Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék A VELENCEI-TÓ TÉRBENI VÍZMINŐSÉG- VÁLTOZÁSA Tudományos Diákköri Dolgozat Készítette: Németh Balázs Ákos BME Környezetmérnök V. évfolyam Konzulens: Dr. Szilágyi Ferenc BME VKKT egyetemi docens Budapest, 2005. október 26.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönet illeti konzulensemet, Dr. Szilágyi Ferencet, a BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék egyetemi docensét, aki javaslataival, kritikáival és megjegyzéseivel hozzájárult e dolgozat elkészüléséhez. Köszönet illeti Reskóné Nagy Máriát, a Közép-dunántúli Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség Biológiai laboratóriumának vezetőjét, aki a biológiai minták eredményeit rendelkezésemre bocsátotta, és a mintavételt lehetővé tette. Külön köszönet illeti Takács Erzsébetet, a Közép-dunántúli Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság munkatársát, aki a mintavételezésben és a biológiai minták elemzésében volt segítségemre. Munkája nagyban hozzájárult TDK dolgozatom elkészüléséhez. Köszönet illeti Kóbor Istvánt, a Közép-dunántúli Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság Regionális laboratóriumának osztályvezetőjét a mintavételezésben nyújtott segítségéért. További köszönet illeti Szilágyi Esztert, a BME Vegyészmérnöki Kar környezetmérnök hallgatóját, aki a tavon végzett mérések alkalmával segítségemre volt; Kiss Gábort, a Közép-dunántúli Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség munkatársát, valamint Bereczky Ákos okleveles építőmérnököt, akik a SYN-TAX 2000 program alkalmazásához nyújtottak hasznos segítséget.
ÁBRAJEGYZÉK 1. ábra: A Velencei-tó évtizedes vízszint változásai 2. ábra: A velencei-tavi monitoring hálózat 3. ábra: A főkomponens analízis grafikus illusztrációja 4. ábra: Hierarchikus osztályozások ábrázolásának lehetőségei 5. ábra: Algafajok eloszlása a főbb algataxonok között 6. ábra: Algafajok átlagos számának főbb taxonok szerinti eloszlása 7. ábra: Algafajok átlagos számának főbb taxonok szerinti százalékos eloszlása 8. ábra: Algafajok főbb taxonok szerinti eloszlása 9. ábra: Algafajok főbb taxonok szerinti százalékos eloszlása 10. ábra: Centered PCA 11. ábra: PCoA - Euclidean distance NoSt 12. ábra: PCoA - Euclidean distance RoV 13. ábra: PCoA - City Block (Manhattan) NoSt 14. ábra: PCoA - Mean character difference NoSt 15. ábra: PCoA - Bray-Curtis formula - NoSt 16. ábra: PCoA - Ruzicka index NoSt 17. ábra: PCoA - Similarity ratio NoSt 18. ábra: Euclidean distance NoSt 19. ábra: City Block (Manhattan) NoSt 20. ábra: Mean character difference NoSt 21. ábra: Ruzicka index - NoSt 22. ábra: Bray-Curtis - NoSt 23. ábra: Similarity ratio - NoSt
TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 1. táblázat: A Velencei-tó évi átlagos vízháztartási mérlege 1970-2003. 2. táblázat: Jellemző vízállások a Velencei-tavon 3. táblázat: A Velencei-tó geometriai adatai 4. táblázat: A műszaki beavatkozások hidromorfológiai hatásai 5. táblázat: Tó víztestek száma típus szerint 6. táblázat: A fitoplankton minták mintavételi helyei 7. táblázat: A vizsgált komponensek alap statisztikai adatai 8. táblázat: Az euklidészi távolság ponthalmazai 9. táblázat: A terjedelemmel standardizált euklidészi távolság 10. táblázat: City Block (Manhattan) módszer ponthalmazai 11. táblázat: Az átlagos karaktereltérés módszer ponthalmazai 12. táblázat: A Bray-Curtis formula ponthalmazai 13. táblázat: A Ruzicka-index ponthalmazai 14. táblázat: A hasonlósági hányados ponthalmazai 15. táblázat: A biológiai minták víztestek szerint
TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS... 1 2. ANYAG ÉS MÓDSZER... 3 2.1. A VELENCEI-TÓ ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE, TIPOLÓGIA... 3 2.1.1. Geometriai, hidrológiai és morfológiai jellemzők... 3 2.1.2. Meteorológiai jellemzők... 7 2.1.3. Jelenlegi vízminőségi monitoring hálózat... 7 2.1.4. Tipológiai besorolás... 8 2.2. MÉRÉSI HELYEK, MINTAVÉTEL, MÉRÉSEK... 9 2.3. AZ ADATOK FELDOLGOZÁSA... 10 2.4. STATISZTIKAI ELEMZÉSEK... 11 2.4.1. Ordinációs elemzések... 12 2.4.2. Cluster-elemzés... 13 2.4.3. Koefficiensek bemutatása... 14 2.4.4. Az adatok átalakítása, standardizálás... 16 3. EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK... 17 3.1. FITOPLANKTON ADATOK ÁLTALÁNOS BEMUTATÁSA... 17 3.2. A SZONDAADATOK ÁLTALÁNOS BEMUTATÁSA... 20 3.3. DENDROGRAMOK ÉS SZÓRÁSDIAGRAMOK ELEMZÉSE SZONDAADATOK ALAPJÁN... 22 3.4. DENDROGRAMOK ÉS SZÓRÁSDIAGRAMOK ELEMZÉSE FITOPLANKTON ALAPJÁN... 31 4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK... 39 5. IRODALOMJEGYZÉK... 40 6. MELLÉKLETEK... 42
