Növényi tápanyagok vízminőségi hatása (eutrofizáció) és a tápanyagterhelés számítása
LIMNOLÓGIA Tavak kialakulása Természetes Mesterséges (duzzasztógátak, (ivóvíz)tározók, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.) Tavak jellemzői Morfológia Vízháztartás Vízmozgás, áramlások Hőmérséklet és fényviszonyok, Tápanyag ellátottság Kémiai jellemzők, sótartalom
A TÁPANYAGOK VÍZMINŐSÉGI HATÁSA A FELSZÍNI VIZEK EUTROFIZÁLÓDÁSA TÁPANYAGOK FELDÚSULÁSA NÖVÉNYI „TÚLTERMELÉS” ESZTÉTIKAI PROBLÉMA, KORLÁTOZOTT VÍZHASZNÁLATOK FÜRDŐVÍZ DIREKTÍVA TROFITÁS ELLENŐRZÉSE (POTENCIÁLISAN TOXIKUS CIANOBAKTÉRIUMOK) VÍZ KERETIRÁNYELV CÉL: JÓ ÖKOLÓGIAI ÁLLAPOT ELÉRÉSE 2015-RE (> 50 HA ÁLLÓVIZEK) A MESTERSÉGES EUTROFIZÁLÓDÁS OKAI ÉS KEZELÉSE MÉRSÉKELT ÖVI TAVAKBAN AZ BIOMASSZÁT LEGGYAKRABBAN A FOSZFOR (P) KORLÁTOZZA MEGOLDÁS: P TERHELÉS CSÖKKENTÉSE P FORRÁSAI: VÍZGYŰJTŐN!
Völgyzárógátas tározó
Tavak hidrológiája és morfológiája Alaktan és jellemző méretek Q víztükörfelület (A) víztérfogat (V) vízmélység (H) L szélesség hosszúság Tartózkodási idő (feltöltődési, vízkicserélődési idő): Hígulás, megújulási sebesség: Partvonal hosszúság (L) Partvonal tagoltság:
LITORÁLIS ZÓNA
Tavak vízmérlege Befolyó – elfolyó + csapadék – párolgás talajvíz Szabályozott tavak: Vízmérleg szerepe: Tartózkodási idő Sótartalom (lefolyástalan tavak) Tápanyag visszatartás (oldott és partikulált formák, szezonális változások)
VÍZSZINTVÁLTOZÁSA (1901-2003) BALATON VÍZSZINTVÁLTOZÁSA (1901-2003) Hó eleji vízállás (cm) -50 50 100 150 200 1901 1904 1907 1910 1913 1916 1919 1922 1925 1928 1931 1934 1937 1940 1943 1946 1949 1952 1955 1958 1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 Szabályozás felső szint Szabályozás alsó szint
2009 2010 2011
Vízmozgások Aperiodikus áramlások: Szél ill. nyomáskülönbség hatására kialakuló áramlások 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
Szélsebesség és hullámmozgás kapcsolata
Lebegőanyag koncentráció (Balaton)
Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 HŐMÉRSÉKLET ÉS FÉNY Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 z I Extinkciós tényező (ke) 1%: fotikus zóna Hőmérséklet vertikális eloszlása 0 5 10 15 20 (C) Hőrétegzettség (mély tavak) z T Tél T (C) Max. termikus gradiens Nyár 4 C Termikus ellenállás
Tavak rétegződése: Mély tavak Epilimnion Metalimnion Hipolimnion Jellemzők: hőrétegzettség, időszakos cirkuláció (átfordulás), Függ: szél kinetikai energiája és a sűrűség különbségből adódó termális ellenállás (számítható!) Sekély tavak Fenékig átkevert Nincs hőrétegzettség!
TÁPANYAG ELÁTOTTSÁG Források: - Természetes (vízgyűjtő – kőzetek, légköri kiülepedés) - Antropogén (kommunális szennyvíz, mezőgazdaság – műtrágyák, ipari emissziók).
