A VÍZBÁZISVÉDELEM JELENTŐSÉGE, MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LÉPÉSEI - VÍZBÁZIS SÉRÜLÉKENYSÉG VIZSGÁLATI MÓDSZEREK. Vízbázisvédelem folyamata

Földrajzi Konferencia, Szeged 2001.

A VÍZBÁZISVÉDELEM JELENTŐSÉGE, MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LÉPÉSEI VÍZBÁZIS SÉRÜLÉKENYSÉG VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Szántó Zsuzsa1 - Palcsu László2 - Futó István3 - Molnár Mihály4 - Svingor Éva5 Vízbázisvédelem folyamata A jelenlegi adatok alapján hazánkban az üzemelő közműves ivóvízellátó művek napi kapacitása 4,5 millió m3. Természeti adottságaink következtében a napi szükséglet több mint 90%-a különböző típusú felszín alatti, míg alig 10%-a felszíni vizekből származik. A WHO ajánlása szerint lehetőleg felszín alatti vizeket kell igénybe venni a közüzemi ellátásban, mert egy-részt a haváriaszerű szennyezésekre kevésbé érzékenyek, ugyanakkor vízkezelési technológiájuk egyszerűbb és így olcsóbb. Ugyanakkor nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt sem, hogy a megelőzés mindig hatékonyabb, mint a későbbi kármentesítés. A fenti tények együttesen indokolták Magyarországon is az üzemelő felszín alatti vízbázisok védelmét szolgáló célprogram alapelveinek kidolgozásét (1985-86). Az anyagi fedezet és a korszerű jogi szabályozás megteremtésével csak 1995-ben vált lehetővé az ivóvízbázisok védelmi célprogramjának tényleges elindítása, így az előkészítő felmérések elvégzése és a részletes vizsgálatok állapot-értékelési módszertanának kidolgozása. Az országban közel 700, különböző típusú (földtani viszonyok, kutak száma, kapacitás, vízminőség, prognosztizált védőterület nagysága, szennyező források száma, eddigi intézkedések) vízbázis került a célprogramba. A vízbázisvédelem folyamata három egymást követő részben valósul meg: 1. alapállapot felmérés (diagnosztikai fázis) 2. biztonságba helyezési fázis 3. biztonságban tartási fázis A vízellátás számára a rétegvízbázis jelenti hosszú távon a megnyugtató megoldást. A cél tehát a megfelelő minőségű és mennyiségű ivó- és ipari víz biztosításához szükséges alapok megteremtése, melynek során a közeledő EU-csatlakozás szempontjait is maradéktalanul teljesíteni kell. Ehhez a diagnosztikai felmérést az anyagi lehetőségek keretein belül a lehető legmagasabb szinten kell elvégezni. Csak így lehet majd a további fázisokat (biztonságba helyezési- és biztonságban tartási-) megfelelően folytatni. (Megjegyzendő, hogy ilyen szintű vizsgálatokra a felszíni vízbázisok esetében is szükség van, gondoljunk csak az állandóvá vált belvizes problémákra vagy a haváriát – pl. a Szamoson és a Tiszán levonuló ciánszennyeződés - okozó közvetlen hatásokra. A diagnosztikai fázis megvalósításának lépéseit a következőképpen fogalmazhatjuk meg:

1

Dr. Szántó Zsuzsa PhD, laborvezető, MTA ATOMKI, Környezetanalitikai Laboratórium, 4032 Debrecen, Bem tér 18/c, [email protected] 2 Palcsu László, doktorandusz, MTA ATOMKI, Környezetanalitikai Laboratórium, 4032 Debrecen, Bem tér 18/c, [email protected] 3 Dr. Futó István, fizikus, MTA ATOMKI, Környezetanalitikai Laboratórium, 4032 Debrecen, Bem tér 18/c, [email protected] 4 Molnár Mihály, doktorandusz, MTA ATOMKI, Környezetanalitikai Laboratórium, 4032 Debrecen, Bem tér 18/c, [email protected] 5 Dr. Svingor Éva PhD, fizikus, MTA ATOMKI, Környezetanalitikai Laboratórium, 4032 Debrecen, Bem tér 18/c, [email protected]

