Felszín alatti vizek védelme Simonffy Zoltán Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék MTA Vízgazdálkodási Kutatócsoport Felszín alatti vizek védelme ÁRAMLÁSI VISZONYOK ÉS VÍZMÉRLEGEK Összefoglalás

Merev vázú közetekben tárolt vizek Egy kis terminológia … növényzet transzspiráció 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

EGY TÖBBRÉTEGŰ FELSZÍN ALATTI ÁRAMLÁSI RENDSZER ÖSSZETEVŐI vízvezető réteg (kavics,homok) karsztos hegyvidék féligáteresztő réteg (lösz, iszap, agyag) ablak lencse

Utánpótlódási és megcsapolási helyek közötti áramlási pályák, EGY TÖBBRÉTEGŰ FELSZÍN ALATTI ÁRAMLÁSI RENDSZER ÖSSZETEVŐI < 1 év Utánpótlódás: csapadékból történő beszivárgás Megcsapolás: párolgás vagy vízfolyás 1000 év 10 év Utánpótlódási és megcsapolási helyek közötti áramlási pályák, ennek megfelelő potenciálviszonyok!!! 100 év

VÍZKIVÉTEL HATÁSA A REGIONÁLIS ÁRAMLÁSI RENDSZERRE

v v ΔV A VÍZMÉRLEG ELEMEI Efsz Kfa P Lfsz Kfsz Bfsz ETtn ETtv Btv Qfsz-fa Qfsz,be-Qfsz,ki Qfa-fsz Qbe ΔV Qki Párolgás a felszínről (Efsz), a telítetlen zónából (ETtn) és a talajvízből (ETtv) Külön vízmérlegek a mederre, a felszín alatti rendszerre ezen belül a telítetlen zónára és a a telített zónára A mederbeli lefolyás két összetevője: felszíni lefolyás csapadékból (Ls) és talajvízből (alaphozam) (Qfa-fsz)

A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telített zónára Btv ETtv Qpbe Qpki Qfa-fsz Qfsz-fa K ΔVtv ΔVtv/Δt = A·(Btv - ETtv) + Qbe - Qki + Qfsz-fa – Qfa-fsz – K A: vízgyűjtőterület (L2) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔVtv: a tárolt készlet megváltozása a viszonyítási szint alatt (L) Btv: beszivárgás a talajvízbe (L/T) ETtv: párolgás a talajvízből (L/T) Qbe: oldalirányú beáramlás (L3/T) Qki: oldalirányú kiáramlás (L3/T) Qfsz-fa: a felszíni vizekből származó szivárgás (partiszűrés is!) (L3/T) Qfa-fsz: a felszíni vizeket tápláló felszín alatti víz (L3/T) K: vízkivétel (L3/T)

HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE Induljunk ki a vízmérlegből, de úgy, hogy az elem térfogata V, területe A V·s ·Δh/Δt = Qbe - Qki + A·(Btv - ETtv) + Qfsz-fa – Qfa-fsz – K s: tározási tényező, az egységnyi nyomásváltozásra jutó tárolt készlet változása (1/L) h: piezometrikus potenciál (L) A jobb oldalon a külső forrásokat és nyelőket vonjuk össze és az egész egyenletet osszuk el a térfogattal: s ·Δh/Δt = (Qpbe - Qpki)/V + q q: térfogategységre eső forrás-nyelő (1/T) A jobb oldal első tagja a belépő és a kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, vagyis a vektor divergenciája, a nyomásváltozás idő szerinti differenciálhányadosa helyett a parciális differenciál írható: s ·h/t = - div(v) + q Ha a sebességet a Darcy-törvény szerint számítjuk, azaz v = - K. grad(h), akkor: s ·h/t = K ·div[grad(h)] + q = K ·2h + q --- ez a Bussinesq-egyenlet

(Btv - Etv )átl = f (Hátl) A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE Hosszú idejű átlagos viszonyok esetén a tározás zérus, Btv - ETtv a talajvíz szintjén jelentkező átlagos vízforgalom Az átlagos talajvízszinttől való függést mutatja a jelleggörbe Bfsz Bfsz – Btv + ETtv = ETfsz ETtv Btv - ETtv Btv (Btv - Etv )átl = f (Hátl) Egy talajvízháztartási jelleggörbe adott talajszelvény típusra, adott meteorológiai viszonyokra és adott növényzetre vonatkozik ETfsz

