Széchenyi István Egyetem Építési és Környezetmérnöki Intézet Környezetmérnöki Tanszék ZSENI ANIKÓ - Dr. BULLA MIKLÓS VÍZMINŐSÉGVÉDELEM Győr, 2002.
Széchenyi István Egyetem Építési és Környezetmérnöki Intézet Környezetmérnöki Tanszék VÍZMINŐSÉGVÉDELEM egyetemi jegyzet Írta és összeállította: ZSENI ANIKÓ egyetemi tanársegéd Szerkesztés és koncepció: Dr. BULLA MIKLÓS egyetemi docens Lektor: Dr. BUZÁS KÁLMÁN egyetemi adjunktus BMGE Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék Győr, 2002. 2
TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS... 5 1. A VÍZ TULAJDONSÁGAI, A VÍZKÉSZLET EREDETE, A VÍZ KÖRFORGÁSA... 7 1.1. A víz fizikai tulajdonságai... 7 1.2. A víz kémiai tulajdonságai... 9 1.3. A Föld vízkészlete és a vízkészlet származása... 10 1.4. A víz körforgása és a vízháztartás... 11 2. LÉGKÖRI VIZEK... 14 2.1. Csapadék... 14 2.2. Párolgás... 14 3. FELSZÍNI VIZEK... 16 3.1. Vízfolyások... 16 3.1.1. Vízfolyások fogalma, a felszíni és felszín alatti lefolyás, a vízfolyások típusai... 16 3.1.2. Vízhálózat, vízgyűjtő terület, vízválasztó... 19 3.1.3. A vízfolyások nagysága... 22 3.1.4. A folyóvizek vízállása, vízhozama, vízjárása... 23 3.1.5. A vízhálózat alakrajzi jellemzői... 25 3.1.5.1. A vízgyűjtő területek morfometriai jellemzői... 26 3.1.5.2. Folyó- és völgyszakaszok morfometriai paraméterei és alakrajzi sajátosságai... 27 3.1.6. A lefolyás számítása... 30 3.1.6.1. Vízgyűjtő karakterisztika készítése az egyidejű lefolyási vonalak módszerével... 30 3.1.6.2. A racionális méretezési módszer... 33 3.1.7. Vízfolyások fizikája... 34 3.1.7.1. A vízfolyások energiája és hordalékszállítása... 34 3.1.7.2. A vízfolyások hőháztartása, jég a folyókon... 35 3.2. Állóvizek... 36 3.2.1. Tavak... 36 3.2.2. Vizes élőhelyek... 40 3.2.3. Óceánok, tengerek... 41 4. FELSZÍN ALATTI VIZEK... 43 4.1. Talajnedvesség... 43 4.2. Talajvíz... 43 4.3. Rétegvíz... 46 4.4. A hasadékos kőzetek vizei (résvíz)... 49 4.4.1. A nem karsztosodott kőzetek hasadékvize... 50 4.4.2. A karsztvíz... 50 4.5. Források... 53 5. VÍZRENDEZÉS... 56 5.1. Folyó- és tószabályozás... 56 3
5.2. Árvizek, ármentesítés, árvízvédelem... 63 5.3. Belvizek, védekezés a belvizek ellen... 73 6. A FELSZÍNI ÉS FELSZÍN ALATTI VIZEK MINŐSÉGE... 76 6.1. A vizek minősége... 76 6.1.1. Kémiai és fizikai vízminősítés... 76 6.1.2. Biológiai vízminősítés... 79 6.1.3. Bakteriológiai vízminősítés... 80 6.1.4. Vízminőség-ellenőrző hálózatok... 81 6.2. Magyarország felszíni és felszín alatti vizeinek minősége... 83 6.2.1. A felszíni vizek állapota... 83 6.2.2. A felszín alatti vizek állapota... 86 6.2.3. Magyarország termálvizei... 89 7. VÍZKÉSZLET-GAZDÁLKODÁS... 96 8. KOMMUNÁLIS VÍZHASZNOSÍTÁS... 104 8.1. Vízellátás és csatornázás... 104 8.2. A vízellátás technológiája... 113 8.3. A csatornázás technológiája... 119 9. SZENNYVÍZTISZTÍTÁS... 123 9.1. A városi szennyvizek tisztítása... 123 9.2. Az ipari szennyvizek tisztítása... 131 9.3. Egyedi szennyvíztisztítási megoldások... 134 9.4. Szennyvízkibocsátás és szennyvíztisztítás Magyarországon... 136 10. A VÍZVÉDELEM SZERVEI, JOGI SZABÁLYOZÁS... 145 10.1. A vízvédelem szervei... 145 10.2. Vízgazdálkodási Törvény... 146 10.3. A vizek védelmét szolgáló jogi szabályozások... 148 10.3.1. Díjak és bírságok... 148 10.3.2. Vízjogi engedélyek... 150 10.3.3. Vízbázisvédelem... 151 10.3.4. A felszíni vizek védelme... 152 10.3.5. A felszín alatti vizek védelme... 154 10.4. Az Európai Unióhoz való csatlakozással járó feladatok... 155 10.5. Nemzetközi egyezmények... 158 MELLÉKLET: JOGSZABÁLYOK JEGYZÉKE... 160 IRODALOMJEGYZÉK... 166 4