1

Szántó Zs.-Palcsu L.-Futó I.-Molnár M.-Svingor É.: A vízbázisvédelem jelentősége…

1. Valamennyi szükséges korábbi adat és egyéb információ összegyűjtése és rendszerezése (pl. kutak fúrási alapadatai, víztermelési és vízszintmérési adatok, vízminőségvizsgálati eredmények) 2. Új figyelőkutak fúrása monitoring rendszer kialakításához, elvi és kijelölt szennyezőforrások feltárásához (célzott a felső két víztartó, de fontos a mélyebb víztartók feltárása is) - talajminták vétele - vízminőség és vízszint vizsgálat 3. Felszín közeli vizsgálatok. Talajszemcse-összetétel és talajvíz vizsgálatok a talajvíztartóban 4. Vízkémiai elemzések (valamennyi vízadó szintet fel kell térképezni) 5. Geofizikai vizsgálatok, ezen belül középmélységi és karotázs mérések elvégzése 6. Izotóp hidrológiai mérések (trícium, 14C vízkor meghatározás, stabilizotópok) 7. Hidrogeológiai modellezés – lokális és regionális 8. A vízbázis komplex állapotértékelése 9. Biztonságba helyezési terv elkészítése A diagnosztikai fázis végén olyan adatbázist kell megvalósítani mely a földtani kutatásokban és az oktatásban is sokrétegűen hasznosítható (pl. egy olyan monitoring rendszer kialakítása, mely valamennyi vízadó nyomás- és vízminőségi állapotról folyamatosan tájékoztatást nyújt). Az alapállapot felmérés egyik lényeges mozzanatát a vízbázis sérülékenység vizsgálatok során végzett izotóp hidrológiai mérések jelentik. A vizek természetes minősége a keletkezés, az eredet, a kőzetben való tartózkodás során fellépő kölcsönhatások következtében széles skálán változhat. A csapadék-eredet általános felismerése fontos momentum, mert a víz a légkörben veszi fel elsőként azokat az anyagokat, amelyek a későbbiekben meghatározzák, vagy befolyásolják fizikai, vagy kémiai tulajdonságait. A légköri hatások közül elsőként a kozmikus sugárzás izotóp-módosító folyamatait említhetjük, amelyek során a víz és a levegő alkotó részét képező, ill. a légkörben fellelhető egyéb elemek különböző izotópváltozatai alakulnak ki. A vizekben lévő ún. környezeti izotópok (2H, 3H, 18O, 14C, 15N, stb.) a légkörben jutnak be a csapadékba, amelyek közül a stabil izotópok többnyire változatlanul (esetleg a kőzet atomjaival részben kicserélődve) megmaradnak a beszivárgott vízben, a radioaktív izotópok koncentrációja pedig a természetes bomlás miatt idővel csökken. A légkörben rendkívül sok egyéb (főleg gáznemű) anyagot vesz fel az alakuló és kihulló csapadék s a felszínre már sokkomponensű oldatként érkezik. Ha elsőként a természetes úton keletkezett légköri behatásokat említjük, már itt meg kell állapítani, hogy - főleg az ebben az évszázadban lehullott csapadék - nem csupán természetes, hanem antropogén hatásokat is elszenved. A felszín alatti vizek összetételét és minőségét meghatározó további hatások (másodlagos hatások) a beszivárgási folyamat során és a kőzetben (talajban) való mozgás és tartózkodás időtartama alatt alakulnak ki. Történhet kémiai változás, sőt, kontamináció már üledékképződés idején, ami tartósan és folyamatosan befolyásolja az üledékben mozgó vagy tárolódó víz minőségét. A főleg a telítetlen zónákban végbemenő mikrobiológiai folyamatok módosítják a felszín alatti vizek minőségét, s korreláció mutatható ki a baktérium-működés és a víz kémiai összetétele között. Jó minőségű ivóvizet olyan víztartóból nyerhetünk, amely viszonylag mélyen, valamilyen jól záró réteg alatt helyezkedik el. A víztartó évezredek óta „zárt”, nem szivárog bele a felszínről friss víz, vagyis ezek a vizek maguk is „idősek”. A vízminőség romlás tipikus esete, amikor ilyen idős, több tízezer éves vízhez keveredik friss komponens. A friss víz hozzákeveredése a szennyezők leszivárgásának veszélyét is jelenti. Ez a veszély elsősorban

