A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) HIDROGEOTERMIKUS RENDSZER VIZSGÁLATA HAJDÚSZOBOSZLÓ TÉRSÉGÉBEN Szűcs Péter 1, Buday Tamás 2 1 tszv egyetemi tanár, 2 egyetemi tanársegéd 1 Miskolci Egyetem, Környezetgazdálkodási Intézet, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, 3515, Miskolc-Egyetemváros, hgszucs@uni-miskolc.hu 2 Debreceni Egyetem, Ásvány- és Földtani Tanszék, 4010 Debrecen, Egyetem tér 1, rwbudayt@freemail.hu Kivonat Hidridinamikai és hő transzport modellezésre került sor Hajdúszoboszló térségében a fenntartható geotermikus energia hasznosítás gyakorlatának kialakítása érdekében.a modellezési szimulációkra támaszkodva könyebben megvalósítható a geotermikus energia hasznosítás mértékének növelése a régióban a jövőben. Kulcsszavak: hidridinamikai és hő transzport modellezés, geotermikus energia Abstract This paper gives details about the complex hydrogeological investigation including flow and heat transport modeling in the region of Hajdúszoboszló. Sustaibale geothermal energy management can be realized based ont he results of the modeling simulations. Keywords: hydrodynamic and heat transport modeling, geothermal energy 1. Bevezetés A elvégzett komplex hidrogeológiai vizsgálat célja a geotermikus energiatermelő rendszerekben végbemenő hő- és vízáramlástani folyamatok geotermikaihidrogeológiai, illetve az állapotváltozásokkal járó kémiai és fizikai következmények integrált modellezése, a feltárási (mélyfúrási) technika korszerűsítése, adott terület, vagy település kombinált geotermikus módszerekkel történő energiaellátási lehetőségeinek kutatása volt. A termálvízadó összletek geotermikus energiatermelésben való kiemelt szerepe napjainkban, hazánkban nem kérdőjelezhető meg. A vizsgálat céljaként jelent meg a geotermikus energia termelésének fenntarthatósága, amely különösen a Debrecen és Hajdúszoboszló közötti régióban került előtérbe. 261
Szűcs Péter, Buday Tamás 2. A hidrogeológiai modell felépítése A kutatási célnak megfelelően a téglalap alakú modellterület Hajdúszoboszló nyugati határától Debrecen keleti határáig terjed. Az aljzat jellemző irányához igazítottuk a modell határait, így a hosszabbik oldalának azimutszöge 28. A terület 16 km 30 km-es, a rácskiosztás mindkét irányban 200 m-es, így egy 150 oszlopból és 80 sorból álló mátrixot kapunk minden modellezési rétegre (1. ábra). A terület viszonylag jól feltárt, a mélyített 200 m-nél mélyebb kutak száma meghaladja a 250-et, az 1000 m-t meghaladó fúrások száma is közel száz. A sztratigráfiai alapú kőzetváz-modell (Juhász 1994) elkészítéséhez 19 fúrás alapadatait használtuk fel. A modellrétegek geometriáját a fúrások alapján a GOCAD szoftver segítségével határoztuk meg. 1. ábra. A modellterület képe a figyelembe vett kutakkal. A sztratigráfiai modell alapján a terület nyugati felén a felső-pleisztocén rétegek vastagsága néhány méter, míg Debrecen alatt ez az érték eléri a 60 m-t is. Hasonló képet mutat az alsó-pleisztocén réteg fedője és feküje is, a felület keleti, északkeleti lejtésű, mértéke a területen meghaladja a 10 %-ot. A Zagyvai-Újfalui kifejlődés alsó és felső részét elválasztó határfelület hullámos, Debrecen és Hajdúszoboszló alatt egy mélyedés (-350 m), míg a köztes területen egy kiemelkedés jelentkezik (-250 m). A deltasík teteje délkelet felé lejt, míg a jó vízadó tulajdonságokkal jellemezhető 7. modellréteg fedőjében valószínűsíthető egy hát (-640 m), mely környezetétől 40 50 m-re emelkedik ki. A 8. modellréteg fedője és feküje D felé erősen lejt (15 %), mely az ebesi pikkely kiemelt aljzatrögének tulajdonítható. 262
