A környezeti változások következményei az Alföld felszín alatti vízkészleteiben 1. Bevezetés Rakonczai János Bódis Katalin * Az elmúlt évtizedekben számtalan hír érkezett a Föld különböző tájairól, hogy a felszín alatti vízkészletek jelentős ütemben csökkenek illetve szennyeződnek. Ezek következtében jelentős gazdálkodási változásokra kényszerül a lakosság. Az Alföldön szintén olyan változásokat mérhetünk, amelyeknek számottevő hatása van (pl. tájváltozások, gazdálkodási nehézségek). A táj vízfelhasználása sajátosnak mondható: bár közepén folyik keresztül a Tisza, nyugati határán a Duna, mégis a kb. 3 milliónyi lakosság döntő részének ivóvízellátása a rétegvizekből történik (csak a 76 ezres Szolnok és részben a 204 ezres Debrecen vízellátása származik felszíni vízkészletekből). Jól ismert az is, hogy a terület döntő része mezőgazdasági terület, s nagyobb része (58 %) szántó. Ez a táj Magyarország fő mezőgazdasági területe, de a csapadékon kívül csupán 130 ezer hektáron történik öntözés felszíni vízkészletekből, azaz a mezőgazdaság is csak elenyésző mértékben használja a nyilvánvalóan megújuló felszíni vízkészleteket. Mindezek következtében a felszín alatti vízkészletek szolgáltatják a nagytáj vízfelhasználásának döntő részét. Tanulmányunkban részletesebben a talajvizek általános süllyedését értékeljük geoinformatikai módszerek alkalmazásával. Választ keresünk arra is, hogy a változásokban mekkora a szerepe az antropogén beavatkozásoknak, és mekkora a klímaváltozással is kapcsolatba hozható ún. szárazodási folyamatnak. 2. A rétegvizek változásai A 20. század második felében a települések ivóvíz-ellátottsága közel teljes lett és az 1960-as évektől számottevő iparosítás is lezajlott az Alföldön. Az ilyen módon megnőtt vízfogyasztás elsősorban a mélységi vízadó rétegeket terhelte. A rétegvizeknek a tájban betöltött szerepének érzékeltetésére két adatot említünk. Az 1980-as években Magyarország rétegvíz kútjainak (58 ezer) ¾-e az Alföldön volt, s a számítások szerint csupán az elsőnek fúrt közkút működése első száz évében két Balatonnyi (!) vizet szolgáltatott (Rónai A. 1985). Ennek a nagyarányú igénybevételnek a hatására a rétegek természetes (ún. nyugalmi) vízszintje jelentős mértékben csökkent. A változás értéke a nagyvárosok (Kecskemét, Szeged, Szolnok) körül több volt, mint 5 méter, de a legintenzívebben használt területen, Debrecen térségében a 20 métert is meghaladta (Alföldi L. 1981, Rakonczai J. 1977, Rónai A. 1985). Egykori vizsgálataink szerint jól kimutathatóak volt az időbeli változások már az 1970-es évek előtt is (1. ábra). A vízkitermelés üteme különösen az 1970-es évek elejétől gyorsult fel. Így például az egyik kritikus vízgazdálkodási helyzetben levő területen, a Duna-Tisza közén 1965-ben 88 ezer m 3 /nap, 1970-ben 138, 1980-ban 273, 1989-ben pedig már 340 ezer m 3 /nap volt (a hévizek nélküli) rétegvíz-kitermelés (Liebe P. 1994). A jelentős vízszintsüllyedések komoly aggodalommal töltötték el a szakembereket, s mind gyakrabban vetődött fel az, vajon a rétegvizek természetes utánpótlódása meddig képes legalább részben lépést tartani a nagy mértékű kitermeléssel. A társadalomban bekövetkezett rendszerváltozás azonban gyökeres változást eredményezett a vízkészletek felhasználásában is. Az ipari termelés jelentősen visszaesett, számos vállalat megszűnt, ugyanakkor a lakossági vízdíjak jelentősen megemelkedtek, ami takarékosabb vízfelhasználást eredményezett. A csökkenő vízfogyasztás többfelé megnyugtató változásokat * Dr. Rakonczai János egyetemi docens, Bódis Katalin egyetemi tanársegéd Szegedi Tudományegyetem Természeti Földrajzi Tanszék, 6701 Szeged Egyetem u. 2. Pf. 653.