2


olyan vízbázisoknál áll fenn, ahol a fokozott vízkitermelés következtében lecsökken a víztartó rétegben a nyomás, a nyomáscsökkenés hatására a "vízzáró rétegeken" keresztül a felszínről szivárog le víz és keveredik az idős rétegvízzel. Egy vízbázis „sérülékeny”, ha kimutatható a friss víz jelenléte (felszíni víz hozzákeveredése). Ennek vizsgálatára nagyon jól alkalmazhatóak a környezeti izotópok, köztük elsősorban a trícium, az oxigén, deutérium és nitrogén. Trícium mérése A hidrogén radioaktív izotópja, a trícium természetes úton, 14N-ből és kozmikus sugárzás keltette neutron-kölcsönhatásából jön létre a 14N + n = 12C + 3H magreakció során. Részben mesterséges eredetű is, a légköri termonukleáris robbantások, az atomerőművek, valamint az ipar juttatják az atmo- és hidroszférába. A trícium negatív ⇓-bomló izotóp és stabil 3He atommá alakul. Felezési ideje 12,43 év. Egysége a TU (tricium unit, magyarul trícium egység). 1 TU a koncentrációja a tríciumnak, amennyiben a T/H arány 10-18. Ez víz esetében 0,118 Bq/l aktivitás-koncentrációnak felel meg. A trícium főként víz formában fordul elő a természetben. Így a stabil oxigén és a hidrogén izotópok mellett alkalmas a vízben lejátszódó folyamatok vizsgálatára, továbbá annak megfigyeléséhez, hogy keveredik-e felszíni vagy talajvíz a mélyebb helyzetű rétegvízhez, s azt a víztartót mennyi idő alatt érte el. Ezen kívül folyó- és talajvíz szétválasztására, felszíni és felszín alatti vízben átlagos tartózkodási idő meghatározásához használható fel. Rövid felezési ideje miatt csak az 1950-es évektől beszivárgott, igen fiatal víz vizsgálatára alkalmazható. Koncentrációja a csapadékban tavasz végén és nyár elején maximális, ősz végén és télen minimális, azaz évszakos periodicitást mutat. Eloszlásában két alapvető tény jelentkezik: értéke a földrajzi szélesség növekedésével, valamint a kontinens belseje felé haladva nő. Jelenleg a csapadék és a felszíni vizek trícium tartalma 10-30 TU közötti érték. A nagyobb értékeket tartalmazó víz (amelyet modern víznek neveznek) az 1950-től hullott csapadékból származik. Felszín közeli vizek (talajvizek) a csapadékból kapják az utánpótlást. Attól függően, hogy a talajvízben mennyi a csapadék részaránya, a trícium tartalom 1-20 TU között változik (ugyanez érvényes a parti szűrésű vízbázisokra is, csak ott a folyóvíz adja a trícium hozzájárulást). Ha egy víztartó réteg olyan vizet tartalmaz, amelyik több ezer évvel ezelőtt keletkezett, azután nem kapott utánpótlást, akkor a keletkezése idején benne lévő trícium szinte teljesen elbomlott. Minél idősebb egy víz, a trícium tartalma annál alacsonyabb, néhány mTU. Amikor egy vízbázis sérülékenységét vizsgáljuk, akkor arra keresünk választ, hogy a sekélyebb víztartóból lejuthatott-e a néhány TU tríciumot tartalmazó víz a mélyebben fekvő, tehát idősebb vizet tartalmazó víztartóba. Ehhez meg kell mérni a víz trícium tartalmát. Az általánosan használt módszer erre a célra a folyadékszcintillációs béta-számlálás, amelyet rutinszerűen alkalmazva a kimutathatósági határ 1 Bq/l (kb. 10 TU). Dúsítási eljárással a kimutathatósági határ 0,1 Bq/l-re (kb. 1 TU) csökkenthető. Az általunk használt T-3He módszerrel a kimutathatósági határ 10 mTU. A vizsgálati módszer elve: a vízminták trícium tartalmának meghatározását a trícium bomlásából származó hélium tömegspektrométeres mérésére vezetjük vissza. A módszer alkalmazása során a vízmintát ledesztilláljuk, kigázosítjuk, majd néhány hónap elmúltával megmérjük az időközben összegyűlt hélium mennyiségét. A hélium mennyiségét száraz levegőre kalibrált nemesgázizotóp-aránymérő tömegspektrométerrel (VG 5400) mérjük. 3