Hidrogeotermikus rendszer vizsgálata Hajdúszoboszló térségében A hidrosztratigráfiai jellemzők meghatározására a területre vonatkozó korábbi regionális kutatások és lokális modellezések eredményeit vettük át. A területre vonatkozó víztermelés nélküli nyomáseloszlásokat SZÉKELY regionális modelljéből a Szerző engedélyével alkalmaztuk (Székely 2011). A Pannonmedence üledékeinek hidrosztratigráfiai értelmezése (TÓTH 1995) alapján a legalsó modellezési rétegünk az Algyői Vízfogónak felel meg, melyben a korlátozott kiterjedésű vízadó lencsék mellett K=1 10 md permeabilitású üledékek jellemzők. A felső 7 modellezési réteg a Nagyalföldi Vízadóba sorolható, melynek permeabilitása a kifejlődéstől jelentősen függ, a jó vízadóké K=1000 md. A debreceni hévizes kutakra vonatkozó hidrodinamikai védőidom számítás (GÁMA-GEO 2008) a pannóniai homokos üledékek horizontális szivárgási tényezőit 2 5 m/nap értékűnek határozta meg, míg a köztes vízrekesztőknél 0,005 m/nap értéket tekintettek mérvadónak. A függőleges szivárgási tényező a pannóniai vízadók esetében 0,4 0,7 m/nap, míg a vízrekesztők esetében 0,001 m/nap. A területre minden modellezési szinten jellemző a hidraulikus emelkedési magasság DNy irányú csökkenése, így a terület nem tekinthető zártnak. A 2. és 8. réteg kivételével az összes rétegben GHB peremfeltételt alkalmaztunk, számított GHB hidraulikus vezetőképességgel. A terület Ny-i határán húzódik a Keleti-főcsatorna, melynek hatásától a kis érintettség miatt eltekintünk. 3. A permanens áramlási modell hidrodinamikai viszonyai A fenti feltételekkel futtatott modell a beszűrőzött rétegekben a meglévő paraméterek hibáihoz mérten megfelelő pontossággal adta vissza a kiindulási hidraulikus emelkedési magasság értékeket a 8 réteges hdirodinamikai modellben (Szucs et al. 2006). A pleisztocén rétegekben a hidraulikus emelkedési magasság értékei az É-i részen meghaladják a 120 m-t, míg a Ny-i részen 100 m alá süllyednek. Ennek megfelelően a vízszintes gradiens kb. 1 m/km. A nyugati részen a mélységgel a hidraulikus emelkedési magasság a 8. rétegig enyhén emelkedik 107 m-re, míg az északi részen csökken 109 m-re. A negyedik rétegben a horizontális gradiens 0,5 m/km, az ötödikben 0,25 m/km, míg a vízadó 6. és 7. rétegben 0,1 m/km. Ennek megfelelően az északi, nyírségi részen a beszivárgás dominál, míg nyugati részen a mérséklet feláramlás, amit a PMPATH részecskekövető program segítségével is igazolható (Chiang and Kinzelbach 2001). A rezervoárból kitermelt víz mennyiségére vonatkozó adatok hiányosak, különösen a kezdeti időszakból. Mint korábban arról már volt szó, a korai fúrások szabadkifolyású kútként termeltek viszonylag hosszú ideig, melynek következtében nagy mennyiségű víz került a felszínre méretlenül. A hozamok ismeretében kutanként kb. 1000 l/perc (1440 m 3 /nap) hozammal számolhatunk a 80-as évek 263
