A Tatán fakadó forrásvizek mennyiségi és minőségi vizsgálata Maller Márton*, Hajnal Géza** * okl. építőmérnök, ügyintéző, ÉDUVIZIG, (elsőéves doktoranduszhallgató, BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék), 9027 Győr, Kiskút-liget 1. II/10. ** okl. építőmérnök, PhD, docens, BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék 1. Bevezetés A XX. század közepétől a Tatabányai-medencében folytatott bányaműveléshez kapcsolódó vízemelések következtében az 1970-es évek elejére az összes tatai forrás elapadt, a Dunántúli-középhegység karsztos víztartójában a vízszintek több tíz métert süllyedtek. Az ezt követő években Tata városának döntéshozói véglegesnek tekintették a kialakult állapotot, a vízelvezető árkokat feltöltötték, és az addig vizenyős területek beépültek. A bányászat felhagyása után megindult a karsztos víztartó visszatöltődési folyamata, aminek következtében 1990-től napjainkig Tata térségében a karsztvízszint közel negyven métert emelkedett. Ennek köszönhető, hogy manapság a város egyre több pontján sorra szólalnak meg a régi források. Sajnos azonban vízfakadások sok olyan helyen is jelentkeztek, ahol kifejezetten nagy problémát okoznak a tulajdonosnak. Ilyenek például azok a mély fekvésű területek, amelyek egykor kertek voltak, ma azonban hatemeletes panelházak állnak rajtuk. A tanulmányban bemutatjuk a Tatán fakadó forrásokon végzett vízhozam mérések és vízkémiai vizsgálatok eredményeit. A rendelkezésre álló hidrológiai idősorok segítségével elemezzük a csapadék és a karsztvízszint változásának összefüggését, valamint rövid távú előrejelzést adunk a város területén jellemző vízszintek további alakulására. 2. A forrásokon végzett helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok A helyszíni mérések során a következő forrásokon végeztünk vizsgálatokat, helyszínrajzi elhelyezkedésük az 1-2. ábrán látható: 1. ábra: A Tata városközpontjában fakadó források helyszínrajzi elhelyezkedése 1
(1) Tükör-forrás, (7) Kastély vízvezetékének forrása, (8) Törökfürdő forrása, (10) Lo Presti forrás, (22) Zsidó iskola kútjának forrása, (40) Büdös csorgó kút, (41) Büdös kút, (42) Szent Tamás-forrás, (44) Május 1. út 45., (45) Május 1. út 43., (46) Lelkes-forrás. 2. ábra: A Szent Tamás-forrás helyszínrajzi elhelyezkedése Tata külterületén Rendszeres vízhozam észlelést 2012 szeptembere óta végzünk öt városközponti forráson (Május 1. út 43., Május 1. út 45., Törökfürdő forrása, Lelkes-forrás, Zsidó iskola kútjának forrása), 2013 márciusában pedig további három vízfakadást vontunk be a mérésbe (Kastély vízvezetékének forrása, Szent Tamásforrás, Büdös csorgó kút). Terveink szerint az észlelés körét az újabb források megjelenésével/visszatérésével folyamatosan bővítjük. A vízkémiai vizsgálatokat ugyancsak 2012 őszén kezdtük meg, kezdetben hat forrás bevonásával (Lo Presti, Törökfürdő forrása, Május 1. út 43., Május 1. út 45., Lelkes-forrás, Büdös-kút), majd a kutatási terület kibővítése után további három helyszínen (Szent Tamás-forrás, Büdös csorgó kút, Tükör-forrás) vettünk vízmintát. 2
2.1. Vízhozam mérés A Tata városának különböző pontjain végzett vízhozam mérések alapvetően két módszerrel történnek. A legtöbb helyen (ahol a karsztvíz nyomásszintje nagyobb a terepszintnél) lehetőség van a feltörő vizek köbözésére, a Zsidó iskola kútjának forrásánál azonban még nem lép ki a víz a forráskürtőből. Itt a vízhozam becslése a leszívás utáni visszatöltődési idő mérésével történik (3. ábra). 3. ábra: Különböző vízhozam mérési módszerek A mért értékek között kiugróan magas a Május 1. út 43. forrásának vízhozama, amely átlagosan percenként közel 500 literrel tör a felszínre. Jelentős még a Törökfürdő forrásának 135 l/perc körüli hozama is. A többi vízfakadásnál mért étékek az előbbiektől elmaradnak, a legkisebb mért érték a Szent Tamás-forráshoz tartozik, ez alig 1 l/perc-re adódott. A vizsgált források vízhozam idősorai a 4. ábrán láthatók. 3
