2. fejezet - A vízkörforgalom és a vízmérleg, Magyarország vízkészletei

Tartalom

2.1 A hidrológiai körfolyamat sajátosságai
2.1.1 Definíció, jellemzők
2.1.2 A vizek eredete a vízkörforgalom szempontjából
2.1.3 A vízkörforgalom folyamatai
2.1.4 Felszín alatti vizek a vízkörforgalomban
2.2 A vízmérleg-koncepció
2.2.1 Rendszerelvű megközelítés
2.2.2 A vízmérleg egyenlet
2.2.3 A hidrológiai rendszerek osztályozása
2.2.4 A felszín alatti vizek jelentősége a Föld vízmérlegében
2.2.5 Esettanulmány
2.3 Magyarország vízkészletei
2.3.1 Az ivóvízellátás fejlődésének rövid áttekintése
2.3.2 A termálvizek és ásványvizek Magyarországon
2.4 Ellenőrző kérdések
2.5 A fejezetben felhasznált irodalmak

2.1 A hidrológiai körfolyamat sajátosságai

2.1.1 Definíció, jellemzők

A hidrológiai körfolyamat vagy vízkörforgalom a víz különböző formában történő szállítódása a Föld fő víz rezervoárjai, az atmoszféra, litoszféra és a hidroszféra között. A körforgalomba a bioszféra is bekapcsolódik. Az atmoszféra a földfelszín fölötti levegővel kitöltött tér. A hidroszféra magában foglalja a földfelszín vízzel, jéggel vagy hóval kitöltött mélyedéseit (óceánok, tengerek, sarkvidéki jégpáncélok, tavak, folyók, gleccserek). A litoszférában a víz a kőzetekben található, részben szabad vízként, részben a pórusok falaihoz kötött vízként vagy kristályvízként. A víz az atmoszféra, hidroszféra és litoszféra között szisztematikus módon szállítódik a hidrológiai ciklus révén (2.1. ábra).

A hidrológiai körfolyamat hajtóereje a Nap hő és sugárzó energiája. A folyamatok mindig a csökkenő energia irányában történnek, az energiagradienssel ellentétes irányban. A Föld felszínén található nagy víztömegek, az óceánvíz, felmelegedés révén magas energianívóra kerül, és megindul a körfolyamat. Fokozatos energiavesztés révén a vízrészecskék az óceánba visszakerülve jutnak minimális energiaszintre, ahol ismét feltöltődnek. A folyamat konzervatív, azaz a körforgalomban mozgó víztömeg emberi léptékkel mérve konstans, a ciklus során csak halmazállapot-változás és a tározás formájának megváltozása történik. A víztömegek mozgása dominánsan egyirányú és ciklikusan ismétlődő.

2.1.2 A vizek eredete a vízkörforgalom szempontjából

A hagyományos osztályozás juvenilisnek nevezi a vízkörforgalomba először bekerülő vizeket. Eredet szerint ezt a vízet származtatják a Föld lassú tágulásából, amikor is alkotóelemeiből keletkezik. Felmerülhet szoláris eredet, amikor a Napból származó hidrogénatomokból és a földi légkör oxigénjéből képződik. A leggyakoribb származtatási elv a vulkáni működés vízgőz exhalációja. Izotópos vizsgálatokkal azonban kimutatták, hogy a nagy hidrotermális, geotermikus területeken – Izland, Kamcsatka, Japán, Új-Zéland, Yellowstone Nemzeti Park – a hévforrások uralkodóan meteorikus eredetűek.

Meteorikusnak tekintjük a vízkörforgalomban már legalább egyszer megfordult vízformákat. A litoszférában nagyjából 1 km mélységig húzódik egy aktív vízcseréjű zóna, ahol az utánpótlódás, átszivárgás és kiáramlás egyaránt intenzív. Meglepő, de 10-12 km mélységben is találtak meteorikus vizeket, így a Kola-félszigeti mélyfúrásban is. A korábbi osztályozások fosszilis vizeknek a rétegek lerakódásával egyidejűleg a kőzet-pórusokba került és ott megőrződött vizeket tekintették.

