1.1. Problémafelvetés

Átírás

1 1. BEVEZETÉS A BELVÍZI JELENSÉGEK INTEGRÁLT HIDROLÓGIAI MODELLEZÉSE 1.1. Problémafelvetés Tapasztalatok a Szamos-Kraszna közi mintaterületen Kozma Zsolt 1, Muzelák Bálint 2, Koncsos László 1 1Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék zsolt.kozma@vkkt.bme.hu, Generalcom Mérnöki Kft. A belvíz a hazai vízgazdálkodás különleges, egyben talán legellentmondásosabb szélsősége. Stratégiai fontosságát számos elemzés, adat támasztja alá (pl. Rakonczai et al., 21; Pálfai, 24; Somlyódy, 211). A felhalmozott óriási méretű tudás és szakmai tapasztalat ellenére mégis több nyitott kérdés fogalmazható meg. Bár az elmúlt 1-15 év technológiai fejlődése új fejezetet nyitott a belvíz leírásában, ennek ellenére a jelenség akár terepi, akár távérzékeléses mérése országos viszonylatban továbbra is jelentős bizonytalansággal terhelt (Rakonczai et al., 23; Pálfai, 24; Kozák, 29; van Leeuwen, 2). Emiatt a tájékoztató becsléseknél pontosabban nincs tisztázva, hogy a belvízi elöntések alakulásában mekkora szerepe van a természetes vízfolyások vízjárásának, az evapotranszspirációnak, a beszivárgásnak, a különböző léptékű felszín alatti áramlási rendszereknek (Sophocleous, 22; Mádlné és Tóth, 27), valamint a gravitációs és szivattyúzásos vízelvezetésnek. A belvízi védekezés hatékonysága és jelentősége szakmai vita tárgya. A védelmi rendszer egyértelműen pozitív megítélését a es, majd a es országos belvizek és a védekezés tapasztalatai jelentősen árnyalták (Ijjas, 22; Somlyódy, 211; VKKI, 211; Dajka és Bacskai, 2). Kozák (26) rámutatott, hogy a védelmi rendszer az elöntések csúcsértékét kevésbé befolyásolja és elsősorban a tartósság csökkentését teszi lehetővé. Ennek mértéke azonban nem ismert. Hasonló megállapítás tehető a belvízhez köthető károk értékelése kapcsán is. Közgazdaságilag még a közvetlen hatások jó része is nehezen számszerűsíthető (pl. hordalék lerakódás, erózió, járványügyi problémák, stb.; Vámosi, 22). Tudományosan megalapozott gazdasági elemzés alig található (Ijjas, 22; Pinke, 2/a). Hatványozottan igaz ez a belvizek pozitív vonatkozásaira (Pinke 2/b; Ungvári et al., 2/b). A fenti kérdések nem csak a négy-ötévente (legutóbb idén) kialakuló jelentősebb országos elöntések miatt aktuálisak. Magyarországnak EU-s kötelezettsége a belvízi veszélyeztetettség- és kockázattérképezés (27/6/EK Árvízi Irányelv Az árvízkockázatok értékeléséről és kezeléséről, továbbiakban: ÁKK). A hosszú távú stratégiai tervezéshez szintén szükséges a jelenség hidrológiájának megértése, illetve a különböző tervezési variánsok tanulmányozása. A céltól függetlenül a megalapozott, adatokkal támogatott matematikai eszköztár nélkülözhetetlen. A belvízkutatás módszertani szempontból hagyományosan két fő ágra oszlik 1 : 1. Öblözet-szintű hidrológiai elemzések: A jelenséget jellemző különböző, általában térben és időben aggregált mutatók és hidrológiai változók kapcsolatának elemzése. Ilyenek a lefolyás becslő összefüggései, a lefolyási jelleggörbe, a várható elöntés súlyosságát jellemző belvíz index, valamint az elöntés, a tartósság és a lefolyás előfordulási valószínűségeire levezetett függvények (lásd. Pálfai, 24; Koncsos és Balogh, 29). 2. Térképezési eljárások: Tomor (27) és van Leeuwen (2) is rámutat, hogy a belvíztérképezés és a veszélyeztetettség vizsgálata további két csoportba sorolható: Tisztán tapasztalati alapú, az elöntések terepi bejárásra vagy távérzékelésre (légi fotó, műholdkép) alapuló direkt térképezése (pl. Thyll és Bíró, 1999; Tomor, 27); A statikus és dinamikus hatótényezők, valamint esetleg az elöntési adatok segítségével, regressziós elemzések útján előállított szintetikus térképek (pl. Pálfai et al., 24). A két módszertani irány a tér- és időbeliség leírásában kiegészítő viszonyban állnak egymással. Az öblözetek hagyományos hidrológiai elemzéseiből készíthetők ugyan térképek, de ezek léptéke maga a síkvidéki vízgyűjtő lesz. A térképi eljárások célja épp a területi változatosság nagy felbontású jellemzése, ezek azonban az 1 Természetesen nem lehet minden elemzést ebbe a két kategóriába besorolni. Ilyenek pl. a különböző lokális talajtani elemzések. Ettől függetlenül a két megadott irány módszertanilag jól lefedi a hazai belvízkutatás múltját, jelenét. 1

2 időbeliség leírására nem alkalmasak. A szervesen összefüggő két sajátosság ilyen szintű módszertani szétválasztása mindenképp előnytelen. Ennek megoldására a közelmúltban több új megközelítést is publikáltak (térinformatikai alapú egyszerűsített anyagmérleg számítások: Tomor, 27; Szabó, 21) Célkitűzés Az említett módszertani irányok alternatívája a folyamatalapú matematikai modellezés. Ez nem csak a fenti eljárások előnyeit egyesíti, hanem új utat nyithat a kockázattérképezés és a tervezési variánsok elemzése terén is. A belvíz szempontjából meghatározó tér- és időbeli változások szimulációjára az osztott paraméterű, integrált hidrológiai modellek a legalkalmasabbak (Thompson et al., 24; Daniels et al., 211). Ezek algoritmus szinten kapcsolják össze a területi jellegű 2 3D és a mederbeli 1D folyamatok dinamikus leírását. Bár a folyamatalapú matematikai modellezés jelentős hazai iskolával rendelkezik, a belvizek dinamikus, osztott paraméteres modellezése eddig nem terjedt el. Kutatómunkánk során ennek lehetőségét vizsgáltuk. A cikkben a saját fejlesztésű WateRisk integrált hidrológiai modellen alapuló módszert ismertetjük, ami lehetőséget ad (i) a belvíz és egyéb hidrológiai folyamatok eddigieknél részletesebb tanulmányozására, (ii) különböző forgatókönyvek elemzésére, valamint (ii) a veszélyeztetettség- és kockázattérképezésre (Bakonyi et al., 29; Koncsos és Balogh, 29). A bemutatott módszerrel a Szamos-Kraszna-közi belvízvédelmi szakaszra végeztünk részletes esettanulmányt, melynek céljai: 1. A modell kalibrálása, validálása, a bemenő adatok érzékenységvizsgálata; 2. A belvíz részletes hidrológiai elemzése (dinamikus hatótényezők, okok, időbeli lefutás); 3. Éghajlati és vízkormányzási forgatókönyvek értékelése a belvízi szélsőségek valószínűségi és kockázat szempontú jellemzésével. A fenti célok megvalósítása egyben a szimulációra alapuló eljárás alkalmazhatóságát is igazolja. 2. MÓDSZERTAN 2.1. WateRisk modell A WateRisk integrált hidrológiai modell (Kozma és Koncsos, 211; Kozma és Parditka, 211; Jolánkai et al., 2) a lokális-regionális vízkörforgás folyamatait térinformatikai és matematikai eszközök különböző léptékű, fizikai alapú modellek segítségével írja le. A számítások eredményeként grid-sorozatok, hosszszelvények és idősorok formájában nagy mennyiségű, térben és időben változó, illetve aggregált vízháztartási adat áll elő. A modell a hidrológiai jellemzők változását az alábbi feltételekkel képes meghatározni (zárójelben a mintaterületi tapasztalataink szerepelnek): nagy kiterjedésű területekre (~5-5 km 2 ) és hosszabb időszakokra (1-5 év); kellően részletes tér- és időbeli (,25-25 ha, illetve perc-óra) felbontással; mindezt nagy számítási sebességgel valósítja meg (a cellaszámtól függően a futásidő/szimulált idő arány az 1:1-1:15 tartományban mozog). A számításba bevont hidrológiai folyamatok a következők: csapadék (léghőmérséklettől függően eső vagy hó), intercepció, evapotranszspiráció, felszíni lefolyás és tározás, mederbeli áramlás, valamint vízmozgás a talaj telítetlen és telített tartományában (pontosabban a háromfázisú zónában és a sekély talajvízben). Az ezekre kidolgozott részmodellek kapcsolatrendszerét és a külső peremfeltételeket a 2.1. ábra mutatja be. A számítási modulok elméleti besorolása: (i) Hidrodinamikai alapú 3 Mederbeli lefolyás (ML): 1D dinamikus/saint-venant egyenletek, Talajvízmozgás (TV): 2D mélység mentén integrált/boussinesq alapegyenlet, Terepi lefolyás (TL): 2D sekélyvízi hullámegyenletek (opcionális); (ii) Egyszerűsített hidrodinamikai alapú 4 Háromfázisú zóna (HFZ): 1D Richards egyenlet közelítő megoldása lineáris tározókkal, 2 Általában: csapadék, evapotranszspiráció, felszíni lefolyás, és felszín alatti vízmozgás a telítetlen és telített zónákban. 3 A leíró alapegyenletek elméleti szempontból egzakt alakjának numerikus megoldását megvalósító. 4 A leíró alapegyenletek elméleti szempontból egyszerűsített alakjának numerikus megoldását megvalósító. 2