A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE TÍPUSAI ETtv Btv - ETtv Homokos talaj, Sekély gyökérzet Btv Btv - ETtv Btv Iszapos talaj Sekély gyökérzet ETtv ETtv Btv Btv - ETtv Iszapos talaj Mély gyökérzet

VÍZFOLYÁSOK ÉS A TALAJVÍZ KAPCSOLATA Hvf = f(Qvf), Qvf = f(Qfsz-fav) A vízforgalmat a meder vezetőképessége (ellenállása) és a felszíni és a felszín alatti víz nyomásszintje közötti különbség határozza meg Hvf = f(Qvf), Qvf = f(Qfsz-fav) Qvf qfsz-fa = c.(Hfsz-Hfav2), ha Hfav2 > Hb = c.(Hfsz-Hb), ha Hfav2 < Hb qfa-fsz = c.(Hfsz-Hfav1) , (qfa-fsz< 0) c: a meder átszivárgási együtthatója 1/c: a meder ellenállása Hfav1 Hfsz Hfav2 Qfa-fsz Qfsz-fa Hb Qfsz-fa = B.L.qfsz-fa Qfa-fsz = B.L.qfa-fsz B.L: aktív mederfelület

Regionális vízháztartási modell Teljes vízmérleg: Vfsz + Vfav = t[Qfsz Qfav + A(P – ETA) – Kfsz – Kfav)] Mederbeli vízmérleg: Vfsz/t = Qfsz + ALF – Qfsz-fav + Qfav-fsz– Kfsz Területi vízmérleg: Vfav/t = Qfav + A(P – ETA) – ALF + Qfsz-fav – Qfav-fsz– Kfav Utánpótlódás: A.Btv + Qfsz-fav + Qfav,be (Btv ???) Környezeti korlát: ETAtv, Qfav-fsz , Qfav,ki (ETAtv ????)

Területi vízháztartási mérleg Egyszerűsítések, becslések: Télen: ETAtv.tél = 0 ETAk,tél = .ETPtél, W = f(talajtípus, talajvízmélység, növényzet) !! Talajvízháztartási jelleggörbe Qfav-fsz = γ.(A.LF + Qfav-fsz),  Qfav-fsz = γ.A.LF/(1 – γ ), γ = f(domborzat, vízgyűjtőméret)  Btél = (P – .ETP – LF)tél – W Vegyük a téli félévi egyenletet és rendezzük át:  Qfav + Qfsz-fav = Qfav-fsz – A(Ptél – LFtél – .ETPtél – W) + Kfav = Qfav-fsz – A.Btél + Kfav Ha a felszíni vizekből történő beszivárgást külön becsülni tudjuk, akkor az oldalirányú felszín alatti vízforgalmat kapjuk eredményként. ( Qfav zérus, ha felszín alatti vízgyűjtőről van szó).

Területi vízháztartási mérleg Egyszerűsítések, becslések: Nyáron: ETAk,nyár = Pnyár – Bnyár – LFnyár + W Bnyár = δ.Pnyár Vegyük a nyári félévi egyenletet: A.W = Qfav + APnyár + Qfsz-fav – Qfav-fsz – ALFnyár – Kfav – A.ETAtv.nyár – AETAk.nyár - A.W = Qfav + Qfsz-fav – Qfav-fsz + A(Pnyár – LFnyár – ETAtv.nyár – Pnyár + Bnyár + LFnyár – W ) – Kfav  A.ETAtv.nyár = Qfav + Qfsz-fav – Qfav-fsz + A.Bnyár – Kfav

Területi vízháztartási mérleg Az utánpótlódás számítható, ha feltételezéseket teszünk Qfav megoszlására: (Qbe – Qki) Btél + Bnyár + Qfsz-fav + Qbe A környezeti szempontból fontos jellemzők ugyancsak számíthatók: ETAtv.nyár = Bnyár (Qfav + Qfsz-fav – Qfav-fsz + – Kfav)/A Qfav-fsz = γ.A.LF/(1 – γ ) Qki = becslés??

