Vízkémiai és vízhozam vizsgálatok a Garadna-forrásban. Szakdolgozat

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Hidrogeológiai-, Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék Szakdolgozat Miklós Rita Földtudományi Szakirány Konzulensek Dr. Lénárt László, egyetemi docens: Szegediné Darabos Enikő, PhD. hallgató 2013.november 25. Miskolc, 2013.

2 SZAKDOLGOZAT

3 Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott Miklós Rita, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, a hallgató aláírása

4 Tartalomjegyzék 1 Bevezetés, célkitűzés Vizsgált terület lehatárolása, bemutatása A Garadna-forrás környezetének és vízgyűjtő területének általános földtani viszonyai A Garadna-forrás környezetének és vízgyűjtő területének vízföldtani viszonyai A mérések és eszközök ismertetése BKÉR rövid ismertetése Garadna-forrásban történő mérések 1996 óta Újabb mérések ismertetése, szükségességének indoklása Vízkémiai paraméterek meghatározása folyamatosan vett vízmintákból Folyamatosan mintázó vízmintavevő Lángatomabszorpciós spektrofotometria (FAAS) Koloriméter Titrálás Vízhozam mérés Thomson-bukóval, folyamatosan mérő-rögzítő vízszintmérő segítségével Vízhozam mérés folyamatosan mérő-rögzítő áramlásmérő segítségével A mérési eredmények mérési típusonként Lángatomabszorpciós spektrofotometriás vizsgálatok Ca 2+ -koncentráció mérési eredmények Mg 2+ - koncentráció mérési eredmények Na + -koncentráció mérési eredmények K + - koncentráció mérési eredmények Akkreditált laborban történt vízkémiai mérési eredmények és a saját adatok összehasonlítása Vízkémiai adatok összesítése Box-Whisker -diagram segítségével Koloriméteres vizsgálati eredmények Titrálás mérési eredmények A Garadna-forrás víztípusának meghatározása Piper-diagram segítségével Thomson-bukó hozamának meghatározása, adatok elemzése Ultrahangos áramlásmérő hozamának meghatározása, adatok elemzése A mérési eredmények összefüggései A kémiai összetétel összefüggése egyéb mért paraméterekkel

5 7.1.1 Ca 2+ -koncentráció Mg 2+ -koncentráció - Ca/Mg-arány hozam csapadék összefüggései Hozam vízvezetőképesség összefüggései Hozam vízhőmérséklet összefüggései A vízszint-hozam függvény A forrás alaphozamának megállapítása, hozamadatok számítása 2001-től Javaslat a mérések bővítésére Összefoglalás Idegen nyelvű összefoglalás Irodalomjegyzék Köszönetnyilvánítás Mellékletek jegyzéke Mellékletek

6 1 Bevezetés, célkitűzés Magyarországon a karsztvíz felhasználása mindig is alapvető jelentőségű volt és ma is rendkívül fontos a vízhasználók között. A Bükk hegység döntő mértékben hideg karsztvizet tartalmaz, de mivel a karsztos kőzetei közvetlen kapcsolatban vannak a törmelékes kőzetekkel, eltemetett karsztos kőzetekkel, ezért a Bükk-térségben egységes hideg-meleg karsztrendszerről lehet beszélni. Ennek a kapcsolatnak a maximális figyelembevétele a karsztvíz minőségének és mennyiségének, vízszintjének megóvásakor rendkívül nagy jelentőséggel bír. A karsztos víztestek általában igen jó minőségű ivóvizet szolgáltatnak, viszont sérülékenységük miatt fontos a folyamatos megfigyelés, a készletek mennyiségi és minőségi változásainak nyomon követése, továbbá a rendszer összefüggéseinek minél alaposabb megismerése. A Bükk hegység területén 1992 óta működik folyamatos vízszintmérés (helyenként hőmérséklet- és vezetőképesség mérés) kutakban, megfigyelő kutakban, forrásokban és a későbbi fejlesztéseknek köszönhetően barlangokban is. A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer (BKÉR) mennyiségi monitoringként funkcionál, támogatva ezzel a bükki karsztvizet termelő vízmű vállalatokat. Ezeket a már meglévő méréseket tudtuk kiterjeszteni, új kutatási irányokat bevonni annak köszönhetően, hogy év végén a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának Környezetgazdálkodási Intézete elnyert egy Európai Uniós TÁMOP pályázatot, melynek szakmai része 5 modulból áll. Az egyik kutatási terület a Bükk hegységgel, ill. a karsztrendszer jobb megismerésével foglalkozik, melynek keretében 2013 tavaszán folyamatos vízmintavételek kezdődtek a Garadna-forrásban. A vett mintákon vízkémiai vizsgálatokat végeztem, melyeket összevetettem egyéb mért paraméterekkel. A kémiai vizsgálatokon túl vízhozam-mérések is történtek a projekt keretein belül. Mivel a Bükkben ilyen jellegű hosszútávú mérések nem történtek, az általam végzett vizsgálatok a BKÉR rendszerben újításnak számítanak. A vízkémiai adatokat felhasználva a víz útjára vonatkozó adatokat szeretnék megállapítani. További céljaim között szerepel, hogy meghatározzam a matematikai összefüggést a Garadna-forrás hozam és vízszint adatai között. 3

7 2 Vizsgált terület lehatárolása, bemutatása A Bükk hegység (továbbiakban Bükk) Magyarország ÉK-i régiójában, az Északiközéphegység tagjaként elterülő karszthegység. 958,4 m-es tengerszint feletti csúcsmagasságával (Istállós-kő, bár legújabb, január 08-ai, mérések szerint a legmagasabb csúcs a Kettős-bérc déli csúcsa 960,715 méterrel) az ország második legmagasabb hegysége (idokep.hu). Földrajzi értelemben az Upponyi-hegységgel együtt a Bükk-vidék középtáji részét alkotja, mely tájegység lehatárolása néhol bizonytalan. Északi, északkeleti határát a Sajó széles völgye, majd annak folytatásában a Sajó-Hernád síkja alkotja. Délen szinte észrevétlenül bukik alá és megy át az észak-alföldi kvarter üledékekbe. Nyugaton a Tarna-völgye választja el a Mátrától (Pelikán, 2005). 1. ábra A Bükk domborzati térképe (maps.google.com) A Bükk legnagyobb kiterjedésű és legegységesebb kistája a Bükk-fennsík, melyet a Garadna-völgy oszt északi és déli részre (1. ábra). Délen a magasabb fekvésű Nagyfennsík található, mely kelet felé egyenletes lejtésű, majd a Szinva-völgytől felveszi a délkeleti Bükk átlagos méteres szintmagasságát. Területe nagyjából 20 x 6 km 4

8 nagyságú, mind északon, mind délen idős lepusztulási lépcsők alkotják peremét (Pelikán, 2005). A Nagyfennsík északi része az alacsonyabb fekvésű és kisebb területet felölelő Kisfennsík, mely a Garadna-völgytől északra helyezkedik el. Kelet felé több lépcsőben lejt, legmagasabb (Örvény-kő) és legalacsonyabb (Molnár-szikla) pontja között közel 420 méteres szintkülönbség van (Pelikán, 2005). Földtani szempontból vizsgálva a Bükk a Pelsoi nagyszerkezeti egység, azon belül is a Bükkium szerkezeti egység részét képezi. Mai ismereteink szerint a hegység földtani fejlődéstörténete három főbb szakaszra bontható: 1. A karbon mélytenger fokozatosan sekélytengerré alakul, mely üledékei a hegység északi részén találhatóak meg. A karbon-perm határon üledékhézag van a rétegsorokban. 2. A perm-triász átmenetben a sekélytenger ismét mélyül, fokozatosan megy át nyílt tengeri környezetté. Ennek megfelelően a késő-perm kora-triász időszakban folyamatos tengeri kifejlődés, a középső-triászban karbonátplatform, a későtriászban medencefácies jellemzi az üledékeket. A jura időszakban a terület tektonikusan aktív volt, vulkánkitörések, riftesedések voltak jellemzőek, mely folyamatok során riftesedéshez kötött óceáni medence alakult ki. Ennek eredménye, hogy a jura üledékek (üledékhézag után) mélytengeri, sziliciklasztoskarbonátos jelleget mutatnak. A későbbi időszakban az egész terület mélyen betemetődött és nagyon kis fokú anchizonális metamorfózist szenvedett, majd kiemelkedve szárazfölddé alakult, és erősen lepusztult. 3. A harmadik fejlődési szakasz a paleogénre tehető, pontosabban a késő-eocénra, amikor a tenger ismét meghódította a területet és csak a neogénban, a pannon korban húzódott vissza véglegesen. A hegység végleges, mai képét az ezt követő kiemelkedés és lepusztulás alakította ki (Pelikán, 2005). 5

9 3 A Garadna-forrás környezetének és vízgyűjtő területének általános földtani viszonyai A Garadna-forrás a Miskolc város közigazgatási területére eső Ómassa település határain belül található. A forrás vize a Garadna-völgyben végigfutó Garadna-patak fő vízutánpótlódási pontja. Emellett a völgy alsóbb szakaszán még több másik forrás vize is szintén a patakba ömlik (Huba-forrás, Margit-forrás, Wekerle-forrás, Eszperantó-forrás). 2. ábra - A Garadna-forrás közvetlen környezetének földtani felépítése ( av T 1 Ablakoskővölgyi Formáció, fk T Fehérkői Mészkő Formáció, h T 2 Hámori Dolomit Formáció, sh T Szentistvánhegyi Metaandezit Formáció, pd proluviális- deluviális üledék)( Pelikán, 2005 térképe alapján Lénárt és Hernádi, 2012;) A Garadna-forrás vízgyűjtő területének legjelentősebb része a Nagyfennsíkon található Fehérkői Mészkő Formáció területén helyezkedik el (1. melléklet), mely az Észak-bükki szerkezeti egység rétegsorának része. Déli vonala a Hármaskút Kis-Huta-réttől egészen Diósgyőrig jól követhető, északi vonala keletről nyugat felé haladva Alsóhámortól a Garadna-völgyben egyre széttagoltabban jelentkezik (Pelikán, 2005). A formáció fő tömege pados, gyakran vastagpados, világosszürke megjelenésű karbonátplatform fáciesű mészkő, melynek kora középső-felső triász, vastagsága 400 méter körüli (Pelikán, 6

10 2005). A 2. ábrán látható, a forrás két fő víznyelője, a Jávorkúti-, és a Bolhási-víznyelők, melyeknek vízszintes vetülete van jelölve. Látható, hogy mindkét víznyelő rendszerének jelentős része a Fehérkői Mészkő Formáción alakult ki. Maga a forrás a Hámori Dolomit Formációból lép felszínre (2. ábra), amely viszonylag éles határral települ az Ablakoskő-völgyi Formáció Savósvölgyi Márga Tagozatára. A formációt felépítő kőzet szürke, sötétszürke, részben tömeges, részben pados megjelenésű dolomit, mely a padokon belül finomrétegzettséget mutat. Az Észak-bükkiantiklinális területén általánosan elterjedt kőzet, összvastagsága szintén 400 méter körüli, mely szinte teljes vastagságában tanulmányozható a formációra települt szomorúi dolomitbánya 7 fejtési szintjén. Kora középső-triász, képződési körülményei időben változtak, de főként a karbonátos platform védett, jól szellőzött és átvilágított belső laguna területén képződött (Pelikán, 2005). 4 A Garadna-forrás környezetének és vízgyűjtő területének vízföldtani viszonyai A Garadna-forrás vízgyűjtő területe több négyzetkilométer, pontosan 7,4 km 2 kiterjedésű, melyen 35 db víznyelő, ill. töbör található (1. melléklet). A 3. ábrán a besraffozott terület jelzi a vízgyűjtő területét. A teljes térkép és a hozzátartozó jelmagyarázat az 1. mellékletben található. 3. ábra - A Garadna-forrás vízgyűjtő területe (Lénárt és Hernádi, 2013) 7

11 A Garadna-patakot tápláló források vizét nagyrészt a Nagyfennsík keleti részén található víznyelők biztosítják. A terület pontosabb megismerése céljából az első feljegyzett víznyomjelzéses vizsgálat 1911-ben készült. Az évek során 59 ponton történt vizsgálatból 38 pontról sikerült meghatározni hidrológiai hovatartozásukat, mely pontok többsége a Nagyfennsík keleti területein található. A Bükk földtani térképezése az 1986-os évben a MÁFI vezetésével indult meg, mellyel párhuzamosan karszthidrológiai adatgyűjtés is folyt. 4. ábra - A Garadna-forrással kapcsolatban álló víznyelők víznyomjelzéses vizsgálatok alapján (Pelikán, 2005 térképe alapján Lénárt és Hernádi, 2009;) A számos elvégzett víznyomjelzéses vizsgálat összegzése céljából Sásdi László összefoglaló táblázatot készített. Az általa feljegyzett pontok sorszáma kék alappal és kerettel van jelölve a 4. ábrán, valamint a barna körrel jelölt pontok a Garadna-forrás vízgyűjtő területén található víznyelők. Sásdi áttekintése alapján egyértelmű kapcsolat mutatkozott az 1. táblázatban felsorolt víznyelőkkel: 8

12 1. táblázat Víznyomjelzéses vizsgálatok eredményei a Garadna-forrás tekintetében (Sásdi, 2000) Jelzőanyag Nyomjelzés Sorszám Víznyelő Megjegyzés típusa ideje 18 Bánkúti-víznyelő fluoreszcein 1951 tavasza eredmény elfogadható Bánkúti-víznyelő kísérlet megfelelő, 20 fluoreszcein január Diabáz-barlang eredmény elfogadható Jávor III-as 23 fluoreszcein december eredmény elfogadható víznyelő Jávorkúti fluoreszcein, eredmény elfogadható víznyelő NaCl fluoreszcein, Bolhási víznyelő eredmény elfogadható NaCl Az 1. táblázatban felsorolt víznyelők a Garadna-forrás vizét adó legfontosabb víznyelők, melyeknek néhány alapinformációját a 2. táblázatban foglaltam össze: 2. táblázat A Garadna-forrás vizét adó legfontosabb víznyelők (Pelikán, 2005) Víznyelő neve Tszf. magassága Víznyelő kőzet Jávorkúti víznyelő Jávor III-as víznyelő Bolhási víznyelő Bánkúti víznyelő 853 m Fehérkői M.F. Bánkúti víznyelő, Diabázbarlang Vízgyűjtő kőzet Víznyelő jellege 658 m Fehérkői M.F. Vesszősi F. időszakos 664 m Fehérkői M.F Vesszősi F. időszakos 650 m Fehérkői M.F. Vesszősi F. időszakos 845 m Fehérkői M.F. Szentistvánhegyi Metaandezit F. Szentistvánhegyi Metaandezit F. időszakos időszakos Mint már 3. fejezetben említettem, a Garadna-forrás vízgyűjtő területének nagy része a Fehérkői Formáción fekszik. Pontosabban szólva, a Garadna-forrás hozamát biztosító víznyelők fekszenek a formáció területén, amit a víznyomjelzéses vizsgálatok igazolnak, de a víznyelőkbe beérkező felszíni vízfolyások jelentős része agyagpaláról érkezik. 9

