Növényi tápanyagok vízminőségi hatása (eutrofizáció) és a tápanyagterhelés számítása.

Az előadások a következő témára: "Növényi tápanyagok vízminőségi hatása (eutrofizáció) és a tápanyagterhelés számítása."— Előadás másolata:

1 Növényi tápanyagok vízminőségi hatása (eutrofizáció) és a tápanyagterhelés számítása

2 LIMNOLÓGIA Tavak kialakulása TermészetesTermészetes Mesterséges (duzzasztógátak, (ivóvíz)tározók, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.)Mesterséges (duzzasztógátak, (ivóvíz)tározók, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.) Tavak jellemzői MorfológiaMorfológia VízháztartásVízháztartás Vízmozgás, áramlásokVízmozgás, áramlások Hőmérséklet és fényviszonyok,Hőmérséklet és fényviszonyok, Tápanyag ellátottságTápanyag ellátottság Kémiai jellemzők, sótartalomKémiai jellemzők, sótartalom

3 Völgyzárógátas tározó

4 Tavak hidrológiája és morfológiája Alaktan és jellemző méretek hosszúságszélesség víztükörfelület (A) víztérfogat (V) vízmélység (H) Tartózkodási idő (feltöltődési, vízkicserélődési idő): Q Hígulás, megújulási sebesség: L Partvonal hosszúság (L) Partvonal tagoltság:

5 LITORÁLIS ZÓNA

6 Tavak vízmérlege Befolyó – elfolyó + csapadék – párolgás  talajvíz Szabályozott tavak: Vízmérleg szerepe: Tartózkodási idő Sótartalom (lefolyástalan tavak) Tápanyag visszatartás (oldott és partikulált formák, szezonális változások)

7 Hó eleji vízállás (cm) -50 0 50 100 150 200 190119041907191019131916191919221925192819311934 19371940194319461949195219551958196119641967197019731976 197919821985 198819911994199720002003 BALATON VÍZSZINTVÁLTOZÁSA (1901-2003) Szabályozás alsó szint Szabályozás felső szint

8 2009 2010 2011

9 Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény HŐMÉRSÉKLET ÉS FÉNY z I I0I0I0I0 1%: fotikus zóna z T Hőmérséklet vertikális eloszlása 0 5 10 15 20 (C) Nyár Tél Hőrétegzettség (mély tavak) T (C)  4 C Max. termikus gradiens Termikus ellenállás Extinkciós tényező (k e )

10 Tavak rétegződése: Mély tavak EpilimnionMetalimnionHipolimnion Jellemzők: hőrétegzettség, időszakos cirkuláció (átfordulás), Függ: szél kinetikai energiája és a sűrűség különbségből adódó termális ellenállás (számítható!) Sekély tavak Fenékig átkevert Nincs hőrétegzettség!

11 Vízmozgások Aperiodikus áramlások: Aperiodikus áramlások: Szél ill. nyomáskülönbség hatására kialakuló áramlások Periodikus vízmozgások:Periodikus vízmozgások: Szél keltette hullámzás (függ: szélsebesség, meghajtási hossz, vízmélység) Tólengés (seiche): a szél hatására a víztömeg feltorlódik, majd a szél leálltával visszalendül (Balaton: hossz- és keresztirány)  Üledék felkeveredés (áramlásból és a hullámmozgásból származó csúsztató feszültség idézi elő)  fény  biomassza származó csúsztató feszültség idézi elő)  fény  biomassza

12

13 TÁPANYAG ELÁTOTTSÁG Források: - Természetes (vízgyűjtő – kőzetek, légköri kiülepedés) - Antropogén (kommunális szennyvíz, mezőgazdaság – műtrágyák, ipari emissziók). műtrágyák, ipari emissziók).