3 Terepi lefolyás (TL): kontinuitási egyenlet közelítő megoldása lineáris kaszkád modellel (opcionális); (iii) Tapasztalati hidrológiai alapú Csapadék (P) Intercepció (I): lineáris tározó modell Evapotranszspiráció (ET) módosított, transzspirációval bővített Varga-Haszonits formula; A modell a felszíni és a felszín közeli vízkészletek leírására korlátozódik. Vagyis a számítások nem terjednek ki (1) a légköri folyamatok többségére (légkör hő- és vízháztartása, csapadékképződés, légmozgás, stb.), valamint (2) az erősen háromdimenziós intermedier és regionális felszín alatti mélységi áramlási rendszerekre. Ezek a nem szimulált hatások a számítások peremfeltételeibe épülnek a feladat megfogalmazásától függően. Kezdeti- és peremfeltételek Számítási modulok Kezdeti- és peremfeltételek Csapadék Csapadék Hőmérséklet 1D csatornamodell Evapotranszspiráció Intercepció 2D terepi lefolyás modell Páratartalom Vízhozamok és vízállások Vízkormányzás 1D háromfázisú zóna modell 2D talajvíz modell Vízkivételek és Potenciálszintek Mélységi perem 2.1. ábra A WateRisk integrált hidrológiai modell elvi felépítése. Folytonos nyíl: peremi vízforgalom (bordó szín külső/felhasználó által definiált; kék szín belső/szimulált); Szaggatott nyíl: egyéb hatás. A szimulációk jelentős mennyiségű bemenő adatra alapulnak, melyeket a vizsgált terület térinformatikai adatmodellje tartalmaz. A bemenő adatok öt csoportba sorolhatók: geometria, paraméterezés, kezdeti- és peremfeltételek és mért adatok. Az adatmodell ismertetése meghaladja jelen cikk kereteit, az olvasó a részletekről tájékozódhat: Jolánkai et al., (211), Koncsos (211), Jolánkai et al. (2), Kozma et al. (2/a) Forgatókönyv elemzés Az adatmodell (elsősorban a peremfeltételek és a paraméterezés) módosításával a jelenlegitől lényegesen eltérő viszonyok vizsgálata is lehetséges. Így mód van a vízkészletek jövőjére vonatkozó feltételezések elemzésére is: a mi történne, ha jellegű felvetések megválaszolása jelentősen elősegítheti a stratégiai tervezést. Leegyszerűsítve az ilyen kérdéseket, azaz a hatótényezők jövőbeli alakulására tett feltevések összességét értelmezhetjük vízgazdálkodási forgatókönyvként (SCENES, 211). Ezek értékelésére háromlépéses forgatókönyv-elemzési módszert dolgoztunk ki (Kozma et al., 2/a), ami (i) a vízkészletek matematikai szimulációján alapul és (ii) a belvízi események leválogatása (lásd. következő pont), illetve a mezőgazdasági károk becslése (Kozma et al., 2/b) alapján lehetővé teszi a tervezési variánsok hidrológiai-gazdasági összehasonlító értékelését. Az erre vonatkozó elemzéseinek a cikk 5. fejezete tartalmazza Belvizek leválogatása Az elöntési folyamatok hidrológiai és valószínűségi értékeléséhez szükséges az algoritmus által számolt eredmények utólagos feldolgozása. A gyakorlatban alkalmazott döntően minőségi jellegű meghatározások 5 és 5 Példaként néhány jellemző megfogalmazás: magas talajvízállás, káros víztöbblet, közepesen/erősen túlnedvesedett talaj, illetve nagy területre kiterjedő, tartós nyílt vízborítás; 3

4 a hidrológiai-hidrodinamikai változók idősoraiból álló szimulációs eredmények 6 között átjárást kell teremteni. Emellett ahhoz, hogy bármilyen elemzés szisztematikusan elvégezhető legyen, első lépésben szükséges a belvizes időszakokat a szimulációs eredmények folytonos idősorából leválogatni. A szűrés során alkalmazott feltételrendszer akár a belvíz egy új, szimulációs szempontú definíciójának is felfogható. A jelenség fogalmi meghatározása meglehetősen nehéz és bizonytalan. Ez hatványozottan igaz a modelleredményekre megadott definíció esetén: ehhez ugyanis térben és időben változó, gyakorlati szempontból tetszőleges pontosságú, folytonos mennyiségekre kell küszöbértékeket meghatározni. Számos szempont (tér- és időbeliség, felszíni és felszín alatti készletek, hőmérséklet és halmazállapot, egyéb elméleti és gyakorlati vonatkozások) mérlegelése alapján az alábbi meghatározás mellett döntöttünk: A hidrológiai modell szimulációs eredményei alapján az az időszak tekintendő belvízi eseménynek, melyre 1. az A fajlagos elöntés értékének t vb napos mozgóátlaga és τ tartóssága is meghaladja A krit, illetve τ krit küszöbértéket, 2. továbbá a T lég léghőmérséklet t lég napos mozgóátlaga T krit fölötti. A meghatározásban szereplő t vb és t lég intervallumok, illetve az A krit, τ krit és T krit küszöbértékek megválasztása terület- és feladatfüggő, értékük a leválogatás eredményét nagyban befolyásolja. Az adatok szűrése történhet teljes mértékben automatizált módon, de bizonyos esetekben szükség lehet az eredményül kapott idősor manuális korrekciójára is Mintaterület A módszer teszteléséhez számos érv miatt a Szamos-Kraszna közi belvízvédelmi szakaszt választottuk kiemelt mintaterületnek 7. Ez a szakasz az ország belvízzel leginkább veszélyeztetett területei közé tartozik (Pálfai, 24), ahol a szélsőséges víztöbblet gyakori kialakulásának minden feltétele adott. A régió természeti sajátosságai és a kiterjedt védelmi rendszer számos vízkormányzási-területhasználati variáns elvi vizsgálatát teszi lehetővé (VITUKI és ÖKO Rt. 25; Váti 25; Váradi, 21). A 2.2. ábra a védelmi szakasz domborzati viszonyait, csatornahálózatát és a hosszú ideje üzemelő talajvízészlelő kutak helyét mutatja be ábra A Szamos-Kraszna közi belvízvédelmi szakasz átnézeti térképe 6 Az előző lábjegyzetben felsoroltaknak megfelelő szemléltető (nem valós eredményekhez kapcsolódó) számpéldák: adott időlépésben és cellában a talajvíztükör a 1.73 m méylségben van, a.8 m vastag termőrétegben az átlagos telítettség 87%, a terepi vízborítás mélysége 1.43e-3 m, illetve a területen és időszakban a 65 ha-t meghaladó vízborítás,73 napnyi tartósságú volt. 7 Hasonló belvizes modellelemzések további három területen (Nagykörű, Makó és a Hanyi-Tiszasülyi tározó térsége) zajlottak/zajlanak. 4

5 A mintegy 51 km 2 területű, kis esésű (,25 m/km) terepfelszínt elsősorban a Tisza és mellékfolyói formálták. A szabályozott Szamos és Kraszna vízjárása rendkívül szélsőséges, az árhullámok nagy kilengésűek és gyors lefutásúak. A kiépített csatornahálózat hossza 961 km (2,31 km/km 2 -es fajlagos sűrűség). A vízkormányzást 26 tiltó és zsilip, valamint 7 szivattyútelep (5 átemelő, 2 esésnövelő) biztosítja. A fajlagos kiépítettség elvben 59 l/s/km 2 gravitációs, és 51 l/s/km 2 szivattyús vízelvezetést tesz lehetővé. A talajadottságok mellett a klimatikus viszonyok és a vízellátottság sem kedvez a szántóföldi művelésnek. Mindezek ellenére az uralkodó területhasználati forma a kis- és nagytáblás szántóföldi művelés (területi arányuk 7% fölötti). 3. A MODELL BEÁLLÍTÁSA 3.1. Érzékenységvizsgálat A hidrológiai modellszámítások hibái négy okra vezethetőek vissza (Pechlivanidis et al., 211). Ezek a természeti rendszer, a bemenő adatok, a paraméterek és a modell bizonytalanságai. A pontatlanságok kiszűrését nehezíti, hogy azok forrásai gyakran kapcsolódnak egymáshoz. Például (i) a természeti rendszer korlátozott ismerete miatt téves lehet a modell koncepcionális felépítése (pl. az alulbecsült hatótényezők elhanyagolása a matematikai leírás során), illetve (ii) a hibával terhelt bemenő peremi adatok (pl. térben ritka csapadékészlelés) vagy a hibásan definiált modellstruktúra miatt a kalibráció nem optimális paraméterkombinációra vezethet. A kérdés egyszerűsíthető az okok két csoportra (adat- és modellbizonytalanság) bontásával. A bizonytalanság mértékét érzékenységvizsgálattal elemeztük. Ehhez referenciaként egy realisztikusan beállított modellszámítást alkalmaztunk. Az érzékenységvizsgálat során szimulált modellfutások eredményeinek részletes bemutatására terjedelmi okok miatt nincs lehetőség, azokat csak összefoglalóan közöljük ( 3.1. Táblázat, 3.2. Táblázat). A két táblázat megadja a legfontosabb modellparaméterek és a kezdeti- és peremfeltételek viszonylagos érzékenységét. Elöntés Szivattyús átemelés Evapotranszspiráció Talajvízszint Eredő érzékenység Térbeli felbontás Kezdeti feltétel Talajvízszint Peremfeltételek Vízfolyás Csapadék Páratartalom csúcsérték átlagos tartósság átlag szórás Táblázat A térbeli felbontás, kezdeti feltétel és a legfontosabb peremek viszonylagos érzékenysége (jelölők: [-]: nem érvényes; []: nem érzékeny; [+]-ok száma: érzékenység mértéke) Elöntés Szivattyús átemelés Evapotranszspiráció Talajvízszint Eredő érzékenység Szivárgási tényező Felszíni tározási Kapillaritás Horizontális Vertikális tényező csúcsérték átlagos tartósság átlag szórás Táblázat A legfontosabb modellparaméterek viszonylagos érzékenysége Az érzékenységvizsgálat eredményei közül a peremfeltételek hatását emeljük ki. Egyrészt a csapadékadatok jelentősége vitán felüli. Ennek bizonyítására az alapesetben alkalmazott kisvárdai állomás mellett számítást végeztünk a napkori csapadékadatokkal is. Másrészt: a folyókon levonuló árhullámok hatása elvi szinten könnyen belátható 8, de számszerűen nincs kellően leírva. A témakörnek az éghajlati forgatókönyvek elemzése külön jelentőséget ad: a vízjárás peremek előállításához elméleti szempontból a teljes vízgyűjtőre elvégzett 8 A hullámtér vagy szélső esetben a mentett ártér felszíni elöntése, emelkedő talajvízszint, gátolt gravitációs elvezetés. 5

