A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) VÍZTERMELÉS HATÁSA A VÍZMINOSÉGRE EGY ÜLEDÉKES VÍZTÁROLÓBAN Papp Márton 1, Kovács Balázs 2, Szanyi János 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Természettudományi és Informatikai Kar, Ásványtani, Geokémiai és Kőzettani Tanszék, 6722 Szeged, Egyetem utca 2. 2 Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, 3515 Miskolc, Miskolc-Egyetemváros Kivonat Magyarországon a felszín alatti vizek nagymértékű használata jelentős nyomáscsökkenéseket eredményez a rétegvíz tartókban. A vizsgált példaterületen Pesti síkságon az emberi behatás hosszú ideje van jelen, az ivó- és technológiai célú víztermeléshez, valamint kavicsbányászathoz kapcsolódóan. Vizsgálataink célja a megváltozott körülmények mértékének és hatásának feltérképezése hidrodinamikai modellek, hidrogeokémiai és izotópgeokémiai vizsgálatok, elemzések segítségével. Az elemzés a felső, mintegy 300 m-es mélységtartományt érintette, mivel a területen döntően innen történik a vízkivétel. A földtani adatok alapján elkészítettük a régió áramlási rendszereit leíró hidrodinamikai modellt. A számításunk eredményét vízkémiai és stabil-izotóp adatokkal kalibráltuk. Számításaink alapján kimutattuk az áramlási rendszer átrendeződését, kijelölve a potenciálisan érzékeny zónákat, valamint az olyan területeket illetve vízbeszerzési objektumokat, melyek negatívan befolyásolták a nyomásszinteket és a vizek kémiai összetételét. Abstract In Hungary the drinking water demand is covered mainly from groundwater, so it is very important to know the features of the aquifers and the flowing system. Shortage of rain and the raising level of water exploitation have caused the decreasing of water table of subsurface water. The subject area of our research can be found near Budapest where, besides traditional and large-scale open-pit gravel mining, industrial plants carrying out significant water production have been established. These plants have radically changed the natural water budget of the area. Our aim was to both reconstruct the transformed environment through hydrodynamical simulations and, with full knowledge of hydrogeochemical, environmental isotopes ( 18 O/ 2 H) to understand the movement of ground water systems in the Southern region of Plain Pest. We have to mention that our investigation has only covered the upper layers (100-300 m depth) due to the lack of deep-drilled wells and the good water supplying capacity (from both quantitative and qualitative point of view) of newly formed upper layers. In the course of this comprehensive study, we have prepared the regional flow model of the area. During the operation, we applied the more specific picture of geological build-up that we had formerly obtained. Results of the simulation have been calibrated with the help of hydrogeological and isotope geochemical analysis. 165
Papp Márton, Kovács Balázs, Szanyi János As a result, recharge and discharge area borders can be given, and how well-pumping affects changes in chemical composition of water can also be provided. 1. Bevezetés Hazánkban a vízigények kielégítése balneológiai, ipari, mezőgazdasági, ivóvíz csaknem teljes mértékben felszín alatti forrásokból történik. A vízkivételek olyan mértékben megnövekedtek napjainkra, hogy azok már jelentős hatást gyakorolnak a felszín alatti áramlási rendszerekre, akár a szivárgás eredeti irányát is megváltoztatva. Hidrogeológiai szempontból a Pannon medence egy hierarchikusan egymásba ágyazott, összetett áramlási rendszernek tekinthető. Ebben a nagy rendszerben lokális, átmeneti és regionális áramlási részrendszerek különíthetők el, melyek helyi tényezőktől függően kommunikálhatnak egymással. A negyedidőszaki rétegek vízáramlás viszonyait Erdélyi (1979) részletesen tanulmányozta. Az Alföld területén találhatók olyan régiók, ahol a különböző antropogén hatások koncentráltan, egymást erősítve mutatkoznak meg. Ilyen jelenségekkel találkozhatunk például a Nyírség területén (Marton 2009, Szanyi 2004, Szűcs et. al. 2009), valamint a továbbiakban bemutatott, a Pesti-síkságon található példaterületen (Tari et. al 2010). 