Stabilizotóparány-mérések Addig amíg a trícium-hélium módszer a 100 évnél fiatalabb, elsősorban az utolsó 50 évben beszivárgott vizek meghatározását teszik lehetővé, addig a stabilizotóparány mérések a csapadékhullás, a beszivárgás idejének átlaghőmérsékletét jelzik. Segítségükkel a mintegy 10000 évvel ezelőtti gyors és jelentős éghajlatváltozással jelentkező jégkorszakvég előtt és után beszivárgott vizek elkülönítésére nyílik lehetőség. A vizsgálati módszer elve: Az izotóparányok meghatározása stabilizotóparány mérő tömegspektrométer segítségével történik. A tömegspektrométer a D, 13C, 15N, 18O, 34S értékeket H2, CO2, N2, CO2, SO2 formában méri. Az esetek többségében ezek az anyagok nem ilyen gáz formában vannak jelen. A mintafeltárási eljárások feladata, hogy az egyes elemeket a tömegspektrométer számára mérhető gáz formába hozza. 18

O vizsgálat 18 Víz O vizsgálatára a CO2-H2O izotópkicserélési módszert alkalmaztuk. A módszer szerint a víz fölé zárt edényben a kigázosítás után szén-dioxidot vezetünk és hőmérsékletstabilizált körülmények között megvárjuk a kicserélődő oxigénizotópokra vonatkozó egyensúly beállását (min. 3 óra): 18 16 16 16 18 16 H2 O+C O O ℘ H2 O+C O O Az egyensúlyi izotóparány beállása után a szén-dioxidot ampullában bevezetjük a tömegspektrométerbe. A reakcióedényekből kiáramló CO2 vízgőzt tartalmaz, melynek eltávolítására speciális kifagyasztó csapdát használunk. D vizsgálat A módszer víz redukcióján alapszik. Redukálásra cinket használunk, melyet közvetlenül a felhasználás előtt speciális ampullában evakuálás mellett kimelegítünk, majd a lehűlés után a vízmintát fölé pipettázzuk. A víz -60C-on történő befagyasztását követően az ampullát evakuáljuk, majd kb. 1 óra időtartamra 460oC hőmérsékletű kemencébe állítjuk az ampulla üvegujját. A redukció következtében létrejött hidrogén gáz mérésre kerül a tömegspektrométerben. 15

N vizsgálat (NO3-, NH4+) A minták desztillálásuk során az ammónia, illetve nitrát tartalmuk függvényében különböző mennyiségű ammónia gázt szabadítanak fel, amelyet híg kénsavas oldatban ammónium szulfát formájában csapdázunk. A bepárolt mintát kétujjas ampullába bemérjük majd NaOBr-ot adagolunk hozzá, melynek hatására enyhe pezsgés jelenlétében felszabadítjuk a N2 gázt, amelyet stabilizotóparány mérésre a tömegspektrométerbe vezetünk. Környezeti izotópok mérésének alkalmazhatósága vízbázisvédelemmel kapcsolatos vizsgálatokra A felsorolt környezeti izotópok vizsgálati módszerének vízbázisvédelemmel kapcsolatos vizsgálatokra történő alkalmazhatóságát a Kótaji vízbázis példáján követhetjük nyomon. A vízbázis Nyíregyháza várostól északra, mintegy 10 km távolságra található. Hidrodinamikai szempontból a vízbázis a nyírségi tápterület peremi része. A Nyírség magas terepszintű területein beszivárgó víz É-ÉNy-ra irányuló áramlással a Tisza irányába folyik le.

