Földrajzi információs rendszeren alapuló integrált vízgyűjtő modell fejlesztés és alkalmazás a Zala vízgyűjtőre (A "Development of integrated catchment models for supporting water management decision" megnevezésű EU-projekt hazai vonatkozású eredményeinek átfogó ismertetése)
Jolánkai Géza1 és Bíró István2
1.
Előzmények és célkitűzés
Ez a tanulmány az alcímben megadott EU-projekt angol nyelvű zárójelentésének (VITUKI Rt., 1999) tömörített magyar nyelvű változata. A projektet a magyar fél (VITUKI) kezdeményezésére nagy-britanniai (Institute of Hydrology) és holland (Utrechti Egyetem) résztvevőkkel hajtották végre az Európai Unió "Környezet és Éghajlat" (Environment and Climate) programja alatt elnyert pályázat keretében. A projekt célja olyan összetett vízgyűjtő modellek kidolgozása, melyek alkalmasak a változó éghajlati, környezeti illetve gazdálkodási körülmények között a vízkészletek mennyiségi és minőségi változásainak előre jelezésére és ezzel a vízgazdálkodást, a készletek és az igények összehangolását, segítő beavatkozásokkal kapcsolatos döntések előkészítésére. A modellek kalibrálása és érvényesítése (validálása) Egyesült Királyság-béli és magyar minta vízgyűjtők adatai alapján történt. A magyarországi mintavízgyűjtő a Zala Zalaapáti feletti vízgyűjtője volt (1. Ábra). A Projekt végrehajtása csapat-munka munka volt, nagyszámú résztvevővel. A résztvevők körét részben az utolsó "köszönetnyilvánítás" fejezet tartalmazza, részben az irodalom jegyzék, amely ismerteti a munkához készített háttér anyagokat is. A munkát hét munkafázisba csoportosítva hajtottuk végre: 1. Ábra A Zala vízgyűjtője i, Összefüggések feltárása az éghajlat változás, a hidrológiai viszonyok és a vízminőségi állapot között;
1 2
ii,
Földrajzi információs rendszer (FIR/GIS) és monitoring rendszer felállítása;
iii,
Integrált vízgyűjtő modellek fejlesztése és helyszíni adaptálása
iv,
Víz- és környezet gazdálkodási problémák feltárása a mintavízgyűjtőkön;
v,
Vízgyűjtő-gazdálkodási változatok, alternatívák kialakítása
Jolánkai Géza okl. mérnök, az MTA Doktora, a VITUKI Rt. tudományos tanácsadója, osztályvezető Bíró István, okl. mérnök, a VITUKI Rt. tudományos munkatársa
-1-
vi
A kiválasztott beavatkozási alternatívák vizsgálata a modell rendszerrel;
vii,
Javaslatok az eredmények alkalmazására más vízgyűjtőkön.
A Projekt eredeti munka-szervezési elképzelése szerint a vízgyűjtő hidrológiai modelljét az Utrechti Egyetemen kidolgozott "RHINEFLOW" modell, illetve annak helyszíni, mintaterületi, adaptációi képezték volna, míg a vízminőségi elemzést a fent említett modellhez adaptált magyar (VITUKI) SENSMOD vízgyűjtő modell rendszerrel végezték volna. