Városi környezetvédelem Ács Tamás acs.tamas@vkkt.bme.hu 30-318-6601 Városi környezetvédelem Talaj és talajvíz

Mi a talaj? Attól függ, kitől kérdezzük: Agrártankönyvek: A talaj a Föld legkülső szilárd burka, mely a növények termőhelyéül szolgál. Alapvető tulajdonsága a termékenysége, vagyis az a képesség, hogy kellő időben és a szükségelt mennyiségben képes ellátni a növényeket vízzel és tápanyaggal. Építőipar a felszín mechanikai tulajdonságai alapján határozza meg a talajokat. A talaj lehet pl. teherviselő közeg, építőanyag, stb.

Mi a talaj? Attól függ, kitől kérdezzük: Talajtan: A szilárd földkéreg laza része,amelyet a humuszképződés, a mállás, a mállási és humuszosodott termékek helyzetváltozása alakított. Talajbiológia: A talaj tipikus nyílt ökológiai rendszer, amely magában foglal egy élő biológiai és egy élettelen abiotikus háromfázisú (gáz, folyékony és szilárd halmazállapotú) alrendszert, melyek szorosan összefonódnak. Bennük az anyagcsereutak lehetnek biológiailag szabályozottak és kémiaiak (pl. adszorpció az agyagásványok felületén), a folyamatok azonban nehezen elkülöníthetők, az anyag- és energiaáramlás állandó a környezettel.

Mi a talaj? Általános meghatározás lehet: A talaj olyan háromdimenziós test vagy képződmény a földkéreg legfelső szintjén, mely az anyakőzet, klíma, relief, élő szervezetek, emberi tevékenység és az időtényező kölcsönhatásának eredményeképpen keletkezett. Tulajdonságaiban és minőségében eltér a kőzettől, saját levegője, vize és élővilága van, az élő és az élettelen természet határterületét jeleníti meg.

Talaj ökológiai funkciói Biomassza termelési funkció: A talaj a mező- és erdőgazdálkodás termőhelye, az élelmiszer- és takarmánynövények, valamint a megújuló energia és nyersanyag előállítója ill. forrása. Szabályozó funkciók: A környezet elemeit védő szűrő-, tompító- és átalakító folyamatok, melyek különösen a felszín alatti vizek és a tápláléklánc védelme szempontjából fontosak. Biotópfunkció: A talaj biológiai élettér, mely mint a biocönózisok élettereinek alkotója teret, anyagot és biomasszát nyújt a benne élő mikroorganizmusoknak, növényeknek és talajlakó állatoknak. Egyben géntartalék, hiszen genetikai öröksége elengedhetetlenül szükséges életünkhöz.

Miért fontos a talaj? Természeti erőforrás és termőhely. Élőhely. Puffer.

Nem is olyan egyszerű kérdés! Mi a talajvíz? Nem is olyan egyszerű kérdés! Az első vízzáró réteg felett elhelyezkedő felszín alatti víz. - és ha az első réteg vízzáró? - és ha az első vízzáró réteg 60 méter mélyen van? 2. A felszín alatti vizek azon része, amelyre a felszíni hidro- meteorológiai folyamatok közvetlen (gyors) hatással vannak. - és ha az első 40 méter kavics?

Mi a talajvíz, mi a talajnedvesség? felszíni vizek FELSZÍN ALATTI VIZEK Merev vázú közetekben tárolt vizek hasadékvizek karsztvizek Porózus kőzetekben tárolt vizek rétegvíz talajvíz partiszűrésű víz talajnedvesség telített zóna telítetlen zóna források alaphozam termálvizek

Miért fontosak a felszín alatti vizek? A felszín alatti vízbázisok jó része településeken vagy azok közvetlen környezetében található. Az öntözésre használt vizek jelentős hányada felszín alatti vízből (talajvíz) származik. A felszíni vizek hozamának döntő része felszín alatti vízből származik (alaphozam). Magyarországon az ivóvízellátás 95 %-a felszín alatti vizekből történik 1,8 millió m3 vizet fogyasztunk naponta Kb. 7000 kútból termelnek ivóvizet

Mitől kell megvédenünk? Miért fontos a talaj és a felszín alatti vizek? Ha az egyik elszennyeződik, az majdnem biztosan a másik elszennyeződését is jelenti (+ felszíni víz) ! A kettőt együtt, egy rendszerként kell kezelnünk! A talaj vagy a talajvíz (felszín alatti vizek) védelme egyben a másik védelmét is szolgálja. Mitől kell megvédenünk?

Mitől kell védenünk? A talaj és a felszín alatti vizek minőségét veszélyezteti az emberi tevékenység Kb. 30.000 regisztrált potenciális szennyezőforrás. Ezeknek egy jó része településekhez és ott végzett tevékenységekhez köthető.

Mi az a szennyezés? emberi tevékenységhez köthető folyamat, melynek során a közeg természetes viszonyok között kialakult fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai jelentős mértékben és kedvezőtlen irányban változnak meg; az adott anyag szennyezettségi határértéket meghaladó koncentrációban van jelen a talajban / talajvízben; a talajszennyeződéssel az ökológiai talajfunkciók (biomassza termelés, szűrő, kiegyenlítő, átalakító és raktározó szerep, élettér és genetikai tartalék) károsodnak; a talaj v. felszín alatti víz szennyeződésével felmerül egészségügyi és / vagy ökológiai kockázat.

Soroljunk fel néhányat! ”Szennyezőanyag” források Pontszerű Nem pontszerű Természetes - Ásványi lelőhelyek - Geológiai formációk - Természetes eredetű forrásból száraz és nedves légköri kiülepedés - Árvizek, elöntések - Szelek - Természetes radioaktív sugárzások Antropogén - Szennyvíz, szennyvíziszap - Hulladékok - Ipari emissziók - Haváriák - Légszennyezésből száraz és nedves kiülepedés - Mezőgazdaság (műtrágya, növényvédő szerek) - Közlekedés Soroljunk fel néhányat!

Soroljunk fel néhányat! Szennyezőanyag típusok Növényi tápanyagok Növényvédő szerek (peszticidek) Nehézfémek Sók Kőolaj és kőolajszármazékok Szerves mikroszennyezők (PAH, BTEX, PCB, …) Soroljunk fel néhányat!

a talaj- és talajvíz rendszer működésének ismerete elengedhetetlen! Szennyezés Ahhoz, hogy értékelni tudjuk a talaj és talajvíz állapotát; egy tervezett tevékenység hatását; a szennyezőanyagok további sorsát; a hatásviselőket (a talaj és tv. nem hatásviselő!) érő terheléseket a talaj- és talajvíz rendszer működésének ismerete elengedhetetlen!

Talajok tulajdonságai talajszemcsék mérete szemcseösszetétel (textúra) térfogattömeg, sűrűség hézagtérfogat vízháztartás levegő- és hőgazdálkodás flóra, fauna ásványi anyag összetétel szervesanyag-tartalom kémhatás termékenység alapkőzet talajképződés módja talaj kora FAO USDA stb.

Talajok tulajdonságai

Talajok tulajdonságai talajszemcsék mérete szemcseösszetétel (textúra) térfogattömeg, sűrűség hézagtérfogat Sűrűség: Térfogatsűrűség: Nedves térfogatsűrűség: Száraz térfogatsűrűség: Telített térfogatsűrűség: Hézagtérfogat (porozitás): Hézagtényező: Telítettség: Víztartalom (nedvességtartalom):

Talajvíz, talajnedvesség Transzspiráció Beszivárgás Infiltráció Evaporáció Csapadék Felszíni lefolyás Vízmérleg Nedvesség-tartalom felszíni viszonyoktól és talajvízállástól függ! Víztartalom z Telítetlen zóna (talajnedvesség) Telített zóna (talajvíz) Kapilláris és adhéziós vízemelés 22

