1.2 A hidrogeológia fejlődéstörténetének áttekintése

A tudománytörténeti áttekintés jelentősége, hogy tudjuk honnan indult és hol tart ma a hidrogeológia tudománya (1.2 ábra). A fejlődést négy fő időszakra oszthatjuk. Az első szakasz a kezdetektől egészen a XX. század közepéig tartott, amikor a mérnöki és műszaki hidrogeológia egymás mellett párhuzamosan fejlődött. Az 1960-as évektől kezdett a két irányzat közeledni egymáshoz. Az 1990-es évekre bekövetkezett az addig független irányzatok összeolvadása, azaz a mai modern hidrogeológia kialakulása.

A hidrogeológia fejlődéstörténete

1.2 ábra: A hidrogeológia fejlődéstörténetének áttekintése (Tóth, 2009)

Az ezredfordulótól kezdve a modern hidrogeológián belül – mely közös ismeretelméleti alapot adott a tudományterületnek – megkezdődött a differenciálódás és a szakosodás. Így közös alapon fejlődhetett ki új tudományterületként a szennyezések hidrogeológiája, a szénhidrogénekkel foglalkozó olajhidrogeológia, az ökohidrogeológia. De megjelent a környezeti-hidrogeológia, a paleohidrogeológia, az érckutatásra, vagy a talaj- és kőzetmechanikai problémák megoldására szakosodó hidrogeológia.

1.2.1 A mérnöki vagy műszaki hidrogeológia kezdetei

Az emberiség először, mint fogyasztási cikkel találkozott a felszín alatti vizekkel. Ismert, hogy az egyiptomiak már ie. 3500-3000 között megfigyeléseket végeztek a Níluson. Ugyanakkor a folyóvizekben, tavakban szűkölködő területeken – a felszín alatti vizek természetes előbukkanásai – a források teremtettek lehetőséget az életre, a letelepedésre. Időszámításunk előtt 3000-ben az első favázas fúrógép kínai feltalálói, már tudatosan dolgoztak azon, hogy a kőzetekben tárolt vizet berendezésükkel a felszínre hozzák. Bambusz rudakból készült fúrócsöveikkel több száz méter mélységből képesek voltak vizet termelni.

Iránban i.e. 2500 körül nagyszabású víznyerő létesítményeket – szivárgókat/ kanatokat – létesítettek alluviális területeken ivóvízellátási, öntözési célokból. A kanat nem más, mint felszín közeli lejtős alagút. Egy domboldal víztartó rétegéből indul és a gravitáció útján szállítja a vizet több száz méterrel távolabbi területekre gyakorlatilag párolgási veszteség nélkül. Az alagútba körülbelül százméterenként függőleges aknák mélyülnek. Ezek az alagút kivájásakor keletkező törmelék eltávolítását, a szellőzést és az alagút megközelítését szolgálják. A kanat átlagosan 350-400 ezer l/nap vizet szállított az iráni városokba a sivatagi forróságtól védett mélységekben. 1933-ban még kanatok biztosították Teherán teljes vízellátását. A Közel-Keleten ma is használják ezeket a rendszereket, – korszerűsített kivitelben – mert az éghajlati és földtani körülmények miatt ma sem könnyű jobb megoldást kitalálni a vízellátásra. Számos ősi vízkiemelő eszközt is használnak ma is a térség kistermelői, ilyen az i.e. 250 körül feltalált Archimedes-csavar, melynek teljesítménye egy kis dízelmeghajtású szivattyúénak felel meg.

A Római Birodalomban ie. IV. sz. - isz. III. sz. között vízvezetékek épültek a forrásvizek távolabbi területekre vezetésére. E rendszerek is a korszerű vízellátás alapjait jelentik.