6 hidrológiai-hidrodinamikai számítások szükségesek. Az egyszerűsítés lehetősége nagyban függ az árvíz-belvíz kapcsolat súlyától. A kérdés tisztázására két összehasonlító számítást végeztünk, amelyekben (i) a mért vízhozam-vízállás adatok mellett (ii) azok mediánját vettük fel hidrodinamikai peremfeltételként. Fajlagos elöntés [ha km -2 ] Referencia Csapadék: Napkor Vízjárás: medián ábra Érzékenységvizsgálat: módosított csapadék- és vízjárás peremekkel számolt elöntési idősorok Az eredmények csapadék szempontjából a várakozásnak megfelelően alakultak ( 3.1. ábra). Ezzel szemben a Szamos és a Kraszna vízjárása a felszíni elöntés területét csak lokálisan és kis mértékben (átlagosan 3%-kal) módosítja. Az árhullámok a felszín alatti vízkészletre még a jelentősen megnövekvő hidraulikai gradiens ellenére sem hatnak olyan mértékben, hogy az elöntést számottevően befolyásoló érdemi távolhatás alakuljon ki. Ezt az alacsony vízvezető képesség mellett az árhullámok aránylag gyors levonulása magyarázza. Ugyanakkor a szivattyús átemelés esetén a vízjárás hatása kiugróan magas (két év átlagában -56% a referenciához képest). Ez megfelel a várakozásnak és a modell realisztikus működésére utal. Az eredmények alapján az éghajlati forgatókönyvek esetében mellőztük a Szamos, Kraszna és Tisza teljes vízgyűjtőjére kiterjedő bonyolult és időigényes csapadék összegyülekezési szimulációkat. Ehelyett a peremi adatokat AR(1) modellen alapuló módszerrel állítottuk elő Kalibráció és validáció A kalibráció és a validáció integrált hidrológiai modellezés esetén összetett feladat. A felmerülő problémák a teljesség igénye nélkül: a részmodulok külön kalibrálása ritkán lehetséges, ezért az egyes modulokhoz tartozó paraméterek kalibrálása összefügg, nagy mennyiségű mérési adat szükséges, ezek bizonytalansággal terheltek, túlparametrizált a rendszer, stb. A viszonylag nagy számítási időigény az autokalibráció lehetőségét kizárja. Ugyanakkor a belvizek hidrológiai sajátosságai miatt az elöntési szélsőséget a síkvidéki vízgyűjtőről kilépő vízhozam idősor mellett hagyományosan számos más időfüggő változóval szokás jellemezni. Ilyen adatok a vízzel borított terület nagysága, csatornabeli vízállások és vízhozamok, szivattyús átemelés, talajvízszintek, párolgásmérő kádak alapján a nyíltvíz evaporációja, pontbeli telítettség mérések, illetve a műhold alapú távérzékelés elterjedése óta a közepesen/erősen átnedvesedett talajok területe. Az észlelési típusok nagy száma jelentősen javítja a belvizek szimulációjához használt osztott paraméteres modellek kalibrálhatóságát Kalibráció A modell beállítását öt mérési adatcsoport segítségével végeztük el. Ezek: (i) a mintaterületen található 5 talajvízkút észlelései, (ii) a műholdfelvételek alapján becsült vízborítás összegzett területe és térbeli eloszlása, (iii) a szivattyúzott vízmennyiség, (iv) a Vámosorosziban található párolgásmérő kád 2-re vonatkozó mért evaporációja, valamint (v) a Szamos és a Kraszna mért vízállásai. Ezek közül itt csak néhányra térünk ki. Talajvízszintek A talajvíz szimuláció a belvíz modellezés egyik központi eleme: anyagáram szintjén közvetlen kapcsolatban áll a folyókkal, a háromfázisú zónával, a párolgással és egyes esetekben a felszínnel, továbbá a közvetett kapcsolatok révén a meteorológiai peremeknek is nagy hatása van a talajvízmozgásra. A 3.3. Táblázat a számított talajvízszintek minőségét jellemző három mutatót tartalmaz. Ezek a Pearson-féle korrelációs tényező (R 2 ), az átlagos négyzetes hiba (RMSE) és a hidrológiában elterjedt Nash-Sutcliffe modellhatékonysági mutató (NSME). Az R 2,7 fölötti, illetve az NSME pozitív értékei a számítások kiemelten jó megbízhatóságát jelzik. Az aggregált mutatók mellett a mért és számított adatok összehasonlítását mutatja be a 3.2. ábra. 6

7 Talajvízkút Pearson-korreláció (r 2 ) RMSE NSME Kocsord Nagyecsed Tyukod Porcsalma Csengeruj Táblázat Kalibráció: a közti számított talajvízszintek jóságának mutatói Talajvízszint [mbf.] Számított Mért ábra Kalibráció: Mért és számított talajvízszintek összehasonlítása (észlelés helye: Tyukod, TV-3) A belvíz kiterjedése műhold számított műhold számított 3.3. ábra Kalibráció: Mért (műhold) és számított vízborítás térképek összehasonlítása (bal: , jobb: ) Fajlagos elöntés [ha km -2 ] 2 16 számított műhold ábra Kalibráció: a es belvizek mért és számított fajlagos elöntései A számított felszíni vízborítás a belvízmodellezés egyik legfontosabb eredménye. A mért adatok és a számítás pontosságát is több bizonytalanság terheli, ezért pontos hektáronkénti, parcellánkénti egybeesés az észlelt 7

8 és a modellezett adatok között nem volt várható. Ezek ellenére a modell kalibrációja a térbeli eloszlás ( 3.3. ábra) és az összegzett elöntés ( 3.4. ábra) esetén is sikeresnek tekinthető. A belvízvédelmi szakaszon belül a terület kisebb részeit egységként kezelve jó egyezést mutat a modell eredménye a műholdas adatokkal. Szivattyúzott vízmennyiség A mért adatoktól a szimuláció egyedül a szivattyúzott vízmennyiségek esetében mutat jelentős eltérést A modell különösen a nagyobb csúcsok esetében alulbecsli a szivattyús átemelés térfogatát. Ez vélhetően egyaránt visszavezethető a modell- és adatbizonytalanságokra is. Napi szivattyúzás [m 3 ] 1.E+6 8.E+5 6.E+5 4.E+5 2.E+5.E+ számított mért számított (k) mért (k) ábra Kalibráció: Mért és számított szivattyús átemelés összehasonlítása (2 tavasz) 15E+6 E+6 9E+6 6E+6 3E+6 E+ Kumulatív szivattyúzás [m 3 ] Validáció A kalibrációhoz hasonlóan az igazolás is a fenti öt adattípusra történt. Ezek közül itt csak kettőt (talajvízszintek és evapotranszspiráció) emelünk ki. A mért és számított talajvíz adatok idősoros, illetve aggregált összehasonlítását a 3.6. ábra és 3.4. Táblázat mutatja be. Az R 2 kis mértékű csökkenése mellet az eredmények a kalibrációhoz hasonlóan jó illeszkedést tükröznek. Talajvízszint [mbf.] számított mért ábra Validáció: Mért és számított talajvízszintek összehasonlítása (észlelés helye: Tyukod, TV-3) Talajvízkút Pearson-korreláció (r 2 ) RMSE NSME Kocsord Nagyecsed Tyukod Porcsalma Csengeruj Táblázat Validáció: a közti számított talajvízszintek jóságának mutatói Mivel a tényleges evapotranszspiráció (ET) mérésére csak speciális körülmények között van mód, a modellszámításokat irodalmi adatokkal vetettük össze. Az egyik viszonyítási alap Kovács (211) komplementer elméletre alapuló empirikus becslése volt, amit országosan, kilométeres/havi léptéken végzett 8