13 Fontos azt megemlíteni, hogy a Tekenős-völgy Garadna-völgy vonalában kis méretű, de hidrogeológiai szempontból nagy jelentőségű tektonikai elemek (feltolódás) találhatóak. A 2. ábrán látható Garadna-forrás vízgyűjtő területének földtani térképe. A legtöbb víznyelő, és a vízgyűjtő nagyrésze is a Fehérkői Mészkő Formáción található. Az alaphegységi képződménynek számító formációt felépítő mészkő kitűnően karsztosodik, amit a benne kialakult nagyméretű barlangrendszerek, víznyelők, és a völgytalpon nagy hozamú forráskilépések is jeleznek. Hidrogeológiai szempontból nagyon jó vízvezető kőzet, ám azt tudni kell, hogy a nagyméretű járatrendszerek egy jelentősebb mennyiségű csapadék hullása során hirtelen, nagy, majd viszonylag hamar lecsengő hozamot eredményeznek a forrásokban (Pelikán, 2005). A Szentistvánhegyi Metaandezit Formáció vízrekesztőnek tekinthető, csak a felszínközeli repedezett zónák képesek jelentéktelen mennyiségű vizet tárolni. Ám azt figyelembe kell venni, hogy a vízgyűjtő területen a formáció kiékelődik, és É-D-i irányban sok vető harántolja, mely törésvonalak utat nyitna a vízmozgásoknak (Pelikán,2005). A Hámori Dolomit Formációt felépítő kőzet közepesen karsztosodó, a jó minősítés csak a formáció felső részét alkotó Nyavalyási Mészkő Tagozatra jellemző, tulajdonságait tekintve közepes vízvezető, de jó víztározó (Pelikán, 2005). A Száraz-völgyben eredő Garadna-patak a Bükk keleti felének egyik legjelentősebb vízfolyása, mely az idők során mély völgyet vágva talált utat magának. Alapvetően kettéosztja a Bükk-fennsíkot. Folyása mentén sok karsztforrás és kis patak vizét gyűjti össze. Lillafürednél torkollik a Szinva-völgyből érkező Szinva-patakba. Míg a legtöbb bükki vízfolyás északi ill., déli lefolyású, addig a Garadna-, majd Szinva-patak nyugatról keleti irányba folyva ömlik végül a Sajóba. Szükséges azt megemlíteni, hogy a foglalt forrástérből jelenleg vízkivétel nem történik, de 1952-től Ómassa lakosságának vízellátása úgy történt, hogy a patak medrébe helyezett vezetékről közkifolyókon juttatták a vizet a település különböző pontjaira. Ezáltal a forrásból kilépő víz legnagyobb része végső soron a Hámori-tóba jutott. Végül 1999-ben a Mivíz Kft. kivitelezett egy vízszintes fúrást, és az arra telepített gépház segítségével oldották meg Ómassa település kommunális vízellátását (Lénárt László szóbeli közlése, 2013). 10

14 5 A mérések és eszközök ismertetése 5.1 BKÉR rövid ismertetése Mivel a Bükk térségében fekvő települések kommunális vízellátása döntően karsztvízből történik, emiatt vált fontossá a Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer (BKÉR) életre hívása. 5. ábra Hidrogeológiai megfigyelőhelyek egykor a Bükk hegység területén (Lénárt, 2006) ben a hosszú, száraz, csapadékmentes időjárás miatt merült fel az igény a bükki karsztvizet termelő vízmű vállalatok részéről, hogy létrehozzanak egy mennyiségi monitoring rendszert a hegységben. A mérőrendszer alapjául szolgáló 5 pontot Böcker Tivadar az 1980-as években jelölte ki (5. ábra piros körrel jelzett pontok). Az automata mérőrendszer 1992-ben készült el és kezdte meg működését, azóta folyamatosan változik, fejlődik. Mai állapota a 6. ábrán látható. Napjainkra nem csak a rendszer épült ki, a nagyobb forrásokhoz tartozó részvízgyűjtő területek is meghatározásra kerültek, valamint ki lett jelölve a Miskolc város vízellátását adó források védőidomának területe is. 11

15 6. ábra A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer (Lénárt és Hernádi, 2013) A műszerek telepítése az e célra mélyített karsztvíz-figyelő kutakba, barlangokba, forrásokba történt. Jelenleg a térségben több mint 30 ponton történik vízszint regisztrálása, de helyenként a mérések kiegészülnek vízhőmérséklet, vezetőképesség, radon koncentráció adatokkal is. A mérések gyakorisága változó, általában 5 60 perc közötti (legtöbbször 15 perc), de elvétve előfordul 240 perces gyakoriságú is. Az adatrögzítés sűrűségét legfőképp a kutatási cél és a terület jelentősége határozza meg. A BKÉR-t a jelenlegi állapotában ábrázoló térkép és a kiegészítő magyarázata a 2. mellékletben található. A vízszintadatok regisztrálása DATAQUA műszerekkel történik, az adatok kinyerése a cég által külön az eszközökhöz fejlesztett szoftverrel (terepi laptopon) egyszerűen kivitelezhető. 12

16 Mivel a DATAQUA szonda neve több ízben is előkerül, ezért szeretném röviden ismertetni a működését. A műszer a Dataqua Elektronikai Kft. által kifejlesztett speciális eszköz, melyet elsősorban vízgazdálkodási célokra terveztek. Főként talaj- és rétegvíz megfigyelő kutak, termelő kutak, víztározók, felszíni vízfolyások vízszintjének, vízhőmérsékletének és vezetőképességének meghatározására és regisztrálására képesek, hálózati áram közvetlen igénye nélkül (az energiaigényét telepek biztosítják). Az adatok kinyeréséhez rendelkezésre áll a műszerhez tartozó adatkinyerő és feldolgozó program is. A szonda piezorezisztív nyomásérzékelés alapján mér vízszintet. Egy szilícium lapkán található ellenállás-hidat folyamatos stabilizált tápfeszültséggel kell ellátni, mely hídon a lapkára ható hidrosztatikus nyomással arányos feszültségkülönbség fog jelentkezni. A szondát egy speciális légnyomáskiegyenlítő kábel, az ún. légzőkábel köti össze a vízfelszín felett található adatgyűjtővel, mely feladata a szondából érkező impulzusokból a pontos mérési adatok számítása, azok tárolása és a hozzájuk tartozó időpontok rögzítése. Az adatok eltárolására többféle beállítási lehetőség van: - a memóriában folytatólagos, egymás után történik, ha a memória betelt, automatikusan az elején folytatódik a rögzítés, így a memória mindig a legutoljára mért adatokat tartalmazza, - ha a memória megtelik, a műszer leáll és nem rögzít további adatokat - ha a memória megtelik, két adat átlagát képezi és az adatsort így megfelezi, további helyet felszabadítva a tárhelyen. Az alkalmazott alkáli, illetve lítium elemekkel, a szonda 5-10 éven keresztül működik a telepek cseréje nélkül (Lénárt, 2006)(Dataqua, 2002) ben kezdődött folyamatos megfigyelés több bükki barlangban a dinamikusan változó, csapadékra legkönnyebben reagáló karsztvíz készletek mozgásának jobb megismerése céljából. A rendszer több nagy víztermelő céggel kapcsolatban áll, azoknak folyamatosan készít előrejelzést a karsztvíz készletek csökkenését, illetve növekedését illetően (Lénárt et al, 2013). A monitoring rendszer szerves részét képezi a csapadékadatok regisztrálása is, melyre több lehetőség is adott. A GVOP VIMORE nevű projekt keretén belül december 6- án automata meteorológiai állomás létesült Jávorkúton. 13

17 Saját adataim elemzésekor ezen meteorológiai állomás által szolgáltatott csapadékadatokat használtam fel, mert a többéves tapasztalat szerint a Bükk hegység területét ezen állomás adatai nagyon jól jellemzik (Lénárt, 2006). A műszert a jávorkúti erdészház kertjében állították fel, hogy az illetéktelenektől megóvják, és folyamatos felügyelet alatt működhet. Az automata műszer az alábbi érzékelőkkel van felszerelve: - Hőmérséklet érzékelő: A BTP-03 típusú hőmérő elem általános célokra használható. Az érzékelő platina Pt-100- as ellenállás hőmérő, mely a mért aktuális hőmérséklettel arányosan változtatja ellenállását. A mérő- és erősítő áramkörök a műszer nyelében kerültek elhelyezésre. Az érzékelő feje galvanikus krómozással készült sárgaréz, mely teljesen vízzáró. Kültéri használat esetén a mérőt antiradiációs kalappal látják el (Darabos, 2009). - Integrált talajhőmérséklet mérő: BSS-03 típusú szonda, mely a talajba egyetlen rúdként leverve alkalmas szabványos 2, 5, 10, 20, 50 és 100 cm-es mélységekben történő mérésre. Az érzékelő elemek szintén Pt- 100-as platina ellenállások, mint a hőmérsékletmérő esetében. Itt az erősítő és jelfeldolgozó áramkörök a készülékházban találhatóak (Darabos, 2009). - Csapadékmennyiség mérő: A BES-01 típusú eszköz a lehullott (szilárd, ill. cseppfolyós) csapadék mennyiségének meghatározására szolgál. A szabványos 200 cm 2 -es felületen gyűjtött csapadékot egy billenőkanalas mechanika méri meg 2 ml-es egységenként. Minden átbillenést permanens mágnessel működtetett Reed-kontaktusok jeleznek, így az adatok elektromos impulzusok formájában gyűjti és összegzi az adat-gyűjtő. A billenőkanál aktivált felületű fém, melyen nem telepednek le az algák, moszatok, melyek a pontosságot befolyásoló tényezők. A szilárd formában hulló csapadékot képes a műszer felolvasztani, így a téli időszakban is használható. A fűtés a gyűjtőfelület tölcsérjében megolvasztja a csapadékot, valamint a billenőkanalat is melegen tartva megakadályozza annak újbóli megfagyását (Darabos, 2009). Fontos megemlíteni azt, hogy a Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer csak mennyiségi monitoring rendszer, a néhány mérési ponton történő vízvezetőképesség-méréseken kívül vízkémiai paraméterek meghatározása nem történik. Mivel a Garadna-forrás is szerves részét képezi a rendszernek, vízkémiai adatok mérése újdonságnak számít. Emellett azt is tudni kell, hogy hozammérések csak a vízművek részéről készülnek a Bükkben az 14

18 Vízszint a padlószint alatt [m] Vízszint [mbf] Miklós Rita ivóvíz-kivételi pontokon, melyek nem állnak rendelkezésünkre. És mivel a BKÉR célja a karsztvízháztartás jobb megismerése és a változások nyomonkövetése, a források hozamának meghatározása kiegészítő információként támogatja a rendszert. 5.2 Garadna-forrásban történő mérések 1996 óta A Garadna-forrás egy gravitációsan kilépő völgytalpi forrás, melynek a vízkivétel által nem zavart terébe telepítettek május 31-én vízszint és vízhőmérséklet mérő DATAQUA típusú szondát. Azóta szolgáltat a műszer hosszútávú adatsort, melyre példa a 7. ábra. -0,3-0,4 Miskolc, Garadna-fő-forrás Vízszint ( ) Vízszint korr. [ mbf ] Vízszint korr. [ m ] A forrás alapszintje [mbf] 496,7 496,6-0,5 496,5-0,6 496,4-0,7 496,3-0,8 496,2-0,9 496,1-1,0 496,0-1,1 495,9-1, ,8 7. ábra A Garadna-fő-forrás vízszintadatai között (szerző saját szerkesztése) Egy bizonyos fajta periodicitás látható a görbén. Szinte minden év első és második felében is látható egy-egy növekedés, melyek közül a tavaszi csúcsok magasabbak. Kiugró értékek a és évi tavaszi vízszintadatok, amikor mindkét alkalommal a hóolvadás és nagy csapadék hatására karsztárvizek sújtották a környéket. A sokéves vízszintgörbe alapján látható, hogy a forrásnak van egy közel állandó alapszintje, ami 495,9 496,0 mbf közötti érték, a legtöbb esetben 495,96 mbf. Erre az alapértékre kumulálódnak rá a különböző csapadék események, melyek lecsengése után a forrás szintje további csapadék hiányában visszaáll a kiindulási értékre. Ez a 0,1 m nem tűnik jelentősnek, ám azt figyelembe kell venni, hogy a forrástér mérete, átmérője meglehetősen nagy, így néhány cm-es változás is jelentős vízmennyiség kilépést jelezhet. 15

19 5.3 Újabb mérések ismertetése, szükségességének indoklása Újabb mérések tervezésekor a már korábban elvégzett vizsgálatok eredményeiből indultunk ki. Ezen vizsgálatok különös figyelmet fordítottak a évi karsztárvíz során mért adatokra, mely árvíz során szennyezőanyagok kerültek a karsztvizet szállító ivóvízhálózatba. Így került sor a hulló csapadék mennyisége és karsztvízszintek közötti összefüggések elemzésére. A rendelkezésre álló többéves adatsorok elemzése során fény derült arra, hogy a Garadna-forrás reagálási ideje nagyon gyors, nagyobb mennyiségű csapadék lehullását követően a vízszintváltozás akár már néhány órán belül jelentkezik a forrásban, a tetőzési idő minden esetben egy napon belül volt (Darabos és Lénárt, 2008). Továbbá az is ismeretes, hogy a Garadna-forrás esetében a hatékony csapadékcsoport átlagosan 37 mm, tehát a csökkenő vízszint visszafordításához 37 mm csapadék szükséges (Darabos, 2009). Ezen információk rávilágítanak arra, hogy a Garadna-forrás árvízi védekezés tekintetében előnytelen helyzetű, mert a csapadék hullásától számítva csak néhány óra áll rendelkezésre a beavatkozásra. Ez fontos, mivel ha minimális mértékben is de a főforrásból történik vízkivétel Ómassa település vízellátásának céljából. Így a karsztrendszer jobb megismerése céljából a Miskolci Egyetemen működő Fenntartható Természeti Erőforrás Gazdálkodás Kiválósági Központ TÁMOP-4.2.2/A- 11/1-KONV jelű KÚTFŐ projektjének részeként 2013 áprilisában kezdődött meg a forrásból történő folyamatos mintavételezés. 5.4 Vízkémiai paraméterek meghatározása folyamatosan vett vízmintákból Folyamatosan mintázó vízmintavevő Az eddigi ismeretek alapján a méréseket úgy terveztük meg, hogy 3,5 óránként történik egy mintavétel, amely 500 ml vizet jelent, majd újabb 3,5 óra elteltével ismét 500 ml minta vétele történik. Ezzel két mintából egy 7 órás periódusra vonatkozó átlagmintát kapunk. 16

