Diffúz terhelés modellezése

1. Diffúz terhelés modellezése • Terhelés meghatározása: • Emisszió transzport (terepi, mederbeli)anyagáram (vízgyűjtő kifolyási pontján) • Mérési lehetőség: pontforrások, mederben mért anyagáram • Modellek: empirikus és fizikai (folyamat) alapú • Nagy léptékű, összevont paraméteres → nem ad információt a térbeli változékonyságról, BMP tervezésre nem alkalmas • Dinamikus, osztott paraméteres modellek → hatalmas adatigény A vízgyűjtő tervezés kulcs eleme a diffúz terhelések ismerete.

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

3. Modellek csoportosítása: a paraméterezés szerint • Összevont paraméterű(homogén) • Osztott paraméterű(cella alapú) • Félig osztott paraméterű

4. Modellek léptéke és paraméterezése

5. Model Type Spatial scale Temporal scale Parameters H E N P PLM · · (Nichols and Hall) Process-oriented Soil profile Hour Cell TRANSMIT · · · (Hutson and Wagenet) Process-oriented Soil profile Hour Cell ARM · · · · (Donigian and Crawford) Unit management Agricultural field Day Response unit CREAMS · · · (Knisel) Unit management Agricultural field Day (Hour) Response unit GLEAMS · · · · (Knisel and Davis) Unit management Agricultural field Day (Hour) Response unit PRZM-3 · · · (Carsel and et al.) Unit management Agricultural field Day Response unit EPIC · · · (Williams and et al.) Unit management Agricultural field Day Response unit ANSWERS-2000 Watershed Small/medium · · · (Bouraoui and Dillaha) management catchment Hour Cell ARES Watershed Small/medium · · · (Koncsos) management catchment Hour Cell WATFLOOD Watershed Small/medium · · · (Kouwen) management catchment Hour Cell SWAT Watershed Small/medium · · · · (Arnold and et al.) management catchment Day Response unit SWRRB Watershed Small/medium · · · · (Arnold and et al.) management catchment Day Sub-catchment AGNPS Watershed Small/medium · · · · (Young and et al.) management catchment Day (Hour) Response unit PhosFate Watershed Small/medium · · · (Kovács and Honti) management catchment Year Cell HSPF Large basin · · · · (Donigian and et al.) management Lage basin Day Sub-catchment MONERIS Large basin · · · (Behrendt and et al.) management Lage basin Year Sub-catchment Literature review H: Hydrology, E: Erosion, N: Nutrients, P: Pesticides

6. Temporal scale Model complexity Strategic analysis Watershed management planning (lumped or distributed Parameter models) year day Field management, planing of good agricultural practice Processes, research hour Aggregation minute agricultural field settlement Soilprofile, paved area small to medium catchment large watershed m2 km2 1000 km2 106 km2 Spatial scale Scaling of NPS models MONERIS PhosFate ARES SWAT, GWLF, WETSPA SWMM STORMNET

7. L4 L31 E3 L22 L3 E21 L12 L211 L21 E11 L111 E2 L11 L2 L1 – ellenőrzési pontok VÍZGYŰJTŐRŐL SZÁRMAZÓ TERHELÉSEK MEGHATÁROZÁSA A MÉRÉSEKRE TÁMASZKODVA L3 = (L4 + L31 + E3) a3 L21 = (L22 + L211 + E21) a21 L2 = (L3 + L21 + E2) a2 L11 = (L12 + L111 + E11) a11 L1 = (L2 + L21) a1 Li – mért terhelés (anyagáram) Ei – vízgyűjtőről származó terhelés (emisszió) ai – átviteli tényező (transzmisszió) (1-a = visszatartás a mederben)

8. Terhelés számítása: Li – Anyagáram az i-dik ellenőrzési ponton m – mellékfolyók száma az i-dik szakaszon E – az i-dik szakaszt érő vízgyűjtő eredetű terhelés (emisszió) j – emissziós források száma az i-dik szakaszon a – az i-dik szakaszon érvényes átviteli tényező Lp – pontszerű szennyezőforrás (t/év) p – pontszerű forrás transzmissziós tényezője (-) Lnp – diffúz szennyezőforrrás (t/év) L – fajlagos területi terhelés (t/ha,év) A – a fajlagos terheléshez tartozó vízgyűjtőterület (ha) np– diffúz terhelés transzmissziós tényezője (-) ( 1-  = visszatartás a vízgyűjtőn)

