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

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 Utánpótlódási és megcsapolási helyek közötti áramlási pályák, ennek megfelelő potenciálviszonyok!!! 10 év 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)

ΔVtn/Δt = A·(Bfsz – Btv + ETtv – ETtn) és (P – Efsz – Lfsz = Bfsz) A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telítetlen zónára Bfsz ETtn Btv ETtv Vtn ΔVtn/Δt = A·(Bfsz – Btv + ETtv – ETtn) és (P – Efsz – Lfsz = Bfsz) A: vízgyűjtőterület (L2) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔVtv: a tárolt készlet megváltozása a telítetlen zónában (L) Bfsz: beszivárgás a felszínen (L/T) Btv: beszivárgás a talajvízbe (L/T) ETtn : evapotranszspiráció a talajból (L/T) ETtv: felszivárgás (evapotranszspiráció) a talajvízből (L/T) P: csapadék (L/T) Efsz: párolgás a felszínről (L/T) Lfsz: felszíni lefolyás (L/T)

A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telített zónára Btv ETtv Qbe Qki Qfa-fsz Qfsz-fa Kfa ΔVtv ΔVtv/Δt = A·(Btv - ETtv) + Qbe - Qki + Qfsz-fa – Qfa-fsz – Kfa 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: felszivárgás a talajvízből (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) Kfa: vízkivétel (L3/T)

HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE Induljunk ki a vízmérlegből, úgy, hogy az elem térfogata V, felszíni metszete 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 = (Qbe - Qki)/V + q q: térfogategységre eső forrás-nyelő (1/T)

A kezelhetőség érdekében a q forrást h-tól kell függővé tenni HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE A jobb oldal első tagja a belépő és a kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható (tekintve, hogy h a helynek és az időnek is függvénye) 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 A kezelhetőség érdekében a q forrást h-tól kell függővé tenni

A beszivárgási folyamat A párolgási folyamat

Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es Bfsz ETfsz -800 mm/év 2 m 4 m 6m Nagy párolgási többlet, A talajvíz időnként a felszínre emelkedik megcsapolás 500 mm/év Csökkenés a kapilláris vízemelésben Tározódás és közvetlen párolgás a talajnedvességből Btv ETtv

Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es Bfsz ETfsz Párolgási többlet megcsapolás -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m

Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es Bfsz ETfsz Egyensúlyi állapot Kapilláris vízemelés -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m

Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es Bfsz ETfsz Beszivárgási többlet utánpótlódás Kapilláris vízemelés Talajvízmélységtől független tározódás -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m Bo

Btv - ETtv A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE Bfsz – Btv + ETtv = ETtn ETterep -800 mm/év 500 mm/év Btv - ETtv Btv 2 m ETtv ETtn 4 m 6m Bo

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

(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 (Btv - Etv )átl = f (Hátl) ETtv Btv - ETtv Btv Egy talajvízháztartási jelleggörbe adott talajszelvény típusra, adott meteorológiai viszonyokra és adott növényzetre vonatkozik

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

A VÍZMOZGÁS EGYENLETÉNEK MEGOLDÁSA Analitikus megoldás csak kivételes esetekben, de tájékozódásra megfelelő Közelítő analitikus megoldások léteznek egyszerű nem-permanens esetekre (Theis, Hantush) - próbaszivattyúzás eredményeinek értékeléséhez A vízmozgás differenciál-egyenlete nem oldható meg analitikusan , ha a víztartó vastagsága a térben változik, a rétegek szivárgási jellemzői heterogénak, az utánpótlódás a piezometrikus nyomás nem lineáris függvénye Halász Béla, Székely Ferenc: közelítő analitikus megoldások a depresszió számítására - a számítógépek fejlődésével jelentőségük csökkent numerikus megoldások

a MODFLOW közelítés HETA,max A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE a MODFLOW közelítés ETAtv,max HETA,max hmax

A MODELLEZÉS ELEMEI KONCEPCIONÁLIS MODELL SZOFTVER VÁLASZTÁS ADATGYŰJTÉS KONCEPCIONÁLIS MODELL SZOFTVER VÁLASZTÁS VERIFIKÁCIÓ előkészítő fázis ELŐZETES SZÁMÍTÁSOK KALIBRÁCIÓ PARAMÉTER- BECSLÉS kidolgozási fázis VALIDÁCIÓ SZIMULÁCIÓ értékelési fázis ÉRTÉKELÉS