Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
FÖLDTUDOMÁNYI BSC SZAKMAI TÖRZSANYAG
HIDROLÓGIA ÉS HIDROGEOLÓGIA
Óraszám: 2+1 Kredit: 3
Tantárgyfelelős: Dr. Kozák Miklós egyetemi docens
DE TEK TTK Ásvány- és Földtani Tanszék Debrecen, 2005
1
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
Tantárgy megnevezése: Hidrológia és hidrogeológia A tantárgy felelőse: Dr. Kozák Miklós Heti óraszám: 2+1+0 Kredit értéke: 3 A számonkérés módja: kollokvium A tantárgy célja: Általános és bevezető ismeretek nyújtása a hidroszféra és a vele foglalkozó hidrológia egészéről és részeiről, a víz természeti körforgásáról, minősítéséről, mennyiségi és minőségi viszonyairól, az ember és víz viszonyáról, a víz kinyerésének, felhasználásának módjairól, történetéről, természetés környezetvédelmi aspektusairól, annak számos gyakorlati és műszaki vonatkozását is bemutatva. A tantárgy tematikája: Rövid történeti áttekintés után bemutatásra kerülnek a földi un. élő vizek típusai, alapvető fizikai, kémiai, szerkezeti jellemzői, minősítésük alapjai, a hidrodinamika és hidrosztatika gyakorlati szempontból fontosabb alapfogalmai. A geohidrológiai készletszámításokhoz és a regionális vízgazdálkodáshoz szükséges legfontosabb hidrometeorológiai és hidrogeográfiai fogalmak bemutatásán túl megismerjük a hidrográfia és hidrometria lényeges elemeit, néhány gyakorlati mérési és számítási módszerét. Részletesebben foglalkozunk a víz-kőzet kölcsönhatásokkal, a lefolyás, beszivárgás, karsztosodás, tározódás, felszíni és felszín alatti vízmozgás törvényszerűségeivel, a kőzetek víz hatására történő viselkedésével, a porozitás, a szivárgási tényező és az áteresztőképesség, a beszivárgási % és a szennyezésérzékenység fogalmával, meghatározásával. Osztályozzuk a felszín alatti víztípusokat, különös tekintettel az ipari, építésföldtani és környezetvédelmi szempontból kritikus talajvizekre (pl.: folyósodás, agresszivitás, stb.), az ivóvízbázis védelmére és az értékes termális és gyógyvíz készletekre. Vizsgáljuk ezek készleteit, utánpótlódását és kinyerési, felhasználási lehetőségeit, hazánk vízügyi adottságait, lehetőségeit és feladatait. A gyakorlat szeminárium jellegű, melynek keretében sor kerül egyszerű mérési, számítási módszerek, a gyakorlat szempontjából fontos ismeretek elmélyítésére. Ajánlott szakirodalom: Almássy Endre: Hidrológia, Hidrográfia – kari jegyzet ME Miskolc Dima A. (2001): Hidrológia és áramlástan példatár, Nemzeti Tankönyvkiadó, 17. változatlan kiadás, Budapest Erdélyi Mály – Gálfi J. (1988): Surface and subsurface mapping in Hydrogeology – Akadémiai kiadó Budapest Juhász József (2002): Hidrogeológia – Akadémiai kiadó Budapest p. 384. Kozák Miklós – Lakatos Gyula: Vízi környezetvédelem – kari jegyzet KLTE kiadó, Debrecen Szolnoky Cs. (1991): Hidrológia és áramlástan, Tankönyvkiadó, Budapest
2
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
A tantárgy részletes tematikája:
ELŐADÁS 1. hét
2. hét
3. hét
4. hét
5. hét
6. hét