9. A számítás korlátai: • Ellenőrzési pontokon mért anyagáram mintavételi hibája (mintavételi gyakoriság, analitikai módszer, stb.) • Átviteli tényező ismeretlen – vízminőségi modell! • Pontszerű terhelések: becslés (lakosegyenérték), mérés • Diffúz terhelés: területi jellemzők, irodalmi adatok (fajlagos területi terhelés), modell – időbeli változékonyság, bizonytalan! • Visszatartás a vízgyűjtőn (transzmissziós tényező): mérés? becslés? empíria?

10. Statisztikai modellek • MONERIS: Modelling of Nutrient Emissions in River Systems (Institut für Gewasserökologie, Berlin) • > 500 (1000) km2 vízgyűjtők • 5-10 éves átlagok • GIS támogatás • Figyelembe vett folyamatok: Pontszerű források, Légköri kiülepedés, Lemosódás, Erózió, Városi lefolyás, Drénrendszerek, • Talajvíz. • Tápanyag visszatartás a vizekben

12. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Vízmérleg Q átlagos lefolyás [m3/év], Qtv lefolyás a talajvízzel (bázislefolyás) [m3/év], Qdr lefolyás a drénrendszerekből [m3/év], Qfl felszíni lefolyás a nem burkolt felületekről [m3/év], Qvl városi lefolyás [m3/év], Qlh légköri hozzáfolyás, amely a közvetlenül a vízfelszínre hulló csapadékmennyiség és az onnan elpárolgó vízmennyiség eredője [m3/év].

13. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés CflN,P átlagos, terület szerint súlyozott tápanyag-koncentráció a felszíni lefolyásban [mg/l], Asz szántóföldi területek [km2], Az zöldterületek [km2], Any Nyílt (fedetlen) területek Cfl,szN,P tápanyag-koncentráció a szántóföldekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,zN,P tápanyag-koncentráció a zöldterületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l], Cfl,nyN,Ptápanyag-koncentráció a nyílt felületekről származó felszíni lefolyásban [mg/l].

14. Területhasználat Nitrogén Foszfor [g N/m3] [g P/m3] Szántóföld 0,3+RlkN/Csé 0,8 Zöldterület RlkN/Csé 0,2 Nyílt felület RlkN/Csé 0,05 Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Tápanyag koncentrációk a felszíni lefolyásban: RlkN légköri nitrogén-kiülepedési ráta [g N/m2év], Csé évi csapadékmennyiség [m/év] Tápanyag terhelés (t/év):

15. Talaj P telítettsége (%) Oldott P (g/m3) Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Felszíni lefolyás okozta tápanyag terhelés Mezőgazdasági területekről lefolyó víz P koncentrációja a talaj telítettségének függvénye: 100 50 0 0.05 0.2 1 Művelt területeken a talaj felső rétegének P telítettsége 90-95 %-os, Hosszú távú szántóföldi mérlegek segítségével meghatározható!

16. Zala vízgyűjtő mezőgazdasági tápanyag mérlege

17. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés • Talajlehordás megindulásának feltételei: • 1% lejtés, • Mezőgazdasági művelés alatt áll, • Bármely vízfolyástól való távolsága < 30 m Potenciális lebegőanyag terhelés: Ht potenciális üledékterhelés [t/ha/év], ht talajlehordás a mezőgazdasági területekről [t/ha/év] SARerózióra érzékeny területek modellezett aránya[%] A Vízgyűjtőterület nagysága [ha]

18. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés Talajlehordás mértéke: eróziós térképek Kiülepedés, megrekedés mélyedésekben: Az erodált talaj csak részben éri el a vizeket! Erózió eredetű lebegőanyag terhelés megállapítása: Kritikus lefolyás értelmezése a vízhozam lebegőanyag kapcsolat alapján

19. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Erózió okozta tápanyag terhelés Tényleges lebegőanyag terhelés: TÜlebegőanyag terhelés a vizsgált időszak alatt [t/év], Ht talajlehordás a vizsgált időszak alatt [t/év] SDR üledék visszatartási tényező (kritikus LA hozam alapján) [-] Fs,üt1-t2 vizsgált időszakra vonatkozó súlyozó tényező [-],függ a nagycsapadékos időszakok mennyiségétől Eróziós tápanyagterhelés: TerN,P tápanyagterhelés az erózió következményeként [t/év].MtN,P átlagos tápanyagtartalom a felső talajrétegekben [kg/kg]AdN,Ptápanyag feldúsulási foszforra [-],

20. Diffúz terhelések becslése: MONERIS modell Települési eredetű tápanyag terhelés folyamatai:

21. Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben 100 – 200 000 km2-es vízgyűjtőkre alkalmazható empirikus tápanyag visszatartási modell (Behrendt és Opitz, 1999) HbN,P becsült tápanyaghozam [t/év], EN,Pösszes becsült tápanyagemisszió [t/év], RN,Pösszes becsült tápanyag-visszatartás [t/év], TpfN,P pontszerű tápanyagterhelések [t/év], TdN,P diffúz tápanyagterhelések [t/év], VN,P tápanyagveszteségek [t/év]. Átalakítás után: RHN,P anyagárammal súlyozott összes tápanyag-visszatartás [t/év]

22. Valamennyi vízgyűjtő 1000 km2-nél kisebb vízgyűjtők 1000 és 10000 km2 között 10000 km2-nél nagyobb vízgy. x q Thf q Thf q Thf q Thf Foszfor a 26,60 13,30 41,40 57,60 21,70 9,30 28,90 26,90 b -1,71 -0,93 -1,93 -1,26 -1,55 -0,81 -1,80 -1,25 Nitrogén a 6,90 5,90 3,50 3,30 5,80 4,40 7,90 10,90 b -1,10 -0,75 -1,01 -0,65 -0,96 -0,62 -1,03 -0,94 Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Empírikus összefüggés a tápanyag visszatartásra: a, b modellegyütthatók [-], x fajlagos lefolyás, q [l/km2s], ill. hidraulikai felületi terhelés, Thf [m/év].

23. Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön

24. Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyagterhelés és a tápanyaghozam kapcsolata Európai vízgyűjtőkön

25. Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata

26. Tápanyag visszatartás a folyórendszerekben Tápanyag viszsatartás aránya és hidraulikai terhelés kapcsolata

27. Nutrient Balances for Danube Countries

28. Role of "retention": Net immission load/emission load (1992) OUTFLOW [l/s/km2] OUTFLOW [l/s/km2] A - Austria, B - Bulgaria, C - Czech Republic, G - Germany, H - Hungary, M - Moldavia, R - Romania, SK - Slovakia, SL - Slovenia, U - Ukraine, DB - Danube Basin average

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

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

31. 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)

32. Országok hozzájárulása a Duna vízgyűjtő összes N és P terheléséhez

33. Víz Keretirányelv Lépték: víztestek  vízgyűjtő 93 000 km2 990víztest részvízgyűjtő Tápanyagterhelés meghatározása víztest vízgyűjtő léptékben

34. GIS adatok Csapadék CÉL: térképi információk maximális kihasználása Léptéket a legnagyobb felbontásban rendelkezésre álló adat határozza meg Lefolyás Lejtés Talajtípus Földhasználat Talaj P tartalma Humusz- tertelom N többlet Vízháztartás Laksűrűség Catornázottság

35. Csapadék Felszíni lefolyás Magyarországi összes, nem-városi N és P emisszió terhelés-komponensenként Felszíni oldott N Teljes lefolyás Felszíni oldott N Eróziós potenciál Felszíni oldott P Felszíni oldott P Domborzat (lejtés) Beszivárgás Talaj Felszíni partikulált N Felszíni part. N Adszorpciós kapacitás Területhasználat Felszíni partikulált P Felszíni part. P Kimosdó foszfor- mennyiség Lemosódó nitrogénmenny. Felszín alatti oldott N Felszín al. oldott N Felvehető P tartalom Talaj oldott foszfortartalma Felszín alatti oldott P Felszín al. oldott P Humusz- tartalom Talaj szerves nitrogéntartalma Összes N emisszió N mérleg Talaj oldott nitrogéntartalma Összes P emisszió Geológia Denitrifikációs kapacitás Felszíni oldott N Települési jellemzők Felszíni oldott N Felszíni oldott P Felszíni oldott P Burkolt felszíni oldott N Felszíni part. N Felszíni partikulált N Burkolt felszíni oldott P Felszíni part. P Felszíni partikulált P Burkolt felszíni partikulált N Burkolt felszíni partikulált P Magyarországi összes, városi N és P emisszió terhelés-komponensenként Felszín alatti oldott N Felszín al. oldott N Csatornázatlan népsűrűség Felszín al. oldott P Felszín alatti oldott P Felszíni vizek tápanyagterhelésének becslése területi érzékenység alapján Víztestek vízgyűjtői

