3. fejezet - Hidrológia, vízügy, vízgazdálkodás

Tartalom

3.1. A víz körforgalma
3.2. Csapadék
3.3. Párolgás
3.4. Beszivárgás
3.5. Lefolyás
Ellenőrző kérdések

A hidrológia tárgya a földi vizek előfordulásának és eloszlásának vizsgálata, fizikai és kémiai tulajdonságainak, valamint a környezettel való kölcsönhatásainak elemzése. A meteorológiához szorosan kötődik, amit az is jelez, hogy a mérések, megfigyelések szervezése, az ajánlások megfogalmazása a Meteorológiai Világszervezethez (World Meteorological Organization, WMO) kapcsolható (pl.: WMO, 2008a). A hidrológia feladata a hidroszférában található víz mozgásának, illetve mennyiségének és minőségének meghatározása. Specifikusan az alábbi részfeladatokat fogalmazhatjuk meg:

(1) A víz megjelenési formáinak és a víz földi körforgalmának minél pontosabb feltárása.

(2) Adott vízgyűjtőterületre, országra, kontinensre, vagy a teljes Földre felírt vízháztartási mérleg egyes elemeinek térben és időben való változásának és kölcsönhatásának megismerése.

(3) A vízminőség vizsgálata, a vízháztartási mérleg egyes elemeinek előrejelzése.

A hidrológia szűkebb értelemben a szárazföldi területek hidrológiáját jelenti. Ezen belül a potamológia foglalkozik a felszíni vízfolyásokkal, a limnológia az álló édesvizekkel, a hidrogeológia a felszín alatti vizekkel, a balneológia a gyógy- és hévizekkel, a kriológia a szárazföldeket borító hó- és jégtakaróval, s a hidrometeorológia a szárazföldi felszínek és a troposzféra közötti víz- és energia-forgalom tanulmányozásával.

A hidrológia alapfeladatainak ellátásához szükség van rendszeresen végzett mérésekre, megfigyelésekre, melyeket a hidrológiai észlelőhálózatok fognak össze. Ezek egymásra épülése rendszerint vízrajzi egységekhez, vízgyűjtő területekhez kapcsolódik, de természetesen országos hálózatokra is tagolódnak. A vízgyűjtő területek sokszor az országhatárokon át húzódnak, ezért kulcsfontosságú az országos hálózatok, vízügyi szervezetek között nemzetközi együttműködés.

A hidrológiai észlelőhálózatokon belül megkülönböztethetünk első rendű állomásokat (másnéven alap- vagy törzsállomásokat) – melyeken határozatlan ideig folynak folyamatos észlelések –, másodrendű állomásokat – melyeken meghatározott ideig történtek észlelések, ezek már elég hosszúak a statisztikai vizsgálatok elvégzésére, kapcsolatok feltárására –, s különleges célú állomások – melyeket létrehozhattak például valamilyen speciális műszaki feladat megoldása érdekében, illetve műszerek vagy mérési eljárások tesztelésére. A hidrológiai méréseket a meteorológiai megfigyelésekhez hasonlóan a szinoptikus időpontokban, fő- és mellékterminusokban végzik (00, 06, 12, 18 UTC, illetve 03, 09, 15, 21 UTC). Bizonyos esetekben ettől eltérően ún. optimális időközöket alkalmaznak a méréshez. Például vízmércék esetén gyakrabban végeznek megfigyeléseket a veszélyesebb, árvízi helyzetekben, s ritkábban a kevésbé veszélyes, kisvízi helyzetekben. Egy másik példaként a párolgásmérést említhetjük: a markáns napi/évi menet miatt míg nappal/nyáron sűrűbben szükséges a méréseket feljegyezni, addig éjjel/télen ritkábban is elegendő.

