Diffúz terhelés modellezése

Az előadások a következő témára: "Diffúz terhelés modellezése"— Előadás másolata:

1 Diffúz terhelés modellezése
Terhelés meghatározása: Emisszió  transzport (terepi, mederbeli)  anyagáram (vízgyűjtő kifolyási pontján) Mérési lehetőség: pontforrások, mederben mért anyagáram Modellek: empirikus és fizikai (folyamat) alapú Nagy léptékű, összevont paraméteres → nem ad információt a térbeli változékonyságról, BMP tervezésre nem alkalmas Dinamikus, osztott paraméteres modellek → hatalmas adatigény A vízgyűjtő tervezés kulcs eleme a diffúz terhelések ismerete.

2 MODELLEK LÉPTÉK SZERINTI CSOPORTOSÍTÁSA
TÉRBELI Összevont paraméterű (teljesen homogén) Osztott paraméterű (cella alapú) Részterületen összevont paraméterű (átmenet) IDŐBELI Hosszútávú átlag (hónap, év) Folytonos időlépésű (nap) Esemény-alapú, dinamikus (óra)

3 Modellek csoportosítása: a paraméterezés szerint
Összevont paraméterű(homogén) Osztott paraméterű(cella alapú) Félig osztott paraméterű

4 Modellek léptéke és paraméterezése

5 Literature review Model Type Spatial scale Temporal scale Parameters H E N P PLM (Nichols and Hall) Process-oriented Soil profile Hour Cell TRANSMIT (Hutson and Wagenet) ARM (Donigian and Crawford) Unit management Agricultural field Day Response unit CREAMS (Knisel) Day (Hour) GLEAMS (Knisel and Davis) PRZM-3 (Carsel and et al.) EPIC (Williams and et al.) ANSWERS-2000 (Bouraoui and Dillaha) Watershed management Small/medium catchment ARES (Koncsos) WATFLOOD (Kouwen) SWAT (Arnold and et al.) SWRRB Sub-catchment AGNPS (Young and et al.) PhosFate (Kovács and Honti) Year HSPF (Donigian and et al.) Large basin Lage basin MONERIS (Behrendt and et al.) H: Hydrology, E: Erosion, N: Nutrients, P: Pesticides

6 small to medium catchment (lumped or distributed
Scaling of NPS models Spatial scale Temporal scale hour day year Soil profile, paved area small to medium catchment large watershed minute agricultural field settlement Processes, research Field management, planing of good agricultural practice Watershed management planning (lumped or distributed Parameter models) Strategic analysis m2 km2 1000 km2 106 km2 Aggregation Model complexity MONERIS PhosFate ARES SWAT, GWLF, WETSPA SWMM STORMNET

7 VÍZGYŰJTŐRŐL SZÁRMAZÓ TERHELÉSEK MEGHATÁROZÁSA A MÉRÉSEKRE TÁMASZKODVA
L3 = (L4 + L31 + E3) a3 L11 L12 L21 L22 L31 E2 E3 E11 E21 L21 = (L22 + L211 + E21) a21 L2 = (L3 + L21 + E2) a2 L111 L211 L11 = (L12 + L111 + E11) a11 L1 = (L2 + L21) a1 – ellenőrzési pontok Li – mért terhelés (anyagáram) Ei – vízgyűjtőről származó terhelés (emisszió) ai – átviteli tényező (transzmisszió) (1-a = visszatartás a mederben)

8 Terhelés számítása: Li – Anyagáram az i-dik ellenőrzési ponton m – mellékfolyók száma az i-dik szakaszon E – az i-dik szakaszt érő vízgyűjtő eredetű terhelés (emisszió) j – emissziós források száma az i-dik szakaszon a – az i-dik szakaszon érvényes átviteli tényező Lp – pontszerű szennyezőforrás (t/év) p – pontszerű forrás transzmissziós tényezője (-) Lnp – diffúz szennyezőforrrás (t/év) L – fajlagos területi terhelés (t/ha,év) A – a fajlagos terheléshez tartozó vízgyűjtőterület (ha) np – diffúz terhelés transzmissziós tényezője (-) ( 1-  = visszatartás a vízgyűjtőn)

9 A számítás korlátai: Ellenőrzési pontokon mért anyagáram mintavételi hibája (mintavételi gyakoriság, analitikai módszer, stb.) Átviteli tényező ismeretlen – vízminőségi modell! Pontszerű terhelések: becslés (lakosegyenérték), mérés Diffúz terhelés: területi jellemzők, irodalmi adatok (fajlagos területi terhelés), modell – időbeli változékonyság, bizonytalan! Visszatartás a vízgyűjtőn (transzmissziós tényező): mérés? becslés? empíria?