14 IDŐBELI VÁLTOZÁSOK (szukcesszió): Természetes: termőképesség (trofitás) növekedése (tápanyag dúsulás), feltöltődés, sótartalom növekedése (lefolyástalan tavak) Mesterséges: eutrofizálódás, savasodás, vízháztartás változása (kiszáradás) – antropogén hatások! OligotrófMezotróf Eutróf Mocsár Időlépték!

15 EUTROFIZÁLÓDÁS EUTROFIZÁLÓDÁSKövetkezmények: „Algásodás”: esztétika (rekreáció), vízhasználatok„Algásodás”: esztétika (rekreáció), vízhasználatok Vízkezelés (pl. szűrők eltömődése)Vízkezelés (pl. szűrők eltömődése) Íz és szagÍz és szag Toxikus hatásokToxikus hatások Szervesanyag felhalmozódás  O 2Szervesanyag felhalmozódás  O 2 O 2 napszakos ingadozásO 2 napszakos ingadozás Makrofiták (bentikus eutrofizáció)Makrofiták (bentikus eutrofizáció)

16 Folyamatok R,T 1 év N,P Chl Természeti tényezők: Sugárzás, hőmérséklet Felvehető tápanyagok, Biomassza (eredő hatás)

17 FOTOSZINTÉZIS ÉS SZTÖCHIOMETRIA FOTOSZINTÉZIS ÉS SZTÖCHIOMETRIA 106 CO 2 + 16 NO 3 + HPO 4 + 122 H 2 O + 18 H  C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 + 138 O 2 CO 2 és szervetlen tápelemek  növényi protoplazma (fény, termelés vs légzés)CO 2 és szervetlen tápelemek  növényi protoplazma (fény, termelés vs légzés) C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 :elemek aránya a sejtbenC 106 H 263 O 110 N 16 P 1 :elemek aránya a sejtben Liebig: 106 : 16 : 1 (moláris arány)Liebig: 106 : 16 : 1 (moláris arány) Redfield: felvétel és leadás aránya a fenti az óceánokbanRedfield: felvétel és leadás aránya a fenti az óceánokban Édesvizek hasonlóan viselkednek (tó specifikus)Édesvizek hasonlóan viselkednek (tó specifikus) A limitálás elve:A limitálás elve: - természeti körülmények - szabályozás

18 INDIKÁTOROK INDIKÁTOROK Elsődleges termelésElsődleges termelés AlgaszámAlgaszám BiomasszaBiomassza Chl-aChl-a ÖP, ÖNÖP, ÖN Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység)Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység) Fitoplankton összetételeFitoplankton összetétele Oldott oxigénOldott oxigén

19 TAVAK OSZTÁLYOZÁSA (OECD; Chl-a - átlag/max) OligotrófMezotrófEutrófHipertróf ÖP (mg/m 3 ) 1035100>100 Chl-a (mg/m 3 ) 2.5/88/2525/75>25/>75 Secchi (m) 631.5<1.5 Hipol.O 2 tel.(%) 8010<10-

20 EGYSZERŰ ÖP MODELL: tó ÖP anyagmérlege Q be, P be V (térfogat), A (felszín) Q ki, ÖP ÖP ÖP vsvsvsvs ÖP [g/m 3 ] – összes P koncentráció a tóban (teljes elkeveredés) P be [g/év]– külső P terhelés v s [m/év]– látszólagos (eredő) ülepedési sebesség Feltevések: - csak összes P - teljes elkeveredés (szegmentálás) - teljes elkeveredés (szegmentálás) - évi átlag - évi átlag

21  0 0 0 0 Egy év alatt (évi átlag): Normalizált terhelés (évi átlagos összes P koncentráció) p fajl – fajlagos ÖP terhelés (g/m 2 /év) - éves átlag q fajl – fajlagos hidraulikai terhelés (m 3 /m 2 /év = m/év) P – éves átlagos P koncentráció (g/m 3 )

22 A Vollenweider-féle statisztikus formula (1980) Sekély tavakra módosított forma: Tartózkodási idő (év) A tápláló (befolyó) vizek átlagos P koncentrációja (g/m 3 )