3.1. A víz körforgalma

A Föld teljes vízkészlete mintegy 2 milliárd km3 (kb. 2·1018 tonna), ennek 30%-a kémiailag kötött, a maradék 1,4 milliárd km3 a globális víztározókban található (3.1. ábra). A legnagyobb földi víztározó az óceánok és a tengerek vize (a hidroszféra 97,2%-át adja), melyek jelentős sótartalommal rendelkeznek. Az emberiség számára ivóvízként és mezőgazdasági felhasználásra alkalmas édesvizek csupán a teljes hidroszféra 2,8%-át teszik ki. Ennek nagy része a krioszférához kapcsolódóan a gleccserekben, illetve állandó hó- és jégtakaró formájában (elsősorban az Antarktiszon és Grönlandon) van jelen bolygónkon. Az édesvizek jelentős része a szárazföldi felszín alatt található (például talajnedvesség, talajvíz, vagy mélyebb kőzetrétegek közötti víz formájában), s csak elenyésző – kevesebb mint 1% – mennyiséget jelent a felszíni tavak és különböző méretű vízfolyások vize. Mind a krioszférából, mind a szárazföldi területekről a lefolyás útján kerül a víz a tengerekbe, óceánokba.

A földi vízkészlet megoszlása

3.1. ábra: A földi vízkészlet megoszlása

Még a szárazföldi vízkészlethez képest is elenyésző a légkörben lévő vízmennyiség, melynek viszont óriási jelentősége van meteorológiai, klimatológiai szempontból. A légköri víz 90%-a az alsó 8-10 km-es rétegben, a troposzférában található. Ennek nagy része (mintegy 95%-a) vízgőzként van jelen, s csupán a maradék 5% szilárd vagy cseppfolyós halmazállapotú. Ha a légkörben lévő teljes nedvességtartalom egyenletes földrajzi eloszlásban egyszerre kihullana, akkor mindössze 25 mm csapadékmennyiséget jelentene. Az óceáni, illetve szárazföldi felszínek és a légkör között lejátszódó körforgalom – a párolgás és a csapadék révén (3.2. ábra) – biztosítja azt, hogy a globális víztározókban található vizek közül a légköri víznek a legrövidebb a tartózkodási ideje: mindössze 9 nap. Így egyetlen év alatt kb. 40-szer újul meg a légköri vízkészlet, s a teljes Földre vonatkozóan átlagosan 1000 mm az évi csapadékmennyiség. A legnagyobb mértékű vízforgalom az óceánokhoz kapcsolódik, a párolgás útján távozó vízmennyiség évente 502.800 km3, a csapadékhullással érkező vízbevétel pedig évente átlagosan 458.000 km3.

A víz természetes körforgalma

3.2. ábra: A víz természetes körforgalma (Shiklomanov nyomán)

A víz tartózkodási ideje jóval hosszabb – néhány ezer évre tehető – az óceánokban, s még hosszabb – tízezer év nagyságrendű – a krioszférában. A szárazföldi vizek esetén átlagosan néhányszáz év a tartózkodási idő. Ez azonban tág határok között változik: kisebb vízfolyásokban csupán néhány nap, nagyobb folyamok – mint például a Duna – esetén 25-30 nap, a nagyobb tavakban tipikusan néhány év – például a Balatonban 10-12 év –, a felszín alatti vizek esetén viszont többezer év.

A víz természetes körforgalmával kapcsolatban egyrészt az állandó mozgásban lévő víz fizikai, kémiai tulajdonságainak vizsgálata, s a mozgást fenntartó és befolyásoló törvények feltárása a célunk, másrészt a térben és időben rendelkezésre álló vízkészletek meghatározása. Mozgásállapot szerint megkülönböztethetünk (1) ún. statikus vízkészletet: a vizsgált területen (felszínen vagy felszín alatti rétegekben) adott időpontban tározott víz mennyiségét, (2) ún. dinamikus vízkészletet: a vizsgált területre adott időegység alatt érkező vagy onnan távozó vízmennyiséget. Vízgazdálkodási szempontból elsősorban a dinamikus vízkészlet alkalmas emberi felhasználásra, hiszen a statikus vízkészletnél általában nincs, vagy nagyon korlátozott az utánpótlódás lehetősége, s így hamar elfogyhat.