4. ábra: Vízhozam idősorok Az elmúlt háromnegyed év vízhozam adatait vizsgálva kijelenthető, hogy nincs jelentős növekedő vagy csökkenő trend az adatsorokban. Az a tény, hogy a kifejezetten csapadékszegény 2012. év ellenére a hozamok állandónak mutatkoztak, azt bizonyítja, hogy a Tata városában jelentkező vízfakadások nyomás alatti vízadó rétegből származnak. 5. ábra: A vízhozamok relatív szórása A mért vízhozamok változékonyságának pontosabb meghatározására a relatív szórásnak nevezett statisztikai mutatót alkalmaztuk. Figyelembe véve, hogy a vizsgált területen a karsztvízszintben az elmúlt időszakban nem következtek be lényeges változások, a mért vízhozam értékek relatív szórása 5-6 %-ig a 4
köbözéses mérési módszer megbízhatóságának tökéletesen megfelel. A 5. ábrán látható azonban, hogy a Lelkes forrás esetén ez a mutató meghaladja a 30 %-ot, ami a mérés pontosságán kívül más hatást is feltételez. A Lelkes-forrás idősorának elemzése után arra a következtetésre jutottunk, hogy a magasabb vízhozamokat mindig egy-egy csapadékos időszakot követően mértük, tehát az itt feltörő víz hozamát a csapadékosabb időszakokban talajvíz is növeli. Ezt a megállapítást a vízkémiai vizsgálatok eredményei is megerősítik. 2.2. Vízkémiai vizsgálatok A tatai források vízkémiai értékelése elengedhetetlen a további beavatkozások tervezéséhez, hiszen a vízhozamok alakulása mellett ezen paraméterek alapján lehet egyértelműen kijelenteni, hogy az adott fakadóvíz milyen eredetű. A megfelelő komponensek utalnak arra, hogy a víz tiszta karsztvíz-e vagy keveredik hozzá talajvíz (vezetőképesség, összes keménység), esetleg szennyvíz (kémiai oxigénigény, nitrogénformák), egyes mutatók összehasonlítása pedig jelzi, hogy melyek azok a források, amelyek ugyanabból a vízadó rétegből kerülnek a felszínre (klorid). A vizsgált komponensek, és a mérésüket leíró szabványok a következők: fajlagos vezetőképesség MSZ 448-32:1977, ammónium MSZ ISO 7150-1:1992, nitrit és nitrát MSZ 448-12:1982, KOI ps MSZ 448-20:1990, összes keménység MSZ 448-21:1986, klorid MSZ 448-15:1982, oldott oxigén MSZ EN 25814:1998. A fajlagos vezetőképesség és az összes keménység értékeiből arra lehet következtetni, hogy a vizsgált víz tisztán karsztos eredetű-e, vagy a felszín felé vezető útján keveredik más vizekkel is. A BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszékének adatai szerint a Dunántúli-középhegység karsztvizeinek vezetőképessége 466-720 µs/cm között, összes keménysége pedig 77-383 mg/l CaO között változik. Az ezekbe a tartományokba eső vezetőképesség és összes keménység egyértelműen karsztvízre utal, míg a magasabb értékek a talajvízzel való keveredést jelzik (6-7. ábra). 6. ábra: A vízminták fajlagos elektromos vezetőképessége 5
7. ábra: A vízminták összes keménysége A klorid koncentrációjának vizsgálata azért fontos, mert ez az anyag konzervatívnak tekinthető, tehát nem bomlik le és nincs szilárd állapota, így nem tud kiülepedni a talajszemcséken. Ezen tulajdonságai alapján ez a komponens alkalmas arra, hogy eldöntsük, az egyes helyeken fakadó források ugyanabból a felszín alatti víztestből származnak-e, vagy sem (8. ábra). 8. ábra: A vízmintákban mért klorid koncentráció A forrásokat szennyező szerves anyagok mennyiségét jellemzi a kémiai oxigénigény (KOI ps ) értéke (9. ábra). A szerves anyag tartalom származhat szennyvíz keveredéséből, vagy a talajban bomló szerves anyagokból, azaz talajvízből is. 9. ábra: A vízminták szerves anyag tartalma 6