Szűcs Péter, Buday Tamás végéig. A hat legjelentősebb régi kúton keresztül a fentiek alapján 1990-ig kb. 0,15 km 3 víz jutott a felszínre. Figyelembe véve a kutak számának növekedését mára ez az érték megduplázódhatott. A kitermelés ráadásul két viszonylag kis területrészre koncentrálódott. A kitermelés elmúlt évekbeli alakulásáról a TIKÖVIZIG adatbázisa tájékoztat minket, ez utóbbiakat használtuk fel a második permanens modell bemenő adataiként. A kapott permanens állapothoz képest határoztuk meg azt az állandósult nyomásszintű állapotot, melyben a kutakon keresztül a kitermelt vízmennyiség kivehető. A termálvíztermelés hatására Hajdúszoboszló térségében már a pleisztocén rétegekben megjelenik a depresszió, de értéke a 0,2 m-t nem haladja meg. A 4. modellrétegben már van termelő kút, annak környeztében akár 0,6 m érték is kimutatható, míg a rétegre általánosan jellemző a hidraulikus emelkedési magasság 0,1 0,2 m-es csökkenése. Az 5. modellrétegből termelő X. számú hévízkút környezetében a leszívás 3 m-nél nagyobb, a teljes rétegre jellemző a kimutatható csökkenés. A Debrecen környéki területeken a leszívási tölcsér izovonalainak futását jelentősen befolyásolja a határfeltétel. Hasonló mértékű depresszió jellemzi a hajdúszoboszlói 14-es kút környezetét a 6. modellrétegben. Debrecenben ezt a réteget egy viszonylag kis hozamú kút termeli, így itt a térségi depressziót csak mérsékelten módosítja a lokális hatás. A legintenzívebben termelt 7. réteg depressziója a peremeken 0,4 0,5 m, míg a temelési központokban Debrecenben 1,4 m, míg Hajdúszoboszló környezetében 2 m (2. ábra). A vízzárónak tekinthető Algyői Formáció rétegében szintén jelentős depresszió mutatható ki, melynek okát a 7. réteg irányába meginduló víztelenedésnek tulajdoníthatjuk (a viszonylag nagy agyagtartalom miatt a vertikális és horizontális szivárgási tényezők közel azonos értékűek). A kapott leszívási értékek területi eloszlása hasonló a debreceni területen elvégzett korábbi modellezéshez (GÁMA-GEO, 2008). A kialakult áramlási térben mind a 6., mind a 7. modellréteg beszivárgási területe mindkét település esetében a nyírségi ablak, a hajdúszoboszlói kutak leszívó hatása a debreceni kutak felé érvényesül (2. ábra). 4. Hidrodinamikai és hő transzport modell készítése egy feltételezett termelő-visszasajtoló kút pár komplex hidrogeológiai vizsgálatához Ebes település térségében A regionális léptékű hidrodinamikai modell eredményeit figyelembe véve lokális hő transzport modellt is készítettünk (Caluser 2003), hogy vizsgálni tudjuk egy feltételezett termelő-visszasajtoló kút pár (Székely 1990) működését Ebes település térségében. Ebes Debrecen és Hajdúszoboszló között található, és a regionális 264
Hidrogeotermikus rendszer vizsgálata Hajdúszoboszló térségében áramlási modellben is ezen a területen került feltételezésre hévíz visszasajtolás a 7. (hévizes) modell rétegbe, amely az Újfalui Formáció deltafrontjának felel meg. A vizsgált régióban ezt a hévízadó összletet termelik leginkább Hajdúszoboszló és Debrecen hévíz és gyógyvíz szükségleteinek biztosítása érdekében. Mivel a térségben jelenleg nincs üzemelő visszasajtolás a hévíztároló rétegekbe, azért különösen fontos a jelenlegi hő transzport vizsgálat és szimuláció szakmai következtetések nyerése céljából (Szucs and Ritter 2002). Az itt szerzett tapasztalatok segítségével lehet a későbbiekben tényleges visszasajtoló kutakat tervezni és üzemeltetni (Marton 2009). 