Hidrogeológiai adatok legfontosabb ábrázolási lehetőségei. 1. Bevezetés. 2. A mintaadatok

Átírás

1 Hdrogeológa adatok legfontosabb ábrázolás lehetősége Segédanyag a Hdrológa, hdrogeológa gyakorlat c. kurzushoz, DE-TTK Dr. Buday Tamás, Bevezetés A vízkéma adatok feldolgozása során mnd a kértékelés, mnd a bemutatás során szükség lehet az adatok megfelelő ábrázolására. Ez különösen fontossá válhat nagy mntaszám vagy sok vzsgált paraméter esetén. Jelen dolgozat célja, hogy bemutassa a legegyszerűbb dagramok használatának lehetőséget, előnyet és hátrányat. 2. A mntaadatok A dolgozatban bemutatott ábrák ha azt másképpen nem jeleztük egy 2004 októberében végzett forrásvízmnőség-vzsgálat során begyűjtött, és a DE Szervetlen és Analtka Kéma Tanszék ICP laboratórumában SPECTROFLAME típusú műszerrel megvzsgált mnták adataból készültek. A mért adatokat a kemelt források tekntetében az 1. táblázat tartalmazza. A kmutatott fémkoncentrácókat onkoncentrácónak tekntettük. Az egyenérték-számításhoz szükséges anon-koncentrácókat a szulfát-on esetében a kénkoncentrácóból számoltuk k, míg a klord- és a hdrogén-karbonát esetében becsült értékeket használunk, hogy az ábrázolhatóságot bemutathassuk. 1. táblázat A vzsgált mnták elemkoncentrácó (mg/l), ph-ja és vezetőképessége (μs/cm) sorsz. név L Na Mg Al S S K Ca Mn Fe össz, ph vez.kép. 59 Cseréptó forrás 0,000 10,79 8,51 0,042 14,60 4,91 2,58 58,00 0,000 0,11 99,59 6, n.a. 0,010 17,13 10,33 0,058 15,62 14,08 3,22 84,00 0,001 0,08 144,61 6, Nyúl-kút 0,023 11,96 6,70 0,011 12,13 8,38 1,63 16,87 0,021 0,03 58,00 6, Deák-kút 0,003 7,80 8,14 0,285 7,01 11,94 2,44 41,89 0,005 0,49 80,08 6, Gyökér-kút 0,009 8,92 7,82 0,026 6,63 10,70 1,90 47,50 0,003 0,00 83,60 7, Gábor-f./Nyúl-k. 0,002 11,48 10,48 0,373 13,05 12,73 2,36 68,10 0,045 0,36 119,18 6, Felső-Rudóka-f. 0,016 11,49 7,34 0,685 5,90 5,70 1,88 54,10 0,010 0,49 87,69 7, Éhes-kút 0,003 9,97 8,47 0,039 9,73 10,64 1,12 37,16 0,001 0,02 77,22 6, n.a. 0,001 10,65 7,07 0,000 23,47 14,18 0,97 35,76 0,000 0,18 92,36 6, Zubogó 0,013 14,69 4,06 0,108 16,94 4,38 1,21 25,17 0,007 0,17 66,86 6, n.a. 0,022 14,42 10,53 0,711 14,07 15,15 3,25 60,80 0,042 0,43 119,74 7, Dudás-forrás 0,017 14,26 4,06 0,274 13,90 8,87 2,58 27,37 0,014 0,12 71,63 6, Tarda-f. 0,028 8,88 16,38 0,004 7,17 36,41 1,59 91,10 0,015 0,00 161,66 7, Bornemssza-f. 0,012 14,43 6,98 0,000 7,42 7,13 1,49 76,60 0,006 0,24 114,55 6, Alsó-Pocsolkó-f. 0,037 18,52 7,01 0,000 13,49 11,83 4,79 43,39 0,042 0,00 99,59 6, Kaznczy-f. 0,001 5,41 4,61 0,058 16,84 11,19 4,29 29,88 0,001 0,06 72,36 6, n.a. 0,000 17,27 7,17 0,290 19,28 9,63 3,62 36,91 0,000 0,24 94,42 6, n.a. 0,010 12,39 4,85 0,478 13,42 8,18 4,75 30,57 0,000 0,44 75,10 7,28 165