BEVEZETÉS Jegyzetünk kéziratának lezárása idején már világszerte folyik a fenntartható fejlődés lehetőségeiről tartott világ csúcstalálkozó - hivatalos nevén: World Summit on Sustainable Development (WSSD) - eredményeinek, üzenetének kiértékelése. Melyek lesznek a következő évtized(ek) fő feladatai a környezetvédelem, vagy inkább a környezetgazdálkodás területén? Az első helyen áll a tiszta víz biztosítása! Magyarországon ez tűnik túlságosan nehéz feladatnak. Ha azonban áttekintjük a környezetvédelem - hazai - kulcsproblémáit, amint azt meg kellett tennünk az EU szakértőivel a csatlakozást előkészítő munka során, akkor az eredmény listázása a következő: levegőtisztaság-védelem, vízminőségvédelem, és ezzel is összefüggésben a hulladékgazdálkodás. Első helyen közvetlen egészségkárosító hatása miatt áll a levegőtisztaság-védelem, pontosabban a jó levegőminőség biztosítása a nagyobb városokban, településeken is. Csak kicsit bővebben szólva itt a másodiknak említett - jegyzetünk és tanulmányaik tárgyát illetően a legfontosabb - környezeti kulcsproblémáról; ez a víziközmű ellátottság helyzete: a vízellátás, valamint a szennyvíz- és csapadékvízgyűjtő, -elvezető, -tisztító hálózatok/rendszerek állapota, vagy nemléte, amely alapvetően befolyásolja tárgyunk témáját: a vízgazdálkodás egészét és benne a vízminőségvédelmet. A Vízminőségvédelem c. jegyzet a környezetmérnök hallgatók Vízminőségvédelem című tárgyának elsajátításában kíván segítséget nyújtani. A Vízminőségvédelem előadásaiban és jegyzetanyagában támaszkodunk természetesen a hallgatók előtanulmányaira: elsősorban a Fizika, Kémia és különösen a Speciális kémia, Geológia, Talajvédelem, Ökológia tárgy keretében tanultakra, ill. laboratóriumban bemutatott fizikai-kémiai eljárások és az ezekből összeállítható technológiák ismeretére. A vízminőségvédelem és tágabban: vízminőség szabályozás azonban jóval több, mint víztechnológiák alkalmazása. A vízminőség alakulásának, és - ha szabályozásról beszélünk - alakításának a vízgyűjtőn történő gazdasági-társadalmi folyamatok megismerésén, az ok-okozati összefüggések feltárásán kell alapulnia, hogy azután a környezeti erőforrás-használatok komplex módon szabályozhatók legyenek. Ez az alapja és célkitűzése az EU Water Frame Work direktívájának (is), amely a jó víz állapot elérését az egész vízgyűjtő valamennyi, a vízhasználatok 5
szempontjából számottevő tevékenység, intézményi működések összehangolásával kívánja elérni. Ez a (szabályozási) gondolkodásmód nem új a hazai vízgazdálkodás, vízminőségvédelem számára, amely kezdettől vízgyűjtő alapon szerveződött. A diffúz, nem pontszerű, tehát nem ismert helyről származó szennyezések megakadályozására, csökkentésére más szabályozás nem is lehet eredményes. A víz - valamire való alkalmassága és/vagy valamely víztest, valamely technológiával elérhető jó állapota szerinti - minősítése nem pusztán kémiai, biológiai paramétereknek való megfelelési vizsgálatát jelenti. A kedvező ökológiai állapot összetettebb: a víztest (folyó, tó stb.) környezetével együtt alakuló, változó viszonyától függ. Növekvő jelentőségű ezen felismerések alkalmazása a gyakorlatban, a vizes élőhelyek megvédése és rehabilitációja során. A víz (szennyvíz) technológiákat illetően az alapvetőeket tárgyaljuk, feltételezve tehát a fizikában, biológiában, kémiában, ökológiában, földrajzban, természetvédelemben (meg)tanult ismereteket. Amely ismeretek alkalmazását kívánja bővíteni a Vízminőségvédelem c. tárgy és a hozzá készített jegyzet. Dr. Bulla Miklós Győr, 2002. október 6
1. A VÍZ TULAJDONSÁGAI, A VÍZKÉSZLET EREDETE, A VÍZ KÖRFORGÁSA 1.1. A víz fizikai tulajdonságai A víz számos olyan különleges fizikai tulajdonsággal bír, amely közvetlenül felelős a környezetünk és a benne kifejlődött élet evolúciójáért. E tulajdonságok egy része leolvasható a víz fázisdiagramjáról (1.1. ábra), amely a nyomás és a hőmérséklet függvényében mutatja be a víz halmazállapot-változásait. 1.1. ábra: A víz állapot- (fázis) diagramja K = kritikus pont (21,42 MPa, 374,2 C), H = hármas pont (0,61 kpa, 0,01 C) A víz csak meghatározott hőmérsékleti és nyomástartományban létezhet folyékony állapotban. A folyékony fázis alsó határát a hármaspont mutatja (±0,01 C és 0,61 kpa). E pontban az olvadás- és forráspont egybeesik, így ennél alacsonyabb hőmérséklet és nyomás esetén a jég közvetlenül gőzzé válik. A földrajzi burokban azonban a nyomás ennél magasabb, így a cseppfolyós víz a megfelelő hőmérsékleti intervallumban mindenütt megjelenhet. A fázisdiagramról leolvasható, hogy az olvadáspont széles nyomástartományban 0 C körüli, csak néhány 10 MPa felett kezd el gyors ütemben csökkeni. A sarkvidéki