2. ábra. A termálvízkutak termelésének hatására kialakuló depresszió a 7. rétegben. A regionális léptékű hidrodinamikai modellezés után a rendelkezésre álló dokumentációkban szerepelő földtani és vízföldtani információk alapján, illetve az áramlási modellezés eredményei alapján 3-dimenziós hő transzport modellt készítettünk, ahol elsősorban a regionális modell 7. hévíztároló rétegére koncentráltunk. A szimulációs vizsgálatokkal egy feltételezett termelővisszasajtoló kút pár működését kívántuk szemléltetni Ebes település környezetében. A lokális modell paramétereinek megadásánál a regionális modell idevonatkozó paramétereit vettük figyelembe. A modellezett térrész nagysága a részletes hő transzport számításoknál 4.0 km * 4.0 km. A felszín alatti víz áramlásának megfelelően elfordított modell rácsot egy 6.0 km * 6.0 km nagyságú területen helyeztük el Ebes térségében. A hidrodinamikai vizsgálathoz képest a hő transzport modellezés során finomabb cellaméretet célszerű alkalmazni (McDonald and Harbaugh 2003). Az alap 265
Szűcs Péter, Buday Tamás cellaméret egységesen 50 m * 50 m. A vizsgált kutak (T - termelő1 és I - visszasajtoló) környékén besűrítettük a cellákat, hogy a hőmérséklet változásait pontosabban lehessen nyomon követni. A legkisebb cellaméret 5.0 m * 5.0 m. A feltételezett vizsgált kút pár Ebes település környezetében található. A tervezett kutak pontszerű helyének EOV [km] koordinátái: Termelő kút T: EOV Y: 834886 m EOV X: 238903 m Visszasajtoló kút I: EOV Y: 833473 m EOV X: 238527 m Ebben az esetben a kutak közötti távolság kb. 1500 méter. A későbbi szimulációk során azt az esetet is vizsgáltuk, amikor a kutak közötti távolság csak kb. 1000 méter. A vízkivétel célja: hévíztermelés és a lehűlt víz visszasajtolása. A vizsgált hévíztároló összlet hőmérséklete 70 C. A visszasajtolt víz hőmérsékletére két feltételezéssel is éltünk. Első esetben 30 C, majd a későbbiekben 15 C hőmérsékletű víz visszasajtolást tételeztünk fel. A vizsgált hévíztároló réteg geometria jellemzőit a regionális modellből vettük át. Ezen a területen a 7. hévíztároló modell réteg vastagsága eléri a 250 métert. A hévíztároló összlet hidraulikus emelkedési magasságának (h) az értékeit is a regionális modell idevonatkozó adatai alapján adtuk meg. Ebes környezetében a felszín alatti víz regionális áramlási iránya délnyugat irányba mutat nagyon kis I hidraulikus gradiens értékekkel (kisebb, mint 0.001). Mivel a hévíztároló réteg esetében a modellezett lokális területen felszín alatti vízválasztó nem található, ezért a modellben a jellemző felszín alatti vízáramlás áramlás upstream és downstream oldalán állandó vízszintű határfeltételt alkalmaztunk. Ez a hidraulikai feltétel jelen esetben teljesen indokoltan használható, hiszen a megadott peremek jelentős távolságban vannak a feltételezett kutaktól. A lokális modellben szereplő rétegekre a szivárgási tényező és szabad hézagtérfogat értékeket a regionális áramlási modellből ültettük (Szűcs and Ritter 2002). A hévíztermelés szempontjából érdekes 7. modell réteg horizontális és vertikális szivárgási tényezője 5 m/nap és 0.0463 m/nap. A vizsgált hévíz tároló effektív porozitása 0.1. A termelési viszonyokat illetően a következő adatokkal dolgoztunk. A kitermelt 70 C-os hévíz átlagos hozama 800 m 3 /nap. A feltételezett visszasajtoló kút ugyanekkora, azaz 800 m 3 /nap hozammal működik. Mint korábban említettük, első esetben 30 C, majd a későbbiekben 15 C fok hőmérsékletű víz visszasajtolást szimuláltuk a hő transzport modell segítségével. Természetesen 266