1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS A Velencei-tó hazánk harmadik legnagyobb kiterjedésű természetes tava, amely turisztikai-, hasznosíthatósági- és gazdasági szempontból is jelentős (1. kép). A tó és vízgyűjtője évtizedek óta a figyelem középpontjában áll, számos tudományos kutatás tárgya. Mintegy 180 kutatási jelentés és több mint 100 tudományos közlemény született ebben a tárgyban az elmúlt 35 év alatt [SZILÁGYI, 2005]. Unikális élővilágát a múltban nem egyszer fenyegette aszályos időszak, és volt, amikor felülete a mainak háromszorosa volt. Vízminősége, ökológiai állapota mind a mai napig őrzi a mederrendezés, a kiszáradás és az eutrofizálódás nyomait [RESKÓNÉ et al., 2001]. A Víz Keretirányelv (VKI) e tóval kapcsolatos vízgazdálkodást is forradalmian új alapokra helyezi. 1. kép: A Velencei-tó látképe Az EU Víz Keretirányelv 2000. december 22-én lépett életbe. Ez a nap olyan egységes vízvédelmi politika életbe lépését jelentette, amely országhatárokon túlnyúlva a vízgyűjtőkön való koordinált vízgazdálkodás megvalósulását segíti elő. A VKI hozzájárul a vízvédelem harmonizálásához és a vizek terhelésének csökkentéséhez. Különleges jelentősége a vizek védelmének egységes elsősorban ökológiai szempontok szerinti, következetes végrehajtása. A VKI lényege az, hogy az emberi vízhasználatot a vízi ökoszisztéma védelmével összehangolja azáltal, hogy a célállapotnak a zavartalan állapottól nem túl távol álló ökológiai állapotot tűzi ki célul ( jó állapot ). A jó állapotot a zavartalan, referencia állapothoz viszonyítva állapítják meg, melyet legfeljebb csak nagyon csekély emberi behatás ért. A jó állapotot a jó ökológiai állapot és a jó vízkémiai állapot határozza meg. Az ökológiai állapotot a biológiai minőségi elemek határozzák meg, melyek függnek a hidromorfológiai és fizikai-kémiai minőségi elemektől. A referencia feltételeket és a kiváló, jó és mérsékelt ökológiai állapotot a VKI határozza meg. [ORBÁN és SZILÁGYI, 2005] A Víz Keretirányelv előírásai szerint az Európai Unió tagállamaiban 2015-ig jó állapotba kell hozni minden olyan felszíni és felszín alatti vizet, amelyek esetén egyáltalán ez lehetséges és fenntarthatóvá kell tenni a jó állapotot. A VKI hatálya minden olyan emberi tevékenységre 1
kiterjed, amely jelentős mértékben kedvezőtlenül befolyásolhatja a vizek állapotát és így akadályozhatja meg a vizek jó állapotának elérését, illetve megőrzését. Nagyon fontos fogalma a Keretirányelvnek a víztest. A víztest tulajdonképpen a vizek jó állapotba hozására irányuló tevékenységi programok meghatározásának és végrehajtásának legkisebb egysége. A víztest jogi fogalom, mert több kis hasonló tulajdonságú állóvíz (pl. holtág), vagy több víztartó, vagy azok egyes részei egy víztestként vehetők figyelembe a VKI előírásának végrehajtásakor. A víztestek kijelölésekor a legfőbb vezérelv az kell, hogy legyen, hogy a kiválasztott víztestek lehetővé tegyék a vizek jó állapotba hozását és a jó állapot megőrzését. Ha szükségtelenül sok víztestet jelölünk ki, ez ésszerűtlenül nagy monitoring igényt és tervezési munka igényt fog jelenteni, kevés víztest kijelölése esetén viszont nem, vagy csak rossz hatékonysággal lehet majd elvégezni a szükséges megfigyeléseket és megtervezni a jó vízállapotok eléréséhez szükséges intézkedési programokat. A VKI előírja, hogy a víztesteknek viszonylag homogénnek kell lenniük, mert csak így biztosítható, hogy a víztestre adott jellemző állapot ténylegesen az egész víztestet reprezentálja, nem csak annak egy kis részét. Ha a víztest heterogén, akkor az is problémát okoz, hogy mi alapján állapítható meg a referencia állapot. Ezen okok miatt a Velencei-tó esetében is vizsgálandó, hogy homogénnek tekinthető-e. Munkám alapját a Közép-dunántúli Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőségen (KDT KF) jelenleg is folyó vízminőségi monitoring eredményei képezték. Dolgozatom hátterét képező munka célja volt, hogy a VKI igényei szerinti víztest behatárolást [Bereczky, 2005] pontosítsa, azon felül megállapítható legyen, hogy a Velencei-tó VKI szerinti állapotának megítéléséhez elegendő számú mintavételi hellyel rendelkezzen a kiépítendő monitoring rendszer. A munkámat többváltozós statisztikai adatelemzés segítségével végeztem. 2
