Projekt Wiślinka

Instytut Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk realizuje projekt badawczy pn. „Badanie stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince”. Prace wykonywane będą w latach 2022-2023. Całkowity koszt kwalifikowany zadania to 372 500 PLN netto. Projekt jest dotowany kwotą do 335 250 PLN przez Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Gdańsku (umowa dotacji nr WFOŚ/D/885/5581/2022). Motywacja projektu jest zgodna z jednym z priorytetów działalności WFOŚiGW mającym na celu zapobieganie wystąpienia presji na środowisko naturalne.

Przedmiotem badań jest składowisko fosfogipsu zlokalizowane w Wiślince w gminie Pruszcz Gdański, które pozostaje w zarządzie Grupy Azoty Zakłady Fosforowe Gdańsk Sp. z o.o. z siedzibą w Gdańsku. Fosfogips był odpadem powstającym przy produkcji kwasu fosforowego otrzymywanego z fosforytu. Kwas fosforowy używany był do produkcji nawozów fosforowych, a odpad fosfogipsu deponowany był na składowisku w Wiślince do końca 2009 roku, kiedy to składowisko zostało zamknięte. Podstawą do przeprowadzenia zamknięcia była dokumentacja określająca sposób rekultywacji składowiska, której celem było nadanie hałdzie ostatecznego kształtu sprzyjającego ograniczeniu oddziaływania hałdy na wody powierzchniowe, wody podziemne, grunty przylegające do hałdy i powietrze oraz zapewnienie stateczności skarp hałdy. Poprawność wykonania rekultywacji terenu jest weryfikowana corocznie na podstawie wdrożonego systemu monitoringu.

Bezpośrednią motywacją do podjęcia prac badawczych jest wielkość mierzonych przemieszeń oraz brak stabilizacji obserwowanych przemieszczeń w czasie. Analiza dostępnej dokumentacji nie pozwala stwierdzić jednoznacznej przyczyny przemieszczeń skarp hałdy oraz powstałych szczelin. Celem projektu jest ocena aktualnej stateczności skarp oraz przyczyny występujących przemieszczeń. W ramach projektu, istniejący już system monitoringu zostanie rozbudowany o dodatkowe inklinometry i repery powierzchniowe. Wykonane pomiary pozwolą ocenić tempo i źródło przemieszczeń części hałdy podlegających największym deformacjom. Lokalizacja dodatkowych urządzeń pomiarowych zostanie wybrana na podstawie wyników wizji terenowych, inwentaryzacji profili skarp i szczelin, pomiarów fotogrametrycznych oraz analizie pomiarów archiwalnych. Istotnym elementem projektu będzie analiza właściwości mechanicznych pobranych prób fosfogipsów oraz gruntów podłoża. Zgromadzone w toku projektu dane pozwolą na budowę modelu numerycznego, który posłuży do wykonania predykcji zachowania się hałdy w przyszłości i wskazanie miejsc, w których mogłyby powstać nisze osuwiskowe odsłaniające fosfogips.

Z końcem listopada 2023 r. Instytut Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk zakończył prace przewidziane do realizacji w ramach projektu badawczego pn. „Badanie stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince”. Całkowity koszt kwalifikowany projektu dotowanego w 90% przez Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Gdańsku (www.wfos.gdansk.pl) wyniósł 371 998,13 PLN netto. Harmonogram rzeczowo-finansowy obejmował realizację prac w ramach sześciu bloków. Sprawozdanie z ich realizacji zamieszczono poniżej.

Prace wstępne

Prace wstępne obejmowały analizę dostępnych danych archiwalnych oraz inwentaryzację obiektu w terenie. W pierwszej kolejności dokonano analizy najnowszej dokumentacji związanej z procesem rekultywacji hałdy oraz danych zgromadzonych przez systemu monitoringu przemieszczeń w fazie poeksploatacyjnej. Stopniowo zgłębiano wiedzę o Obiekcie poprzez analizę dokumentacji z czasu formowania składowiska. Wprowadzono umowny podział hałdy, który umożliwił organizację prac i ich dokumentację. Wskazano możliwe rzędne terenu pod hałdą i korony wałów z etapu uruchomienia składowiska. Odtworzono ogólny sposób formowania hałdy, wydzielając dwa główne etapy formowania metodą hydrauliczną i mechaniczną. Przeanalizowano także zmiany rzędnych zwierciadła wody gruntowej od 2013 roku oraz opadów deszczu od 2010 roku. Zgromadzone i usystematyzowane w ramach projektu dane ułatwią analizę nowych danych oraz ich interpretację.

