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 (adszorbció) = = + + 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) • dCo/dt = -1/n.[Co.div(v) + v.grad(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)) • dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +D.div(grad(Co)) + grad(Co).grad(D) • 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. Transverzális diszperzió Longitudinális diszperzió Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Mikroszkópikus diszperzió Egyenlőtlen sebességeloszlás Lamináris vízmozgás, de ütközés a szilárd szemcsékkel

8. Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Makroszkópikus diszperzió Geológiai heterogenitás A diszperziós tényező léptékfüggő !!!!

9. Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén • Az oldott és a felületen megkötött anyag koncentrációja között egyensúly alakul ki • Az adszorbció 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 adszorbciós kapacitása feltöltődött, az ezután érkező szennyezőanyag tovább terjed. • Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorbció) a szilárd vázról.

10. 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

11. 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)

12. 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

13. kémiai átalakulás + lebomlás + adszorbció Advekció+diszperzió Co v C Transzportfolyamatok

14. A felszín alatti vizek védelmének célkitűzései és alapelvei

15. Fenntartható vízhasználat Két dolog egyeztetése: Egyrészt: az ember vízzel kapcsolatos igényeinek kielégítése De…. ez sem rövid, sem hosszú távon nem ronthatja az alapvető vízszükségletek kielégítését, és mindezt a felszín alatti vizek ökológiai és tájalkotó szerepének megőrzése mellett

16. Fenntartható vízhasználat célkitűzések Kettős célkitűzés: A felszín alatti vízkészletek mennyiségi és minőségi védelme Az ökoszisztéma védelme a felszín alatti vízkivételek kedvezőtlen hatásaival szemben

17. Fenntartható vízhasználat Célkitűzések • A felszín alatti vizek utánpótlódásának és a természet védőképességének megőrzése • a földhasználat ne csökkentse a beszivárgást • a partiszűrésű szakaszok medrének védelme • a külszíni bányák, kavicsbánya tavak, • mélyépítési munkák csak elfogadható (?) • mértékű változást okozzanak

18. Fenntartható vízhasználat célkitűzések A vízkivétel nem lehet nagyobb, mint amit a víz körforgásában emiatt bekövetkező változások ne tudnának kompenzálni  ne alakuljon ki folyamatos vízszintsüllyedés, azaz a tárolt készlet ne csökkenjen. • Emberi beavatkozások a vízforgalomban nem okozhatnak olyan mértékű változásokat, amelyek az ember igényeit, az érintett ökoszisztémák vagy az épített környezet működését károsan befolyásolnák: • Vízi és vizes ökoszisztémák: alaphozam • Szárazföldi ökoszisztémák: talajvízből történő párolgás, • talajvízszint, hőháztartási viszonyok • Ivóvíz: vízminőség Összhang: EU Víz Keretirányelv  jó mennyiségi állapot

19. Fenntartható vízhasználat Célkitűzések • Megelőzés: • A felszín alatti vizekbe sem közvetlen, sem közvetett módon nem kerülhet olyan szennyezőanyag, amely az érintett ökoszisztémák működését vagy a későbbi hasznosítást károsan befolyásolná • új tevékenységek esetén tiltás és korlátozás • meglévő, de potenciálisan veszélyesnek minősülő • tevékenységek esetén fokozatos korszerűsítés • Bekövetkezett szennyezések: • A szennyezés továbbterjedésének megakadályozása, • Szennyezési trendek felszámolása • Szennyezett területek rehabilitációja Összhang: EU Víz Keretirányelv  környezeti célkitűzések

20. Fenntartható vízhasználat Célkitűzések A felszín alatti vízben tapasztalt koncentrációk nem lépik túl a környezeti kockázat alapján megállapított határértékeket Ezek egyelőre nem léteznek, sőt az értékelés módszere sem EU Víz Keretirányelv  jó kémiai állapot

21. Fenntartható vízhasználat célkitűzések • Védett területek kiemelt védelme • ivóvízbázisok, • természetvédelmi területek • a gyógyászat, illetve a rekreáció szempontjából • fontos felszín alatti vizek Összhang: EU Víz Keretirányelv  védett területekre vonatkozó egyedi célkitzések

