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
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 üledég 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):
Egyszerű P forgalmi modell LAP AP Szap. Puszt. LIP IP LDP DP Min. Belső t. Ülep. AP + DP + IP ÖP (ÖP BHP) Vollenweider!
Alga egyenlet (szaporodás) G=D t AP G – szaporodási ráta (1/nap) D – pusztulási ráta (1/nap) G<D G>D ~0.3 1/nap t=100 nap alatt: AP = AP0 e30 = 1013 AP0 !!! Növekedést korlátozó tényezők: SZAP = Gmax fT fP,N fI AP Gmax - maximális szaporodási ráta (1-3.5 1/nap) f - limitálási tényezők (-) Hőmérséklet Tápanyag Fény
Eutrofizációs modellek A megközelítés módja szerint: Statisztikai modellek: Statisztikai módszerrel meghatározott összefüggések az eutrofizáció okai és az ezekből következő jelenségek között, Nem vizsgálják a jelenségek hátterét, nincs közvetlen kapcsolat a természeti folyamatokkal. Dinamikus modellek A valóságban lejátszódó folyamatok leírására törekszik, A modell változóinak (állapot változók) idő- ill. térbeli változását leíró differenciál egyenletekből állnak.
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
Modell bővítése: N APny AP Z IP IPP DP B Üledékmodell IPü PPü Szervetlen PP, ülep.-felkev. Téli-nyári alga Nitrogén, N kötők Pelt Zooplankton, tápláléklánc Baktérium
Balatonra alkalmazott dinamikus modellek Pad ORP Aő Any Sül B ON At DP Pad ORP APt APny DP ORPü ORP AP DPü BP DP OSP SIMBAL BEM BALSECT APtw ORPü ORP APny PPü PP DP LA ORP A APS DP KBFT JICA Jelölések: ORP – oldott reaktív P, DP – detritusz P, AP – alga P, A – alga biomassza, At – téli alga, Any – nyári alga, Aő – őszi alga, Pad – adszorbeált mobilizálható P, Sül – üledék szervesanyag tartalma, ON – oldott szervetlen nitrogén, B – baktérium biomassza, BP – baktérium P, OSP – oldott szerves P, ORPü – oldott reaktív P az üledékben (pórusvíz P), DPü – detritusz P az üledékben, PPü – formált P az üledékben, LA – lebegőanyag, PP – partikulált szerverlen P JICA
Az eutrofizáció modellezése folyókban: a QUAL2 modell BOI5 O2 Old-P SZP SZN NH4 NO2 NO3 O2 Bevitel Chl-A SOD
Makrofitonos eutrofizició modell Problémák: Növekedés időléptéke eltér az algáétól, Lassabb alkalmazkodóképesség, Térbeli eloszlás nem egyenletes, Az egyes fajták teljesen különböző életmódot folytathatnak, Az egymás közti és az algákkal való versengés sok tényező függvénye. Holland példa (Janse, 1997): csatornákra (árkokra) kifejlesztett modell Alga és 6 féle makrofiton, Versengés a tápanyagokért, a fényért és a helyért, Az algák legfőbb versenytársai a békalencsék, Az árokfenék anyaga meghatározó!
Makrofitonos eutrofizició modell
Hínár modell Egyed alapú modell Szokványos fotoszintézis/légzés egyenletek Pontos vízalatti fényviszonyok Elágazás, levél lehullás/öregedés, sarjadzás Hullámzás törõ hatása Szimulálható: magasság biomassza borítottság
Hínár modell
Mély tavak Két teljesen elkevert víztér (epilimnion, hipolimnion) közötti anyagforgalom: ülepedés, diffúzió Érvényesség: átfordulások közötti időszak Szél elkeverő hatása csak a felső rétegben érvényesül Üledék csak az átforduláskor keveredhet fel Szervetlen Szerves Termel. Lebont. Elt. Ül. Diff. Epilimnion Hipolimnion Üledék
Modellalkotás folyamata Identifikáció Állapotváltozók kiválasztása Melyek a meghatározó folyamatok? (N kötés, zooplankton-baktérium biomassza, üledék „memóriája”, felkeveredés stb.) Mennyi mérés áll rendelkezésre? Ne legyen túl bonyolult a modell! (pl. Lebontás vízben-üledékben hasonló, aggregált folyamatok kevesebb kalibrálandó paraméter) Kalibrálás Érzékenység vizsgálat Paraméterek beállítása (a priori és aggregált paraméterek) Kézi vagy gépi illesztés Igazolás A kalibrálástól független mérési adatsor Illeszkedés vizsgálata
Modellalkotás folyamata Leíró egyenletek: C = [C1, … Ci, … Cn] – koncentráció vektor R(C, P) – reakciókinetikai tag Hidrodinamikai egyenletek (sokszor egyszerűsítünk!) Kezdeti és peremfeltételek Hipotézisek p – paraméter vektor (kalibrálás és igazolás, érzékenységi és bizonytalansági elemzések)