Felszín alatti vizek védelme Összefoglalás II. Simonffy Zoltán

1. Felszín alatti vizek védelme Összefoglalás II. Simonffy Zoltán Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék MTA Vízgazdálkodási Kutatócsoport

2. Transzportfolyamatok

3. felületen megkötött anyag koncentrációjának Megváltozása (adszorpció) = = + + diffúzió és diszperzió + elsőrendű forrás-nyelő + nulladrendű forrás-nyelő + peremeken kialakuló transzport Anyagmérleg oldott anyag koncentrációjának megváltozása advekció (konvekció)

4. A felszín alatti vizekre vonatkozó transzportegyenlet • t: idő [T] • Co: az oldott anyag koncentrációja [M/ L3] • n: porozitás [-] • s: a szilárd váz sűrűsége [M/ L3] • Cs: az adszorbeált anyag koncentrációja [M/ M] • v: a szivárgási sebesség vektora [L/T] • Dm: a molekuláris diffúziós együttható [L2/T] • D: adiszperziós tényező tenzora (mechanikai vagy kinematikai diszperzió) [ L2/T] • ,0:a koncentrációtól független (un. nullad-rendű folyamat) együtthatója [M/L3/T] • 1: a koncentrációtól függő (un. elsőrendű folyamat) forrás/nyelő együtthatója [1/T] • C*:= Co , ha távozó vízről van szó (q<0) [M/L3] • = Cko, a kívülről érkező víz koncentrációja (q>0) [M/L3]

5. Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja • dCo/dt = -1/n.div(v.Co) • t: idő [T] • Co: az oldott anyag koncentrációja [M/ L3] • n: porozitás [-] • v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] • Az elemi térfogatba vízzel együtt belépő és kilépő szennyezőanyag különbsége • v.Co: az egységnyi felületen belépő anyagmennyiség • A vízmozgás tényleges sebessége v/n, mert a víz csak a pórusokban mozog

6. Diffúzió és diszperzió Koncentrációkülönbség kiegyenlítése miatt kialakuló és a sebességvektor változásaiból adódó transzport • dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +div(D.grad(Co)) • t: idő [T] • Co: az oldott anyag koncentrációja [M/ L3] • n: porozitás [-] • v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] • D: hidrodinamikai diszperziós tényező • D = Dm + Dk • Dm: molekuláris diffúziós együttható [L2/T] • Dk: mechanikai vagy kinematikai diszperziós tényező [L2/T] • Dk= a.v/n • a: diszperzivitás [L] • Molekuláris diffúzió: a koncentrációkülönbség hatására kialakuló transzport • (lineáris függvény – az arányossági tényező a diff. együttható) • A kinematikai diszperzió: a sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás • (más fizikai tartalom, de azonos matematikai leírás D=Dm + Dk)

7. Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Mikroszkópikus diszperzió Irányváltások pórusokban, Parabolikus sebességprofil – jelentősen eltérő sebességek Lamináris áramlás (nincs turbulens keveredés) Makroszkópikus diszperzió Geológiai heterogenitás, A diszperziós tényező léptékfüggő !!!!

8. Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén • Az oldott és a felületen megkötött anyag koncentrációja között egyensúly alakul ki • Az adszorpció jelenségét az ún. izotermák írják le. • Lineáris izoterma esetén: Cs=Kd.Co Kd: megoszlási hányados • Amíg ez az egyensúly ki nem alakul, a szennyezőanyag nem terjed tovább. • Ha a szilárd váz adszorpciós kapacitása feltöltődött, az ezután érkező szennyezőanyag tovább terjed. • Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorpció) a szilárd vázról.

9. Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén • [n.dCo + (1-n).rsdCs]/dt =-div(v.Co) + n.div(D.grad(Co)) • ha figyelembe vesszük a lineáris izotermát (Cs = Kd.Co) • és [1+ Kdrs(1-n)/n] - nel végigosztjuk az egyenletet, akkor a következőt kapjuk • dCo/dt = -div(v/[1+Kd.rs(1-n)/n].Co) + n.div(D/[1+Kd.rs(1-n)/n].grad(Co)) • Az adszorpció hatása tehát látszólag egy kisebb szivárgási sebességgel és diszperziós tényezővel helyettesíthető • Ezért hívjuk a kövérrel szedett kifejezés értékét késleltetési tényezőnek. • A görbére tehát ugyanaz érvényes, mint az advekcióra és diszperzióra, csak a sebességet és a diszperziós tényezőt értelemszerűen módosítani kell. • Nem lineáris izotermák Cs = KF.CoN --- Freudlich izoterma • Cs = KL/(1+Co) --- Langmuir izoterma

10. Elsőrendű lebomlás A koncentrációtól függő intenzitású lebomlás • dCo/dt = Co. j1 • lnCo = j1.t + C Co(t=0) = Ck • ln(Co/Ck) = j1.t • Co = Ck.exp(j1 .t), Lebomlás: ha j1.< 0 • t: idő [T] • Co: az oldott anyag koncentrációja [M/ L3] • j1: a lebomlás együtthatója [1/T] • Radioaktív anyagok. Felezési idő : t1/2 • 0,5Ck = Ck.exp(j1 .t1/2)  j1=ln0,5/ t1/2 • Az áttörési kísérlet végkoncentrációja:Co,vég = Ck.exp(j1 .L/vo)

11. Kémiai átalakulás A nulladrendű lebomlási tagokon keresztül • Annyi transzportegyenlet, ahány komponens • A reakcióknak az adott komponensre vonatkozó következményei • a nulladrendű forrás-nyelő tagokon keresztül jelennek meg • A reakciók eredményeit az adott pillanatban érvényes koncentrációk függvényében, • külön egyenletrendszer alapján számítjuk, • termodinamikai egyetlenrendszer és adatbázis

12. kémiai átalakulás + lebomlás + adszorpció Advekció+diszperzió Co v C Transzportfolyamatok

13. A MODELLEZÉS ELEMEI Koncepcionális modell A modell geometriai felépítése (határai, 1, 2 vagy 3 dimenzió, horizontális felosztás, rétegfelosztás) Peremfeltételek (választás a három típusból: adott nyomású, adott hozamú/vízzáró, nyomástól függő hozam) Az idő (permanens vagy nem permanens modell, az utóbbi esetében kezdeti feltétel és időlépcsők) Források és nyelők (beszivárgás, párolgás, vízfolyások, tavak, vízkivételek) Transzportfolyamatok (csak advekció, advekció + diszperzió, a szennyezőanyagtól és a közegtől függő egyéb folyamatok: adszorbció, lebomlás, kémiai átalakulások  több komponens?)

14. A MODELLEZÉS ELEMEI ADATGYŰJTÉS KONCEPCIONÁLIS MODELL SZOFTVER VÁLASZTÁS VERIFIKÁCIÓ előkészítő fázis ELŐZETES SZÁMÍTÁSOK KALIBRÁCIÓ PARAMÉTER- BECSLÉS kidolgozási fázis VALIDÁCIÓ SZIMULÁCIÓ értékelési fázis ÉRTÉKELÉS

15. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Megelőzés, elővigyázatosság • Védelem bekövetkezett szennyezések esetén • Mindkettő esetében beszélhetünk: • Általános védelemről • Védett területek védelméről

16. Mért koncentráció  határérték (TV) ? KÖRNYEZETI HATÁRÉRTÉK MEGHATÁROZÁSA Emberi fogyasztás Monitoring kút Szárazföldi ökoszisztéma Szennyező- forrás Vízi vagy vizes ökoszisztéma Lebomlás /Keveredés Magas háttér- koncentráció ? Receptor szemlélet !!! Receptor: az ember, vízi, vizes és szárazföldi ökoszisztémák Egyes országokban: a felszín alatti víz is (önmagában ??)

17. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Jelenleg (219/2004-es korm. rendelet, 10/2000-es miniszteri rendelet) • határértékek: • szennyezettségi határérték(TV). Ez tulajdonképpen a környezeti határértéka jó állapot értékeléséhez, víztest (vagy vízadó) szinten • egyedi határérték (CV) a receptort ténylegesen veszélyeztető szennyezés mértéke az adott helyen, - ez általában ellenőrzési célt szolgál, lehet pl. környezetterhelési határérték is a szennyezőforrásnál • kármentesítési határérték: a kármentesítés célja, egyedi kockázatelemzés alapján, az adott helyre vonatkozik • (az intézkedési határérték megszűnt!!)

18. TV = BL + ε ha CV < BL TV = a.CV ha CV > BL CV TV CV BL BL KÖRNYEZETI HATÁRÉRTÉK MEGHATÁROZÁSA Emberi fogyasztás Monitoring kút Szárazföldi ökoszisztéma Szennyező- forrás Vízi vagy vizes ökoszisztéma CTV DF DF DF AF Magas háttér- koncentráció CV = DF*(DWS vagy EQS)/(1-AF) CV: adott helyre vonatkozó kritérium DWS: ivóvízszabvány EQS: FAVÖKO-ra vonatkozó ökotoxikológiai határérték AF: lebomlási faktor (< 1) DF: hígítási faktor (>1) (a nem szennyezett víz hatása) TV: környezeti határérték BL: háttérkoncentráció ε: megengedhető többlet a: csökkentő tényező

19. TV = BL + ε ha CV < BL TV = DWS ha CV > BL CV=DWS TV CV BL BL IVÓVÍZKÚTRA VONATKOZÓ HATÁRÉRTÉK Emberi fogyasztás CDWS Szárazföldi ökoszisztéma Szennyező- forrás Vízi vagy vizes ökoszisztéma Magas háttér- koncentráció CV = DWS CV: adott helyre vonatkozó kritérium DWS: ivóvízszabvány TV: környezeti határérték BL: háttérkoncentráció ε: megengedhető többlet Természetes vízminőségi problémák

20. CV BL KÖRNYEZETI HATÁRÉRTÉK A VÍZFOLYÁS KÖZELÉBEN Monitoring kút CCV Emberi fogyasztás Szárazföldi ökoszisztéma Szennyező- forrás Vízi vagy vizes ökoszisztéma DF AF Magas háttér- koncentráció CV = DF*EQS/(1-AF) CV: adott helyre vonatkozó kritérium EQS: FAVÖKO-ra vonatkozó ökotoxikológiai határérték AF: lebomlási faktor (< 1) DF: hígítási faktor (>1) (a nem szennyezett víz hatása)

21. CV BL KÖRNYEZETI HATÁRÉRTÉK A NÖVÉNYZET KÖZELÉBEN CCV Monitoring kút Emberi fogyasztás Szárazföldi ökoszisztéma Szennyező- forrás Vízi vagy vizes ökoszisztéma AF Magas háttér- koncentráció CV = EQS/(1-AF) CV: adott helyre vonatkozó kritérium EQS: FAVÖKO-ra vonatkozó ökotoxikológiai határérték AF: lebomlási faktor (< 1)

22. de ha CV < BL CV = BL + ε CV TV CV BL BL KÖRNYEZETTERHELÉSI HATÁRÉRTÉK A SZENNYEZŐFORRÁSNÁL Monitoring kút Emberi fogyasztás CCV Szárazföldi ökoszisztéma Vízi vagy vizes ökoszisztéma Szennyező- forrás DF DF DF DF AF AF Magas háttér- koncentráció CV = DF*(DWS vagy EQS)/(1-AF) CV: adott helyre vonatkozó kritérium DWS: ivóvízszabvány EQS: FAVÖKO-ra vonatkozó ökotoxikológiai határérték AF: lebomlási faktor (< 1) DF: hígítási faktor (>1) (a nem szennyezett víz hatása) TV: környezeti határérték BL: háttérkoncentráció ε: megengedhető többlet