2. ANYAG ÉS MÓDSZER 2.1. A VELENCEI-TÓ ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE, TIPOLÓGIA A Velencei-tó nyíltvizes és nádassal borított területei nagyon eltérnek egymástól. A nádas borította területek részben madárrezervátumként (Természetvédelmi Terület) működnek, a nyíltvizes területek pedig üdülőtó jelleggel rekreációs célokat szolgálnak [SZILÁGYI et al., 1989]. 2.1.1. Geometriai, hidrológiai és morfológiai jellemzők A tó vízgyűjtő területének nagysága 602,4 km 2. A Velencei-tó viszonylag nagy vízgyűjtővel rendelkezik, mert összehasonlítva a Balatonnal, ahol a vízgyűjtő és a tó felületének aránya mindössze 9,5, addig a Velencei-tónál ez az arányszám 24,9. Ennek ellenére a Velencei-tó vízpótlása nem egyenletes, sőt kifejezetten kiegyensúlyozatlan [SZILÁGYI, 2005]. A vízgyűjtő vízfolyásainak többsége időszakos jellegű, tartós lefolyás csak tavasszal, hóolvadáskor, illetve tartós csapadék esetén jön létre [SZABÓ, 1997]. A felszíni vízfolyások részletes ismertetésével jelen dolgozat keretein belül nem foglalkozom, azonban néhány mondatban bemutatom őket. A vízfolyásokkal kapcsolatban részletekbe menő ismertetést ad a KDT VIZIG (1996) tanulmánya, jelen bemutatás során erre a munkára hivatkozom. Császár-víz (2. kép) A vízgyűjtő egyetlen állandó vízfolyása, mind a Zámolyi-, mind a Pátkai-tározót táplálja. A Császár-víz hossza 27 490 m, mértékadó vízhozama külterületen 15,0 m 3 /s, vízgyűjtő területe 380,6 km 2. A vízfolyás Pákozd térségében ömlik a Velencei-tóba. Vereb-Pázmándi vízfolyás A Vereb-Pázmándi vízfolyás Vereb községben ered, Pázmánd, Kápolnásnyék és Velence községek érintésével torkollik a Velencei-tó keleti medencéjébe (Fürdető). A vízfolyás hossza 14 700 m, mértékadó vízhozama belterületen 14,9 m 3 /s, vízgyűjtő területe 113,7 km 2. A Vereb-Pázmándi vízfolyás nem állandó, száraz időben előfordul, hogy kiszárad. A vízfolyással jelentős nitrát-terhelés érkezik a tóba, amely a Fürdető területén vízminőségi, eutrofizációs problémákat okoz. Dinnyés-Kajtori csatorna (3. kép) A Dinnyés-Kajtori csatorna a Velencei-tó lefolyása, mesterséges vízfolyás. A tóból kifolyó vizet a vízgyűjtőn kívülre vezeti. A csatorna hossza 26 316 m, mértékadó vízhozama külterületen 15,0 m 3 /s, vízgyűjtő területe 308,5 km 2 (a Velencei-tó nélkül). 3
2. kép: Császár-víz 3. kép: Dinnyés-Kajtori csatorna A Velencei-tó közvetlen vízgyűjtőjéről összesen 54 ideiglenes vízfolyás (természetes, illetve mesterséges patak, ér, csatorna, árok) vize folyik a tóba. Nagy csapadékesemények alkalmával ezek a kisvízfolyások meglepően nagy mennyiségű vizet szállítanak. Mivel a Vereb-Pázmándi vízfolyás nem állandó, ezért a tó állandó vízpótlást csak a Császárvízből kap. A lápi területre érkező víz rövid úton, a Dinnyés-Kajtori csatornán keresztül hamar el is távozhat a tóból. Így a Császár-víz útja rövidre van zárva. A Vereb-Pázmándi vízfolyás hatása pedig nem terjed ki a tó egészére, emiatt a Velencei-tó egy lefolyástalan állóvíz, nagy felülete és csekély mélysége miatt betöményedik, ami nagyon jól megfigyelhető a magas vezetőképesség értékeken is. A Velencei-tó általános értékelését a meglévő fitoplankton komponensek alapján a 3.1. fejezet, a fizikai-kémiai komponensek alapján a 3.2. fejezet mutatja be. A Velencei-tó legfontosabb vízrajzi adatait a 1. és a 2. táblázat tartalmazza. 1. táblázat: A Velencei-tó évi átlagos vízháztartási mérlege 1970-2003. [KDT KÖVIZIG, 2004a] Vízmérleg elem tó milliméter/év Csapadék 512 Hozzáfolyás 346 Hozzáfolyás tározóból 145 Vízpótlás (1991-1995 között) 16 BEVÉTEL 1019 Párolgás 889 Leeresztés 106 Vízkivétel 40 KIADÁS 1035 Készletváltozás -16 Természetes készletváltozás 114 4
2. táblázat: Jellemző vízállások a Velencei-tavon [SZABÓ, 1997] 1931-1970 1971-1996 Legnagyobb vízállás 244 cm 176 cm Sokévi közepes vízállás 140 cm 138 cm Legalacsonyabb vízállás 63 cm 71 cm Legnagyobb évi vízszintingadozá 118 cm 45 cm Évi vízszintingadozás 54 cm 33 cm Legkisebb évi vízszintingadozás 34 cm 16 cm A Velencei-tó évtizedes vízszint változásait az 1. ábra szemlélteti. Megfigyelhető, hogy az 1990-es évek eleji kritikusan alacsony vízszint a 2000-es évek elején megismétlődött. Ezt az eseményt is egymást követő aszályos évek váltották ki. A 90-es évek eleji állapot megismétlődése mégsem váltotta ki a tó vízpótlását. Ebben valószínűleg az is szerepet játszott, hogy a 2000-es évek elején, a Balatonon is kritikus helyzet alakult ki az alacsony vízállás miatt, mely nagy média visszhangot váltott ki. A Balaton háttérbe szorította a Velencei-tavat, így a vízpótlás ügye ez utóbbinál háttérbe került [SZILÁGYI, 2005]. Évi átlagos vízszintek (1970-2003) 170 160 Vízszint [cm] 150 140 130 120 110 100 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 1. ábra: A Velencei-tó évtizedes vízszint változásai 5