36. Nitrogén Foszfor

39. Eróziós potenciál T e r ü l e t h a s z n á l a t L a k ó - é s i p a r i t e r ü l e t S z á n t ó f ö l d S z õ l õ , g y ü m ö l c s R é t , l e g e l õ E r d õ 0 – 0.02 0.02-0.05 0.05-0.15 0.15-1 3200 ha A FÖLDHASZNÁLATOKAT ÉRINTŐ VÍZGYŰJTŐ SZINTŰ INTÉZKEDÉSEK TERVEZÉSE (PhosFate modell fejlesztés, 2007-2009) Diffúz P terhelés Példa: Vadász-patak vízgyűjtő Forrásterületek, hordalék és diffúz P terhelés Optimalizáció transzport modellel (PhosFate, BME) Alapadatok Javasolt beavatkozási területek

40. Egyenletek Felszíni lefolyás ahol SRi: az éves felszíni lefolyás az i-edik cellában [mm év-1], Psum,i: a nyári féléves csapadékösszeg az i-edik cellában [mm félév-1], Isum,i: a nyári féléves intercepciós veszteség az i-edik cellában [-], CR,pot,i: a potenciális lefolyási tényező az i-edik cellában [-], CP,sum,i: a nyári féléves csökkentő tényező az i-edik cellában [-], Pwin,i: a téli féléves csapadékösszeg az i-edik cellában [mm félév-1], Iwin,i: a téli féléves intercepciós veszteség az i-edik cellában [-], CP,win,i: a téli féléves csökkentő tényező az i-edik cellában [-]. Talajveszteség ahol SEDi: az éves talajveszteség az i-edik cellában [t ha-1 év-1], Ri: a csapadék-eróziós index az i-edik cellában [t ha-1 év-1], Ki: a talaj erodibilitási tényezője az i-edik cellában [-], LSi: a lejtőszög-lejtőhossz tényező az i-edik cellában [-], CMi: a növényfedettségi tényező az i-edik cellában [-], SPi: az erózió elleni védekezés tényezője az i-edik cellában [-].

41. Egyenletek Foszforfelesleg a felső talajrétegben ahol SURi,j: a foszfortöbblet az i-edik cellában és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], ∆Pi,j: az éves mezőgazdasági foszfortöbblet az i-edik cellában és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], CHum,i: a humusztartalom a talajban, az i-edik cellában [%], ROM-C: a szervesanyag-szén arány [0.58], RC-P: a szén-foszfor arány [0.01], ρS: a talaj sűrűsége [2700 kg m-3], ΘS,i: a talaj porozitása az i-edik cellában [m3 m-3], RMin: az évi átlagos mineralizációs arány [0.02], ZS: a felső talajréteg vastagsága [0.3 m], EAtm: az éves átlagos foszforkiülepedés a légkörből [ 0.4 kg P ha-1 év-1], A mezőgazdasági foszfortöbblet ahol FERTk,j: a szervetlen műtrágyával bevitt foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], MANk,j: a szerves trágyával bevitt foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1], PRODj: a terméssel elvont foszfor mennyiség a k-adik megyében és a j-edik évben [kg P ha-1 év-1].

42. Egyenletek A felső talajréteg anyagmérleg egyenlete ahol CTP,i,j: a talajban lévő összes foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg L-1], CPP,i,j: a talajban lévő partikulált foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg g-1], CDP,i,j: a talajban lévő oldott foszfor koncentrációja az i-edik cellában és a j-edik évben [μg L-1], Q0,i: az adszorbeált foszfor maximális értéke az i-edik cellában [μg g-1], bi: az adszorpciós energia tényezője az i-edik cellában [L μg-1]. Az izoterma paraméterei ahol CClay,i: az agyagtartalom a talajban, az i-edik cellában [%], pHi: a talaj pH értéke az i-edik cellában.