10 Statisztikai modellek
MONERIS: Modelling of Nutrient Emissions in River Systems (Institut für Gewasserökologie, Berlin) > 500 (1000) km2 vízgyűjtők 5-10 éves átlagok GIS támogatás Figyelembe vett folyamatok: Pontszerű források, Légköri kiülepedés, Lemosódás, Erózió, Városi lefolyás, Drénrendszerek, Talajvíz. Tápanyag visszatartás a vizekben

11

12 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Vízmérleg Q átlagos lefolyás [m3/év], Qtv lefolyás a talajvízzel (bázislefolyás) [m3/év], Qdr lefolyás a drénrendszerekből [m3/év], Qfl felszíni lefolyás a nem burkolt felületekről [m3/év], Qvl városi lefolyás [m3/év], Qlh légköri hozzáfolyás, amely a közvetlenül a vízfelszínre hulló csapadékmennyiség és az onnan elpárolgó vízmennyiség eredője [m3/év].

13 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés CflN,P átlagos, terület szerint súlyozott tápanyag-koncentráció a felszíni lefolyásban [mg/l], Asz szántóföldi területek [km2], Az zöldterületek [km2], Any Nyílt (fedetlen) területek Cfl,szN,P tápanyag-koncentráció a szántóföldekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,zN,P tápanyag-koncentráció a zöldterületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,nyN,Ptápanyag-koncentráció a nyílt felületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l].

14 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Tápanyag koncentrációk a felszíni lefolyásban: Területhasználat Nitrogén Foszfor [g N/m3] [g P/m3] Szántóföld 0,3+RlkN/Csé 0,8 Zöldterület RlkN/Csé 0,2 Nyílt felület 0,05 RlkN légköri nitrogén-kiülepedési ráta [g N/m2év], Csé évi csapadékmennyiség [m/év] Tápanyag terhelés (t/év):

15 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Mezőgazdasági területekről lefolyó víz P koncentrációja a talaj telítettségének függvénye: Talaj P telítettsége (%) Oldott P (g/m3) 100 50 Művelt területeken a talaj felső rétegének P telítettsége %-os, Hosszú távú szántóföldi mérlegek segítségével meghatározható!

16 Zala vízgyűjtő mezőgazdasági tápanyag mérlege

17 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Erózió okozta tápanyag terhelés Talajlehordás megindulásának feltételei: 1% lejtés, Mezőgazdasági művelés alatt áll, Bármely vízfolyástól való távolsága < 30 m Potenciális lebegőanyag terhelés: Ht potenciális üledékterhelés [t/ha/év], ht talajlehordás a mezőgazdasági területekről [t/ha/év] SAR erózióra érzékeny területek modellezett aránya [%] A Vízgyűjtőterület nagysága [ha]

18 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Erózió okozta tápanyag terhelés Talajlehordás mértéke: eróziós térképek Kiülepedés, megrekedés mélyedésekben: Az erodált talaj csak részben éri el a vizeket! Erózió eredetű lebegőanyag terhelés megállapítása: Kritikus lefolyás értelmezése a vízhozam lebegőanyag kapcsolat alapján

19 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Erózió okozta tápanyag terhelés Tényleges lebegőanyag terhelés: TÜ lebegőanyag terhelés a vizsgált időszak alatt [t/év], Ht talajlehordás a vizsgált időszak alatt [t/év] SDR üledék visszatartási tényező (kritikus LA hozam alapján) [-] Fs,üt1-t2 vizsgált időszakra vonatkozó súlyozó tényező [-], függ a nagycsapadékos időszakok mennyiségétől Eróziós tápanyagterhelés: TerN,P tápanyagterhelés az erózió következményeként [t/év]. MtN,P átlagos tápanyagtartalom a felső talajrétegekben [kg/kg] AdN,P tápanyag feldúsulási foszforra [-],

20 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell
Települési eredetű tápanyag terhelés folyamatai:

21 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
100 – km2-es vízgyűjtőkre alkalmazható empirikus tápanyag visszatartási modell (Behrendt és Opitz, 1999) HbN,P becsült tápanyaghozam [t/év], EN,P összes becsült tápanyagemisszió [t/év], RN,P összes becsült tápanyag-visszatartás [t/év], TpfN,P pontszerű tápanyagterhelések [t/év], TdN,P diffúz tápanyagterhelések [t/év], VN,P tápanyagveszteségek [t/év]. Átalakítás után: RHN,P anyagárammal súlyozott összes tápanyag-visszatartás [t/év]