9 el a 2-28-as időszakra ( 3.7. ábra). A különbségek oka nyilvánvalóan a felbontás, illetve a figyelembe vett folyamatok és tényezők közti eltérések. A területi átlagok 533 mm (Kovács), illetve 62 mm (WateRisk). Az eltérés lehetséges oka a belvízi víztöbblet eltérő kezelése. A nagyobb átlagos párolgás értéket támasztja alá, hogy a VITUKI (25) becslése alapján az átlagos évi ET a területen 595 mm. A 3 éves szimulációnk alapján ez az érték 58 mm. Ezek alapján az ET számításaink közelítőleg egyeznek más becslésekkel, ugyanakkor sokkal jobb felbontású, a lokális körülményeket jobban figyelembevevő ET térkép készíthető. (a) (b) ábra A 2-28 időszak átlagos éves evapotranszspiráció térképe (a) Kovács (211) és (b) a számítások alapján A modell igazolására nem állt rendelkezésre a kalibrációnál használt, műholdképek kiértékelése után nyert összegzett elöntés idősor. Ahogy a Bevezetőben említettük, a két módszerrel előállított vízborítás idősorok közti igen nagy különbségeket már többen kimutatták. A 3.8. ábran látható, hogy a kalibrációhoz képest kevésbé jó az egyezés, aminek oka lehet az említett probléma is 9. Az adatbizonytalanság csökkentéshez hosszabb vízborítás idősorra lenne szükség. A térinformatika és a távérzékelés fejlődése folytán, ehhez mind a műholdképek, mind a módszertan (pl. van Leeuwen, 2) rendelkezésre áll. Fajlagos elöntés [ha km -2 ] 2 16 Számított Terepi bejárás ábra A 21-es év számított és mért (terepi bejárásra alapuló) fajlagos elöntés idősorai 4. BELVIZEK HIDROLÓGIÁJA A SZAMOS-KRASZNA KÖZBEN 4.1. Belvizek leválogatása A hidrológiai elemzések első lépését a belvízként figyelembe vett események leválogatása jelenti. A leválogatás a korábban említett három kritérium szerint zajlik: a fajlagos elöntés A krit = 2 ha/km 2 -es kiterjedése és τ krit = 1 napos tartóssága, valamint a T krit = ºC léghőmérséklet alapján. A szimulációs definícióban használt mozgóátlagok intervallumai esetében t vb = 7 és t lég = 3 értékeket alkalmaztunk. Minden küszöbértéket elvi megfontolások, a számítási eredmények értékelése és manuális érzékenységvizsgálat alapján határoztunk meg. 9 A szimulált idősor februári csúcsértékével egy időben a mért adatsorban szakadás látható. A hőmérséklet ekkor fagypont alatti volt, vélhetően az FETIVIZIG munkatársai a megfagyott felszíni készletet ezért nem vették belvízként figyelembe. A nyári elöntéseket a modell nem írja le jól. 9

10 Fajlagos elöntés [ha km -2 ] 2 Leválogatott belvíz Fajlagos elöntés Fajlagos elöntés [ha km -2 ] 2 Leválogatott belvíz Fajlagos elöntés ábra Az időszakra elvégzett számítások alapján leválogatott belvízi események A közötti időszakra vonatkozóan a szimulált fajlagos elöntés és a leválogatott belvizek idősorait a 4.1. ábra mutatja be. Az eredmények ellenőrzésére korlátozottan volt módunk. Ehhez sajnos csak a kalibráció-validáció során használt es és a 21-es belvizes időszakok elöntési adatai álltak rendelkezésünkre (FETIVIZIG, elektronikus adatközlés, 21). Megjegyzendő ugyanakkor, hogy (i) a terepi bejáráson alapuló elöntési adatok azok ismert bizonytalansága miatt tájékoztató jelleggel alkalmasak a modell ellenőrzésére, (ii) másrészt további távérzékeléses adatok alapján a modell gond nélkül pontosítható. A modellszámítás és a leválogatás az es időszakra egy évet meghaladó belvizet eredményezett. A két időszak eltérő hidrometeorológiai körülményei miatt ezek elkülönített elemzése mellett döntöttünk Hidrológiai mérlegelemzések A tudományos megértés és az operatív védekezés szempontjából is az egyik legfontosabb kérdéskör a belvizek keletkezését és megszűnését kiváltó hatótényezőkhöz kapcsolódik. Ezek súlyának helyes becslése különösen fontos lehet az előrejelzés és az alkalmazkodás szempontjából. A következőkben az időfüggő/dinamikus hatótényezőket (készletváltozás, csapadék, párolgás, elvezetés, stb.) vizsgáljuk a térfogati mérlegre levezetett aggregált hidrológiai mutatókkal/indikátorokkal. Ezek a modellváltozókra számított tér- és időfüggő eredményeket egy-egy könnyen értelmezhető számadatba tömörítik (pl. cellánkénti térfogatáram idősorok helyett a teljes időszakra és területre vonatkozó összegzett mennyiségek). A mérlegegyenlet számításokat három részre bontva mutatjuk be: (i) a felszínen tárolt víz térfogatára, illetve a (ii) teljes modellezett térrészre felírt mérlegegyenletek, valamint (iii) a megszűnés természeti és mesterséges okainak összehasonlítása. Az eredmények abszolút és relatív értelemben ábrázolva is szemléletesek. Terjedelmi korlátok miatt ezek közül mindig csak az egyik esetet mutatjuk be Felszíni tározás A felszíni tározásra felírt térfogatos mérleg a belvízzel kapcsolatban megfogalmazott egyik legalapvetőbb kérdésre adhat választ: Milyen folyamatok okozzák közvetlenül a terepen megjelenő elöntések kialakulását és megszünését?. Az erre felírt mérlegegyenlet az alábbi: dv TL hó ( Q + Q )- ( Q + Q + Q Q ) + dv = ( 4.1) eső hó TL HFZ Evap TL TV + TL ML Ahol dv TL és dv hó a felszínen tárolt víz- és hókészlet megváltozása. Q eső és Q hó a csapadék, Q TL-HFZ a felszíni beszivárgás a talaj mélyebb rétegeibe. A Q Evap evaporáció tartalmazza a növények felszínén, a terep-felszínen és a talaj legfelső rétegében tárolt vizek fizikai párolgását. Q TL-TV a talajvízbe történő direkt beszivárgás, míg 1

11 Q TL-ML a felszín és a csatornák közti nettó vízforgalom. A tárolt készletváltozás és a vízforgalom is térfogatosan (mm-ben) van kifejezve. A mérlegegyenletet a leválogatott idősorra alkalmazva adódik a 4.2. ábra, mely abszolút értékben adja meg az egyes tagokat. A különböző hosszúságú belvizek során a felszíni vízforgalom közel két nagyságrendet felölelő skálán mozog. Az időtartam és a vízmozgás közti kapcsolat nem lineáris és nem is monoton. Ez akkor is igaz, ha a belvíz mértékét az időtartam helyett a felszíni tározással vagy az elöntés területével jellemezzük. Kialakulás (+) és megszűnés (-) okai [mm] dv: hó dv: vízborítás Q: hó Q: eső Q: Terep-Talajvíz Q: Terep-HFZ Q: Terep-Evap Q: Terep-Meder Időtartam [nap] 4.2. ábra Anyagmérleg számítások: a terepfelszínre vonatkozó abszolút anyagmérleg Sem a kialakulás, sem a megszűnés okai kapcsán nem lehet egyértelmű szabályszerűségről vagy trendről beszélni. Ami biztonsággal kijelenthető: (i) A teljes vízforgalom abszolút értéke mellett a domináns hatótényezők relatív súlya is szélsőséges értékek között mozog: a tartomány az evaporáció (ábrán Q: Terep-Evap) és a beszivárgás (Q: Terep-HFZ) esetén hozzávetőlegesen 5-85%, míg a kiváltó okoknál (hóolvadás dv: hó; csapadék Q: eső, Q: hó) -1% közti. (ii) A rövidebb, egy hónap körüli időtartamú, jellemzően tavasz elején jelentkező elöntések esetében a hóban tárolt vízkészletnek (kiváltó ok), valamint a beszivárgásnak (megszűnés oka) jut döntő szerep. (iii) Bár az időtartam hosszabbodása előtérbe helyezi az esőként jelentkező csapadék (kiváltó ok) és az evapotranszspiráció (megszűnés oka) hatását, a kezdeti hókészlet a több hónapos események során is jelentős hatótényező lehet. A beszivárgás egy kivételtől eltekintve minden esetben meghatározó (> 24%). (iv) A teljes terület szintjén a terep-talajvíz és a terep-meder közvetlen kapcsolat súlya általában néhány százalékos. Az itt be nem mutatott térképes elemzések alapján ugyanakkor lokálisan ezek sok esetben számottevő hatások. A fentiek összefoglalásaként elmondható, hogy a felszíni tározás kapcsán megfogalmazott kérdésre nem adható egyértelmű válasz. A gyakorlati tapasztalatokkal összhangban (Dajka és Bacskai, 2) a belvíz kialakulására általános forgatókönyv nem állítható fel. Az esemény lezajlása, időbeli kiterjedése, a kiváltó és megszüntető tényezők abszolút mértéke és relatív súlya rendkívül változó lehet. Az adatok átlagolása csak átfogó képet adhat, amelyet a 4.1. Táblázat tartalmaz: dv TL dv hó Q eső Q hó Q TL-HFZ Q Evap Q TL-TV Q TL-ML Abszolút [mm] Relatív [%] Táblázat Anyagmérleg számítások: a terepfelszínre vonatkozó átlagos anyagmérleg Ez alapján a meghatározó kiváltó ok készlet oldalon a hóolvadás (-7%), a peremi tagok közül az eső (92%), míg a megszűnés elsősorban a felszíni beszivárgáshoz (-49%), és a párolgáshoz (-45%) köthető. 11

