Felszín alatti vizek védelme ÁRAMLÁSI VISZONYOK

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

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

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

4. VÍZKIVÉTEL HATÁSA A REGIONÁLIS ÁRAMLÁSI RENDSZERRE

5. 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)

6. ETtn Bfsz Btv Vtn ETtv A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telítetlen zónára ΔVtn/Δt = A·(Bfsz – Btv + ETtv – ETtn) és (P – Efsz – Lfsz = Bfsz) A: vízgyűjtőterület (L2) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔVtv: a tárolt készlet megváltozása a telítetlen zónában (L) Bfsz: beszivárgás a felszínen (L/T) Btv: beszivárgás a talajvízbe (L/T) ETtn : evapotranszspiráció a talajból (L/T) ETtv: felszivárgás (evapotranszspiráció) a talajvízből (L/T) P: csapadék (L/T) Efsz: párolgás a felszínről (L/T) Lfsz: felszíni lefolyás (L/T)

7. Kfa Btv Qfsz-fa ETtv Qfa-fsz Qbe ΔVtv Qki A VÍZMÉRLEG Vízmérleg a telített zónára ΔVtv/Δt = A·(Btv - ETtv) + Qbe - Qki + Qfsz-fa – Qfa-fsz – Kfa 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: felszivárgás a talajvízből (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) Kfa: vízkivétel(L3/T)

8. HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE Induljunk ki a vízmérlegből, úgy, hogy az elem térfogata V, felszíni metszete 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 = (Qbe - Qki)/V + q q: térfogategységre eső forrás-nyelő (1/T)

9. HIDRAULIKAI JELLEMZŐK --- A VÍZMOZGÁS DIFFERENCIÁLEGYENLETE A jobb oldal első tagja a belépő és a kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható (tekintve, hogy h a helynek és az időnek is függvénye) 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 A kezelhetőség érdekében a q forrást h-tól kell függővé tenni

10. A beszivárgási folyamat A párolgási folyamat

11. a talajvízháztartási jelleggörbe ETfsz Bfsz -800 mm/év Tározódás és közvetlen párolgás a talajnedvességből Csökkenés a kapilláris vízemelésben 2 m Nagy párolgási többlet, A talajvíz időnként a felszínre emelkedik 4 m megcsapolás 6m Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es 500 mm/év Btv ETtv

12. a talajvízháztartási jelleggörbe ETfsz Bfsz Párolgási többlet megcsapolás Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m

13. a talajvízháztartási jelleggörbe ETfsz Bfsz Kapilláris vízemelés Egyensúlyi állapot Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m

14. a talajvízháztartási jelleggörbe ETfsz Bfsz Talajvízmélységtől független tározódás Beszivárgási többlet Kapilláris vízemelés utánpótlódás Bo Sokévi átlag: Bfsz = P – Es – Ls ETfsz = ETP - Es -800 mm/év 500 mm/év 2 m ETtv Btv 4 m 6m

15. ETterep Bfsz A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE Bfsz – Btv + ETtv = ETtn -800 mm/év 500 mm/év Btv - ETtv Btv 2 m ETtv ETtn 4 m 6m Bo

16. 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

17. 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 (Btv - Etv )átl = f (Hátl) • Egy talajvízháztartási jelleggörbe • adott talajszelvény típusra, • adott meteorológiai viszonyokra és • adott növényzetre • vonatkozik

18. 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

19. A VÍZMOZGÁS EGYENLETÉNEK MEGOLDÁSA Analitikus megoldás csak kivételes esetekben, de tájékozódásra megfelelő Közelítő analitikus megoldások léteznek egyszerű nem-permanens esetekre (Theis, Hantush) - próbaszivattyúzás eredményeinek értékeléséhez • A vízmozgás differenciál-egyenlete nem oldható meg analitikusan , • ha a víztartó vastagsága a térben változik, • a rétegek szivárgási jellemzői heterogénak, • az utánpótlódás a piezometrikus nyomás nem lineáris függvénye Halász Béla, Székely Ferenc: közelítő analitikus megoldások a depresszió számítására - a számítógépek fejlődésével jelentőségük csökkent numerikus megoldások

20. ETAtv,max A TALAJVÍZHÁZTARTÁSI JELLEGGÖRBE a MODFLOW közelítés HETA,max hmax

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