20 8. ábra Az általunk használt Teledyne ISCO gyártmányú, 3700-as típusú automatikusan mintázó hordozható vízmintavevő (fotó: a szerző saját készítése) Maga a mintavételezés egy Teledyne ISCO gyártmányú, 3700-as típusú automatikusan mintázó hordozható vízmintavevővel történik (8.ábra). A műszer 24 db 1000 ml-es flakonnal rendelkezik, így az általunk beállított időközök alapján pontosan egy hetet fed le egy sorozat. A minták laboratóriumba szállítása ennélfogva egy héten egyszer hozzávetőleg mindig ugyanabban az időpontban történik meg. A vízmintavevő a forrás padlószintjén van elhelyezve, és közvetlenül a forrás kilépési pontjánál veszi meg a mintákat. A mérési tapasztalataink alapján szükségszerűvé vált a minták savazással történő tartósítása, így 1000 ml mintához 1 cm 3 65 %-os töménységű salétromsavat adunk annak érdekében, hogy a vízben lévő kalcium kicsapódását meggátoljuk Lángatomabszorpciós spektrofotometria (FAAS) A vízkémiai vizsgálatok a Miskolci Egyetem Hidrogeológiai - Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék Vízkémiai Laboratóriumában történtek. A karsztvizek kémiai összetételét főleg a mészkő azon belül is a kalcit oldódása fogja meghatározni. Mivel a méréseink célja a karsztrendszer jobb megismerése, azért a 17

21 laboratóriumba szállítás után a karsztrendszerekre legjellemzőbb vízkémiai paraméterek vizsgálatát végezzük el, melyek: Ca 2+ és Mg 2+, valamint Na + -ra és K + -ra is megtörténtek. Ezen elemek koncentrációjának folyamatos mérésével bepillantás nyerhető a karsztrendszer működésébe (Hunkeler&Mudry, 2006). Az elemzésekhez alkalmazott legfontosabb módszer a lángatomabszorpciós spektrometria (FAAS). A műszer folyadékok különböző elemkoncentrációinak meghatározására alkalmas. Nagy az alkáli- és alkáliföldfémekre való érzékenysége. Az atomabszorpciós módszerek elvégzése során, elsősorban termikus energia útján, szabad állapotú atomokat képezünk, és az ezen atomok által elnyelt elektromágneses sugárzást (fényt) vizsgáljuk. Ezen módszer során a minta atomizálása lángban történik beporlasztással. A bejutott cseppek több lépés során átalakulnak, hő hatására szabad atomok keletkeznek, melyek a közölt hőenergia hatására gerjesztődnek, akár ionizálódhatnak is. De előnyös a mérés során, hogy az alapállapotú atomoknak körülbelül csak 1 %-a kerül gerjesztett állapotba. A már említett elektromágneses sugárzás külső fényforrásból származik. Az atom csak a gerjesztési energiájának megfelelő hullámhosszú fotont nyeli el, így kerül gerjesztett állapotba. A sugárzás azon része, amely nem fordítódott gerjesztésre, szabadon halad tovább a detektor felé, ahol a kisugárzott fényhez képesti intenzitáscsökkenést mérjük adott hullámhosszon. Ezen fényintenzitás csökkenéséből következtetünk a fényelnyelést okozó atomok koncentrációjára (Bánhidi, 2009). Az általunk használt műszer egy Unicam 929/2071 AA típusú spektrofotométer (9. ábra), az alkalmazott gáz: levegő/acetiléngáz keveréke. A műszert számítógéphez csatlakoztatva a SOLAAR nevű kezelőprogram segítségével használtam. 18

22 9. ábra Az elemzésekhez alkalmazott spektrofotométer (Posta, fotó: szerző saját készítése) Ezzel a módszerrel mérjük a mintákban a Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Mn 2+ és Fe ionok koncentrációját, de mivel a vas és mangán esetében elhanyagolható koncentrációs értékeket kaptunk, így ezen ionok további vizsgálatától hamar eltekintettünk. Karsztvizek kémiai vizsgálata esetén a leggyakoribb ionokat általában titrálással, ionkromatográfiával, UV/VIS spektrofotometriával és alacsony frekvenciás atom emisszió méréssel vagy abszorpciós fotometriával határozzák meg. (Hunkeler&Mudry 2006) Lehetőségeink mérlegelése után a fenti módszerek közül azért a lángatomabszorpciós mérések mellett döntöttünk, mert emellett szólt a minták és a vizsgálni kívánt elemek nagy száma is. Irodalmi adatok szerint a Ca 2+ lángatomabszorpciós mérése során interferenciát okozhat a foszfát, a szulfát, az alumínium és a szilícium jelenléte. A méréseink szerint a mintáink szulfátot tartalmaznak, emiatt szükséges ezeket lantán-kloriddal (LaCl 3 ) kezelni (Welz&Sperling 1999; MSZ EN ISO 7980:2000). A módszer egyetlen hátránya, hogy egyszerre csak egy elem analizálására képes. A Ca 2+ -koncentráció mérése előtt a vízminták 10x-es hígítása után történik (1 cm 3 vízminta, 1 cm 3 LaCl 3 oldat, 8 cm 3 desztillált víz). Ezt azért végezzük el, mert így 19

23 kevesebb LaCl 3 oldat szükséges, mintha az 1000 ml-es vízmintákhoz adnánk 100 ml oldatot Koloriméter A mérés kezdetén néhány sorozat vízmintára végeztünk Cl - -, SO koncentráció méréseket terepi koloriméter segítségével. 10. ábra Hach DR/880 típusú terepi koloriméter (hach-lange.hu) A koloriméterek (10. ábra) működése a Lambert-Beer törvényen alapszik, vagyis a mért intenzitás-csökkenés logaritmusa arányos a mért elem oldatbeli koncentrációjával (Bánhidi, 2009). Terepi koloriméterrel végezett vizsgálatokhoz a mérni kívánt összetevőnek megfelelő reagens hozzáadása és a reakció idő kivárása szükséges. A mérés ugyan így is csak néhány percig tart, viszont az eredményekről tudni kell, hogy csak tájékoztató jellegű információkat adnak. Az eredményeket tekintve mintáinkban a Cl - koncentráció 2- elhanyagolható mértékű, az SO 4 koncentráció pedig minden mintában határozottan kimutatható volt, így ez a mérés erősítette meg a Ca 2+ tartalom pontos meghatározásához szükséges lantán adagolását. Mivel a tervezett kémiai vizsgálatok szempontjából ezen anionok folyamatos mérését indokolatlannak találtuk, így ezt a módszert, ill. ezen összetevők mérését nem végeztük hétről-hétre Titrálás A fent említett mérési módszereken kívül alkalmaztunk még titrálást a HCO 3 - -tartalom meghatározására is. 20

24 Ennek lényege, hogy az általunk vizsgált anyaghoz olyan ismert töménységű mérőoldatot adunk, mely a meghatározandó vegyülettel gyorsan és teljesen végbemenő reakcióba lép, mely reakciónak a végét egy indikátor jelzi. A titrálást az MSZ 448/11-86 számú szabványban leírtak szerint végeztem el. Esetünkben a mérőoldat HCl sósav volt, melynek faktora f=0,9523, az indikátor pedig metilnarancs. A titrálás során a közömbösítéshez használt mérőoldat fogyásából és koncentrációjából számítjuk a lúgosság mértékét az alábbi képlet szerint : ahol: m lúgosság [mg eé/dm 3 ]; a a fogyott 0,1 mol/dm 3 sósavoldat cm 3 -ek száma metilnarancs indikátor mellett; f a mérőoldat faktora; V a meghatározáshoz használt minta térfogata [cm 3 ]. Mivel a meghatározáshoz használt minta térfogata 100 cm 3, az egyszerűsítést elvégezve a fenti egyenlet így módosul: ahol m [mg eé/dm 3 = meq], A meq értékét szorozva a hidrogén-karbonát moláris tömegével, kapjuk az eredményt mg/l dimenzióban, ez azért szükséges, mert ebben a formában összehasonlítható a többi mérési adattal: (Kresic, 2007). Hozzá kell tenni, hogy ezt a módszert csak addig alkalmaztuk, ameddig a vízminták nem voltak salétromsavval tartósítva, mert savval kezelt mintán már értelmetlen a titrálás módszerét alkalmazni. A módszer alkalmazása során kapott mérési adatsort a 3. melléklet tartalmazza. A hidrogén-karbonát-tartalom a vizek, és főként az ásványvizek egyik kémiai paramétere, a víz változó keménységét adja. 21

25 A világ sok részén régóta tartó kísérletek bizonyítják, hogy a karbonátok oldhatóságának egyik fő oka a CO 2 hidratációja. Ez szénsavat képez, mely disszociál, így H + -ionokat biztosít a további reakciókhoz. A CO 2 főként két forrásból származik: a légkörből és a talajból, de esetenként bekerülhet a rendszerbe mélyről jövő feláramlásokból, erre utaló nyomokat viszont nem találtam a méréseim során. A szén-dioxid gáz sokkal könnyebben oldatba vihető, mint más atmoszférikus gázok (pl. 64-szer oldékonyabb, mint a N 2 ), és ez az oldódás arányos a parciális nyomásával és a hőmérséklettel. A vízben való oldódásának mértéke meghatározható a következő egyenlettel: ahol: CO 2 [g/l]; C ab hőmérsékletfüggő abszorpciós tényező (standard nyomáson,10 Con ez az érték 0,7); P CO2 a szén-dioxid parciális nyomása; 1,963 1 l szén-dioxid tömege 1 atmoszféra nyomáson, 20 C-on A CO 2 parciális nyomása növekedhet a gyökérzónában, ahol akár teljes mértékben helyettesítheti az O 2 -t, így a vízbe való beoldhatósága is megnő. Az, hogy a légköri szén-dioxidból hogyan lesz hidrogén-karbonát a vízben, a következő egyenletsorozaton, valamint a 11. ábrán jól szemléltethető: A szénsav gyorsan disszociál: hidrog n-karbonát Összefoglalva a fenti egyenleteket : A hidrogén-karbonát sem stabil, változó környezetben disszociál, és karbonát képződik belőle: (Ford&Williams, 2007; Hunkeler&Mudry, 2006). 22

26 11. ábra A kalcit és dolomit oldódásában közrejátszó reakciók szemléltetése nyílt és zárt rendszerben (Ford&Williams, 2007) Vízhozam mérés Thomson-bukóval, folyamatosan mérő-rögzítő vízszintmérő segítségével A közvetlen vízhozam mérésének egyik módja a mérőbukó használata, amely egy, a vízfolyásra merőlegesen, a mederbe beépített fal. Mérési elve: Az éles szélű bukó fölött átáramló térfogatáram függ a bukó fölötti mérőmagasságtól, az átbukó vízsugár nagyságától és alakjától, valamint egy kísérletileg meghatározható tényezőtől, amely kapcsolatban van a mérőmagassággal, a bukó és a felvízi csatorna alaki jellemzőivel és az áramló víz áramlási tulajdonságaival (MSZ ). Az átfolyási nyílás alakja szerint többfajta bukó létezik, melyek egyike a Thomson-bukó (nevüket általában a feltalálójuk, bevágásuk alakja után kapták), ilyen típusú bukó van kiépítve a Garadna-patak medrében is. A beépített bukók hátránya, hogy mögöttük könnyen felhalmozódhat a hordalék, amely befolyásolja a mérési eredményeket. A Thomson-bukó háromszög-szelvényű, ún. éles bukó, a két éle által bezárt szög 90, (Zsembeli, 2008). A Garadna-forrásnál kialakított, és általunk is használt bukó méretei a 12. ábrán látható. A rajz AutoCAD programmal készült. 23

27 12. ábra A Garadna-forrásnál beépített Thomson-bukó kialakítása, méretei (szerző saját szerkesztése).a MSZ 15304:2002 szabvány alapján a Thomson-bukó hozamának meghatározásához használható képlet a következő: ahol: Q hozam [m 3 /s]; c bukóállandó; h átbukási magasság [m]. Az átbukási magasság a bukóél legalsó pontja felett mérhető vízoszlop magasságaként értelmezendő. Egy további képlet segítségével határozható meg a bukóállandó értéke: ahol: c bukóállandó; h átbukási magasság [m].. Az Egyesült Államokban kiadott barlangi geológiát taglaló szakirodalomban az alábbi formulát használják a vízhozam meghatározására, amelyet egyszerűsége és a szabvány szerint számolt adatokkal való egyezése miatt mi is alkalmaztunk: ahol: Q hozam [cm 3 /s]; h átbukási magasság [m]. 24

28 Ezen képlet alkalmazása esetén figyelni kell arra, hogy a hozamot cm 3 /s dimenzióban kapjuk, valamint arra, hogy az eredmény akkor megbízható, ha az átbukási magasság több, mint 10 cm (Palmer, 2007). 13. ábra A Garadna-forrásnál található Thomson-bukó, lapvízmérce, és a DATAQUA szonda mérőháza (fotó: a szerző saját készítése) Jelen esetben, a Thomson-bukó a kiépített forrástértől körülbelül 90 méterre található, kialakított patakmederbe építve. A bukó mellett található egy DATAQUA szonda, mely a vízszint-adatokat méri és regisztrálja. A vízszintregisztráló műszer mellett található még a mederben egy lapvízmérce is, amely bármikor azonnali helyszíni leolvasást tesz lehetővé, és 0 pontja valamint a DATAQUA 0 pontja egy síkban található ( ábra). A helyszínrajz AutoCAD programmal készült. 25

29 14. ábra A Garadna-forrásnál található Thomson-bukó kiépített medre, a DATAQUA szonda és a lapvízmérce elhelyezkedése alaprajzi vetületben (szerző saját szerkesztése) Vízhozam mérés folyamatosan mérő-rögzítő áramlásmérő segítségével A Garadna-forrásban a mérések bővítésének keretein belül november közepén egy korszerű, folyamatosan mérő-rögzítő ultrahangos áramlásmérő lett telepítve, melynek adatrögzítő egysége a 15. ábrán látható. A műszer pontos típusa egy Teledyne ISCO 2150 Area Velocity Module. 26