A tó alapvető geometriai adatai a jogi partvonal meghatározás szempontjából figyelembe vett 160 cm-es agárdi vízmérce vízállása (vízmérce "0" = 102,615 mbf) esetén a következők: a tó területe 24,2 km 2, hossza 10,8 km, átlagos szélessége 2,3 km, átlagos mélysége 1,89 m, partvonalának hossza 28,5 km [GEO 1996, SZABÓ 1997]. A tó bentonikusan erősen eutrofizálódott, nádassal benőtt volt a múlt század közepéig. A mederrekonstrukciós munkák befejezése után felületének mintegy 40 %-a továbbra is nádas. A tóban két mesterséges sziget van, a Cserepes-sziget, és a Velencei-sziget. A különböző vízállásokhoz tartozó geometriai adatokat a 3. táblázat mutatja [SZABÓ 1997]. 3. táblázat: A Velencei-tó geometriai adatai [SZABÓ 1997] Vízállás Vízmélység Tóterület [ km 2 ] Nyíltvíz [km 2 ] Nádas [km 2 ] Térfogat [10 6 m 3 ] 170 cm 1,99 m 24,23 14,05 10,18 48,18 160 cm 1,89 m 24,17 14,05 10,12 45,76 150 cm 1,80 m 24,11 14,05 10,06 43,35 140 cm 1,70 m 24,03 14,01 10,02 40,94 130 cm 1,61 m 23,91 13,95 9,96 38,54 Az 1900-as évek második felében jó néhány olyan beavatkozást végeztek el a tavon, ami a Velencei-tó üdülőtóvá történő alakítását célozta [SZILÁGYI et al., 1989]. Mederkotrás, üledék eltávolítása, part feltöltése: A kotrások során összesen mintegy 9 millió m 3 iszapot távolítottak el a medencéből. A kikotort iszapból két mesterséges szigetet hoztak létre, valamint a part egy részét is feltöltötték. Ennek következményeként a tó területe néhány évtized alatt 24,6 km 2 -ről 22 km 2 -re csökkent (több mint 10% csökkenés). Nádasok területének csökkentése, vízfelületek összenyitása: A nádasok területe néhány évtized alatt 14,2 km 2 -ről 10,8 km 2 -re csökkent (24%-os csökkenés). Partvédelem, partvédőművek létrehozása: Partvédőműveket a tó teljes kerületének mintegy 65%-án hoztak létre, az 1990-ig megépült partvédőművek teljes hossza majdnem 11 km volt (4. kép). 4. kép: Betonozott partvédőművek 6
Az 4. táblázat bemutatja, hogy az elvégzett műszaki beavatkozások eredményeként hogyan csökkent a tó illetve a nádasok területe. 4. táblázat: A műszaki beavatkozások hidromorfológiai hatásai [BARANYI és VARGA, 1992] mederfeltöltés csökkenés mértéke a tó területe és a nádasirtás nádasok területe km 2 km 2 % km 2 km 2 1970-ig 0,310 24,61 1,2 0,357 14,263 1980-ig 2,440 22,48 9,8 2,738 11,882 1990-ig 2,885 22,04 11,6 3,833 10,787 A mederkotrás, partrendezés következtében a Velencei-tó morfológiai-, ökológiai-, parti zonalitás viszonyai jelentősen megváltoztak. A Velencei-tó területe 1995. évi adatok szerint 160 cm-es vízállásnál 24,2 km 2, 170 cm-es vízállásnál 24,4 km 2, beleértve a Cserepes- és a Velencei-szigeteket is melyek együttes területe 0,4 km 2. 2003. évi adatok szerint a nádasok területe 957,3 ha, ami nagyjából a tó területének 40%-a. Nyugati medencéjében helyezkedik el a tómedernek csak elméleti vonallal lehatárolt országos jelentőségű, mintegy 420 ha nagyságú (1958. február 23-ától védetté nyilvánított) természetvédelmi területe, a Madárrezervátum. A Velencei-tó vízszintszabályozása a Császár-vízen megépült sorba kapcsolt Zámolyi- és Pátkai-tározó, valamint a tó vízének leeresztésére épült Dinnyési zsilip segítségével történik. A Zámolyitározó zsilipjéig a Császár-víz vízgyűjtője 247,7 km 2, a Pátkai-tározó zsilipjéig 350,8 km 2, míg a Dinnyési zsilipig a tó teljes vízgyűjtőjével lehet számolni (602,3 km 2 ). [KDT KÖVIZIG, 2004b]. 2.1.2. Meteorológiai jellemzők SZABÓ (1997) szerint a tó környezete viszonylag kiegyensúlyozott éghajlatú időjárási területen fekszik. A Velencei-tó térsége sok éves adatok alapján az ország napfényben gazdag tájai közé tartozik. A napfénytartam az 50 év átlagában meghaladja az évi 2000 órát. Az átlagos levegő hőmérséklet 10,4 C, átlagos vízhőmérséklet 10,8 C. Nyári hónapokban az évi átlagos levegő középhőmérséklet 20,6 C a víz hőmérséklete pedig 20,5 C. A tó vízhőmérséklete sekély tó lévén gyorsan követi a levegőhőmérséklet változásait, Nyáron gyakran eléri a 25-26 C-t. A jégborítás az elmúlt 50 év átlagában mintegy 45 napot tesz ki, a legnagyobb jégvastagság nyílt vízen elérte már a 0,4-0,45 m-t is, leggyakoribb jégvastagság 0,20-0,25 m. Az uralkodó szélirány ÉÉNy-i, gyakorlatilag merőleges a tó hossztengelyére. Ez a körülmény az áramlási viszonyokat erősen befolyásolja. 2.1.3. Jelenlegi vízminőségi monitoring hálózat A Velencei-tó rendszeres hidrobiológiai kutatása a hatvanas évek végén kezdődött. Célja egyrészről a műszaki beavatkozások hidrobiológiai megalapozása, másrészről, a vízminőségi változások nyomon követése volt [RESKÓNÉ et al., 2001, KDT KF, 2003]. A tavon jelenleg 8 helyen végeznek rendszeres általános monitoringot. Ezek közül 6 helyen biológiai monitoring rendszer is működik. A mérőhálózatot a 2. ábra mutatja be [KDT KF, 7
