A BESZIVÁRGÁS MÉRTÉKÉNEK MEGHATÁROZÁSA A DUNA-TISZA-KÖZÉN HIDRODINAMIKAI ÉS TRANSZPORTMODELLEZÉSSEL

Átírás

1 A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) A BESZIVÁRGÁS MÉRTÉKÉNEK MEGHATÁROZÁSA A DUNA-TISZA-KÖZÉN HIDRODINAMIKAI ÉS TRANSZPORTMODELLEZÉSSEL Kompár László Ph.D. hallgató Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, 3515 Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, hgkompar@uni-miskolc.hu Kivonat A Duna-Tisza-köze Magyarország egyik legnagyobb un. tisztán leáramlási területe, a csapadékból történő beszivárgás mértéke itt a legnagyobb. Egy, az IAEA által koordinált nemzetközi projekt kapcsán Magyarországon is egy kutatócsoport vizsgálja a beszivárgás mértékét egy megfelelően kiválasztott mintaterületen. A kutatómunka célja egy hidrodinamikai és egy transzportmodell készítése a területre, mégpedig trícium izotópos vizsgálatokra alapozva, és lekövetni a csapadékból történő beszivárgás mértékét, kapni egy átfogó képet a jellemző szivárgáshidraulikai helyzetről. Abstract The Duna-Tisza-köze is one of the largest recharge area in Europe. There is an international project which is coordinated by the IAEA to investigate the recharge at some place in Europe. In Hungary a researching group do these researches at a sampling site namely Méntelek. The aim of this research is build a flow and transport model for the sample site which base on tritium isotope measurements. Afterthere we can estimate the annual recharge, and understand the hydraulic situation of this area. 1. Bevezetés A felszín alatti vizeknek manapság egyre nagyobb szerepe van a vízellátásban, különösképpen igaz ez Magyarországra, hiszen az ivóvízszükségletet 95%-ban ebből fedezik hazánkban. A felszín alatti vizek mennyisége nagymértékben függ a csapadékból történő beszivárgástól, amelyre nagy hatással vannak a csapadék, elfolyás és az evapotranszspiráció. Számos nyomjelzéses vizsgálat ismert a felszín alatti vizek függőleges mozgásának követésére porózus kőzetekben (Juhász, 2002). A legmodernebbeknek azonban a környezeti izotópokkal történő vizsgálatok (Marton, 2009), különösképpen a 3 H/ 3 He bomlási arányból történő meghatározás számít ben egy, a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (International Atomic Energy Agency = IAEA) által létrehozott nagyszabású projekt indult több ország 411

2 Kompár László együttműködésével. Miden résztvevő országban kijelölt mintaterületeken, előre megszabott vizsgálatokat kell elvégezni. A magyarországi mintaterület Méntelek, ami Ma Duna-Tisza-közén található Kecskemét közelében. A terület Európa egyik legnagyobb üledékes medencéje, amelynek legnagyobb nagyrészt homok és kavics a felépítő anyaga. A területre jellemző átlagos csapadékmennyiség 560 mm/év, korábbi mérések alapján az átlagos beszivárgás pedig mm/év ban egy kútfészek lett telepítve a területen, amely 4, azonos átmérőjű kutat jelent egy nagyobb átmérőjű kútban, és mind a 4 kút különböző mélységekben, különböző rétegeket szűrőznek be. Abban az időben trícium izotópos vizsgálatok lettek elvégezve, melyek eredményei alapján jól látszik az 1963-as trícium csúcs 12 m mélységben, ebből tudunk következtetni a beszivárgás mértékére (Deák et al. 2000) ban volt ugyanis a legnagyobb a légkörben a trícium koncentráció a magas légköri atomkísérletek miatt, amely a csapadékkal jelentkezett a felszín alatti vizeknél. A projekt résztvevői Magyarországról a Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézete, a Miskolci Egyetem Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszéke, továbbá a GWIS Kft. 2. Az alkalmazott módszer alapjai 2010 decemberében a Kecskeméttől észak-nyugati irányban, mintegy 12 km távolságban létesített egykori liziméter állomáson történtek trícium izotópos vizsgálatok. A terepi méréssorozat célja volt az 1998-ban kialakított kútnégyesből történő vízmintavétel, így a 4 kút által szűrőzött különböző rétegekből információhoz jussunk a talajvíz trícium tartalmát illetően ábra. A Ménteleken található kútfészek. A 3 H a hidrogén atom 3-as tömegszámú, radioaktív izotópja, eltérés csupán a neutronszámban van a hidrogéntől. A trícium az atmoszféra felső rétegében, természetes úton keletkező izotóp, viszonylag rövid, 12,4 év a felezési ideje,