30 15. ábra A Teledyne ISCO áramlásmérő adatrögzítő modulja a Garadna-forrásban (fotó: szerző saját készítése) Több másik hasonló elven működő műszerrel ellentétben csak egy adó-vevő fejjel rendelkezik. A átlagsebesség meghatározására a CW Doppler technológiát alkalmazza. Működésének az alapja, hogy a fej folyamatos ultraszonikus hullámokat bocsájt ki és méri a buborékokról és egyéb lebegő részecskékről visszavert beérkező hullámok frekvenciaváltozását (isco.com). A vízhozamot közvetett módon sebességméréssel határozzuk meg. Az alapképlet a. A v [m/s] átlagsebességet méri az áramlásmérő műszer, de emellé a meder keresztszelvényének területét (A) [m 3 ] is fel kell venni a hozam számításához, mely nem állandó, a vízszint változásával folyamatosan változik. A szonda az átlagsebesség mellett a vízmélységet is méri. Sajnálatos módon a forrásból kilépő vizet elvezető csatorna nem szimmetrikus, így a teljes keresztmetszetet 5 részkeresztmetszetre kellett osztani. Így a hozamképlet a következőképpen módosul: ahol: v átlagsebesség [m/s]; a részkeresztmetszet [m 2 ]. 27

31 Ca-konentráció [mg/l] Miklós Rita Mivel a mederben folyó vízoszlop magassága ismert, mert a műszer méri, meghatároztuk minden egyes vízszinthez tartozó mederkeresztmetszet területének nagyságát. A függvény megkeresi az éppen adott vízszinthez tartozó keresztmetszet terület értéket, és szorozza az adott időpontban mért sebességgel. A meder AutoCAD programmal szerkesztett keresztmetszeti rajza a 4. mellékletben található, melyen feltüntettem a meder felosztott részeit is. 6 A mérési eredmények mérési típusonként 6.1 Lángatomabszorpciós spektrofotometriás vizsgálatok Ca 2+ -koncentráció mérési eredmények A méréssorozat kezdeti szakaszában nem lettek savval tartósítva a minták, így még lehetett hidrogén-karbonát meghatározást csinálni, viszont a Ca 2+ -koncentráció értékek nem voltak megnyugtatóak. 45 Nem savazott minták Ca-koncentrációja Mintaszám 16. ábra Savval nem tartósított mintasorozatok Ca 2+ -koncentráció értékei (szerző saját szerkesztése) Az eredményeket diagramon ábrázolva szembetűnő volt, hogy a görbében minden sorozat végső pontjánál törés van (16. ábra), a piros pontok az egyes sorozatok utolsó elemét jelölik. A másik nyugtalanító dolog az volt, hogy az első sorozat koncentráció értékei csökkenő tendenciát mutatnak, viszont a második sorozattól kezdődően az 28

32 Ca/Mg-arány Ca-koncentráció [mg/l] Miklós Rita értékek szisztematikusan emelkednek. Ez arra enged következtetni, hogy a sav hiányában a mintában folyamatosan változik az egyensúly, kalcium-karbonát kiválásbeoldódás zajlik le a tárolóedényben. Emiatt a mérési eredményeket nem tekintem megbízhatónak, így a továbbiakban csak azzal az időszakkal foglalkozom, amikortól a minták savval tartósítva lettek. Ez pedig re korlátozódik. Mivel a spektrofotométert nagyon nehéz egymást követő két héten ugyanúgy beállítani, ezért a mérési adatokat korrigáltam. Ez úgy történt, hogy minden mérés során újra megmértem az előző sorozat utolsó mintáját, és az arra a mintára vonatkozó két adat különbségének felével korrigáltam visszamenőlegesen az adatsort. Emellett minden alkalommal, vakoldat segítségével ellenőriztem, hogy a műszer beállításai nem változtak-e a mérés során. 12 Ca-koncentrációk - Ca/Mg-arány Ca/Mg arány Ca ábra Ca 2+ -koncentráció Ca/Mg-arány görbéi (szerző saját szerkesztése) A 17. ábrán mutatom be a Ca 2+ -koncentráció eredményeit összevetve a Ca/Mg-aránnyal. Látható, hogy a mérési sorozat elején a két görbe együttfut, majd a decemberi időszaktól kezdve a Ca 2+ -görbe inkább lassú csökkenő, míg a Ca/Mg-arány görbéje inkább növekvő tendenciát mutat. 29

33 Egy Tennessee államban végzett kutatás alapján egy olyan karsztforrás esetén, melynek vize mészkővel érintekezett, a Ca/Mg-arány 2 10 között változik, az átlagérték 6(White, 1988). Ezzel összevetve, a Garadna-forrás átlagos Ca/Mg-aránya 8. A Ca 2+ -koncentráció eredményeit összevetettem a Mg/Ca-aránnyal is, mely az 5. mellékletben látható. Mivel a Ca 2+ oldódása relatíve gyors folyamat, a víz karsztban tartózkodási idejéről nem ad információt. Ezzel ellentétben, a Mg oldatba kerülése sokkal hosszabb idő alatt megy végbe, ezért egy növekvő Mg-koncentráció, vagy növekvő Mg/Ca-arány sokkal nagyobb időintervallumot jelez. Természetesen a víz abszolút kora nem határozható meg ezekből az értékekből (Hunkeler&Murdy, 2006). Ilyen jellegű következtetéseket a saját ábrákból nem lehet levonni, mert rövid időszak adatai állnak rendelkezésre. Az 5. mellékletben található ábra azt mutatja, hogy a Ca 2+ és Mg/Ca-arány görbéi között negatív korreláció van, Ca 2+ -koncentráció értékek növekedésekor a Mg/Ca-arány görbéje csökkenő tendenciát mutat. A Ca 2+ -koncentráció változásáról elmondható, hogy viszonylag sok kiugró értéket mutat, viszont ezeket az értékeket levágva egy nagyon lassú tendenciával csökkenő alapértéken mozogó idősort mutat, mely a 18. ábrán jól látható. A teljes adatsor átlaga 92 mg/l-es, amely szintén nagyon jól felfedezhető az alábbi ábrán. Összességében megállapítható, hogy egy csapadékszegény tél és tavasz során a Ca 2+ - koncentráció alapértéket vesz fel. Az adatok alapján illusztrált görbe alakja tükrözi a repedés-, és karsztrendszer állapotát. Az éles pozitív és negatív csúcsokkal rendelkező görbe egy hatékony, jól karsztosodott rendszert jelez, mely nagyobb csapadék esetén képes a beszivárgott és az oldódás során vízbe került összetevőket a forrás felé továbbítani (Hunkeler&Mudry, 2006). Az oldatban a Ca 2+ -koncentráció változásával változik a ph is (William, 1988), amit nagyon jól szemléltet a 18. ábra is. 30

34 Mg-koncentráció [mg/l] Ca/Mg-arány [-] Ca-koncentráció [mg/l] ph Miklós Rita 160 Ca-koncentráció - ph 7,8 Ca ph 140 7, , ,5 80 7,4 60 7,3 40 7,2 20 7,1 18. ábra Ca 2+ -koncentráció ph görbék (szerző saját szerkesztése) Mg 2+ - koncentráció mérési eredmények 16 Mg-koncentráció - Ca/Mg-arány 16 Mg Ca/Mg-arány ábra Mg-koncentráció adatok és a Ca/Mg-arány ábrázolása (szerző saját szerkesztése) 31

35 Na-koncentráció [mg/l] Csapadék [mm] Miklós Rita A Mg-koncentráció adatokat is a Ca/Mg-aránnyal együtt ábrázoltam (19. ábra). Az adatsorok korrelációs együttható értéke R 2 = -0,7. A negatív érték azt jelenti, hogy amíg az egyik görbe értékei pl. csökkennek, addig a másik görbe értékei növekednek. A Mg-koncentráció idősorát ábrázoltam a Mg/Ca-arány értékeivel összevetve is, mely az 5. mellékletben található. A diagram azt mutatja, hogy a két adatsor időben együtt változik, ha a Mg-koncentráció értékeiben csökkenés mutatkozik, az a Mg/Ca-arányban is ugyanez figyelhető meg. Korrelációs együttható értékük R 2 = 0, Na + -koncentráció mérési eredmények Az 20. ábrán látható, hogy a Na-koncentráció értékek változását nem befolyásolja a hulló csapadék. Igaz, hogy a Na nem a karsztrendszerek fő jellemző eleme. A görbe szintén csökkenő tendenciát mutat, mint a Ca 2+ -görbe, viszont a két adatsor között nem állapítható meg korreláció. 3,0 Na-koncentráció - csapadék 24 2,5 Csapadék Na 20 2,0 16 1,5 12 1,0 8 0,5 4 0, ábra A Na + -koncentráció értékek összevetve a csapadékadatokkal (szerző saját szerkesztése) A forrásvízben lévő Na + származhat barlangi üledékekből, de lehetséges, hogy még a víznyelőbe befolyás előtt, felszínen folyó patak formájában agyagpalákból oldódik be. 32

36 K-koncentráció [mg/l] Csapadék [mm] Miklós Rita K + - koncentráció mérési eredmények Ugyan a K-tartalommal abszolút nem tudunk a karsztrendszer sajátságaira következtetni, viszont az értékeket a csapadékkal összevetve érdekes eredményt kaptam. K-koncentráció - csapadék 1,2 1,1 Csapadék K ,0 20 0,9 18 0,8 16 0,7 14 0,6 12 0,5 10 0,4 8 0,3 6 0,2 4 0,1 2 0, ábra K-koncentráció értékek görbéje a csapadékadatokkal ábrázolva (szerző saját szerkesztése) Az 21. ábrán azt figyeltem meg, hogy a K-koncentráció értékek egy általánosan növekvő tendenciát mutatnak, mely növekedés több esetben is megtörik. Helyenként csapadékhullás hatására kiugró értékeket mutatnak az eredmények. Ez a viselkedés magyarázatához további vizsgálatok lehetnek szükségesek. A kálium jelen esetben származhat a talajból, a talajkolloidok felületéről történő mobilizációval, mely nagy mennyiségű, hirtelen csapadékkal kimosódik és a karsztba migrál. Másrészt származhat a földpátokból, pontosabban káliföldpátokból, melyek barlangi üledékekben lehetnek jelen, vagy a Na + -hoz hasonlóan agyagpalákból felszíni vízfolyásba oldódva Akkreditált laborban történt vízkémiai mérési eredmények és a saját adatok összehasonlítása A spektrofotométeres mérési eredmények ellenőrzése érdekében a es mintasorozat a BORSODVÍZ Önkormányzat Közüzemi Szolgáltató Zártkörűen Működő Rt. 33

37 Ca [mg/l] Miklós Rita Vizsgáló Laboratóriumába lett küldve elemzésre. Az innen kapott eredmények és saját eredmények összehasonlító diagramja látható a 22. és 23. ábrákon. Az adatsorok értékeinek nagy eltérése, valamint a jobb átláthatóság érdekében külön diagramon ábrázoltam a Ca 2+ -, valamint a Mg-, Na-, és K-koncentráció értékeket. 120 Akkreditált labor mérési eredményeinek összevetése saját eredményekkel - Ca Ca saját Ca akkr. labor Minta sorszám 22. ábra Akkreditált labor Ca 2+ -koncentráció mérési eredmények összevetése a saját eredményekkel (szerző saját szerkesztése) Az 22. ábrán látható, hogy az általam mért Ca 2+ -koncentráció eredmények értékei 95 mg/l, míg a laborból kapott eredmények inkább 80 mg/l körül mozognak. A két adatsor közötti átlageltérés 15 mg/l. 34

38 Mg-, Na-, K-koncentráció [mg/l] Miklós Rita Akkreditált labor mérési eredményeinek összevetése saját eredményekkel - Mg, Na, K Mg saját Mg akkr. labor Na saját 8 6 Na akkr. labor 4 K saját 2 K akkr. labor Mintasorszám 23. ábra Akkrediált labor Mg-, Na-, és K-koncentráció mérési eredmények összevetése a saját eredményekkel (szerző saját szerkesztése) A 23. ábrán vetettem össze az általam mért többi kation koncentráció értékét. A legnagyobb szórás a Mg-adatsorokban látszik. Míg a saját mérési adatok relatíve konstans módon tartják a 10 mg/l értéket, addig a labor mérési sorában vannak kiugró értékek. Viszont a két sor átlagának különbsége mindössze 0,64 mg/l, mely eltérést nem tartom nagynak. Az eredmények alapján a nagyobb pontosság érdekében a következő mérési sorozattól kezdve a Mg-koncentráció méréseket ugyanúgy - 10x-es hígításban LaCl 3 -al kezelve végeztem - mint a Ca 2+ -koncentráció méréseket. A K-mérési eredmények szinte végig egybevágnak, mindkét sor átlaga 0,7. Viszont a Na-mérési eredmények között nagy eltérés mutatkozott, a saját mérési eredmények értékei csak a fele a laboreredményeknek. Ez a különbség arra adott okot, hogy ellenőrizzük a saját eredményeinket. Ennek érdekében addíciós ellenőrzési módszerrel újra megvizsgáltuk eredményeinket. Ennek a lényege, hogy először megmértük a vízminta Na + -tartalmát spektrofotométes segítségével. Ezután a kapott koncentrációérték 1; 1,5; és 2x-es-ét hozzáadtuk a mintához, és újra lemértük az Na + - tartalmakat. A kapott értékeket és a hozzájuk tartozó abszorbancia-értékeket egy Descartes-koordinátarendszerben ábrázoltuk (x-tengely koncentráció; y-tengely abszorbanciaérték). A felvett pontokra illesztett egyenest meghosszabbítva, ahol az egyenes metszi az x-tengelyt, az origótól mért távolság adja az oldat eredeti alap koncentráció értékét. 35

39 Ezt a módszert alkalmazzák akkor is, ha ismeretlen koncentrációjú oldat adott elemtartalmát kell meghatározni. Akkor ismert koncentrációjú oldatokat adnak a mintához (Welz&Sperling, 1999). Az ellenőrző mérés eredményei is a saját mérési eredményeinket igazolta, így a továbbiakban is a saját értékeket használom fel az értékelések során Vízkémiai adatok összesítése Box-Whisker -diagram segítségével A vízkémiai vizsgálatok eredményeit (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, HCO - 3 ) röviden, grafikus úton összegzem ebben a fejezetben. Az elemzések során kapott értékeket egy, a földtudományok terén is bevált és kedvelt ábrázolási mód - az ún. Box-Whisker, avagy dobozdiagram - segítségével foglalom össze (24. ábra). 24. ábra A Box-Whisker -diagram értelmezése (Szűcs és Madarász, 2005) Mint azt a 24. ábra is szemlélteti, a doboz hossza a vizsgált adatrendszer alsó kvartilis (25%-os) értékétől a felső kvartilis (75%) értékig terjed el. A dobozon belüli vonal az adatrendszer középső elemének, azaz mediánjának a helyét jelöli ki. A dobozon kívüli vonalak ( bajszok ) az adatrendszer elnyúltságát és terjedelmét szemléltetik. Ha a bajszok hosszabbak, mint a doboz hosszúságának 1,5-szöröse, akkor ott már kieső adatokra kell számítanunk (Szűcs és Madarász, 2005). A megszerkesztett diagramok a 25. ábrán láthatóak. 36

