CSAPADÉK, BESZIVÁRGÁS, FELSZÍNI LEFOLYÁS

Az előadások a következő témára: "CSAPADÉK, BESZIVÁRGÁS, FELSZÍNI LEFOLYÁS"— Előadás másolata:

1 CSAPADÉK, BESZIVÁRGÁS, FELSZÍNI LEFOLYÁS

2 VÍZGYŰJTŐK HIDROLÓGIAI KÖRFORGÁSA
Vízgyűjtő hidrológia Napsugárzás Evapotranspiráció Tározás Csapadék Felszíni lefolyás Talaj zóna Tározás Beszivárgás Tározás Interflow Telítetlen zóna Átszivárgás Párolgás Tározás Sekély víztartó Talajvíz-párolgás Utánpótlódás Tározás Alaphozam Vízzáró rtg. Mély víztartó Tározás Leszivárgás

3 CSAPADÉK A légköri nedvesség kondenzációjával keletkezik (halmazállapot váltás) Légnedvesség forrása: óceánok, tengerek, édesvizek, talajok párolgása A vízpára tározásnak maximuma van (telítési páranyomás) A telítési páranyomás túllépése esetén a felesleges vízpára mennyiség kicsapódik A kondenzáció feltételei: kondenzációs mag jelenléte, a levegő lehűlése, a vízcseppek megnövekedése, elegendő sűrűség kialakulása A levegő lehűlését a természetes hőmérsékletváltozás vagy a légtömegek vertikális mozgása okozza Hőmérsékleti ingadozás: köd, pára, harmat Légtömegek felemelkedése: lehűlés, a telítési páranyomás kisebb lesz, túltelítettség alakul ki, a felesleg kicsapódik (eső, hó) Elmozdulás adiabatikus hőmérséklet-változással jár (0,7-1 °C / 100 m) Elmozdulás oka: meteorológiai jelenségek (front, hegyvidékbe ütközés, ciklon)

4 CSAPADÉK Csapadék magasság Csapadék intenzitás
magasság [mm] Összegzett Csapadék magasság Intenzitás [mm/h] Csapadék intenzitás Intenzitás [mm/h] Idő [h] Idő [h] Időtartam [h] Csapadékmagasság: adott időtartam alatt lehullott összes csapadékmennyiség Csapadékintenzitás: időegység alatt lehullott csapadékmennyiség Maximális intenzitás: rendszerint rövid időtartamú csak Időbeli átlagolás: intenzitás – időtartam görbe (adott intenzitás milyen hosszan tart időben; sok adat esetén elemzés, gyakorisági görbék szerkesztése) Tervezési mértékadó csapadék: diffúz szennyezések esetén közepes csapadékokra terveznek: mm/esemény, 1-5 éves gyakoriság

5 FELSZÍNI LEFOLYÁS A csapadék „maradéka”, amely az összes felszíni veszteség után rendelkezésre áll a lefolyás számára Felszíni veszteségek: növényzet intercepciója, felszíni mélyedések feltöltődése, beszivárgás a talajba Csak a nettó vagy többlet csapadék képes felszíni lefolyást generálni Rendszerint csak a közepes és nagy intenzitású csapadékesemények okoznak lefolyást a felszínen Gyakran ez a lefolyáskomponens a legszennyezettebb, oldott és partikulált formákat egyaránt szállít Intercepció: csapadékintenzitás, növényzettípus-, sűrűség, és növekedési szakasz függő, maximuma van a tározási kapacitásának Tározott mennyiség: a csapadékesemény után elpárolog Mélyedések: terepviszonyok és lejtés függvénye, maximuma van Tározott mennyiség: beszivárog, ill. a csapadékesemény után elpárolog

6 FELSZÍNI LEFOLYÁS C lefolyási tényezők módszere
Q: csapadéktöbblet [mm] P: teljes csapadékmennyiség [mm] Si: intercepciós tározás [mm] Sd: tározás a mélyedésekben [mm] Θ: aktuális nedvességtartalom [-] Θs: porozitás [-] Cpot = fv (talajtípus, területhasználat, lejtés) Cakt 0.8 Cpot=0.8 Cpot=0.5 0.4 Cpot=0.2 Θ/Θs 0.5 1.0