23. FELSZÍN ALATTI VIZEK JÓ KÉMIAI ÁLLAPOTA • A VKI szerint a felszín alatti víztest jó állapotban van: • ha a szennyezőanyagok koncentrációja a monitoring kutakban • nem haladja meg a környezeti határértéket (TV) • ha valahol meghaladja, de bizonyítható, hogy a keveredés • és a lebomlás a receptornál már az ivóvíz (öntözési vagy rekreációs) • vagy az ökotoxikológiai határérték alá csökkenti a koncentrációt • a víztest térfogatának csak egy része (20 – 50 %) lehet • szennyezett • a víztestek szintjén megállapított átlagkoncentráció nem • növekszik • a jó állapotot veszélyeztető szennyezési csóvák nem terjednek

24. Kémiai állapot A kémiai állapot értékelésea meglévő monitoringadatai alapján, az érvényben lévő jogszabályok határértékeihez viszonyítva - immissziós megközelítés Monitoring kutak mellett, a receptorra vonatkozó közvetlen info Ivóvíz Történt-e már bezárás, korlátozás, vízminőségromlás miatt? Ellenőrzés a termelőkutakban, vagy azok közelében. Olyan mértékű vízminőségromlás semmiképpen nem engedhető meg, amely növelné a kezelési technológiával szembeni igényt. Ökoszisztémák Tapasztalták-e ökoszisztéma sérülését?

25. megkötődés, lebomlás terep talajvíz (víztest) receptorszint Határérték feletti szennyezés nem megengedett Kémiai állapot, receptor-szemlélet Az ember mint receptor: ivóvíz célra történő vízkivételeknél Ahol potenciálisan (a jövőben) ivóvízkivétel lehetséges, azt már most úgy kell védeni, mint az ivóvízbázisokat, tehát a víztest egésze vagy egy része védendő Ún. receptorszint: Karszt és repedezett kőzet: tetőszint Porózus: utánpótlódási területen 5-10 m-rel az átlagos vízszint alatt egyéb helyen a fővízadó teteje

26. Keveredés, hígulás megkötődés, lebomlás Határérték feletti szennyezés nem megengedett Kémiai állapot, receptor-szemlélet Vízfolyások és tavak vízi és vizes ökoszisztémái A medernél Önmagában nehezen értékelhető, figyelembe kell venni a felszíni szennyezést meghatározó közvetlen bevezetéseket és a felszíni eredetű lefolyást is A felszíni vizek értékelésékor külön kell vizsgálni a felszín alatti komponenst

27. határérték feletti szennyezés nem megengedett megkötődés, lebomlás Kémiai állapot, receptor-szemlélet szárazföldi ökoszisztémák Az egyes élőhelyeknél (elvileg) Ha FAVÖKO károsodását tapasztalják, akkor vizsgálni kell a felszín alatti komponenst.

28. Kémiai állapot Kémiai állapot értékelése terhelésekből becsült koncentrációk alapján – emissziós megközelítés terhelések szennyezőforrásokból pontszerű szennyezőforrások hulladéklerakók állattartótelepek visszasajtolás diffúz szennyezőforrások települések mezőgazdasági területek

29. Pontszerű szennyezőforrások FAVI adatbázis: engedélyezett tevékenységek (potenciális) kb. 30 000 objektum, mintegy 4000 veszélyes a felszín alatti vizekre Kárinfo adatbázis: szennyezett területek adatbázisa kb. 15 000 objektum • Gyakori szennyezőforrások: • az állattartótelepeken tárolt trágya, • hulladéklerakókban, depóniákban, raktárakban elhelyezett szennyezőanyagok • a szénhidrogén-termeléshez kapcsolódó visszasajtolás • (közvetlen bevezetések). A szabályozást ugyancsak a 219/2004-es Kormányrendelet tartalmazza

