Tavak vízminőségi problémái EUTROFIZÁLÓDÁS

1. Tavak vízminőségi problémái EUTROFIZÁLÓDÁS

2. LIMNOLÓGIA (tótudomány) • Tavak kialakulása • Természetes • Mesterséges (duzzasztógátak, (ivóvíz)tározók, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.) • Tavak jellemzői • Morfológia • Vízháztartás • Vízmozgás, áramlások • Hőmérséklet és fényviszonyok, • Tápanyag ellátottság • Kémiai jellemzők, sótartalom

3. Tavak hidrológiája és morfológiája Alaktan és jellemző méretek Q víztükörfelület (A) víztérfogat (V) vízmélység (H) L szélesség hosszúság Tartózkodási idő (feltöltődési, vízkicserélődési idő): Hígulás, megújulási sebesség: Partvonal hosszúság (L) Partvonal tagoltság:

4. Tavak vízmérlege Befolyó – elfolyó + csapadék – párolgás  talajvíz Szabályozott tavak: • Vízmérleg szerepe: • Tartózkodási idő • Sótartalom (lefolyástalan tavak) • Tápanyag visszatartás (oldott és partikulált formák, szezonális változások)

5. Vízmozgások • Aperiodikus áramlások: • Szél ill. nyomáskülönbség hatására kialakuló áramlások • Periodikus vízmozgások: • Szél keltette hullámzás (függ: szélsebesség, meghajtási hossz, vízmélység) • Tólengés (seiche): a szél hatására a víztömeg feltorlódik, majd a szél leálltával visszalendül (Balaton: hossz- és keresztirány) • Üledék felkeveredés (áramlásból és a hullámmozgásból • származó csúsztató feszültség idézi elő)  fény  biomassza

6. Szélsebesség és hullámmozgás kapcsolata

7. Lebegőanyag koncentráció (Balaton)

8. I T z z  T (C) HŐMÉRSÉKLET ÉS FÉNY Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 Extinkciós tényező (ke) 1%: fotikus zóna Hőmérséklet vertikális eloszlása 0 5 10 15 20 (C) Hőrétegzettség (mély tavak) Tél Max. termikus gradiens Nyár 4 C Termikus ellenállás

9. Tavak rétegződése: Mély tavak Epilimnion Metalimnion Hipolimnion Jellemzők: hőrétegzettség, időszakos cirkuláció (átfordulás), Függ: szél kinetikai energiája és a sűrűség különbségből adódó termális ellenállás (számítható!) Sekély tavak Fenékig átkevert Nincs hőrétegzettség!

10. Oligotróf Mezotróf Eutróf Mocsár • IDŐBELI VÁLTOZÁSOK (szukcesszió): • Természetes: termőképesség (trofitás) növekedése (tápanyag dúsulás), feltöltődés, sótartalom növekedése (lefolyástalan tavak) • Mesterséges: eutrofizálódás, savasodás, vízháztartás változása (kiszáradás) – antropogén hatások! Időlépték!

11. ALAPFOGALMAK • Eutrofizálódás: tápanyagfeldúsulás • Természetes vs mesterséges • Kronológia • Kiváltó okok (főként P és N terhelések): vízgyűjtő • Szennyvíz (közvetlen, közvetett) - pontszerű • Városi lefolyás • Mezőgazdaság - nem-pontszerű (csapadék) • Ipar • Légköri kihullás • Több nagyságrendnyi növekedés (elmúlt fél évszázad) • Fontos természeti tényező: hőmérséklet, összes sugárzás

12. ALAPFOGALMAK (folyt.) • Okozatok (következmények) • „Algásodás”: esztétika (rekreáció), vízhasználatok • Vízkezelés (pl. szűrők eltömődése) • Íz és szag • Toxikus hatások • Szervesanyag felhalmozódás  O2 • O2 napszakos ingadozás • Makrofiták (bentikus eutrofizáció)

13. TÁPANYAG ELÁTOTTSÁG • Források: • - Természetes (vízgyűjtő – kőzetek, légköri kiülepedés) • - Antropogén (komunális szennyvíz, mezőgazdaság – • műtrágyák, ipari emissziók).