23

24 Tervezés empirikus összefüggések alapján ÖP terhelés Anyagmérleg számítás ÖP koncentráció Chl-a ÖP L Max/átlag klorofill koncentráció Chl S Secchi mélység

25 „TÓ VÁLASZ” BELSŐ TERHELÉS NÉLKÜL Lineáris szakasz Telítési szakasz BIOMASSZA TERHELÉSP

26 Vollenweider (statisztikus) modell előnyei: Egyszerű, gyors, egy paraméter Tervezés, előrejelzés Hosszú távú átlagok, terhelés adatok becsülhetők A modell alkalmazási korlátjai: Éves átlagok – több éves adatsor szükséges az „igazoláshoz” Egy paraméter (v s ) – aggregált jellemző (P forgalmat befolyásoló összes hatást összegzi) – empíria, nincs mögötte „fizikai tartalom” Szezonális változásokat nem tudja kezelni Fény, vízmélység (fotikus zóna) szerepe nem jelenik meg Lineáris „válasz”, belső terhelés hiánya

27 KIS-BALATON: FELSŐ TÁROZÓ EGYSZERŰANYAGMÉRLEG

28 Balaton Zala Zalaegerszeg Kis-Balaton

29 Felsô Tározó A = 18 km 2 Alsó Tározó A  50 km 2 Felsô Tározó A = 18 km 2

30 ÖP visszatartás a Kis-Balaton Felső Tározóban  P tervezett = f (P be, Q be, v s ) /Vollenweider/ ?

31 0 10 20 30 40 50 60 70 80 020406080100120140 TP be (t/y) TP ki (t/y) 87 86 88 89 90 91 96 95 94 92 93 ~30 t/y Befolyó és kifolyó ÖP terhelés kapcsolata Be Ki

32 PP P belső P + P BELSŐ = ÖSSZES NETTÓ ÜLEPEDÉS  P + P BELSŐ = ÖSSZES NETTÓ ÜLEPEDÉS

33

34 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS BELSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK AZ ÜLEDÉK SZEREPE: BELSŐ TERHELÉS (A TÁPANYAGOK (ELSŐSORBAN A FOSZFOR) AZ ÜLEDÉKBŐL VISSZAJUT A TÓBA) NEM-PONTSZERŰ LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS

35 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS BELSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

36 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS BELSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

37 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS BELSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

38 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS BELSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

39 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

40 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

41 KÜLSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS KIFOLYÁS ÜLEDÉK LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK)

42 BELSŐ TERHELÉS BELSŐ TERHELÉS P be = L K + L B (KÜLSŐ + BELSŐ P TERHELÉS)P be = L K + L B (KÜLSŐ + BELSŐ P TERHELÉS) MÓDOSÍTOTT VOLLENWEIDERMÓDOSÍTOTT VOLLENWEIDER L K  ÖP (vs-ből)  VÉGES ÉRTÉK (L B ), NEM ZÉRUS (RÖVID TÁV)L K  ÖP (vs-ből)  VÉGES ÉRTÉK (L B ), NEM ZÉRUS (RÖVID TÁV) ÜLEDÉK FELÚJULÁS (HOSSZÚ TÁV)ÜLEDÉK FELÚJULÁS (HOSSZÚ TÁV)

43 „TÓ VÁLASZ” BELSŐ TERHELÉSSEL Lineáris szakasz Telítési szakasz BIOMASSZA TERHELÉSP

44 Pe Adszorbeált P (mgP/g üledék) Adszorpciós izoterma: egyensúlyi koncentráció meghatározása (~ Üledék „mobilizálható P tartalma) Adszorpciós kapacitás (izoterma alakja) függ: Üledék/talaj adszorpciós tulajdonságai (Fe, Mn, Al oxidok, Ca sók, agyagszemcsék) pH, hőmérséklet, redox potenciál, stb. 1.Deszorpció felkeveredés hatására 1 2 3 2.Adszorpció a külső terhelés növekedésekor 1 2 3 Üledék – belső P terhelés