2. Földtani felépítés Dunaharaszti és tágabb környezete a töréses szerkezeti vonalakkal körülhatárolt, Dunai szerkezeti árok ÉNy-i része" megnevezésű vízföldtani tájegység É-i területén található. A negyedkori képződmények túlnyomó többsége folyóvízi eredetű, azonban a felszínen eolikus eredetű üledékek is találhatóak. A pleisztocén képződményeket főként folyóvízi kavics, homok és agyag képviseli. A vízföldtani tájegység területén, ezen durva folyóvízi üledékek - kavicsok, homokos kavicsok - különböző mélységekben tárhatók fel, és megjelenésük nem általános. A földtani felépítést az 1. ábrán látható szelvénnyel lehet jellemezni. Meg kell említeni, hogy vizsgálatainkat a felső 300 méteres mélységre végeztük el. A szelvény alapján elmondható, hogy a negyedkori összlet vastagsága körülbelül 50-60 m között mozog és a folyóvízi rétegsor kavics, homokos kavics képződményei különböző vastagságban, többnyire a felszín közelében helyezkednek el. DK-i irányban Alsónémedi környékén a kavicsréteg kivastagodik, 166
Víztermelés hatása a vízminőségre egy üledékes víztárolóban Bugyi térségében vastagsága már 40-50 m közötti (a térségében nagymértékű kavicsbányászat folyik). Továbbá megállapítható a pleisztocén réteg vastagságának területei változása. Vecsés, Gyál és Ócsa környékén a réteg átlagos vastagsága 100 m körüli, és közvetlenül felső-pannon korú képződményekre települ. Másrészről ettől a vonaltól nyugatra a pleisztocén réteg elvékonyodik. A negyedkori rétegeken belül több szintben is települnek homokok, azonban csak a legmélyebb szintjén lévők követhetők hosszabb távon. 1. ábra. A vizsgált terület földtani felépítése. 3. Áramlási rendszer A területre számos korábbi időpontra vonatkozó talajvízállás-térkép készült. Számításainkhoz a térség talajvízszint megfigyelő törzshálózati kutjainak adatait használtuk fel a talajvízállások bemutatására. A talajvízadó áramlási viszonyait a Soroksári Duna és a Duna-Tisza-csatorna vízállása, illetve a kavicsbánya-tavak vízháztartása erősen befolyásolja. Az átlagos hidraulikus gradiens 1,15 m/km-nek adható meg, iránya ÉK-DNy-i, a vízfolyások felé mutat. Egy terület rezsimjellegének megállapítására alkalmas módszer a nyomás - mélység (p[z]) profil alkalmazása. A vizsgálatot kisegységenként végeztük el (2.ábra). 167
Papp Márton, Kovács Balázs, Szanyi János Ennek alapján elkülöníthetővé váltak a beszivárgási és feláramlási területek. Érdekesség, hogy az így kapott zónák közel egybeesnek a földtani felépítés változásával: a pleisztocén rétegekben kisebb a rétegnyomás (beáramlási területek), míg a pliocén és felső-pannon képződményekben a hidraulikus gradiens nagyobb az egyensúlyinál. Feláramlási területnek adódtak a Vecsés-Gyál-Ócsa vonaltól nyugatra fekvő területek, ahol hidraulikus nyomásemelkedés mértékét 0,35 m/100 m nagyságrendben lehet megadni. Az említett vonaltól keletre a pleisztocén rétegek beszivárgási területnek adódtak, ám az alattuk található felsőpannon rétegekben szintén túlnyomás található. Település γ (MPa/km) Vecsés 9,921 Gyál 9,795 Felsőpakony 9,609 Ócsa 9,719 Alsónémedi 9,710 Budapest (dél) 9,921 Taksony 9,919 Dunaharaszti 9,876 Szigetszentmiklós 10,018 2. ábra. Nyomásviszonyok alakulása az érintett térség településeinek környezetében. 4. Hidrogeológiai modell Az átfogó vizsgálat során elkészítettük a térség regionális áramlási modelljét a véges differencia módszert alkalmazó, Processing Modflow Pro programmal. A modell ÉNy-i határát úgy választottuk meg, hogy a modell tartalmazza a Soroksári Duna-ágat, mivel az a legfelső vízadó réteggel közvetlenül kapcsolatban áll. A mélyebb vízadó testekben ez a hatás nem, vagy csak kevésbé érvényesül. A modellszámításokhoz alkalmazott véges differencia módszer megköveteli a vizsgált térrész téglatest alakú elemekre bontását. A vertikális felosztás során a 168