12 4.2.2 Teljes felszíni-felszín alatti tartomány A felszíni anyagmérleg alapján az elöntésben tárolt vízkészlet döntő része általában a felszín alá távozik. A háromfázisú zónába került vízkészlet sorsa azonban nem egyértelmű. Az ennek megfelelő vízmennyiség akár hosszabb távon is tározódhat a telítetlen vagy a telített zónában. Fizikai vagy biológiai párolgás útján elhagyhatja a modellezett rendszert. Vagy a talajvízbe jutva pótolhatja azt a vízmennyiséget, amelyet a csatornák vagy maguk a befogadók a talajt megcsapolva a területről elvezetnek. De hosszabb belvizek esetén a felszín alatti összegyülekezés révén a talaj befogadóképességét lokálisan csökkentve akár kedvezőtlenül is hozzájárulhat a mélyen fekvő területeken kialakult elöntések tartós fennmaradásához. Vagyis a felszíni anyagmérleg ugyan tisztázza azt, hogy a belvíz megszűnése közvetlenül mivel magyarázható, de nagyobb léptéken nem ad megnyugtató választ a kérdésre. Az egész mintaterületre felírt anyagmérleg megoldást jelenthet. Itt a tárolt készletváltozás (dv Teljes ) magában foglalja az összes modellezett közeget (intercepció, felszín, telítetlen és telített zóna, medertározás), míg a peremi vízforgalom négy elemre oszlik: csapadék (Q eső +Q hó ), összes evapotranszspiráció (Q ET ), talajvíz mélységi feláramlás (Q Ki-TV ) és nettó kifolyás (Q ML-Ki ) a felszíni vízfolyásokra (beleértve a belvízvédelmi rendszert és a természetes víztesteket is). dv Teljes ( Q + Q + Q )- ( Q Q ) = ( 4.2) eső hó Ki TV ET + ML Ki A mérlegegyenlet relatív eredményeit a 4.3. ábra adja meg. Ez alapján megállapítható, hogy az esetek közel kétharmadában a teljes tározott készlet kisebb-nagyobb mértékű csökkenése következett be. A csökkenés oka döntően az evapotranszspiráció, de a területről a vízfolyásokon keresztül kilépő víz aránya is számottevő: a vízfolyások átlagos csökkentő hatása 24%. A tárolt készlet csökkenését több dolog is előidézheti, az nem feltétlen az aktív vízelvezetés eredménye. Ennek eldöntésére több elemzést végeztünk, amik alapján azonban egyértelmű trend nem adódott. A kérdést legnagyobb biztonsággal a különböző vízkormányzást feltételező forgatókönyvek összehasonlításával lehet megválaszolni. dv: teljes Q: eső + hó Q: ET Q: Meder-Perem Q: Talajvíz-perem Kialakulás okai [%] -1% -8% -6% -4% -2% % 2% 4% 6% 8% 1% % 8% 6% 4% 2% % -2% -4% -6% -8% -1% Megszünés okai [%] Időtartam [nap] 4.3. ábra Anyagmérleg számítások: a teljes mintaterületre vonatkozó relatív anyagmérleg A felszíni mérleghez hasonlóan itt is megadhatóak az összes eseményre vonatkozó átlagos értékek ( 4.2. Táblázat). Ebből kitűnik, hogy a terület vízkészlete a belvizek során, ha csak kis mértékben is (-19 mm), de negatív mérlegű. A kilépő vízmennyiség átlagosan 31%-a távozik a Szamoson és a Krasznán keresztül. dv Teljes Q eső + Q hó Q Ki-TV Q ET Q ML-Ki Abszolút [mm] Relatív [%] Táblázat Anyagmérleg számítások: a mintaterületre vonatkozó átlagos anyagmérleg Természetes és mesterséges hatótényezők összehasonlítása A fentiek során már többször felmerült, mekkora a szerepe a három legfontosabbnak tartott tényezőnek, a beszivárgásnak, a párolgásnak és a belvízvédelmi rendszernek. Erre a levezetett mérlegegyenlet komponensekkel adható válasz. A 4.4. ábra utóbbiak relatív értékeit hasonlítja össze. Fontos megjegyezni,

13 hogy ebben az esetben zárt mérlegegyenlet nem írható fel, mert a beszivárgó és a csatornákban elvezetett térfogatok részben átfednek. Q: Terep-HFZ Q: Terep-Evap Q: grav Q: sziv 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Súly [%] Időtartam [nap] 4.4. ábra Anyagmérleg számítások: a természetes és mesterséges okokra felírt relatív anyagmérleg (a kék vonal a természetes és mesterséges hatótényezők összes eseményre vett átlagát jelzi) A védelmi rendszer a vizsgált összes vízforgalom átlagosan 22%-át teszi ki. Ezen belül a szivattyús átemelés és a gravitációs elvezetés aránya egy a kettőhöz. Érdemi trendről sem az időtartam, sem a készletváltozás függvényében nem beszélhetünk. Utóbbi abszolút értéke általában többszörösen meghaladja az elvezetett vízmennyiséget Belvízi tározási hurokgörbe Bizonyos esetekben a lefolyás napi idősora a fajlagos elöntés függvényében sajátos módon alakul. A jelenségről Pálfai (24) írt, és arra az árvízi hidrológiából ismert fogalom analógiájaként belvízi/lefolyási hurokgörbeként hivatkozott. Hasonló nemlineáris kapcsolatot fedeztünk fel a fajlagos elöntés és a tározott térfogat szimulált idősorai között is ( 4.5. ábra). Ennek elnevezésére a belvízi tározási hurokgörbét javasoljuk. 15 (a) 35 (b) Tározás [1e6 m 3 ] Tározás [1e6 m 3 ] Apadás Elöntés Fajlagos elöntés [ha km -2 ] Fajlagos elöntés [ha km -2 ] 4.5. ábra Tározás a fajlagos elöntés függvényében: (a) egy konkrét eseményre, (b) a teljes Jelen forgatókönyvre A lefolyási görbéhez hasonlóan a tározási hurokgörbe is a síkvidéki vízgyűjtők nemlineáris viselkedésének következménye. Alakulása a belvízi öblözetre/védelmi rendszerre jellemző: a terepfelszín geometriája és a csapadékeseményeket követő összegyülekezés előre haladottsága együttesen határozzák meg azt, hogy adott térfogatú víz mekkora elöntést okoz. Elméleti és valós vízgyűjtőkön végzett számítások segítségével kimutatható, hogy a hurokgörbe és így maga a jelenség is hiszterézis jellegű: az elöntési folyamatok alakulása erősen függ a megelőző állapotoktól. Emiatt elöntési hullámok sorozata egymásba ágyazódó görbékhez vezet. A tározás és elöntés közti jellegzetes kapcsolatra a tapasztalati térfogatadatok időbeli felbontása és pontatlansága miatt érthető módon hosszú időn keresztül nem derült fény. Mára a jelenség pl. a térfogat műholdfelvételekre alapozott becslésével közelítő jelleggel igazolható (Derts, 213). 13