Prace inwentaryzacyjne przeprowadzono głównie wiosną 2022 r., a ich głównym celem było wyznaczenie obecnej geometrii hałdy oraz wskazanie ewentualnych stref osuwiskowych. Z wykorzystaniem technologii satelitarnej wykonano pomiary 13 profili skarp. Okonturowano systemy szczelin oraz lokalne obniżenia terenu. Dodatkowo wykonano pomiary fotogrametryczne (z użyciem drona), które pozwoliły na skonstruowanie trójwymiarowego modelu obiektu. Szczegółowo zinwentaryzowana geometria hałdy będzie stanowić punkt odniesienia dla przyszłych pomiarów. Podczas prac inwentaryzacyjnych sprawdzono także stan i jakość systemu monitoringu przemieszczeń (reperów i inklinometrów). W terenie stwierdzono istnienie reperów z poprzednich sieci pomiarowych, a wznowienie pomiarów w tych punktach okazało się bardzo pomocne w ocenie deformacji hałdy.

Wnioski z analizy danych archiwalnych skonfrontowano ze spostrzeżeniami z inwentaryzacji i na tej podstawie sformułowano ostateczny zakres dalszych prac. Do szczegółowej analizy wytypowano trzy przekroje hałdy, których deformacje uznano za reprezentatywne dla trzech skarp (Skarpy Południowej, Skarpy Zachodniej i Skarpy Północnej). Profile tych skarp różnią się od siebie nachyleniem oraz obecnością półek, a przede wszystkim czasem ich uformowania.

Rozbudowa systemu monitoringu

Funkcjonujący w dniu rozpoczęcia prac system monitoringu przemieszczeń składał się z 32 punktów powierzchniowej kontroli przemieszczeń oraz z 2 inklinometrów do kontroli przemieszczeń wgłębnych (po jednym od strony polderu i od strony Martwej Wisły). Pomiary wykonywane są raz w roku. System ten został rozbudowany o:

• 21 punktów powierzchniowej kontroli przemieszczeń;
• 8 urządzeń pozwalających na pomiar zmian szerokości szczelin i 2 urządzenia pozwalające na pomiar zmian głębokości niszy osuwiskowej;
• 5 inklinometrów o łącznej długości 185 m, które pozwolą na monitorowanie przemieszczeń wgłębnych w trzech przekrojach.

Prace instalacyjne elementów systemu do kontroli przemieszczeń powierzchniowych wykonano w czerwcu 2022 r. Lokalizacja nowych reperów miała na celu obserwację przemieszczeń podstawy/przedpola skarp hałdy oraz korony skarp na odcinkach dotąd nie monitorowanych. Pomiary geodezyjne wybranych reperów zlecono firmie zewnętrznej, która prowadziła pomiary z wykorzystaniem technologii satelitarnej w interwale półrocznym. Zainstalowano także repery w trzech przekrojach na wierzchowinie hałdy, a pomiar przemieszczeń odbywał się w układzie lokalnym (o większej dokładności pomiaru) w interwale kwartalnym. Zebrane w ten sposób dane miały pozwolić na wyciagnięcie wniosków w krótkim czasie trwania projektu.

Prace instalacyjne inklinometrów rozpoczęto w listopadzie 2022 r., a regularne pomiary wszystkich inklinometrów rozpoczęto w marcu 2023 r. w interwale kwartalnym.

W listopadzie 2022 r. zainstalowano stację pomiaru opadu atmosferycznego, która w dłuższej perspektywie czasowej pozwoli na ocenę korelacji pomiędzy przemieszczaniami hałdy a występowaniem i intensywnością opadów deszczu. Zarejestrowane dane będą podstawą do sformułowania warunku brzegowego dla analiz stateczności lokalnej skarp hałdy.