eredményezett: néhány város (pl. Szeged, Szentes) vízműkútjainak egy részében elkezdődött a nyugalmi vízszintek emelkedése (Dobó K. 2000) (2. ábra). Ez arra utalhat, hogy takarékos vízhasználattal a rétegvíz készletek a fenntartható vízhasználatot biztosítani tudják a jövőben. (Fontos feltétel azonban ehhez az is, hogy megakadályozzuk ezen készletek elszennyeződését.) 1. ábra: A nyugalmi vízszintek süllyedése Hódmezővásárhely rétegvíz-kútjaiban a kutak adataiból számított regressziós egyenesek alapján (ötévenkénti csoportosításban) (Rakonczai J. 1977) 1: -1954 2: 1955-1959 3: 1960-1964 4: 1965-1969 5: 1970-1974 3 2 1 0-1 -2 1980 1985 1990 1995 2. ábra: A nyugalmi vízszintek változása három Szentes környéki kútban 1980-1998 (méter) (1985= 0)
3. A talajvizek vízszintjének regionális léptékű süllyedése Az 1980-as évek második felétől egy sokkal összetettebb változás érte az Alföld talajvízkészletét. A kedvezőtlen antropogén beavatkozások sorozata mellett tartós csapadékhiány jelentkezett a területen, s mindezek eredményeként jelentős talajvízszint-csökkenés következett be. A nagy mértékű csökkenés a mezőgazdaságban gazdálkodási nehézségeket okoz, de alapvető változásokat hozott néhány terület élővilágában. A komoly környezeti változások szakmai kutatások sorát indította el (az ezekről készült legátfogóbb értékelést Pálfai I. 1994. adta), a Nemzeti Környezetvédelmi Program (1997) is a különleges intézkedéseket igénylő területek közé sorolja, azonban a változásokat térben is időben részletesebben feltáró vizsgálatok még hiányoznak. A geoinformatika eszközeit felhasználva a következőkben egy vizsgálat kezdeti eredményeit mutatjuk be. 3.1. A talajvízszint csökkenés fő okai A talajvízhiány okait és mértékét kutatva igen bonyolult folyamatsort kell kiértékelni. A csökkenés főbb okai a következők: a) Csapadékhiány. Az 1980-as évek elejétől az 1990-es évek közepéig a területet tartós csapadékhiány sújtotta. Több mint tíz éven át a lehulló csapadék egyszer sem érte el az egyébként is alacsony 560 mm alatti átlagos évi csapadékot, sőt rendszeresen 450 mm körül, esetenként és helyenként még az alatt alakult (3. ábra). b) Az 1980-as évtized a rétegvíz-kitermelés legintenzívebb időszaka volt. (Ahogyan korábban már utaltunk rá 1970 és 1989 között csupán a Duna-Tisza közén 2 és félszeresére nőtt a rétegvíz-termelés). A korábban tárgyalt nyugalmi vízszint csökkenés egyes térségekben tovább fokozódott. Különösen jelentős volt ez ott (pl. Kecskemét környékén 1990-re elérte a 20-25 métert is Pálfai I. 1994), ahol a vizek utánpótlódásában a felszín felöli beszivárgás dominál (negatív nyomásállapotú területek). Ezeken a területeken a rétegvizek nagy arányú süllyedése mintegy szívó hatást gyakorolt a felette elhelyezkedő talajvízre is. Jól kimutatható volt ez a hatás még olyan területeken is, ahol rossz vízáteresztő-képességű rétegek nehezítik a rétegek közötti kapcsolatot (pl. a Debrecentől nyugatra levő vízmű kutak hatásterülete Marton-Szanyi 2000). c) Sokfelé a felszíni vízkészletek hiányában a talajvízből, vagy kis mélységű rétegvízből öntözték az intenzív mezőgazdasági kultúrákat (Csatári B.-Csordás L. 1994). A nagyüzemi mezőgazdaság szétesése után számottevően erősödött ez a hatás. d) A korábbi nedves időszakokban a feleslegesnek tartott vizek elvezetésére csatornákat és egyéb vízmentesítő létesítményeket (drénezés) létesítettek. Ezen alkotások a szárazabb időszakban is teljesítették feladatukat, azaz átmeneti felszíni vízborítás esetén elvezették a vizeket, megakadályozva azok beszivárgását. e) Sokfelé megváltozott a földhasználat. Jellemző volt az erdősültség alacsony arányát javító erdősítés. Gyakran azonban ez a gyors növekedésű, de nagy vízigényű nyárfákkal valósult meg. A talajvízkészletek növelése irányába csak egy jelentősebb tényező hatott: a csatornázottság hiánya miatt a kommunális szennyvizek elszivárogtatása. (Ez, kiegészülve a szakszerűtlen mezőgazdasági tevékenységekkel a talajvizek minőségének olyan mértékű romlásához vezetett, hogy ma már közvetlenül alig hasznosítható ez a vízkészlet.) 3.2. Adat és informatikai háttér A kialakult talajvíz-süllyedési folyamatok értékelésére első lépésként a legnagyobb változások területét, a Duna-Tisza közét (kb. 8 500 km 2 ) választottuk ki. A terület felszín alatti vízforgalma szempontjából fontos, hogy a két nagy folyó között hátszerűen emelkedik ki (legmagasabb részei 40 80 méterrel). A domborzati helyzet következtében a talajvíz utánpótlódá-