14 5. KOCKÁZATALAPÚ FORGATÓKÖNYV ELEMZÉS 5.1. A kidolgozott forgatókönyvek A belvízi szélsőségek hidrológiai és statisztikai tulajdonságai, illetve gazdasági vonatkozásai a jövőben potenciálisan három fő hatótényező miatt változhatnak: (i) módosuló vízkormányzás, (ii) éghajlatváltozás, valamint (iii) területhasználat-váltás. Korábbi elemzéseink (Jolánkai et al., 2, Kozma et al., 2) során már körvonalazódott, hogy a vízvisszatartásra és az alkalmazkodó területhasználatra egyaránt támaszkodó szcenáriók a jelenlegi gyakorlatnál hidrológiai és gazdasági szempontból is kedvezőbbek lehetnek (a közelmúltbeli és módosult éghajlat mellett is). Ezért az itt bemutatott forgatókönyv-elemzések során arra kerestük a választ, hogy az éghajlatváltozás várhatóan kedvezőtlen hatásai mérsékelhetőek-e csak a vízrendezés átalakításával. Ehhez összesen forgatókönyvet modelleztünk, amelyek a meteorológiai és a vízkormányzási peremfeltételeikben különböznek egymástól. A négy alkalmazott éghajlati variánsból egy a közelmúltban mért adatokra, míg három az IPCC által javasolt kibocsátási forgatókönyvekre támaszkodik (IPCC SRES, 2, illetve PRUDENCE 1 projekt). Utóbbiak közül a referenciaként szolgáló Kontrol, valamint az A2 (legpesszimistább) és B2 (mérsékelten optimista, reális) szcenáriókat választottuk ki. Ezek a és közti időszakok feltételezett csapadék és hőmérséklet idősorait adják meg. A vízkormányzás kapcsán három lehetőséget vizsgáltunk: (1) a jelenlegi, alapvetően vízelvezetésre alapuló megközelítés (FETIVIZIG, 28), (2) a védekezés egyik legköltségesebb elemét jelentő szivattyús átemelés elhagyása, valamint (3) az aktív belvízvédelem felhagyása (~vízvisszatartás). A (2) opció esetén a modellben csak az átemelő és esésnövelő szivattyúzást kapcsoltuk ki, a befogadóba történő gravitációs elvezetést továbbra is lehetővé tettük. Ezzel szemben a (3) esetben a zsilipek üzemrendjét úgy módosítottuk, hogy gravitációs lefolyás is csak az Sz-1 szivattyúnál és a Szamos Holtág végén található zsilipnél alakulhat ki ( 2.2. ábra). Emellett a rendszer belső zsilipjeit nyitott állapotba állítottuk, így azok a víz mozgását egyik irányban sem korlátozzák. Továbbá a vízvisszatartásos forgatókönyvekben a karbantartás hiányának reprezentálásaként a Manning-féle érdességi tényező értékét az összes belvízvédelmi csatornában kétszeresére növeltük. # Leírás Azonosító Időszak Szivattyús átemelés Meteorológia Vízvisszatartás 1. Jelen Jelen Jelen szivattyúzás nélkül Jelen-sziv Mért Jelen vízvisszatartás Jelen-alt - 4. Klíma kontrol Kontrol Klíma kontrol szivattyúzás nélkül Kontrol-sziv Kontrol Klíma kontrol vízvisszatartás Kontrol-alt - 7. Klíma A2 A Klíma A2 szivattyúzás nélkül A2-sziv A Klíma A2 vízvisszatartás A2-alt - 1. Klíma B2 B Klíma B2 szivattyúzás nélkül B2-sziv B Klíma B2 vízvisszatartás B2-alt Táblázat A vizsgált mintaterületi forgatókönyvek 5.2. Valószínűségi és hidrológiai jellemzés A hidrológiai vizsgálatokhoz hasonlóan a különböző fajlagos elöntésű és tartósságú belvizek előfordulási valószínűségeinek meghatározása is az események leválogatására alapul. A különböző kiterjedésű és tartósságú belvizek relatív tapasztalati gyakorisága meghatározható a teljes idősor többszöri szűrésével úgy, hogy közben az A p (i) és a τ p (j) küszöbértékeket lépcsőzetes változtatjuk. A forgatókönyvekre minden esetben ugyanazokkal a beállításokkal végeztük el a leválogatást. Ezeket az 5.2. Táblázat tartalmazza. A tér- és időbeli határértékek függvényében adódik a különböző mértékű elöntések előfordulási valószínűségeinek mátrixa, melyet grafikusan négy forgatókönyvre az 5.1. ábra szemléltet. 1 PRUDENCE: Prediction of Regional Scenarios and Uncertainties for Defining European Climate Change Risks and Effects 14

15 Kritérium Alsó határ Felső határ Lépésköz Lépések száma A p (i)[ha km -2 ],25 2,25,25 τ p (j)[nap] Táblázat Belvizek valószínűségeinek meghatározásához alkalmazott határértékek tartományai Az ábrák szürkeárnyalatos színkitöltése a modelleredmények leválogatásával előállított tartósság-fajlagos elöntés határérték párokhoz rendelt tapasztalati valószínűségekre utal. Az ezekre illesztett burkoló- vagy kontúrgörbék a védelmi rendszerek méretezése során alkalmazott valószínűségekhez tartoznak. Az ábrák segítségével meghatározható, hogy adott kiterjedésű és tartósságú vízborítás milyen valószínűséggel 1 éves időszakban átlagosan hány évente alakul ki. Például az (a) esetet tekintve: a mintaterület legalább 3%- ára kiterjedő elöntés tízévente (1%-os kontúr) mintegy húsz napos, ugyanakkor húszévente (5%-os kontúr) már közel 8 napos tartózkodással fordul átlagosan elő. Fajlagos elöntés [ha km -2 ] % 2% 5% 1% 2% 5% Jelen Fajlagos elöntés [ha km -2 ] % 2% 5% 1% 2% 5% Jelen-alt Tartósság [nap] Tartósság [nap] Fajlagos elöntés [ha km -2 ] % 2% 5% 1% 2% Kontroll Fajlagos elöntés [ha km -2 ] % 2% 5% A Tartósság [nap] Tartósság [nap] 5.1. ábra A Szamos-Kraszna mintaterületre szimulációs úton levezetett előfordulási valószínűségek a fajlagos elöntés és a tartósság függvényében a négy szemléletesség kedvéért választott forgatókönyvre A szimulációkra alapuló valószínűségi ábráknak külön jelentőséget ad az, hogy segítségükkel hidrológiai szempontból rendkívül szemléletesen hasonlíthatóak össze a különböző forgatókönyvek eredményei. A szemléletesség kedvéért kiválasztott négy eset ( 5.1. ábra) kapcsán a következők állapíthatók meg: (i) A várakozásnak megfelelően az aktív védekezést mellőző Jelen-alt szcenárióra a belvizek kiterjedése és tartóssága is növekszik. Példaként említhető, hogy a 9 napos tartósságú elöntések gyakorisága közel duplázódik. (ii) A szakmai feltevésekkel (Kozák, 26) összhangban a belvízvédekezés mellőzése elsősorban a tartósságot növeli. Ugyanakkor kisebb mértékben, de a fajlagos elöntés nagysága is növekszik. (iii) A mért peremfeltételekre alapuló Jelen és a generált Kontrol forgatókönyvek közti eltérés markáns. Ez külön kiemeli 15

16 a referencia szcenárió jelentőségét: a jövőbeli feltételezett éghajlati forgatókönyvek összevetése csak ezzel helytálló, és nem pedig a mért adatokkal. (iii) A pesszimista A2 esetben a belvíz gyakorlatilag eltűnik a területről. Ennek közvetlen gazdasági következményei akár kedvezőek is lehetnek (lásd. lentebb), de hidrológiai szempontból mindenképp kétséges lehet a feltételezett trend megítélése. A valószínűségi ábrák összefoglalásaként a 5.3. Táblázatában minden szcenárióra feltüntettük a 2%-os fajlagos elöntéshez és 1 napos tartózkodáshoz tartozó valószínűségeket. A táblázat a forgatókönyvek további hidrológiai mutatóit is megadja. Számos megállapítás tehető, itt csak a következőt emeljük ki: A teljes mintaterületre leválogatott belvizek összegzett időtartama alapján a szivattyús átemelés csak 4-6%-kal csökkenti a tartósságot. Ez összhangban van a korábban bemutatott mérlegegyenlet elemzésekkel is. Ezzel szemben a vízkormányzás elhagyásának hatása igen markáns: a bemenő meteorológiai adatoktól függetlenül 4%-ot meghaladóan növeli a belvizes napok számát. # Azonosító Belvizes napok száma Valoszínűség (1 napos 2%-os fajl. elöntés) Tényleges Diff. Tényleges Diff. átlag szórás 1. Jelen 1863 ref 17% ref 2. Jelen-sziv % 18% 1% 3. Jelen-alt % 21% 4% 4. Kontrol 1417 ref % ref 5. Kontrol-sziv % 13% 1% 6. Kontrol-alt % 17% 4% 7. A % 1% -11% 8. A2-sziv 94-93% 1% -11% 9. A2-alt % 4% -9% 1. B % 6% -6% 11. B2-sziv 88-43% 7% -6%. B2-alt % 9% -3% Talajvíz mélység Táblázat Forgatókönyvek aggregált hidrológiai és valószínűségi mutatói (a Diff. oszlopok a választott referencia forgatókönyvhöz képesti változást adják meg százalékosan) 5.3. Kockázatalapú értékelés A mezőgazdasági kockázat számítása a belvíz mellett az aszály miatti terméskiesésre is kitér. A módszer alapja a szántóföldi növények hozamának becslése, ami jellegéből fakadóan meglehetősen bizonytalan (Penning et al., 1989; Tarnawa et al., 21), de a kérdéskör szempontjából nélkülözhetetlen szakterület. A kifejlesztett becslő módszer elméleti szempontból egyszerűsített: a vízellátottságon kívül a termőhely egyéb sajátosságait csak aggregált módon, a paraméterként megadott átlagos terméshozam formájában veszi figyelembe (Kozma et al., 2/a). A két szélsőség leírásához számos bemenő agroökológiai adatra van szükség. Ezek az irodalomból származó összegzett/átlagos jellemzők. Vagyis a számított eredményeket modell- és adatbizonytalanság is terheli, amik mérséklése túlmutat a cikk keretein. Ezért a kockázatszámítás kapcsán szintén érvényes, hogy az elsősorban a forgatókönyvek összehasonlítását teszi lehetővé. A mezőgazdasági kockázatok meghatározásához a területen legnagyobb arányban termelt búza és kukorica hozambecslését végeztük el. A két növény arányát a KSH megyei bontású adatai alapján egyszerűsítve 3:7%-ra állítottuk be. A vízigényesebb búza tenyészideje az év korábbi szakaszára (március-június) esik, míg a szárazságtűrőbb kukoricáé (május-szeptember). Az 5.2. ábra a jelenlegi éghajlat esetén mutatja be a vízelvezetésre (Jelen) és a vízvisszatartásra (Jelen-alt) alapuló forgatókönyvek kockázattérképeit. Az 5.4. Táblázat az összes vizsgált forgatókönyv kockázatalapú összehasonlítását adja meg. Az ebben feltüntetett összegzett kockázat a 3 évre meghatározott kár éves átlagos értéke a teljes mintaterületre. Ennek megváltozása mellett az utolsó oszlopban a víztöbblethez és vízhiányhoz köthető károk arányát is feltüntettük. A mutató egyenesen arányos a belvíz-, illetve aszálykárok hányadosával, pozitív értéke azt jelzi, hogy a mezőgazdasági kár elsősorban a víztöbblet miatt alakult ki. 16