Szabadföldi vízkapacitás Talajnedvesség Telített Szabadföldi vízkapacitás Hervadás- pont Általános Víztartalom z Kapilláris víz Gravitációs víz Adszorbeált víz (film) Talaj-szemcse Levegő Nedves Száraz 23

VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Darcy törvény telített közegben (Henry Darcy – 1856) Kísérlet: Hengerbe homok Q hozamot tartunk úgy, hogy az A és B pontokban a vízszint állandósuljon (egyensúlyi állapot) Eredmény: Q=K*A*(hA-hB)/L Q = K*A*(dh/dl) q = K*(dh/dl) q: fajlagos vízhozam [m3/m2/s]

VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Darcy törvény telített közegben (Henry Darcy – 1856) q = K*(dh/dl) q sebesség dimenziójú, de fluxus jellegű mennyiség q egy átlagos „ szivárgási sebesség’, egy virtuális mennyiség K jellemzi a közeget és a folyadékot szemcsék alakja szemcsék mérete fajsúly – fordított arányosság viszkozitás – egyenes arányosság K = k*μ/(ρ*g) I=dh/dl , ahol I az ún. hidraulikus gradiens, gyakori jelölése: grad(h) Darcy törvény: q = - K*grad(h) (-), mert mindig a nagyobb potenciálú hely felől a kisebb potenciálú hely felé történik az áramlás

VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Porozitás Porozitás (teljes porozitás, hézagtérfogat): • Porozitás aránya a kőzettérfogathoz (hézagtényező): • Kapcsolat a két tulajdonság között: A víz áramlása csak az egymással kapcsolatban levő pórusokban lehetséges. Effektív porozitás: neff neff <= n Tényleges sebesség:

VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Milyen folyamatok/jelenségek befolyásolják az áramlási rendszert? természetes: meteorológia (beszivárgás, párolgás) növényzet felszíni vizek geológia (kőzet típusa), geológiai formációk (lencse, ablak, stb.) stb. antropogén mezőgazdaság (öntözés, növénytermesztés, talaj bolygatása) vízkivételek (kutak, drének, stb.) felszíni vizek (csatornák – lecsapolás) műtárgyak (pl. a kármentesítés során)

? VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Milyen folyamatok/jelenségek befolyásolják az áramlási rendszert? meteorológia: csak a felszín közeli térrész hidrológiai viszonyaira van hatással a mélyebb térrészben a hatások tompítva és időben eltolva jutnak el talajvíz vs. rétegvíz dilemma ?

Háromfázisú zónában lejátszódó folyamatok ismerete szükséges! VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Meteorológiai hatások + növényzet telítetlen zóna transpiráció beszivárgás infiltráció evaporáció csapadék lefolyás telített zóna perkoláció párolgás a tv-ből intercepció: nem szivárog be Háromfázisú zónában lejátszódó folyamatok ismerete szükséges!

Mitől függ az áramlás iránya? VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Felszíni víz hatása Mitől függ az áramlás iránya? Alaphozam!

VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Vízkivétel hatása

Műtárgyak (pl. terelőfal) VÍZ ÁRAMLÁSA PORÓZUS KÖZEGBEN Műtárgyak (pl. terelőfal)

A TRANSZPORTÓL ÁLTALÁBAN A szennyező anyagok transzportjában a folyamat jellege szerint megkülönböztetünk: Advekciót – a közeggel együtt áramló szennyező anyag transzportját, Diffúziót – a koncentrációkülönbség hatására, Diszperziót – a sebességvektor irányváltozásai hatására, Szorpciót – az oldott és a szilárd váz felületén megkötött szennyező anyag koncentrációjának különbségének hatására, Bomlás és átalakulás – fizikai és/vagy kémiai folyamatok hatására létrejövő transzportot.