43. Egyenletek Oldott foszfor emissziók (felszíni eredetű) ahol ESR,i: az éves emisszió felszíni lefolyással az i-edik cellában [kg év-1], Acell: a cellaterület [1 ha], RSR,i: a foszfor hígulási ráta a lefolyásban, az i-edik cellában [-], CDP,u: az oldott foszfor koncentráció a városi lefolyásban, az u-adik városi cellában [g m-3]. Partikulált foszfor emissziók (felszíni eredetű) ahol EER,i: az éves emisszió erózióval az i-edik cellában [kg év-1], ERi: a foszfor feldúsulási ráta az erodált talajra az i-edik cellában [-], CPP,u: a partikulált foszfor koncentráció a városi lefolyásban, az u-adik városi cellában [g m-3].

44. ? kifolyás Modellstruktúra PP terepi és mederbeli transzport GIS Emisszió Visszatartás Transzport

45. TRANSZPORT ALMODELL

46. Egyenletek Partikulált foszfor transzport ahol OUTPP,i: a kilépő partikulált foszfor anyagáram az i-edik cellában [kg év-1], INPP,i: a belépő partikulált foszfor anyagáram az i-edik cellában [kg év-1], RETPP,i: a partikulált foszfor visszatartás az i-edik cellában [kg év-1]. Partikulált foszfor visszatartás ahol kret,i: a visszatartási tényező az i-edik cellában [s-1], xi: a cella élhossza [100 m], vi: az átlagos lefolyási sebesség az i-edik cellában [m/s], t*cell,i a cellán való átlagos áthaladási idő az i-edik cellában [s], ni: a Manning-féle érdességi tényező az i-edik cellában [m-1/3 s], Ri: az átlagos hidraulikai sugár az i-edik cellában [m], Si: a lejtés az i-edik cellában [m/m], Adrain,i: az adott cella feletti teljes vízgyűjtőterület az i-edik cellában [km2], aP, bP: a vízhozam-gyakoriságtól függő paraméterek [0.01, ill. 0.3].

47. BMP tervező felület • Célzott beavatkozási csoport: területhasználat szabályozása • Emisszió kontroll: területhasználat váltás, művelési mód váltás, erózióvédelem • Transzport kontroll: puffer zónák, szűrőmezők és wetlandek • Modellfuttatás a változtatásoknak megfelelően • Éves, fajlagos költségek hozzárendelése a beavatkozásokhoz • Egyszerű optimalizációs feltétel a „hot spotok” számára

48. Dinamikus modellek • Amerikai példa: SWAT: Soil and Water Assessment Tool (Agricultural Research Service, Texas) • Fizikai alapú szimulációs modell • Tápanyagterhelések, peszticid, bakteriális és nehézfém-szennyezések számítása • GIS alapú számítás és szoftver • Víz-, üledék- és tápanyagmérleg a vízgyűjtőn és a mederben • Kis- és nagy vízgyűjtők, folyamatos napi időlépték • Bonyolult, természeti törvényekre épülő metodika, több részmodell, számos paraméter • Részletes meteorológiai, talajtani, területhasználati, mezőgazdasági, stb. adatbázis • Szcenárió-analízis lehetősége • Hosszú távú hatáselemzés

49. VÍZGYŰJTŐ EMISSZIÓS MODELL HIDROLÓGIAI ALMODELL ERÓZIÓS ALMODELL SZENNYEZŐANYAG FORRÁS ÉS TRANSZPORT ALMODELL BEFOGADÓ VÍZMINŐSÉGI MODELLJE VÍZMINŐSÉG A KIFOLYÁSI SZELVÉNYNÉL HIDROLÓGIAI ALAPÚ MODELLEK ELVI SÉMÁJA

50. Hydrologic Balance Evaporation and Transpiration Precipitation Surface Runoff Root Zone Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution Lateral Flow Vadose (unsaturated) Zone Revap from shallow aquifer Percolation to shallow aquifer Shallow (unconfined) Aquifer Return Flow Confining Layer Flow out of watershed Deep (confined) Aquifer Recharge to deep aquifer