Elsajátítandó ismeretek A földi vízburok eredete, jelentősége, eloszlása és körforgása a természeti környezetben. Földi vízkészletek, víztípusok A víz és az ember kapcsolatának rövid történeti áttekintése, fejlődése. A hidrológia fogalma, részei és ezek feladata. A víz molekulaszerkezete, alkotói, ezek izotópjai. Izotóp vizek, a víz korának meghatározása. A víz fázisátalakulásai, molekuláris viselkedése, disszociáció. A természetes vizek vegyi alkata, keménysége, lúgossága, oldott anyag tartalom szerinti típusai, az oldott só és gáztartalom változásai a környezeti adottságok függvényében. A disszociáció és a pH kapcsolata. A víz legfontosabb fizikokémiai és fizikai tulajdonságai: sűrűség, olvadáspont, forráspont, olvadáshő, párolgáshő, fajhő, hővezető képesség, felületi feszültség, dinamikai és kinematikai viszkozitás, stb. A hidrofilia és hidrofóbia fogalma, jelentősége, a kapilláris jelenségek értelmezése és számítása. Az ideális és reális folyadékok fogalma. A hidrosztatika alapfogalmai. A sztatikus nyomás és számítása, közlekedőedények. A Pascal-törvény és gyakorlati jelentősége. A folyadéktartó geometriájának és a fenéknyomásnak a kapcsolata. A piezometrikus nyomómagasság. Folyadéknyomás számítása síkfelületre, általános helyzetű síkidomra és görbült felületekre. A felhajtóerő és jelentősége az úszás és lebegés feltétele. A hidrodinamika feladata és alapfogalmai. Áramlási vonal, áramvonal, nedvesített szelvény, folyadékhozam és középsebesség. A nedvesített kerület és a hidraulikus sugár fogalma. Az időben állandó és változó folyadékmozgás jellemzése. A permanens és nem permanens mozgás típusai. Bernoulli energiamegmaradási tétele ideális folyadékokra. A reális folyadékok viszkozitása és a csőfal érdesség miatt előálló energiaveszteségek, a szűkületek helyi veszteségei. A Bernoulli tétel gyakorlati alkalmazásai nyomásmérésre, nyomás és folyadékhozam mérésre (nyomásmérő, Venturi cső). A tartályból való ki- és átfolyás esetei. Az impulzus tétel. A lamináris és turbulens mozgás fogalma, kísérleti vizsgálata, a Reynolds-szám számítása csőben és nyílt felszínű mederben, jellemző sebesség profilok. A mozgásállapot jelentősége, a vizek öntisztulása a part és vízépítmény védelem szempontjából. Áramló és rohanó mozgás nyíltfelszínű mederben, a fajlagos energiatartalom változása változó és kritikus vízmélységnél (Braunféle görbe). A vízmozgások típusai és ezek kapcsolata a hullámterjedéssel. 3
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
7. hét
8. hét
9. hét
10. hét
11. hét
Természetes folyóvíz sebessége és hozama izometrikus medernél, széles vízfolyásoknál, sima falú és érdes mederalakulatoknál (Chézy képlet, Ganguillet-Kutter képlet). A mederben mozgó víz sebességeloszlása és ennek mérése, ábrázolása. A hidrometeorológiai fogalmak értelmezése, mérése és értékelése a geohidrológiai vízmérleg szempontjából. A csapadék intenzitása, mérése, eloszlása. A beszivárgás feltételei, folyamata, mérése és értelmezése. A párolgás okai, típusai, mérése és értékelése. Az evaporáció, transpiráció és evapotranszspiráció jelentősége, mérése és helyi eltérései. A vízgyűjtők fogalma, térképi lehatárolása, területi tagoltsága, közepes magassága, átlagos lejtése, aszimmetriája, borítottsága. A vízhálózat sűrűsége, a vízfolyás hossza, lejtése. A lefolyási tényező és annak értékét befolyásoló adottságok (orográfia, fedettség, csapadékátlag). A lefolyási tényező összetevői Kenessey szerint. Összegyülekezés és vízgyűjtő karakterisztika. A vízgyűjtőről lefolyó fajlagos vízhozam sokévi átlagának számítása. A vízfolyások kialakulása, típusai, szakaszjellegei és morfológiája. A vízfolyások jellemző keresztszelvényei és vízállásai. A főmeder, a belső és külső hullámtér sajátosságai és üledékképződése. Mederaszimmetriák, partalámosások, sodorvonal, meder és övzátonyok, gázlók, kanyarok, holtágak, mederátvágások, függőmeder. Vízfolyások árhullámai. A hordalékszállítás mechanizmusa, típusai és jellemző értékei ismert folyók esetében. A csapadékeloszlás