1.2.2 A természettudományos és mérnöki hidrogeológia párhuzamos fejődése az 1960-as évekig

A fejlett víznyerési technológiákkal szemben a mélységi vizek eredetére vonatkozó ismeretek a reneszánszig, a XVII. századig tévutakon jártak. Ez a hidrogeológia spekulatív korszaka. Első és alapvető kérdés a források eredete volt. Kezdetben az ún. tengervíz elmélet uralkodott, miszerint a mélységi vizek a tengerekből folynak a hegyek alatti csatornákon keresztül a szárazföldek irányába. Ezt a nézetet vallotta Homeros (i.e. VIII. sz.), Thales (i.e. 650), Platon (i.e. V. sz.), sőt Kepler még 1619-ben is. A légnedvesség lecsapódásából származtatta a felszín alatti vizeket Aristoteles (i.e. IV. sz.), Seneca (i.e. I. sz.), de meglepő módon Descartes (XVII.sz.) és Volger még 1877-ben is. A csapadékvíz beszivárgását és mélységi víz utánpótló szerepét Marcus Vitruvius Pollo már az I. században felvetette, de ez a nézet később feledésbe merült. Leonardo da Vinci a XIV-XV. században vázlataival hívta fel erre a figyelmet és legközelebb Bernard Palissy (XVI. sz.) fejlesztette tovább. A csapadékvíz felszín alatti vízpótló szerepének általános elismerése a XVII. századra tehető.

Ez a felismerés lendületet adott a természettudományos hidrogeológia fejlődésének. Először a hidrológiai körfolyamattal kapcsolatos kérdésekre kerestek választ. Pierre Perrault (1608-1680) tette meg az első lépést a kvantitatív hidrológia irányában, ugyanis csapadékot mért, és összehasonlította a Szajna folyó hozamával. Azt találta, hogy a Szajnában található víznek hatszorosa a csapadék mennyisége, ebből következően a többi csapadékvíz más tározóba került. Edmund Halley (1656-1742) csillagász mutatta ki, hogy az óceánok párolgása elégséges a csapadék fedezésére, ami pótolja a szárazföldi vizeket.

A következő szakaszban az artézi vizek eredete és mechanizmusa került az érdeklődés homlokterébe (1.3 ábra). Antonio Vallisnieri (1715) nagy áteresztő képességű rétegekről ír alacsony áteresztő képességű rétegek között, és az első földtani szelvények szerkesztése is a nevéhez köthető. Daniel Bernoulli (1738) ismerte fel és írta le a hidrodinamika alapösszefüggését. La Méthiere 1791-ben kőzet permeabilitást mért. A XIX. sz. közepén Belgrand alapvető különbséget definiált permeábilis és impermeábilis kőzetek között.

Az artézi mechanizmus

1.3 ábra: Az artézi mechanizmust szemléltető vázlat (Mádlné Szőnyi, 2011)

Az artézi szó maga Artois francia grófság nevéből származik. Két vízzáró réteg közötti vízvezető rétegben tárolt vizet jelenti, a föld felszíne fölé emelkedő vízszinttel. Lényegében – ezen értelmezés szerint – a kínai favázas fúrógépekkel felszínre hozott víz is artézi víznek tekinthető. Magyarországon Zsigmondy Vilmos bányamérnök és geológus fúratta az első artézi kutakat. Budapesten az első, 118 m mély kút a Margitszigeten mélyült, 1867-ben; majd ezt követte az 1878-ban elkészült 970 m-es városligeti kút, mely 70°C-nál melegebb vizet szolgáltat. Zsigmondy tevékenysége világszinten is egyedülálló, a XIX. század második felében a mélységi vízfeltárás „úttörőjének” számított. Megemlíthetjük még Pávai-Vajna Ferenc nevét, akit a „hévizek atyjaként” emlegetünk. Neki köszönhetjük Hajdúszoboszló és Berekfürdő hévizeinek feltárását.

A mélyfúrásos technikának köszönhetően született meg a hidrogeológia fejlődéstörténetében az első egységes – emprikusan levezetett – paradigma, az „artézi mechanizmus”. Ez már átfogó képet adott a felszín alatti vizekkel kapcsolatban. Fogalom rendszere szerint a talajvíz a legfölső vízzáró réteg fölött helyezkedik el és a csapadékból pótlódik. A rétegvíz két vízzáró réteg közötti vízvezető (permeabilis) rétegben tárolt vizet jelenti. A rétegvíz a réteg kibukkanásánál pótlódik a csapadékvízből. Amennyiben lefúrunk egy rétegvíztartóig, a kútban olyan magasra emelkedik a víz, amilyen magasan a réteg utánpótlódási területén található. Ha ez a felszín fölé szökő vizet ad, akkor artézi vízről beszélünk. Azt mondhatjuk, hogy ezt az artézi mechanizmust egy tapasztalatokon nyugvó hipotézisként értékelhetjük, mely a mélyfúrások megindulásával alakult ki, és azokból származó tapasztalatok révén nyert megerősítést.

