DIFFÚZ TERHELÉSEK SZÁMÍTÁSA
SZABÁLYOZÁS ALAPEGYSÉGE:VÍZGYŰJTŐ F
NEM-PONTSZERŰ SZENNYEZÉS FOLYAMATAI
VÍZGYŰJTŐRŐL SZÁRMAZÓ TERHELÉSEK L3 = (L4 + L31 + E3) a3 L11 L12 L21 L22 L31 E2 E3 E11 E21 L21 = (L22 + L211 + E21) a21 L2 = (L3 + L21 + E2) a2 L111 L211 L11 = (L12 + L111 + E11) a11 L1 = (L2 + L21) a1 – ellenőrzési pontok Li – mért terhelés (anyagáram) Ei – vízgyűjtőről származó terhelés (emisszió) ai – átviteli tényező (transzmisszió) (1-a = visszatartás a mederben)
Terhelés számítása vízminőségi és vízhozam idősorokból
Terhelés számítása: Li – Anyagáram az i-dik ellenőrzési ponton m – mellékfolyók száma az i-dik szakaszon E – az i-dik szakaszt érő vízgyűjtő eredetű terhelés (emisszió) j – emissziós források száma az i-dik szakaszon a – az i-dik szakaszon érvényes átviteli tényező Lp – pontszerű szennyezőforrás (t/év) p – pontszerű forrás transzmissziós tényezője (-) Lnp – diffúz szennyezőforrrás (t/év) l – fajlagos területi terhelés (t/ha,év) A – a fajlagos terheléshez tartozó vízgyűjtőterület (ha) np – diffúz terhelés transzmissziós tényezője (-) ( 1- = visszatartás a vízgyűjtőn)
A számítás korlátjai: Ellenőrzési pontokon mért anyagáram mintavételi hibája (mintavételi gyakoriság, analitikai módszer, stb.) Átviteli tényező ismeretlen – vízminőségi modell! Pontszerű terhelések: becslés (lakosegyenérték), mérés Diffúz terhelés: területi jellemzők, irodalmi adatok (fajlagos területi terhelés), modell – időbeli változékonyság, bizonyatlan! Visszatartás a vízgyűjtőn (transzmissziós tényező): mérés? becslés? empíria?
Terhelés számítása vízminőségi és vízhozam idősorokból A becslés bizonytalanságát növelő tényezők: Alacsony mintavételi gyakoriság Átlag hibája: Eltérő mintaszám (NQ >> nC) Rövididejű árhullámok (kisvízfolyások!) Módszerek a becslés pontosítására (NQ >> nC) : Átlagolásos módszerek Aránybecslés Regressziós módszerek
Az éves átlag terhelés becslésre kidolgozott átlagolási módszerek napi vízhozam, havi koncentráció (Dolan et al., 1981); napi vízhozam, háromhavi konc. (Dolan et al., 1981); egyszerű számtani átlag (Dolan et al., 1981); havi vízhozam és koncentr. (Ferguson, 1987); háromhavi vízhozam és konc. (Ferguson, 1987); rétegzett átlagterhelés (Verhoff at al, 1980)
Az éves átlag terhelés becslésre kidolgozott aránybecslő módszerek (Cochran, 1967); (Hartley és Ross, 1954); (Quenouille, 1959); (Mickey, 1959); (Beale, 1962); (Tin, 1965)
Regressziós módszerek Vízhozam – koncentráció, vízhozam – terhelés kapcsolata:
Lineáris összefüggés esetén (A): L - tápanyaghozam [t/év], L0 - hipotetikus hozam zérus lefolyás esetén [t/év], Cá - átlagos tápanyag koncentráció [mg/l], Q - lefolyás [m3/s] Pontszerű források okozta anyagáramok megállapítása: Lp - tápanyaghozam a pontforrásokból [t/év], Qp – pontforrások hozama [m3/d].
Diffúz terhelések becslése Fajlagos területi terhelés („unit areal load”) Statisztikai modellek (szennyezőanyag kibocsátás, területi és hidrológiai jellemzők és a kontroll szelvényekben mért anyagáramok kapcsolata) Dinamikus modellek (felszíni, felszín alatti lefolyás és transzport)
Lefolyás szerepe a nem-pontszerű szennyezés folyamataiban Légköri kiülepedés Antropogén források Területi lefolyás Talajvíz Befogadó víz
Lefolyás modellek alkalmazása GIS Nagy adatigény Topográfiai adatok, Területhasználat, Talajjellemzők (fizikai jell., vízháztartási tul.) Meteorológiai adatok (csapadék, párolgás, sugárzás stb.) Tápanyag tartalom Osztott paraméterű modellek
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
PÉLDA A SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐJÉRE :
Fajlagos területi terhelés jellemző értékei (kg/ha/év) Területhasználat KOI ÖN ÖP N/P Forrás Mezőgazdasági terület 48-275 20.6 0.7-53 10-20 29.6 0.7-8.2 0.25-1.35 0.79 6.1 18.8 37.5 1 2 3 Legelő 13-28 31.8 1.1-5.3 1.1-3.3 16.6 0.3-0.5 0.02-0.5 0.55 8.0 8.5 30.2 Erdő 43 1.4-33 8-10 3.6 0.02-1 0.3 33.7 17.6 12 Szőlő, gyümölcsös 0.1-260 38-67 0.8-20 0.8-201 12.5 5.2 Városi terület 260-1050 282 2-9.7 6-10 19.7 0.5-1.5 1.1-5.6 2.7 5.8 2.4 7.3 1. VITUKI, 1996, 2. Jolánkai, 1984, 3. JICA, 1998
Haszonállatok fajlagos emissziói (kg/egyed/év) BOI ÖN ÖP Szarvasmarha 140 90 30 Tejelő tehén 200 36 Sertés 35 12 Ló 61 10 Birka 3.2 1 Baromfi 0.7 0.12
Statisztikai modellek Német példa: MONERIS: Modelling of Nutrient Emissions in River Systems (Institut für Gewasserökologie, Berlin) > 500 (1000) km2 vízgyűjtők 5-10 éves átlagok GIS támogatás Figyelembe vett folyamatok: Pontszerű források, Légköri kiülepedés, Lemosódás, Erózió, Városi lefolyás, Drénrendszerek, Talajvíz. Tápanyag visszatartás a vizekben
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Vízmérleg Q átlagos lefolyás [m3/év], Qtv lefolyás a talajvízzel (bázislefolyás) [m3/év], Qdr lefolyás a drénrendszerekből [m3/év], Qfl felszíni lefolyás a nem burkolt felületekről [m3/év], Qvl városi lefolyás [m3/év], Qlh légköri hozzáfolyás, amely a közvetlenül a vízfelszínre hulló csapadékmennyiség és az onnan elpárolgó vízmennyiség eredője [m3/év].