7 HÓOLVADÁS Északi éghajlatokon jelentős hófelhalmozódás alakulhat ki az alacsony hőmérsékletek miatt A késő téli / kora tavaszi felmelegedések során a hó formájában tárolt vízmennyiség felszíni lefolyás formájában a befogadókba kerülhet A felső talajrétegek ekkor még fagyott állapotúak, ezért a beszivárgási ráta kicsi, a lefolyás nagy árhullámokat eredményezhet Egyszerű hóolvadási módszer: S: akkumulált hómennyiség víztartalma [mm] P: csapadékmennyiség (hó) [mm/d] DC: napi olvadási ráta [mm/d/°C] Tatm: léghőmérdséklet [°C] Tthr: hó-eső küszöbhőmérséklet [°C]

8 BESZIVÁRGÁS Mértéke a talaj hidraulikai vezetőképességének, a talaj nedvességtartalmának, a növénytakaró típusának, a hőmérsékletnek függvénye A vezetőképesség a talaj fizikai típusának, kémiai összetételének függvénye Homoktalajok nagy, agyagok kis beszivárgási rátával rendelkeznek A tározási kapacitás szintén talajtípus-függő, négy nevezetes tározási érték használatos különböző nedvességi állapotok mellett 1. Telített állapot (porozitás) 2. Víztartalom 0.3 bar kapilláris feszültség mellett (vízkapacitás) 3. Víztartalom 15 bar kapilláris feszültség mellett (hervadáspont) 4. Maradék víztartalom (nem távolítható el) 1-2: szivárgás számára rendelkezésre álló vízmennyiség 2-3: csak a növényi transzspiráció számára elérhető vízmennyiség 3 alatt: növények által már nem felvehető víztartalom, csak párolgás lehet

9 JELLEMZŐ TALAJPARAMÉTEREK

10 BESZIVÁRGÁS A beszivárgási folyamat kezdetén az intenzitás nagy, a gravitáció és a kapilláris szívás egyaránt kifejti a hatását Később a pórusok telítődésével a kapilláris erők csökkennek, a talaj felső rétege telítődik, a beszivárgási ráta lecsökken a telítési vezetőképességre A felső telített réteg alatt a nedvességtartalom a mélységgel egyre jobban csökken, a belépő víz gyorsan szétosztódik a talajzónában Horton-féle infiltrációs formula: f(t): beszivárgás t időköz alatt [cm/h] fc: telített vezetőképesség [cm/h] f0: kezdeti (maximális) szivárgási ráta [cm/h] k: szivárgási sebesség csökkenési rátája [1/h] A teljes beszivárgó vízmennyiség: F: teljes beszivárgás T időköz alatt [cm]

11 BESZIVÁRGÁS f HOMOK VÁLYOG AGYAG t Többlet vagy nettó csapadék:
Rs: többlet csapadék [mm] Si: intercepciós veszteség [mm] Sd: veszteség a feltöltődések miatt [mm] F: beszivárgás [mm]

12 TALAJPROFIL VÍZHÁZTARTÁSA
A vízgyűjtőrendszer legfontosabb tározótere a telítetlen talajzóna A tárolt nedvességtartalom a beszivárgási rátát, a felszíni lefolyás mértékét, az evapotranszspirációt, a hidraulikai vezetőképességet egyaránt meghatározza (visszahatásokkal együtt) Telített és telítetlen vízmozgások egyaránt történnek benne D: talajprofil vastagsága [mm] Θ: nedvességtartalom a talajprofilban [-] F: beszivárgás [mm] ET: aktuális evapotranszspiráció [mm] PERC: vertikális elszivárgás a talajprofilból [mm] INT: laterális elszivárgás a talajprofilból [mm]

13 EVAPOTRANSZSPIRÁCIÓ Az intercepció, a mélyedésekben tárolt víz párolgása, növényi transzspiráció és a talajprofil vagy vízfelszín párologtatása együttesen, nedvességtartalom csökkenést eredményez (atmoszféra felé) Felszíni lefolyásra közvetlenül nincs nagy hatással A talajprofil nedvességtartalmára jelentős hatást gyakorol, következésképp az aktuális beszivárgási rátát közvetlenül meghatározza Potenciális értéke ideális növényfejlődés és nedvességtartalom feltételezése mellett számítható a meteorológiai jellemzőkből Aktuális értéke a növénytakaró típusától, a növekedési szakasz állapotától, az aktuális nedvességtartalomtól függ A vízkapacitás feletti víztartalom esetén az evapotranszspiráció értéke a maximálishoz közeli A hervadáspont alatti víztartalom esetén transzspiráció már nem lehetséges, a felszínhez közel párolgás előfordulhat