Ugyanakkor ez a nézetrendszer mára túlhaladottá vált. A helyenként még ma is dogmaként élő vízzáró (impermeabilis) kőzet fogalmával elsőként Chamberlin vitatkozott 1885-ben. Nézete szerint nem létezik abszolút impermeábilis kőzet, a lapos agyaglemezkék legfeljebb csak akadályozzák a rétegre merőleges vízmozgást. A maga korában – érthető módon – véleménye nem talált meghallgatásra.

A természettudományos hidrogeológiához képest jócskán késve, 1856-ra tehető a kvantitatív mérnöki vagy műszaki hidrogeológia kezdete, melynek egyik mérföldköve Henry Darcy (1856) francia hadmérnök folyadékáramlási kísérlete volt. Ezzel megalapozta azt a tapasztalati törvényt, ami ma is a hidrogeológia egyik empirikus alaptörvénye. Ezt követően a mérnöki ág gyakorlatilag párhuzamosan fejlődött a természettudományos ággal egészen az 1960-as évekig. A műszaki hidrogeológia legfontosabb feladata ebben az időben az volt, hogy információkat szolgáltasson a kőzetek víztározási és vezetési paramétereire, és ezzel párhuzamosan a kutakon keresztül kitermelhető víz mennyiségére vonatkozóan. A kútban a termelés hatására kialakuló depressziós tölcsér (1.4. ábra) és a kútból kitermelhető vízmennyiség között kerestek összefüggéseket. Azaz elemezték, hogy a különféle ideálisnak tekintett víztartótípusokban különböző víztermelési mechanizmusok mellett hogyan változik a vízszint. Ebből próbáltak következtetéseket levonni. Dupuit (1863) és Thiem (1906) nevéhez fűződik az ún. stacioner tározóhidraulika, azaz a kút körül kialakuló időben állandó vízáramlás alapjainak lefektetése. Theis (1936) a nem stacionárius, tehát időben változó hidraulika kidolgozója.

Termelés hatására a kútban kialakuló depressziós tölcsér (animáció)

1.4. ábra (animáció): Termelés hatására a kútban kialakuló depressziós tölcsér (Mádlné Szőnyi, 2011)

1.2.3 A természettudományos és mérnöki hidrogeológiai irányzatok közeledése és összeolvadása

A mérnöki hidrogeológiában Hantush (1956) személyéhez köthető a rétegeken keresztüli átszivárgás jelenségének felismerése a szivattyúzás során. Bebizonyította, hogy kúttal történő víztermeléssel mesterségesen elő lehet idézni azt, hogy a korábban impermeábilisnak vélt rétegen átszivárogjon a víz (1.5 ábra). Egy bizonyos rétegből történő termelés hatására egy idő után a víz rétegeken történő átszivárgással a kúthoz juthat a nem szivattyúzott rétegekből is. Neuman és Whiterspoon (1969, 1972) dolgozták ki az ilyen, jó és kevésbé jó vízvezetőképességű rétegekből álló rendszerek kúthidraulikáját. Ugyanezt a jelenséget Magyarországon Halász (1975) is felismerte és matematikailag levezette.