Badania terenowe - geotechniczne

W celu wykonania odwiertów w czerwcu 2022 r. przygotowano i złożono projekt robót geologicznych. Prace polowe rozpoczęto bezzwłocznie po jego zatwierdzeniu. Miały one miejsce w listopadzie i grudniu 2022 r. Wiercenie otworów przeprowadzono w technologii rdzeniowania z zastosowaniem potrójnej rdzeniówki wrzutowej. W ten sposób dokonano bardzo szczegółowego rozpoznania warstw oraz pozyskano bardzo dobrej jakości próby do badań. Technologia ta nie sprawdziła się w przypadku najluźniej odłożonych warstw podłoża od strony Martwej Wisły oraz wierzchniej warstwy fosfogipsu. Uzupełniająco, w sąsiedztwie otworu wiertniczego zlokalizowanego na przedpolu od strony Martwej Wisły, dla najsłabszych warstw przeprowadzono sondowania sondą obrotową, które pozwoliły na wyznaczenie wytrzymałości na ścinanie w warunkach bez drenażu. W przypadku fosfogipsów pobrano próby o nienaruszonej strukturze poprzez wciskanie cylindrycznego próbnika. W pobliżu trzech otworów (wykonanych na przedpolu hałdy i na półce) wykonano także sondowania sondą statyczną. Uzyskano w ten sposób „ciągły” układ warstw i ich wytrzymałości.

Badania laboratoryjne

W badaniach laboratoryjnych wysiłek badawczy skoncentrowano na rozpoznaniu wytrzymałości i charakterystyk naprężenie-odkształcenie dla najsłabszych warstw organicznych podłoża. Badania w aparacie trójosiowego ściskania w warunkach drenażu i bez drenażu oraz w edometrze wykonało akredytowane laboratorium. Wytypowane próbki przekazano do badań w lutym 2023 r. Uzyskano stosunkowo wysokie wartości parametrów wytrzymałościowych. Z uwagi na dużą odkształcalność warstwy plastycznych glin pylastych o niewielkiej miąższości, w Instytucie wykonano także badania wytrzymałościowe w aparacie bezpośredniego ścinania (dla tej warstwy i organicznych warstw sąsiednich). Rozpoczęto badania reologicznych właściwości tych warstw podłoża.

Wykonane odwierty w obrębie fosfogipsu zdyskwalifikowały tezę o jednorodności hałdy i wydzielaniu jedynie wierzchniej warstwy fosfogipsu jako słabszej. Wykonano wiele badań parametrów fizycznych pozwalających na opis cech warstw, których struktury zmieniały się od luźnej ziarnistej po litą skompresowaną skałę. Dla wydzielonych warstw wykonano badania wytrzymałościowe w aparacie bezpośredniego ścinania oraz badania odkształceniowe w edometrze. Stwierdzono, że fosfogips ma wysokie parametry wytrzymałościowe. Najniższe wartości otrzymano dla warstwy fosfogipsu o barwie białej z laminacjami znajdującej się w podstawie hałdy. Dla górnej warstwy fosfogipsu (o strukturze ziarnistej) wyznaczono charakterystyki naprężenie-odkształcenie w aparacie trójosiowego ściskania. Wykonano także obserwacje osiadania fosfogipsu przy stałym obciążeniu w długim okresie czasu (8 miesięcy).

W ramach badań laboratoryjnych, zlecono także wykonanie badania szczegółowego składu i mikrostruktury próbek tych warstw, których właściwości były kluczowe dla zrozumienia zachowania się hałdy.

Analizy numeryczne

Na podstawie opracowanych danych z inwentaryzacji, przeprowadzonych badań polowych oraz laboratoryjnych opracowano modele numeryczne trzech przekrojów hałdy. Dokonano generalizacji szczegółowego rozpoznania do postaci możliwej do zamodelowania. Wyznaczono zakres zmienności parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych. Obliczone wartości współczynników stateczności metodą równowagi granicznej i metodą redukcji parametrów wytrzymałościowych wskazują, że skarpy są stateczne. Wyznaczone mechanizmy deformacji są zgodne z tymi obserwowanymi przez inklinometry.