2 3. Az adatok jellemző mértékegysége 3.1. A koncentrácó kfejezésének lehetősége Az elemek fajlagos mennységének megadásakor azok tömegét, térfogatát, anyagmennységét hasonlíthatjuk a teljes rendszer tömegéhez, térfogatához, anyagmennységéhez, rtkább esetben az oldószer mennységének valamely paraméteréhez (HEM, 1985). Szűkebb értelemben csupán azon paramétereket tekntjük koncentrácónak, melyben az oldószer térfogatához vszonyítjuk az elem (on) mennységét. A vízkéma vzsgálatokban általában a tömegkoncentrácót használjuk, melynek mértékegysége ll. 3 mg / dm. Az anyagmennység-koncentrácó mértékegysége 3 mol / dm 3 g / dm,, értékét a tömegkoncentrácó és az oldott anyag molárs tömegnek hányadosa adja. A térfogatot nem csak dm 3 -ben, hanem lterben (L vagy l) s megadhatjuk. Azon koncentrácó jellegű mennységek esetén, melyekben az oldott anyag (vzsgált komponens) és az oldat (elegy, stb.) azonos dmenzójú mennységét hasonlítjuk össze, a mértékegység 1, bzonyos esetekben pedg a % (vö. tömegarány tömegszázalék, térfogatarány térfogatszázalék). Ezekben az esetekben a mérőszám nem utal arra, hogy mlyen paraméterekből származtattuk az egységet, így félreértésekhez vezethet. Az leggyakrabban használt koncentrácó jellegű dmenzó nélkül mértékegység a ppm, jelentése egy a mllóhoz. Alkalmazható térfogat-, tömeg- és anyagmennység arányként s, melyet használatakor egyértelműsíten célszerű. A ppb (egy a bllóból), ppt (egy a trllóból) használata a blló és trlló szavak nemzetköz sznten nem egységes használata matt félreérésekhez vezethet, így használatuk kerülendő vagy egyértelműen jelezn kell, hogy mlyen értelemben használják Egyenérték-százalék A vízkéma gyakorlat egyes területen elterjedt az ún. egyenérték-százalék használata a víz kéma tulajdonságanak jellemzése céljából (Hem, 1985). Az egyenérték-koncentrácót (mértékegysége 3 Eq / dm ) az anyagmennység-koncentrácóból számoljuk olyan módon, hogy a mérőszámot elosztjuk az egyenérték faktorral (azaz megszorozzuk az on töltésszámával). Ha mnden fontos (megfelelően nagy koncentrácóban jelen levő) onra ezt megtettük, akkor mnd a katonokra, mnd az anonokra összegezzük az egyenérték-koncentrácókat. Ennek a

3 két értéknek elvben meg kellene egyezne, hszen lyen formán a rendszerben levő katonokhoz, ll. anonokhoz kapcsolható töltések koncentrácóját kapjuk meg, és ha az oldat semleges, a két értéknek meg kell egyezne. A különbséget a mérés bzonytalanságok és az elhanyagolt mennységben jelen levő összetevők okozzák. Ha a katonokra és anonokra s meghatároztuk az értéket, akkor külön-külön kszámolható a katonok és az anonok egyenérték-százalékos eloszlása, melyet a haza gyakorlatban Than-féle egyenértékszázaléknak s hívnak (Juhász, 1992). A számolás menetét a 67-es forrás katonjanak felhasználásával a 2. táblázat tartalmazza. A L, Al, Mn és Fe koncentrácóktól azok ks értéke matt elteknthetünk. Mután az egyenérték koncentrácók összege meghatározásra került (tt: 1,96 meq/l), egyszerű százalékszámítással meghatározhatók az értékek. A felhasznált összefüggések: c M és c* c f ahol: : mért tömegkoncentrácó (g/dm 3 ) M : molárs tömeg (g/mol) c : anyagmennység-koncentrácó (mol/dm 3 ) f : egyenérték-faktor (mol/eq) c* : egyenérték-koncentrácó (Eq/dm 3 ) 2. táblázat A 67-es forrás egyes katonjanak koncentrácó és egyenérték-százalékos összetétele (mg/dm 3 ) M (g/mol) c (mmol/dm 3 ) f (mol/eq) c* (meq/dm 3 ) c * 100 c * Na 11, ,52 1 0,52 26,53 % Mg 6, ,28 0,5 0,56 28,57 % K 1, ,04 1 0,04 2,04 % Ca 16, ,42 0,5 0,84 42,86 %

