11. fejezet - Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben

Tartalom

11.1 Történeti háttér
11.2 Az egységmedence
11.2.1 Az egységmedence alapvető tulajdonságai
11.2.2 Hidrodinamikai paraméterek az egységmedencében
11.3 Kis vízgyűjtő vagy összetett medence
11.3.1 A kis vízgyűjtő medence alapvető tulajdonságai
11.3.2 Áramlási rendszerek és hidraulikai rezsimjeik összetett medencékben
11.4 A hidrogeológiai környezet elemeinek hatása a felszín alatti vízáramképre
11.4.1 A medence geometriájának hatása a felszín alatti vízáramképre
11.4.2 A földtani felépítés hatása a felszín alatti vízáramlás geometriájára
11.4.3  A klíma hatása a felszín alatti vízáramképre
11.5 Esettanulmány a Duna-Tisza közéről
11.6 Ellenőrző kérdések
11.7 A fejezetben felhasznált irodalmak

A kiterjedt medencebeli felszín alatti vízáramlási rendszerek létezése a 10. fejezetből megismert hidraulikus folytonosság egyik meghatározó természeti következménye.

A regionális vízáramlási rendszerek megértésével célunk a kutakban és egyéb hidrogeológiai szituációkban végzett megfigyelések értelmezése, és előrejelzés lehet. Három tanulmányozási módszer terjedt el a hidrogeológiai gyakorlatban: (i) matematikai modellezés, (ii) folyadék dinamikai paraméterek terepi mérése kutakban, (iii) áramlás okozta természeti jelenségek térképezése. A folyadék dinamikai paraméterek megjelenítésének három alapvető módja van: (1) h(x,y) potenciometrikus térkép, (2) h(z,s) potenciál szelvény, (3) p(d) vagy p(z) [p(x,y,z)] nyomás vs. mélység vagy nyomás vs. eleváció profilok. A folyadék dinamikai paraméterek megjelenítésének első két módszerével már találkoztunk a 8. fejezetben.

A vízgyűjtő medencékben zajló regionális vízáramlások tanulmányozása során azt az elvet követjük, hogy az egyszerű, csak elvi szinten létező elméleti medencétől (egységmedence) haladunk az összetettebb (kis vízgyűjtő medence) áramképe felé annak érdekében, hogy később, az összetett valódi medencék áramképét is megérthessük.

11.1 Történeti háttér

Elsőként Franklin H. King (1899) ismerte fel, hogy a talajvíztükör nagyjából követi a topográfiát, ez alapján feltételezte, hogy a felszín alatti vizek a topográfiai magaslatoktól a mélyedések felé áramlanak (11.1. ábra). A vízmozgást fenntartó dinamikai mechanizmusként a csapadék utánpótlást jelölte meg.

King (1899) áramlási rendszere a topográfiát követő talajvíztükörrel

11.1. ábra: King (1899) áramlási rendszere a topográfiát követő talajvíztükörrel

Komplex, hierarchikus eloszlású felszín alatti vízáramlási rendszerről elsők között Paul F.J. Fourmarier (1939) írt. A 11.2. ábra áramképén a fő vízválasztó és völgy között egy kis almedence – a mai szóhasználattal élve – helyi, lokális áramlási rendszereket generál mindkét oldalon.

King (1899) és Fourmarier (1939) áramlási rendszerei egyaránt koncepcionális modellek. Az elméleti és kvalitatív megfontolások korszakát lezárva, M. King Hubbert (1940) helyezte elsőként szigorúan fizikai-matematikai alapokra a felszín alatti vízáramlási rendszerek vizsgálatát. „The Theory of Ground-Water Motion” című 1940-es klasszikus tanulmányában Hubbert vezette be a folyadék potenciál (Φ ) fogalmát, valamint annak összefüggését a nyomás gradienssel és a megfigyelési pont tengerszint feletti magasságával (eleváció, z)

. Ezáltal az áramtér kiszámíthatóvá, modellezhetővé vált a hajtóerő (például gradh) és a közeg hidraulikus vezetőképessége alapján (ld.: Darcy-törvény). Ettől kezdve a medence léptékű áramlási mintázatok, ‒ határérték problémák megoldásaként ‒ matematikailag előállíthatóvá váltak. Hubbert (1940) áramképét a 11.3. ábra mutatja. Ezen a vízválasztók és fő völgyek alatt húzódó függőleges szimmetria tengelyek impermeabilis határt képeznek, míg az áramteret alulról egy impermeabilis aljzat zárja le. King (1899) nyomán a talajvíztükör Hubbert-nél (1940) is a topográfiát követi, a megcsapolódás pedig a völgyekben koncentrálódik.

Fourmarier (1939) komplex áramlási rendszere

11.2. ábra: Fourmarier (1939) komplex áramlási rendszere

Hubbert (1940) áramlási rendszere a topográfiát követő talajvíztükörrel és a völgyekben zajló megcsapolódással

11.3. ábra: Hubbert (1940) áramlási rendszere a topográfiát követő talajvíztükörrel és a völgyekben zajló megcsapolódással

A Hubbert (1940) által rekonstruált áramkép egészen az 1960-as évek elejéig elfogadott volt. A magyar származású geofizikus, Tóth József a kanadai Alberta tartományban végzett hidrogeológiai kutatása során szintén ebből a tanulmányból indult ki és arra a felismerésre jutott, hogy a völgytalpakon futó patakok vízhozama megmagyarázhatatlanul alacsony az utánpótlódási terület nagyságához és a csapadék mennyiségéhez képest. Ennek okait kutatva  rájött, hogy Hubbert áramlási rendszerében a völgyben összetartó áramvonalak nem a matematikai megoldás eredményei, hanem a kiindulási feltételek részét képezik. Ezt követően Tóth (1962) analitikusan (ténylegesen) megoldotta a Laplace-egyenletet egy egyszerű geometriájú és lineárisan lejtő térfelszínű medencére. Ehhez úgy módosította Hubbert (1940) határérték problémáját a felső határ mentén, hogy a talajvíztükör ne csak nagyjából kövesse a felszíni topográfiát, hanem azzal pontosan essen egybe (hidraulikus emelkedési magasságok a felszínen egyezzenek meg a felszín elevációjával, h=z). Ennek eredményeként már nem csak a völgyben koncentrálódott a megcsapolódás, hanem a medence teljes alsó szakaszán jelentkezett. Az új határérték probléma analitikus megoldásaként létrejött áramképet pedig egységmedencének (unit basin) nevezte el (Tóth, 1962).

A következő lépésben az egységmedence lineárisan lejtő felszínét egy a valósághoz közelebb álló, szinuszoidális felszínnel helyettesítve Tóth (1963) analitikus megoldását adta egy elméleti kis vízgyűjtő medence (composite basin) áramlási rendszerének is.