Dokumentacja

Opisane powyżej prace były na bieżąco dokumentowane, w postaci Raportów lub Operatów pomiarowych. Listę tych opracowań zamieszczono poniżej. Szczegółowe wyniki badań będą publikowane w czasopismach naukowych, i w miarę możliwości na stronnie www projektu.

Raporty wewnętrzne IBW PAN (objęte umowami cywilno-prawnymi)

1. A. Korzec: Badanie stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince. Raport IBW PAN, Gdańsk, listopad 2023.
2. J. Mierczyński, J. Sławińska: Badania laboratoryjne właściwości fosfogipsu składowanego na hałdzie w Wiślince i gruntów podłoża hałdy. Raport IBW PAN, Gdańsk, październik 2023.
3. A. Korzec: Identyfikacja potencjalnych ruchów masowych skarp hałdy fosfogipsu w Wiślince w oparciu o historyczne wyniki pomiarów inklinometrycznych. Raport IBW PAN, Gdańsk, październik 2023.
4. L. Zabuski, M. Kulczykowski: Koncepcja pracy hałdy w oparciu o pomiary inklinometryczne. Raport IBW PAN, Gdańsk, październik 2023.
5. A. Korzec: Analiza profili skarp hałdy fosfogipsu w Wiślince. Raport IBW PAN, Gdańsk, czerwiec 2023.
6. L. Zabuski, M. Kulczykowski: Pomiary inklinometryczne na hałdzie fosfogipsu w Wiślince. Raport IBW PAN, Gdańsk. (5 operatów pomiarowych)

Raporty wewnętrzne IBW PAN:

1. A. Korzec: Sprawozdanie z instalacji stacji pomiaru opadu atmosferycznego w Wiślince. Raport IBW PAN, Gdańsk, grudzień 2022.
2. A. Korzec: Sprawozdanie z instalacji 5 inklinometrów wykonanych w ramach projektu badawczego „Badanie stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince”. Raport IBW PAN, Gdańsk, marzec 2023.
3. A. Korzec: Sprawozdanie z działalności stacji pomiaru opadu atmosferycznego w Wiślince w okresie od XI 2022 do VIII 2023. Raport IBW PAN, Gdańsk, sierpień 2023.

Raporty pracowników zewnętrznych objęte umowami cywilno-prawnymi:

1. R. Bieńkowski, L. Łęczyński: Wizualizacja przestrzenna hałdy fosfogipsu w miejscowości Wiślinka koło Gdańska. Warszawa, październik 2023.

Dokumentacje powstałe w wyniku realizacji Umów z firmami zewnętrznymi:

1. Geoteko. Projekt robót geologicznych niezbędnych do wykonania inklinometrów oraz rozpoznania warunków geologicznych dla potrzeb projektu badawczego pn.: „Badania stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince oraz określenie warunków geologicznych w jej podłożu. Warszawa, czerwiec 2022.
2. Geoteko. Dokumentacja geologiczna inna niż wykonana w celu udokumentowania robót geologicznych wykonanych w ramach instalacji inklinometrów oraz rozpoznania warunków geologicznych dla potrzeb projektu badawczego pn. „Badanie stateczności hałdy fosfogipsu w Wiślince”. Warszawa, 2023.
3. Geoteko. Sprawozdanie z badań laboratoryjnych nr 63/2022/105. Wiślinka. Warszawa, maj 2023.
4. Lezpol. Operat pomiarowy. Pomiar sytuacyjno-wysokościowy punktów zastabilizowanych na hałdzie fosfogipsu w Wiślince. Gdańsk. (1 operat z 2022 r., 2 operaty z 2023 r.)
5. Raport analizy próbek. Instytucie Nanotechnologii i Inżynierii Materiałowej Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskie, październik 2023.

Wniosek końcowy

Na podstawie wykonanych prac, można stwierdzić, że obecnie nie ma zagrożenia utraty stateczności skarp hałdy fosfogipsów, a więc nie ma zagrożenia ekologicznego terenu bezpośrednio sąsiadującego z hałdą oraz rzeki. Obserwowane przemieszczenia postępują bardzo wolno. W celu wskazania przyczyny globalnych przemieszczeń i ich tempa potrzebny jest czas i cykliczne prowadzenie pomiarów w ramach rozbudowanego systemu monitoringu.