Felszín alatti vizek védelme ÁRAMLÁSI VISZONYOK ÉS VÍZMÉRLEGEK Összefoglalás

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

2. transzspiráció Merev vázú közetekben tárolt vizek Porózus kőzetekben tárolt vizek talajnedvesség telítetlen zóna források hasadékvizek karsztvizek talajvíz partiszűrésű víz alaphozam rétegvíz telített zóna Egy kis terminológia … növényzet felszíni vizek FELSZÍN ALATTI VIZEK termálvizek

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

4. Utánpótlódás: csapadékból történő beszivárgás < 1 év Megcsapolás: párolgás vagy vízfolyás EGY TÖBBRÉTEGŰ FELSZÍN ALATTI ÁRAMLÁSI RENDSZER ÖSSZETEVŐI 1000 év 10 év Utánpótlódási és megcsapolási helyek közötti áramlási pályák, ennek megfelelő potenciálviszonyok!!! 100 év

5. VÍZKIVÉTEL HATÁSA A REGIONÁLIS ÁRAMLÁSI RENDSZERRE

6. Efsz P Kfa Kfsz Lfsz Bfsz ETtn Btv v Qfsz-fa v Qfsz,be-Qfsz,ki ETtv Qbe Qfa-fsz Qki A VÍZMÉRLEG ELEMEI v ΔV 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)

7. K Btv Qfsz-fa ETtv Qfa-fsz Qpbe ΔVtv Qpki A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telített zónára ΔVtv/Δt = A·(Btv - ETtv) + Qbe - Qki + Qfsz-fa – Qfa-fsz – K 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: párolgás a talajvízből (L/T) Qbe: oldalirányú beáramlás (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) K: vízkivétel(L3/T)

8. HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE Induljunk ki a vízmérlegből, de úgy, hogy az elem térfogata V, területe 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 = (Qpbe - Qpki)/V + q q: térfogategységre eső forrás-nyelő (1/T) A jobb oldal első tagja a belépő és a kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, vagyis a vektor divergenciája, a nyomásváltozás idő szerinti differenciálhányadosa helyett a parciális differenciál írható: 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

9. Btv - ETtv Btv ETtv 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 Bfsz Bfsz – Btv + ETtv = ETfsz (Btv - Etv )átl = f (Hátl) • Egy talajvízháztartási jelleggörbe • adott talajszelvény típusra, • adott meteorológiai viszonyokra és • adott növényzetre • vonatkozik ETfsz

10. Btv - ETtv Btv Btv - ETtv ETtv Btv Btv - ETtv ETtv Btv Homokos talaj, Sekély gyökérzet ETtv Iszapos talaj Sekély gyökérzet Iszapos talaj Mély gyökérzet A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE TÍPUSAI

11. Qvf Qfa-fsz Qfsz-fa Hfav1 Hb Hfsz Hfav2 VÍZFOLYÁSOK ÉS A TALAJVÍZ KAPCSOLATA 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) 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 Qfsz-fa = B.L.qfsz-fa Qfa-fsz = B.L.qfa-fsz B.L: aktív mederfelület

12. Regionális vízháztartási modell Teljes vízmérleg: Vfsz + Vfav = t[QfszQfav + A(P – ETA) – Kfsz – Kfav)] Mederbeli vízmérleg: Vfsz/t = Qfsz+ ALF – Qfsz-fav + Qfav-fsz– Kfsz Területi vízmérleg: Vfav/t = Qfav + A(P – ETA)– ALF+ Qfsz-fav–Qfav-fsz– Kfav Utánpótlódás: A.Btv + Qfsz-fav + Qfav,be (Btv ???) Környezeti korlát: ETAtv, Qfav-fsz , Qfav,ki (ETAtv ????)

13. Területi vízháztartási mérleg Egyszerűsítések, becslések: Télen: ETAtv.tél = 0 ETAk,tél = .ETPtél, W=f(talajtípus, talajvízmélység, növényzet) !! Talajvízháztartási jelleggörbe Qfav-fsz= γ.(A.LF + Qfav-fsz),  Qfav-fsz= γ.A.LF/(1 –γ ),γ = f(domborzat, vízgyűjtőméret) Btél=(P – .ETP – LF)tél–W Vegyük a téli félévi egyenletet és rendezzük át:  Qfav +Qfsz-fav= Qfav-fsz–A(Ptél –LFtél–.ETPtél– W)+ Kfav = Qfav-fsz–A.Btél+Kfav Ha a felszíni vizekből történő beszivárgást külön becsülni tudjuk, akkor az oldalirányú felszín alatti vízforgalmat kapjuk eredményként. ( Qfav zérus, ha felszín alatti vízgyűjtőről van szó).