IDŐBELI VÁLTOZÁSOK (szukcesszió): Természetes: termőképesség (trofitás) növekedése (tápanyag dúsulás), feltöltődés, sótartalom növekedése (lefolyástalan tavak) Mocsár Eutróf Oligotróf Mezotróf Mesterséges: eutrofizálódás, savasodás, vízháztartás változása (kiszáradás) – antropogén hatások! Időlépték!
EUTROFIZÁLÓDÁS Eutrofizálódás: tápanyagfeldúsulás Természetes vs mesterséges Kronológia Kiváltó okok (főként P és N terhelések): vízgyűjtő Szennyvíz (közvetlen, közvetett) - pontszerű Városi lefolyás Mezőgazdaság - nem-pontszerű (csapadék) Ipar Légköri kihullás Több nagyságrendnyi növekedés (elmúlt fél évszázad) Fontos természeti tényező: hőmérséklet, összes sugárzás
EUTROFIZÁLÓDÁS Következmények: „Algásodás”: esztétika (rekreáció), vízhasználatok Vízkezelés (pl. szűrők eltömődése) Íz és szag Toxikus hatások Szervesanyag felhalmozódás O2 O2 napszakos ingadozás Makrofiták (bentikus eutrofizáció)
Folyamatok R, T 1 év Természeti tényezők: Sugárzás, hőmérséklet N,P 1 év Chl Felvehető tápanyagok, Biomassza (eredő hatás)
FOTOSZINTÉZIS ÉS SZTÖCHIOMETRIA 106 CO2 + 16 NO3 + HPO4 + 122 H2O + 18 H C106H263O110N16P1 + 138 O2 CO2 és szervetlen tápelemek növényi protoplazma (fény, termelés vs légzés) C106H263O110N16P1:elemek aránya a sejtben Liebig: 106 : 16 : 1 (moláris arány) Redfield: felvétel és leadás aránya a fenti az óceánokban Édesvizek hasonlóan viselkednek (tó specifikus) A limitálás elve: - természeti körülmények - szabályozás
N/P ARÁNY: EGYSZERŰ BECSLÉS Alga sejt: 0.5 - 2.0 gP/gChl-a aP 7 - 10 gN/gChl-a aN Példa: (a) N = 5 mg/l, aN = 10 Chl-a = 500 g/l (b) P = 1 mg/l, aP = 1 Chl-a = 1000 g/l Szabályozás: Chl-a = 50 g/l (célállapot) P = 50 g/l = 0.05 mg/l Általában, ha N/P < 10 N limitál N/P > 10 P limitál N/P 10 ??? Mi limitál? Szennyvíz (nyers és tisztított)? Mezőgazdasági diffúz? Vegyes? Mi tehető limitálóvá? Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység) Fitoplankton összetétele
INDIKÁTOROK Elsődleges termelés Algaszám Biomassza Chl-a ÖP, ÖN Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység) Fitoplankton összetétele Oldott oxigén
TAVAK OSZTÁLYOZÁSA (OECD; Chl-a - átlag/max) Oligotróf Mezotróf Eutróf Hipertróf ÖP (mg/m3) 10 35 100 >100 Chl-a (mg/m3) 2.5/8 8/25 25/75 >25/>75 Secchi (m) 6 3 1.5 <1.5 Hipol.O2 tel.(%) 80 <10 -
EGYSZERŰ ÖP MODELL: tó ÖP anyagmérlege Qbe , Pbe Qki , ÖP ÖP vs V (térfogat), A (felszín) ÖP [g/m3] – összes P koncentráció a tóban (teljes elkeveredés) Pbe [g/év]– külső P terhelés vs [m/év]– látszólagos (eredő) ülepedési sebesség Feltevések: - csak összes P - teljes elkeveredés (szegmentálás) - évi átlag
Egy év alatt (évi átlag): 0 Normalizált terhelés (évi átlagos összes P koncentráció) pfajl – fajlagos ÖP terhelés (g/m2/év) - éves átlag qfajl – fajlagos hidraulikai terhelés (m3/m2/év = m/év) P – éves átlagos P koncentráció (g/m3)
A Vollenweider-féle statisztikus formula (1980) Tartózkodási idő (év) vízmélység (m) Sekély tavakra:
Tervezés empirikus összefüggések alapján ÖP terhelés Anyagmérleg számítás ÖP koncentráció Chl-a ÖP Max/átlag klorofill koncentráció Chl S Secchi mélység