Víztermelés hatása a vízminőségre egy üledékes víztárolóban megrajzolt földtani szelvények képét használva 13 rétegű modellt építettünk. A bemeneti paraméterek megállapításához a korábbi hidraulikai vizsgálatok kellő információt nyújtottak, valamint a vizsgálati területen lévő kutak adataiban rendelkezésre álltak átszivárgási és transzmisszivitási értékek. Azon területrészekre, ahol nem ált rendelkezésünkre információ a földtani közeg tulajdonságait illetően becslést alkalmaztunk, analóg felépítésű területek tapasztalatai értékei alapján. Meg kell jegyezni, hogy a felvett hidrosztratigráfiai egységek nagy része, elsősorban a vízadók köztes összletei, nem markáns vízvezető és vízrekesztő horizontok, hanem vékony agyag, homokos agyag, agyagos homok és homok rétegek váltakozásából felépülő összletek, jellemzően magas homoktartalommal. Ennek megfelelően a rétegekre felvett értékek az összletre a hidraulika szabályai szerint felvett átlagértékek. A számításokat mind az emberi beavatkozások előtti,mind a jelenlegi állapotoknak megfelelően elvégeztük. A kapott eredmények képét egymás mellett a 3. ábra szemléletei, mely egy vertikális metszetben mutatja be az áramlási rendszerben bekövetkező változásokat. Elmondhatjuk, hogy a víztermelések által okozott nyomásszint csökkenéseket az alsóbb rétegekből túlnyomás révén érkező vízmennyiség nem képes kompenzálni, így egyes területek, melyek eddig kiáramlási területként voltak jellemezhetők, beszivárgási jellegűek lettek, valamint egyes utánpótlódási területeken a beszivárgási mélység is jelentősen megnövekedett. 3. ábra. A térség természetes és antrogopén hatásokkal zavart áramlási rendszerének képe. 169
Papp Márton, Kovács Balázs, Szanyi János 5. Vízkémiai és izotóp-geokémiai mérések A felszín alatti vízmozgások megértésére széles körben alkalmazott módszer, a vizek kémiai komponensei mennyiségbeli változásának vizsgálata. Az oldott és az agyagásványok cserepozíciójában kötött kationok mennyiségi viszonyaitól függően az egy és két vegyértékű ionok kicserélődnek, ami az oldott kationok koncentrációjának szisztematikus változását eredményezi az áramlás irányában. A víz kémiai összetételét a hidraulikai helyzet (utánpótlódási, átáramlási, megcsapolási terület) és az áramlási rendszer mérete (lokális, intermedier, regionális) nagymértékben befolyásolja. Az utánpótlódási területről a megcsapolási terület felé haladva, az áramlási pálya mentén általánosságban nő az összes oldott anyag-tartalom, a ph, az ionok közül a Na +, a HCO 3- és a SO 4 2-, mialatt csökken a CO 2, O 2, valamint a Ca 2+ és Mg 2+ ionok koncentrációja (Appelo, Postma 2005). A hidrogeokémiai vizsgálatok során több száz kút adatait, vízkémiai adatsorait vizsgáltuk meg. A kutak nagy száma, és az akár 30 évre visszamenőleg is rendelkezésre álló folyamatos összetétel-elemzési eredmények széleskörű összehasonlításokat tettek lehetővé. A vizek kémiai összetétel alapján három fő víztípust lehet elkülöníteni. Ezek a beszivárgó csapadékvíz összetétele alapján befolyásolt rétegvíz, a mélyebb rétegekből feláramló rétegvizek és az első vízzáró rétegig (12 m-ig) terjedő szinte kizárólag a csapadékvízre támaszkodó talajvíz. A beszivárgási területen a talajba bejutó csapadékvíz kémiai összetétele már a