2.2 A vízmérleg-koncepció

2.2.1 Rendszerelvű megközelítés

A rendszer – definíció szerint – alkotóelemek olyan összessége, amik dinamikus kapcsolatban állnak egymással. A hidrológiai ciklus alap rezervoárjai, rendszerei az atmoszféra, hidroszféra és a litoszféra. Ezeken belül – a felszín alatti vizek szempontjából – elkülöníthetjük: a növényzet, a földfelszín, talajnedvesség, felszín alatti vizek, medertárolás, óceáni medencék stb. alrendszereket.

A valós, dinamikus rendszerek a fizika alaptörvényei szerint működő rendszerek. A hidrológiai körfolyamat valamennyi alrendszere – a dinamikus, azaz a fizikai rendszerek működési elvén alapulva – vizet vesz fel (input), az átfolyik rajta (throughout), majd kifolyik (output) belőle. Az alrendszerek ezen vizet transzportáló folyamatai külön kezelendők az adott alrendszer szempontjából. Az általuk szállított vízmennyiségnek a később tárgyalásra kerülő vízmérleg-számításoknál van jelentősége. Egy példával illusztrálva, az atmoszféra inputja a párolgás, az átfolyás a kondenzáció, a kifolyás a csapadékhullás révén valósul meg.

A rendszerelvű megközelítés előnye, hogy integráló és keretet ad a folyamatok megértéséhez és az ezen alapuló számításokhoz. Megköveteli a különféle rendszerek közötti kapcsolatok egzakt megfogalmazását. Lehetővé teszi a ciklus matematikai leírását.

2.2.2 A vízmérleg egyenlet

A hidrológiai rendszerek elemzése a tömegmegmaradás törvényén nyugvó vízmérleg-megközelítésen alapul. A vízmérleg megközelítés alapösszefüggése a hidrológiai egyenlet, ami fogalmi alakjában triviális:

Befolyás = Kifolyás +/- ΔTározás

A vízmérleg lényegében egy rendszerben előforduló vízmennyiségek nyilvántartásba vétele, beleértve a betáplálást, átfolyást és a kifolyást. Adott térfogatra és adott időintervallumra írható fel. Definíció szerint egy leltár, adott térrészbe specifikus idő alatt bejutó, onnan kilépő, valamint az ott tárolt vízmennyiséget jelenti. A vízmérleg egyenlet azt fejezi ki, hogy adott referencia térfogatra és időszakra vonatkozóan a kifolyó és a befolyó vízben jelentkező különbség változást idéz elő az adott térfogatra vonatkozó tározott készletben. A hidrológiai egyenletben szereplő mennyiségek áramlási intenzitás vagy térfogat dimenziójúak egyaránt lehetnek. Annak érdekében, hogy kiküszöböljük a különböző időskálán történő számítás okozta hibákat, célszerűbb a térfogategységek használata. Az egyenlet alkalmazása lehetővé teszi a szakszerű gazdálkodást a vízkészletekkel.

A kérdés bemutatására tekintsük át a hidrológiai egyenlet komponenseit a felszín alatti vizeket, mint rendszereket tekintve. A befolyás komponensei: csapadék, felszín alatti hozzáfolyás, felszíni hozzáfolyás, emberi import, így a csatornán keresztül a területre bevezetett víz, öntözés. A kifolyás komponensei: evaporáció, transpiráció, felszín alatti elfolyás, felszíni elfolyás, emberi export, így csatornán a területről elvezetett víz, vízkivétel kutakon keresztül stb. A tározott készletváltozás: a felszín alatti vízmennyiség megváltozása, ami jelentkezhet talajnedvesség, vízszint, vízhozam változásban.

A hidrológiai egyenlet felírásának csak akkor van értelme, ha meghatározott térfogatra (pl. vízgyűjtőmedence, tó, stb.) és meghatározott időintervallumra vonatkoztatjuk. Azaz megadjuk a vonatkoztatási térfogatot és időt. Rövid időintervallum esetén számottevő lehet a tározott készletváltozás. Hosszú időt figyelembe véve a hidrológiai egyenlet ezen tagja tart a zérushoz.

2.2.3 A hidrológiai rendszerek osztályozása

A hidrológiai egyenlet különféle méretű referencia térfogatra való alkalmazása vezet el a hidrológiai rendszerek osztályozásához, amely szerint azok nyitottak vagy zártak lehetnek.

Egy zárt hidrológiai rendszer vonatkoztatási térfogatán belül a tározott készlet nem változik. A rendszer határain keresztül nincs vízcsere. A zárt rendszerek nagy területeket és hosszú időintervallumokat fednek le, és ezalatt nincs változás a rendszer összes víztömegében. Hidrológiai értelemben a Föld vízmérlege globálisan zárt.