14 POTENCIÁLIS EVAPOTRANSZSPIRÁCIÓ
Penman-féle formula: PET: potenciális evapotranszspiráció [m] Δ: a telítési páranyomás-görbe meredeksége adott hőmérsékleten [kPa/°C] Rn: a nettó sugárzás [MJ/m2] G: a talaj hőkibocsátása [MJ/m2] γ: a pszichrometriai konstans [kPa/°C] T: léghőmérséklet [°C] u2: szélsebesség 2 m-re a talajfelszíntől [m/s] es: a telítési páranyomás a levegőben adott hőmérsékleten [kPa] ea: az aktuális páranyomás a levegőben [kPa] Δ, G, γ, es, ea = fv (meteorológiai adatok)

15 AKTUÁLIS EVAPOTRANSZSPIRÁCIÓ
Intercepció: Ei: intercepció [mm] P: csapadékmennyiség [mm] SIakt: lombkorona tározás [mm] PET: potenciális evapotranszspiráció [mm] Párolgás a mélyedésekből: Ed: párolgás a mélyedésekből [mm] SDakt : tározás a mélyedésekben [mm]

16 AKTUÁLIS EVAPOTRANSZSPIRÁCIÓ
Aktuális evapotranszspiráció (talaj párolgás és transzspiráció): ET/(cv∙PET-Ei-Ed) ET: aktuális evapotranszspiráció [mm] Θakt: aktuális nedvességtartalom [mm] Θf: nedvességtartalom a vízkapacitásnál [mm] Θw: nedvességtartalom a hervadáspontnál [mm] cv: növényfejlettségtől függő paraméter [-] 1 Θw Θf Θs Θ

17 SZIVÁRGÁS A TALAJPROFILBÓL
Akkor indul meg, ha a talajprofil nedvességtartalma a vízkapacitás felett van, a többlet mennyiség ekkor a szivárgás számára rendelkezésre áll A vízmozgást ekkor a gravitációs erők hajtják (nagyobbak a kapilláris erőknél) Oldható szennyezőanyagok legjellemzőbb transzportútvonala, a talajvíz utánpótlódását jelenti A szivárgó vízmennyiség a hidraulikus gradienssel arányos (Darcy törvény) A hidraulikai vezetőképesség a nedvességtartalom függvénye, minél nagyobb a nedvességtartalom, annál nagyobb a vezetőképesség qz: fajlagos vízhozam [m3/m2/s] H: piezometrikus (teljes) nyomásszint [m] C(h): vízkapacitás [1/m], C=∂Θ/∂h h: nyomásmagasság [m] K: effektív hidraulikai vezetőképesség Θ nedvességtartalomnál [m/s], K = fv (Θ) Θ: aktuális nedvességtartalom [-], Θ = fv(h) 1D Richards’ egyenlet:

18 SZIVÁRGÁS A TALAJPROFILBÓL
Utánpótlódás (dH/dz≈0) RG: talajvíz-utánpótlódás [mm] Ks: telített hidraulikai vezetőképesség [mm/h] Θakt: aktuális nedvességtartalom [mm] Θres: maradék nedvességtartalom [mm] Θs: porozitás [mm] B: pórusméret eloszlási index a talajban [-] 1.0 Kakt/Ks HOMOK 0.5 VÁLYOG AGYAG (Θakt-Θres)/(Θs-Θres) 0.5 1.0 RI: laterális lefolyás [mm] D : talajprofil mélysége [m] S: lejtés [-[ W: lejtőszakasz hossza [m] cs: talajtípustól függő paraméter [-] Interflow: (dH/dz≈S)