jégtakarók és a vastag gleccserek alján már előfordulhatnak olyan magas nyomások, hogy az olvadáspont lecsökken. Az antarktiszi és grönlandi jégsapka helyenként 3000-4000 métert meghaladó vastagsága néhányszor 10 MPa nyomást okoz a jégtakaró alján, így ott a jég az alacsony hőmérséklet ellenére is az olvadáshoz közeli állapotban lehet, ami hatással van a végbemenő folyamatokra, pl. a jégmozgás mechanizmusára. A víz forráspontja a nyomás növekedésével folyamatosan nő, egészen a kritikus pontig. E pont felett a víz már nem lehet folyékony állapotban, ennek azonban csak a földi nagyszerkezeti folyamatokat létrehozó geofizikai folyamatokban van jelentősége, 7
mivel ennél magasabb nyomás és hőmérséklet egyidejűleg nem fordul elő a földrajzi burokban. A nyomás növekedésével ill. csökkenésével növekedő ill. csökkenő forráspont viszont számos természeti jelenséget befolyásol, és a gazdasági életben is számolni kell vele. A gejzírek működése a nyomásnövekedéssel megemelkedő forrásponton alapszik, míg a magassággal csökkenő légnyomás a víz forráspontjának csökkenését okozza. 5500 m-rel a tengerszint felett (az emberi települések felső határa) a légnyomás fele a tengerszintihez képest, a víz forráspontja pedig 82 C. A víz egy másik fontos tulajdonsága az, hogy sűrűsége a hőmérséklet emelkedésével nem növekszik folyamatosan, ahogy ez az anyagok nagy részénél tapasztalható. A maximális sűrűségét (1,00 g/cm 3 ) 4 C-nál éri el (1.2. ábra). A további hőmérsékletcsökkenés már a sűrűség csökkenését okozza, viszont 4 C-nál magasabb hőmérsékleten szintén csökken a sűrűség a hőmérséklet emelkedésével. Ennek óriási jelentősége van a vizek élővilágát tekintve, mivel a víz hőmérsékletének csökkenésével a hidegebb víz csak addig száll le a fenékre, amíg ott a hőmérséklet lecsökken 4 C-ra. Az ennél hidegebb vizek már fordítva rétegződnek, azaz a hidegebb vizek helyezkednek el felül. Így a víz befagyása a felszínen kezdődik, és a keletkezett jég a víz felszínén marad, mivel az ő sűrűsége kisebb. A víz sűrűségcsökkenése magasabb hőmérsékleten gyorsabb: pl. a 24-ről 25 C-ra melegedő víz sűrűségcsökkenése 30-szor nagyobb, mintha 4-ről 5 C-ra melegedne. Emiatt a felmelegedő vizekben a magasabb hőmérsékletű tömegek nagyon stabilan helyezkednek el a felszíni rétegekben. 8 1.2. ábra: A víz sűrűségváltozása a hőmérséklet függvényében A víz viszkozitása szintén hőmérsékletfüggő: a hőmérséklet növekedésével csökken a viszkozitás. 0 C-on kétszer nagyobb, mint 25 C-on. Az eltérés elég jelentős ahhoz, hogy a sarki tengerek viszkózusabb vizében nehezebben
mozogjanak az élőlények, mint a trópusok meleg vizében. (Az eltérő sűrűség miatt a lebegés tekintetében viszont fordított a helyzet.) További jelentős tulajdonsága a víznek a földrajzi burok legelterjedtebb anyagai közt legnagyobb fajhője: 4183 J/kg C. Azaz lassabban melegszik és hűl le, mint a környezete. Ezáltal a vízi élővilág a hirtelen hőmérsékletváltozásoktól védve van. A víz párolgáshője szintén nagyon magas (a 20 C-os vízé 2453,6 kj/kg). A Nap melegítette víztömegekben és az elpárolgott vízben óriási mennyiségű napenergia raktározódik. A kémiailag tiszta víz nagy vastagságban is átlátszó. Mivel legkevésbé a kék sugarakat nyeli el, így nagy tömegben kékes árnyalatú. 1.2. A víz kémiai tulajdonságai A természetben a kémiailag tiszta víz ritka, leginkább egyes csapadékvizek közelítik meg ezt az állapotot. Mivel a víz jó oldószer, kisebb-nagyobb mértékben oldja a litoszféra kőzetanyagát és a légkör gázösszetevőit. Az egyes vízféleségek összetétele különböző, mivel a víz körforgása során a különböző környezetben különböző anyagokat old fel, ad le és visz magával. Az oldó hatást fokozza, ha híg savvá (pl. CO 2, NO X, SO 2 felvételével), esetleg híg lúggá alakul. A természetes vizek ph-ja 4,5-8,5 közötti. A víz tehát különböző töménységű oldatok formájában van jelen a környezetben. Az oldott sókon és szerves anyagokon kívül oldott gázok és lebegő szennyeződések találhatók benne. A víz a légkörből, de még inkább a talajlevegőből jelentős mennyiségű CO 2 -ot tud felvenni, ami által híg szénsavvá válik. A szénsav oldó