4


A mintázási helyek kijelölésénél a szűkebb kótaji vízbázist, illetve az őt magába foglaló tágabb nyírségi tápterületet vettük figyelembe. 1988-ban 14, 1999-ben 15 kút mintázása történt meg. A két mintázási ciklus során néhány kút esetén megismételtük a mintázást - arra voltunk kíváncsiak, hogy időbeni változás is nyomon követhető-e. 1. ábra. A kutak vizében mért trícium koncentrációk és a kútmélység kapcsolata

trícium koncentráció (mTU)

1200 1000 800 600 400

Kótaj 2/A

200 0 0

50

100

150

200

250

mélység (m)

Az 1. ábrán a kútmélység és a trícium koncentráció kapcsolatát ábrázoltuk. Mivel egyes kutak több helyen is vannak szűrőzve, az ábrázolásnál azt feltételeztük, hogy a kútból mintázott víz a legmélyebb rétegből származik. Jól látszik az a tendencia, hogy minél mélyebbről termelik ki a vizet, annál kevesebb tríciumot tartalmaz. A legnagyobb trícium tartalmat a Kótaj S2/II. (20 m, 669 ± 32 mTU) és a Kótaj S5/III. (30 m, 404 ± 139 mTU) figyelőkutakban találtunk, amelyet a kutak kis mélysége indokol. Ugyanez vonatkozik a Paszab 15. és Kótaj 3/A kútra is. A Tiszaeszlár 2. kútban és Tiszalök 1. kútban a trícium tartalom valamivel több, mint 0,1 TU. Ezeknek a kutaknak a mélységét nem ismerjük. A Kótaj 2/A és 3/A kutak esetében valamivel kisebb trícium koncentrációt mértünk, mint az előző méréssorozatban (Kótaj 2/A: 390 ± 30 mTU, illetve 228 ± 63 mTU; Kótaj 3/A: 170 ± 20 mTU, illetve 148 ± 9 mTU. Itt az eltérés hibahatáron belül van). Az egyetlen kút, amely valamivel több tríciumot tartalmaz, mint ami a mélysége alapján természetesnek tekinthető Kótaj 2/A kút. Hangsúlyozni kell azonban, hogy a trícium koncentráció ebben a kútban is relatíve kicsi, de a kissé megemelkedett érték figyelmeztető jelként értékelhető. A többi vizsgált kút esetében trícium-hélium módszerrel mért trícium koncentrációk alapján a fiatalabb víz hozzákeveredése kizárható (a trícium koncentráció a vizsgált kutak egyikében sem éri el az 1 TU értéket). A könnyű stabil izotópok közül deutérium, oxigén és nitrogén izotóparány méréseket végeztünk. A 2. ábrán a δ18O és δD közötti kapcsolatot mutatjuk be. Az ábrán Craig által tapasztalati úton levezetett δD = 8 x δ18O + d (ahol d értéke, globálisan +10 ‰) lineáris összefüggés alapján megszerkesztett csapadékvíz vonalat, valamint a késő pleisztocén csapadék világvonalat tüntettük fel, ahhoz, hogy a mért eredményeket értékelni lehessen. Látható, hogy a három sekély (20-30m mélységű) kótaji kút értékei elkülönülnek a nagyobb csoportban található összes többi kútadattól, de még nem beszivárgásra utaló jelekről nem beszélhetünk. Valószínűsíthető, hogy a moderni vízhez közelebb állnak mint a Tiszadobi minta, amely egy

5


idősebb felszín alatti vízre enged következtetni (legmélyebb, 170 m-es kútból származó minta). Keletkezése a pleisztocén glaciális szakaszára tehető. 2. ábra. |18O és |D közötti kapcsolat

Kótaj i vízm inták | 1 8 O és | D értékei -9.5

-9.0

-8.5

-8.0 -50 -60 -70 -80 -90

| D (SMOW) (‰)

-12.0 -11.5 -11.0 -10.5 -10.0

-100 18 | O (SMOW) (‰)