4 4. Dagramok 4.1. Oszlopdagram abszolút adatokkal Mntákhoz rendelhető dszkrét adatok egyszerű ábrázolásmódja az oszlopdagram, ahol az oszlopok hosszúsága az ábrázoln kíván értékkel arányos. A vzsgált mnták esetében többféle módon alkalmazhatjuk, melyek közül a legfontosabbak: azonos paramétert mutat be több mnta esetén (1. ábra); egy adott mnta esetén több paramétert mutat be (2. ábra); több paramétert mutat be több mnta esetén (3. ábra). 1. ábra A mért nátrum-koncentrácók az egyes forrásokban 2. ábra A 67-es forrásban mért elemkoncentrácók ábrázolása hagyományos oszlopdagramon

5 3. ábra Több forrás több paraméterének ábrázolás lehetősége 2D oszlopdagramon Segítségükkel egyszerű következtetéseket lehet levonn, de összetett elemzésekhez nem alkalmasak az ábrázolható adatok korlátozott mennysége, lletőleg az adattengely típusa matt (ugyans használható nomnáls (névleges), ordnáls (sorrend) skálák esetén s). Probléma lehet az eltérő nagyságrendű adatok ábrázolása, mely a vízkéma adatok esetében rendszeresen előfordul. A 2. ábrán bemutatott adatsor több tagjához rendelt oszlopmagasság gyakorlatlag nulla, nem egyértelmű, hogy az adat hányzk, értéke egzaktul nulla, vagy méréshatár alatt, míg az összeget bemutató oszlop magassága a több adat értékének leolvasás pontosságát csökkent. 4. ábra A 67-es forrásban mért elemkoncentrácók ábrázolása megszakított tengelyű oszlopdagramon

6 A problémát többféle módon oldhatjuk meg. Ha néhány adat értéke nagyobb a többnél, de egymástól ks mértékben tér el, vagy csak egy nagyobb érték van, akkor a tengelyt egy bzonyos érték felett átskálázhatjuk, vagy megszakíthatjuk (4. ábra). Másk lehetőség, hogy a paraméterek értékét logartmkus skálán ábrázoljuk (5. ábra). Ez esetben a ks értékeket lehet ábrázoln, ugyanakkor a leolvasásához gyakorlott szem szükséges és nulla koncentrácót vagy negatív értéket ezen a skálán nem lehet ábrázoln. Szükség esetén lehet több függőleges tengelyt alkalmazn, vagy a különböző nagyságrendű értékeket külön dagramban ábrázoln. 5. ábra A 67-es forrásban mért elemkoncentrácók ábrázolása logartmkus tengelyű oszlopdagramon 4.2. Hsztogram és box-plot dagram Ha nagy mntaszámon egy paraméter értéket egyszerre szeretnénk ábrázoln, és nem az a lényeges az ábrázolásnál, hogy melyk érték melyk mntához tartozk, hanem a mért értékek eloszlása, akkor az adatokat hsztogramon s ábrázolhatjuk. Ekkor a vízszntes tengelyen a mért értékek értéktartományából létrehozott osztályok lesznek, és a dagramon azt ábrázoljuk, hogy egy-egy lyen osztályba a mért értékek közül hány darab vagy az összes érték hányad része esk. Az osztályok lefedk az értéktartományt, szélességük lehet azonos vagy eltérő, ez utóbb esetben nem az oszlop magassága, hanem az oszlopterülete adja meg a gyakorságot, lletve a relatív gyakorságot. Ha a mért értékek folytonos halmazból származhatnak, akkor az értéktengelyt teknthetjük ntervallumskálának (ahol az értékek között a különbségképzés értelmezhető), és a hsztogramból a paraméter emprkus eloszlása