hatásának különösen a karbonátos kőzetek esetében van nagy jelentősége. A vízben oldott Ca(HCO 3 ) 2 és Mg(HCO 3 ) 2 okozza a vizek változó keménységét, amelynek pl. a cseppkőképződésben, vízkőképződésben van szerepe, hiszen a hidrogénkarbonátok megfelelő nyomás és hőmérsékleti viszonyok hatására CaCO 3 és MgCO 3 sóként kiválnak a vízből. Ca 2+ + 2 HCO 3 - CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Az egyéb oldott Ca és Mg-sók okozzák a vizek állandó keménységét (az elnevezés arra utal, hogy ez a típusú keménység forralással nem szüntethető meg). A vízben jelenlévő összes Ca és Mg-só (azaz a változó és az állandó keménység együttesen) a vizek összes keménységét jelenti. A vizek keménységének kifejezésére a keménységi fokot használjuk. Nálunk a német keménységi fok az elterjedt (nk ), de ismeretes az angol, francia, orosz stb. is. 1 nk annak a víznek a keménysége, amely literenként 10 mg CaO-dal egyenértékű Ca és Mg-sót tartalmaz. 9
A vizes oldatoknak a kémiailag tiszta vízhez képest megváltoznak a fizikai tulajdonságai. A Raoult-törvény azt mondja ki, hogy híg oldatok esetén az oldat moláris koncentrációjának emelkedésével nő a forráspont és csökken a fagyáspont. Környezetünkben elsősorban a fagyáspontcsökkenésnek van szerepe. A világóceán átlagát jelentő 35 -es sókoncentrációnál -1,91 C az olvadáspont. A sóoldatok sűrűsége nagyobb a tiszta vízénél, és a koncentráció növekedésével a sűrűség is nő. 1 m 3 20 C-os tengervíz tömege 27 kg-mal nagyobb, mint az ugyanilyen hőmérsékletű desztillált vízé. A fentiekből következik, hogy a sós vizek + 4 C-nál alacsonyabb hőmérsékleten érik el maximális sűrűségüket. 1.3. A Föld vízkészlete és a vízkészlet származása A földi vízkészletet még nem ismerjük kielégítő pontossággal. A felszínen tárolódó vízkészlet ugyan elég jól ismert, ám a litoszférában tárolódó vízkincsről csak durva becslések állnak rendelkezésre. Az 1.1. táblázatban közölt adatok a ma általában elfogadott 254 millió km 3 -nek feltételezik a litoszféra kötött vizének mennyiségét. A földi vízkészlet túlnyomó többsége az óceánokban található, mellette csak a litoszféra kötött, a körforgásból kieső vize jelent nagyobb mennyiséget. Ez utóbbit egyes becslések a táblázatban közöltnél 3-szor nagyobb mennyiségnek tartják. Ha a litoszféra kötött vizével nem számolunk, akkor a világóceán 97,4 %-kal részesedik a földi vízkészletből, a sarkvidéki és magashegységi jég pedig 2 %-kal. Az 1.2. táblázat a kontinensek különböző formában jelen lévő vízmennyiségeinek arányairól tájékoztat. 1.1. táblázat: A Föld vízkészlete (Nace, R. L. (1967), Baumgartner, A., Reichnel, E. (1975) és mások alapján) Tároló mennyiség 1000 km 3 -ben % litoszféra (kötött víz) 253 900 15,5 litoszféra (szabad víz a felszín alatt 4000 m-ig) 8 060 0,5 világóceán 1 348 000 82,3 sarkvidéki és magashegységi jég 27 820 1,69 édesvizű tavak 125 0,01 sós tavak 100 0,01 légkör 12,3 0,0008 vízfolyások 1,25 0,00006 élőlények 1,13 0,00006 összesen (a Föld vize) ~1 638 020 ~ 100 10
1.2. táblázat: A kontinensek vízkészlete Tároló mennyiség 1000 km 3 -ben % litoszféra (szabad víz a felszín alatt 4000 m-ig) 8 060 22,3 sarkvidéki és magashegységi jég 27 820 77,0 édesvizű tavak 125 0,35 sós tavak 100 0,28 vízfolyások 1,25 0,003 élőlények 1,13 0,003 légkör 12,3 0,03 Összesen (kontinensek vize) 36 120 100 A mai ismereteink szerint a Föld vízkészlete endogén eredetű, azaz bolygónk belső anyagainak gázleadása, az ún. kigázosodás révén keletkezett, ugyanúgy, mint a Naprendszer egyéb égitesteinek őslégköre. A gázburkot főként a vulkanizmus termelte. A recens vulkanizmus illó anyagainak 80 %-a víz, 10 %-a szén-dioxid volt. A Föld tömegvonzása, bolygónk kedvező naptávolsága, valamint a Föld felszínének kedvező hőmérsékletszintje játszotta a fő szerepet abban, hogy a víz az őslégkörből kicsapódhatott. Az ózonpajzs kialakulása pedig meggátolta a vízmolekulák fotodisszociáció útján való elbomlását. A Föld fejlődése során a vulkanizmus veszített erejéből: jelenleg 0,1-0,3 km 3 -re teszik az ilyen módon a víz körforgásába évente bekerülő vízmennyiséget. Ezt a mélységi eredetű - a Föld felszínén azelőtt még sohasem járt - vizet nevezzük juvenilis víznek. A körforgásba már korábban bekerülő vizek a vadózus vizek, amelyek korábban egyszer mind juvenilis vizek voltak. 