45 Üledék P koncentrációjának változása (Lijklema, 1986) Felkeveredő (aktív) réteg (h) Éves lerakódás (  h) Foszfor ülepedés, S (g P/m 2 /év) Üledék P koncentrációjának változása (P ü ): Új egyensúly beállásának ideje (S,  h = konst, k = 0): Eltemetődő réteg (  h) P „öregedési” állandó

46 Az aktív üledékréteg mozgékony foszforkészletének hosszú távú változása és az alga biomassza a Keszthelyi-öbölben Istvánovics és mtsai., 2003 A balatoni üledék P készlete Az aktív üledékréteg anyagmérlege

47 DINAMIKUS MODELL FELÉPÍTÉSE VÁLTOZÓK: AP- alga P, DP - detritusz P, ORP - oldott szervetlen P, PP - formált szervetlen P, SP - formált P az üledékben, BP – eltemetődött P; FOLYAMATOK: 1 - szaporodás, 2 - pusztulás, 3 - mineralizálódás, 4 - ülepedés, 5 - adszorpció-deszorpció; BELSŐ TERHELÉS: Lijklema-féle üledék modell PE - a víz és az üledék közötti „hipotetikus” egyensúlyi koncentráció PEPÜ

48 ÖP (mg/m 3 ) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1986198719881989199019911992199319941995199619971998199920002001 mért számított Dinamikus modell alkalmazása: szimuláció a beavatkozások előtti és utáni időszakra Tatai Öregtó (leeresztő zsilip) Hídvégi-tó (Balatonhídvég)

49 A CaCO 3 tartalom változása a Hídvégi-tó üledékében: A mintavételi pontok átlagértékei (mért) és az üledék-keveredési modellel számított koncentráció (modell)

50 A Hídvégi-tó előre jelzett összes P visszatartása (%) különböző terhelési forgatókönyvekre

51 Kis-Balaton előrejelzett (modell) és mért P visszatartása

52 Balaton (1965-2012) Eutrofizálódás (hínár, algásodás) Halpusztulás Bakteriológiai problémák a parti sávban Nádpusztulás Vízszint csökkenés

53 Beavatkozások előtt Beavatkozások után I. II. III. IV. A BALATON VÍZMINŐSÉGÉNEK VÁLTOZÁSA Hipertróf Eutróf Mezotróf Oligotróf

54 Phosphorus load and algal biomass Lake Balaton Phosphorus load and algal biomass Structural changes & sediment © Honti Márk

55 A Zala által szállított összes P terhelés változása (a torkolatnál mért éves anyagáramok) Műtrágya használat visszaesése Szennyvíztelepeken P eltávolítás Kis-Balaton megnyitása Szárazság

56 Fitoplankton összetétele (1976-2005)

57 Measured and simulated algae biomass in Chl-a (1976-2006) Measured Simulated Chl-a (mg/m3) Response P load reduction

58 Konklúziók A modellek segítenek A modellek segítenek a megértésben, a megértésben, az előrejelzésben az előrejelzésben a tervezésben, a tervezésben, de nem helyettesítik a szaktudást, de nem helyettesítik a szaktudást, alkalmazásuk gyakorlati tapasztalatot igényel. alkalmazásuk gyakorlati tapasztalatot igényel.