14. Vegyük a nyári félévi egyenletet: • A.W=Qfav+ APnyár +Qfsz-fav– Qfav-fsz–ALFnyár– Kfav – A.ETAtv.nyár –AETAk.nyár • - A.W= Qfav + Qfsz-fav– Qfav-fsz + A(Pnyár – LFnyár – ETAtv.nyár –Pnyár + Bnyár + LFnyár–W) – Kfav •  A.ETAtv.nyár= Qfav + Qfsz-fav– Qfav-fsz + A.Bnyár– Kfav Területi vízháztartási mérleg Egyszerűsítések, becslések: Nyáron: ETAk,nyár = Pnyár – Bnyár – LFnyár + W Bnyár = δ.Pnyár

15. Területi vízháztartási mérleg Az utánpótlódás számítható, ha feltételezéseket teszünk Qfav megoszlására: (Qbe – Qki) Btél + Bnyár + Qfsz-fav + Qbe A környezeti szempontból fontos jellemzők ugyancsak számíthatók: ETAtv.nyár= Bnyár(Qfav + Qfsz-fav– Qfav-fsz + – Kfav)/A Qfav-fsz = γ.A.LF/(1 –γ ) Qki = becslés??

16. Országos hidrodinamikai modell (MODFLOW) alaphozam, párolgás talajvízből beszivárgás oldalirányú vízforgalom, talajvízszint Országos vízháztartási és hidrodinamikai modell(1 km x 1 km-es felbontás) Országos vízháztartási modell Összhang (kalibráció)

17. Várható változások a Kárpát medencében A hőmérséklet a globális változáshoz viszonyítva a téli félévben: kb. 65 %-a a nyári félévben: kb. kétszerese Potenciális evapotranszspiráció: a téli félévben kb. 15 %-kal nő oC-konként, a nyári félévben kb. 10 %-kal nő oC-konként Csapadék: téli félév: 40 mm növekedés – 10 mm csökkenés oC-konként nyári félév: 40 – 110 mm csökkenés oC-konként a csapadékos napok száma csökken, de nő a nagy csapadékok előfordulása

18. Várható változások a Kárpát medencében A nagyobb, mint 2K félgömbi hőmérsékletnövekedés tartományában a változások nem lineárisak – a csapadék akár nyáron is növekedhet A mediterrán klíma irányába való eltolódás (nedves, enyhébb telek, száraz meleg nyarak, szélsőségesen nagy csapadékok) akár drámai gyorsasággal is megtörténhet Hasonló időszakok a múltban: 1984 - 2003 (bár ebben az időszakban a telek is általában szárazabbak voltak az átlagosnál )

19. Csapadékból származó közvetlen lefolyás Feltöltődés a lefolyás megindulásáig Kicsit kisebb lefolyási tényező alaphozam Növekvő feltöltődési szakasz kisebb alaphozam Kisebb csapadék Csapadék A lefolyásra gyakorolt hatás

20. Talajvizet tápláló beszivrgás talajvizet tápláló beszivárgás A telítetlen zóna feltöltődése a beszivárgáshoz + téli pot. párolgás Téli félévi csapadék Növekvő feltöltődési szakasz Kicsit nagyobb csapadék A beszivárgásra gyakorolt hatás

21. VÍZ KERETIRÁNYELV • Felszín alatti víztestek: a felszín alatti víztér lehatárolt részei, amelyekre • környezeti célkitűzéseket fogalmazunk meg, • értékeljük az állapotát (monitoring) • szükség esetén intézkedési programot dolgozunk ki • Víztestek kijelölésének hierarchikus megközelítése: • geológiai határok • hidraulikai határok (vízkivétel nélküli állapotban az • áramlás elhanyagolható) • azonos mennyiségi vagy minőségi állapot • (csak az értékelés szempontjainak megfelelő részletességgel)

22. Felszín alatti víztestek kijelölése • A víztestek kijelölésének léptékét és részletességét a vízkészletekkel való gazdálkodás szempontjai határozták meg: • az utánpótlódási és megcsapolási viszonyok • a hőmérsékleti jellemzők • a természetes kémiai összetétel A kémiai állapot értékelésének léptéke ettől, különösen pontszerű szennyezőforrások esetén, nyilvánvalóan eltér, de mindkettőt nem lehet érvényesíteni.