A negatívabb értékű |D és |18O a mainál hidegebb éghajlatra, sok csapadékra, a pozitívabb értékek melegebb éghajlatra, esetleg nagy só-koncentrációjú fosszilis tengervízre utalnak. Ezen adatok segítségével meghatározhatók a beszivárgási és megcsapolódási területek, előzetesen áramlási irányok jelölhetők ki. Fontos megjegyezni, hogy a |18O érték az időtől független, és ha nem történik izotópkicserélődési reakció vagy keveredés, csak a beszivárgáskori éghajlat hatása alatt áll. A csapadék |18O és |D értéke követi a hőmérséklet változását, így az évszakok és a klíma változását is. Ez a tulajdonság lehetővé teszi a velük történő paleoklíma rekonstrukciót, az egykori átlaghőmérséklet meghatározását. Az oxigén izotóp alkalmas parti szűrésű vízbázisok mintáiban a folyóvíz és a talajvíz részarányának megállapítására is. A talaj természetes eredetű nitrogéntartalmának jelentős része, a levegőből, növények által N-fixációval felvett nitrogénből származik ( 15N –1…+2‰). Az esővízzel a talajba jutó kevés nitrát és ammónia valószínűleg maga is talaj eredetű, s a szél eróziós tevékenységével kerül a csapadékba. Természetesen az eredeti kőzet elsősorban agyagásványokhoz, csillámhoz, földpáthoz, illetve szervesanyaghoz kapcsolódó N-tartalma is bekerül a talajba. Ez utóbbi N mennyisége néhány század százalék is lehet. Világirodalmi adatok alapján a különböző szennyező forrásokból származó nitrogén stabil izotóp összetétele a szennyezés típusára jellemző és forrásonként eltérő érték: - talajvíz 15N értéke természetes állapotban –6…+7,5‰ - nitrogén-műtrágyából származó nitrogén 15N értéke talajvizekben 0-2‰ (NH4+-ra – 6…+3‰) - állati eredetű trágyából származó nitrogén 15N értéke talajvizekben 10-20‰ Legeltetéssel, trágyázással, illetve műtrágyázással több nitrogén kerülhet a talajba, mint a levegő nitrogénjének megkötésével. Ezeknek a különböző nitrogénvegyületeknek a talajbeli sorsa persze nem függ attól, hogy természetes úton, vagy tudatos mezőgazdasági tevékenységgel kerültek oda.

6


1. táblázat. Kótaji vízminták nitrogén tartalma és |15N izotóparányai cNH4+

|15N(air)

(mg/l)

[‰] NH4+

82-91

1,12

1,61

153,4

118,6-126,4 140-150,8

0,83

0,78

2/A

177

135-148 153-163

0,54

1,45

3/A

142

82-96 120-136

1,00

0,70

5/A

94

64,6-70 79,8-90,9

1,43

1,03

6/A

179

133-157 157-168

1,10

0,55

10/A

177

107-116,8 156,2-171,4

0,66

2,11

13/A

153

84-97 137-150

0,88

1,16

15

181

120,5-126 160,5-169,4

0,35

0,80

17/A

155

100-108 144-147

0,63

0,71

19

170

134-146 152-160

0,48

1,42

20/A

136

81-99 119,5-130

1,10

1,74

22/A

192

138-158 165-185

0,72

1,65

23

134

84-92 120-128

1,39

1,20

Kút száma

Talp-mélység (m)

1/A

93,6

1/B

Szűrőzés (m)

Az 1. táblázatban feltüntettük azon ammónia koncentrációkat, illetve 15N értékeket amelyeket a kótaji kutak esetében mértünk. Látható, hogy a 0,1 mg/l megengedett határértéknél nagyobb ammóniakoncentrációk szerepelnek néhol (elhanyagolható nitrát mennyiségek jelenlétében - a 20mg/l a megengedett!), ami származhat ugyan természetes (mélységi vagy rétegeredetű) ammóniumból, de sokkal inkább természetes nitrogén jelenlétéről tanúskodik. A 15N értékek alapján ( 15N értékek átlaga 1,23‰) egyértelműen kizárható az állati trágyázás, legeltetés hatása, esetleg felmerülhet műtrágyázásból bekerült nitrogén hatása. Ahhoz hogy eldöntsük, hogy egy vízbázis sérülékeny-e vagy sem, komplex vizsgálatokat kell végeznünk. Az egymást megerősítő következtetések alapján helyes választ kell adnunk e kérdésre, illetve ellentmondásos eredmények esetén az értékelés szempontjából legmegfelelőbbet kell kiválasztanunk.

7

A VÍZBÁZISVÉDELEM JELENTŐSÉGE, MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LÉPÉSEI - VÍZBÁZIS SÉRÜLÉKENYSÉG VIZSGÁLATI MÓDSZEREK. Vízbázisvédelem folyamata

Recommend Documents