17 (a) (b) 5.2. ábra A jelen állapot (Jelen) és a vízvisszatartásos (Jelen-alt) forgatókönyvek kockázattérképei A Jelen forgatókönyv aggregált kockázatát irodalmi adatokkal (Pinke, 2/b) vetettük össze, az átlagos éves kár hasonlóan több száz mft-os tartományban mozog. A jelenlegi és feltételezett kontrol éghajlati viszonyok mellett a vízelvezetés megszüntetésével a kockázat egyértelműen növekszik. A hidrológiai értékelés tapasztalataihoz hasonlóan pusztán a szivattyúzás elhagyása nem okoz jelentős változást. Az éghajlati viszonyok jelentős módosulása a kockázatra sajátos módon hat. A mezőgazdasági károk szempontjából a legpesszimistább, jelentős felmelegedéssel járó A2-es forgatókönyvek bizonyultak a legkedvezőbbnek a referenciához (4. Kontrol) képest a kockázat közel 9-16%-kal csökkent. Ennek oka a gyakorlatilag megszűnő belvízi veszélyeztetettség (a 3 év alatt egy hónapnyi belvíz adódott 5.3. Táblázat). A terület vízkészlete azonban nem csökken olyan mértékben, hogy az az aszálykár jelentős növekedését okozná. Utóbbi értékét a vízvisszatartás hatása tovább csökkenti, így a számítások alapján a 9. számú A2-alt forgatókönyv bizonyult a legkedvezőbbnek. # Azonosító Veszteségek Aggregált kockázat okainak aránya (+): Belvíz [mft/év] diff (-): aszály 1. Jelen 598 ref Jelen-sziv % Jelen-alt % Kontrol 594 ref Kontrol-sziv % Kontrol-alt % A % A2-sziv % A2-alt % B % B2-sziv % -.3. B2-alt % Táblázat A Szamos-Kraszna Köz aggregált mezőgazdasági kockázatának mutatói 17

18 A kockázatra kapott eredmények eltérnek az előzetes várakozástól (ami szerint a vízvisszatartás kedvező, az éghajlatváltozás kedvezőtlen lenne). Ez több dologgal magyarázható. Először is természetesen elképzelhető, hogy lokálisan, adott mintaterület esetén a belvíz visszaszorulása a jelenlegi területhasználati szerkezet mellett mezőgazdasági szempontból valóban kedvező. Emellett az eredmények arra utalnak, hogy pusztán a vízkormányzás átalakítása nem vezet optimális kockázatszintre. Ehhez az alkalmazkodó területhasználat kidolgozása nélkülözhetetlen, amit a javasolt módszer szintén lehetővé tesz (Koncsos, 211, Kozma et al., 2). Végül a növényzet víz- és szárazságtűrését leíró paraméterek pontos meghatározására, kalibrálására nem volt mód, így azok az irodalmi adatokra alapuló becslésből származnak. Vagyis az aszályra és belvízre való viszonylagos érzékenység bizonytalan. Ennek pontosítása mezőgazdász szakértő bevonásával számottevően változtathat az eredményen. 6. ÖSSZEGZÉS, KÖVETKEZTETÉSEK A belvízzel kapcsolatos tudás jelentősen bővíthető az ismertetett, integrált hidrológiai modellezésre és forgatókönyv elemzésre támaszkodó módszer segítségével. Ennek szemléltetésére mutattuk be a Szamos- Kraszna közi mintaterületre elvégzett esettanulmányunkat. Az eredmények hozzájárultak a belvízvédelmi rendszerrel, az éghajlat-változással, az integrált hidrológiai modellezéssel és az ezzel összefüggő adatigénnyel kapcsolatos tudás mélyítéséhez. A módszer lehetőséget nyújt a jelen állapot és a különböző tervezési variánsok elemzésére is. Az egyes forgatókönyvek összehasonlítására több indikátort dolgoztunk ki. A vizsgálatunk eredményeit az alábbi pontokban foglaljuk össze: Az integrált hidrológiai modellezés általános tapasztalatai (a) Az érzékenységvizsgálatból kiderült, hogy a peremfeltételekre érzékeny a modell, ami hangsúlyozza a mérések nélkülözhetetlenségét. Fontos tapasztalat, hogy a felszíni vízjárás hatása csak a szivattyúzás esetében számottevő. Ezzel szemben az elöntés tekintetében igen mérsékelt, a csapadék jelentőségéhez képest elhanyagolható. Az érzékeny paraméterek közül a kapillaritás hatása a legnagyobb. (b) A kalibráció sikeres volt: a felszíni vízjárás, a talajvíz és a vízborítás mért és számított idősorai jó egyezést mutattak. A belvíz térbeli kiterjedése cellaszinten nem pontos, de a terület kisebb alegységeivel már megfelelő az egybeesés, ezért az eredményeket is célszerű ezen a léptéken értelmezni. (c) A kalibráció pontosítható további mérési adatokkal és adott esetben a számítási modell továbbfejlesztésével. A terepi adatok közül a legfontosabbak: műholdképekből származtatott vízborítás térképek és idősorok, talajnedvesség mérések, talajvízforgalmi számítások vagy mérések, részletesebb meteorológiai adatbázis. A mintaterületi hidrológiai mérlegelemzések fontosabb tanulságai (a) A síkvidéki vízgyűjtőkre hiszterézis jellegű kapcsolat belvízi tározási hurokgörbe mutatható ki. A görbék sokasága az elöntés és a tározás közti nemlineáris összefüggést jellemzi: adott térfogathoz tartozó vízborítás annak függvénye, hogy apadási vagy elöntési szakaszról van-e szó. (b) A vízmérleg elemzésekkel az eddiginél pontosabban becsülhető a védekezés hatékonysága. A Szamos- Kraszna mintaterületre a mesterséges (gravitációs és szivattyús elvezetés) és természetes (párolgás, beszivárgás) hatások viszonya 1:4. A mesterséges elvezetésben belül a szivattyúzás aránya 2-5%. A forgatókönyv-elemzés eredményei (a) A hidrológiai elemzések alapján az átlagos talajvízszint bizonyult az egyik fontos indikátornak. Erre a peremeknek nagy hatása van, ami az éghajlat-változási forgatókönyvek eredményeiből jól látszódik: az eredmények alapján a jövőben akár 3-85 cm-es talajvízszint csökkenés is várható. (b) Minden forgatókönyvre megállapítottuk az előfordulási valószínűségeket a fajlagos elöntés és a tartósság függvényében. Az eredményt grafikusan is ábrázoltuk, amiből többek között arra következtethetünk, hogy a belvízvédekezésnek a tartósságra nagyobb hatása van, mint a belvíz kiterjedésére. Szintén valószínűségi elven kimutattuk, hogy az éghajlatváltozás hatására várhatóan a belvizek kiterjedése és tartóssága is jelentősen csökken. (c) A belvíz gazdasági szempontú értékeléséhez cella és mintaterület léptéken is számszerűsítettük az aszály/belvíz eredetű mezőgazdasági károkat. A cellaszintű kárbecslés lehetővé teszi belvízi kockázattérképek készítését, amire két példát mutattunk be. Az eredmények alapján az éghajlatváltozás 18