23. Felsz. alatti vízgyűjtő határa Fel- és leáramlási zónák határai Hideg karszt Hasadék- víz termál karszt- (> 30 oC) Felszín alatti víztestek kijelölése Lokális jelentőségű porózus vízadó rétegvíz termálvíz (> 30 oC) porózus kőzetben alaphegység

24. Felszín alatti víztestek kijelölése Medencebeli, uralkodóan porózus kőzetekben lévő vizek Hideg vizek Felszín alatti vízgyűjtők Leáramlási területek alatti víztestek Feláramlási területek alatti víztestek Termál vizek Főbb hidrodinamikai egységek szerinti víztestek Karsztvizek Szerkezeti egységek Hideg vizek Források vízgyűjtői szerinti víztestek Termál vizek Főbb hidrodinamikai egységek szerinti víztestek Hegyvidéki területek vegyes összetételű kőzeteiben lévő vizek (kivéve az előző csoportba sorolt karsztvizeket) Szerkezeti egységek, felszíni vízgyűjtők szerinti víztestek

25. Víz Keretirányelv A felszín alatti vizek mennyiségi állapota Magyarországon az igénybevétel kifejezést használjuk igénybevétel vízkivételek révén közvetlen: kutakkal közvetett: minden olyan beavatkozás, ami vízszintcsökkenéssel jár (pl. kavicsbánya, felszíni vízszint csökkentése)

26. A mennyiségi állapot értékelése • A felszín alatti víztest mennyiségi szempontból jó állapotban van, ha • az igénybevétel, azaz a közvetett és közvetlen vízkivételek nem okoznak folyamatos készletcsökkenést (tendenciaszerűen csökkenő vízszinteket), • a felszín alatti vizekből származó táplálástól (alaphozamtól) jelentős mértékben függő vízfolyásokban a jó ökológiai és kémiai állapot elérését nem akadályozza az igénybevétel hatására csökkenő alaphozam, és annak minősége • az igénybevétel hatására csökkenő talajvízből származó transpiráció nem okozza-e a felszín alatti vizektől függő szárazföldi ökoszisztémák jelentős károsodását • az igénybevétel nem indít el a receptorok szempontjából káros vízminőség változást (nagy sótartalmú vizek átszívása, szennyezett talajvíz leszívása..stb)

27. A mennyiségi állapot értékelése monitoring alapján (1) Van-e túl-igénybevétel, vagyis vannak-e olyan területek, ahol a vízszint tendenciaszerűen csökken? • vízszint idősorok + csapadék idősorok alapján •  olyan területek, ahol nem a csapadékhiány okozza • a süllyedést és a süllyedés kapcsolatba hozható • ismert közvetlen vagy közvetett vízkivétellel (2) Egyensúly (nincs süllyedő tendencia) esetén is kérdés, hogy a vízháztartásban bekövetkező változások nem káros mértékűek-e az ökoszisztémák számára? • élőhelyekre vonatkozó adatok •  a felszín alatti vizek állapotváltozásai miatt sérült • ökoszisztémák (3) Tapasztalható-e vízkivételek környezetében a sótartalom növekedése, vagy a szennyezett talajvíz mélyebb rétegekbe történő leszivárgása? - ivóvízkivételi kutak sótartalmának növekedése? - ivóvízkivételi és megfigyelő kutak romló vízminőségi tendenciái?  olyan területek, ahol a vízminőségi változás oka a vízkivétel

28. A mennyiségi állapot értékelése számítással VKI: Sokévi átlagban a vízkivételek nem haladják meg a hasznosítható készletet Hasznosítható készlet: Az utánpótlódás sokévi átlagos mértéke csökkentve a felszín alatti vizektől függő ökoszisztémák (FAVÖKO) vízigényével Utánpótlódás: A víztestbe csapadékból, felszíni vízből és a vele szomszédos víztestekből belépő vízmennyiség

29. A mennyiségi állapot értékelése számítással Felszín alatti vizektől függő ökoszszisztémák: Definíció (MTA munkacsoport) azok az ökoszisztémák, amelyek fennmaradásában jelentős szerepe van a felszín alatti víz szintjének, illetve az onnan származó táplálásnak Vízi ökoszszisztémák: vízfolyások vagy tavak élővilága, ahol a talajvízből származó táplálás fontos a megfelelő vízviszonyok fenntartásában (általában nyáron és ősszel!) Vizes ökoszszisztémák: vízjárta területek (wetland-ek), és sekély tavak, ahol a talajvíz is hozzájárul a vízborításhoz Szárazföldi ökoszisztémák: magas talajvízállású területek, ahol a talajvíz kapilláris úton jelentős mennyiségű felszín alatti vizet juttat a gyökérzónába

30. A mennyiségi állapot értékelése számítással • A FAVÖKO-k felszín alatti vizekből származó vízigénye: • a felszíni vizek jó ökológiai állapotának eléréséhez szükséges • forráshozam és alaphozam, • illetve a vizes és szárazföldi ökoszisztémák talajvízből • származópárolgása