Országos hidrodinamikai modell oldalirányú vízforgalom, Országos vízháztartási és hidrodinamikai modell (1 km x 1 km-es felbontás) Országos vízháztartási modell Országos hidrodinamikai modell (MODFLOW) beszivárgás alaphozam, párolgás talajvízből oldalirányú vízforgalom, talajvízszint Összhang (kalibráció)

Várható változások a Kárpát medencében A hőmérséklet a globális változáshoz viszonyítva a téli félévben: kb. 65 %-a a nyári félévben: kb. kétszerese Potenciális evapotranszspiráció: a téli félévben kb. 15 %-kal nő oC-konként, a nyári félévben kb. 10 %-kal nő oC-konként Csapadék: téli félév: 40 mm növekedés – 10 mm csökkenés oC-konként nyári félév: 40 – 110 mm csökkenés oC-konként a csapadékos napok száma csökken, de nő a nagy csapadékok előfordulása

Várható változások a Kárpát medencében A nagyobb, mint 2K félgömbi hőmérsékletnövekedés tartományában a változások nem lineárisak – a csapadék akár nyáron is növekedhet A mediterrán klíma irányába való eltolódás (nedves, enyhébb telek, száraz meleg nyarak, szélsőségesen nagy csapadékok) akár drámai gyorsasággal is megtörténhet Hasonló időszakok a múltban: 1984 - 2003 (bár ebben az időszakban a telek is általában szárazabbak voltak az átlagosnál )

A lefolyásra gyakorolt hatás Csapadék Csapadékból származó közvetlen lefolyás Kisebb csapadék Feltöltődés a lefolyás megindulásáig Kicsit kisebb lefolyási tényező alaphozam Növekvő feltöltődési szakasz kisebb alaphozam

A beszivárgásra gyakorolt hatás Téli félévi csapadék Talajvizet tápláló beszivrgás talajvizet tápláló beszivárgás A telítetlen zóna feltöltődése a beszivárgáshoz + téli pot. párolgás Kicsit nagyobb csapadék Növekvő feltöltődési szakasz

VÍZ KERETIRÁNYELV Felszín alatti víztestek: a felszín alatti víztér lehatárolt részei, amelyekre környezeti célkitűzéseket fogalmazunk meg, értékeljük az állapotát (monitoring) szükség esetén intézkedési programot dolgozunk ki Víztestek kijelölésének hierarchikus megközelítése: geológiai határok hidraulikai határok (vízkivétel nélküli állapotban az áramlás elhanyagolható) azonos mennyiségi vagy minőségi állapot (csak az értékelés szempontjainak megfelelő részletességgel)

Felszín alatti víztestek kijelölése A víztestek kijelölésének léptékét és részletességét a vízkészletekkel való gazdálkodás szempontjai határozták meg: az utánpótlódási és megcsapolási viszonyok a hőmérsékleti jellemzők a természetes kémiai összetétel A kémiai állapot értékelésének léptéke ettől, különösen pontszerű szennyezőforrások esetén, nyilvánvalóan eltér, de mindkettőt nem lehet érvényesíteni.

Felsz. alatti vízgyűjtő határa Fel- és leáramlási zónák határai Felszín alatti víztestek kijelölése Lokális jelentőségű porózus vízadó Felsz. alatti vízgyűjtő határa Hasadék- víz Hideg karszt Fel- és leáramlási zónák határai rétegvíz termál karszt- (> 30 oC) termálvíz (> 30 oC) porózus kőzetben alaphegység

Felszín alatti víztestek kijelölése Medencebeli, uralkodóan porózus kőzetekben lévő vizek Hideg vizek Felszín alatti vízgyűjtők Leáramlási területek alatti víztestek Feláramlási területek alatti víztestek Termál vizek Főbb hidrodinamikai egységek szerinti víztestek Karsztvizek Szerkezeti egységek Hideg vizek Források vízgyűjtői szerinti víztestek Termál vizek Főbb hidrodinamikai egységek szerinti víztestek Hegyvidéki területek vegyes összetételű kőzeteiben lévő vizek (kivéve az előző csoportba sorolt karsztvizeket) Szerkezeti egységek, felszíni vízgyűjtők szerinti víztestek

A felszín alatti vizek mennyiségi állapota Víz Keretirányelv A felszín alatti vizek mennyiségi állapota Magyarországon az igénybevétel kifejezést használjuk igénybevétel vízkivételek révén közvetlen: kutakkal közvetett: minden olyan beavatkozás, ami vízszintcsökkenéssel jár (pl. kavicsbánya, felszíni vízszint csökkentése)