A nyitott rendszerek kisebb területi kiterjedésűek és rövidebb időszakra vonatkoznak, mint a zárt rendszerek. A nyitott hidrológiai rendszer határain keresztül van vízforgalom. A rendszer adott részeiben ideiglenes vízfelhalmozódás, illetve víztömegcsökkenés léphet fel. A nyitott rendszer permanens, egyensúlyi állapotában a rendszerbe bejutó valamennyi víz átszállítódik a környező rendszerekbe. Azaz a rendszerben tározódó vízmennyiség nem változik. Nem permanens esetben a tározás változása nem zérus, azaz a kifolyás nagyobb vagy kisebb, mint a befolyás. Ennek megfelelően a rendszerben lévő vízmennyiség csökken vagy nő a kiindulási állapothoz képest.

Nyitott felszíni hidrológiai rendszer például egy tó, amelyet a csapadék, felszíni vízfolyások, mesterségesen bevezetett felszíni víz valamint a medrén át felszivárgó felszín alatti víz táplálhat. Vizének fogyasztója az evaporáció, a transzspiráció, a kilépő vízfolyások, elvezető csatornák, közvetlen vízkivételek és a felszín alá történő elszivárgás. Adott időintervallum alatt, ha a teljes hozzáfolyás több mint a kifolyás, vízfelhalmozódás, azaz vízszintemelkedés történik. Ellenkező esetben vízszintcsökkenés következik be.

Nyitott felszín alatti hidrológiai rendszer például egy extenzív áramlási rendszerű kis vízgyűjtő medence (2.8. ábra).

Kis vízgyűjtő medence vízmérlege

2.8. ábra: Kis vízgyűjtő medence, mint nyitott hidrológiai rendszer, vízmérlege

2.2.4 A felszín alatti vizek jelentősége a Föld vízmérlegében

Mint utaltunk rá, a Föld hidrológiai értelemben, globálisan zárt rendszerként kezelhető. Ezért vízkészlete emberi léptékkel állandónak tekinthető (2.9. ábra). A Földön az édesvíz – az 1000 mg/l-nél kisebb összes oldott anyag tartalmú víz – a teljes víztömegnek mindössze 2,8%-a. Ebből 2,1% a sarki jégsapkákban és gleccserekben kötött víztömeg, a felszíni víz részesedése 0,009%, a felszín alatti vízé pedig 0,61%. A mobilizálható édesvízkészlet 98%-a tehát felszín alatti víz. Ehhez képest elenyésző a felszíni vizek és a talajnedvesség édesvízkészlete.

Ugyanakkor a hidrológiai körfolyamaton keresztül nemcsak a víz közvetítődik egyik rezervoárból a másik felé, hanem a vizes oldatban zajló anyagtranszport is zajlik, beleértve a szennyező anyagok transzportját is. Ezért és a vízkészletek „megújulása” szempontjából is különleges jelentőségű az egyes rezervoárokban tárolt víz tartózkodási ideje (2.9. ábra). A két szélsőértéket az óceánvíz és a légköri víz képviseli a tartózkodási idők átlagát tekintve. Ugyanakkor a vízkörforgalom rezervoárjai közül a legnagyobb szélsőségek a felszín alatti vizekre jellemzőek. Itt hetektől, napoktól egészen 104–106 évig is terjedhet a tartózkodási idő.

A jelenleg a világra vonatkozó ~4000 km3/év vízhasználat 99%-a csapadékból utánpótlódik, azaz megújuló forrásból származik. Kevesebb, mint 1%, azaz 30 km3/év ered nem megújuló forrásból, főleg Algéria, Líbia és Szaud-Arábia területén található víztartókból (Comprehensive Assessment of Agriculture 2007). Globálisan a teljes vízhasználat 20%-a származik felszín alatti vizekből, megújuló és csapadékból nem pótlódó forrásból. Ez a részesedés gyorsan nő, főleg a vízben szegény területeken, ahol a felszín alatti vízhasználat ötszörösére nőtt a XX. században. Azokon a területeken, ahol édesvízhiány van, ott sós vizet vagy tisztított szennyvizet használnak vízellátási célból. Ez a globális vízmérlegben nem éri el az 5%-ot, mégis jelentős a benne rejlő potenciál.