59 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

60 Tavak, tározók rehabilitációja Eszközök: 1.Külső terhelés (P) csökkentése Szennyvíztisztítás, P eltávolítás Nem pontszerű terhelés oMezőgazdasági (művéliság és -mód váltás, tápanyag gazdálkodás) oVárosi (belterületi) lefolyás szabályozása (beszivárogtatás, szűrőmezők, torkolati műtárgyak) 2.Tavon belüli beavatkozások (külső terhelés szabályozásával együtt hatékonyak csak!) Elvezetés a tóból (P-ban gazdag hipolimnion vizének elvezetése) Belső terhelés csökkentése (kotrás, üledék inaktiválása) Biomanipuláció Hínár aratás

61

62 Üledék kotrás Az állóvízben (tóban, előülepítőben, tározótérben) az évek során lerakódott, felhalmozódott szennyezett hordalék eltávolítása, a meder feliszapolódásának megakadályozása, a tározó térfogat csökkentésének megakadályozása. Az üledékek elhelyezési helyét természetvédelmi szempontok figyelembe vételével kell meghatározni. Szennyezett üledék csak a szennyezettségnek megfelelő tárolóban rakható le. Ütemezés fontos! (Sekély tavakban az üledék átrendeződése lényegesen ronthatja a vízminőség-védelmi célok megvalósítását.) Megoldások: –Víz alatti (hidromechanizációs) kotrás – nagy víztartalom! –Száraz kotrás – tavat le kell üríteni Költségeket befolyásolják a zagy elhelyezés feltételei

63 Hirdomechanizációs kotrás és a zagy elhelyezése

64 Vízminőség javító kotrás (lepelkotrás) a Keszthelyi-medencében Célja: a belső terhelés csökkentése és a cianobaktérium spórák gyérítése 1983 óta kormányhatározat(ok) előírták Időszak: 1992-2003 Összes terület: 1283 ha (terv: 25 km 2 ) Lekotort mennyiség: 2186 ezer m 3 Forrás: KDT Vizig, Csonki István

65

66 Kotrás hatása Technológiai értelemben a hidromechanizációs rétegkotrás megfelelő eljárás (az üledék felkeverése nélkül pontosan olyan vastag réteget távolít el, mint amilyet szeretnénk), Az évente lekotort terület nagyságát elsősorban az anyagi lehetőségek korlátozták. A lekotort terület gyors feliszapolódása miatt a belső foszforterhelés szempontjából kulcsszerepet játszó felső 0,5-1 cm-es üledékréteg mozgékony foszfortartalma nem csökkent érzékelhetően. Istvánovics és mtsai., 2003 Az erősen meszes balatoni üledék kedvező hosszú távú viselkedése miatt a lepelkotrás nem tud lépést tartani a mozgékony foszfor természetes elöregedésének sebességével.

67 Üledék kezelés A foszfor kicsapatása (tavi P koncentráció csökkentése) és az üledékből felszabaduló P inaktiválása Fémionok adagolásával végzik (alumínium-, vas-, kalcium- sók, valamint olyan ritka földfémek sói, mint a cirkónium, lantán, titán). A ritka földfémek potenciálisan toxikusak és drágák. A hamu és a kohósalak alkalmazása nehézfémtartalma miatt nem ajánlott. Az alumínium-szulfáttal, vagy nátrium-alumináttal végzett foszfor inaktiválás a legelterjedtebb. Sekély tavak esetében a vas-sók alkalmazása javasolt közvetlenül az üledék fölé juttatva (vasIII-klorid). Tóvízben mésztej (Ca(OH)2) adagolás – növeli az üledék P megkötő lépességét. A kicsapódó CaCO3 teljes mértékben természetbarát anyag.

68

69 Algabiomassza csökkentése a kifaló kapacitás növelése és/vagy a turbáció csökkentésével. A tavi táplálkozási összefüggések rendszerének alapos ismeretét igénylik (pl. a haltelepítés kárt okozhat az ökoszisztémában). Előny, hogy a vegyszerek alkalmazása, vagy kotrás nélkül is érhető el eredmény. Hatékonyságukról kevés a tapasztalat. Biomanipuláció tavakban

70 A halgazdálkodás hatása a Tatai Öregtóban halszerkezet változásaalgák csökkenése 0 100 200 300 400 Számítás MérésChl-a J F M Á M J J A S O N D mg/m 3 1996 Az eredeti vízminőségi modell a megváltozott struktúrát nem követi, ezért nem alkalmas előrejelzésre.