A nitrogénformák vizsgálatával ugyancsak a forrásokat szennyező hatásokra következtethetünk (10. ábra). A nitrifikációnak nevezett folyamat során a vízben található ammónium először nitritté, majd a következő lépcsőben nitráttá oxidálódik. 10. ábra: A vízmintákban mért ammónium és nitrát koncentráció A nitrifikációhoz szükséges, hogy a vízben elegendő oxigén legyen jelen, különben a folyamat el sem kezdődik, vagy megreked valamelyik lépcsőnél. Ennek megfelelően a nitrogénformák elemzésénél figyelembe vettük az egyes forrásoknál mért oxigéntelítettség értékeket is (11. ábra). 11. ábra: A vízminták oxigéntelítettsége A vastartalom meghatározására nem készültek konkrét vizsgálatok. Azonban már a mintavételkor is egyértelműen látszott, hogy egyes vízfakadások környezetében sötét, barnásvörös elszíneződés jelentkezik, sőt némely esetben maga a víz is vöröses árnyalatú. Ezeknél a vízmintáknál az tapasztaltuk, hogy amint a palackot kinyitottuk, és a levegőből oxigén oldódott a vízbe, az oldott Fe(II) azonnal Fe(III) formába oxidálódott, ami viszont vízben oldhatatlan, ezért a palackok alján nagy mennyiségű vörös csapadék jelent meg. A források körül tapasztalt elszíneződések közül néhány a 12. ábrán látható. 7
12. ábra: Vasas elszíneződések egyes források környezetében 2.3. Következtetések A Lo Presti forrás, a Törökfürdő forrása, és a Május 1. út 43. fakadóvize tisztán karsztvizes eredetű. A vizsgálatok egyik alkalommal sem tártak fel szerves vagy szervetlen szennyezést a mintákban, és az is kijelenthető, hogy ez a négy forrás ugyanabból a felszín alatti víztestből fakad. A közös eredetük azért vehető biztosnak, mert az összes vizsgált vízkémiai komponens közel azonos értékeket mutat ezeknél a vízfakadásoknál. Fontos kiemelni, hogy a laborvizsgálatok nem terjedtek ki minden olyan komponensre, amelyek alapján ki lehetne jelenteni, hogy ezen források vize iható lenne. A források ivóvízként való hasznosítása előtt tehát további méréseket kell végezni, melyeknek a vízminták bakteriológiai vizsgálatára is ki kell terjedniük. A Tükör-forrás vize majdnem minden vizsgált komponensben megegyezik az előbbi három forráséval, itt azonban a vizsgálat magas ammónium-koncentrációt mutatott ki. Az alig több mint 20%-os oxigéntelítettség miatt a nitrifikációs folyamat megreked, így más nitrogénforma nem jelentkezett a forrásvízben. Mivel jelentős szervesanyag koncentrációt nem mutattak ki a mérések, az ammónium feltételezhetően nem szennyvízterhelésből származik. A Május 1. út 45. sz. alatti jelenség esetén is kevert vízről beszélhetünk. Itt a karsztvízhez már nagy mennyiségű talajvíz is keveredik, a magas koncentrációjú nitrogénformák pedig szennyvízterhelésre utalnak. Ezt bizonyítja kiugróan magas kémiai oxigénigény értéke is. A Lelkes-forrás vízmintáinál egyértelműen kijelenthető, hogy a karsztvízhez talajvíz keveredik, erre utal az igen magas vezetőképesség és összes keménység. A magas ammónium, az alacsony nitrit és nitrát koncentráció arra utal, hogy a nitrifikációs folyamat megreked. A forrás vizéhez nem keveredik szennyvíz, hiszen a szerves anyag tartalom nem volt jelentős ezekben a mintákban. A Büdös-kút esetében igen alacsony, mindössze 6 %-os oxigén telítettséget mértünk, ami minden bizonnyal csak a levegőből a mintázás során beoldódott oxigénnek köszönhető. Az abszolút 8