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés CflN,P átlagos, terület szerint súlyozott tápanyag-koncentráció a felszíni lefolyásban [mg/l], Asz szántóföldi területek [km2], Az zöldterületek [km2], Any Nyílt (fedetlen) területek Cfl,szN,P tápanyag-koncentráció a szántóföldekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,zN,P tápanyag-koncentráció a zöldterületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,nyN,Ptápanyag-koncentráció a nyílt felületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l].
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Tápanyag koncentrációk a felszíni lefolyásban: Területhasználat Nitrogén Foszfor [g N/m3] [g P/m3] Szántóföld 0,3+RlkN/Csé 0,8 Zöldterület RlkN/Csé 0,2 Nyílt felület 0,05 RlkN légköri nitrogén-kiülepedési ráta [g N/m2év], Csé évi csapadékmennyiség [m/év] Tápanyag terhelés (t/év):
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Mezőgazdasági területekről lefolyó víz P koncentrációja a talaj telítettségének függvénye: Talaj P telítettsége (%) Oldott P (g/m3) 100 50 0.05 0.2 1 Művelt területeken a talaj felső rétegének P telítettsége 90-95 %-os, Hosszú távú szántóföldi mérlegek segítségével meghatározható!
Zala vízgyűjtő mezőgazdasági tápanyag mérlege
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés Talajlehordás megindulásának feltételei: 1% lejtés, Mezőgazdasági művelés alatt áll, Bármely vízfolyástól való távolsága < 30 m Potenciális lebegőanyag terhelés: Ht potenciális üledékterhelés [t/ha/év], ht talajlehordás a mezőgazdasági területekről [t/ha/év] SAR erózióra érzékeny területek modellezett aránya [%] A Vízgyűjtőterület nagysága [ha]
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés Talajlehordás mértéke: eróziós térképek Kiülepedés, megrekedés mélyedésekben: Az erodált talaj csak részben éri el a vizeket! Erózió eredetű lebegőanyag terhelés megállapítása: Kritikus lefolyás értelmezése a vízhozam lebegőanyag kapcsolat alapján
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés Tényleges lebegőanyag terhelés: TÜ lebegőanyag terhelés a vizsgált időszak alatt [t/év], Ht talajlehordás a vizsgált időszak alatt [t/év] SDR üledék visszatartási tényező (kritikus LA hozam alapján) [-] Fs,üt1-t2 vizsgált időszakra vonatkozó súlyozó tényező [-], függ a nagycsapadékos időszakok mennyiségétől Eróziós tápanyagterhelés: TerN,P tápanyagterhelés az erózió következményeként [t/év]. MtN,P átlagos tápanyagtartalom a felső talajrétegekben [kg/kg] AdN,P tápanyag feldúsulási foszforra [-],
Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Települési eredetű tápanyag terhelés folyamatai:
MONERIS modell alkalmazása a Zala vízgyűjtőre
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben 100 – 200 000 km2-es vízgyűjtőkre alkalmazható empirikus tápanyag visszatartási modell (Behrendt és Opitz, 1999) HbN,P becsült tápanyaghozam [t/év], EN,P összes becsült tápanyagemisszió [t/év], RN,P összes becsült tápanyag-visszatartás [t/év], TpfN,P pontszerű tápanyagterhelések [t/év], TdN,P diffúz tápanyagterhelések [t/év], VN,P tápanyagveszteségek [t/év]. Átalakítás után: RHN,P anyagárammal súlyozott összes tápanyag-visszatartás [t/év]
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Empírikus összefüggés a tápanyag visszatartásra: a, b modellegyütthatók [-], x fajlagos lefolyás, q [l/km2s], ill. hidraulikai felületi terhelés, Thf [m/év]. Valamennyi vízgyűjtő 1000 km2-nél kisebb vízgyűjtők 1000 és 10000 km2 között 10000 km2-nél nagyobb vízgy. x q Thf Foszfor a 26,60 13,30 41,40 57,60 21,70 9,30 28,90 26,90 b -1,71 -0,93 -1,93 -1,26 -1,55 -0,81 -1,80 -1,25 Nitrogén 6,90 5,90 3,50 3,30 5,80 4,40 7,90 10,90 -1,10 -0,75 -1,01 -0,65 -0,96 -0,62 -1,03 -0,94
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata
Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata
Nutrient Balances for Danube Countries
Role of "retention": Net immission load/emission load (1992) OUTFLOW [l/s/km2] OUTFLOW [l/s/km2] A - Austria, B - Bulgaria, C - Czech Republic, G - Germany, H - Hungary, M - Moldavia, R - Romania, SK - Slovakia, SL - Slovenia, U - Ukraine, DB - Danube Basin average