A mennyiségi állapot értékelése A felszín alatti víztest mennyiségi szempontból jó állapotban van, ha az igénybevétel, azaz a közvetett és közvetlen vízkivételek nem okoznak folyamatos készletcsökkenést (tendenciaszerűen csökkenő vízszinteket), a felszín alatti vizekből származó táplálástól (alaphozamtól) jelentős mértékben függő vízfolyásokban a jó ökológiai és kémiai állapot elérését nem akadályozza az igénybevétel hatására csökkenő alaphozam, és annak minősége az igénybevétel hatására csökkenő talajvízből származó transpiráció nem okozza-e a felszín alatti vizektől függő szárazföldi ökoszisztémák jelentős károsodását az igénybevétel nem indít el a receptorok szempontjából káros vízminőség változást (nagy sótartalmú vizek átszívása, szennyezett talajvíz leszívása..stb)

A mennyiségi állapot értékelése monitoring alapján (1) Van-e túl-igénybevétel, vagyis vannak-e olyan területek, ahol a vízszint tendenciaszerűen csökken? vízszint idősorok + csapadék idősorok alapján  olyan területek, ahol nem a csapadékhiány okozza a süllyedést és a süllyedés kapcsolatba hozható ismert közvetlen vagy közvetett vízkivétellel (2) Egyensúly (nincs süllyedő tendencia) esetén is kérdés, hogy a vízháztartásban bekövetkező változások nem káros mértékűek-e az ökoszisztémák számára? élőhelyekre vonatkozó adatok  a felszín alatti vizek állapotváltozásai miatt sérült ökoszisztémák (3) Tapasztalható-e vízkivételek környezetében a sótartalom növekedése, vagy a szennyezett talajvíz mélyebb rétegekbe történő leszivárgása? - ivóvízkivételi kutak sótartalmának növekedése? - ivóvízkivételi és megfigyelő kutak romló vízminőségi tendenciái?  olyan területek, ahol a vízminőségi változás oka a vízkivétel

A mennyiségi állapot értékelése számítással VKI: Sokévi átlagban a vízkivételek nem haladják meg a hasznosítható készletet Hasznosítható készlet: Az utánpótlódás sokévi átlagos mértéke csökkentve a felszín alatti vizektől függő ökoszisztémák (FAVÖKO) vízigényével Utánpótlódás: A víztestbe csapadékból, felszíni vízből és a vele szomszédos víztestekből belépő vízmennyiség

A mennyiségi állapot értékelése számítással Felszín alatti vizektől függő ökoszszisztémák: Definíció (MTA munkacsoport) azok az ökoszisztémák, amelyek fennmaradásában jelentős szerepe van a felszín alatti víz szintjének, illetve az onnan származó táplálásnak Vízi ökoszszisztémák: vízfolyások vagy tavak élővilága, ahol a talajvízből származó táplálás fontos a megfelelő vízviszonyok fenntartásában (általában nyáron és ősszel!) Vizes ökoszszisztémák: vízjárta területek (wetland-ek), és sekély tavak, ahol a talajvíz is hozzájárul a vízborításhoz Szárazföldi ökoszisztémák: magas talajvízállású területek, ahol a talajvíz kapilláris úton jelentős mennyiségű felszín alatti vizet juttat a gyökérzónába

A mennyiségi állapot értékelése számítással A FAVÖKO-k felszín alatti vizekből származó vízigénye: a felszíni vizek jó ökológiai állapotának eléréséhez szükséges forráshozam és alaphozam, illetve a vizes és szárazföldi ökoszisztémák talajvízből származó párolgása

A mennyiségi állapot értékelése számítással Más megközelítés, szintén a VKI szerint: A felszín alatti vizek szintjében emberi hatásra bekövetkező változások nem veszélyeztethetik a kapcsolódó felszíni víztest jó ökológiai és kémiai állapotát, nem okozhatnak károsodást a szárazföldi ökoszisztéma állapotában Két különböző léptékű megközelítés: víztest szint élőhely szint