3. ábra: Az éves csapadékösszegek a Dél-alföldön öt meteorológiai állomás adatai alapján (mm) (1970-1999) 4. ábra: A talajvízszint változása a Duna-Tisza közén az 1970-1974 közötti átlaghoz viszonyítva három különböző magassági helyzetben levő kútban
sában csak a csapadéknak van meghatározó szerepe (azaz magasabb területek felől nincs lehetőség felszín alatti ideszivárgásra), s a folyók hatása is csak néhány kilométeres sávban mutatható ki. Vizsgálatunkhoz a területen található 1970 és 2000 között teljes adatsorral rendelkező észlelő kutakat használtuk. Térbeli vizsgálatok elvégzéséhez a kutak méter pontosságú koordinátái és a kutak vízállásadatai alapján az Arc/Info GIS-ben felületeket hoztunk létre, így az egyes pontokban mért adatok és a bekövetkező változások nem csak egyes kutak grafikonjaival, hanem térben is szemléltethetőek. Vizsgálatunk ezen szakaszában a további esetleges külső módosító hatásokat és a részletesebb geostatisztikai eredményeket (pl. anizotrópia) ebben a lépésben figyelmen kívül hagytuk. Azaz tudjuk, hogy adataink csak az adatpontok szűk környezetében pontosak, és egy geostatisztikai alapon is megálló részletes adathálózatra lenne szükség. Ennek hiányában eredményeink csak nagyságrendileg pontosak, sőt vélhetően a nagyobb települések környezetében ahol a szikkasztásos szennyvízelhelyezés talajvízszintet emelő hatása érvényesül számottevő hibákat tartalmaz. A változások jelentős mértéke miatt azonban mégis fontosnak tartjuk az eredmények bemutatását már ebben a fázisban is. Az értékelésnél valamennyi kút esetében a havi átlagos vízszinteket vettük alapadatnak, ebből képeztük az alábbi adatsorokat: talajvízszint változás, a talajvízszint eltérése az átlagtól (az első öt év adatait használva átlagként), az átlagtól való eltérés változása. 3.3. A talajvízcsökkenés időbeli jellemzői A geoinformatika alkalmazásával területi és időbeli változásokat is jól értékelhetünk, s akár filmszerűen is bemutathatjuk a változásokat. Időben a változásokat három szakaszra bonthatjuk: 1. Az 1970-es évek végéig tartó első szakaszban a területen csak mérsékelt a talajvízszint csökkenése. Ekkor még a csapadék az évek többségében a sokéves átlag felett volt. Megfigyelhető azonban már ekkor is egy kisebb területi elkülönülés, ugyanis a legmagasabb domborzati helyzetben levő kútban közel 1 méteres csökkenés tapasztalható tíz év alatt (4c. ábra). Ugyanakkor a mélyebb területeken 1978-ig lényeges változás nem alakul ki. 2. Az 1995-ig tartó második szakaszban területileg differenciáltan határozott vízszintsüllyedés figyelhető meg a hátság nagy részén. Ennek mértéke az 1980-as évek közepéig még csak kisebb területeken éri el a két métert, 1995-re azonban már a jelentős területeken a 3 métert is meghaladja, sőt a legmagasabb részeken eléri az 6 métert is (5. ábra). 3. Az 1995-től kezdődő időszakban (amikor több évben is az átlagot lényegesen meghaladó csapadék hullott) a talajvízszintek domborzati helyzetüktől függően eltérően alakultak. Az alacsonyabb domborzati helyzetben (és kisebb terep alatti mélységben) levő területeken a vízszintek a legmélyebb helyzethez viszonyítva kb. fél métert emelkedtek, s az egykori elhelyezkedésüknél ugyan jelentősen mélyebben, de stabilizálódni látszanak (4a és 4b ábra). A magasabb domborzati helyzetben és mélyen levő talajvizekben azonban alig jelentkezik a nedvesebb időszak hatása, s a vízszintcsökkenés kisebb ütemben ugyan folytatódik (4c ábra). 3.4. A talajvízhiány mértéke és a földrajzi helyzet kapcsolata A geoinformatika használatával nemcsak a mozgásfolyamatokat tárhatjuk fel, hanem (nagyon óvatos) becsléseket is tehetünk a vízhiány mértékére. Az egész vizsgálatba vont területet értékelve a legnagyobb mértékű csökkenés 1991-re alakult ki: ekkor a területi átlag megközelítette a 2 métert (-191 cm). Ez az érték egy kezdeti lassabb süllyedéssel indult, majd az 1980-