A víz mesterséges körforgalma figyelembe veszi az emberi tevékenységek hatását: a változatos céllal történő vízkivételt, s a használat utáni visszaeresztést. Ennek megfelelően szükséges vizsgálni a vizek kémiai, illetve biológiai szennyezését. A vízgyűjtőterületen végzett beavatkozások nagymértékben befolyásolják a víz körforgalmát. Például az egyre több vízzáró felszín kialakításával – elsősorban a településeken – akadályozzuk a víz természetes útját, a beszivárgást, melynek során a felszínről a felszín alatti rétegekbe, a talajba jut a víz. Az útburkolatok esetén az a célunk, hogy a vízzáró felszín minél hatékonyabb legyen, ez szintén nem kedvez a beszivárgási folyamatnak. A mezőgazdasági területeken a talajművelési gyakorlat, az alkalmazott technológiák, s az öntözés is módosítja a természetes folyamatok menetét. Az emberi beavatkozás vitathatatlan azokban az esetekben is, amikor a vízfolyások természetes árterületét megszüntetjük, vagy az erdőket kiirtjuk például annak érdekében, hogy a mezőgazdasági művelés alá vont terület nagyságát növeljük.

A 3.3. ábráról leolvasható az egyes szektorok vízhasználatának az elmúlt évszázadban bekövetkezett jelentős globális növekedési tendenciája és a következő évtizedre becsült várható trendje. A grafikonokon bemutatott szektoronkénti globális vízfelhasználás rendkívül nagy régiók közötti különbségeket takar, mely elsősorban a népességnövekedés és a gazdasági fejlődés függvénye. Például a háztartások egy főre jutó vízfelhasználása a fejlett országokban 500-800 liter naponta, míg a fejlődő országokban ennek csupán kb. hatoda 60-150 liter naponta (EMEP).

A globális vízhasználat alakulása ágazatonként a múltban és becsült értéke a jövőben, 1900-2025

3.3. ábra. A globális vízhasználat alakulása ágazatonként a múltban és becsült értéke a jövőben, 1900-2025. (UNEP nyomán)

A víz körforgásának jellemzését végezhetjük a vízháztartási (hidrológiai) egyenleg felírásával, mely egy adott terület érkező és távozó vizeinek, illetve az ott tárolt vízkészlet változásának összhangjaként jelenik meg egy adott időszakban. A vízháztartási mérleg összegzi a felszíni és felszín alatti vízkészletek mennyiségi és minőségi, térbeli és időbeli eloszlására vonatkozó részletes ismereteket, a különböző hidrológiai elemeknek egy adott vízgyűjtő területen megvalósuló kölcsönhatását, az adott terület vízháztartásának mennyiségi leírását, s kifejezi a tömegmegmaradást:

P = ET + R – RH + I + Uh ±ΔS

aholP: csapadék,ET: párolgás (evapotranszspiráció),R: felszíni lefolyás, RH: felszíni hozzáfolyás,I: beszivárgás (infiltráció),Uh: vízfelhasználás,ΔS: természetes vízkészletváltozás.

A mérlegegyenletben minden mennyiséget mm-ben adunk meg, mely az 1 m2-es területegységre vonatkozó vízoszlop magasságát jelöli. A tömegmegmaradás miatt elegendően hosszú időt tekintve és a teljes Földre alkalmazva a hidrológiai egyenleget kapjuk, hogy:

P = ET

A hidrológiai egyenleg felírására alkalmazott jellemző időegységek: év, félév, hónap. A hidrológiai év kezdete az ősznek az a napja, amikor a napi középhőmérséklet megegyezik az átlagos évi középhőmérséklettel. Ez Magyarországon november 1.-t jelenti, s így a hidrológiai év november 1.-től október 31.-ig tart, ezen belül elkülöníthetjük a téli félévet (november 1. és április 30. között) és a nyári félévet (május 1. és október 31. között).

A további alfejezetekben sorra vesszük a hidrológiai egyenleg legfontosabb tagjait.