EUTROFIZÁCIÓ

Limnológia Tavak kialakulása Természetes Mesterséges (duzzasztógátak, ivóvíztározó, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.) Tavak jellemzői Morfológia Vízháztartás Vízmozgás, áramlások Hőmérséklet és fényviszonyok, Tápanyag ellátottság

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

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

Vízmozgások Aperiodikus áramlások: Szél ill. nyomáskülönbség hatására kialakuló áramlások Periodikus vízmozgások: Szél keltette hullámzás (függ: szélsebesség, meghajtási hossz, vízmélység) Tólengés (seiche): hosszúkás alakú tavakban a hossztengellyel párhuzamos szél hatására a víztömeg feltorlódik, majd a szél leálltával visszalendül (pl. Balaton 0.5 m amplitudó, 10-12 óra lengésidő) Felkeveredés! (áramlásból és a hullámmozgásból származó csúsztató feszültségek)

Hőmérséklet és fény Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény z I I0 1%: fotikus zóna T Hőmérséklet vertikális eloszlása 0 5 10 15 20 (C) Nyár Tél Hőrétegzettség (mély tavak) T (C)  4 C Max. termikus gradiens Termikus ellenállás

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!

Fotoszintézis és sztöchiometria CO2 + szervetlen tápelemek + víz növényi sejtanyag + O2 C : N : P = 106 : 16 : 1 moláris arány a sejtekben Liebig-féle limitációs elv: mindig az ideális arányhoz képest a legkisebb mennyiségben rendelkezésre álló elem korlátozza a növekedést Szén rendszerint nagy mennyiségben áll rendelkezésre, főként az N és a P limitál Szabályozásnál általában a P mennyiségét fogják vissza

Tápanyag ellátottság Források: Természetes (vízgyűjtő – kőzetek, légköri kiülepedés) Antropogén (komunális szennyvíz, mezőgazdaság – műtrágyák, ipari emissziók)

Szennyező források csoportosítása Pontszerű szennyezők: A szennyező hatás koncentráltan éri a befogadót (pl. csatorna vége) Mérhető, ellenőrizhető Legtöbbször időben állandó „Csővégi” eljárások alkalmazhatók Nem pontszerű (megoszló, diffúz): A szennyezés helye nem lokalizálható Vonal vagy mentén, sávszerűen, víz felszínén Kis koncentrációban, nagy területről Erősen függ a hidrológiai viszonyoktól (csapadék, lefolyás) Folyamata: forrás – transzport valamely közvetítő közeg útján (légköri kiülepedés, felszíni lefolyás, felszín alatti lefolyás, talajerózió) Beavatkozás: elsősorban a keletkezés helyén

Időbeli változások (szukcesszió) Természetes: termőképesség (trofitás) növekedése (tápanyag dúsulás), feltöltődés, sótartalom növekedése (lefolyástalan tavak) Mesterséges: eutrofizálódás, savasodás, vízháztartás változása (kiszáradás) – antropogén hatások! Oligotróf Mezotróf Eutróf Mocsár Időlépték!

Mesterséges eutrofizáció 1960-as évektől jelentkezik, nagyságrendnyi változások Tápanyagemissziók (P,N) hatására Urbanizáció  csatornázás, szennyvíztelepek, városi lefolyás Mezőgazdaság  műtrágyák, talajerózió Rövid-,és hosszútávú viselkedés Külső, hidrometeorológiai tényezők: (fény, hőmérséklet, turbulencia) Szabályozás: Vízgyűjtőn (szvtt-tápanyag eltávolítás, „land use management” Beavatkozások a tóban

Mesterséges eutrofizáció Tünetek Két típus: algás - bentikus eutrofizáció Esztétikai problémák (íz, szag, szín) Toxikus hatások Vízhasználatok korlátozása (rekreáció, tisztítás) O2 háztartás problémái Indikátorok Összes algaszám (biomassza) és összetétel A-klorofill, Elsődleges termelés (g C /m2/nap) Átlátszóság (mély tavak) Oxigén telítettség (hipolimnion, mély tavak) ÖP, ÖN, BHP, ...