14. FOTOSZINTÉZIS ÉS SZTÖCHIOMETRIA • 106 CO2 + 16 NO3 + HPO4 + 122 H2O + 18 H  C106H263O110N16P1+ 138 O2 • CO2 és szervetlen tápelemek  növényi protoplazma (fény, termelés vs légzés) • C106H263O110N16P1:elemek aránya a sejtben • Liebig: 106 : 16 : 1 (moláris arány) • Redfield: felvétel és leadás aránya a fenti az óceánokban • Édesvizek hasonlóan viselkednek (tó specifikus) • A limitálás elve: • - természeti körülmények • - szabályozás

15. 1 év 1 év Folyamatok R, T Természeti tényezők: Sugárzás, hőmérséklet N,P Chl Felvehető tápanyagok, Biomassza (eredő hatás)

16. N [mg/l] N [mg/l] idő idő a P [mg/l] P [mg/l] b idő idő Chl-a [g/l] Chl-a [g/l] idő idő N/P ARÁNY SZEREPE Max N Max P

17. N/P ARÁNY: EGYSZERŰ BECSLÉS • Alga sejt: 0.5 - 2.0 gP/gChl-a  aP • 7 - 10 gN/gChl-a  aN • Példa: (a) N = 5 mg/l, aN = 10 Chl-a = 500 g/l • (b) P = 1 mg/l, aP = 1  Chl-a = 1000 g/l • Szabályozás: Chl-a = 50 g/l (célállapot) • P = 50 g/l = 0.05 mg/l • Általában, ha N/P < 10  N limitál • N/P > 10  P limitál • N/P  10  ??? • Mi limitál? Szennyvíz (nyers és tisztított)? • Mezőgazdasági diffúz? • Vegyes? • Mi tehető limitálóvá? • Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység) • Fitoplankton összetétele

18. INDIKÁTOROK • Elsődleges termelés • Algaszám • Biomassza • Chl-a • ÖP, ÖN • Fényviszonyok, átlátszóság (pl. Secchi mélység) • Fitoplankton összetétele

19. TAVAK OSZTÁLYOZÁSA (OECD; Chl-a - átlag/max)

20. EGYSZERŰ ÖP MODELL: ÖP anyagmérleg Qbe , Lbe Qki , P P vs V, A P – összes P koncentráció (teljes elkeveredés) Lbe – külső P terhelés vs – látszólagos (eredő) ülepedési sebesség (m/év) Feltevések: - csak összes P - teljes elkeveredés (szegmentálás) - évi átlag

21. Egy év alatt (évi átlag):  0 Normalizált terhelés (évi átlagos összes P koncentráció) l – fajlagos ÖP terhelés (g/m2/év) - éves átlag q – fajlagos hidraulikai terhelés (m3/m2/év = m/év) P – éves átlagos P koncentráció (g/m3)

22. A Vollenweider-féle statisztikus formula (1980) Tartózkodási idő (év) Sekély tavakra:

25. l P P Chl S Chl Tervezés empirikus összefüggések alapján ÖP terhelés Anyagmérleg számítás ÖP koncentráció Max/átlag klorofill koncentráció Secchi mélység

26. EGYSZERŰ ÖP MODELL: előnyök, hátrányok • EGYSZERŰ, GYORS, EGY PARAMÉTER • ADATOK BECSÜLHETŐK • CSAK ÉVI ÁTLAG – „NAGY” TAVAK • KÖZEL LINEÁRIS „VÁLASZ”. BELSŐ TERHELÉS 0. • DINAMIKA?LIMITÁLÁS?FÉNY? • MINDIG A KEZDETI LÉPÉS!

27. BIOMASSZA Telítési szakasz P TERHELÉS Lineáris szakasz „TÓ VÁLASZ” BELSŐ TERHELÉS NÉLKÜL

28. LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ AZ ÜLEDÉK SZEREPE: BELSŐ TERHELÉS (A TÁPANYAGOK (ELSŐSORBAN A FOSZFOR) AZ ÜLEDÉKBŐL VISSZAJUT A TÓBA) KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

29. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

30. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

31. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

32. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS BELSŐ TERHELÉS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

33. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

34. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

35. SZENNYVÍZVÍZTISZTÍTÁS A SZABÁLYOZÁS HATÁSA: KÉSLELTETETT VÁLASZ (A KÜLSŐ TERHELÉS CSÖKKENTÉSE UTÁN A BELSŐ TERHELÉS NÖVEKSZIK) LÉGKÖRI KIÜLEPEDÉS NEM-PONTSZERŰ KÜLSŐ TERHELÉS KIFOLYÁS KIÜLEPEDÉS ÜLEDÉK

36. BELSŐ TERHELÉS • L = LK + LB(KÜLSŐ + BELSŐ P TERHELÉS) • MÓDOSÍTOTT VOLLENWEIDER • HA LK  ÖP (vs-ből)  VÉGES ÉRTÉK (LB), NEM ZÉRUS (RÖVID TÁV) • ÜLEDÉK FELÚJULÁS (HOSSZÚ TÁV)