40 25. ábra - Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, HCO koncentráció értékek Box-Whisker -diagramon ábrázolva (szerző saját szerkesztése) A Box-Whisker-diagram tulajdonságainél figyelembe vesszük a bajszok és a doboz hosszának arányát, akkor látható, hogy a Ca 2+ -, valamint a HCO 3 koncentráció értékekben számítani kell kieső adatokra, melyek adódhatnak mérési hibából. A megszerkesztett diagramokon jelöltem a medián, felső és alsó kvartilis értékeket, és össze is foglaltam a 3. táblázatban. 3. táblázat A vizsgált elemek koncentrációértékeinek medián, felső kvartilis és alsó kvartilis értékei (szerző saját szerkesztése) Elem Medián (50 %) Felső kvartilis (75 %) Alsó kvartilis (25 %) [mg/l] [mg/l] [mg/l] Ca 2+ 91,66 97,41 86,34 Mg 2+ 12,04 10,16 12,69 Na + 2,35 2,447 2,152 K + 0,702 0,781 0,644 - HCO 3 261,4 264,3 255,6 37

41 6.2 Koloriméteres vizsgálati eredmények Mint azt már a as fejezetben is említettem, a koloriméterrel végzett vizsgálat gyors ugyan, de csak tájékoztató jellegű. Ez számomra megfelelő is volt, a méréseket csak néhány mintasorozaton végeztem el. A későbbiek során (lsd. 6.4-es fejezet) végeztem klorid-tartalom meghatározást a pontosabb eredményt adó titrálás módszerével is. Összehasonlítottam a titrálás (2,4-2,9 mg/l) és a koloriméteres (0-0,15 mg/l) vizsgálat során kapott klorid-tartalom adataival, és kiderült, hogy a koloriméteres eredmények meg sem közelítik a titrálás során kapottakat. A továbbiakban a titrálás során kapott eredményeket tekintem pontosnak, a koloriméteres adatsort nem használom fel. A 26.a és 26.b ábrákon összevetettem a szulfát-koncentráció változását a csapadékkal. Megfigyelhető, hogy csapadék hatására növekszik a szulfát koncentrációja a forrásvízben, majd 1-2 héten belül elér egy maximális értéket és újra csökkeni kezd. Az egyértelmű kapcsolat az adatok kis száma miatt nem állapítható meg. Ami még látható, hogy az adatsor szignifikáns változásokat nem mutat, és a 201/2001. (X. 25.) Korm. rendeletben megadott ivóvíz minőségi követelmények határértékeinek is bőven a határain belül mozog (szulfát határérték 250 mg/l), így a viszonylag nagy költség miatt ezt a mérési típust a későbbi mérések során elhagytam (net.jogtar.hu). 38

42 SO 4 2 koncentráció [mg/l] Csapadék [mm] SO 4 2 koncentráció [mg/l] Csapadék [mm] Miklós Rita 18 SO 42 -koncentráció - csapadék között 4,0 16 Csapadék SO4 3,5 14 3,0 12 2,5 10 2, ,5 4 1,0 2 0,5 0 0, : : : : :00 26.a ábra A koloriméteres vizsgálat eredményei - SO 2 4 koncentráció összevetve a csapadékkal és között (szerző saját szerkesztése) 30 SO 42 -koncentráció - csapadék között 12,0 Csapadék SO ,0 20 8,0 15 6,0 10 4,0 5 2,0 0 0, : : : :00 26.b ábra A koloriméteres vizsgálat eredményei - SO 2 4 koncentráció összevetve a csapadékkal és között (szerző saját szerkesztése) 39

43 Csapadék [mm] Hidrogén-karbonát [mg/l] Miklós Rita 6.3 Titrálás mérési eredmények A már a es fejezetben leírtak alapján végeztem hidrogén-karbonát meghatározást hét (nem feltétlenül egymást követő) mintasorozaton. A mérési sorok közül most csak a leghosszabb összefüggő periódus mérés eredményeit ábrázolom. Az általam meghatározott hidrogén-karbonát koncentráció értékek átlaga 258,5 mg/l, mely jó egyezést mutat az 1972-ben Juhász által meghatározott értékkel, mely 258,0 mg/l, valamint 1962-ben Schmidt által meghatározott értékkel is, amely 262,40 mg/l. A 27. ábrán látható, hogy az adatsor - egy két kiugró értéktől eltekintve - tartja ezt az átlagot. Csapadék-hidrogén-karbonát 70 Csapadék HCO ábra Csapadékadatok valamint a hidrogén-karbonát mérési adatok (szerző saját szerkesztése) Az általam meghatározott koncentráció értékek megfelelnek a bükki források átlagos kémiai összetételének, ugyanis a hegységben található karsztforrások vize kalciummagnézium-hidrogénkarbonátos. A Ca 2+ -tartalom átlagban mg/l, a Mg-tartalom 5-25 mg/l közötti, a hidrogén-karbonát mg/l között változik (Pelikán, 2005). 40

44 6.4 A Garadna-forrás víztípusának meghatározása Piper-diagram segítségével A vízkémiai vizsgálatok eredményeit felhasználva meghatározható az, hogy a víz mely fő kémiai típusba tartozik. Ennek leggyakoribb módja grafikus úton, az ún. Piper-diagram segítségével történik. A felszín alatti vizek fő kémiai paraméterei szükségesek hozzá: kationok: o kalcium (Ca 2+ ) o magnézium (Mg 2+ )32- o nátrium (Na + ) o kálium (K + ) anionok: o klorid (Cl - ) o szulfát (SO 4 2- ) o hidrogén-karbonát (HCO 3 )+karbonát (CO 3 2- ) (Kresic, 2007). A kationok meghatározása lángatomabszorpciós spektrofotometriás módszerrel történt, az anionok koncentrációjának meghatározására más eljárásokat kellett alkalmazni. Klorid esetén: Titrálás a MSZ 448/15-82 számú szabványban leírtak alapján: 100 cm 3 vízmintához 2 cm 3 kálium-kromát (K 2 CrO 4 ) indikátort adva ezüst-nitrát oldattal (AgNO 3 ) citromsárgából narancsvörösbe való átcsapásig titráltam. A fogyásból határozható meg a klorid-tartalom a következő képlettel: ahol: a a fogyott ezüst-nitrát-mérőoldat térfogata [cm 3 ]; b a vakpróbára fogyott ezüstnitrát-mérőoldat térfogata [cm 3 ]; V a meghatározáshoz felhasznált vízminta térfogata [cm 3 ]; 1000 az 1 literre való átszámításból és a mérőoldat 1 cm 3 -e által mért kloridion mennyiségéből adódó tényező [mg/l]; f az ezüst-nitrát oldat faktora. Szulfát esetén: Hach DR/2000 direct reading típusú spektrométer 25 ml vízmintához megfelelő reagenst adtam hozzá, majd a műszer segítségével meghatároztam a szulfáttartalmat. A műszer pontossága ±0,9 mg/l. Hidrogén-karbonát esetén: Az es fejezetben leírt módon történt a meghatározás. 41

45 E módszer esetén nem az automata vízmintavevő által gyűjtött mintákat használtam fel, hanem közvetlenül a forrástérből származó vízmintákat elemeztem, melyek semmilyen módon nem lettek tartósítva. Összesen négy minta került elemzése, minden esetben a mintavételtől számított 24 órán belül. Annak érdekében, hogy a különböző ionok vízben való egyensúlyát határozzuk meg, a különböző ionok töltését is figyelembe kell venni, ilyenkor egy ion egyensúlyi tömegéről beszélünk. Ha egy ion mg/l-ben kifejezett koncentrációértéket elosztjuk a vegyértékével, az eredmény egy egyensúlyi koncentráció érték, az ún. milligram-ekvivalens/l, vagy milliekvivalens [meq]. Például: ha meg szeretnénk határozni a mg/l-es Ca 2+ -koncentráció milliekvivalens értékét, a következő módon járunk el: - első lépésben elosztjuk az elem atomtömegét a vegyértékével: - második lépésben a mg/l-ben kifejezett koncentrációértéket osztjuk az előbb kapott egyensúlyi tömeg értékével: á (Kresic, 2007). Ezt minden elemre elvégezve összegezzük az anionok és kationok meq értékeit. Abban az esetben, ha minden ion-koncentráció pontosan lett meghatározva, akkor a fent fentebb felsorolt kationok és anionok koncentrációja meq/l dimenzióban egyenlő kell, hogy legyen. Ha ez az egyenlőség nem áll fenn, akkor a különböző analitikai és számítási hibák okolhatóak, ill. különböző olyan ionok - melyek jelenlétét csekélynek becsültük nagyobb koncentrációban vannak jelen (pl. nitrát) (Kresic, 2007). A saját méréseim alapján ezek a kation-anion értékek a 4. táblázatban láthatók. Megjegyzendő, hogy a i és i mintavételek időpontjában mindkét alkalommal esett az eső, így lehetséges az, hogy más ionok jelentek meg beoldódás hatására, vagy mérési hibáktól terheltek az eredmények. 42

46 4. táblázat A Piper-diagram szerkesztéséhez mért vízminták kation-anion koncentráció értékei (szerző saját szerkesztése) Kation [meq/l] Anion [meq/l] ,33 4, ,94 5, ,30 5, ,10 5,10 A mért adatok alapján a GW_Chart nevű program segítségével megszerkesztettem a négy különböző időpontban vett vízminták Piper-diagramját (28. ábra). Látszik az ábrán, hogy nincs különbség a vizek típusai között, a pontok fedésben helyezkednek el a diagramon. A külön-külön megszerkesztett diagramok, az egyes kationok és anionok százalékos eloszlását ábrázoló körcikk diagramok, valamint a leolvasást magyarázó ábra a 6. mellékletben található. 28. ábra A négy különböző időpontban gyűjtött vízminta Piper-diagramja (szerző saját szerkesztése) 43

47 Ahhoz, hogy ezekből az eredményekből meg lehessen határozni a víz fő kémiai típusát, szükség van a 29. ábrára, melyen láthatóak a típus szerinti beosztások, és jelöltem rajta a saját minták elhelyezkedését. 29. ábra A Piper-diagram beosztása és a saját minták elhelyezkedése pirossal jelölve (szerző saját szerkesztése, forrás:kresic, 2007) A 29. ábrán látható, hogy kationok ábráján az alacsony Mg és Na+K-tartalom valamint a magas Ca 2+ -tartalom értelmében egyértelműen Kalcium-típusba, az anionok ábráján alacsony szulfát-, és klór-tartalom mellett rendkívül magas hidrogén-karbonát értelmében Bikarbonátos/Hidrogén-karbonátos- típusba, összességében pedig Ca-Mg-HCO 3 -típusba sorolható be a Garadna-forrás vize. Ez azért fontos, mert a forrás ugyan dolomit kőzetből lép a felszínre, viszont a vízgyűjtőjének legnagyobb hányada mészkövön fekszik. A diagram alapján megállapítható, hogy a víz egyértelműen Kalcium-típusú, a magnézium aránya kevesebb, mint 5 %, tehát az általam mért vízkémiai adatok főként a Fehérkői Mészkő Formációról eredő vizeket jellemzik. 44

48 Természetesen négy vízminta elemzése nem elegendő, egy hosszabb, folyamatosan mintázott periódus eredményeiből lehet biztos következtetéseket levonni, viszont az általam készített diagramok tájékoztatnak arról, mire lehet számítani a későbbi vizsgálatok során, jelentős különbségekre azonban nem számítunk. A négy vízmintán elvégzett kémiai vizsgálati eredményekből három mintáról PHREEQC geokémiai modellező program segítségével speciesz számítást végeztem, valamint kiszámítottam a főbb ásványtípusok szaturációs indexét. A kért vízkémiai paramétereket beadva a programnak lefuttatja és kiszámolja, hogy adott feltételek mellett milyen vegyületek, és milyen koncentrációban (mol/kg) lehetnek jelen a vízben. Számomra jelen esetben a kalcit és az aragonit jelenléte fontos, valamint ezen fázisok szaturációs index (SI) értéke. Ha az SI = 0, egyensúlyi állapotról, ha SI > 0, túltelítettségről, ha SI < 0, alultelítettségről beszélünk (elte.prompt.hu). A program által számított eredményeket az 5. táblázatban foglaltam össze 5. táblázat A PHREEQC geokémiai modellezőprogrammal három alkalommal vett vízmintára számolt telítettségi index és vezetőképesség Vezetőképesség Dátum SI kalcit SI aragonit [ms/cm] ,17 0,02 0, ,14-0,02 0, ,14-0,02 0,339 Látható, hogy a kalcitra számított szaturációs index mindenhol nagyobb, mint 0, tehát a kalcit ásvány tekintetében a víz túltelített, és kiválás várható. Napjainkban a forrás mesterséges kiépítése miatt ez már nem látványos, viszont irodalmi adatok szerint Ómassa megtelepülését előzően a Garadna édesvízi mészkő lerakása jelentős volt (Hevesi, 2002). A szaturációs index mellett feltüntettem még a vízvezetőképesség értékekeit is, mert a program által számított és az általunk a forrásban mért értékek jól megegyeznek (az általunk mért adatokat lsd. később a es fejezetben). Mindhárom időpontból rendelkezünk mért adattal, én 0,446 ms/cm, én 0,446 ms/cm, én 0,451 ms/cm volt a forrásban a vezetőképesség értéke. 45

49 Hozam a szabvány szerint [m3/s] Hozam Palmer nyomán [m3/s] Miklós Rita 6.5 Thomson-bukó hozamának meghatározása, adatok elemzése Az ös fejezetben megadott képletek alapján számoltam hozamot a rendelkezésre álló adatokból. A két módszer alkalmazása során kapott eredményeket mutatja a 30. ábra. A diagramon jól látható, hogy a kék (szabványban szereplő képletet alkalmazva) illetve a piros (Palmer képletét alkalmazva) teljesen azonos lefutású. A kétféle módon számított hozamok adatsorainak korrelációs együttható értéke R 2 = 0,99, tehát 1-nek is vehető. Ez azt jelenti, hogy a két görbe jellegének változása teljesen megegyező. És mivel a két görbéhez tartozó tengelyek azonosak, kijelenthető, hogy a két adatsor értékei megegyezőek. A továbbiakban a szabvány szerint meghatározott hozamértékekkel dolgozom. 0,035 Thomson-bukóra számolt hozam 0,035 Hozam a szabvány szerint [m3/s] Hozam Palmer nyomán [m3/s] 0,030 0,030 0,025 0,025 0,020 0,020 0,015 0,015 0,010 0,010 0,005 0,005 0,000 0, : : : : : : ábra Thomson-bukóra számolt hozam a szabvány, ill. Palmer nyomán (szerző saját szerkesztése) 46