7 meghatározható. A 6. ábrán a 19 vízmnta ph értékenek hsztogramja látható azonos osztályszélességgel, melyről leolvasható, hogy a mnták gyakorlatlag semleges ph-júak. 6. ábra A forrásvíz-mntákban mért ph értékek hsztogramja Amennyben a teljes eloszlást nem szeretnénk bemutatn, csupán az emprkus eloszlás egyes kemelt jellemzőt akár több mért paraméter esetén, egy összetett dagramot, az ún. boxplotot használjuk (7. ábra). Ez egy vzsgált paraméter (elem) esetén általában négy vagy öt statsztkus paramétert mutat be, a mnmumot, az alsó-kvartlst, a medánt, a felső-kvartlst és a maxmumot. Ha eltérő mértékegységű paramétereket szeretnénk ábrázoln, akkor az adatokat normáln kell (pl. átlaggal való osztás). maxmum felső kvartls medán alsó kvartls mnmum 7. ábra A vzsgált források egyes koncentrácónak ábrázolása box-plot dagramban

8 4.3. Pontdagram Két vagy több mért paraméter összefüggésenek vzsgálatára alkalmazhatjuk a pontdagramot. Mndkét tengelyén ntervallum vagy arányskála található, így alkalmas az összefüggés számszerűsítésére s (pl. lneárs vagy más regresszós görbe meghatározásával). A két adatsor között erős összefüggés ugyanakkor nem jelent szükségszerűen ok-okozat kapcsolatot, és csak akkor fogadható el valósnak, ha a függvénykapcsolat jellege elméletleg s gazolható. A 8. ábrán a mnták katon-koncentrácónak összegét és a mért vezetőképességet hasonlítottuk össze. Látható, hogy a kapcsolat annak ellenére erős, hogy a fajlagos vezetőképességben a katonok és anonok egyenérték-koncentrácója és onmozgékonysága s szerepet játszk, nem csak a kválasztott paraméter. A pontdagramokat gyakran használják dszkrmnácós dagramként s (pl. TAS dagram, fázsdagramok). Ekkor a dagrammező területekre van osztva, és az egyes adatok ábrázolása után kolvasható, hogy az adott mnta melyk területre esk. 8. ábra Összefüggés a források összes katon tartalma és a fajlagos vezetőképessége között 4.4. Oszlopdagram és kördagram relatív adatokkal A hdrogeológában leggyakrabban alkalmazott relatív adatok a vízmnta egyenértékszázalékos összetételére vonatkoznak. Ezek sok esetben jobban jellemzk a víz kéma jellegét, mnt az abszolút adatok, de értékükből a tényleges koncentrácókra, az összes oldott

9 anyag tartalomra nem lehet következtetn. Ha több paramétert akarunk ábrázoln, akkor általában oszlop vagy kördagramot használunk. Oszlopdagram esetén a katonokat és az anonokat különálló, egymás mellett levő oszlopokban ábrázolják (9. ábra), míg kördagramok esetén az összes paramétert egy körben ábrázolják (10. ábra). Mnt korábban említettük, az anonok és a katonok egyenérték-koncentrácónak abszolút értéke mnmálsan tér el egymástól, és a százalékok az azonos típusú összegből származnak, így az oszlopok magassága azonos és a kördagram egyk fele az anonokat, a másk a katonokat tartalmazza. Amennyben szükséges az abszolút értékeket s ábrázoln, általában a tömegkoncentrácóval arányos oszlopmagasságot vagy körterületet ábrázolnak, de egyenérték-százalékos beosztással. Ezt az ábrázolást gyakran térképeken alkalmazzák, ahol az egyes vízmnták származás helyére helyezk el a dagramokat. 9. ábra A Than-féle egyenérték-százalékos összetétel bemutatása oszlopdagramon 10. ábra A Than-féle egyenérték-százalékos összetétel bemutatása kördagramon