31. A mennyiségi állapot értékelése számítással • Más megközelítés, szintén a VKI szerint: • A felszín alatti vizek szintjében emberi hatásra bekövetkező változások • nem veszélyeztethetik a kapcsolódófelszíni víztest jó ökológiai • és kémiai állapotát, • nem okozhatnak károsodást a szárazföldi ökoszisztéma állapotában Két különböző léptékű megközelítés: víztest szint élőhely szint

32. A mennyiségi állapot értékelése számítással „Bottom up” megközelítés: Az egyes élőhelyek állapotát közvetlenül befolyásoló állapotjellemzők ellenőrzése (lokális feladat) „Top down” megközelítés: A vízkivétel és a hasznosítható készlet összehasonlítása a víztestek szintjén történik Kulcskérdés: a nagyon eltérő léptékek összehangolása

33. „Bottom-up” megközelítés

34. FAVÖKO-k Nem függ az ökoszisztéma a felszín alatti vizektől, ha a talajvíz olyan mélyen helyezkedik el, hogy nincs kapcsolatban a mederrel vagy a gyökérzónával. Gyakorlatilag kiesnek a hegyvidéki és dombvidéki területek 180 m B.f. felett (csak állandó források, illetve mélyen bevágódott völgyek, a vizenyős terület kialakulhat felszíni összefolyásból is) Máshol, ha a talajvíz mélyebben van, mint: 1,5 m, homokos fedőréteg esetén 2,5 m, löszös, iszapos fedőréteg esetén 3,5 m, agyagos fedőréteg esetén Az ide sorolt FAVÖKO-kat ellenőrizni kell

35. FAVÖKO-k Potenciális FAVÖKO területek, jelenleg mezőgazdasági művelés alatt Ha kivonják a területet a művelés alól, az adottságok miatt olyan ökoszisztéma alakul ki, amelyik már FAVÖKO lesz. A FAVÖKO-k számára szükséges felszín alatti víz (ökológiai vízigény) nem biztosítható mozaikszerűen, A hidraulikai kapcsolatok miatt a szomszédos terület ökoszisztémája is több vizet fog fogyasztani, akár fontosnak tartjuk, akár nem A potenciális FAVÖKO területek kezelése helyi egyeztetést és döntést igényel

36. A hasznosítható készlet, területtípusok Területtípusok

37. A hasznosítható készlet „top-down” becslése Beszivárgás csapadékból felszíni vízből Leáramlási terület Feláramlási terület Ha az evapotranszspiráció a talajvízből, az alaphozam és az áramlás a szomszédos víztestek felé az ökoszisztémák vízigénye szerint megállapított kritérium, akkor a maradék a hasznosítható készlet Evapo transzspiráció alaphozam Evapo- transzspiráció alaphozam Oldalirányű áramlás a szomszédos víztestek felé Termál víztest

38. A hasznosítható készlet ökológiai kritériumai A feláramlási víztestek felé minimálisan szükséges oldalirányú áramlás a területarányos értéknél 20 %-kal több, mert a természetes megcsapolási zónák közelében kialakított vízkivételeknek a legkisebb a hatásterülete. A minimálisan átadandó vízmennyiségben az alaphozam is benne van. A termál víztestek esetében az átadódás a tényleges vízkivétel 50 %-kal megnövelt értéke. Az ellenőrzés a hideg víztestre vonatkozik.

39. Hogyan tovább? Bottom-up megközelítés esetén: • A FAVÖKO-k állapota lokálisan ellenőrizendő • Károsodás: • ha az ökoszisztéma jó állapotához(?) képest • egy vegetációs periódusban az eltérés > 30 %, • vagy több év átlagában > 20 %. • Egyedi esetek lokális értékelése Ha ismernénk az egyes FAVÖKO-k ökológiai vízigényét, azt összegezhetnénk víztest szinten és levonhatnánk az utánpótlódásból. De nem ismerjük, ezért globális becslésekre van szükség.

40. 1. Élőhelyekre vonatkozó részletes vizsgálatok Csak a felszín alatti vízháztartás és a biológiai sajátosságok (érzékenység) együttes elemzése lehet a jó megoldás KONCEPCIONÁLIS MODELL

41. biológiai állapot vízháztartás vízjárás Erről az oldalról is közelíthető…… talaj, hidrogeológia 1. Élőhelyekre vonatkozó részletes vizsgálatok Élőhely típusok: FAV-hatás: - talajtípus - potenciálviszonyok - talajvízmélység - szivárgási jellemzők

42. 2. Élőhelyek azonosítása, megelőzés (a hasznosítható készlet területi megoszlása) Az ökoszisztémáktól függő területi korlátozások (Vízgyűjtőgazdálkodási Terv!): egy adott körzeten belül a lehető legnagyobb + összes, ill. a hatásvizsgálat előírásának korlátja Részletes elemzések