30. Pontszerű szennyezőforrások A számítás lényege: A pontszerű szennyezőforráson keresztül belépő szennyezett vízmennyiség R: beszivárgás • Vp = R.Ap = R.(1-a).Co/Ch.Asz • Vp: határérték felett szennyeződött • utánpótlódás egy év alatt • R: a szennyezőforrás környezetére jellemező beszivárgás • Ap: a határérték felett szennyeződő felszín alatti víz területe • Co: a szennyezőforráson keresztül szivárgó víz koncentrációja • Ch: környezetminőségi határérték (vagy küszöbérték) • Asz: a szennyezőforrás területe • a: a lebomlásból adódó csökkentő tényező Ap Asz Co: A szennyezett beszivárgás induló koncentrációja talajvízszint Keveredés és lebomlás, a receptor-szint felett: határértékig (Ch) szennyezett víztér Telített zóna (víztest) a receptor-szinten belépő határérték felett szennyezett utánpótlódás Receptor-szint

31. Diffúz szennyezőforrások - szántó 4. A felszín alatti vizet elérő Nitrogén-többlet számítása ∆Ntájegység Felszíni lefolyással távozik (Nfsz) Szárazföldi öko-szisztéma Felszín alatti víz Denitrifikáció (Nden) Felszíni víz A receptorokat elérő nitrogén (Nfav), időbeli eltolással Nfsz = Cfsz.q.t, Nfav = ∆Ntájegység - Nfsz - Nden Nden = (a1 + a2 - a1.a2).∆N,

32. Diffúz szennyezőforrások - szántó A kritikus felszíni N-többlet számítása Kritikus, ha a receptorszinten belépő beszivárgás koncentrációja > 10 mgN/l – megfelel 50 mg/l NO3-nak. • Idő??? • A jelenlegi bemosódás számít, mert ez biztosítja a megfelelő időelőnyt a hatékony beavatkozáshoz • Ha csak akkor korlátozzuk a Nitrogén-kibocsátást, ha már eléri a receptorszintet, akkor még az elérési időnek megfelelő ideig határértéket meghaladó lesz a beszivárgás koncentrációja. A terhelés csökkentés kedvező hatása csak az elérési idő múlva jelentkezik a receptor-szinten.

33. Diffúz szennyezőforrások - szántó A kritikus felszíni N-többlet számítása Mivel a koncentráció a terhelés (Nfav [kgN/ha]) és a beszivárgás ( R [mm/év] hányadosa, vagyis: C = 100.Nfav/R, [mg/l], (feláramlási területen R < 0, ezért ezek a területek elhagyhatók, bár a talajvíz felső rétegét érintő szennyezés itt is lehetséges) A 10 mg/-es határkoncentrációból visszaszámítható az ennek megfelelő határ-terhelés: Nfav10 = 0.1 R Ebből pedig a denitrifikáció és a felszíni lefolyással távozó nitrogén hozzáadásával kiszámítható az a nitrogén-többlet amelynél nagyobb érték esetén valószínűsíthető, hogy a receptorszinten a beszivárgás N-koncentrációja meghaladja a 10 mg/l-t: ∆Ntájegység,kritikus = Nfav10 + Nfsz + Nden

34. A ∆N-t meghaladó többlettel rendelkező területek aránya 0,6 0,4 rfav(Nfav) 0,2 0,0 rtájegység empirikus eloszlás függvény 0 12 24 Nfav,10+Nsz+Nden 48 kg/ha/év A felszín közelében keletkezett nitrogéntöbblet értéke (∆N) Diffúz szennyezőforrások - szántó 6. Az előfordulási arány visszakeresése a tájegységnek megfelelő

35. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME A megelőzés ellenére előfordulhatnak szennyezések: korábbi szennyezések, illetve balesetek • Cél a szennyezés tényleges veszélyességének megfelelő beavatkozás • meghatározása • a szennyezés megfigyelése (monitoring) • a szennyezés továbbterjedésének megakadályozása • a szennyezés káros hatásának csökkentése • a szennyezés felszámolása

36. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Jelenleg (219/2004-es korm. rendelet, 10/2000-es miniszteri rendelet) • határértékek • környezeti határérték (TV) a jó állapot értékeléséhez, víztest vagy vízadó szinten – a hazai rendeletben szennyezettségi határérték • egyedi határérték (ha szükséges): a receptort ténylegesen veszélyeztető szennyezés mértéke az adott helyen • kármentesítési határérték: a kármentesítés célja, egyedi kockázatelemzés alapján, az adott helyre vonatkozik • (az intézkedési határérték megszűnt)

37. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Ha a mért koncentráció meghaladja a környezetterhelési határértéket, a beavatkozás fő lépései: • a szennyezett állapot feltárása (jelen) • (tényfeltárási terv alapján) • az emberi vagy környezeti veszélyeztetettség értékelése (jövő) • (a receptor lehet az ember, bízi, vizes vagy szárazföldi ökoszisztéma) • a beavatkozás tervezése • monitoring, un. aktív védelem vagy kármentesítés • utóellenőrzés (monitoring)

38. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Lehetséges beavatkozási formák általános esetben: • pontszerű szennyezések és kis kiterjedés esetén: • a tovább terjedés megakadályozása: szennyezett víz kitermelése (hidraulikai lokalizáció) vagy áramlási holttér létrehozása • a szennyezőforrás felszámolása + semlegesítő anyag bekeverése vagy + a szennyezés eltávolítása (szennyezett talaj is, amelynek elhelyezéséről gondoskodni kell) • nem-pontszerű szennyezések vagy jelentős szétterjedés esetén: • a szennyezési tevékenység megszüntetése • a szennyezés "tördelése" az áramlái viszonyok alapján kiválasztott megfelelő pontokon a szennyezett víztér tördelése vízkitermeléssel.

39. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Védőterületen belüli szennyezés esetén az általánoshoz képest további lehetőségek adódnak: • Áramvonal menti beavatkozás: • a szennyezési csóva frontján ua., mint pontszerű a szennyezőforrásnál • a szennyezési csóva elterelése védőkutakkal, terelőfalakkal, drénekkel • Beavatkozás a vízkivételeknél: • szennyezett és tiszta kutak vizének keverése (nem mindig lehet) • termelőkút mint védőkút (a szennyezett kút leállítása nem megoldás) • külső védőkút elterelés miatt • különféle tisztítási technológiák - csak végső esetben, a VKI szerint kerülendő!

40. a szennyezett víz kitermelése (hidraulikai lokalizáció) Eltemetett hulladék, beszivárgási többlettel rendelkező területen Kutak távolsága ? Hozam?

41. a szennyezett víz kitermelése (hidraulikai lokalizáció) Eltemetett hulladék, beszivárgási többlettel rendelkező területen Kutak távolsága ? Hozam?

42. áramlási holttér létrehozása kúttal munkagödörben hagyott veszélyes anyag, kötött fedőrétegű, feláramlási területen A kút távolsága ? Hozama?

43. áramlási holttér létrehozása terelőfallal munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban A terelőfal helye ?

44. áramlási holttér létrehozása terelőfallal munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban

45. áramlási holttér létrehozása drénekkel munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban A drén méretei ?

46. a szennyezés tördelése Mezőgazdasági eredetű nem-pontszerű nitrátszennezés, beszivárgási terület A kitermelt vízzel öntözött terület Kutak kiosztása? Hozama?

47. Védőkút alkalmazása vízmű közelében Pontszerű szennyeződés, rétegvízre települt vízmű esetén A védőkút helye? Hozama?