22 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
Empírikus összefüggés a tápanyag visszatartásra: a, b modellegyütthatók [-], x fajlagos lefolyás, q [l/km2s], ill. hidraulikai felületi terhelés, Thf [m/év]. Valamennyi vízgyűjtő 1000 km2-nél kisebb vízgyűjtők 1000 és km2 között 10000 km2-nél nagyobb vízgy. x q Thf Foszfor a 26,60 13,30 41,40 57,60 21,70 9,30 28,90 26,90 b -1,71 -0,93 -1,93 -1,26 -1,55 -0,81 -1,80 -1,25 Nitrogén 6,90 5,90 3,50 3,30 5,80 4,40 7,90 10,90 -1,10 -0,75 -1,01 -0,65 -0,96 -0,62 -1,03 -0,94

23 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön

24 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön

25 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata

26 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben
Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata

27 Nutrient Balances for Danube Countries

28 Role of "retention": Net immission load/emission load
(1992) OUTFLOW [l/s/km2] OUTFLOW [l/s/km2] A - Austria, B - Bulgaria, C - Czech Republic, G - Germany, H - Hungary, M - Moldavia, R - Romania, SK - Slovakia, SL - Slovenia, U - Ukraine, DB - Danube Basin average

29 Duna vízgyűjtőre készített becslés (MONERIS, Behrendt et al, 2003)

30 Duna vízgyűjtőre készített becslés (MONERIS, Behrendt et al, 2003)

31 Országos terhelés becslés eredménye (Összes N, Összes P)
14% 6% 13% 1% 9% 57% TN: 20 kt/év 4% 8% 2% 60% Felszíni oldott Felszíni partikulált Felszín alatti oldott Települési felszíni oldott Települési partikulált Települési felszín alatti oldott TP: 3 kt/év

32 Országok hozzájárulása a Duna vízgyűjtő
összes N és P terheléséhez

33 Lépték: víztestek  vízgyűjtő
Víz Keretirányelv Lépték: víztestek  vízgyűjtő 93 000 km2 990 víztest részvízgyűjtő Tápanyagterhelés meghatározása víztest vízgyűjtő léptékben

34 CÉL: térképi információk maximális kihasználása
GIS adatok Csapadék CÉL: térképi információk maximális kihasználása Léptéket a legnagyobb felbontásban rendelkezésre álló adat határozza meg Lefolyás Lejtés Talajtípus Földhasználat Talaj P tartalma Humusz- tertelom N többlet Vízháztartás Laksűrűség Catornázottság

35 Felszíni vizek tápanyagterhelésének becslése területi érzékenység alapján
Magyarországi összes, nem-városi N és P emisszió terhelés-komponensenként Magyarországi összes, városi N és P emisszió terhelés-komponensenként Csapadék Teljes lefolyás Domborzat (lejtés) Talaj Területhasználat Felvehető P tartalom Humusz- tartalom N mérleg Geológia Települési jellemzők Talaj oldott nitrogéntartalma Kimosdó foszfor- mennyiség Denitrifikációs kapacitás Talaj szerves Adszorpciós Lemosódó nitrogénmenny. Felszíni lefolyás Eróziós potenciál Beszivárgás Csatornázatlan népsűrűség Burkolt felszíni oldott N partikulált N oldott P partikulált P foszfortartalma Felszíni oldott N oldott P part. N part. P Felszín al. Felszín alatti oldott P Felszíni oldott N partikulált N partikulált P Összes N emisszió Összes P Víztestek vízgyűjtői

36 Nitrogén Foszfor

37

38

39 Javasolt beavatkozási területek
A FÖLDHASZNÁLATOKAT ÉRINTŐ VÍZGYŰJTŐ SZINTŰ INTÉZKEDÉSEK TERVEZÉSE (PhosFate modell fejlesztés, ) 0 – 0.02 0.15-1 Eróziós potenciál Diffúz P terhelés Példa: Vadász-patak vízgyűjtő Forrásterületek, hordalék és diffúz P terhelés T e r ü l t h a s z n á L k ó - é i p S f ö d õ , g y m c R E 3200 ha Optimalizáció transzport modellel (PhosFate, BME) Alapadatok Javasolt beavatkozási területek