2003]. Ezen kívül a Velencei-tavon rendszeresen végeznek mélységi víz, üledék, valamint egészségügyi bakteriológiai vizsgálatokat is. 2. ábra: A velencei-tavi monitoring hálózat [KDT KF, 2003] A Velencei-tó vízminőségét leginkább vízgyűjtőjének felszíni vizei alakítják. Jelenlegi vízminősége a rekonstrukció eredménye. Két jól elkülöníthető nagy térséggel rendelkezik, amin belül további vízterek vannak. A tó vízminősége alapján a sós, szikes tavak közé sorolható. Vize a Természetvédelmi Terület környékén a huminanyagok miatt sötét színű, ez egyben egyedi vízminőséget is jelöl. Ezzel függ össze a lápi területek alacsonyabb oldott oxigén tartalma is. Agárdtól kezdődően a víz oldott oxigén tartalma mindenütt magasabb. A Velencei-tó vize növényi tápanyagtartalom alapján jó (MSZ 12749 szerint II. oszt.). A fajlagos vezetőképesség értékeinek alakulása a tó vízmennyiségétől függ, alacsony vízállás esetén a betöményedés miatt az értékek mindig magasabbak, nagy különbség tapasztalható az egyes térségek között (pl. lápi, nyíltvizes területek). A tó vize fitoplanktonban gazdag, trofitása nyugattól kelet felé nő, legmagasabb a Fürdető területén [KDT KF, 2003]. 2.1.4. Tipológiai besorolás A Velencei-tó tipológiai besorolásánál a 2005. évi Nemzeti Jelentést veszem alapul, amely megfelel a Víz Keretirányelv követelményeinek. Korábbi tanulmányok is megpróbálták a Velencei-tavat bizonyos tipológiai rendszerbe besorolni. Részletekbe menő tipológiai besorolást ad a Velencei-tóra például Kiss Gábor 2001-es munkájában [KISS, 2001], azonban ez a besorolás még a Dévai-féle ökológiai vízminősítésen alapszik [DÉVAI, 1992]. Ez esetben a tipológia mást jelent, mint a VKI szerinti tipológia. Az utóbbi csak a morfológiai adatok alapján sorolja típusokba a vizeket. A Nemzeti Jelentés [KvVM, 2005] a vízfolyásokkal kapcsolatban 25, a tóvizekkel kapcsolatban 10 típust különböztet meg. A 10 típus felsorolását az alábbi táblázatban közlöm (5. táblázat). 8
5. táblázat: Tó víztestek száma típus szerint [KvVM, 2005] Típus Típus leírása Víztestek száma 1 Síkvidéki meszes 3-15 m mély nagy állandó 1 2 Síkvidéki szikes 1-3 m mély nagy állandó 1 3 Síkvidéki szikes 1-3 m mély közepes állandó 1 4 Síkvidéki meszes-szikes <1 m mély kicsi állandó 17 5 Síkvidéki meszes-szikes <1 m mély kicsi időszakos 22 6 Síkvidéki meszes-szerves <4 m mély kicsi állandó 30 7 Síkvidéki szikes <3 m mély kicsi állandó 4 8 Síkvidéki meszes <1,5 m mély kicsi időszakos 4 9 Síkvidéki meszes-szerves <3 m mély kicsi állandó 16 10 Síkvidéki meszes-szerves <1,5 m mély kicsi időszakos 4 Összesen: 100 Tavak esetében az összes 50 hektárnál nagyobb állóvizet önálló víztestként jelölték ki. Magyarországon eszerint nincs olyan állóvíz, amely több víztestből áll. A víztestek között szerepelnek az 50 hektárnál nagyobb vízjárta területek (wetland) is. A víztestként kijelölt mesterséges tavak nem lettek típusba sorolva [KvVM, 2005]. Magyarországon az a gyakorlat, hogy egy tó egy víztestnek felel meg. Ez a megállapítás némely esetekben nem állja meg a helyét. Jó példa erre a Velencei-tó, amely egyrészt nagy felületű nyíltvizes területekből áll, másrészt nem elhanyagolható mértékben sűrű nádas borítja. Nyilvánvaló, hogy a Velencei-tó merőben eltérő vízterei nem sorolhatók egy víztestbe, hiszen nem teljesül a VKI szerinti viszonylagos homogenitás. A tipológia szerinti 3-as típus a Velencei-tavat jelenti. A Velencei-tó és a másik két nagy tavunk önálló tótípust képvisel, egyedülállóak az országban. 2.2. MÉRÉSI HELYEK, MINTAVÉTEL, MÉRÉSEK A Velencei-tavon expedíció jellegű mérést és mintavételezést végeztünk 2005. július 4-7. között. Ez idő alatt a tavon 116 ponton mértünk, mélyég szerint fél méteres lépésekkel. A mérést Hydrolab DataSonde 4 típusú terepi mérőszondával végeztük (5. kép), az adatok rögzítését a Hydrolab Surveyor felszíni egység tárolta. Minden mérési helyen rögzítettük a hely koordinátáit Garmin E-Trex Legend típusú kézi GPS készülékkel. Az egyes mérési helyeket úgy választottuk meg, hogy a területet reprezentatívan lefedje, illetve egymástól 100-300 méter távolságban legyenek. 5. kép: Hydrolab DataSonde 9