Hidrogeotermikus rendszer vizsgálata Hajdúszoboszló térségében vizsgáltuk a hideg hő front alakulását az időfüggvényében a besajtoló kút környezetében (Neville and Tonkin 2004). Először 30 éves idejű üzemeltetést szimuláltunk, míg a későbbiekben hosszabb, 100 éves hosszúságú üzemeltetés hatását is vizsgáltuk fenntarthatósági szempontból. A Processing SHEMAT modellező programcsomag segítségével végeztük el a hő transzport szimulációkat. A hő transzport modellezési szimulációk is minden esetben az áramlási viszonyok megadásával kezdődnek. Az ehhez szükséges információkat a korábban elkészült regionális áramlási modellből emeltük át. Ezután történik meg hő transzporttal kapcsolatos modell paraméterek feltöltése. Jelen esetben a hő transzport feladat viszonylag egyszerű. Egyrészt az állandó hőmérsékletű hévizes felszín alatti közegből (70 C) vizet termelünk, illetve csökkentett hőmérsékletű (30 vagy 15 C) fluidumot juttatunk vissza egy visszasajtoló kúton keresztül a vízadóba. Természetesen a hő transzport szimulációk során tranziens modellezést hajtottunk végre, hogy különböző időintervallumokban vizsgálni tudjuk a felszín alatti hőmérsékletváltozásokat a termelő-visszasajtoló kút pár működésének hatására az üzemeltetési időszakban. Az elvégzett komplex hidrodinamikai és hőtranszport vizsgálatok alapján a következő (3. és 4. ábrák) eredményeket kaptuk. 3. ábra. 100 éves folyamatos üzemi időszak végén a hőmérséklet eloszlás 2 dimenziós ábrázolása a vizsgált hévíztároló (7.) rétegben a Processing SHEMAT hő transzport szimuláció során. A termelő (-800 m 3 /d) és a visszasajtoló (-800 m 3 /d) kutak közötti távolság 1500 m. A visszasajtolt víz hőmérséklete 30 Celsius fok. A réteg és a benne tárolt hévíz hőmérséklete 70 Celsius fok. 267
Szűcs Péter, Buday Tamás 4. ábra. 100 éves folyamatos üzemi időszak végén a hőmérséklet eloszlás 2 dimenziós ábrázolása a vizsgált hévíztároló (7.) rétegben a terület térképén megjelenítve a Processing SHEMAT hő transzport szimuláció során. A termelő (- 800 m 3 /d) és a visszasajtoló (800 m 3 /d) kutak közötti távolság 1500 m. A visszasajtolt víz hőmérséklete 15 C. A réteg és a benne tárolt hévíz hőmérséklete 70 C. Az izovonalak a 69 C-nál alacsonyabb hőmérsékletű térrészt jelölik ki a visszasajtoló kút környezetében a vizsgált hévizes rétegben. 5. Összefoglalás, következtetések Jelen hő transzport modell szimulációk keretében elvégeztük egy feltételezett termelő-visszasajtoló kút működésének komplex hidrogeológiai vizsgálatát Ebes térségében. Az elvégzett modellezési vizsgálatok alapján a következő megállapításokat és javaslatokat tehetjük. A regionális modell mellett ez a lokális léptékű modell is igazolta, hogy hidrodinamikai szempontból az egymástól 1500 méter távolságban telepített termelő-nyelő kút pár megfelelően működik. A térség fő hévízadó összletéből, az Újfalui Formáció deltafront részéből a termelőkút segítségével könnyedén lehet kitermelni a vizsgált átlagos 800 m 3 /nap termálvíz hozamot. Hasonlóan kivitelezhető és megvalósítható ugyanennek a 268
Hidrogeotermikus rendszer vizsgálata Hajdúszoboszló térségében vízhozamnak a besajtolása a vizsgált hévízadó rétegbe a feltételezett visszasajtoló kút alkalmazásával. A tényleges kivitelezés esetében természetesen a visszasajtoló kút esetében speciális feltételeket is teljesíteni kell a kútkiképzés során, mint pl. megfelelő kavicsolás alkalmazása a kút szűrőzött szakaszának környezetében. Hasonló módón vizsgálat tárgya kell, hogy legyen a megfelelő vízkezelési és szűrési technológia kiválasztása annak érdekében, hogy a porózus kőzetbe történő visszasajtolást hosszú időn keresztül működtetni lehesse. A vizsgált visszasajtoló