40 Egyenletek Felszíni lefolyás Talajveszteség
ahol SRi: az éves felszíni lefolyás az i-edik cellában [mm év-1], Psum,i: a nyári féléves csapadékösszeg az i-edik cellában [mm félév-1], Isum,i: a nyári féléves intercepciós veszteség az i-edik cellában [-], CR,pot,i: a potenciális lefolyási tényező az i-edik cellában [-], CP,sum,i: a nyári féléves csökkentő tényező az i-edik cellában [-], Pwin,i: a téli féléves csapadékösszeg az i-edik cellában [mm félév-1], Iwin,i: a téli féléves intercepciós veszteség az i-edik cellában [-], CP,win,i: a téli féléves csökkentő tényező az i-edik cellában [-]. Talajveszteség ahol SEDi: az éves talajveszteség az i-edik cellában [t ha-1 év-1], Ri: a csapadék-eróziós index az i-edik cellában [t ha-1 év-1], Ki: a talaj erodibilitási tényezője az i-edik cellában [-], LSi: a lejtőszög-lejtőhossz tényező az i-edik cellában [-], CMi: a növényfedettségi tényező az i-edik cellában [-], SPi: az erózió elleni védekezés tényezője az i-edik cellában [-].

41 Egyenletek Foszforfelesleg a felső talajrétegben
ahol SURi,j: a foszfortöbblet az i-edik cellában és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], ∆Pi,j: az éves mezőgazdasági foszfortöbblet az i-edik cellában és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], CHum,i: a humusztartalom a talajban, az i-edik cellában [%], ROM-C: a szervesanyag-szén arány [0.58], RC-P: a szén-foszfor arány [0.01], ρS: a talaj sűrűsége [2700 kg m-3], ΘS,i: a talaj porozitása az i-edik cellában [m3 m-3], RMin: az évi átlagos mineralizációs arány [0.02], ZS: a felső talajréteg vastagsága [0.3 m], EAtm: az éves átlagos foszforkiülepedés a légkörből [ 0.4 kg P ha-1 év-1], A mezőgazdasági foszfortöbblet ahol FERTk,j: a szervetlen műtrágyával bevitt foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], MANk,j: a szerves trágyával bevitt foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], PRODj: a terméssel elvont foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1].

42 Egyenletek A felső talajréteg anyagmérleg egyenlete
ahol CTP,i,j: a talajban lévő összes foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg L-1], CPP,i,j: a talajban lévő partikulált foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg g-1], CDP,i,j: a talajban lévő oldott foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg L-1], Q0,i: az adszorbeált foszfor maximális értéke az i-edik cellában [μg g-1], bi: az adszorpciós energia tényezője az i-edik cellában [L μg-1]. Az izoterma paraméterei ahol CClay,i: az agyagtartalom a talajban, az i-edik cellában [%], pHi: a talaj pH értéke az i-edik cellában.

43 Egyenletek Oldott foszfor emissziók (felszíni eredetű)
ahol ESR,i: az éves emisszió felszíni lefolyással az i-edik cellában [kg év-1], Acell: a cellaterület [1 ha], RSR,i: a foszfor hígulási ráta a lefolyásban, az i-edik cellában [-], CDP,u: az oldott foszfor koncentráció a városi lefolyásban, az u-adik városi cellában [g m-3]. Partikulált foszfor emissziók (felszíni eredetű) ahol EER,i: az éves emisszió erózióval az i-edik cellában [kg év-1], ERi: a foszfor feldúsulási ráta az erodált talajra az i-edik cellában [-], CPP,u: a partikulált foszfor koncentráció a városi lefolyásban, az u-adik városi cellában [g m-3].

44 PP terepi és mederbeli transzport
Modellstruktúra PP terepi és mederbeli transzport GIS ? kifolyás Emisszió Visszatartás Transzport

45 TRANSZPORT ALMODELL

46 Egyenletek Partikulált foszfor transzport
ahol OUTPP,i: a kilépő partikulált foszfor anyagáram az i-edik cellában [kg év-1], INPP,i: a belépő partikulált foszfor anyagáram az i-edik cellában [kg év-1], RETPP,i: a partikulált foszfor visszatartás az i-edik cellában [kg év-1]. Partikulált foszfor visszatartás ahol kret,i: a visszatartási tényező az i-edik cellában [s-1], xi: a cella élhossza [100 m], vi: az átlagos lefolyási sebesség az i-edik cellában [m/s], t*cell,i a cellán való átlagos áthaladási idő az i-edik cellában [s], ni: a Manning-féle érdességi tényező az i-edik cellában [m-1/3 s], Ri: az átlagos hidraulikai sugár az i-edik cellában [m], Si: a lejtés az i-edik cellában [m/m], Adrain,i: az adott cella feletti teljes vízgyűjtőterület az i-edik cellában [km2], aP, bP: a vízhozam-gyakoriságtól függő paraméterek [0.01, ill. 0.3].