A mennyiségi állapot értékelése számítással „Bottom up” megközelítés: Az egyes élőhelyek állapotát közvetlenül befolyásoló állapotjellemzők ellenőrzése (lokális feladat) „Top down” megközelítés: A vízkivétel és a hasznosítható készlet összehasonlítása a víztestek szintjén történik Kulcskérdés: a nagyon eltérő léptékek összehangolása

„Bottom-up” megközelítés

FAVÖKO-k Nem függ az ökoszisztéma a felszín alatti vizektől, ha a talajvíz olyan mélyen helyezkedik el, hogy nincs kapcsolatban a mederrel vagy a gyökérzónával. Gyakorlatilag kiesnek a hegyvidéki és dombvidéki területek 180 m B.f. felett (csak állandó források, illetve mélyen bevágódott völgyek, a vizenyős terület kialakulhat felszíni összefolyásból is) Máshol, ha a talajvíz mélyebben van, mint: 1,5 m, homokos fedőréteg esetén 2,5 m, löszös, iszapos fedőréteg esetén 3,5 m, agyagos fedőréteg esetén Az ide sorolt FAVÖKO-kat ellenőrizni kell

FAVÖKO-k Potenciális FAVÖKO területek, jelenleg mezőgazdasági művelés alatt Ha kivonják a területet a művelés alól, az adottságok miatt olyan ökoszisztéma alakul ki, amelyik már FAVÖKO lesz. A FAVÖKO-k számára szükséges felszín alatti víz (ökológiai vízigény) nem biztosítható mozaikszerűen, A hidraulikai kapcsolatok miatt a szomszédos terület ökoszisztémája is több vizet fog fogyasztani, akár fontosnak tartjuk, akár nem A potenciális FAVÖKO területek kezelése helyi egyeztetést és döntést igényel

A hasznosítható készlet, területtípusok

A hasznosítható készlet „top-down” becslése Leáramlási terület Feláramlási terület Ha az evapotranszspiráció a talajvízből, az alaphozam és az áramlás a szomszédos víztestek felé az ökoszisztémák vízigénye szerint megállapított kritérium, akkor a maradék a hasznosítható készlet Beszivárgás csapadékból felszíni vízből Evapo transzspiráció alaphozam Evapo- transzspiráció alaphozam Oldalirányű áramlás a szomszédos víztestek felé Termál víztest

A hasznosítható készlet ökológiai kritériumai A feláramlási víztestek felé minimálisan szükséges oldalirányú áramlás a területarányos értéknél 20 %-kal több, mert a természetes megcsapolási zónák közelében kialakított vízkivételeknek a legkisebb a hatásterülete. A minimálisan átadandó vízmennyiségben az alaphozam is benne van. A termál víztestek esetében az átadódás a tényleges vízkivétel 50 %-kal megnövelt értéke. Az ellenőrzés a hideg víztestre vonatkozik.

Hogyan tovább? Bottom-up megközelítés esetén: A FAVÖKO-k állapota lokálisan ellenőrizendő Károsodás: ha az ökoszisztéma jó állapotához(?) képest egy vegetációs periódusban az eltérés > 30 %, vagy több év átlagában > 20 %. Egyedi esetek lokális értékelése Ha ismernénk az egyes FAVÖKO-k ökológiai vízigényét, azt összegezhetnénk víztest szinten és levonhatnánk az utánpótlódásból. De nem ismerjük, ezért globális becslésekre van szükség.

KONCEPCIONÁLIS MODELL 1. Élőhelyekre vonatkozó részletes vizsgálatok Csak a felszín alatti vízháztartás és a biológiai sajátosságok (érzékenység) együttes elemzése lehet a jó megoldás KONCEPCIONÁLIS MODELL

1. Élőhelyekre vonatkozó részletes vizsgálatok Élőhely típusok: biológiai állapot vízháztartás vízjárás talaj, hidrogeológia FAV-hatás: - talajtípus - potenciálviszonyok - talajvízmélység - szivárgási jellemzők Erről az oldalról is közelíthető……

2. Élőhelyek azonosítása, megelőzés (a hasznosítható készlet területi megoszlása) Az ökoszisztémáktól függő területi korlátozások (Vízgyűjtőgazdálkodási Terv!): egy adott körzeten belül a lehető legnagyobb + összes, ill. a hatásvizsgálat előírásának korlátja Részletes elemzések