A gyakorlat és az irodalom azonban nem különbözteti meg, tehát: ADVEKCIÓ Gyakran keveredik az advekció és konvekció fogalma: konvekció: hőtanból átvett fogalom hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő áramlással mozgó anyag transzportja advekció: potenciálos erőtér (itt nyomáskülönbség) hatására létrejövő áramlással mozgó szennyezőanyag transzportja A gyakorlat és az irodalom azonban nem különbözteti meg, tehát: ADVEKCIÓ = KONVEKCIÓ

ADVEKCIÓ Porózus közegben a tényleges sebesség a Darcy-féle sebességből: A víz csak a szemcsék közötti pórusokban áramlik.

DIFFÚZIÓ (molekuláris) A tér pontjai közötti koncentrációkülönbség hatására létrejövő transzport. A rendszer egyensúlyra törekszik, így a magasabb koncentrációjú hely felől áramlik az alacsonyabb koncentrációjú hely felé.

A sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás. DISZPERZIÓ A sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás. Léptéktől függően beszélhetünk mikroszkopikus- és makroszkopikus diszperzióról.

DISZPERZIÓ Mikroszkopikus (hidrodinamikai): a szemcséknek ütköző folyadékrészecskék szóródása egyenlőtlen sebességeloszlás a pórusokban

DISZPERZIÓ 2. Makroszkopikus: geológiai heterogenitásból fakad pl. az áramló közeg lencsének ütközik

DISZPERZIÓ A szennyezőanyag hozama arányos: az átlagos szivárgási sebességgel. a szennyezőanyag szóródását kifejező diszperzivitással. A szóródás mértéke eltérő a szivárgás irányában és arra merőlegesen. Így megkülönböztetünk: longitudinális diszperziót transzverzális diszperziót, ezen belül horizontális transzverzális vertikális transzverzális

SZORPCIÓ A szorpciós folyamatok a szennyezőanyag szemcsén való megkötődését VAGY a szemcsén megkötődött szennyezőanyag leválását jelentik. Mitől függ, hogy éppen melyik folyamat játszódik le? Az érkező víz koncentrációja kisebb vagy nagyobb, mint az egyensúlyi állapothoz tartozó koncentráció. Egyensúlyi állapotban az érkező szennyezőanyag továbbterjed, nincs megkötődés a felületen, sem oldatba lépés a felületről.

SZORPCIÓ

SZORPCIÓ Tehát, a folyamat irányától függően beszélhetünk: adszorpcióról: megkötődés a szilárd vázon és deszorpcióról: oldatba lépés a szilárd vázról A folyamat reverzibilis!! A rendszer szempontjából forrásként (deszorpció) vagy nyelőként (adszorpció) jelenik meg.

BOMLÁS Szennyezőanyag degradációja, mennyiségének csökkenése. Fizikai-kémiai folyamatok indukálják. A folyamat sebességét befolyásolja: - talaj pH-ja - nedvességtartalma - hőmérséklet - szennyező jellemzői A lebomlás leírása: - nulladrendű: koncentrációtól független - elsőrendű: koncentrációtól függ

AZ EGYES FOLYAMATOK EGYMÁSRA ÉPÜLÉSE C x=0-ban és t=0-ban a koncentráció ADVEKCIÓ x + DIFFÚZIÓ+DISZPERZIÓ + ADSZORPCIÓ késleltetés + LEBOMLÁS

Mi a helyzet a háromfázisú zónával? A kérdés fontos, mert: - a telítetlen zóna pufferként működik; - az itt lejátszódó folyamatok a talajvíz mozgását alapvetően meghatározzák. DE! A nedvesség- és szennyezőanyag mozgás leírása jóval nehezebb, mert: - a nedvességtartalom nem konstans; - a nyomás nem hidrosztatikus (szívás).

Környezeti rendszerek modellezése Környezeti kárelhárítás