Mesterséges eutrofizáció

Mesterséges eutrofizáció

Folyamatok R, T 1 év N,P Chl Természeti tényezők Antropogén hatások és biomassza

P és N formák ÖN Oldott szervetlen: NH4+, NO2-, NO3- Oldott szerves Partikulált szerves (detritusz + alga) ÖP Oldott Szervetlen PO43- Szerves komplex foszfátok Partikulált Szervetlen (polifoszfát, foszfát ásványok, adszorbeált P) Szerves (detritusz + alga) BHP (biológiailag hozzáférhető P) Becslés (PO4-P, alga-P, detritusz P, ~% szervetlen partikulált P, oldott szerves P) Mérés

N/P arány szerepe Max  N Max  P N [mg/l] P idő b Chl-a [g/l] a

N/P arány becslése 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?

Eutrofizációs modellek A megközelítés módja szerint: Statisztikai modellek: Statisztikai módszerrel meghatározott összefüggések az eutrofizáció okai és az ezekből köverkező 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.

Visszatartás a vízgyűjtőn Anyagmérleg Emisszió (források) Tavat érő terhelés Visszatartás a vízgyűjtőn Tóvíz minőség ? Visszatartás a tóban ÖP anyagmérleg: Qbe , Lbe V, A Qki , ÖP ÖP vs P – összes P koncentráció (teljes elkeveredés) vs – látszólagos ülepedési sebesség (m/év) Feltevések: - csak ÖP - teljes elkeveredés (szegmentálás)

Egy év alatt  0 Normalizált terhelés l – fajlagos ÖP terhelés (g/m2/év) q – fajlagos hidraulikai terhelés (m3/m2/év) P – éves átlagos P koncentráció (g/m3)

Vollenweider-modell (1980) Éves átlag TP Hidraulikus terhelés [m/y] =Q/A Fajlagos terhelés: L/A Töltési idő (V/Q)

Vollenweider-modell A Vollenweider formulából következő ülepedési sebesség: Sekély tavakra korrigált Vollenweider formula:

Vollenweider-modell

Tavak osztályozása (OECD) 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 -

Tervezés a trofitás – terhelés közti empirikus összefüggések alapján ÖP terhelés Anyagmérleg számítás ÖP koncentráció P L Chl Max/átlag klorofill koncentráció S Secchi mélység

Ptervezett = f (Pin, Qin, vs) ÖP visszatartás a Kis-Balaton Felső Tározóban Ptervezett = f (Pin, Qin, vs) /Vollenweider/ ?

Befolyó és kifolyó ÖP terhelés kapcsolata 80 87 70 60 95 86 (t/y) 50 96 88 94 40 o 92 91 89 TP 30 90 93 20 ~30 t/y 10 20 40 60 80 100 120 140 TP (t/y) in

ORP ORP 1988 Alga P felvétel Külső terhelés “adszorpció” Mineralizáció 1992 Alga P felvétel Külső terhelés ORP “deszorpció” Mineralizáció

Vollenweider-modell Vollenweider modell (statisztikus modellek) előnyei: Egyszerű Tervezés, előrejelzés Hosszú távú átlagok A modell alkalmazási korlátai: Éves átlagok – több éves adatsor (nagy tavakra) Egy paraméter (vs) – aggregált jellemző (P forgalmat befolyásoló összes hatást összegzi, de nem különböztet meg folyamatokat) Empíria sok tavon végzett megfigyelés alapján Szezonális változásokat nem tudja kezelni (dinamika) Fény, vízmélység (fotikus zóna) szerepe nem jelenik meg Belső terhelés hiánya módosított modell

Egyszerű dinamikus P forgalmi modell IP AP DP Szap. Puszt. Min. LIP LAP LDP Ülep. Belső t. AP + DP + IP  ÖP (ÖP  BHP) Vollenweider!