1.4. A víz körforgása és a vízháztartás A földrajzi burokban a víz háromféle halmazállapotban fordul elő: szilárd jég, folyékony víz és gáz halmazállapotú vízgőz. A víz halmazállapot-változási képességén és az eltérő halmazállapotokban lévő víz eltérő mozgássajátságain alapszik a víz állandó körforgása. A körforgását lehetővé tevő halmazállapotváltozásokhoz döntően a napsugárzás szolgáltatja az energiát. Elsősorban a folyékony-gáznemű halmazállapot-változás a fontos, mivel a jég formájában tárolódó víz hosszabb-rövidebb időre kiesik a forgalomból. A körforgás részeit az 1.3. ábra mutatja. A Föld egészének a vízháztartása kiegyenlített, azaz az összes csapadékmennyiség és az összes elpárolgás mennyisége globálisan egyenlő. Ez azt is kifejezi, hogy a Föld vízkészletét hosszabb időszakon át állandónak tekintjük. Az egyensúly azonban csak globálisan érvényes. Ahol az éves párolgás mértéke meghaladja az éves csapadék mennyiségét, ott negatív vízháztartású - vízhiányos - a terület (pl. sivatagok, félsivatagok, de hazánk alföldi részein is előfordul). A pozitív 11
vízháztartású területeken az éves csapadék meghaladja az éves párolgást. A párolgás (P) és a csapadék (C) mennyisége az óceánok és szárazföldek esetében eltérő, a kettő különbségét a lefolyás (L) egyenlíti ki. (Az óceánok esetében helyesebb lenne hozzáfolyásról beszélni a lefolyás helyett, de a szóhasználatban az utóbbi terjedt el.) Természetesen a lefolyás nem jellemzi a szárazföldek egészét. A szárazföldek egyötöde (mintegy 30 millió km 2 ) belső lefolyású terület, azaz a csapadékból származó víz úgy párolog el, hogy közben nem alakul ki az óceánokat elérő lefolyás. 1.3. ábra: A vízkörforgás sémája P o = óceáni párolgás, C o = óceáni csapadék, C k = szárazföldi csapadék, P k = a szárazföldek teljes párolgása (P k = P v + P e + P t ), P v = szabad vízfelszín (tavak, folyók) párolgása, P e = talajpárolgás (evaporáció), P t = a növényzet párolgása (transpiráció), L 1 = felszíni lefolyás, L 2 = felszín alatti lefolyás Az óceánokra (o), a szárazföldekre (k) és a Föld egészére az alábbi vízháztartási egyenletek írhatók fel: bevétel kiadás óceán: C o +L = P o, azaz L = P o - C o (1.4. 1.) szárazföld: C k = P k + L, azaz L = C k - P k (1.4. 2.) ezért P o - C o = C k - P k és (1.4. 3.) P o + P k = C k + C o (1.4. 4.) így a Föld egészére: P = C (1.4. 5.) A légkör szempontjából a következőképpen alakul a körforgás: bevétel kiadás légkör: P o + P k = C o + C k (1.4. 6.) P = C, 12
ami azt fejezi ki, hogy a légkörben a körforgásban részt vevő teljes vízmennyiség megfordul. A körforgásban mozgó vízmennyiségek a számítások és mérések ellenére is némi bizonytalansággal adhatók meg, azonban a különböző szerzők által közölt adatok nem térnek el jelentősen egymástól. Többnyire 500 000 km 3 /év nagyságrendben határozzák meg az éves körforgás teljes vízmennyiségét. Baumgartner-Reichel (1975) a következő adatokat adja meg: az óceánok párolgása (P o ): 425 000 km 3 az óceánok csapadéka (C o ): 385 000 km 3 a szárazföldek párolgása (P k ): 71 000 km 3 a szárazföldek csapadéka (C k ): 111 000 km 3 lefolyás (L): 40 000 km 3. Minthogy az évi körforgás teljes víztömege megfordul az atmoszférában, valamint figyelembe véve, hogy a légkörben egyidejűleg 12 300 km 3 víz is jelen van, kiszámolható, hogy az atmoszféra vize évente 40-szer (mintegy 9 naponta) megújul. A megújulási idő a többi víztároló esetében hosszabb. Az óceánok vize kb. 3000 év alatt cserélődik ki, míg a szárazföldi jégben tartalékolódó, a körforgásból ideiglenesen kieső víz 12 ezer év alatt újul meg. A folyók vizének megújulási ideje hetekben mérhető, a tavak, víztárolók esetében 10 év. A felszín alatti vizek megújulási idejét egy számadat nem tükrözi valósághűen: két héttől 10 ezer év is lehet. 13