47 BMP tervező felület Célzott beavatkozási csoport: területhasználat szabályozása Emisszió kontroll: területhasználat váltás, művelési mód váltás, erózióvédelem Transzport kontroll: puffer zónák, szűrőmezők és wetlandek Modellfuttatás a változtatásoknak megfelelően Éves, fajlagos költségek hozzárendelése a beavatkozásokhoz Egyszerű optimalizációs feltétel a „hot spotok” számára

48 Dinamikus modellek Amerikai példa: SWAT: Soil and Water Assessment Tool (Agricultural Research Service, Texas) Fizikai alapú szimulációs modell Tápanyagterhelések, peszticid, bakteriális és nehézfém-szennyezések számítása GIS alapú számítás és szoftver Víz-, üledék- és tápanyagmérleg a vízgyűjtőn és a mederben Kis- és nagy vízgyűjtők, folyamatos napi időlépték Bonyolult, természeti törvényekre épülő metodika, több részmodell, számos paraméter Részletes meteorológiai, talajtani, területhasználati, mezőgazdasági, stb. adatbázis Szcenárió-analízis lehetősége Hosszú távú hatáselemzés

49 HIDROLÓGIAI ALAPÚ MODELLEK ELVI SÉMÁJA
ALMODELL SZENNYEZŐANYAG FORRÁS ÉS TRANSZPORT ERÓZIÓS BEFOGADÓ VÍZMINŐSÉGI MODELLJE VÍZMINŐSÉG A KIFOLYÁSI SZELVÉNYNÉL VÍZGYŰJTŐ EMISSZIÓS MODELL

50 Hydrologic Balance Surface Runoff Lateral Flow Return Flow
Root Zone Shallow (unconfined) Aquifer Vadose (unsaturated) Zone Confining Layer Deep (confined) Aquifer Precipitation Evaporation and Transpiration Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution Surface Runoff Lateral Flow Return Flow Revap from shallow aquifer Percolation to shallow aquifer Recharge to deep aquifer Flow out of watershed Hydrologic Balance

51 HIDROLÓGIAI ALMODELL P, S I1 ET Qs R I2 Qi Ql Qb Qd Qc
VÍZMÉRLEG-EGYENLET

52 KIMOZDULÓ TALAJSZEMCSÉK
ERÓZIÓS ALMODELL KIMOZDULÓ TALAJSZEMCSÉK MOZGÓ HORDALÉK MEDERBE BEKERÜLŐ VÍZGYŰJTŐN MARADÓ Felszíni lefolyás Kiülepedés, Tározódás Szállítódás Csapadék Felkeveredés Eróziós potenciál

53 Légköri kiülepedés/fixáció
TRANSZPORT ALMODELL Oldott szervetlen Szerves Erózió Kicsapódás/Oldódás Lemosódás Elillanás Szorpció/Deszorpció Aratás Trágyázás Kimosódás Légköri kiülepedés/fixáció Immob./Miner. Aktív partikulált Inaktív

54 manures, wastes and sludge
NO3- NH4+ Soil Organic Matter NO2- manures, wastes and sludge ammonium fixation clay mineralization immobilization nitrification Symbiotic fixation anaerobic conditions N2 N2O NH3 Atmospheric N fixation (lightning arc discharge) leaching fertilizer Harvest Nitrogen Cycle denitrification ammonia volatilization runoff

55 manures, wastes and sludge manures, wastes, and sludge
Soil Organic Matter H2PO4- HPO4-2 manures, wastes and sludge mineralization immobilization fertilizer Harvest manures, wastes, and sludge Adsorbed and fixed Inorganic Fe, Al, Ca, and clay runoff Phosphorus Cycle

56 Channel Processes

57 Dynamic modeling of Zala catchment
WetSpa (Liu et al., 2004) SWAT (Neitsch et al., 2002) Dynamic modeling of Zala catchment

58 Dynamic modeling Zala catchment

59 A csapadék és hőmérséklet havi változása a CLIME RCAO-H-B2 éghajlati forgatókönyv szerint, 2030-ra
Jelenlegi ( ) és az éghajlatváltozással szimulált havi és évi középvízhozamok a Zalán (Zalaapáti)