Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

Magyarországon az ívóvízellátás 95 %-a felszn alatti vizekből történik kb kútból termelnek ivóvizet 1,8 millió m 3 vizet fogyasztunk naponta Miért kell vele foglalkoznunk? komoly vízminőségi előírások kutak jelentős része érzékeny a felszínről érkező szennyezésekre

Miért kell vele foglalkoznunk? A növényzet vízigényének jelentős részét a gyökérzeten keresztül, a talajból veszi fel Magyarországon a nyári csapadékhiány pótlására a talajvízből is felszivárog a víz a gyökérzónába

Miért kell vele foglalkoznunk? A vízfolyások kisvizeinek jelentős része származik felszín alatti vízből Őszi csapadékmentes időszakban a vízi élővilág éltetője

FELSZÍN ALATTI VIZEK Felszíni vizek növényzet Merev vázú kőzetekben tárolt vizek hasadékvizekkarsztvizek Porózus kőzetekben tárolt vizek rétegvíz talajvízpartiszűrésű víz talajnedvesség Telített zóna Telítetlen zóna források alaphozam transzspiráció termálvizek Egy kis terminológia …

féligáteresztő réteg (lösz, iszap, agyag) lencse vízvezető réteg (kavics, homok) ablak karsztos hegyvidék egy több rétegű felszín alatti áramlási rendszer összetevői

utánpótlódás: csapadékból történő beszivárgásmegcsapolás: párolgás vagy vízfolyás 1000 év 100 év 10 év < 1 év Utánpótlódási és megcsapolási helyek között áramlási pályák, ennek megfelelően potenciálviszonyok!!

VV csapadék felszíni lefolyás intercepció transzspiráció evaporáció Q in Q out beszivárgás vízkivétel vízfolyással kapcs. Hidrológiai körforgás evapotranszspiráció

Hidrológiai körforgás intercepció : csapadék függvényében a növényzet alapján felszíni lefolyás : függ lejtéstől, növényzettől, talajtípustól vízfolyással kapcs. : függ talajtípustól, talajnedevsség tartalomtól, medertől evaporáció : vízkapacitás – hervadáspont hervadáspont vízkapacitás evapotranszspiráció : növényzet, meteorológia, talajvízszint

ΔV sm /Δt = A·(B s – B gw + ET gw – Et s ) és (P – E s – L s = B s ) (E s = E gw + E sm ) A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: vízmérleg időszaka (T) ΔV gw : a tárolt készlet megváltozás az eredeti talajvízszint felett (L) B s : beszivárgás a felszínen (L/T) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET sm : párolgás a talajfelszínen (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) BsBsBsBs ET ET s B gw  V sm ET gw Vízmérleg a telítetlen zónára

ΔV gw /Δt = A·(B gw - ET gw ) + Q in - Q out + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔV gw : a tárolt készlet megváltozása az eredeti talajvízszint alatt (L) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) Q in : oldalirányú beáramlás (L 3 /T) Q out : oldalirányú kiáramlás (L 3 /T) Q sw-gw : a felszíni vizekből származó szivárgás (L 3 /T) Q gw-sw : a felszíni vizeket tápláló felszín alatti víz (L 3 /T) Q abs : vízkivétel (L 3 /T) B gw ET gw Q pin Q pout Q gw-sw Q sw-gw Q abs ΔV gw Vízmérleg a telített zónára

Vízfolyások és talajvíz kapcsolata A vízforgalmat a meder ellenállása és a felszíni és felszín alatti víz nyomásszintje közötti különbség határozza meg (a)Q gw-sw = c * ( h gw – h sw ) (b) Q sw-gw = c * ( h sw – h gw ) (c) Q sw-gw = c * ( h sw – h bed ) c: a meder átszivárgási együtthatója gw: talajvíz, sw: felszíni víz, bed: vízfolyás meder (b) kolmatált réteg terep talajvíz vízfolyás (a) (c)

A vízmozgás differenciálegyenlete Induljunk ki a vízmérlegből, de úgy, hogy az elem térfogata V, területe A V·s ·Δh/Δt = Q in - Q out + A·(B gw - ET gw ) + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs 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 = (Q pin - Q pout )/V + q q: térfogat egységre eső forrás-nyelő (1/T)

Figyelembe véve, hogy a jobb oldal első tagja a belépő és kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, és hogy ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható s ·  h/  t = - div (v) + q Ha a sebességet a Darcy-törvény szerint számítjuk, azaz v = - K · grad(h), és a forrás csak a h függvénye, akkor : s ·  h/  t = K · div [ grad (h)] + q = K ·  2 h + q(h) --- Bussinesq-egyenlet A vízmozgás differenciálegyenlete

Talajvízháztartási jelleggörbe - adott növényzetre - adotttalajszelvényre - adott meteorológiai viszonyokra BterepETterep EVFterep H m ax Ho Bo Egyszerűsített jelleggörbe ( B gw – ET gw ) átl = f(h átl )

Modellezés ADATGYŰJTÉS KONCEPCIONÁLISMODELL SZOFTVERVÁLASZTÁS VERIFIKÁCIÓ KALIBRÁCIÓ VALIDÁCIÓ SZIMULÁCIÓ PARAMÉTER-BECSLÉS ELŐZETES SZÁMÍTÁSOK előkészítő fázis kidolgozási fázis értékelési fázis ÉRTÉKELÉS

Modflow Felszín alatti vízmozgás modellezése 3 D telített zóna véges differenciák módszere (vízmérleg) permanens / nem permanens állapot

Felszín alatti vízmozgás modellezése vízfolyás tápláló/termelő kút beszivárgás párolgás

Felszín alatti vízmozgás modellezése áramlási pályák elérési idő sebesség vektor keresztmetszeti ábrázolás Modflow - PMPATH

Felszín alatti vízmozgás modellezése szennyezőanyag transzport: advekció diszperzió adszorpció lebomlás Modflow – MT3D

Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface bemenő adatok (grid) domborzat - lejtés talajtípus területhasználat csapadék hőmérséklet szélsebesség potenciális evapotranszspiráció talajvízmélység

Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface Modflow