50 Bukó hozama [m3/s] Csapadék [mm] Miklós Rita Bukó hozama-csapadék 0, ,030 Csapadék Jávorkút (mm) Bukó hozam [m3/s] , , ,015 0,010 0,005 0, ábra A Thomson-bukó hozamadatai összevetve a csapadékadatokkal (szerző saját szerkesztése) A 31. ábrán láthatóan összevetettem a Thomson-bukó hozamadatait a csapadékadatokkal, mely érdekes eredményt adott. Látható, hogy a november-januári időszakban a hozam körülbelül 0,003 m 3 /s-ot változik, és még jelentősebb csapadékok esetén is csak kis mértékben nő. Viszont a 32. ábrán felnagyítva jobban látható, hogy a február között hullott közepes mennyiségű csapadék hullását követően a hozam jelentős mértékben 0,024 m 3 /s-al megugrik, majd elkezd lecsengeni a görbe. Ezután február 19-én hullott csapadék hatására ismét növekszik a hozam, de már nem olyan meredeken növekszik a görbe, hanem kisebb lépésekben egy kissé tartósabb emelkedés tapasztalható, ekkora a litoklázis rendszer pórusai valószínűleg már feltöltődtek, és már tudnak vizet kiadni magukból ennek alátámasztására további, magasabb hozamú időszakból származó adatok szükségesek. Egy másik lehetséges magyarázat lehet az, hogy a karsztrendszerben a víznyelőktől a forrás kilépési pontjáig a víz nem mindig egyenesen lefelé halad (tudjuk, hogy a Nagyfennsík és a Garadna-forrás között legalább m szintkülönbség van), hanem nagyobb üregeken, szifonokon keresztül vezet az útja. 47

51 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Csapadék [mm] Hozam [m3/s] Miklós Rita Bukó hozama - Csapadék között 14 0, Csapadék Bukó hozam 0, , ,02 6 0, ,01 2 0, ábra A Thomson-bukó hozamadatai összevetve a csapadékadatokkal a ig terjedő időszakban (szerző saját szerkesztése) A fenti magyarázatok között akkor tudunk dönteni, ha magasabb hozamú periódusból származó adatok állnak majd rendelkezésünkre. Az is jól látszik a 32. ábrán, hogy a Garadna-forrás csapadékra való reagálási ideje (átnedvesedett rendszer esetén) rövid, csapadékhullástól számítva néhány órán belül észlelhető a hozam növekedése. Ez a reagálási idő nem azt jelzi, hogy mennyi idő szükséges az esővíznek, hogy átjusson a rendszeren és megjelenjen a forrásban, hanem azt, hogy mennyi a nyomásterjedés ideje. A folyamat során a hozam hirtelen növekszik, elér egy csúcsértéket, majd csökkenni kezd, ami már nem olyan gyors ütemben történik, mert az átmeneti tároló rendszerből idő kell, hogy a víz leürüljön. Ideális esetben, ha nincs közben hulló csapadék, a hozamgörbe csökkenő ága egy exponenciális görbe, mire a hozam visszaáll az alapállapotra. A forrás alaphozama egy hosszabb száraz időszakban állapítható meg, amikor nincs csapadékhullás, és az utánpótlást a mikrorepedésekben tárolt víz biztosítja (William, 1988). Ezt az értéket a 7.3-as fejezetben meg is állapítom. 48

52 Csapadék [mm] Hozam [m3/s] Miklós Rita 6.6 Ultrahangos áramlásmérő hozamának meghatározása, adatok elemzése Az os fejezetben leírtak alapján az ultrahangos áramlásmérő által rögzített adatsorból meghatároztam a forrás hozamát, melyet a 33. ábrán mutatok be. Látható, hogy jelen esetben is ugyanolyan lefutású a hozamgörbe, mint a Thomson-bukóra számolt hozamgörbe. Áramlásmérő hozama - csapadék Csapadék Hozam 0,14 0, ,10 8 0,08 6 0,06 4 0,04 2 0,02 0 0, ábra Az ultrahangos áramlásmérő adataiból számított hozam görbéje összevetve a csapadékadatokkal (szerző saját szerkesztése) Viszont az ös, valamint az os fejezetekben leírt módszereket alkalmazva a bukóra számolt hozam és az áramlásmérőre számolt hozam értékei között eltérés mutatkozott (34. ábra). 49

53 Hozam [m3/s] Miklós Rita Áramlásmérő - Thomson-bukó hozamadatok 0,12 0,1 Hozam Thomson-bukó Hozam áramlásmérő 0,08 0,06 0,04 0, ábra Az ultrahangos áramlásmérő és a Thomson-bukó adataiból számolt hozamgörbék (szerző saját szerkesztése) Rögtön feltűnik, hogy a két módszer által számított adatok görbéi együtt mozognak, korrelációs együttható értékük R 2 =0,97, viszont majd egy nagyságrend eltérés tapasztalható az értékek között, az áramlásmérő adataival számolt hozamadatok lettek nagyobbak. Ez természetesen rögtön felveti a kérdést, hogy miért, és hogy melyik adatsort higgyük valósnak. Feltételezem, hogy a műszerek megfelelően mérnek. A felmerült probléma tisztázása végett utánanéztem korábbi méréseknek. Az es években havi rendszerességű hozamméréseket végeztek a Garadna-fő-forrásban, melyek eredményei megtalálhatóak a Vízrajzi Évkönyvekben. A hozamadatokhoz kigyűjtöttem a megfelelő havi csapadékadatokat (szintén a jávorkúti meteorológiai állomásét) valamint a téli időszakokra jellemző hóvastagságokat is (7. melléklet). A könnyebb összehasonlíthatóság érdekében átszámoltam m 3 /s dimenzióba az adatokat, melyek azt igazolják, hogy a két módszerünk közül az ultrahangos áramlásmérő adataival, az os fejezetben leírt számolási menetet alkalmazva kapunk valós adatokat. A Thomson-bukót és kialakítását közelebbről is megvizsgálva felfedezhetők olyan dolgok, melyek a pontatlanságot (részben) okozhatják. Például: A Thomson-bukó éles szélű bukó, 50

54 melynek az élén lévő tárgyak/élőlények befolyásolják az átbukási magasságot. Esetünkben a bukó két élén vastag moharéteg található. De ettől sokkal fontosabb és nagyobb gond, hogy a bukó medrében pataki hordalék található, mely nagy mértékben befolyásolhatja a mérési pontosságot. A hibák kiküszöbölése és a probléma további tisztázása érdekében a későbbiekben bukókalibrációt fogunk végeztetni. A továbbiakban egyértelmű, hogy az ultrahangos áramlásmérővel meghatározott hozamadatokkal dolgozom. Ez esetben a hozamok átlaga 0,057 m 3 /s = 3430 l/p, a havi lebontású átlagok a 6. táblázatban találhatóak. 6. táblázat Ultrahangos áramlásmérő adataival számított hozamok havi lebontású átlaga (szerző saját szerkesztése) Hozam [m 3 /s] Hozam [l/p] December 0, Január 0, Február 0, Március 0, Ezek ismeretében a következő ábrákat vizsgálom meg: 51

55 35. ábra A Garadna-forrás sokévi vízhozamgörbéje (VITUKI, 1971) A 35. ábráról leolvasható, hogy minden havi átlag előfordulási valószínűsége több, mint 50 %. 52

56 36. ábra A Garadna-forrás és a lillafüredi csapadékmérő állomás vízhozam, ill. csapadék tartóssági görbéi közötti mérések alapján (VITUKI, 1971) A 36. ábrán pedig leolvasható, hogy a ~3400 l/p körüli hozamérték valószínűsége ~50 %. Lehetséges, hogy ez az érték nem meggyőző, ám nem szabad elfelejteni, hogy jelenleg csak 4 havi részletes hozamadat áll rendelkezésünkre, a pontosabb leolvasáshoz legalább egy éves periódus átlagértékére lenne szükség. Mindazonáltal a fentebb már tárgyalt Vízrajzi Évkönyvek adatai, valamint a 35. és 36. ábrák alapján az ultrahangos áramlásmérő adataiból az os fejezetben leírt módszerrel számított hozamértékeket veszem elfogadhatónak. 53

57 Ca/Mg-arány [-]; Csapadék [mm] Ca-koncentráció [mg/l] Miklós Rita 7 A mérési eredmények összefüggései 7.1 A kémiai összetétel összefüggése egyéb mért paraméterekkel Ca 2+ -koncentráció Mg 2+ -koncentráció - Ca/Mg-arány hozam csapadék összefüggései Az es és es fejezetekben ábrázoltam külön-külön a Ca 2+ és Mgkoncentrációkat összevetve a Ca/Mg-aránnyal. Mivel látható volt, hogy van közöttük kapcsolat, a 37.a és 37. b ábrákon láthatóan összevetettem ezen adatsorokat még a csapadékkal is. 20 Ca-koncentrációk - Ca/Mg-arány - csapadék Csapadék Ca/Mg arány Ca a ábra Ca 2+ -koncentráció, Ca/Mg-arány és csapadék együtt való ábrázolása (szerző saját szerkesztése) 54

58 Mg-koncentráció [mg/l] Ca/Mg-arány [-] Miklós Rita Mg-koncentráció - Ca/Mg-arány - csapadék Csapadék Mg Ca/Mg-arány b ábra Mg-koncentráció, Ca/Mg-arány és csapadék együtt való ábrázolása (szerző saját szerkesztése) A 37.a ábrán az figyelhető meg, hogy a Ca 2+ -koncentráció a csapadék hullását követően kis mértékben ugyan, de növekedést mutat, majd visszaáll egy átlagos értékre. Ugyanez elmondható a Ca/Mg-arány változásáról is. Ezt okozhatja az, hogy a lehullott és beszivárgott víz hatására a járatokban tartózkodó, jobban mineralizált víz kinyomul a rendszerből. Ez az ún. dugattyú effektus. Ennek az előfordulása és hossza nem csak a karsztrendszer belső geometriájától és karakterisztikájától függ, hanem a csapadék eloszlásától is, mennyi idő szükséges ahhoz, hogy a forrásban megjelenjen, a csapadék mennyiségétől, mely a hígulás mértékét befolyásolja, valamint a járatrendszerben tárolt víz mennyiségétől és kémiai paramétereitől is. Ez utóbbi pedig az időjárási viszonyok függvénye, A dugattyú effektus általában egy hosszabb csapadékmentes időszak után jelentkezik (Hunkeler&Mudry, 2006). Ha megvizsgáljuk a 37.b ábrát is, akkor azt tapasztaljuk, hogy a csapadék hatása a Mgkoncentrációban kismértékű csökkenést eredményez. Ha a Ca 2+ -koncentráció nő a Mg-koncentráció pedig csökken a csapadék hatására, a Ca/Mg-arány növekedése ezen időszakokban kézenfekvő. 55

59 Ca-koncentráció [mg/l] Hozam [m3/s] Miklós Rita A 38.a ábrán viszont az látható, hogy a hozam és a Ca 2+ -koncentráció között nincs egyértelmű kapcsolat. Az látható, hogy a hozam kismértékű növekedésekor és között nagy ugrást mutat a Ca2+-koncentráció érték, viszont a én kezdődő hirtelen hozamnövekedés (piros függőleges vonallal jelölve) közel sem okoz akkora változást a Ca2+-koncentrációban, mint arra az előző két eset után számítani lehetne. A két görbe korrelációs együttható értéke R 2 = -0,06, tehát jelentéktelen érték. Az, hogy a Mg-koncentráció csökken, értelmezhető hígulásként, viszont ez sem jelenthető ki egyértelműen. Ha a 38.b ábrát nézzük, látható, hogy a hozam változása nem feltétlenül eredményezi a Mg-koncentráció értékek csökkenését, holott a két görbe korrelációs együttható értéke R 2 = -0,6. A ei hozamnövekedés (piros függőleges vonallal jelölve) esetében a Ca 2+ -koncentrációhoz hasonló viselkedést mutat a Mg-koncentráió is. Ca-koncentráció - hozam 140 0, Ca Hozam 0, , , , , , , , ,03 38.a ábra A Ca 2+ -koncentráció összevetve a hozamgörbével (R 2 = -0,06 ) (szerző saját szerkesztése) 56

60 Ca-koncentráció [mg/l] Hozam [m3/s] Miklós Rita Mg-koncentráció - hozam 15 0,12 14 Mg Hozam 0, , , , ,07 9 0,06 8 0,05 7 0,04 6 0,03 38.b ábra A Mg-koncentráció összevetve a hozamgörbével (R 2 = -0,6 ) (szerző saját szerkesztése) Hozam vízvezetőképesség összefüggései Következő lépésben megvizsgáltam a hozam és a vezetőképesség közötti kapcsolatot. A víz vezetőképesség mérést gyakran használják a víz tisztaságának ellenőrzésére, mivel a benne oldott sók vezetik az elektromos áramot. A Garadna-forrás vizének átlagos vezetőképessége EC = 0,446 ms/cm, mely tiszta hegyi források vizének felel meg (vizlabor.shp.hu). 57

61 Hozam [m3/s] Vezetőképesség [ms/cm] Miklós Rita Hozam - vezetőképesség 0,12 0,452 0,1 0,45 0,08 0,448 0,446 0,06 0,444 0,04 0,442 0,02 0,44 Áramlás mérő hozam (m3/s) Vezetőképesség (ms/cm) 11 id. mozg. átl. (Vezetőképesség (ms/cm)) 0 0, ábra A hozam és vezetőképesség változása (szerző saját szerkesztése) A 39. ábrán látható módon ábrázoltam a hozamot és a vezetőképességet. A vezetőképesség értékek görbéjére 11 pontos mozgóátlagot illesztettem, melyet a sárga vonal jelöl. Látható, hogy a hozam növekedésének a hatására a víz vezetőképessége megnő tehát nő az oldott sótartalma viszont nagyon érdekes, hogy nem a hozammal egyidőben, hanem késleltetve reagál annak növekedésére. Ez a késletetés sem állandó. Például: a i hozamemelkedést követően a vezetőképesség értéke csak án növekedik, itt az reagálás időtartama 9 nap. Viszont a i hozamnövekedés során a vezetőképesség már án reagál, tehát itt a változás bekövetkezéséig eltelt idő 1-2 napra csökken. Ennek az lehet az oka, hogy karsztban már hosszabb ideje tartózkodó víz vesztett CO 2 - tartalmából, valamint elérte az egyensúlyi állapotot. Csapadék hatására ez a régóta a rendszerben lévő víz mozogni kezd, és felszínre lép a forrásban, melyet követ a frissen hullott víz, melynek még magasabb CO 2 -tartalma van, ezáltal agresszívebb, és könnyebben oldja a kőzeteket - főként a mészkövet melyen áthalad. Így magasabb koncentrációban lesznek jelen az oldott sók benne, mire a forrás kilépési pontjához érkezik. Kisebb mértékű csapadékhullás pedig kisebb vízmozgást eredményez, több idő szükséges ahhoz, hogy ez a magasabb CO 2 -tartalmú, agresszívabb csapadék felszínre 58