22. Adottságok hidrológiai jellemzők vízminőségi jellemzők környezeti kritériumok éghajlatváltozás Beavatkozások átvezetés, tározás földhasználatok talajvízdúsítás vízminőségvédelem tisztítás gazdasági-társadalmi fejlődés Vízkivétel nélküli vízigények hasznosítható készletek Felszíni, felszín alatti vizek és talajnedvesség együtt éghajlat-változás Vízkivétellel járó víz-igények mennyiség és minőség vízháztartási mérleg : mit? miből? milyen biztonsággal? gazdasági megfontolások: mennyiért? EU- csatlakozás Nem -> módosított igény megéri-e ? igen megvalósítható, fenntartható változat A vízkészletgazdálkodás módszertani sémája

23. A hasznosítható felszín alatti készlet meghatározása

24. A felszín alatti víztest jó mennyiségi állapota A sokévi átlagban a vízkivételek nem haladják meg a hasznosítható készletet A hasznosítható készlet: Az utánpótlódás sokévi átlagos mértéke csökkentve a vele kapcsolatban lévő felszíni víztestek és szárazföldi ökoszisztémák ökológiai szempontok szerint megállapított vízigényével Utánpótlódás: A víztestbe csapadékból, felszíni vízből és a vele szomszédos víztestekből belépő vízmennyiség (függ a vízkivételtől  értelemszerűen a tervezett hasznosításnak megfelelő értékről van szó) A felszín alatti vizek állapotát megváltoztató emberi tevékenységek nem veszélyeztetik a kapcsolódó felszíni víztest jó ökológiai és kémiai állapotát, illetve nem okoznak károsodást a szárazföldi ökoszisztéma állapotában A vízkivétel nem indít el káros vízminőségi folyamatokat

25. Számítás: 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 ???) Korlát: ETAtv, Qfav-fsz , Qfav,ki (ETAtv ????)

26. A területi vízháztartási mérleg típusai Hosszúidejű átlag, tehát Vfav= 0 1. megközelítés: a területi vízmérlegből a lefolyást fejezzük ki, de ehhez meghatározandó apárolgás, a felszíni vízzel való kapcsolat és az oldalirányú vízforgalom ALF =Qfav+ A(P –ETA) + Qfsz-fav–Qfav-fsz– Kfav ETA: empirikus formulák (pl. TURC, BUDIKO, ANTAL), vagy fizikai modellek (pl. MORTON) ETAtv = ETA - ETAk és B = P – LF – ETAk ETAk =? Qfav, Qfsz-fav, Qfav.fsz: modell vagy becslések

27. A területi vízháztartási mérleg típusai Hosszúidejű átlag, tehát Vfav= 0 2. megközelítés: a területi vízmérlegből a párolgást fejezzük ki, de ismeretlen a afelszíni lefolyás, a felszíni vízzel való kapcsolat és az oldalirányú vízforg. AETA =Qfav+ A(P –LF) + Qfsz-fav–Qfav-fsz– Kfav LF: empirikus módszerek, általában LF = a.(P – Ph) ETAtv = ETA - ETAk és B = P – LF – ETAk ETAk = ? Qfav, Qfsz-fav, Qfav.fsz: modell vagy becslések a feladat ugyanaz

28. A területi vízháztartási mérleg típusai 3. megközelítés: további felbontások, az 1. és a 2. megközelítés kombinációja AETAk=Qfav+ AP +Qfsz-fav–Qfav-fsz- ALF– Kfav– A.ETAtv LF: empirikus módszerek, általában LF = a.(P – Ph), külön a téli és a nyári félévre B:(P – ETAk - W – LF)tél+ Bnyár (ETAtv,tél = 0) ETAk,tél,W, Bnyár(becslés, külön modellezés), TVJG Qfsz-fav : egyedi becslések (kevés helyen jelentkezik) Qfav-fsz empirikus becslés vagy modell Qfav: empirikus becslés vagy modell ETAtv: B + (Qfav + Qfsz-fav – Qfav-fsz)/A