Paraméter

Felület

(106 km2)

Térfogat

(106 km3)

Térfogat

(%)

Ekvivalens mélység (m)

Tartózkodási idő

Óceánok és tengerek

361

1370

94

2500

~4000 év

Tavak és víztározók

1,55

0,13

<0,01

0,25

~10 év

Mocsarak

<0,1

<0,01

<0,01

0,007

1-10 év

Folyók

<0,1

<0,01

<0,01

0,003

~2 hét

Talaj-nedvesség

130

0,07

<0,01

0,13

2 hét-1 év

Felszín alatti víz

130

60

4

120

2 hét- 10000 év

Sarki jég és gleccserek

17,8

30

2

60

10-10000 év

Légköri víz

504

0,01

<0,01

0,025

~10 nap

Víz a Bioszférában

<0,1

<0,01

<0,01

0,001

~1 hét

2.9. ábra: A Föld vízkészletének megoszlása a különböző rendszerek és alrendszerek között és a tartózkodási idő egyes víz-rezervoárokban (Freeze és Cherry, 1979 )

2.2.5 Esettanulmány

A Mono-tó (2.10. ábra) szemléletes példája annak, hogy az egyébként rendkívül egyszerű vízmérleg-egyenlet figyelmen kívül hagyása, és emiatt a hidrológiai egyensúly megbomlása, milyen komoly hidrológiai és környezeti károkkal jár egy hidrológiai rendszer életében.

Mark Twain utazásai során már 1860-as években felismerte, hogy a Sierra Nevada keleti lejtőjénél elterülő, Nevada és Kalifornia állam határához közel fekvő Mono-tó egy lefolyástalan tó. Az író „dark and bloody mystery”-ként értékelte, hogy közel fél tucat patak folyik bele a tóba, de egyetlen folyó, vagy patak sem szállít el belőle vizet.

A Mono-tó földrajzi elhelyezkedése, a tó hidrológiai állapotváltozása a vízelvezetés következtében

2.10. ábra: A Mono-tó földrajzi elhelyezkedése, a tó hidrológiai állapotváltozása a vízelvezetés következtében (Fetter, 1994 után módosítva )

A Mono-medence egy hegyközi medence, zárt vízgyűjtője egyik része Mono County-ban Kaliforniában, másik része Mineral County-ban Nevadaban található. A medence kb. 300 km-re fekszik San Francisco-tól és a Yosemite Nemzeti Park keleti határát képezi. A tó közel ellipszis alakú, 22 km kelet-nyugati irányban és 16 km észak-déli irányban. A tavat 2500–2700 m magas hegyek veszik körül.

A tó természetes állapotában klimatikus kontroll alatt állt, azaz a tavat tápláló vízfolyások és a felszín alóli hozzáfolyás egyensúlyt tartott a tó vizét fogyasztó evaporációval. Az 1860-as években a tó vízszintje 1925 m tengerszint feletti magasságon volt. A természetes vízszintingadozás +/- 4 m. Az 1930-as évektől kezdve Los Angeles vízellátását a tavat tápláló vízfolyások vizének elvezetésével kívánták megoldani. Tárolók, csatornák építésébe kezdtek. 1941-től a Mono-tóba vezető vízfolyások közül négyet elvezettek a Los Angeles vízvezetékbe. Míg 1949-ben a vízszint 1923 m tengerszint feletti magasságon volt és a tófelszín 24610 ha-t tett ki 5,2%-os sótartalom mellett, 1981-re a vízszint 11 m-t süllyedt és a tófelület közel harmadával összezsugorodott (18400 ha). Ekkorra a tó sótartalma 9,5%-ra növekedett.

A vízszintcsökkenés oka, a tó hidrológiai egyensúlyának megbomlása, és az ennek következtében lejátszódott tározott készlet csökkenés. A tóba ömlő folyók elvezetése miatt a természetes párolgás jóval meghaladta a táplálást, ez vezetett a vízszintcsökkenéshez. Egyenletes csökkenést feltételezve a stabilizálódást 1897 m-es tengerszint feletti magasság mellett prognosztizálták, 10350 ha-os tófelszín és 27%-os sótartalom mellett.

A káros hidrológiai folyamatok a tókörnyék élővilágát is befolyásolták, azaz másodlagos ökológiai folyamatokat is előidéztek. A tó rák- és szúnyogállománya csökkent. Ennek következtében a Mono-medence táplálékláncának egy fontos része megsérült, mert ezek az élőlények sok fészkelő vándormadár táplálékául szolgáltak.

Hasonló helyzet állt elő a Föld egykor legnagyobb állóvizeként ismert Aral-tónál is. A nyolcvanas években az üzbég földekről hektáronként 25 mázsa gyapotot takarítottak be. A köztársaság vetésterületének háromnegyed részét a gyapotcserje ültetvények foglalták el. Az öntözéshez szükséges hatalmas mennyiségű vizet az Aral-tóba ömlő Szir-darja és Amu-darja folyókból biztosították. A párolgási fogyasztás jóval meghaladta a tavat tápláló vízmennyiséget. A tó kiszáradt medréből a szél által kifújt sós por beborítja a környéket, súlyos légzőszervi és szembetegséget okozva a vízgyűjtő területén élő helybélieknek.