62 Hozam [m3/s] Hőmérséklet [ C] Miklós Rita lépjen, míg nagy esőzés nagyobb nyomáshullámot generál és hamarabb éri el a kilépési pontot. Ez okozhatja a vezetőképesség értékek eltérő reagálási idejét. Egy másik lehetséges magyarázat, hogy a csapadékhullást követően az oldott sók koncentrációja növekszik a vízben, ami azt jelzi, hogy a magasabb fokon mineralizált víz a beszivárgó víz hatására kinyomul a rendszerből, mint azt már a es fejezetben is említettem a csapadékhullást követő Ca 2+ -tartalom megugrásának kapcsán is Hozam vízhőmérséklet összefüggései Hozam - hőmérséklet 0,12 8,22 0,1 8,2 0,08 8,18 8,16 0,06 8,14 0,04 8,12 8,1 0,02 Áramlás mérő hozam (m3/s) Hőmérséklet (C ) 8,08 0 8, ábra A hozam és hőmérséklet összefüggése (szerző saját szerkesztése) Az 40. ábrán látható módon összevetettem a hozam és a vízhőmérséklet változását az idő folyamán. Szembetűnő, hogy nagymértékű, hirtelen hozamemelkedés okoz hőmérsékletcsökkenést a forrásban, de ha a léptéket is figyelembe vesszük, ez a csökkenés mindössze 0,12 C körüli, mely nem nagy változás, de a korábbi mérési adatok alapján ez a Garadna-forrás esetében jelentős. 7.2 A vízszint-hozam függvény A vízszint és a hozam közötti kapcsolat meghatározása érdekében a két adatsort ábrázoltam, majd a kapott diagramon felvettem mind a lineáris, mind az exponenciális 59

63 trendvonalakat (41. ábra). Ez az ábrán nem látszik, mert a két trendvonal teljesen egybeesik. 41. ábra A hozam és vízszint kapcsolata, a felvett lineáris és exponenciális trendvonalak egyenletei, R 2 =0,95 (szerző saját szerkesztése) Tartva az eddigi jelöléseket : Y = z vízszint [mbf] X = Q hozam [m 3 /s] Lineáris trendvonal egyenlete : h = * X Átrendezve a hozamra: 60

64 Hozam [m3/s] Miklós Rita Exponenciális trendvonal egyenlete: ln(h) = * X Átrendezve a hozamra: n A trendvonala egyenleteit átrendezve kiszámoltam a vízszintekből mindkét esetben a hozamot. Ezután a számolt hozamokat összevetettem a tényleges hozamértékekkel (42. ábra). 0,12 Vízszintből számított hozamok összevetve a mért hozammal Áramlás mérő hozam (m3/s) Hozam lineáris Hozam exponenciális 0,1 0,08 0,06 0,04 0, ábra Lineáris és exponenciális trendvonal egyenletek segítségével a vízszintből számított hozamok összevetése a tényleges hozammal (szerző saját szerkesztése) A görbék értékei közötti korrelációs együttható értékeket az 7. táblázatban foglaltam össze. 61

65 Számított hozam [m3/s] Miklós Rita 7. táblázat Az áramlásmérő hozam értékei és a számított hozamértékek közötti korrelációs együttható értékek (szerző saját szerkesztése) Görbék értékei R 2 Áramlásmérő hozam Hozam Lineáris 0,95 Áramlásmérő hozam Hozam exponenciális 0,95 Hozam lineáris Hozam exponenciális 1 Az 42. ábrán is látszik, hogy a számított görbék jól illeszkednek a mért görbéhez. A görbék közötti korrelációs együttható értékek pedig nagyon jók. Ezek alapján úgy gondolom, pontos hozam ugyan nem határozható meg a rendelkezésre álló vízszintadatokból, viszont a trend számítható az értékekből. 7.3 A forrás alaphozamának megállapítása, hozamadatok számítása től 2001-től folyamatos napi vízszintadatok állnak a rendelkezésünkre, melyek a BKÉR keretein belül kerültek rögzítésre. Ezen adatok segítségével, az előző fejezetben leírtak szerint hozamadatokat számoltam. 0,45 Számított hozam ( ) 0,40 Hozam lin. [m3/s] Hozam exp. [m3/s] 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, ábra Lineáris és exponenciális egyenletekkel számított hozamok között (szerző saját szerkesztése) 62

66 Számított hozam [m3/s] Csapadék [mm] Miklós Rita Az visszamenőlegesen számolt hozam értékek a 43. ábrán láthatóak, és a könnyebb olvashatóság érdekében a 8. mellékletben is megtalálható. Látszik az ábrán, hogy a lineáris és exponenciális egyenletekkel számított hozamok görbéi teljesen fedésben vannak, eltérés nincsen közöttük, korrelációs együttható értékük R 2 = 1. A görbe jól reprezentálja a csapadékosabb időszakokat, szinte minden év elején látható a tavaszi hóolvadás hatása, ilyenkor jelentős hozamemelkedések tapasztalhatóak tól kezdődően rendelkezésemre álltak a jávorkúti automata meteorológiai állomás napi csapadékadatai, ezért összevetettem a számított hozamgörbével (44. ábra), és a könnyebb olvashatóság érdekében ez az ábra is megtalálható a mellékletben is (9. melléklet). 0,45 Számított hozam - csapadék ( ) 90 0,40 Csapadék [mm] Hozam lin. [m3/s] 80 0, , , , , , , , ábra A lineáris egyenlettel számított hozamadatok összevetése a napi csapadékadatokkal között (szerző saját szerkesztése) Mint azt már az előző fejezetben is említettem, a számított értékek tájékoztató jellegűek. Emellett az is látható, hogy minden hozamnövekedéshez tartozik egy csúcsérték, ahonnan kezdve a görbe leszálló ága csökkenő tendenciát mutat, míg vissza nem áll egy alapértékre (ha nincs jelentős csapadékesemény közben). 63

67 Hozam [m3/s] Csapadék [mm] Miklós Rita A 5.2-es fejezetben a sokéves vízszintadatokból megállapítottam a Garadna-forrás alapszintjét, mely a legtöbb esetben 495,96 mbf. Az általam meghatározott lineáris egyenlettel számítva az ezekhez az értékekhez tartozó hozamérték 0,05 m 3 /s, mely a 46- os ábrán is látható. Tehát megállapítható, hogy a Garadna-forrás alaphozama 0,05 m 3 /s körüli. Hosszú csapadékmentes időszakban mint például a 2011, 2012-es évek (amikor az évi csapadékmennyiség 566 mm, illetve 645 mm) a hozam hosszabb-rövidebb időre még ettől is kisebb értékeket vett fel, mivel ebben az időszakban a mikrorepedésekből való utánpótlódás kisebb volt. Számított hozam - csapadék , ,40 Csapadék Hozam 80 0, , , , , , , , ábra A számított hozamadatok összevetve a csapadékadatokkal között (szerző saját szerkesztése) Készítettem egy ábrát a es időszakról, melyen a számított hozamadatokat vetettem össze a csapadékkal (45. ábra). A 2010-es évben ami nagyon csapadékos volt, és a lehulló mennyiség egyenleten eloszlása karsztárvizet is okozott a Bükkben látható, hogy kis értékű csapadékcsoportokra is nagy hozamnövekedéssel reagál a forrás. Az árvízi csúcs elérése után a leszálló ágban sokáig nem mutatkozik számottevő növekedés. Ami számomra nagyon érdekes viselkedés, hogy a decemberi csúcs után 2012-es év végéig szinte nincs jelentős emelkedés a hozamértékekben. Mint az előzőekben már említettem, a 2011-es és 2012-es év rendkívül csapadékszegény volt. A 64

68 2010-es karsztárvízi időszak után a száraz időszakban a karszt annyira leürült, hogy még számottevő (53 mm) csapadék sem okozott jelentős emelkedést a hozamértékekben. A több, mint egy éves csapadékszegény időszak után körülbelül 8-9 hónap volt szükséges ahhoz, hogy a karsztrendszer feltöltődjön, és ismét növekvő tendenciát mutasson a forrásból kilépő víz mennyisége, ez jól látszik a 44. ábrán is. 8 Javaslat a mérések bővítésére A szakdolgozat megírása során több olyan problémával találkoztam az adatok értékelése során, mely felveti esetleges további mérések vagy vizsgálatok elvégzésének szükségességét. Például, hogy a Thomson-bukó által mért hozamadatok nem elfogadhatóak. Ha további, pontos hozamadatokat szeretnénk kapni, akkor mindenképpen el kell végeztetni a bukókalibrálást a Thomson-bukóra és a DATAQUA szonda helyzetét pontosítani kell, különös tekintettel arra, hogy a forrás vizét hasznosító vízmű vállalat is ezeket az adatokat regisztrálja, és közli a hatóságok felé. Ezen kívül, további vízmintavételezéseket tervezünk mind a forrásból, mind a fontos víznyelők megközelíthető pontjairól. Ezen mintákat elemzés alá vetve, célunk a PHREEQC geokémiai modellező program segítségével keveredési vizsgálatok végzése, és információk szerzése arról, hogy az egyes víznyelők milyen arányban adják vizüket a Garadna-forrásba. A mérések pontosítása végett lehetséges egy nyomásmérő szonda elhelyezése hegyoldalba indított ferdefúrásba, mely kimutat minden apró változást, amire esetleg a vízszint még nem reagál. Ugyan a K + -koncentráció nem ad információt a karsztrendszerek működéséről és a bennük zajló folyamatokról, de érdekes volt az ábrázolt idősor lassú, tendenciális növekedése, mely helyenként megtörik és csapadékhullás idejét kiugró csúcsok jellemzik a görbét. Esetleg nagyobb hozamok és csapadékok időszakában érdemes lenne folytatni a K + -méréseket, illetve a víznyelőkben történő vízmintavételek során összevetni a forrás vizének és a víznyelők vizének K + -tartalmát. A projekt során terveztünk még Sr 2+ -koncentrációmérést, ez a minták sokasága és az idő hiánya miatt nem valósult meg, azonban a későbbiek során ezt szeretném mégis 65

69 elvégezni, bár a szakirodalom szerint Európában a karsztvizek nyomelemtartalma alacsony. 9 Összefoglalás Szakdolgozatom célja vízkémiai paraméterek, hozamok és ezen adatok közötti kapcsolatok vizsgálata volt a Garadna-forrásban. Első lépésként lehatároltam a forrás földrajzi elhelyezkedését, röviden bemutattam a Bükk földtani fejlődéstörténetének fő szakaszait. Megvizsgáltam és bemutattam a Garadnaforrás környezetének és vízgyűjtő területének általános földtani, vízföldtani körülményeit. A múlt évtizedekben elvégzett víznyomjelzéses vizsgálatok eredményeiből kiválogattam azon víznyelőket, melyek az általam vizsgált forrással kapcsolatban állnak. Következő lépésben feldolgoztam a témához kapcsolódó szakirodalmat, és ismertettem a Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer életre hívásának okát, a rendszer felépítését és a mérésekhez használt műszerek működési elvét. A kutatás fő célja a karsztrendszer jobb megismerésére irányul. A BKÉR csak, mint mennyiségi monitoring üzemel, a Bükkben nem történtek célzott jellegű, hosszútávú hozam és vízkémiai paraméter vizsgálatok, így a Garadna-forrásban, mint tesztterületen, az általam elvégzett mérések és vizsgálatok újításnak számítanak. Az alkalmazott módszerek általános ismertetése után rátértem a mérési eredmények módszerenként történő ismertetésére. A legfontosabb és legtöbbet alkalmazott módszer a lángatomabszorpciós spektrofotometria volt. Ennek segítségével határoztam meg összesen a vett vízminták Ca 2+ -, Mg 2+ -, Na + -, valamint K + -koncentrációját. Munkám során összesen 1053 db vízminta elemzését végeztem el négy elemre, ami 4212 mérést jelent. Mivel a karsztrendszerekről a Ca 2+ -, és Mg 2+ -tartalom adja a legtöbb információt, így ezen eredmények vizsgálatára külön hangsúlyt fektettem. Összevetve hozam és csapadékadatokkal, Ca/Mg-, és Mg/Ca-arányokkal megállapítottam, hogy alapvetően van összefüggés a különböző mérési adatok között. Elemzéseim alapján a Ca 2+ -tartalom jó összefüggést mutat a ph-változással, a forrás hozamának változásával nem korrelál, viszont csapadékhullást követően kis mértékben növekszik a koncentráció értéke, majd visszaáll egy alapértékre, melyet - nek határoztam meg. A csapadék hatására történő növekedést magyarázhatja az, hogy a 66

70 lehullott és beszivárgott víz a karsztban hosszabb ideje tartózkodó, kalciumban jobban telített vizet kinyomja a rendszerből. Ez az ún. dugattyú-effektus. Csapadékhullást követően Mg 2+ -tartalom kismértékű csökkenést mutat, melyet a rendszerben történő hígulással magyaráztam. A Ca/Mg-, és Mg/Ca-arányok a Ca 2+ -, és Mg 2+ -koncentrációértékek változásainak megfelelően reagálnak. A Ca/Mg-arány csapadék hatására növekvő tendenciát mutat. Spektrometriás módszer alkalmazásával még Na + -, és K + -tartalom méréseket is végeztem. Ezen adatok időben való ábrázolásából az derült ki, hogy a Na + -tartalom alapvetően csökkenő tendenciát mutat. A K + -koncentráció értékek időben előre haladva növekednek, helyenként a görbe megtörik, csapadék hatására helyenként kiugró csúcsok jellemzik. A mérések ellenőrzése céljából egy mintasorozat a BORSODVÍZ Önkormányzat Közüzemi Szolgáltató Zártkörűen Működő Rt. Vizsgáló Laboratóriumában bevizsgálásra került, mely igazolta a mérési adatainkat, a Na + -eredményeket leszámítva. Emiatt addíciós ellenőrzési módszert alkalmaztam, melynek mérési eredményei az általam addig mért adatokat igazolták. A koloriméteres vizsgálat során tájékoztató jellegű szulfát-koncentrációt határoztam meg 141 db vízmintában, de az eredmények nem voltak egyértelműek, így ezen adatsorból konzekvens következtetéseket nem lehet levonni. Amíg a vízminták nem kerültek savval való tartósításra, addig hidrogén-karbonát koncentrációt határoztam meg titrálással néhány mintasorozaton, összesen 200 db vízmintán. A kapott eredmények megfeleltek a korábban a forrásban végzett hidrogénkarbonátra irányuló mérési eredményeknek. Külön, kézzel vett vízmintákon végeztem el a szükséges méréseket, és a GW_Chart diagramrajzoló program segítségével Piper-diagramokon ábrázoltam az eredményeket, és határoztam meg, hogy alapvetően a forrás vize Ca-Mg-HCO 3 -típusba, azon belül is kationok szempontjából Ca-típusba, anionok szempontjából hidrogén-karbonátos típusba sorolható be. Ezen minták eredményeit felhasználva PHREEQC geokémiai modellezőprogram segítségével megállapítottam, hogy a forrás vize Ca 2+ -tartalom szempontjából telített, és kalcit kiválás várható, mely a mintavevő flakonokban savval tartósítás előtt megfigyelhető is volt. Következő lépésben Thomson-bukó és ultrahangos áramlásmérő műszer segítségével számoltam hozamadatokat a Garadna-forrásra. A bukó esetében szabványból és külföldi 67