oxigénhiányos környezet miatt a nitrifikáció megreked, azaz bár a forrás vize nagy mennyiségű ammóniumot tartalmaz, nem mutatható ki benne a másik két nitrogénforma. A vízben oldott oxigén hiánya további bizonyíték arra, hogy ezen a helyen az egykori Büdös-kút vize tör fel, hiszen kénhidrogénes források csak reduktív környezetben alakulhatnak ki. A forrásvizek magas vastartalmára Lorberer és Vásárhelyi (2011) [1] szerint az a magyarázat, hogy a források újbóli megjelenésével párhuzamosan a mésztufa képződés is újra beindul. Egyelőre még a kiváló ásványfázis összetétele az agyagos környezet és a kevert víz hatását jelzi, ezért tapasztalhatók a gyepvasérchez hasonló, élénkvörös színű kiválások. Ez a jelenség idővel valószínűleg változni fog: a rendszer karsztvíz általi teljes átmosása, kilúgozása után a vasas színezés mértéke lecsökkenhet. 13. ábra: A Lelkes-forrás kifolyása a beépítéskor és néhány nappal később Lorberer és Vásárhelyi elméletét támasztják alá az általunk tett megfigyelések is: azokban a vízmintákban tapasztaltunk magas vastartalmat, amelyek nem tisztán karsztos eredetűek és viszonylag kis hozamúak. Ezeknél a forrásoknál ugyanis a felsőbb, vastartalmú talajrétegekben lassan szivárgó víz keveredik a karsztvízzel, és így tör a felszínre. A 13. ábrán a Lelkes-forrás vízhozamának mérését segítő PVC cső látható. A két fénykép készítése között csupán egy hét telt el, már ennyi idő alatt is jelentős mértékű elszíneződés volt tapasztalható a cső falán. A tisztán karsztvizek vizsgálatakor nem tapasztaltunk magas vastartalomra utaló jelenségeket (vöröses árnyalatú vízminta, vagy a vizsgálat során képződő Fe(III) csapadék). 3. Hidrológiai idősorok elemzése Az idősor analízis során két különböző vizsgálatot végeztünk el: az egyik annak meghatározására irányult, hogy a területen mért csapadék és karsztvízszint adatok között milyen összefüggés van. A másik vizsgálat során a vízszint idősor trend és periodikus összetevőjét kerestük, melyekkel a karsztos víztartó visszatöltődési folyamata jellemezhető. Az elemzés során az Észak-dunántúli Vízügyi Igazgatóság által mért adatokat használtuk fel. A csapadékadatok észlelése a Tatai Szakaszmérnökség udvarán történt, a karsztvízszint adatokat pedig a Pokol-forrás monitoring pontján mérték, amely a szakaszmérnökségtől alig 400 m-re található. 9
3.1. Csapadék és vízszint idősorok lineáris kapcsolatának vizsgálata A korreláció elemzés első lépésében a 2005. januártól 2012. áprilisig terjedő időszakot vizsgáltuk, havi felbontásban. A 14. ábrán ezt az intervallumot ábrázoltuk: az oszlopdiagram az adott hónapban mért csapadékösszeget, a vonaldiagram pedig a havi átlagos karsztvízszinteket jelöli. Megfigyelhető, hogy a 2010. évi nagycsapadék jelentős emelkedést okozott a vízszintben, tehát a két vizsgált változó között feltételezhetően van összefüggés. 14. ábra: A havi csapadékösszegek és a karsztvízszint alakulása 2005 és 2012 között A csapadék és vízszint adatok lineáris kapcsolatának vizsgálata során független változóként értelmeztük az adott havi csapadékösszeget, a függő változó pedig a megelőző hónaphoz viszonyított vízszintemelkedés lett. A függő változó negatív értékei azt jelentik, hogy azokban a hónapokban vízszint csökkenés következett be. Az elemzés során négy lehetőséget vázoltunk fel, aszerint, hogy a lehulló csapadék hatása mekkora késleltetéssel jelentkezik a vízszintek változásában. Az első eset arra vonatkozik, amikor a két idősor kapcsolatában nem tételezünk fel késleltetést, tehát az egyes hónapokban lehulló csapadékmennyiség már abban a hónapban hatással van a vízszintek alakulására. A második esetben egy hónapos késleltetést