Jelmagyarázat: (m) 5. ábra: A talajvízszint eltérése az 1970-1974 közötti átlagtól 1995 márciusában (1 négyzet = 10 kmx10km) as évek második felében felgyorsult, majd az 1991-es átlag fölötti csapadék hatására a vízhiány kissé mérséklődött és az 1990-es évek végi csapadékosabb időszakban tovább javult. Mindez azt jelenti, hogy átlagosan 30 % porozitással számolva 1991 márciusában 4,87, 1999 márciusában 3,44 milliárd m 3 vízhiányt becsülhetünk. A helyzet azonban nem ilyen kedvező, ha a részletek mögé nézünk. A terület egyes részein a talajvízszint süllyedése az 1990-es évek során is süllyedt (6. ábra), és miközben egy-egy csapadékosabb időszak hatására a területi vízhiány átlaga csökken a szélsőségek fokozódnak (1. táblázat). 1. táblázat: A talajvízszint csökkenés mértékének arányai (%) Változás 1976 1981 1986 1991 1996 1999 emelkedés (max. 0.8 m) 7.1 13.6 9.2 0.6 8.5 14.8 süllyedés mértéke 0-1 91.5 76.6 50.4 20.0 32.8 35.2-1 -2 1.4 9.7 29.7 37.2 29.2 23.5-2 -3 0 0 10.4 26.8 16.8 14.1-3 -4 0 0 0.3 10.4 7.0 6.1-4 -5 0 0 0 4.5 3.5 3.5-5 -6 0 0 0 0.5 1.7 2.0-6 -7 0 0 0 0 0.4 0.7-7 -8 0 0 0 0 0 0.1 Összesen: 100 100 100 100 100 100
6. ábra: A talajvízszint változások irányai a Duna-Tisza közén az 1990-es évek során A változások okait vizsgálva megállapítható, hogy a domborzati helyzetnek (tengerszint feletti magasságnak) döntő szerepe van a talajvízcsökkenés folyamatában. A korrelációszámítás során -0,66-os értéket kaptunk a teljes területre vonatkozóan és -0,85-ös értéket a 130 méter feletti területek esetében. Mindez arra utal, hogy amíg az alacsonyabb helyzetben levő területeken a csapadékból való beszivárgáson kívül vélhetően a magasabb területek felől (helyenként még a folyók felől is) lehetőség van a vízkészlet pótlására, addig a magasabb területen a csapadékhiányon túl még a környező területek felé való elszivárgás is készletcsökkentő hatású. Ez az oka annak, hogy néhány ezer km 2 -en a kedvezőtlen folyamat már-már visszafordíthatatlannak látszik, aminek már most is jelentős gazdálkodási következménye van. Irodalom Alföldi L. 1971: Hidrogeológia. BME Továbbképző Intézete. 182 o. Csatári B. Csordás L. 1994: A Duna-Tisza közi hátság településfejlődése és hatásai a vízháztartásra. In: Pálfai I. (szerk.): A Duna-Tisza közi hátság vízgazdálkodási problémái. A Nagyalföld Alapítvány Kötetei. 3. 33-36. Dobó K. 2000: Szentes rétegvíztermelése és a rétegvízszint alakulásának kölcsönhatása, valamint a szennyvíz kérdése. Diplomadolgozat. SZTE Földtani és Őslénytani Tanszék. 48 o. Liebe P. 1994: A rétegvízkészletek és a nyomásszintek változása a Duna-Tisza közi hátságon és azok hatásai a talajvízszintekre. In: Pálfai I. (szerk.): A Duna-Tisza közi hátság vízgazdálkodási problémái. A Nagyalföld Alapítvány Kötetei. 3. 25-29. Marton L. Szanyi J. 2000: A talajvíztükör helyzete és a rétegvíz-termelés kapcsolata Debrecen térségében. Hidrológiai Közlöny 1. 218. Pálfai I. (szerk.): A Duna-Tisza közi hátság vízgazdálkodási problémái. A Nagyalföld Alapítvány Kötetei. 3. 126 o. Rakonczai J. 1977: A vízkitermelés hatása az artézi vizek nyomásváltozására a Délkelet- Alföldön - Alföldi Tanulmányok 1977. 59-79. o. Rakonczai J. Bódis K. 2001: A geoinformatika alkalmazása a környezeti változások kvantitatív értékelésében. A földrajz eredményei az új évezred küszöbén. A Magyar Földrajzi Konferencia anyaga CD-n 19 old. Rónai A. 1985: Az Alföld negyedidőszaki földtana. Geologica Hungarica. Tomus 21. 446 o. A Nemzeti Környezetvédelmi Programról. 83/1997. (IX.26.) sz. Országgyűlési Határozat.