Átszivárgás rétegzett hidraulikai rendszerben

1.5 ábra: Víztermelés hatására bekövetkező átszivárgás vázlatos megjelenítése rétegzett hidraulikai rendszerben (Mádlné Szőnyi, 2011)

A természettudományos fejlődési ágon 1960-tól kezdődött meg a változás. Előidézője a medenceléptékű regionális hidraulikus összefüggések – azaz a korábban impermeábilisnak tartott rétegeken keresztül megvalósuló hidraulikus kommunikáció – felismerése volt. Az elméleti ismeretek gyarapodásának főbb állomásai során Tóth (1963, 1978), Tóth-Millar (1983), Freeze-Witherspoon (1966, 1967), Zijl-Nawalany (1993). Tapasztali megközelítéseivel Walton (1960), Kolesov (1965), Mifflin (1968), Margat (1969), Erdélyi (1976), Ortega-Farvolden (1989) vitte előre a modern hidrogeológiát. A vízkémia oldaláról Palmer (1911) nevéhez köthető a víztípusok elkülönítése; Chebotarev (1946) vezette be a víztípusok regionális elterjedésének fogalomkörét; Back (1960) nevéhez köthető a vízkémiai fáciesek fogalmának bevezetése.

A két, korábban párhuzamosan fejlődő irányzat közeledésének alapvető oka tehát a medenceléptékű hidraulikai összefüggések felismerése volt mindkét hidrogeológiai irányzatban egymástól függetlenül. Az összetartás eredménye az új, medence rendszerekben gondolkodó hidrogeológiai szemlélet kialakulása lett. Az új szemlélet révén a hidrogeológiai fogalmak és problémamegoldások regionális kiterjesztést kaptak, azaz relatívvá, léptékfüggővé váltak.

Megállapítást nyert, hogy a nagy medencék heterogén hidraulikai egységet képeznek, rétegzett víztároló rendszerként viselkednek (Tóth, 1995).

 A modern hidrogeológiai szemlélet jellemzői:

(1) a medence léptékű természeti jelenségek felismerése,

(2) a tér- és időskálák teljes spektrumában való gondolkodás,

(3) a gyakorlati problémák okainak, következményeinek és megoldásainak felmérése regionális térbeli és földtörténeti időbeli léptékben.

1.2.4 A modern hidrogeológia és jövője

A hidrogeológia korszerű értelmezés szerint azon természeti folyamatok és jelenségek tudománya, amelyek a kőzetváz és a felszín alatti vizek egymásra hatását okozzák, valamint abból következnek. Ennek értelmében a talajvíztükör szintje alatt található valamennyi víz egységes rendszert alkot, elkülönülésük a vizeket mozgató hajtóerők miatt kialakuló áramlási rendszerek mentén valósul meg.

A modern hidrogeológia alapvető újdonsága, hogy a tudományt fizikai alapokra helyezte. A felszín alatti vízmozgást fluidumdinamikailag értelmezte a Bernoulli törvény felszín alatti vizekre történő alkalmazásával. Kiindulópontja tehát a felszín alatti fluidumokra ható erőtér, azaz a folyadékpotenciál eloszlás fizikai és matematikai alapon történő megértése. A másik újdonság a korábban impermeábilisnak vélt rétegek között lehetséges vertikális kommunikáció felismerése. Mint láttuk, a kapcsolat megvalósulhat természetesen geológiai időskálán, de előidézhető víztermeléssel is.

A modern hidrogeológia felszín alatti víz-medencékben gondolkodik. A valós felszín alatti víz-medencék rendkívül bonyolultak. Ahhoz, hogy ezeknek áramlási képét megértsük, előbb egyszerűsítéseket kell tenni. Ezért a matematikai elemzések és levezetések során egy egyszerű elméleti felszín alatti víz-medencéből indultak ki. Az elméleti medence mesterséges határokkal határolt: vízválasztó a topográfiailag legmagasabb ponton, a legalacsonyabb ponton valamilyen felszíni víztest, általában folyó. Budapesti viszonylatban egy metszetet képzelhetünk el a János-hegytől egészen a Dunáig, s az alatta elhelyezkedő felszín alatti térrész egy rész-medence.