2. LÉGKÖRI VIZEK A hidrológiai rendszer a csapadékon és párolgáson keresztül kapcsolódik a légköri rendszerhez. A csapadék tulajdonképpen nem áll közvetlen kapcsolatban a hidrológiai rendszer állapotával. A párolgás ezzel szemben erősen függ a hidrológiai rendszer állapotától, a rendszerben rendelkezésre álló elpárolgásra képes nedvességkészlettől. (Emellett természetesen függ a légkör állapotától is: annak hőállapotától és páratartalmától.) 2.1. Csapadék A csapadéknak a vízháztartás szempontjából legfontosabb tulajdonságai a csapadék időtartama, mennyisége, intenzitása és a csapadék területi kiterjedése. A csapadék átlagos intenzitását a csapadék mennyiségének és időtartamának hányadosa adja meg. A csapadék intenzitása az időtartamán belül változó. A csapadék hó formájában is a Földre juthat. Ilyenkor a hótakaróban raktározódik, és csupán a hóolvadáskor vált ki beszivárgást és/vagy lefolyást. A hó sűrűsége időben változó. A frissen hullott hó 0,1-0,15 g/cm 3 sűrűségű, a tömörödések és átfagyások miatt az idő előrehaladtával ez elérheti a 0,6-0,7 g/cm 3 -t is. A hóolvadás intenzitása elsősorban a hőmérséklettől (a 0 C feletti hőösszegtől) függ, a hó vízleadása ezen kívül a hó sűrűségétől is. A hótakaró olvadásakor a hólé előbb kitölti a hóban jelenlévő pórusokat, és csak azok telítődése után indul meg a beszivárgás és/vagy lefolyás. Az alacsonyabb sűrűségű hó lassabban, a magasabb sűrűségű gyorsabban telítődik, ezért az utóbbi esetében a hótakaró vízleadása is előbb megindul. A csapadékvíz a levegőből gázokat old ki. Mivel a gázok oldékonysága különböző, ezért a csapadékvíz összetétele nem tükrözi a légkör összetételét. A legjobban a szén-dioxid, a legkevésbé a nitrogén oldódik. A csapadékvíz port, radioaktív anyagokat, mikroorganizmusokat, füstgázokat, kormot, pernyét is magával visz a levegőből. A csapadékvizek kis mennyiségben tartalmaznak keménységet okozó ionokat. Jellemzője még az agresszivitása is, amelyet az elnyelt szén-dioxid, kéndioxid és nitrogén-oxidok okoznak. Bakteriológiai szempontból nem kifogástalan, ezért ivásra csak csírátlanítás után alkalmas. Vízszegény területeken mosásra és főzésre használják a háztartásokban. Mennyisége változó és bizonytalan. 2.2. Párolgás A légtér - a párafelvevő alrendszer - által maximálisan felvehető páramennyiség a potenciális párolgás. Ennek mértéke a légkör állapotától függ: hőmérséklettől, telítettségi hiánytól, szélsebességtől. A tényleges párolgás a páraleadó alrendszerben rendelkezésre álló vízmennyiségtől és az e vízmennyiséget a páraleadó rendszerhez kötő erők nagyságától függ. Ha a páraleadó alrendszer 14
vízkészlete a légtér által felvehető páramennyiséget tekintve korlátlan, akkor a tényleges párolgás megegyezik a potenciális párolgással. Nagy mélységű vízfelületek, tavak, tározók, telített talajok esetében ilyen állapot áll fenn. Ha azonban a páraleadó alrendszernek - elsősorban a talajoknak - az alrendszerhez kisebb erővel kötődő, könnyen felvehető víztartalma alacsonyabb a légtér által felvehető páramennyiségnél, akkor a tényleges párolgás kisebb, mint a potenciális. A páraleadó alrendszer szerint megkülönböztetjük a szabad vízfelület párolgását, a talajok párolgását (evaporáció), a növényzettel borított felületek párolgását (evapotranspiráció). A növényzet képes arra, hogy a rá hullott csapadék egy részét visszatartsa (intercepció). A növényi testfelületen visszamaradt vízmennyiség egy része elpárolog, más része idővel a talaj felszínére kerül. A potenciális intercepció az a vízmennyiség, amelyet a levélfelület szélmentes viszonyok között maximálisan képes visszatartani, értéke a levélfelület indextől függ. Erdők esetében az intercepció elérheti az évi csapadék 25-30 %-át is. Az elméletileg lehetséges potenciális párolgás és a csapadék évi átlagos értékének a hányadosa jelenti a szűkebb értelemben vett ariditási indexet (H). Tágabb értelemben az ariditási index olyan mutatót jelent, amely egy adott hidrológiai rendszer csapadék útján történő vízbevételének és párolgás útján történő vízkiadásának a viszonyát fejezi ki. 15