10 4.5. Háromszögdagramok Háromszögdagramban klasszkusan három egymástól nem független adatot lehet ábrázoln, feltétele, hogy a három érték összege konstans, pl 100 % legyen. Abban az esetben, ha ez nem teljesül, több paraméter értékét összevonják. Katonoknál a nátrum és kálum egyenérték-százalékát összegzk, míg anonoknál a hdrogénkarbonát és karbonát onokét. Az így kapott adatokat lehet ábrázoln külön háromszög-dagramokban (11. ábra) vagy az ún. Pper dagramban (12. ábra), ahol a két háromszögdagram egy rombusz alakú középső részbe van vetítve, így egy vízmnta mndhárom részdagramban megjelenk (Helsel Hrsch, 2002). A Pper-dagramon kívül létezk többféle projekcós eljárás, melyek a katonok és az anonok értéket más-más módon vetítk be közös dagramba. A háromszög-dagramot s használhatjuk dszkrmnácós dagramként. Ennek hdrogeológa alkalmazása sajnos nem egységesek. A 12. ábrán bemutatott Pper dagram háromszögdagramjaban látható beosztás alapján a fő alkotó on 50 %-nál nagyobb koncentrácó esetén megjelenk a mnta nevében, pl. a kalcumos víz azt jelent, hogy a kalcum egyenérték-százalékos értéke 50 %-nál nagyobb (Güler et al., 2002). Haza gyakorlatban az egyenérték-százalék alapján történő megnevezésben azon paraméterek szerepelnek, melyek értéke meghaladja a 25 %-ot, ennek alapján a 67-es forrás vze alkálásmagnézumos-kalcumos, míg a 69-es és 70-es forrás vze kalcumos. Más beosztások már 20 % felett értékek esetén beveszk a megnevezésbe a komponenst. A képet tovább árnyalja, hogy az élettan szempontból fontos onokat s beveszk a megnevezésbe, lletve az abszolút értékek alapján s többféle beosztás módszer létezk. 11. ábra A kválasztott források összetételének egyenérték-százalékos ábrázolása háromszögdagramban

11 12. ábra A 67-es forrás vízkéma összetételének ábrázolása a Pper dagramban 13. ábra Pper dagram használata dőbel trendek ábrázolására Forrás: Tmms et al A mnták kéma karakterének dőbel alakulását szntén be lehet mutatn háromszögdagramon (13. ábra). A meglévő vagy kalakuló különbségek általában a víz utánpótlódás területének változására vagy szennyezésre utal. A Na elsődleges forrása a felszín alatt vzekben a recens tengervíz beáramlás vagy fosszls tengervíz jelenléte, esetleg Na tartalmú ásványokból való koldódás (elsősorban kősóból). Ca a csapadékvízből és a karbonátos kőzetek oldódásából kerül a felszín alatt vzekbe. Mg általában a Ca-mal együtt fordul elő a vzekben, önálló megjelenése a MgSO 4 oldódásához köthető. A Cl a Na-hoz hasonló környezetekben jelenk meg, lletőleg a SO 4 -hoz hasonlóan mélység vzekre utalhat. A hdrogén-karbonát és karbonát megjelenése a Ca-hoz hasonlóan esővízhez vagy karbonátos kőzetek oldódásához köthető (Hem, 1985). 5. Összegzés A vízkéma adatok ábrázolása sokrétű lehet annak függvényében, hogy csupán megjeleníten akarjuk az adatokat, vagy elemzéseket s akarunk végezn rajtuk. A jól megválasztott ábrázolás nformatívabb és tömörebb lehet, mnt a táblázatos adatközlés, így a tudományos publkácókban elvárt a használatuk. A pontdagramok, hsztogramok előkészíthetk a statsztka elemzéseket, így az adatfeldolgozás sokrétűbbé válk és az adatokat befolyásoló folyamatok értelmezése könnyebb lesz.

12 6. Irodalomjegyzék Güler, C. Thyne, G. D. McCray, J. E. Turner, A. K. (2002): Evaluaton of graphcal and multvarate statstcal methods for classfcaton of water chemstry data. Hydrogeology Journal, 10, Helsel, D.R. Hrsch, R.M. (2002): Statstcal methods n water resources. USGS, 510 p. Hem, J.D. (1985): Study and Interpretaton of the Chemcal Characterstcs of Natural Water. USGS, 263 p. JUHÁSZ J. (1989): Hdrogeológa. Akadéma Kadó, Budapest, 972 p. Tmms, W. Acworth, I. Jankowsk, J. Lawson, S. Kumar, P. (2002): Aqufer salnsaton, Lower Murrumbdgee, Australa. poszter (letöltve: márcus 23).