Ha elképzelünk egy egyenletesen lejtő talajvíz-felületet, mindenki számára érthető, hogy ez energetikailag ki akar egyenlítődni. A vizek a magasabb talajvízdomborzatú területektől az alacsonyabb felé áramlanak a kőzetpórusok között a litoszférában. Ez az egyensúlyra való törekvés az alapja a  felszín alatti vízmozgásnak. A szinuszos térfelszínnel jellemezhető medencére kiszámolt folyadékpotenciál-eloszlásból kialakuló áramlási képet mutatja az 1.6 ábra. Ebből következik, ha szinuszos a talajvíztükör lejtése, akkor ez a kiegyenlítődés differenciáltan fog bekövetkezni. Homogén kőzetösszetételű medencében ilyen esetben háromféle áramlási rendszer alakul ki. Regionális: olyan áramlási rendszer, ami a vízválasztónál pótlódik és a folyó közelében jut felszínre; lokális: helyi magaslaton utánpótlódik és szomszédos mélyedésben csapolódik meg; intermedier: köztes magaslaton utánpótlódik és köztes mélyedésben csapolódik meg.

Fészkelt áramlási rendszerek

1.6 ábra: Szinuszos térfelszínű, homogén kőzetösszetételű medence felszín alatti vízáramlási képe és hatása a felszínre (Tóth, 1963 nyomán). R: recharge, D: discharge.

Mindebből az is következik, hogy az áramlási rendszerek a földfelszínre is hatást gyakorolnak. Az utánpótlás a felszínen mozaikos, számos helyen történik, s mindegyikről egyedi útvonalon indul el a víz. A kiáramlási területek is mozaikosan helyezkednek el a beáramlási területekkel összefogazódva. Fontos tudni, hogy a talajvízszint alatt mindenhol vízzel telítettek a pórusok. Beáramlási területen, így például a bugaci homokpusztán a víz gyorsan leszivárog. Kiáramlási területen, mint például a belvízzel érintett területeken pedig magasan található a talajvízszint, s a felszivárgó vizek nem engedik a csapadékvíz mélyebbre jutását.

Számos országban, így Hollandiában, Japánban, ahol az egész országot feltérképezték az áramlási rendszerek szempontjából. Napjainkban már a hidrogeológián belüli szakosodás, differenciálódás zajlik. A világ egyéb részein ugyanakkor az artézi paradigma továbbra is fennáll, legalábbis ami a fogalomhasználatot és a közgondolkodást illeti. E folyamat, azaz a paradigmaváltás világméretű elősegítésére hívta életre 2011-ben a Hidrogeológusok Nemzetközi Szövetsége (IAH) a Regionális Felszín Alatti Vízáramlási Bizottságot.

1.2.5 A regionális vízáramlások jelentősége a földtani folyamatokban

A modern hidrogeológia segítségével tudtuk megérteni a fluidumok általános jelenlétének jelentőségét és mozgását a litoszférán belül. E tekintetben kitüntetett jelentőségű a talajvíztükör helyzete, ami különféle klimatikus körülmények között és földrajzi helyzetben 0-2 km-en belül található a litoszférában. A gravitációs hajtóerővel érintett rendszerekben a folyadékok nyomása hidrosztatikushoz közeli pfoly~phidr, miközben a ki- és beáramlási területeken attól szisztematikus eltérések mutatkoznak.

A medenceméretű egységekben gondolkodó hidrogeológia egyik alapvető felismerése a felszín alatt mozgó víz és környezete kölcsönhatásának kimutatása (13.1 ábra). A geológiai időléptékben működő vízáramlások anyagokat oldanak ki, hőt vesznek fel, anyagot és energiát szállítanak és felhalmoznak, ezáltal módosítják földtani környezetüket. A víz-kőzet kölcsönhatás valamennyi felszín alatt zajló folyamat sajátja az ásványtelepek képződésétől a barlangok kialakulásán és a geotermális jelenségeken keresztül a tektonikai mozgásokig. Mindezekből következően az ún. „száraz kőzetben" gondolkodó geológia elvesztette létjogosultságát. A hidrogeológia mint tudomány, ezért földtani alaptudományként kezelendő, s valamennyi földtani folyamatban érdemes számolni jelenlétével. A földtani folyamatok közül kiemelhetjük a felszín alatti vízáramlások jelentőségét a szénhidrogén migrációban, a vizek kémiai összetételének alakulásában, suvadások-, csuszamlások-, diagenetikus- és karsztosodási folyamatokban. A hidrogeológia tehát földtani alaptudományként kezelendő, és valamennyi geológiai folyamatban számolni kell a víz jelenlétével.