3. FELSZÍNI VIZEK 3.1. Vízfolyások 3.1.1. Vízfolyások fogalma, a felszíni és felszín alatti lefolyás, a vízfolyások típusai A vízfolyás összefoglaló név, amely alatt a meghatározott pályán, azaz mederben mozgó vizek minden lehetséges formáját értjük, a keskeny patakoktól a hatalmas folyamokig. A vízfolyások közös tulajdonságai: a víz a magasabban fekvő pontok felől az alacsonyabb szintek felé halad a víz mederben folyik a vízszállítás kisebb-nagyobb mértékben ingadozik. A folyóvizek kevés oldott sót (átlagosan 200-500 mg/l-t), viszont sok lebegő - ásványi, növényi és ipari eredetű anyagot, valamint szerves anyagot és oxigént tartalmaznak. Baktériumtartalmuk képes a folyókba kerülő szerves szennyeződések oxidálására, ami lehetővé teszi a vizek öntisztulását. A folyók vize rendszerint lúgos kémhatású (ph = 6,5-8,5), ami a belekerülő savak semlegesítésére is alkalmas. A folyók vizét megfelelő szűréssel ipari célra általában közvetlenül fel lehet használni. Parti szűréses eljárással ivóvizet nyerhetünk belőlük. A vízfolyások gazdasági jelentősége röviden összefoglalva a következő: vízszolgáltatás a lakosság, ipar, mezőgazdaság számára, természetes és olcsó közlekedési útvonal, megújuló és tiszta energiaforrás, élelmiszer-termelő közeg (folyami halászat), rekreációt biztosító környezet. A vízfolyások vize csapadékokból és forrásokból táplálkozik. A csapadékvíz a felszíni és felszín alatti lefolyás által jut el a vízfolyásokba. A felszínre jutó csapadékvíz egy része beszivárog a talajba. A beszivárgás addig tart, ameddig a talaj felső rétege telítődik és/vagy a csapadékintenzitás kisebb a talaj víznyelésintenzitásánál. Ezt követően a talajba beszivárogni már nem képes víz a terep kisebb-nagyobb mélyedéseiben tározódik, ahonnan egy része visszapárolog a légkörbe. A felszínre kerülő víz mennyiségének további növekedésével a víz lepelszerű, a terep esését követő mozgása indul meg. A lejtőkön vízfilm vagy lepel alakjában lefutó, esetenként alkalmi barázdákat is kitöltő, a felszínen areálisan mozgó csapadékvizet nem tekintjük vízfolyásnak. Azt a folyamatot, ameddig egy adott térségben lehulló csapadék egy része a terep felszínén és felszíne alatt mozogva eljut a vízfolyás medrének meghatározott szelvényéhez, és abban koncentrálódva mozog tovább, a lefolyás összegyülekezésének nevezzük. A csapadék lefolyást adó hányadának a vízgyűjtő terület minden pontjától a vízfolyás adott pontjáig való eljutásához szükséges időtartam az összegyülekezési idő. 16
Megkülönböztetjük a felszíni és a felszín alatti összegyülekezést ill. lefolyást. A felszíni lefolyás lehet közvetlen ill. késleltetett. A közvetlen felszíni lefolyás esőből táplálkozik. A közvetlen felszíni lefolyást a vízgyűjtő terület alakja (kerekded alakú vízgyűjtőn a nagyobb távolságok miatt nagyobb a felszínen szivárgó erecskék vesztesége, mint a hosszan elnyúlt forma esetén), a lejtőviszonyok, a felszín anyaga (vízáteresztő, vízbefogadó képesség), a növényzet jellege és a meteorológiai helyzet határozza meg leginkább. A viszonylag intenzíven végbemenő közvetlen felszíni lefolyás kisebb-nagyobb árhullámokat vált ki a vízfolyásban. A közvetlen felszíni összegyülekezés és az abból eredő árhullám levonulása rövid idő múlva befejeződik a csapadék megszűnését követően. A késleltetett felszíni lefolyásra a csapadék hó és jég formájában történő tárolódása nyújt lehetőséget. A felszín alatti lefolyás a beszivárgás következménye. A beszivárgott csapadék talajvizet elérő hányada azzal együtt továbbmozogva táplálja a vízfolyásokat. A csapadék felszín alá szivárgó hányada egyrészt jelentős késedelemmel, másrészt a felszíninél kiegyenlítettebben jut el a mederig. A felszín alatti összegyülekezési hányad biztosítja a mederbeli lefolyást az árhullámok közti kisvízi időszakokban, ezért különösen a kontinentális területek száraz időszakaiban játszanak hatalmas szerepet a kisvízszintek túlzott mértékű lecsökkenésének megakadályozásával. Az újabb kutatások megkülönböztetik az ún. köztes lefolyást is: ezt a beszivárgó csapadék azon része alkotja, amely nem éri el a talajvizet, hanem közvetlenül a felszín alatt szivárogva áramlik a vízfolyások irányába. Mivel csak kicsivel lassabban jut el ilyen módon a csapadékvíz a vízfolyáshoz, mint felszíni lefolyás esetén, ezért ezt a típust is a közvetlen lefolyás részének tekintik. A