háromfázisú zónában lényegesen megváltozik, és kialakul a telített, kétfázisú zónára jellemző talajvíz-összetétel. Amennyiben a mélyebb rétegek utánpótlódása csapadékvízből történik, a légkörből a csapadékba kerülő és a talajból lokálisan kioldódó kémiai komponensek a vízzel együtt a mélyebb rétegekbe kerülnek. Ezek a komponensek a mélyebb rétegekben, a megváltozott körülmények hatására kémiai reakciókban vesznek részt, melyek során átalakulnak, vagy kiválnak a vízből. Ezeknek a kémiai komponenseknek a vizsgálata adja meg a beszivárgási és feláramlási zóna, valamint az oxidatív és reduktív környezet határát. Vannak olyan kémiai elemek, melyek nem vesznek részt a víz-kőzet kölcsönhatásokban. A klorid nem vesz részt olyan reakciókban, ami átalakuláshoz, illetve oldatból történő kiváláshoz vezetne, tehát koncentrációja a háromfázisú zónától a mélyebb rétegvizekig állandó. A beszivárgási zónában és a felszín közelben helyenként mérhető magas klorid koncentrációk lokális antropogén szennyezésnek tulajdoníthatók. Ezzel szemen a mélyebb rétegek feláramlási zónájában megjelenő klorid ion magas értéke a nem antropogén eredetű, hanem a helyi geológiai környezet sajátossága (4.ábra). A nitrát különösen érzékeny a redox viszonyok alakulására, amit az üledékek szervesanyag-tartalma és a vízben oldott oxigén határoz meg. Abban a zónában, 170
Víztermelés hatása a vízminőségre egy üledékes víztárolóban ahol a vízben oldott oxigén van jelen, a nitrát még oxidálható szerves anyagok jelenlétében sem redukálódik. A mélyebb rétegekben, ahol már oldott oxigén nincs, bakteriális redukció játszódik le, melynek során a nitrátból N2 valamint ammónia keletkezik. A talajvizekre az antropogén tevékenységek jelentős hatással vannak. Az átlagos ammónia koncentrációnak (0,5 mg/l) egyes kutakban a 40-szerese is kimutatható. Az átlagos nitrát koncentráció 80 mg/l körül adódik, míg a maximálisan mért értékek 600 mg/l körül voltak, melyek a mezőgazdasági tevékenység (állattartás, műtrágyás növénytermesztés) eredetűek. A feláramlási zónában (reduktív körülmények) megfigyelhető a megváltozott fizikai, kémiai környezet hatására bekövetkező reakciók eredménye, a nitrát mennyiségének drasztikus lecsökkenése és ammóniává való átalakulása. A nitráttartalom teljes megszűnése a geológiai környezet szerves anyag tartalma miatt nem fog végbemenni. 4. ábra. A vizsgált régióban mért klorid, ammónia és nitrát ionok mennyiségének alakulása az egyes víztípusokban a mélység függvényében. Üledékes környezetben az ioncsere a vizek kémiai összetételét leginkább befolyásoló folyamat. Emellett az oxidációs-redukciós (továbbiakban redox) reakciók és a karbonát ásványok oldódása tekinthetők még lényeges folyamatoknak a vizek kémiai összetételének kialakításában. A víztípust meghatározó kationok mennyiségét mg/l-ről átszámolva milliekvivalens értékre a következő képlettel: Mekv = [c] x Z/M, ahol [c] az ion koncentrációja mg/l-ben, Z az ion töltésszáma, M az ion tömege. Az így kapott értékekkel kiszámoltuk a (Na+K) egyenérték százalékot (eé%) a következő képlet alapján: 171
Papp Márton, Kovács Balázs, Szanyi János (Na+K)eé% = [(Na+K)/(Na+K+Ca+Mg)] x 100 Az áramlási pálya mentén a Na + és K + ionok aránya növekszik a Ca 2+ és Mg 2+ rovására. Ez azzal magyarázható, hogy a víz és kőzet agyagásványai között kation kicserélődés is lejátszódik. (Berecz et al. 2001) A vizsgált területen tapasztalható ilyen növekedés, de az adatok szórnak. Azonban az látható a 5. ábrán, hogy a kvarter képződményekben áramló holocén korú vizek (Na+K)eé% értékei nem haladják meg a 30 eé%-ot. A pleisztocén korú vizek ilyen értékei a területen a 25-100 eé% között szóródnak. 