kút környezetében kialakult hőmérséklet eloszlás alapján következtetni lehet a termelő-visszasajtoló kút pár üzemeltetésének jellegére és fenntarthatóságára az idő függvényében. A kapott szimulációs eredmények alapján megállapítható, hogy a térségben a termelő és a visszasajtoló kút között 1000 méteres távolság már biztonsággal megfelelő lehet az üzemeltetés szempontjából átlagosnak tekinthető (kb. 500-1200 m 3 /nap) hévíztermelés esetén Debrecen és Hajdúszoboszló térségében. Ilyen kúttávolságok esetén sem 30 éves átlagos üzemeltetési idő esetén, de még 100 éves időtávlatban sem kell arra számítani, hogy a visszasajtolt alacsonyabb hőmérsékleti víz hő frontja elérné a termelő kutat. A regionális áramlási viszonyokat a két kút csak közvetlen környezetében módosítja, így a besajtolt víz jelentős hányada a hajdúszoboszlói központok irányába fog áramlani, 1500 év elérési idővel. Az elvégzett hidrodinamikai és hő transzport modellezés megállapítható, hogy a térségben hévíz termelő-visszasajtoló rendszerek víz és hő háztartás szempontjából is fenntartható módon üzemeltethetőek. Ha a kutak közötti távolság kisebb, mint 1000 méter (pl. 500-800 m), akkor jelentősen megnő az esélye annak, hogy a visszasajtolt vízből adódó hidegfront a tervezett üzemeltetési időn belül elérheti a termelő kutat. Természetesen egy-egy konkrét esetben az adott feltételeknek megfelelő hidrodinamikai és hő transzport modellezési szimulációval lehet az optimális üzemmódot kialakítani egy hévíz termelő- visszasajtoló kút pár tervezésénél, méretezésénél és kivitelezésénél. 6. Köszönetnyílvánítás A kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként - az Új-Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 269
Szűcs Péter, Buday Tamás Felhasznált szakirodalom Chiang W.H. Kinzelbach W. (2001): 3D groundwater modelling with PMWIN. A simulation system for modelling groundwater flow and pollution Springer-Verlag, 346. p. Clauser C. (szerk.) (2003): Numerical Simulation of Reactive Flow in Hot Aquifers. SHEMAT and Processing SHEMAT. Springer. pp. 1-332. GÁMA-GEO (2008): Debrecen hévizes kútjainak 123/1997. (VII.18.) Kormányrendelet szerinti hidrodinamikai védőidoma. kézirat, Miskolc, 24 p. + mell. Juhász Gy. (1994): Magyarországi neogén medencerészek pannóniai s.l. üledéksorának összehasonlító elemzése Földtani Közlöny, Vol. 124, pp. 341 364. Marton L. (2009): Alkalmazott hidrogeológia kézikönyv ELTE Eötvös Kiadó, 626. p. McDonald M.G. Harbaugh A.W. (2003): The History of MODFLOW Ground Water, 41 (2), pp. 280-283. Szekely F. (1990): Drawdown around a well in a heterogeneous, leaky aquifer system Journal of Hydrology, 118: pp. 247-256. Székely F. (2011): Éghajlati-, víz- és hőáramlási folyamatok kölcsönhatása felszín alatti áramlási rendszerekben Hidrológiai Közlöny 91 évf. 2 szám, pp. 45-49. Szucs P. Civan F. Virag M., (2006): Applicability of the most frequent value method in groundwater modeling Hydrogeology Journal, 14: pp. 31-43. Szucs P. Ritter Gy., (2002): Improved interpretation of pumping test results using simulated annealing optimization. ModelCARE 2002 Proceedings of the 4th International Conference on Calibration and Reliability in Groundwater Modeling. Prague, Czech Republic, 17-20 June 2002. ACTA UNIVERSITAS CAROLINAE GEOLOGICA 2002, 46 (2/3), pp. 238-241. Tóth J. (1995): Hydraulic continuity in large sedimentary basins Hydrogeology Journal (3), no. 4, pp. 4-16. 270