A vízkörforgalmat lemeztektonikai kontextusba helyezve születtek meg a víz eredetre vonatkozó legújabb osztályozások (Deming 2002). Eszerint a juvenilis víz kategória értelmét veszti, hiszen a vulkáni tevékenység a lemeztektonikai jelenségekhez köthető, és az így felszínre kerülő víz az óceánokból vagy az atmoszférából egyaránt származhat. Így az újabb osztályozás már ezt és a fosszilis víz kategóriát is elveti. Eredet szerint mindössze két kategóriával dolgozik, óceáni és meteorikus vizekkel. Az óceáni vizek a Föld óceánjaiban vagy más rezervoárokban található vizek, melyek összetétele nem változott lényegesen azóta, hogy kikerült az óceánból. A meteorikus vizek az atmoszférában találhatók, ill. abból származnak. E két alap kategória mellett a harmadik az átalakult vizek kategória, mely eredetét tekintve meteorikus vagy óceáni is lehet, de fizikai és kémiai folyamatoknak köszönhetően a kiindulásihoz képest lényegesen megváltozott összetétele. Ez az osztályozás tükrözi azt a szemléletet, hogy körforgalmuk során a vízrészecskék folyamatos átalakulásban vannak.

2.1.3 A vízkörforgalom folyamatai

A hidrológiai ciklusban öt főfolyamat hat (2.1. ábra), ezek: (1) párolgás: fizikai párolgás és transzspiráció, (2) kondenzáció és csapadékképződés; (3) interszepció vagy felszíni visszatartás, (4) beszivárgás, (5) lefolyás.

A hidrológiai körfolyamat kezdőpontja az, ahol a víz a hidroszférából és a litoszférából az atmoszférába kerül az evaporáció és a transpiráció folyamatai révén. Az evaporáció az a folyamat, amely a Napból nyert hőenergia révén a folyók, tavak, óceánok vizét, a jeget és a hót vízgőzzé alakítja, amely aztán belép az atmoszférába. A transzspiráció révén a növények juttatnak vizet az atmoszférába. E két folyamat szállít vizet a hidroszférából és a litoszférából az atmoszférába. Együttes hatásukat gyakran evapotranszspirációnak nevezik.

A vízkörforgalom elemei: párolgás, kondenzáció, csapadékképződés, beszivárgás, felszín alatti vízáramlás, köztes lefolyás, szárazföldi lefolyás, folyóvízi lefolyás

2.1. ábra: A vízkörforgalom egyszerűsített vázlata

A hidrológiai körfolyamat következő állomása az atmoszférából víz szállítása vissza a hidroszférába és a litoszférába a kondenzáció és a csapadékképződés folyamatain keresztül. Kondenzáció akkor történik, amikor a vízzel telített levegő a harmatpont alá hűl és a gőzállapotú vízből folyadékállapotú víz képződik. A felhők apró kondenzált vízcseppekből állnak. A csapadék a Föld felszínére hulló kondenzált víz, ami különféle formában – köd, eső, dara, hó – fordulhat elő. Az azonnal el nem párolgó csapadék egyrészt eléri a felszínt és a beszivárgás, a lefolyás számára rendelkezésre állóvá válik, illetve visszatartódik még mielőtt elérné a felszínt. A felszíni visszatartás vagy interszepció az a folyamat, amely révén a csapadék visszamarad a növényzeten és a mesterséges objektumokon. A visszatartás csak átmeneti állapot a hosszúidejű hidrológiai ciklusban, mivel később valamennyi visszatartott víz elpárolog, beszivárog a felszín alá vagy lefolyik a felszínen.