és intenzitás, a lefolyási hányad és a csúcshozamok ismeretének jelentősége az erózióvédelem, az építésbiztonság szempontjából. A vízrendezés szükségessége és fontosabb módszerei, műtárgyai. A tavak keletkezése, öregedése és típusai, a parti szelvények tagolódása és stabilitási kérdései, a közepes és relatív vízmélység, a tavak vízforgalma és mozgásjelenségei. A felszín alatti vizek típusai (talajvíz, rétegvíz, hasadékos tárolók vize, karsztvíz, fosszilis vizek). A felszín alatti vizek osztályozása nyomás, hőmérséklet, minőség és vegyi alkat szerint. A talajvíz fogalma, lehatárolása, a neutrális zóna és az első vízzáró réteg szerepe és jellemzése. A magas, közepes és mély talajvizek. A talajvíz táplálása csapadékból és kapcsolata a folyóvizekkel. A talajvíztükör helyzete, a zárt és nyílt kapilláris zóna. A függő kapilláris fogalma. A kapilláris vízemelés mértéke üledékfajtánként. A talajvizek oldottanyag tartalma, agresszivitása. A talajvízfelszín kapcsolata a terepfelszínnel és a hidraulikus potenciál. Talaj és rétegvizek kapcsolata. A rétegvíz fogalma, típusai, utánpótlódása, nyomásállapota, termikus és vegyi jellegei. Az üledékes medencék hidrodinamikai 4
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
12. hét
13. hét
14. hét
jellemzői, regionális utánpótlódási és áramlási rendszerek, beszivárgási ablakok. Az egyszerű víz, az ásványvíz és a gyógyvíz fogalma, felhasználása. Öntöző-, ipari-, ivó- és termálvizek valószínű előfordulási mélysége. A karsztosodás jelenségei, karbonátos kőzetek vízháztartása, feltöltődésének és leürülésének mechanizmusa, szennyeződés érzékenysége. Karsztvíz típusok, karsztvíz nívó, függő karszt. Kommunikációs rendszerek kutatása nyomjelzéssel, vízfestéssel. A karsztvizek vegyi alkata. Termokarsztok és a keveredési korrózió. Magmás és metamorf kőzetek vízkörforgalma és vizeinek jellemző karakterei. A kihűlési repedések és a tektonika szerepe a hézagosság kifejlődésében. A kőzetek vízraktározása, a kristály és szerkezeti víz, az erősen és gyengén kötött víz, szabad víz kötőerői, utánpótlódása és felszabadíthatósága. A víz mozgása a kőzetekben. A szivárgási tényező Darcy féle megfogalmazása, kísérleti meghatározása, a k-tényező értéke üledékfajtánként. Kőzettestek áteresztő és vízadó képessége. A hidrometria fogalma és feladatai. Vízállás megfigyelések eszközei és hálózata, vízállás idősorok. Vízmélység mérés, mederfelvétel és mederszelvény készítés. A vízsebesség mérésének jelentősége, lehetőségei, eszközei. Vízhozam mérések bukók segítségével. A hordalékhozam mérése. Jégjelenségek megfigyelése, hullámmozgás, talajvízszint mérés, a talajvíz mozgási sebességének mérése. A hidrográfia fogalma és feladatai. Vízrajzi adatok feldolgozása, kiértékelése, a vízhozamok időbeni változásának követése, ábrázolása, az idősorok modellezése és prognosztizálása. A vízbányászat feladata, történeti fejlődése, legfontosabb létesítményei. A felszín alatti vizek természetes felszínre lépési helyei, a források és ezek osztályozása. Leszálló és felszálló források. Karsztos, magmás és metamorf területek forrásai, rétegforrások és mederforrások. Ciszternák, foglalt források, galériák, ásott-, süllyesztett-és vert kutak. A rotari fúrás technikája, műszaki berendezései, szerepe a különböző mélységi zónák, fliudumok és nyersanyagok feltárásában. A fúrt vízkutak technikai kiképzése, a vízadó rétegek megnyitása, szűrőzése. Nyugalmi és üzemi vízszintek, búvárszivattyúk, a vízadó képesség vizsgálata. A parti szűrésű víz fogalma, kiaknázási lehetőségei, jelentősége a hazai vízellátásban. A csápos kutak kiképzése, működése, alkalmazásának korlátai és előnyei, használatának hazai tapasztalatai. Felszíni vízbeszerzés lehetőségei vízfolyásból, tóból, mesterséges tározóból. A geohidrológia alapjai, a vízföldtani tömb és a vízháztartási modellezés, a készletszámítás összetevői. A statikus és dinamikus 5
