part I. Selected hydrochemical indicators and nitrogen balance in Słupsko dam-reservoir

Przedstawiono wyniki pierwszych hydrochemicznych badań utworzonego w 2003 roku nizinnego zbiornika zaporowego Słupsko (35,2 ha) i jego wpływ na kształtowanie jakości wody Potoku Toszeckiego jako cieku wypływającego ze zbiornika. Ze względu na czas retencji wynoszący 76 dni zbiornik Słupsko powinien być klasyfikowany jako limniczny. Z punktu widzenia odporności zbiornika na eutrofizację jest to czynnik niekorzystny. Bilans azotu wykazał, że całkowity ładunek azotu doprowadzony do zbiornika w 2008 roku wyniósł 23 t N, a ładunek odprowadzony 16 t N, w tym do zbiornika wpłynęło 14,3, a odpłynęło 9,5 t azotu w formie azotanowej, w formie amonowej dopłynęło 4,5, a wypłynęło 2,5 t azotu. Odprowadzony ze zbiornika ładunek azotu organicznego był większy od doprowadzonego o 1,2 t N. Zbiornik wykazuje zdolność do zmniejszania o 30% ładunku azotu w wodzie odpływającej. Wskaźnik "niebezpieczny" zewnętrznego obciążenia powierzchniowego azotem jest przekroczony 2,5÷ 5-krotnie. Zmniejszają się stężenia oraz udziały mineralnych form azotu, wzrasta natomiast stężenie oraz udział form organicznych tego pierwiastka. W zbiorniku następuje wzrost pH wody, średnio z ok. 7,5 do 8,6, szczególnie w okresie wiosenno-letnim. Wskazuje to na wysoki stopień trofii zbiornika. Dynamika zmian stężeń jonów chlorkowych, przewodnictwa właściwego, węgla organicznego oraz azotu organicznego i amonowego wskazuje na niekontrolowane zrzuty i odprowadzanie do wód potoku ścieków bytowo-gospodarczych z nieskanalizowanej zlewni Potoku Toszeckiego. Zbiornik wpływa stabilizująco w zakresie wyrównywania stężeń związków azotowych oraz pozostałych wskaźników jakości wody.The first results of hydrochemical research of the Słupsko lowland dam-reservoir (35.2 ha) and its influence on the Toszecki Stream water quality were presented. This dam-reservoir was set up in 2003. Considering the water retention time, which lasts 76 days, the Słupsko dam-reservoir should be classified as a limnetic type of lakes. From the point of eutrophication hardness, the retention time is disadvantageous. The nitrogen balance showed that total nitrogen loading, which was introduced in 2008 to the dam-reservoir, amounted to 23 t. At the dam outflow, the total nitrogen load of 16 t was observed. The load of introduced nitrate nitrogen was at the level of 14.3 t, and a brought out load was 9.5 tones. The introduced ammonium nitrogen was about 4.5 t, and a flowed load was about 2.5 t. The flowed load of organic nitrogen (4.4 t per year) was higher than the introduced one (2.5 t per year). It was observed that the Słupsko dam-reservoir could reduce the load of nitrogen at the level of 30%. A "dangerous" ratio of superficial nitrogen load was overdone 2.5-5 times. The reduction of mineral and the increase of organic nitrogen forms was observed. Rise of the average pH-index from 7.5 to 8.6 in the dam-reservoir was observed, especially in spring and summer seasons. It shows high trophic level of it. Dynamism of chloride ions concentrations, conductivity, organic carbon, organic and ammonium nitrogen pointed out uncontrolled flows of municipal waste water from the Toszecki Stream basin area. The dam-reservoir affects on the stabilization of concentrations of all nitrogen forms and other indicators of water quality

Hydrochemical characteristic of the Klodnica river

Przedstawiono wyniki badań jakości wody z rzeki Kłodnicy przeprowadzone od kwietnia do września 2004 r. Jakość wody scharakteryzowano w oparciu o analizę zmian wybranych wskaźników fizyczno-chemicznych (pH, tlen rozpuszczony, ChZT, ogólny węgiel organiczny, azot amonowy, azotyny, azotany, ortofosforany, przewodność właściwa). W górnym odcinku rzeki stwierdzono bardzo niską zawartość tlenu rozpuszczonego, która zwiększała się wraz biegiem rzeki. Zawartość związków biogennych, w szczególności azotu amonowego i ortofosforanów, potwierdziła silne zanieczyszczenie rzeki ściekami bytowo-gospodarczymi. Mimo podejmowania działań mających na celu poprawę stanu czystości wód, rzeka Kłodnica należy do najsilniej zanieczyszczonych cieków naszego kraju. Wykazano, że znaczący udział w zanieczyszczeniu wód rzeki mają zakłady przemysłowe zlokalizowane w jej zlewni, zarówno odprowadzające ścieki bezpośrednio do Kłodnicy, jak i zanieczyszczające jej dopływy. Badania wykazały, że dużym problemem jest zanieczyszczenie wód Kłodnicy pyłem węglowym, którego ładunek wprowadzany do Kłodnicy ocieniany jest na ponad 100 tys. t/a. W celu poprawy stanu czystości wód Kłodnicy konieczna jest koordynacja działań gmin leżących w zlewni rzeki w celu uporządkowania gospodarki wodno-ściekowej i ograniczenia ładunków zanieczyszczeń wprowadzanych wraz ze ściekami przemysłowymi i bytowo-gospodarczymi.The study covered the time span of April till September 2004. The river was investigated for water quality by analyzing the variations in the following physicochemical parameters: pH, dissolved oxygen, COD, TOC, ammonia nitrogen, nitrites, nitrates, orthophosphates and conductivity. The analyses produced the following findings. Dissolved oxygen content was very low in the headwaters and increased with the course of the river. The content of biogens (specifically that of ammonia nitrogen and orthophosphates) confirmed the considerable contribution of domestic sewage to the overall river pollution. A major polluting source was found to be a number of industrial plants located within the Klodnica basin, which discharge their wastewaters either to the Klodnica or its tributaries. In spite of the effort to upgrade the quality of the river water, the Klodnica is classified as one of Poland's most polluted watercourses. What raises particular problems is the pollution of the river due to fine coal particles entering the water in an annual amount of over 100,000 tons. A joint effort to coordinate the water and wastewater management in the municipalities involved has taken on a sense of urgency