A beszivárgás a földfelszínt elért víz azon hányada, amely a felszín alá jutva eléri a talajvízszintet és a telített felszín alatti víztartó rendszert táplálja. A lefolyás lazán definiált kifejezés. A nagy víztartó rezervoárok, litoszféra és hidroszféra között, a felszín alatt és fölött folyadék állapotban cirkuláló vizet jelenti. A lefolyásnak alapvetően négy formáját különítjük el:

(1) szárazföldi lefolyás: a felszínt elért csapadék azon része, amely a földfelszínen keresztül áramlik,

(2) folyóvízi lefolyás: a víz folyamokban, folyóvizekben mozog,

(3) köztes lefolyás: a víz a telítetlen zónában mozog, azt időszakosan telítve. A telített zónába nem lép be, úgy jut ismét felszínre,

(4) felszín alatti vízáramlás vagy felszín alatti lefolyás a víz a talajvízszint alatt a telített zónában mozog a kőzeteken keresztül.

A hidrológiai körfolyamaton belül az ismertetett mozdító folyamatok következtében játszódik le a víztömegek helyváltoztatása. A kifejezések egyrészt folyamatokat jelentenek, másrészt pedig a folyamatokban résztvevő víz mennyiségének megjelölésére is szolgálnak. Ebben az esetben térfogati vagy intenzitás dimenzió használata szükséges a kifejezések mellett.

2.1.4 Felszín alatti vizek a vízkörforgalomban

A felszín alatti régió szerves része a vízkörforgalomnak. A felszín alatti vizek utánpótlása uralkodóan a csapadékból történik. A beszivárgó csapadékvíz a telítetlen avagy háromfázisú (víz, levegő, kőzet) zónán történő átszivárgással jut el a talajvízszintig (2.2 ábra).

Beszivárgás a telítetlen zónán át a telített zónába

2.2 ábra: A beszivárgás folyamata (ga.water.usgs.gov után módosítva). A világoskék szín a kapilláris zónát jelöli.

Igen érdekes a csapadék, a beszivárgás és a lefolyás összefüggése. Csapadékhulláskor – csendes eső esetén – először a felszíni mélyedések telnek meg vízzel. A víz a felszínen marad tócsák, pocsolyák formájában. Ez a víz elpárologhat, lefolyhat vagy beszivároghat a további csapadékesemények függvényében. Felszínen keresztül szárazföldi lefolyás (2.3. ábra) akkor fordul elő, ha a csapadékintenzitás fokozódik, meghaladja a beszivárgási kapacitást és a depressziós tározás lehetőségei is megtelnek. Nagy beszivárgási kapacitású kőzettel borított felszín esetén intenzív csapadékhullásra van szükség, hogy felszíni lefolyás előforduljon. Kivéve, ha a kőzet eleve vízzel telített vagy fagyott. Amennyiben a telítetlen zóna egyenletesen áteresztő, a víz túlnyomó része vertikálisan mozog a talajvízszint irányában, elérve azt, beszivárgásként táplálja. Azonos csapadékmennyiség esetén a nagyobb intenzitású csapadék kevesebbet nyújt a felszín alatti vízkészleteknek – egyébként azonos körülmények mellett – mint a kis intenzitású csapadék.

Csapadék, beszivárgási kapacitás, beszivárgás és lefolyás

2.3. ábra: A csapadék, beszivárgás és a lefolyás folyamatainak összefüggése (Fetter, 1994 nyomán )

Ugyanakkor koncentrált utánpótlódás is lehetséges, például nem karsztos és karsztos kőzet határán található víznyelőkön keresztül. A víznyelők a csapadékos időszakban aktivizálódnak, gyakran megfigyelhető, hogy csapadékmentes időszakban teljesen inaktívak.

A telítetlen zónában előforduló vízfogó réteg a vizet horizontális migrációra kényszerítheti. Ilyen eset fordul elő hegyvidéki területeken, ahol gyenge vízvezető képességű hasadékos kőzetet vékony, a mállott kőzeten képződött jól vezető kőzet-, epikarszt és/vagy talajréteg fedi. Ez az úgynevezett köztes lefolyás, ami időszakos forrásokba vagy a folyómederbe jut, de a folyóvízi hozamban is számottevő arányú lehet (2.4. ábra).