„TÓ VÁLASZ” BELSŐ TERHELÉS NÉLKÜL BIOMASSZA TERHELÉS P Telítési szakasz Lineáris szakasz
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 (vs) – 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
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS AZ ÜLEDÉK SZEREPE: BELSŐ TERHELÉS (A TÁPANYAGOK (ELSŐSORBAN A FOSZFOR) AZ ÜLEDÉKBŐL VISSZAJUT A TÓBA) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA : KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK
BELSŐ TERHELÉS Pbe = LK + LB (KÜLSŐ + BELSŐ P TERHELÉS) MÓDOSÍTOTT VOLLENWEIDER LK ÖP (vs-ből) VÉGES ÉRTÉK (LB), NEM ZÉRUS (RÖVID TÁV) ÜLEDÉK FELÚJULÁS (HOSSZÚ TÁV)
„TÓ VÁLASZ” BELSŐ TERHELÉSSEL BIOMASSZA Telítési szakasz Lineáris szakasz P TERHELÉS
KIS-BALATON: FELSŐ TÁROZÓ EGYSZERŰ ANYAGMÉRLEG
Zala Balaton Zalaegerszeg Kis-Balaton
Alsó Tározó A 50 km2 Felsô Tározó A = 18 km2 Felsô Tározó A = 18 km2
Ptervezett = f (Pbe, Qbe, vs) ÖP visszatartás a Kis-Balaton Felső Tározóban Ptervezett = f (Pbe, Qbe, vs) /Vollenweider/ ?
Befolyó és kifolyó ÖP terhelés kapcsolata 80 87 70 60 95 86 (t/y) 50 96 88 94 40 ki 92 91 89 TP 30 90 93 20 ~30 t/y 10 20 40 60 80 100 120 140 TP (t/y) be
DP + PBELSŐ = ÖSSZES NETTÓ ÜLEPEDÉS
Tavak, tározók rehabilitációja Eszközök: Külső terhelés (P) csökkentése Szennyvíztisztítás, P eltávolítás Nem pontszerű terhelés Mezőgazdasági (művéliság és -mód váltás, tápanyag gazdálkodás) Városi (belterületi) lefolyás szabályozása (beszivárogtatás, szűrőmezők, torkolati műtárgyak) 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
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
Hirdomechanizációs kotrás és a zagy elhelyezése
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.
Üledék – belső P terhelés Adszorpciós izoterma: egyensúlyi koncentráció meghatározása Adszorbeált P (mgP/g üledék) (~ Üledék „mobilizálható P tartalma) Deszorpció felkeveredés hatására 2 1 3 3 Adszorpció a külső terhelés növekedésekor 1 2 Pe Adszorpciós kapacitás (izoterma alakja) függ: Üledék/talaj adszorpciós tulajdonságai (Fe, Mn, Al oxidok, Ca sók, agyagszemcsék) pH, hőmérséklet, redox potenciál, stb.
Üledék P koncentrációjának változása (Lijklema, 1986) Foszfor ülepedés, S (g P/m2/év) Éves lerakódás (h) Felkeveredő (aktív) réteg (h) Eltemetődő réteg (h) Üledék P koncentrációjának változása (Pü): P „öregedési” állandó Új egyensúly beállásának ideje (S, h = konst, k = 0):
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 PE PÜ
Dinamikus modell alkalmazása: szimuláció a beavatkozások előtti és utáni időszakra ÖP (mg/m3) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 mért számított Tatai Öregtó (leeresztő zsilip) Hídvégi-tó (Balatonhídvég)
A CaCO3 tartalom változása a Hídvégi-tó üledékében: A mintavételi pontok átlagértékei (mért) és az üledék-keveredési modellel számított koncentráció (modell)
A Hídvégi-tó előre jelzett összes P visszatartása (%) különböző terhelési forgatókönyvekre -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 változatlan (1995-1999) PO4-P 50%-kal csökken összes P 50%-kal nő összes P 50%, Q 30% csökken év
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!