71 szakirodalomból származó képletekkel számítottam hozamot, az áramlásmérő esetében bonyolultabb volt a helyzet. A forrás vizét elvezető meder - melyben a szonda található nem szimmetrikus, ezért 5 szakaszra osztva, minden vízszinthez meg kellett határozni a hozzá tartozó áramlási keresztmetszetet. Ezt az értéket szorozva az adott időpontban mért áramlási sebességgel, kaptam hozamadatokat. A hozamszámítások során olyan probléma lépett fel, hogy a bukó és az áramlásmérő adataiból számolt hozamértékek között egy nagyságrend eltérés mutatkozott. Emiatt a Vízrajzi Évkönyvekben fellelhető Garadna-forrásra vonatkozó hozamadatok, valamint valószínűségi görbék alapján az ultrahangos áramlásmérő hozamadatait fogadtam el és használtam fel az értékelések során. A hozamot az egyéb mért paraméterek (hőmérséklet, ph, vezetőképesség, vízszint) közül összevetettem a víz vezetőképességével és a hőmérséklettel. A hozam-vezetőképesség adatok értékelése során megállapítottam, hogy hozamnövekedés hatására a vezetőképesség megnő, de csak késleltetve, és ez a reagálási időtartam a hullott csapadék mennyiségének függvényében változó. Ezt szintén a már korábban is említett dugattyú-effektussal magyaráztam. Nagyobb mértékű hozamnövekedés hatására a vízhőmérséklet csökkenést eredményez, mely csökkenés legnagyobb értéke 0,12 C. Utolsó lépésben összefüggést kerestem a forrástérben mért vízszint és a hozamadatok között. Ennek érdekében ábrázoltam a hozamot a vízszint függvényében. Lineáris és exponenciális trendvonalat illesztettem a kapott pontokra, és a trendvonalak egyenletéből határoztam meg összefüggést a két paraméter között. Az áramlásmérő által mért, és az általam számított hozamgörbék közötti korrelációs együttható érték R 2 =0,95-re adódott. A Garadna-forrásban 1996 óta történnek folyamatos mérések, 2001 elejétől kezdődően a forrástérben mért vízszintadatok állnak rendelkezésünkre. Felhasználva az általam felállított lineáris és exponenciális egyenleteket, a vízszintadatokból 2001-től kezdődően hozamot számítottam. Hozzátenném, hogy a kapott hozamadatok tájékoztató jellegűek, inkább a hozamgörbe változását hivatott ábrázolni, semmint pontos értékeket közölni, mely természetesen nem is lehetséges. A kapott hozamgörbét összevetettem a 2006-tól rendelkezésre álló napi csapadékadatokkal, és elemeztem a kapott ábrákat. 68

72 A rendelkezésemre álló sokéves vízszintadatokból meghatároztam a forrás alapvízszintjét, mely 495,96 mbf lett, és a számításaim szerint ehhez a szinthez tartozó alaphozamot állapítottam meg, ami 0,05 m 3 /s. Utolsó lépésben az eredményeim alapján javaslatot tettem a mérések bővítésére is. Emellett további céljaim között szerepel a Garadna-forrás víznyelőiből származó vizek kémiai paramétereinek vizsgálata, valamint keveredési vizsgálatok elvégzése a forrás vizét illetően. 10 Idegen nyelvű összefoglalás The aim of my thesys was to measure hydrochemical parameters and discharges of the Garadna-spring and investigate relationships between these datas. After presenting the geographical location of the spring, I shortly described the geological evolution of the Bükk mountains. In two chapters I introduced the general geology and water geology of the environment and water catchment area of the Garadna-spring. In the next step I demonstrated the work, structure and measuring instruments of the Bükk Karst Water Level Observing System. The the aim of my study was to get more information of the karst system. The Bükk Karst Water Level Observing System works as a water quantity monitoring system, long-term hydrochemical investigation was not done before. In 2013 a hydrochemical investigation was begun in the Garadna spring which is a measuring point of the Bükk Karst Water Level Observing System - where calcium, magnesium, sodium, potassium, bicarbonate were determined from the collected water samples. There is continuous discharge and conductivity measuring in the spring from the end of July and continuous reaction measuring from November of During summer we could develop a field-site and a laboratory measuring protocol. In my research works I compared the new hydrochemical data with data of water level, conductivity, temperature and discharge. The main results of my thesys: - The Ca 2+ and Mg 2+ -contenc was determined by using AAS technology. As Ca and Mg are the main elements which indicate information of the karst systems, I focused on their relationship with other measured parameters. The Ca 2+ -contenc 69

73 correlates well with ph, after rainfall the concentration rises a bit, then returns to a base value, which was defined to. - After rainfall the Mg 2+ -content shows a small reduction, which can be caused by dilution. - On hand-collected water samples after the necessary measurements were done, I drawed Piper-diagrams of the samples by using the GW_Chart and determined the types of the water as Ca-Mg-HCO 3 -type. Excately on the aspect of cations: Catype, on aspect of anions: bicarbonate-type water. - I counted discharges by using data of an area velocity module and a Thomsonweir. - I determined mathematical function between data of discharge and water level. Using this function I counted approximate discharge data from the water level data from Using the long-term water level data and counted discharge data I determined a base water level (495,96 mbf) and base discharge volume (0,05 m 3 /s). - The previous investigations of Jávorkút ponor cave which is one of the most important sinkhole of the Garadna spring, confirm that from the data of water chemistry we could gain information about origin of karst water. After the analysis of cave water a different chemism water was found like the spring water. That indicates other subsurface inflow. 70

74 11 Irodalomjegyzék Bánhidi O. (2009): Atomabszorpciós spektrometria. (Egyetemi jegyzet, Miskolci Egyetem, Miskolc, 2009), pp.: 1-2. Darabos E., Lénárt L. (2008): Csapadék és karsztvízszintek összefüggéseinek vizsgálata a évi bükki karsztárvíz elemzése során, XIII. Karsztfejlődés. (Szombathely, 2008) pp Darabos E. (2009): A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer által szolgáltatott adatok kapcsolatainak vizsgálata. (Diplomamunka Miskolc, 2009). Dataqua 2002 Elektronikai Kft. Tájékoztató füzet. (Balatonalmádi, 2002). elte.prompt.hu: Bevezetés a felszín alatti vizek kémiájába ( Ford D., Williams P. (2007): Karst hydrogeology and geomorphology. (Wiley, 2007). hach-lange.hu:(url: letöltés időpontja: ). Hevesi A.: in: Baráz Cs. (szerk.): A Bükki Nemzeti Park (Hegyek, erdők, emberek). (BNPI Kiadó, Eger, 2002). pp 123. Hunkeler D., Mudry J Hydrochemical methods. in: Methods in Karst Hydrogeology, (Editor: N. Goldscheider, D. Drew. Taylor & Francis Group. London. UK), pp idokep.hu: Cséki Gergő: Új csúcsa van a Bükknek. ( letöltés időpontja : ). isco.com: (URL: Juhász A. (1975): A Bükk-hegység ÉK-i részi forrásai vízminőségének kapcsolata vízgyűjtő területének jellegével. Hidrológiai Közlöny július, pp

75 Kresic, N. (2007): Hydrogeology and Groundwater Modeling, second edition. (CRC Press, Virginia, 2007). Lénárt L. (2006): A Bükkben keletkezett kitermelhető hideg karsztvízkészlet folyamatos meghatározásának módszere XVI. (Az közötti mérések értékelése). (Miskolc, 2006). Lénárt L. (2006): A Bükk-térség karsztvízpotenciálja a hosszú távú hasznosíthatóságának környezetvédelmi feladatai. Észak-magyarországi Stratégiai Füzetek. III. évf. 2. sz., Miskolc, 2006 (b), pp Lénárt L. (2006): Hidrogeológiai megfigyelőhelyek egykor a Bükk hegyég területén, térkép (alaptérkép forrás: Maucha L., 1992). Lénárt L., Hernádi B. (2009): A Garadna-forrással kapcsolatban álló víznyelők víznyomjelzéses vizsgálatok alapján, térkép (földtani térkép forrás: Pelikán P. (2005)). Lénárt L., Hernádi B. (2012): A Garadna-forrás közvetlen környezetének földtani felépítése, térkép (földtani térkép forrás: Pelikán P. (2005)). Lénárt L., Hernádi B. (2013): A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer (BKÉR) Karszthidrogeológiai mérési objektumok és víznyomjelzési eredmények, térkép. Lénárt L., Hernádi B. (2013): A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer Karszthidrogeológiai mérési objektumok és víznyomjelzési eredmények, térkép. Lénárt L., Hernádi B. (2014): A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer Karszthidrogeológiai mérési objektumok, térkép. Lénárt L., Kovács P., Czesznak L., Hernádi B., Sűrű P. és Szegediné Darabos E. (2013): A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer (BKÉR) létrejötte (1992), céljai, a mérőrendszer üzemeltetése, a kutatás főbb eredményei 2013-ig. (Műszaki Földtudományi Közlemények, 84. kötet, 1. szám (2013)), pp maps.google.com: (URL: MSZ 448/11-86 Ivóvízvizsgálat. Lúgosság meghatározása titrálással, a hidrogénkarbonátion-, a karbonátion- és a hidroxilion-tartalom kiszámítása. MSZ 448/15-82 Ivóvízvizsgálat. Kloridion meghatározása. 72

76 MSZ :1983 Folyadékáram-mérés. Nyílt felszínű víz térfogatáramának mérése éles szélű bukókkal. MSZ EN ISO 7980:2000 A kalcium és magnézium meghatározása. Atomabszorpciós spektrometriás módszer (ISO 7980:1986). MSZ 15304:2002 Felszíni vizek vízhozama. Vízhasználatok mérése. net.jogtar.hu: (URL: net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=a kor, letöltés időpontja: ). Palmer, Arthur N. (2007): Cave geology. (Cave Books, Dayton, Ohio, 2007). Pelikán P. [szerk.] (2005): A Bükk hegység földtana Magyarázó a Bükk-hegység földtani térképéhez (1:50 000). (Budapest, 2005). Posta J.: Atomabszorpciós spektrometria, Hallgatói Információs Központ ( Sásdi L. (2000): Bükki víznyelők víznyomjelzéses vizsgálatainak összefoglaló táblázata (2000). Schmidt E. R. (1962): Vázlatok és tanulmányok Magyarország vízföldtani atlaszához, (Műszaki Kiadó, Budapest, 1962). Szűcs P., Madarász T. (2005): Adatfeldolgozás, adatértékelés. (Oktatási segédanyag az Adatfeldolgozás c. tantárgyhoz, Miskolci Egyetem Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, Madarasz_Tamas-Adatfeldolgozas/adatfeldolgozas.pdf). VITUKI (1971): A Keleti-Bükk karszthidrológiai kutatása. (Témavez.:Böcker T., Budapest, 1971.júl.). vizlabor.sp.hu:(url: tds fogalma_ddv4, letöltés időpontja: ). Vízrajzi Évköny 1965, LXX. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1966). Vízrajzi Évköny 1966, LXXI. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1967). 73

77 Vízrajzi Évköny 1967, LXXII. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1968). Vízrajzi Évköny 1968, LXXIII. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1969). Vízrajzi Évköny 1969, LXXIV. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1970). Vízrajzi Évköny 1970, LXXV. kötet. (Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest, 1971). Welz B., Sperling M. (1999). Atomic Absorption Spectometry. (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 1999). White, William B. (1988): Geomorphology and hydrology of karst terrains. (Oxford University Press, New York, 1988). Zsembeli J. (2008): Vízrendezés (drénezés) (ppt. előadásanyag, Debreceni Egyetem, 2008). 74

78 12 Köszönetnyilvánítás Végezetül, szeretnék köszönetet mondani konzulenseimnek, Szegediné Darabos Enikőnek, Lénárt Lászlónak és Tóth Mártonnak mind a mérésekben, mind a kutatásban való rengeteg segítségükért, mely nélkül e szakdolgozat nem jött volna létre. Külön köszönet Szegedi Róbertnek a vízminták terepről laboratóriumba való juttatásáért, valamint Sűrű Péternek a víznyelőkből származó vízminták felszínre hozásáért. Emellett köszönettel tartozom családomnak és barátaimnak a biztatásért, szeretetért és támogatásért, melyet tanulmányaim során tőlük kaptam. A kutatás a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának felszín alatti vizekhez kapcsolódó nemzetközi kutatási potenciáljának fejlesztése célzott alapkutatási támogatása által az Új Széchenyi Terv keretein belül a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV es KŰTFŐ nevű projekt keretein belül az Európai Szociális Alap finanszírozásával jöhetett létre. 75 Édesapám emlékére

79 13 Mellékletek jegyzéke 1. melléklet A Garadna-forrás vízgyűjtő területe (Lénárt és Hernádi, 2011) 2. melléklet A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer karszthidrogeológiai mérési objektumok helye, felsorolása (Lénárt és Hernádi, 2014) 3. melléklet Hidrogén-karbonát mérésadatok 4. melléklet A forráskilépésnél kialakítottcsatorna keresztmetszeti rajza (saját szerkesztés) 5. melléklet - Ca 2+ -, valamint Mg 2+ -koncentráció értékek összevetése a Mg/Caaránnyal (saját szerkesztés) 6. melléklet - A négy vízmintára vonatkozó Piper-, és körcikk-diagram, és a diagramról való leolvasás módja (saját szerkesztés, forrás: Kresic, 2007) 7. melléklet - Vízrajzi évkönyvekből származó hozam-, csapadék- és hóvastagság-adatok 8. melléklet - Lineáris és exponenciális egyenletekkel számított hozamok között (saját szerkesztés) 9. melléklet - Lineáris egyenlettel számított hozam összevetve a csapadékadatokkal között (saját szerkesztés) 76

80 14 Mellékletek 77

81 1. melléklet A Garadna-forrás vízgyűjtő területe A Garadna-forrás vízgyűjtő területe (Lénárt és Hernádi, 2011) 78

82 2. melléklet A Bükki Karsztvízszint Észlelő Rendszer karszthidrogeológiai mérési objektumok helye, felsorolása 79