A mérés során a Hydrolab készülék a következő fizikai-kémiai komponenseket mérte: Vízhőmérséklet [ C] ph Elektromos fajlagos vezetőképesség [µs/cm] Oldott oxigén koncentráció és telítettség [mg/l; %] Redox-potenciál [mv] Felszíni és felszín alatti fény [µe/m 2 /s] A szonda ezeken kívül rögzítette a mérés dátumát, idejét, valamint a vízmélységet is. A mérési helyeken fitoplankton mintavétel is történt, A mintákat barna, felcímkézett üvegekben tároltuk, és Lugol oldattal tartósítottuk. A minták elemzése a mintavétel után azonnal megkezdődött (fajmeghatározás, egyedszámlálás stb.) de a dolgozat megírásáig csak részeredményeket tudtak rendelkezésemre bocsátani. A 116 mérési pont lefedi a Velencei-tó teljes nyílt vizes területeit, illetőleg sok helyen a nádasok közti területen, tisztásokon, csatornákon, átjárókon is mértünk. A mérési helyek egymástól légvonalban 100-300 méter távolságban voltak. A mérési helyek koordinátáit az 1. melléklet tartalmazza, a mérési pontokat a 2. melléklet szemlélteti. 2.3. AZ ADATOK FELDOLGOZÁSA A mérés befejezését követően a Hydrolab Surveyor felszíni egységéből számítógépre töltöttük át az adatokat, majd megkezdtem a nagyszámú adat számítógépes feldolgozását. Az adatok előkészítése során a következőket végeztem el: A mérési adatokat és a mintavételi pontokat beazonosítottam és egymáshoz rendeltem őket. Azokat az adatokat, amelyek minden valószínűség szerint mérési hibás eredményeket adtak, kivettem a későbbi feldolgozásból. Mivel a tó elég sekély, ezért a fél méteres lépésközű függély menti mérés nem szolgáltat sok mérési adatot egy pontra. Ezért a későbbiekben pontonként a mélység szerinti átlagokkal dolgoztam. Ez elég jó eredményeket szolgáltat, azonban a redox értékeket néhol eltorzítja, ha a fenék közelében erősen redukált állapotot mértünk. A felszíni fény és a víz alatti fény mért értékeiből kiszámítottam a víz fénykioltási (extinkciós) együtthatóját. A víz alatti fény adatokból azt használtam, amit egy méteres szondamélységnél mértünk, mert ez az adat minden mérési ponton rendelkezésre állt. Fontos azonban azt megemlíteni, hogy a mélységmérő a szonda alján van, a fénymérő pedig a tetején, így a két mélység között kb. 30-40 cm különbség is lehet. ε z 1 I z I z = I0 e ε = ln, ahol z a vízmélység (m), I 0 a felszíni, I z a z I0 felszín alatt z mélységben mért fény, ε a extinkciós együttható. Az előző lépések során kapott adatokat a továbbiakban a Syn-Tax 2000 többváltozós adatelemző programcsomag segítségével dolgoztam fel. Az elemzés eredményeit a 3.3. fejezet mutatja be. 10
A kapott eredmények elemzése volt az én feladatom. A fizikai-kémiai komponenseknél ismertetett Syn-Tax 2000 szoftver segítségével ordinációs és klaszter elemzéseket végeztem. Az elemzés eredményeit a 3.4. fejezetben részletezem. A biológiai mintákat feldolgozó szakemberek (Takács Erzsébet, Kóbor István) által meghatározott taxonokat a 3. melléklet mutatja be. Jelen dolgozat elkészítéséig a helyszínen vett minták közül 23 minta elemzését sikerült befejeznie, a továbbiakban ezekkel dolgoztam. A fitoplankton minták jelölése megegyezik a fenti mintavételi helyekkel. A vizsgált minták a következő területeket reprezentálják (6. táblázat, 4. melléklet): 6. táblázat: A fitoplankton minták mintavételi helyei 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 A MOHOSZ melletti csónakkikötőtől az autóskempingig 25 A Belső-tisztás keleti oldala és az Égetett-nád között 36 Fürdető 44 Felső-tó 69 Vaskapu 90 Kopolya 91 Vendel-tisztás ÉK-i vége 93 Német-tisztás, Tari-tisztás 101 Vendel-tisztás DK-i vége (Túrós-zsák) 105 Lángi-tisztás 107 Fekete-víz 108; 109; 110; 111 Alsó-éri tiszták 114 MOHOSZ előtti tisztás 116 Nagy-tó Ny-i vége Az eredmények helyes kiértékelését zavarhatja a mintavételek közötti néhány napos különbség, valamint az algák egyedszámának napszakos ingadozása is. A mennyiségiminőségi algavizsgálatokat felszínről merített vízmintákból végezték. A mintákat a helyszínen Lugol-oldattal rögzítették. A fitoplankton vizsgálatakor Untermöhl fordított mikroszkópos eljárását alkalmazták. A módszer részletes leírásával kapcsolatban hivatkoznék NÉMETH (1998) és FELFÖLDY (1987) munkájára. 2.4. STATISZTIKAI ELEMZÉSEK A mérési eredmények további feldolgozását és a többváltozós statisztikai elemzéseket a Syn-Tax 2000 nevű szoftverrel végeztem. A szoftvert Dr. Podani János, az ELTE Növényrendszertani és Ökológiai Tanszékének egyetemi tanára fejlesztette. A módszerek bemutatása során az Ő munkájára támaszkodom [PODANI, 1997]. Hasonló programcsomagot (NuCoSA) dolgozott ki Dr. Tóthmérész Béla a Debreceni Egyetem Ökológiai Tanszékének egyetemi tanára is [TÓTHMÉRÉSZ, 1994]. A mérés során kapott 116 pontbeli adatokat mind hierarchikus, mind ordinációs elemzésnek vetettem alá. A hierarchikus elemzés során csoportátlag (UPGMA - Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean) módszert alkalmaztam, az ordinációs vizsgálatok során a főkomponens elemzést (PCA - Principal Components Analysis), illetve a főkoordináta elemzést (PCoA Principal Coordinates Analysis) használtam. A módszerek részletesebb ismertetésére az alábbiakban térek ki. 11