vettünk figyelembe, azaz az adott hónap csapadékösszegét a következő hónap vízszintjeivel vetettük össze. A harmadik és negyedik esetben kettő, illetve három hónapos késleltetést vettünk figyelembe. A fenti szcenáriókkal kapott pontfelhőket a 15. ábrán tüntettük fel. A vizsgált változók összefüggésének szorosságát a korrelációs tényező (R) értékével jellemeztük. Ennek a mutatónak az abszolút értéke 0 és 1 között változhat, és minél nagyobb, annál szorosabb az kapcsolat a vizsgált értékek között. Látható, hogy a korrelációs tényező mind a négy esetben pozitív előjelű, tehát a nagyobb csapadékok nagyobb vízszintnövekedést okoznak. Az is megfigyelhető, hogy a legszorosabb összefüggést egy hónapos késleltetés esetén kapjuk. Ez azt jelenti, hogy a 2005-2012-ig terjedő időszakban, havi felbontással 10
vizsgálva az idősorokat, azt kapjuk, hogy a csapadék hatása egy hónappal később jelentkezik a karsztvízszintekben. Meg kell jegyezni, hogy az R = 0,511 korrelációs tényező nem túl magas, tehát havi felbontást alkalmazva nincs szoros kapcsolat a két vizsgált változó között. 15. ábra: A korrelációs tényező meghatározása különböző szcenáriók figyelembevételével A csapadék mennyiségének és a karsztvízszint emelkedésének összefüggését különösen érdemes vizsgálni a 2010. tavaszi időszakban. A 14. ábrán a vízszint idősorban kék színnel jelenítettük meg a 2009 novemberétől 2010 szeptemberéig terjedő adatokat. Ezt a közel egyéves intervallumot azért tartjuk érdekesnek, mert itt egyértelműen látszik, hogy a vízszint a rendkívül nagy csapadékok hatására emelkedett két hónap alatt több mint három métert. Ennek a rövidebb időszaknak a kiemelése lehetővé teszi a nagyobb felbontású vizsgálatot, ezért ebben az esetben heti csapadékösszegeket és heti átlagos karsztvízszinteket ábrázoltunk, ez látható a 16. ábrán. A fentieknek megfelelően tehát 44 hét adatait jelenítettük meg, 2009. november 1-től 2010. szeptember 4-ig. 11
16. ábra: A heti csapadékösszegek és a karsztvízszint alakulása 2009.01.01-től 2010.09.04-ig A finomabb felbontás lehetőséget ad arra, hogy csapadék hatására bekövetkező vízszintváltozásokat a havinál kisebb, heti lépésekben történő késleltetéssel elemezzük. A korrelációs tényezőt ennek megfelelően meghatároztuk 1-5 hetes késleltetés esetére. Ezek közül arra a szcenárióra kaptuk a legmagasabb (R = 0,809) értéket, amelynél azt feltételeztük, hogy egy adott héten lehulló csapadék hatása három héttel később jelentkezik a karsztvízszint változásában. Ekkor a vizsgált összetartozó heti vízszintemelkedés heti csapadékösszeg adatpárokat ábrázoló pontfelhő a 17. ábrán látható. Az R=0,809 korrelációs tényező azt mutatja, hogy ezen a rövidebb intervallumon, és az előzőnél finomabb felbontással a két változó közötti összefüggés már szorosabbnak mutatkozik. 17. ábra: A korrelációs tényező meghatározása 3 hetes késleltetés figyelembevételével 3.2. Trend és periodicitás vizsgálata A karsztvízszint idősor trend-és periodicitás-vizsgálatával az volt a célunk, hogy meghatározzuk a determinisztikus összetevőket, majd ezek ismeretében rövid távú előrejelzést tudjunk adni a karsztvízszint jövőbeni alakulására. Az elemzést a 2005. januártól 2012. áprilisig terjedő időszakban mért havi átlagos karsztvízszintekkel végeztük. A vizsgált 88 hónap vízszint adatai a 18. ábrán láthatók, a vízszintes tengelyen a hónap sorszámát (i), a függőleges tengelyen pedig az adott hónapban mért karsztvízszintek átlagos értékét jelenítettük meg (Y i ). 12