Köztes lefolyás (interflow)

2.4. ábra: A köztes lefolyás (Fetter, 1994 után módosítva)

Humid régiókban jellemző (2.5. ábra: a, b), hogy a folyóvíz megcsapolja a felszín alatti vizeket (gaining stream). A folyóba a víz mederszivárgás révén kerül. Ez a felszín alól származó vízhozam adja a folyók alap vízhozamát (baseflow). A folyóba a felszín alól bekerülő vízhozam egyenesen arányos a vízszint lejtésével, a hidraulikus gradienssel. Kis gradiens kis alap vízhozamot eredményez. Nagyobb hidraulikus gradiens mellett, nagyobb a szállított hozam, mélyebb a meder. Alapvetően megcsapoló jellegű folyó is táplálhatja a felszín alatti vizeket az áradások alkalmával (2.5. ábra: b).

Arid régiókban (2.5. ábra: c) a folyókat a felszíni lefolyás táplálja, de a köztes áramlás is jelentősen hozzájárul a folyók alap vízhozamához. Itt tehát a folyó rátáplál a felszín alatti vizekre, a táplálás mértéke függ a vízmélységtől és az allúvium áteresztőképességétől.

Azaz a folyók, tavak és a felszín alatti vizek kölcsönhatása is eredményezheti azt, hogy a felszín alatti vizek egy másik rezervoárból (folyóból, tóból, tengervízből) is kapnak vízutánpótlást.

Normál állapotban a talajvíz a folyóban csapolódik meg, a folyó áradása esetén a folyó rátáplál a talajvízre. Arid régiókban a folyó rátáplál a felszín alatti vízre

2.5. ábra: Megcsapoló folyó és a felszín alatti vizek kapcsolata a) normál és b) áradási állapotban, valamint c) arid klímán (Fetter, 1994 nyomán módosítva Mádlné Szőnyi, 2011)

A felszín alatti vizek megcsapolódása a vizek kijutását jelenti a felszín alól a vízkörforgalom egyéb tározóiba. Megállapíthatjuk, hogy a vízkörforgalom felszín alatti folyamatainak elemzésénél jelenleg túlzott figyelem fordul az utánpótlódás meghatározására, holott a felszín alatti vizek kiáramlása, megcsapolódása sokkal többet elárul a felszín alatti vizek által megtett útról, de akár a beszivárgó vízmennyiségről és annak helyéről is. A megcsapolódás történhet diffúz módon a talajvízszint evaporációja, transzspirációja útján, de koncentráltan források formájában is. A felszín alatti vízáramlások „végállomása” lehet folyómeder, tenger, tó vagy lagúna, ahol a megcsapolódás koncentrált, de diffúz módon is lejátszódhat (2.6. ábra).

A felszín alatti víz megcsapolódás formái: folyó, tó, forrás, lagúna, tenger

2.6. ábra: Felszín alatti víz megcsapolódás formái (módosítva www.meted.ucar.edu)

A felszín alatti vizek megcsapolódásának legkevésbé látványos formája az evaporáció és transzspiráció. Síkvidéki területeken leginkább ez jellemző (2.7. ábra).

l

Felszín alatti vizek megcsapolódása evaporáció és transzspiráció révén

2.7. ábra: Felszín alatti vizek megcsapolódása evaporáció és transzspiráció révén (Mádlné Szőnyi, 2011)

A litoszféra vizei tehát a vízkörforgalom felszín alatti komponensei, melyek folytonos kölcsönhatásban állnak az atmoszféra, hidroszféra és bioszféra vizével. A ciklus bármely részéből történő vízelvonás vagy vízhozzáadás a többi elemre is hatást gyakorol mennyiségtani értelemben. Így a folyóvizek áradásai, a tavak lecsapolása, a mezőgazdasági célú öntözés közvetetten a felszín alatti vízkészleteinket is befolyásolja és viszont. A felszín alatti vizek helyzete befolyásolja a felszíni vizeket, nem csak úgy, hogy a folyómederbe hosszú, csapadékmentes időszakban vizet juttat, de a belvíz helyzetet és az árvizek levonulását is érinti.