37. AZ ÖP MODELL ALKALMAZÁS LÉPÉSEI • ALKALMAZÁSI FELTÉTELEK? • ALAPPARAMÉTEREK (vízháztartás stb.) • TERHELÉS BECSLÉSE (lásd később) • FAJLAGOS ÉRTÉKEK • JELEN ÁLLAPOT • CÉLÁLLAPOT (ÖP VAGY CHL-A) • MEGENGEDETT ÖP TERHELÉS • HOGYAN ÉRJÜK EL ÉS MENNYIÉRT?

38. Terhelés és a nem-pontszerű szennyezés folyamatai

39. SZENNYEZŐ FORRÁSOK • Pontszerű szennyezők: • A szennyező hatás koncentráltan éri a befogadót • Mérhető, ellenőrizhető • Legtöbbször időben állandó • „Csővégi” eljárások alkalmazhatók • Nem pontszerű (megoszló, diffúz): • A szennyezés helye nem lokalizálható, vonal mentén, víz felszínén • Kis koncentrációban, nagy területről • Erősen függ a hidrológiai viszonyoktól (csapadék, lefolyás) • Folyamata: forrás – transzport valamely közvetítő közeg útján (légköri kiülepedés, felszíni lefolyás, felszín alatti lefolyás, talajerózió) • Beavatkozás: elsősorban a keletkezés helyén

40. NEM-PONTSZERŰ MODELLEZÉS FEJLŐDÉSE • FEJLŐDÉSI STÁCIÓK • ”Őskorszak” és hidrológiai modellezés kora • Új generációs modellek és ”számítógép” korszak • Ma: kevés új modell, térinformatikai fejlesztések, kiértékelés • MEGKÖZELÍTÉS MÓDJA • Empirikus (regressziós) • Fizikai alapú (teoretikus) • Konceptuális (ötvözet)

41. EGYSZERŰ VÍZGYŰJTŐMODELLEK (SCREENING MODELS) • Egyszerű módszerek a kritikus területek kiszűrésére • Éves átlagos terhelések számítása • Felszíni lefolyás és erózió empirikus összefüggésekkel • Becsült konstans koncentrációértékek • Egyes területhasználati kategóriák szerint • Fajlagos területi terhelések megadása

42. EGYSZERŰ VÍZGYŰJTŐMODELLEK • ELŐNYÖK • Egyszerű alkalmazhatóság • Kismértékű adatigény • Költséghatékony • HÁTRÁNYOK • Bizonytalansági problémák • Szabályozás hatása csak egy konstans visszatartási arányban jelentkezik • Komplex vízgyűjtőknél hosszadalmas • A folyamatokat figyelmen kívül hagyja • Kiterjeszthetőségi problémák ALKALMAZÁS: ÁLTALÁNOS VIZSGÁLATOK, PROBLÉMAFELTÁRÁS

43. HIDROLÓGIAI ALAPÚ MODELLEK (SIMULATION MODELS) • Vízgyűjtő-hidrológia modellezésén alapszik • Üledék- és szennyezőanyag-transzport modellezése is • Térbeli és időbeli felbontás lehetősége • A meghatározó folyamatok részletesebb elemzése • Több részmodellből álló integrált eljárások • Megnövekedett paramétermennyiség és adatigény • Számítógépes háttér

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

45. FAJLAGOS TERHELÉSEK (kg/ha/év): ÖP • MEZŐGAZDASÁG: 0.5 (0.1 – 5) • VÁROSI LEFOLYÁS: 1.0 (0.1 / 10) • ATMOSZFÉRA: 0.5 (0.1 – 1.0) • ERDŐ: 0.4 (0.01 – 1.0) • ÖN: HASONLÓAN • BIZONYTALANSÁGOK

46. Fajlagos területi terhelés jellemző értékei (kg/ha/y) 1. VITUKI, 1996, 2. Jolánkai, 1984, 3. JICA, 1998

47. Haszonállatok fajlagos emissziói (kg/egyed/év)

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

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

50. 2% 1% 8% 13% 9% Felszíni oldott 13% 6% Felszíni partikulált Felszín alatti oldott Települési felszíni oldott 4% TP: 3 kt/év Települési 14% TN: 20 kt/év partikulált Települési felszín 13% alatti oldott 57% 60% Országos terhelés becslés eredménye (Összes N, Összes P)