29. A jó állapot ellenőrzésének lehetőségei Adott Kfav vízkivétel esetén ellenőrizni kell, hogy ETAtv, Qfav-fsz (és Qfav,ki) megfelel-e a kritériumoknak A hasznosítható készlet: Ha ETAtv és Qfav-fsz(és Qfav,ki) azonos a kritériummal, akkor Kfavéppen a hasznosítható vízkészlet

30. Beszivárgás csapadékból és felszíni vízből Hasznosítható: a maradék A szélesebb folyó-völgyekben 100 mm/év A vízgyűjtőről származó átlagos felszíni lefolyás 30 %-a alaphozam párolgás 0, ha nincs csatlakozó megcsapolási terület, egyébként az utánpótlódás területarányos részének 1,2-szorosa oldalirányú áramlás A hasznosítható készlet meghatározása (becslése) Leáramlási terület, dombvidék

31. Beszivárgás csapadékból és felszíni vízből Magas talajvízállású területekre és tavakra 200 mm/év. + egyéb élőhelyek számára ??? Hasznosítható: a maradék párolgás A vízgyűjtőről származó átlagos felszíni lefolyás 25 %-a ?? alaphozam oldalirányú áramlás Az utánpótlódás területarányos részének 1,3-szorosa A hasznosítható készlet meghatározása (becslése) Leáramlási terület, hátság

32. Magas talajvízállású területekre és tavakra 200 mm/év. + egyéb szf. ökoszisztémák számára??? Beszivárgás csapadékból és felszíni vízből Hasznosítható: a maradék párolgás oldalirányú áramlás alaphozam A nagy folyók esetén ~ 0 a kisebbekre az innen származó felszíni lefolyás 20 %-a A hasznosítható készlet meghatározása (becslése) Feláramlási terület

33. Hasznosítható készlet, víztest szinten Országos vízháztartási modell

34. A mennyiségi állapot első jellemzése Országos vízháztartási mérleg Vízkivételek adatbázisa Hasznosítható felszín alatti vízkészlet becslése víztest szinten figyelembe véve az élőhelyekre vonatkozó KGI munka eredményeit Vízkivételek összesítése víztest szinten Összehasonlítás Kritikus, ha a hasznosítási fok eléri 80 %-ot

35. A hasznosítható készlet területi megosztása Az ökoszisztémáktól függő területi korlátozások: egy adott körzeten belül a lehető legnagyobb + összes, ill. a hatásvizsgálat előírásának korlátja Részletes elemzések

36. A meteorológiai viszonyok változása a párolgás csökkenése 21 mm a közv. párolgás csökkenése: 4 mm a talajvízpárolgás csökkenése: 17 mm a csapadék csökkenése: 43 mm a felszíni lefolyás csökkenése: 13 mm a lefolyás csökkenése: 22mm a beszivárgás csökkenése: 26 mm az alaphozam csökkenése: 9 mm

37. Felszíni készletek Felszín alatti készletek Az éghajlatváltozás hatása

38. Az éghajlatváltozás hatása átlagosnál szárazabb időszak utánpótlódásából kiindulni hatévenként korrigálni az előző ciklus alapján

39. A felszín alatti vizek minőségi védelme

40. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGI VÉDELME • Megelőzés, elővigyázatosság • Védelem bekövetkezett szennyezések esetén • Általános védelem • Védett területek

41. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Megelőzés, elővigyázatosság, általános védelem • Esetenkénti elbírálás helyett az emberi tevékenység kontrollja • veszélyes anyagok listája • bizonyos tevékenységek korlátozása vagy tiltása • a működés szabályozása (legjobb rendelkezésre álló technológia • jó mezőgazdasági gyakorlat) • a megengedett terhelés függ a terület érzékenységi szintjétől • veszélyes anyagok közvetett bevezetésének tiltása a • fokozottan érzékeny területeken, • közvetlen bevezetés sehol • (kivéve meghatározott visszasajtolásokat és talajvízdúsítást)

42. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • Földtani érzékenység • A víztartók belső tulajdonsága. A valamilyen módon bekerült konzervatív szennyezőanyag továbbterjedésének lehetőségét jellemzi. Érzékenyek a jó vízvezetőképességű kőzetek: karsztos, kavicsos és homokos üledékek. • Sérülékenység vagy védettség • Érzékeny közegre vonatkozik, meghatározott jellegű szennyezőforrásból(!) származó vízminőségromlás valószínűségére utal. • Az érzékenységhez képest az a különbség, hogy figyelembe veszi a szennyezőanyag bejutásának valószínűségét is. • Külső tényezők határozzák meg: áramlási pálya, irány, sebesség, illetve az ezzel rokon elérési idő. • Általános sérülékenység (konzervatív szennyezőanyagra vonatkozik) • Specifikus sérülékenység (adott szennyezőanyagra vonatkozik, • figyelembe veszi a megkötődési és lebomlási lehetőségeket is) • Veszélyeztetettség • A specifikus sérülékenységgel rokon fogalom, amit általában egy adott, és nem pedig egy potenciális szennyező-forrás esetén használnak.

43. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME • 1. Független vízháztartású talajok • B = ET • Btv = ETtv = 0 • A talajvíztartó nincs veszélyben. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok A vízzáró réteg miatt a beszivárgás nem jut le a talajvízig, hanem ideiglenesen tározódik a vízzáró réteg felett, majd elpárolog. A szennyezés a felszín és a vízzáró réteg között fluktuáló mozgást végez.Feldúsulás a gyökérzónában.

44. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok • 2. Párolgási többlet, • közepes talajvízállású terület • B  ET • Btv ETtv • A talajvízet nem éri szennyezés. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban A beszivárgási időszakokban a szennyezés nem éri el a talajvizet, a párolgási többlet miatt a szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik.

45. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok • 3. Párolgási többlet, • magas talajvízállású terület • B  ET • Btv ETtv • A talajvízet érheti kismértékű szennyezés. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban A párolgási többlet ellenére egy beszivárgási periódus alatt a szennyezés elérheti a talajvizet, aminek a nagy része a párolgási periódusban visszajut a telítetlen zónába, a maradék elkeveredik a talajvízben. A szennyezés egyébként a gyökérzónában koncentrálódik.

46. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok • 4. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, • közepes talajvízállású terület • B = ET • Btv = ETtv • A talajvízet nem éri szennyezés. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban A beszivárgás és párolgás hosszú távon kiegyenlíti egymást. A közepes mélységű talajvíz miatt a beszivárgási időszakban nem jut le szennyezés a talajvízbe. A szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik.

47. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok • 5. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, • magas talajvízállású terület • B = ET • Btv = ETtv • A talajvízet érheti szennyezés. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban • A beszivárgás és a párolgás hosszú távon kiegyenlíti egymást. • A magas talajvízállás miatt a felületi szennyezés egyetlen beszivárgási ciklusban is lejuthat a talajvízbe és ott elkeveredik. • A szennyezés egy része bemosódik a talajvízbe, és ott eloszlik, • a maradék szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik.

48. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok • 6. Beszivárgási többlet • B  ET • Btv ETtv • A talajvizet szennyezés éri. A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban A beszivárgási többlet miatt a víz és a szennyezési front eredő mozgása lefelé irányul, a szennyezés talajvízbe jutása csak idő kérdése. A folyamatos utánpótlódás miatt a talajvízben szétterjed.

49. A FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGÉNEK VÉDELME Kút nélküli természetes állapot B 1 v y v r V Kút nélküli természetes állapot y eloszlása B 2 B 1 nem sérülékeny v sérülékeny v y r V y eloszlása Feláramlási terület Leáramlási terület B 2 A sérülékenység értékelése vízkivétel nélküli állapotban Telített zóna:

50. FELÁRAMLÁSI ÉS LEÁRAMLÁSI TERÜLETEK MAGYARORSZÁGON