felszínen lefolyó vízmennyiség (közvetlen felszíni lefolyás) és a csapadék hányadosa adja meg a lefolyási tényezőt (α), amit gyakran %-ban fejeznek ki. A lefolyási tényező a Földön két zónában ér el különösen magas értéket: a váltakozóan nedves trópusok szavannáin a beszivárgást jóval meghaladó intenzitású csapadék, míg a fagyott altalajú szubartikus területeken a vízzáró talajjég okozza a magas lefolyási tényezőt. A fajlagos lefolyás az egységnyi területről egységnyi idő alatt lefolyó víz mennyisége, amelynek értéke a közvetlen és késleltetett felszíni lefolyást és a felszín alatti lefolyást is tartalmazza. Matematikailag a közepes vízhozam és a vízgyűjtőterület hányadosaként határozzuk meg. Leggyakrabban liter/sec/km 2 a mértékegysége. Számos hegyvidéki vízgyűjtőn az utóbbi évtizedek kedvezőtlen antropogén hatásainak eredményeként megnőtt a lefolyási tényező. Az erdőirtások következtében ugyanis megszűnik a vegetáció korábbi jelentős csapadékfelfogó és lefolyás visszatartó, elhúzódó szivárgást okozó hatása. A nyílt irtásokon, mezőkön 17
a víz gyorsan, akadály nélkül folyik le. A beszivárgás emiatt korlátozott. A megnövekedett erózió megnöveli a lehordott talaj mennyiségét, ezáltal még inkább lecsökken a növényborítottság visszaállításának lehetősége. Egy csereháti vízgyűjtő korabeli és mai térképein végzett számításokkal kimutatták, hogy a lomberdőzet mintegy 10 %-nyi területvesztesége az éves lefolyási koefficienst mintegy 5 %-kal növelte meg. A lefolyási koefficiensek megnövekedése miatt mind gyakoribbá válhatnak a nagy árvizek. De a hiányzó növényzet miatt lecsökkenő felszín alatti és késleltetett lefolyás a vízhozamminimumok tartósabbá válásáért is felelős. Azaz a folyók vízjárása egyre szélsőségesebbé válik a vízgyűjtő területeken végzett erdőirtások következtében. A nem közvetlenül csapadék által létrehozott vízfolyásokat valamilyen forrás táplálja. Gyakran tavak jelentik a forrást (pl. az Angara a Bajkál-tóból, a Szent Lőrinc folyó az Ontario-tóból ered). Olvadó gleccserek végénél is képződnek vízfolyások, pl. a Rhône és a Rajna (ez utóbbi keresztülfolyik a Bodeni-tavon is). A vízfolyások kialakulásának alapvető feltétele, hogy valamely területen a vízbevétel legalább időlegesen haladja meg a párolgásból és elszivárgásból származó veszteséget. A vízszállítás időbeli változásai alapján megkülönböztetjük az állandó és az időszakos vízfolyásokat. Az utóbbi esetben a vízvezetés lehet rendszeres (periodikus vízfolyások) vagy ritka, alkalomszerű (epizodikus vízfolyások). Az egész évben csapadékos, pl. óceáni klímaterületeken állandó vízfolyásokkal találkozunk. Az évszakosan nedves éghajlati tartományokban (pl. trópusi nyári esők öve, monszunvidékek, mediterrán területek) gyakoriak a száraz évszakban rendszeresen kiszáradó folyók. Epizodikus vízfolyások medrei az északafrikai vádik, az ausztráliai creek-ek. Ha a folyók vízszállításának jellege tükrözi az éghajlati sajátosságokat, akkor a tájhoz illeszkedő, azaz autochton vízfolyásokról van szó. Gyakran előfordul azonban, hogy a vízfolyás idegen a környezetében, főleg a nedves területekről száraz vidékekre érkező folyók esetében. Ezek az ún. allochton vízfolyások, amelyek lehetnek átfolyók (pl. Nílus, valamint a Niger és Colorado jelentős szakaszai, amelyek a nedves trópusi területekről mentik át vizük egy részét a sivatagon) vagy elveszők, amelyek lefolyástalan tavakba, mocsarakba torkollanak (pl. Amu-darja és Szir-darja az Aral-tóba, Chari és Logone a Csádtóba). A száraz területre érkező folyók egy része viszont elpárolog vagy elszivárog anélkül, hogy tartós állóvízzé halmozódna. Belső- és Közép-Ázsiában, Ausztrália belső vidékein ez általános jelenség. A vízfolyásokat hosszúságuk, vízgyűjtő területük nagysága és a közepes vízhozam alapján is lehet csoportosítani (ér, patak, folyó, folyam, óriásfolyam), ám a kategóriahatárok elég rugalmasak. Az elpárolgó vagy elszivárgó vízfolyások kivételével a vízfolyások egy másik vízfolyásba, tavakba illetve tengerbe torkollva végződnek (a találkozási hely neve: torkolat). A folyótalálkozásoknál gyakran nehéz megjelölni valamely vízfolyás 18