3 Termálkarsztkutak és vizük felhasználása Egerszalókon és Demjénben továbbá β bomlással 3 He izotóppá bomlik. A trícium koncentrációját a trícium egységgel (külföldi szakirodalmak alapján Tritium Unit = TU) mérjük. 1 TU jelenti azt a mennyiséget, ami előfordul hidrogén atomban. Természetes körülmények között a trícium mértéke igen alacsony, mintegy 2-10 TU. Az 1950-es évektől kezdődő magas légköri atomkísérletek idején ez a mérték elérte a es TU-t is. A levegő trícium-koncentrációja az 1963-as évtől kezdve folyamatosan csökkent, ma Magyarországon közelítőleg 10 TU a mértéke terjedő időszakra a 2. ábra mutatja a magyarországi csapadék trícium tartalmát Trícium tartalom [TU] Idő [év] 2. ábra. A magyarországi csapadékban a trícium tartalmának időbeli változása. Viszonylag rövid felezési ideje miatt kellően magas felbontású képet kaphatunk az utóbbi 50 év történéseiről. A trícium tartalmú esővíz ugyanis a felszín alá beszivárogva a felszín alatti vizeket táplálja, és az ott jelen lévő víz a mai napig tartalmaz valamennyi tríciumot abból, ami a beszivárgásnál oldva volt a vízcseppekben. Így aztán a tríciumos kormeghatározás segítségével kaphatunk képet a beszivárgás évi mennyiségéről. Az 1950-es évektől kezdve a ménteleki állomás folyamatosan bővült: talajvízállás, talajhőmérséklet, talajnedvesség, csapadék, napsugárzás, léghőmérséklet, légnedvesség, párolgás, szélsebesség én intercepció figyelésére alkalmas berendezések lettek kialakítva ben több lizimétert is kialakítottak a mérőállomáson, közvetlenül a felszín alá történő beszivárgás lekövetésére. A terület általános leírására megfelelő az 1997 júliusában mélyített próbagödör, illetve a későbbiekben kialakított kútnégyes fúrási naplói alapján 413

4 Kompár László megismert paraméterek. A talajra jellemző, hogy a legfelső 30 cm gyökérzettel erősen átszőtt, de ugyanakkor nagyon homogén közepes és finom homokokból tevődik össze, magas humusztartalom jellemzi a legfelső részeket. Ez a humusztartalom azonban a mélységgel csökken, nagyjából 20 cm-es mélységnél már nagyon kismértékben figyelhető csak meg. Az akkori szelvényfelvétel szerint 57 cm mélységnél erőteljes színváltozás figyelhető meg a talajnál, illetve nagyobb kiterjedésű rozsdabarna, oxidációs foltok mutatják egyértelműen a talajnedvesség tartalom változását. A teljes szelvény alapján azonban világosan látszik a homokos talajtípus, annak mélység szerinti színváltozása. A talaj szivárgási tényezőjének meghatározására vizsgálatok 2010 decemberében nem történtek, az 1998-as méréssorozat alapján viszont kb. 5*10-5 m/s érték jellemzi az áramlási közeget (a horizontális és vertikális szivárgási tényezők között a különbség érzékelhető, ám ez nem éri el a nagyságrendet) (Deák et al. 2000). Ez az érték a mélységgel igen kis mértékben, de változik, azonban a kutatógödör mélységéig nagyságrendi változás nincs az értékek között, bár erősen befolyásoló hatása van a különféle üledékes kőzeteknek. 3. A jelenlegi vizsgálatok bemutatása Nyomjelzéses vizsgálatok 1998-ban már történtek, akkor 3 H, 18 O, NO 3, NaCl, elektromos vezetőképesség és hőmérséklet paraméterek időbeli változása alapján következtettek a talajnedvesség változására a mélységgel (Deák et al. 2000). Ezek nagyrészt a hidrogén és az oxigén izotópjai, mégpedig szándékosan úgy választva, hogy ezek a víz molekulákba beépülnek, és teljesen mentesülnek majd az egyes, azokat érendő hatásoktól. A 2010 decemberi mintavételezések részben 3 H-koncentráció meghatározására történtek, megértve azt, hogy mintegy 12 év alatt, az egyre szélsőségesebbé váló időjárási viszonyok hogyan jelentkeznek a felszín alatti vizeket érintve. A célkitűzés az, hogy egy hidrodinamikai és egy anyagtranszport modellel lekövessük a felszín alatti vizeket érintő beszivárgás mértékének változását. A számítógépes modellezések alkalmazása manapság egyre jobban elterjedőben vannak, szükségességük megkérdőjelezhetetlen a szakma számára (Szűcs et al. 2009a). A modellszámítások a Processing Modflow Pro programcsomaggal lettek elvégezve. A szivárgási egyenletek illetve az összetettebb transzportszámítások numerikus megoldására korábbi tanulmányok is példát mutatnak (Szucs et al. 2009b). Hasonló számítások más projekten belül korábban már végeztek. A hidrodinamikai modell során a Modflow programot használtuk, amelyet az Egyesült Államok Földtani Intézetében (United States Geological 414

