Felszín alatti vizek védelme

Az előadások a következő témára: "Felszín alatti vizek védelme"— Előadás másolata:

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

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

3 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

4 VÍZKIVÉTEL HATÁSA A REGIONÁLIS ÁRAMLÁSI RENDSZERRE

5 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)

6 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)

7 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)

8 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)

9 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

10 A beszivárgási folyamat
A párolgási folyamat

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 (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

18 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

19 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

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

21 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