19 feltételezett forgatókönyvei esetén a belvízkár várhatóan csökken, ami viszont együtt jár az aszály miatti terméskiesés növekedésével. Utóbbi mérsékelhető vízvisszatartással, ami felhívja a figyelmet az esetleges tájhasználat váltás szükségességére. Ennek vizsgálata a kidolgozott módszerrel lehetséges. Az eddigi eredmények a módszer egy továbbfejlesztési irányát is kijelölik megjegyzendő, hogy ez már túlmutat a mérnöki/modellezői szakterületen. A kockázati tételek további bővítésével (pl. védekezés költségei, belterületi kárbecslés, beárazott ökoszisztéma szolgáltatások) becsülhetővé válik a belvízvédelmi rendszer költséghatékonysága. A védekezés költségeinek és az elhárított károk aránya a vízrendezési-területhasználati tervek hasznos mérőszáma lehet. 7. IRODALOM [1] Bakonyi, P., Bálint, G., Józsa, J., Koncsos, L., Krámer, T., Szilágyi, J., 29. Az elöntési veszélytérképezés metodikája. MHT 27. Országos Vándorgyűlés, Baja. ISBN [2] Dajka, I., Bacskai, A., 2. A belvízvédekezés tapasztalatai között, a FETIVIZIG működési területén. MHT 3. Országos Vándorgyűlése, Kaposvár, 2. július 4-6. ISBN [3] Daniel, E.B., Camp, J.V., LeBoeuf, E.J., Penrod, J.R., Dobbins J.P., Abkowitz, M.D., 211. Watershed Modeling and its Applications: A State-of-the-Art Review. The Open Hydrology Journal, 211, 5, [4] Derts, Zs., 213. Estimation of water volume from excess water coverage observations by using GIS tools. Second Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, June 213, Budapest, Hungary (accepted) [5] European Union Sixth Framework Program, Water Scenarios for Europe and for Neighbouring States (SCENES), SCENES Webservice, [6] Felső-Tisza-vidéki Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság, 28. A számú Szamos-Kraszna közi belvízvédelmi szakasz védelmi terve. Mátészalka, 28. [7] Ijjas, I., 22. Területi vízgazdálkodás. In: Somlyódy, L. (Szerk.) A hazai vízgazdálkodás stratégiai kérdései. Magyar Tudományos Akadémia, Budapest. ISBN: [8] Jolánkai, Zs., Kozma, Zs., Muzelák, B., Koncsos, L., 211. Alternatív tájgazdálkodási forgatókönyvek vizsgálata Nagykörű térségében a WateRisk hidrodinamikai modellrendszer segítségével. A Magyar tudomány ünnepe Összhang Tudomány a gazdaságban és a társadalomban VII. Alföldi Tudományos Tájgazdálkodási Nap, Barancsi Á. és Hernyák G. (Szerk.), pp , Szolnoki Főiskola, Szolnok 211. ISBN [9] Jolánkai Zs., Kardos M, Koncsos L., Kozma Zs., Muzelák B., 2. Pilot Area Studies in Hungary with a Novel Integrated Hydrologic Model WateRisk. Proceedings of the 6th IWA International Conference for Young Water Professionals, 1-13 July 2, Budapest, Hungary, (CD id: IWA-984) [1] Koncsos, L., Balogh, E. 29. Belvízkockázatok számítása korszerű hidroinformatikai eszközökkel. MHT 27. Országos Vándorgyűlés, Baja. ISBN [11] Koncsos L. (szerk.) 211. Jövőképtől a vízkészlet kockázatig, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, ISBN [] Kozák, P. 26. A belvízjárás összefüggéseinek vizsgálata az Alföld délkeleti részén, a vízgazdálkodás európai elvárásainak tükrében. Doktori értekezés, Szegedi Tudományegyetem, Szeged, 26. [13] Kozák, P. 29. Belvízi kockázat térképezés végrehajtásának eddigi tapasztalatai. MHT 27. Országos Vándorgyűlés, Baja. ISBN [14] Kozma, Zs., Koncsos, L., 211. Methodological Overview of a Coupled Water Resources Management Model System Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, B.H.V. Topping and Y. Tsompanakis, (Editors), Civil-Comp Press, Stirlingshire, United Kingdom, paper 157, 211. doi:1.423/ccp [15] Kozma, Zs., Parditka, G A WateRisk Integrált Hidrológiai Modell. In: Koncsos L. (szerk.) 211. Jövőképtől a vízkészlet kockázatig, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, Budapest, ISBN [16] Kozma, Zs., Koncsos, L., Jolánkai, Zs., Kardos, M., Koncsos, T., Muzelák, B., Parditka, G., Liska, B., Derts, Zs., 2/a. Overview of risk based water resources scenario analysis the WateRisk decision support system. Proceedings of the 6th IWA International Conference for Young Water Professionals, Budapest, Hungary, (CD id: IWA-9847) [17] Kozma, Zs., Derts, Zs., Kardos, M., Koncsos, L., 2/b. A mezőgazdasági termelés mint ökoszisztéma-szolgáltatás értéke: hidrológiai modellhez kapcsolt számítási módszertan. Tájökológiai lapok, 1.(1):

20 [18] Körösparti, J., Bozán, Cs., Pálfai, I., Orlóci, I., Kuti, L.,Pásztor, L. 27. A belvíz-veszélyeztetettség térképezésének fejlődése. TSF Tudományos Közlemények, 27. Tom. 7. sz kötet. pp [19] van Leeuwen, B., 2. Mesterséges neurális hálózatok és földrajzi információs rendszerek használata a belvízosztályozásban. Doktori (PhD.) értekezés. Szegedi Tudományegyetem, Szeged, 2. [2] Mádlné Szőnyi, J., Tóth, J. 27. A Duna-Tisza köze vízföldtani típusszelvény és a szikesedés összefüggései. Földrajzi Közlemények, 131. évf. 55. köt. 4. sz, pp [21] Pálfai, I., Bozán, CS., Herceg, Á., Kozák, P., Körösparti, J., Kuti, L., Pásztor, L. 24. Komplex Belvízveszélyeztetettségi Mutató (KBM) és Csongrád megye ez alapján szerkesztett belvíz-veszélyeztetettségi térképe. II. Magyar Földrajzi Konferencia: A magyar földrajz kurrens eredményei, Szeged 24. ISBN: [22] Pálfai, I., 24. Belvizek és Aszályok Magyarországon. Hidrológiai tanulmányok. Vituki, Budapest [23] Pechlivanidis, I.G., Jackson, B.M., Mcintyre, N.R., Wheater, H.S Catchment scale hydrological modelling: a review of model types, calibration approaches and uncertainty analysis methods in the context of recent developments in technology and applications. Global NEST Journal, Vol 13, No 3, pp , 211 [24] Penning de Vries F.W.T., Jansen D.M., ten Berge H.F.M., Bakema A Simulation of ecophysiological processes of growth in several annual crops. Centre for Agricultural Publishing and Documentation (Pudoc), Wageningen, the Netherlands, ISBN [25] Pinke, Zs. 2/a. Aszály-, belvízkárok és az árvízvédelmi ökoszisztéma szolgáltatás értékelésének szerepe a belvizes területek vizes élőhellyé alakításában. Tájökológiai Lapok 1. (2): [26] Pinke, Zs. 2/b. A költség alapú értékelés és a szabályozó ökoszisztéma szolgáltatások szerepe a belvizes területek vizes élőhellyé alakításában. Természetvédelmi Közlemények 18: [27] Rakonczai, J., Mucsi, L., Szatmári, J., Kovács, F., Csató Sz. 21. A belvizes területek elhatárolásának módszertani lehetőségei. Magyar Földrajzi Konferencia, Szeged 21. ISBN [28] Rakonczai, J., Csató, Sz., Mucsi, L., Kovács, F., Szatmári, J., 23. Az és 2. évi alföldi belvízelöntések kiértékelésének gyakorlati tapasztalatai. In: Szlávik, L. (szerk.), Vízügyi Közlemények Különszám: Tiszavölgyi árvizek és belvizek a XX. és XXI. század fordulóján, VITUKI 23, [29] Somlyódy, L Magyarország vízgazdálkodása: helyzetkép és stratégiai feladatok. Budapest: Magyar Tudományos Akadémia, Köztestületi Stratégiai Programok. [3] Sophocleous, M., 2. Interactions between groundwater and surface water: the state of the science. Hydrogeology Journal (22) 1: [31] Szabó, Zs. 21. Belvízcsatorna-rekonstrukciós munkálatok hatásainak térinformatikai elemzése síkvidéki mintaterületen. Agrárinformatika, 1(3):4-47. [32] Tarnawa Á., Klupács H., Balla I., Jolánkai M., 21. Szántóföldi növények termésstabilitásának klimatikus tényezői. A XX. Keszthelyi Növényvédelmi Fórum kiadványa, pp [33] Thompson, J.R., Sørensonb, H.R., Gavina, H., Refsgaardb, A. 24. Application of the coupled MIKE SHE/MIKE 11 modelling system to a lowland wet grassland in southeast England. Journal of Hydrology 293 (24) [34] Thyll, Sz., Bíró, T., A belvízveszélyeztetettség térképezése. Vízügyi Közlemények, 81 (4): [35] Tomor, T. 27. Térinformatika alkalmazási lehetőségei a környezeti konfliktusok kezelésében. Doktori (PhD) disszertáció, Debreceni Egyetem, Debrecen, 27. [36] Ungvári, G., Molnár, Zs., Varga, Gy. Ellison, D. 2. Ökoszisztéma-szolgáltatások nagyságrendi becslése vízgyűjtő szinten a vízkörforgást leíró vízháztartási jellemzők alapján. Műhelytanulmány. Regionális Energiagazdálkodási Kutatóközpont, Budapest. [37] Vámosi, S. 22. A belvizek hatása az alföldi régiók fejlesztésére. Doktori (PhD) értekezés, Debreceni Egyetem, Debrecen, 22. [38] Váradi, J., 21. Az árvízkockázat kezelés metodikája. (előadás diái). [39] VÁTI Magyar Regionális Fejlesztési és Urbanisztikai Kht, 25. A termőhelyi adottságokhoz igazodó agrárstruktúra-váltás lehetőségei. Budapest, 25. [4] VITUKI CONSULT Rt., ÖKO Rt. 25: A Szamos-Kraszna közi árapasztó tározó előzetes környezeti tanulmánya. t.htm [41] Vízügyi és Környezetvédelmi Központi Igazgatóság (VKKI), 211. Tájékoztató a évi belvízi helyzetről. 2