5 Termálkarsztkutak és vizük felhasználása Egerszalókon és Demjénben Survey USGS) fejlesztettek ki felszín alatti vizek szivárgáshidraulikai számításainak véges differencia módszerrel történő megoldására. Jelen munka során először egy hidrodinamikai modell megépítésére került sor, amelyet anyagtranszport követésére kell alkalmassá tenni. A vizes modell egy 11 m *11 m rácshálóval lett definiálva egy 24 m vastagságú összletben, melyben a 4 db, különböző rétegekbe szűrőzött kút teljes hosszában belefér. Ebben a modellben kizárólag csak függőleges irányú vízmozgás van feltételezve, az oldalirányú mozgástól jelen esetben eltekintünk. Peremfeltételekként állandó nyomású peremmel számoltunk, és egy kismértékű gradiens garantálja számunkra a folyamatos vízáramlást a rendszerben. A modell legfelső rétegének feküje maga a terepszint, míg a modell legmélyebb része 24 m-rel a terepszint alatt van. A közeg anyagát finom-közepes homok alkotja, helyenként iszapos részekkel, amely igazán a felszínhez közelebb eső területeken figyelhető meg. A terület a Duna-Tisza-közén helyezkedik el, egy hatalmas kiterjedésű hordalékos feltöltésen, anyagát tekintve leginkább homokos összlet. Nagyobb kiterjedésű felszíni víztestek a közelben nincsenek, a két nagy vízfolyás, a Duna és a Tisza is kellően messze folyik, azoknak a ménteleki állomáson lévő beszivárgásra hatásaik nincsenek. A szivárgási tényezőt nem volt alkalmunk meghatározni a 2010 decemberi terepi mérések során, így az 1998-as vizsgálatok alapján, 5*10-5 m/s értéket választottuk iránymutatónak a modellszámítások során is. A PMPATH nevű programmal részecskekövetéssel lett megfigyelve a felépített modellben a vízcseppek mozgása: adott pontból elengedett vízcsepp milyen úton, és milyen sebességgel közlekedik, megfelelő képet kapva így a vizsgált rendszerről. A transzportmodell számításokat a már elkészített hidrodinamikai modellre illesztjük rá. A számításokon keresztül advekciót, diszperziót, és egy kismértékű adszorpciót is definiálunk, a későbbiekben minél pontosabb számítások elvégzéséért. 4. Következtetések Az izotóphidrológia manapság az egyik legpontosabb mérési eszköze a felszín alatti vizek korának. Ezek közül is a 3 H/ 3 He bomlási arányból történő meghatározás a legalkalmasabb a csapadékból történő beszivárgás lekövetésére. Az így kapott trícium-koncentráció az alapja további modellezési gyakorlatoknak. Egy ismert földtani felépítésű terület hidrodinamikai és transzportmodellje segítségével nagy pontossággal tudjuk megadni a területre jellemző beszivárgás mértékét. Ezen számítások alapja 415

6 Kompár László jelen esetben kormeghatározás, amelyből vissza tudunk következtetni arra, hogy az adott koncentrációjú víz mikor szivárgott be a földfelszín alá. A korábbi mérési adatok alapján a modell működését kalibrálni lehet, megkönnyítve így további számítási feladatokat, illetve hozzájárulni azok minél nagyobb mértékű pontosságához. 5. Köszönetnyilvánítás 5. ábra Az 1998-as ménteleki trícium profil. A kutató munka a TÁMOP B 10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék Deák J., Liebe P., Rajner V., Reitinger J., Vargay Z., Blaschke A.P., Jayawardena D., Papesch W., Rank D., Steiner K.-H. (2000): Nyomjelzős kísérletek és modellszámítások a kecskeméti liziméter-állomáson, Kutatási projekt, Bécs- Budapest Juhász J. (2002): Hidrogeológia, Budapest, Akadémia Kiadó, pp Marton L. (2009): Alkalmazott hidrogeológia, Eötvös Kiadó, Budapest, pp Szűcs P., Sallai F., Zákányi B., Madarász T. (2009a): Vízkészletvédelem, Bíbor Kiadó, Miskolc-Egyetemváros, pp Szucs, P., Madarász, T., F, Civan. (2009b): Remediating Over-Produced and Contaminated Aquifers by Artificial Recharge from Surface Waters, Springer Science, Environ Model Assess, 14 pp