Consequences of environmental changes on the subsurface waters in the Great Hungarian Plain In the recent years, the general experienced rapid decrease and the severe pollution of subsurface waters causes great problems all over the world. Due to these problems, significant economic changes occurred in many areas. In the Great Hungarian Plain some significant changes were observed which had numerous negative effects (e.g. some landscape changes, management difficulties). In the Great Hungarian Plain, where 3 million people live, agricultural activity prevails; the area is mainly occupied by arable lands. The utilization of water is, therefore, quite specific: though the Tisza river flows through and the Danube borders the Plain from the west, still the population is mainly dependent on the artesian waters. This region is the largest agricultural area of the country, but irrigation is applied only on 130 thousand hectares from superficial waters. Thus, most of all the water utilization of the area comes from subsurface waters. The running water supply of settlements was almost entirely completed in the second half of the 20th century. In the 1960s, industrialization also took place in the area. This growing need of water mainly affected artesian waters coming from lower strata. The development of these changes could be detected quite easily not only in space but also in time (Fig. 1). The significant water table changes caused serious debates among professionals and scientists: it was a frequently asked question whether how much longer the natural supply of artesian waters can stand this very intensive exploitation. However, the great changes in society were soon followed by fundamental changes in the utilization and exploitation of waters. Industrial production (output) fell rapidly, many companies ceased to exist; in the meantime, the public water consumption rose significantly, which resulted in a more frugal utilization of water. With the decreasing water consumption, positive changes came into effect: the static levels of artesian waters started to rise (Fig.2). From the second half of the 1980s, other, much more complex changes occurred. Besides the series of unfavorable human impacts, another problem, the long-lasting drought raised its head, and therefore, significant sinking of the groundwater level took place in the area. This great decrease caused difficulties not only in the agriculture, but also in the natural environment. To estimate the groundwater-sinking processes, as a first step, we chose the Danube-Tisza Interfluve (app. 8500 km 2 ) where probably the greatest changes took place in the whole country. The influence of the two large rivers can be detected only in a zone of a few km. In the research, wells with a continuous series of data referring to the period 1970-2000 were applied. Using the database of wells and their geographic coordinates, virtual surfaces were created under Arc/Info. Thus, the data measured at each place and the occurring changes can be demonstrated not only by the graphs of each well, but also in space by 3 dimensional surface modeling. According to these results, elevation plays the most crucial role in the process of the groundwater level decrease. While in case of lower areas, beyond precipitation, there is always a possibility to receive some surplus from higher areas (sometimes even from the two afore-mentioned rivers), in the higher areas, beyond the lack of precipitation, the seepage is also responsible for the continuous decrease of the groundwater level (to study this latter process, we have started a new project, based on age determination). As a result of this decrease, in an area of some thousands of km 2, the process seems to be irreversible, and the effects can be already observed in the agriculture. Using some GIS methods, not only the processes can be followed, but also some cautious estimation can be made concerning the rate of water demand. In 1995, the decrease reached 3 meters in an area of 2500 km 2. Counting only with the most endangered areas, the lack of water means 2.3 billions m 3 (in average, counting with 30% porosity).