2.4.1. Ordinációs elemzések Az adatmátrixot kétféleképpen ábrázolhatjuk: az első esetben a változók, mint dimenziók alkotta térben az objektumokat pontok képviselik, a másik esetben fordított a helyzet, ilyenkor az objektumokat feleltetjük meg a tengelyeknek és ekkor a változók lesznek pontok. Az ordinációs elemzések elsődleges feladata a sok dimenzió helyettesítése kevés számú, de az eredeti adatstruktúrát többé-kevésbé jól tükröző dimenzióval. A dimenzionalitás csökkentését mesterséges változók bevezetésével érjük el. Főkomponens elemzés (PCA) A főkomponens elemzés (PCA) központi szerepet tölt be a többváltozós adatstruktúrafeltárásban, széles körű elterjedését a nagy számítási kapacitású számítógépeknek köszönheti. A módszer lényege, hogy a pontok helyzetét változatlanul hagyva az eredeti koordinátarendszert egy új koordinátarendszerrel helyettesítjük úgy, hogy az első új tengely (komponens) maximális varianciát sűrítsen magába, s a lehető legkevesebbet hagyja a további komponensekre. Sok kiinduló változó esetén is hasonlóan járunk el: először a legnagyobb varianciahányadot lefedő komponenst keressük ki, ezt követően a megmaradó varianciát legjobban magyarázó másodikat és így tovább. A komponensek száma tehát nem feltétlenül lesz kevesebb, mint az eredeti változóké volt, ezért az átrendezés nem jelenti automatikusan a dimenziók számának csökkenését. Az új dimenziók egy része azonban a rájuk eső jelentéktelen varianciahányad miatt számunkra teljesen érdektelen lesz. Az átrendezhetőség hátterében a változók közötti lineáris korrelációk állnak, de ez a komponensekre már nem igaz, közöttük a lineáris korreláció értéke 0. A főkomponens elemzés sikerességének az a feltétele, hogy a változók lineárisan korreláljanak egymással, ami a természetben általában egész jól teljesül. Ezek szerint a főkomponens-analízist a legkisebb négyzetek elvén működő regresszió-analízis általánosításának is tekinthetjük, mivel a komponensek lefektetésénél a pontoknak az egyenestől vett távolság-négyzetösszegét minimalizáltuk. A 3. ábrán a főkomponens analízis grafikus illusztrációját mutatom be. Az (a) rész a hatékony varianciasűrítést mutatja be korrelált változók esetén, a (b) rész azt illusztrálja, hogy lineárisan korrelálatlan változók esetén a komponensek sem segítenek. 3. ábra: A főkomponens analízis grafikus illusztrációja [PODANI, 1997] 12
Főkoordináta elemzés (PCoA) A módszert metrikus többdimenziós skálázás néven is szokták emlegetni, algebrai megoldását tekintve közvetlen rokonságban áll a fent ismertetett főkomponens elemzéssel. A PCoA azért metrikus, mert az ordinációban megőrzi az objektumok közötti távolságviszonyokat. Annyi ordinációs tengelyt állítunk elő, amennyi a kiinduló mártixban lévő metrikus információ tökéletes megtartásához szükséges. A módszer alkalmazhatóságának feltétele tehát, hogy a távolságok teljesítsék a metrikus axiómákat: Amennyiben két pont egybeesik, azaz j = k, akkor d jk = 0. ( d jk akkor és csak akkor 0, ha j = k ) Ha két pont különböző, azaz j k, akkor d jk > 0. A szimmetriaaxióma szerint d jk = dkj (azaz mindegy, hogy a távolságot melyik irányból mérjük.). A metrikus sajátság igen fontos, megkülönböztető kritériuma a háromszögegyenlőtlenség axiómája. Eszerint d csak akkor metrika, ha bármely három i, j, k pontra igaz a következő összefüggés: dij + dik d jk, azaz két pont távolsága nem lehet nagyobb, mint egy harmadik ponttól vett távolságaik összege. 2.4.2. Cluster-elemzés Az objektumok egyszerű felosztásán túlmenően szeretnénk azt is elérni, hogy az elemzés megmutassa az egyes osztályok között fennálló kapcsolatokat. Erre kétféle módon van lehetőségünk, az exkluzív és az inkluzív hierarchiák révén. Az exkluzív hierarchia révén az objektum csak egy csoportba tartozik bele, az inkluzív hierarchiában a kisebb osztályok nagyobb osztályokba vannak beágyazva. Egy objektum értelemszerűen több osztályba is beletartozik, a különböző hierarchikus szinteknek megfelelően. Ez a típus régóta ismert a biológiában, elég, ha a klasszikus rendszertani kategóriákra gondolunk. Az osztályok hierarchiába rendezése további könnyítést jelent a bennünket körülvevő világ megértéséhez. A hierarchiák könnyű intuitív értelmezhetősége az egyik oka annak, hogy a hierarchikus osztályozás központi szerepet tölt be a többváltozós adatstruktúrák feltárásában is. Előnyük, hogy az osztályok számát, vagy más paramétert nem kell előre megadnunk. Nincs kitüntetett hierarchikus eljárás, ami bármely esetben alkalmazható lenne, tehát érdemes több módszert alkalmazni egyidejűleg. De még ekkor