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
vízkészlet fogalma. A vízgazdálkodási mérleg természetes vízgyűjtőkön, vízföldtani tömbökben, illetve regionálisan. A hazai tájegységek vízföldtani és hidrológiai adottságai, a vízfajták dominanciaviszonyai és kinyerésük regionális lehetőségei. A geohidrológiai adatbázis felhasználása véletlenszerű árvízi hozamokhoz kapcsolódó katasztrófák megelőzését célzó veszélytérképek szerkesztéséhez
A tantárgy részletes tematikája: GYAKORLAT: Elsajátítandó ismeretek 1. hét
2. hét
3. hét
A hazai vízügyi szakigazgatás szervezeti felépítése, feladata, a hidrológiai észlelőhálózatok és adatbázisok bemutatása. Vízügyi jogszabályrendszerünk és az EU irányelvei. A hidrológiai, hidrogeológiai kutatási szervezetek fontosabb intézményei, ezek feladata és működése. Hidrológiai, hidraulikai, hidrogeológiai, vízbányászati szakfolyóiratok bemutatása. Magyarország vízrajzi térképének és hidrogeológiai atlaszának megismerése. Mélyfúrású vízkutak tervezésének, kivitelezésének, engedélyeztetésének folyamata és munkafázisai. Tanulmánykészítés követelményrendszere. A dinamikus és kinematikus viszkozitás számítása, alkalmazása és jelentősége. Szakszerű terepi vízmintavételezés élővízfolyásból, állóvízből, forrásból, ásott és fúrt kútból, közkutakból, talajvíz kutakból és munkagödrökből. A legfontosabb vízvizsgálati módszerek ismertetése.
4. hét
Számítási feladatok összefüggések felhasználásával.
hidrosztatikai
5. hét
Hidrodinamikai számítások bemutatása és alkalmazása a gyakorlatban.
6
Elvégzendő feladatok Szakirodalmi forrásanyag feldolgozása céljából egy kijelölt szakmai közlemény feldolgozása és ebből rövid összefoglaló készítése a lényeges elemek kiemelésével. Egy területi intézmény részletes bemutatása. Egy példa alapján bemutatni a teljes folyamatot a tervezéstől az engedélyezésig. Dinamikus és kinematikus viszkozitás számítása adott oldattöménység és hőmérséklet mellett. Hőmérséklet, fajlagos ellenállás, pH mérése terepen. Fenéknyomás, síkidomra ható nyomás, felhajtóerő számítása. Nívófelület helyzetének meghatározása eltérő sűrűségű folyadékoknál közlekedőedényben. A Bernoulli-tétel, az impulzus-tétel, a Reynolds szám alkalmazása.
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
6. hét
7. hét
8. hét
A vízhozam számítása nyílt mederben Chézy-képlettel (nedvesített kerület, hidraulikus sugár, középsebesség, meder érdességi tényező) Kisvízfolyások árvízi és közepes vízhozamának becslési módszere a Csermákféle összefüggés szerint. A vízgyűjtő jellemzéséhez szükséges ismeretek, földtani és topográfiai adottságok, felszínborítottság, tagoltság bemutatása valóságos kisvízgyűjtön, mért adatsorok felhasználásával. Vízgyűjtő terület és vízföldtani tömb lehatárolása topográfiai és földtani térkép alapján, mértékadó záporcsapadék, összegyülekezés, lefolyási tényező számítás Kenessey-féle módszerrel. Megoldási alternatívák adathiányos területekre. Hidrometria: vízállás, vízhozam, mederfelvétel, függélysebesség eloszlás mérése. Vízállások. mederteltség, gyakoriság és tartósság. Vízállás és vízhozam kapcsolata.