Alga egyenlet G=D AP G – szaporodási ráta (1/nap) D – pusztulási ráta (1/nap) t AP G>D G=D G<D ~0.3 1/nap AP = AP0 e30 = 1013 AP0 !!! t=100 nap alatt: 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

Hőmérséklet limitálás fT 20C 1  = 1.06 Általános formula: Optimális – kritikus hőmérséklet alapján: Topt Tkr

Tápanyag limitálás fP Monod-modell (Michaelis-Menten): 0.5 IP KaP IP – algák által felvehető P (PO4-P) KaP – féltelítési állandó (mg/m3) fP IP KaP 0.5 KaP ~ 5 mg/m3, KaN ~ 20-30 mg/m3 fN,P,= min(fP, fN, ……) Cell-quota modell: tápanyag „raktározás” PQ – a sejt tápanyag tartalma Pq – minimális tápanyag tartalom, amely alatt a sejt már nem képes növekedni (PQ-Pq: raktározott tartalék) Kau – tápanyag felvétel féltelítési állandója PQ P felvétel Növekedés Növekedés: P felvétel:

Fény limitálás Steele szabály: növekedés fényfüggése I (kJ/m2/nap) fI 1 Is I= f(vízmélység, idő) !!! t (h) I(t) 24 t1 t2 Közelítések (átlagolás): téglalap háromszög Sin görbe Fénykioltás, fénygátlás Napszakos változás:

Fény limitálás Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 1% I0 : fotikus zóna ke – extinkciós tényező (1/m) Meghatározása: Mérés (fotocella), Secchi mélység ~ 10% I0 Számítás: ke = keh + a1LA + a2 Chl-a keh – természetes háttér (tiszta vízben 0.5-1 1/m) a1, a2 – tapasztalati állandók Önárnyékolás

Fény limitálás Napi és mélység menti átlagolás után: („téglalap” közelítés) Ia – napi globális sugárzás összege (nyáron 2200-2500, télen 300-400 kJ/m2/nap)

Detritusz egyenlet Alga pusztulás: D0 (T-20) AP + k Z AP Pusztulási ráta (0.1-1 1/nap) Hőmérsékleti korrekciós tényező (1.05-1.08) + k Z AP Zooplankton „legelés” Mineralizáció: M0 (T-20) AP Mineralizációs ráta Hőmérsékleti korrekciós tényező

Oldott reaktív P egyenlet Belső terhelés: Mechanizmusok Diffúzió (pórusvíz - víz) Adszorpció-deszorpció (felkeveredett üledék - víz) IP > IPe -adszorpció IP < IPe - deszorpció

Egyensúlyi koncentráció meghatározása: adszorpciós izotermával IPe Adszorbeált P (mgP/g üledék) (~ Üledék „mobilizálható P tartalma) Izoterma alakja függ: Üledék/talaj adszorpciós tulajdonságai (Fe, Mn, Al oxidok, Ca sók, agyagszemcsék) pH, hőmérséklet, redox potenciál, stb. Deszorpció felkeveredés hatására 1 2 3 Adszorpció a külső terhelés növekedésekor

Üledék P koncentrációjának változása (Lijklema, 1986) Felkeveredő (aktív) réteg (h) Éves lerakódás (h) Foszfor ülepedés, S (g P/m2/év) Üledék P koncentrációjának változása (Pü): Új egyensúly beállásának ideje (S, h = konst, k = 0):

Fényviszonyok változása Üledék felkeveredésének hatása áramlás hullámmozgás Üledék felkeveredése Fényviszonyok változása Belső terhelés Alga biomassza ke Ls

Modell bővítése N APny AP Z IP IPP DP B Üledékmodell IPü PPü Szervetlen PP, ülep.-felkev. Téli-nyári alga Nitrogén, N kötők Zooplankton, tápláléklánc Baktérium Pelt

Beavatkozási lehetőségek Emisszió forrás Transzport folyamatok a vízgyűjtőn Transzport (visszatartás) a folyómederben Tavi tápanyag forgalom Tápanyag gazdálkodás „Best management practice”, Területhasználat szabályozás (LUM), Kibocsátás csökkentése („end of pipe”) Lefolyási tényező csökkentése, Erózióvédelem, wetland-ek kialakítása (Hullámterek, előtározók) Hordalék- és uszadékfogók, Fenéklépcső, levegőztetés, Ökológiai szemléletű mederrendezés Üledék kotrása, inaktiválása, algicidek, Biomanipulációs eljárások, hínáraratás, Vízpótlás, recirkuláció, Mély tavak levegőztetése, hipolimnion elvezetése