19 FELSZÍNI LEFOLYÁS TOVÁBBÍTÁSA
A generált nettó csapadék felszínen történő lefolyásának végigkövetése a terepen ill. a mederben Ennek eredménye a vízfolyás hálózat tetszőleges pontján keletkező vízhozam- idősor A lefolyás rendszerint időben dinamikus, térben változó, mélysége kicsi, sebessége lassú (mederben gyorsabb, szintén nem-permanens) Az árhullám a csapadékeseményhez képest késve jelentkezik a terepi összegyülekezési idő és a mederbeli levonulási idő miatt A vízmozgás leírása a St. Venant-féle hidrodinamikai egyenletek közvetlen felhasználásával, vagy az ún. egységárhullámkép módszerével történik A megoldás sok esetben csak numerikus úton történhet, nincs analitikus megoldás (elhanyagolások a St. Venant egyenletben) A megoldás során a vízhozam a mélység és terep- / medergeometriai jellemzők alapján számolható (Manning képlet)

20 HIDRODINAMIKAI EGYENLETEK
Vízhozam-összefüggések: Dinamikus hullámegyenlet n: Manning-féle érdességi tényező [-] A: fajlagos keresztszelvény-terület [m2/m] R: hidraulikai sugár [m] α, m: terepi- / mederparaméterek Diffúziós hullámegyenlet h: vízmélység [m] Q: fajlagos vízhozam [m3/s/m] u: hosszirányú vízsebesség [m/s] g: gravitációs gyorsulás [m/s2] S0: terep- / mederesés [-] Sf: energiavonal esése [-] q: fajlagos oldalirányú hozzáfolyás [m3/s/m/m] Kinematikai hullámegyenlet

21 EGYSÉGÁRHULLÁMKÉP Egységárhullámkép: vízgyűjtő hidrológiai válasza a gyors csapadékeseményre A teljes csapadékot azonos időtartamú egységcsapadékokra bontják, ezekhez rendelik az azonos alakú egységárhullámképet, majd a görbéket összegzik Egységárhullámkép általános egyenlete: Q: vízhozam a lefolyási útvonal végén [m3/s] U: egységárhullámkép-függvény [1/s] V: nettó csapadék / lefolyás mennyisége a lefolyási útvonal kezdetén [m3] τ: késleltetési idő [s] V U Q t τ t

22 EGYSÉGÁRHULLÁMKÉP Egységárhullámkép meghatározása csapadékmagasság-vízhozam mérések alapján történhet Matematikailag levezethető a hidrodinamikai egyenletek közelítő megoldásával Pl. a diffúziós hullámegyenlet alapján: c: kinematikai hullámsebesség [m/s] d: diszperziós tényező [m2/s] n: Manning-féle érdességi tényező [-] R: hidraulikai sugár [m], S: terepesés [-]

23 SEKÉLY VÍZTARTÓK Telített tározótér, amely közvetlen kapcsolatban áll a telítetlen zónával Alsó határa egy rossz vízáteresztő képességű geológiai réteg, felső határa az atmoszferikus nyomásszintű „talajvízszint” Alatta több mélyebb víztartó lehet, amelyek nyomás alatti vízterek A folyadékáramlás telített vízmozgás, sebessége lassú, a víz tartózkodási ideje hosszú, a geológiai környezet függvénye Utánpótlódását a talajból leszivárgó víz és a felszíni vizekből esetenként érkező vízmennyiség biztosítja A rendszer vesztesége a felszíni vizekbe irányuló vízmozgás, a talajvízpárolgás és a kismértékű leáramlás a mélyebb rétegek felé Csapadékmentes időszakok esetén a felszíni vizek egyetlen természetes vízutánpótlását adja (alaphozam) Mély talajvízszintek esetén nem képes a felszíni vizeket táplálni, így azok szárazidőszakban kiszáradhatnak

24 SEKÉLY VÍZTARTÓK

25 TALAJVÍZ-ÁRAMLÁS 3D Richards’ egyenlet a telített zónában:
S(H): fajlagos tározás [1/m], S=∂Θ/∂H H: piezometrikus nyomásszint [m] Kx, Ky, Kz: telített hidraulikai vezetőképesség a különböző irányokban [m/s] Alaphozam-meghatározás részvízgyűjtő-lépték esetén: Qgw: az alaphozam [mm] αgw: alaphozam csökkenési rátája [1/s] RG: talajvíz utánpótlódása [mm] Qgw,0: az alaphozam kezdeti értéke [mm]

26 Q Qs Qi Qss Qrb Qsb t VÍZHOZAM-IDŐSOR
Vízgyűjtőterületek hidrológiai válaszreakciója a meteorológiai eseményekre Az idősorból az egyes lefolyáskomponensek szeparálhatóak Qs Qss Qi Qrb Q t Qsb