9. hét
A hidrogeológiai megismerés terepi és laboratóriumi alapelvei. Talajfeltáró kézifúrás és aknás feltárás bemutatása, talajszelvény készítése, a talajvíz nívó és a kapilláris zóna érzékelése, rögzítése terepszint alatt és tengerszint feletti értékének megadása geodézia segítségével. Talaj és vízmintavétel lehetőségei és a belőlük elvégezhető vizsgálatok típusai. Talajvízészlelő monitoring kutak kialakításának elvi és gyakorlati lehetőségei, példák bemutatása.
10. hét
A szivárgási tényező meghatározás módjainak bemutatása (számítással, laboratóriumi méréssel, terepi méréssel).
11. hét
A hidrogeológiai kutatás eszközei, módszerei: előzetes adatgyűjtés, telepítési elvek, 7
Számítási gyakorlat megadott határértékekkel.
Egy kijelölt vízgyűjtő jellemzése a szükséges számítások, térképi ábrázolások, mérések, adatgyűjtések elvégzése, tanulmány összeállítása.
Függélysebesség eloszlás meghatározása megadott mérési adatok alapján. Vízállások és számításai. Mederteltség, gyakoriság és tartósság, vízmérce kapcsolati vonal értékeinek meghatározása. Szemcseeloszlás értékelése differenciál és integrál szemeloszlási görbék alapján. Belőlük származtatható paraméterek (pl.: ktényező) Kapilláris jelenségek értelmezése és számítása adott határfeltételek mellett, ismert szemcseösszetételű üledékekre. Meghatározás: Beyer, Zamarin módszerrel, permeabiméterrel, infiltrométerrel, stb. Egy jól definiált vízkutató fúrás karotázs
Debreceni Egyetem FÖLDTUDOMÁNYI alapképzési (Bachelor) szak
12. hét
fúrási módszerek, eszközök, fúrások dokumentálása, vízföldtani naplók. Geofizikai mérések fúrólyukban (karotázs), valamint vertikális elektromos szondázás (VESZ) és földradar használata, alkalmazása és jelentősége a hidrogeológiában. Talajvízállás statisztikai értékelése, víznívó felület izovonalas dombortérképének szerkesztése, a jellemző potenciális vízmozgási főirányok meghatározása hidraulikus gradiens alapján.
13. hét
Az Alföld, különös tekintettel Debrecen és környékének vízföldtani jellemzése. Debrecen vízellátása felszíni és felszín alatti vizekkel, vízmű létesítmények, ipari és ivóvíz szolgáltatás, vízkezelési technikák (pl.: keverés, vas- és mangántalanítás). A szennyvízelvezetés és kezelés rendszere és ennek jelentősége a vízbázisvédelem szempontjából.
14. hét
A Hernád völgy vízföldtani és hidrológiai sajátosságai, völgyfejlődés és jelentősége a vízgyűjtő gazdálkodásban, a regionális fejlesztésben. Mederformálódás, partfalvédelem, vízi létesítmények, tározók a folyón és hatásuk a területhasználatra.
8
görbéjén kijelölni a beszűrőzésre alkalmasnak látszó, jó vízadó szinteket. Észlelési adatsor alapján talajvízszint felületet szerkeszteni, áramlási irányokat kijelölni, illetve minimális és maximális valamint mértékadó vízszint megadása. Terepi gyakorlat egyeztetett időpontban a városi vízműhöz. Összefoglaló készítése Debrecen vízföldtani adottságairól és a vízellátás alapvető elemeiről, a terepi gyakorlaton tapasztaltak alapján. Az ismeretanyag jelenségeinek, eszközeinek, folyamatinak felismerése és azonosítása képi teszt alapján.