5. ábra. A Na és K eé% változása a mélység függvényében. Számos elemzés alapján a mai csapadékvíz ä 18 O értékének sokéves átlaga - 9,3, a 20 méternél nem mélyebb talajvizek átlagos értéke ä 18 O értéke -9,3 ±0,4, a mélyebb felszín alatti vizek (rétegvizek) közül a holocén beszivárgási korúak -9,7±0,4, a pleisztocén (jégkorszaki) beszivárgási korúak pedig -11,8 ± 0,8 átlagos ä 18 O értékűek (Deák 2006). Ezeket az intervallumokat összevetve a területen vett vízmintákból mért stabil-izotóp értékekkel, hasonló egyezést kapunk(6.ábra). A -9 és -10 közé eső adatok a holocén, a -11 -nél negatívabb értékek pleisztocén, azon belül is jégkorszaki beszivárgási korú vizeket jelölnek. 6. Összefoglalás Az elvégzett vizsgálatok alapján elmondható, hogy a régióban az áramlási rendszerekben illetve a vizek kémiai összetételében alapvető és fontos változások mutathatóak ki az emberi tevékenység hatása következtében. 172
Víztermelés hatása a vízminőségre egy üledékes víztárolóban A legsérülékenyebb területek azok, ahol a földtani felépítés (vastag pleisztocén réteg), illetve a nagymértékű vízkivételek miatt a beszivárgási zóna eléri a 100 m-es mélységet. Ilyen terület például Vecsés település, ahol a vízkitermelés a felszín alatt 80 m mélységben szűrözött kutak kémiai összetételét már megváltoztatta (7.ábra) azáltal, hogy a felülről érkező csapadékvizek elérik ezt a mélységet, míg a mélyebb rétegekben található feláramló vizeket a mély kutak felfogják. 6. ábra. A 18 O értékének és a származtatható kor alakulása a mélység függvényében. 7. ábra. Vecsés térségében mélyített különböző mélységű kutak klorid ion koncentrációjának hosszú idejű adatsora. Megállapítható továbbá, hogy a feláramlási zónákban a vízkivételnek nincs hatása a víz kémiai összetételére, azok állandó kémiai összetételt mutatnak. A talajvíz ami átlagosan a 12 m mélyen található első vastagabb vízzáróig tart, döntően kavicsos összlet rendkívül sérülékenynek mutatkozik a jó vízvezető (90-120 m/nap) képességű rétegek miatt. Az erre a rétegre szűrözött kutak esetében 173
Papp Márton, Kovács Balázs, Szanyi János igen nagymértékű antropogén szennyezők mutathatók ki, így a nitrit, nitrát, de egyes esetekben a rendkívül magas nátrium szint is megjelenik, elsősorban az állattartás és az utak sózásából fakadóan. 7. Köszönetnyilvánítás A cikk a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt pénzügyi támogatásával készült. Irodalomjegyzék Appelo C. A. J., Postma D. (2005): Geochemistry, Groundwater and Pollution. 2nd edition. p.649 Berecz T., Fórisz I., Deák J. (2001): Felszín alatti vizek környezeti izotópos és kémiai vizsgálata a Duna-Tisza köze déli részén. Hidrológiai Közlöny. 81.évf. 2.sz. Deák J. (2006): A Duna-Tisza köze rétegvíz áramlási rendszerének izotóp hidrológiai vizsgálata. PhD értekezés, ELTE (kézirat) Erdélyi M. (1997): Hydrodynamics of the Hungarian Basin. (VITUKI) Proc. No. 18. Budapest Kovács B. (2004): Hidrodinamikai és transzportmodellezés I. (Processing MODFLOW környezetben) Miskolci egyetem, Szegedi Tudományegyetem, GÁMA-GEO Kft., 159 p. Kovács B., Szanyi J. (2005): Hidrodinamikai és transzportmodellezés II. (Processing MODFLOW és Surfer for Windows környezetben) Miskolci egyetem, Szegedi Tudományegyetem, GÁMA-GEO Kft., 214 p. Marton L. (2009): Alkalmazott hidrogeológia. ELTE Eötvös Kiadó, 626 p. Szanyi J. (2004): A felszínalatti vízkivétel hatásainak vizsgálata a Dél-Nyírség példáján. PhD értekezés, Szegedi Tudományegyetem (kézirat) Szűcs P., Sallai F., Zákányi B., Madarász B. (2009): Vízkészletvédelem.(A vízminőségvédelem aktuális kérdései) Bíbor Kiadó, 418 p. Tari Cs., Szanyi J., Kovács B. (2010): Kavicsbányászat hatása a talajvízállásra, és a felszín alatti vizektől függő védett élőhelyekrre, Ócsa, Dunaharaszti, Áporka és Bugyi térségében, Hidrológiai Közlöny 90/3 pp. 40-46 174