is fennállhat az a veszély, hogy félrevezető eredményt kapunk, s ezért a hierarchikus módszerek csak az ordinációs eljárásokkal kiegészítve alkalmazhatók eredményesen. Vizsgálataim során én is több módszert kipróbáltam, és azokat fogadtam el jónak, ahol a hierarchikus osztályozás és az ordinációs elemzés egybevágó eredményt szolgáltatott. Az egyes módszerek bemutatását és a kapott eredmények értékelését a következő fejezetek tartalmazzák. A hierarchikus osztályozás többféleképpen ábrázolható, például egymásba ágyazott síkidomok segítségével (kontúr-diagram). Ennek megrajzolása azonban sok osztály esetén nehézkes, és csak az osztályok topológiai viszonyai látszanak (4.a ábra). A legáltalánosabb és jobban interpretálható ábrázolás dendrogramok segítségével történik (4.b és 4.c ábrák). A dendrogram egy fa-gráf, melynek végső (terminális) szögpontjai az osztályozott 13
objektumoknak felelnek meg. A kontúr-diagramokkal ellentétben a dendrogram az osztályok közötti kapcsolatot (pl. távolságot, hasonlóságot) numerikusan is ki tudja fejezni: ezt a dendrogram belső szögpontjainak magassága jelzi a függőleges tengelyen felmérve. 4. ábra: Hierarchikus osztályozások ábrázolásának lehetőségei [PODANI, 1997] 2.4.3. Koefficiensek bemutatása Az euklidészi távolság a legegyszerűbb távolságfüggvény, lényegében megfelel a mindennapi, intuitív távolságfogalomnak, kiszámítása a Pithagorasz-tétel általánosítása sok dimenzióra. Az euklidészi távolság a referencia-alap minden egyéb hasonlóság, különbözőség és távolság megítélésekor. A koefficiens a négyzetre emelés miatt a nagy eltéréseket emeli ki elsősorban, alsó korlátja 0, felső korlátja nincsen. EU jk n = i= 1 ( x x ) A Manhattan-metrika a két objektum közötti különbségek abszolút értékeinek az összege. Gyakran nevezik háztömb vagy city block metrikának is, utalva arra, hogy egy amerikai típusú, szabályos alaprajzú városban két pont között általában nem az euklidészi távolságot kell megtenni, hanem meg kell kerülnünk a háztömböket. CB jk = n i= 1 Az euklidészi távolság és a Manhattan-metrika speciális esetei egy általános függvénycsoportnak, a Minkowski-metrikáknak. n ( r) r MNK jk = xij xik i= 1 r = 1 -re kapjuk a Manhattan-metrikát, r = 2 -re pedig az euklidészi távolságot. ij x ij ik x ik 2 1 2 1 r 14
Átlagos karaktereltérés (Mean Character Difference) Ha a Manhattan-metrikát leosztjuk a változók számával, megkapjuk az átlagos karaktereltérést. n 1 MC jk = xij xik n i= 1 Bray-Curtis formula A Bray-Curtis formula esetén mind a számlálóban, mind a nevezőben külön-külön történik összegzés. A függvény egy egyszerű index formájában adja meg, hogy az összegzett értékek hányadrészében van eltérés a két objektum között. BC n i= 1 jk = n ( xij + xik ) i= 1 Ruzicka index A Ruzicka index egy korábbi, Marczewski-Steinhaus koefficiens komplementereként vált ismertté, a következő képlettel írhatjuk le: RUZ n i= 1 jk = n i= 1 x ij min max x ik [ x, x ] ij [ x, x ] Hasonlósági hányados (Similarity ratio) A hasonlósági hányados azért előnyös számunkra, mert értékei [0;1] intervallumba esnek, 1 jelöli a teljes egyezést. Érdemes megfigyelni, hogy a grafikon függőleges tengelyén a hasonlótlanság mértékét tünteti fel a szoftver. 100-zal szorozva megkapjuk a hasonlótlanság százalékos mértékét, amiből 100 hasonlótla nság = hasonlóság formulával könnyen számítható az egyes csoportok hasonlósága. SR ij ik i= 1 jk = n n n 2 2 xij + xik xij i= 1 i= 1 i= 1 Az elemzések során gyakorlatilag próbálgatás útján választottam ki a lehetséges módszerek, standardizálások közül azokat, amelyeket a későbbiekben be fogok mutatni (3.3. és 3.4. fejezetek). Sem a szakirodalmi szerzők, sem a szoftvert gyakorlatban használók nem tudnak egyértelmű állásfoglalást adni arról, hogy milyen adatok esetén melyik módszert kell használni. Javaslatuk az, hogy minden esetben próbálkozás útján kell eljutni azokhoz a módszerekhez, amelyeket alkalmazni kívánunk. Esetemben a válogatás alapja az volt, hogy mely módszerek adnak viszonylag egyértelmű eredményt. Mivel az euklidészi távolság a referencia-alap minden egyéb hasonlóság, különbözőség és távolság megítélésekor, ezért ezt a módszert vettem alapnak. Érdemes megemlíteni, hogy a korreláció számításán kívül az euklidészi távolság az egyetlen, amely más többváltozós adatelemző szoftver (BMDP 7, Statistica, NT-SYS, NuCoSA) módszergyűjteményében is megtalálható [PODANI, 1997]. A továbbiakban azokat a módszereket választottam ki, amelyek hasonló eredményt adtak az euklidészi távolsághoz. Így esett a választás a fentiekben felsorolt módszerekre. Az elemzések n x x ij ik ik x ik 15