18. ábra: A vízszint idősor trendjének meghatározása Első lépésben trend egyenest illesztettünk az idősorra, a legkisebb négyzetek módszerének alkalmazásával. Ez alapján a vizsgált időszak havi vízszintadataiban meghatároztuk a trendkomponens (T i ) értékét: Ez után előállítottuk a trendmentes idősort (y i ), amely a kiindulási vízszintek és a megfelelő trendkomponensek különbségeként számítható: A következő lépésben a periodikus komponens (P i ) meghatározása volt a cél. Itt az előző lépésben kapott trendmentes idősort közelítettük szinusz és koszinusz függvények összegével. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy próbálgatással kerestük azt a periódusidőt, amellyel a függvény legjobban követi az y i idősort. Ez abban az esetben volt a legmegfelelőbb, amikor a periódusidőt 4 évnek, azaz 48 hónapnak feltételeztük. A periodikus komponenst tehát a következő képlettel számítottuk: ahol: 13
Az így kapott y i és P i értékeket közös grafikonon ábrázoltuk, ez látható a 19. ábrán. Megfigyelhető, hogy a periodikus összetevő görbéje viszonylag jól követi a trendmentes karsztvízszint étékek görbéjét. 19. ábra: A trendmentes idősor periodicitásának vizsgálata A fent bemutatott módon előállítottuk tehát a vizsgált időintervallum vízszint adatsorának trend és periodikus komponenseit. Ezt a két összetevőt összeadva azt várjuk, hogy a P i + T i görbe jó közelítését adja az eredeti (Y i ) karsztvízszint idősornak. A 20. ábrát vizsgálva megfigyelhető, hogy a kapott eredmény megfelel a várakozásoknak. Mivel a determinisztikus komponensek számíthatók bármely i-edik hónapra, a kapott eredmények lehetővé teszik, hogy előre jelezzük a karsztvízszintet, egy adott távlati időpontban. 20. ábra: A vízszint idősor közelítése determinisztikus értékekkel Figyelembe véve azt, hogy ebben az esetben a karsztos víztartó visszatöltődési folyamatát vizsgáljuk, ezzel a módszerrel nem érdemes hosszú távú előrejelzést végezni. A feltöltődés ugyanis nem fog a végtelenségig tartani, várhatóan a bányászati vízemeléseket megelőző vízszintekhez közeli értékek fognak véglegesen kialakulni a jövőben is. Ebben az esetben tehát az volt a cél, hogy becsüljük azt az 14
időpontot, amikor a 140 m B.f. körüli magasságot eléri a karsztvízszint (21. ábra). A számítások azt az eredményt adták, hogy ezt a szintet a 2005 januárjától számított 114. hónapban, azaz 2014 júniusában fogja elérni a karsztvíz. Az erre az időpontra becsült karsztvízszint tehát: 4. Összefoglalás 21. ábra: A karsztvízszint emelkedésének rövid távú előrejelzése A tatai forrásokon végzett mennyiségi és minőségi vizsgálatokkal elsődleges célunk olyan új eredmények felmutatása, amelyek hasznosak lehetnek a közeljövőben a visszatérő forrásokkal kapcsolatos beavatkozások tervezésekor Az elvégzett vizsgálatok rámutattak arra, hogy Tata városának területén mekkora hozammal jelentkeznek a karsztvíz fakadások, illetve ezeken a helyeken milyen eredetű, és esetlegesen milyen szennyezőanyaggal terheltek a feltörő forrásvizek. A korrelációelemzés rámutatott, hogy a régióban hulló csapadék hatása három hét késleltetéssel jelentkezik a karsztvízszintek változásában. A rendelkezésre álló vízszint idősor alapján pedig valószínűsíthető, hogy a közeljövőben további jelentős karsztvízszint emelkedésre számíthatunk Tata térségében. A környéken működő karsztvízszint monitoring hálózat sűrítése mellett rendkívül fontosnak tartjuk a további rendszeres vízhozam mérések és vízkémiai vizsgálatok végzését, a hosszú idejű változások nyomon követése érdekében. 5. Hivatkozások [1] Lorberer Á., Vásárhelyi B.: A Tatán újrafakadt barlang-forrás környezetéből származó kőzetminták mérnökgeológiai értelmezése, Mérnökgeológia-Kőzetmechanika (2011) 15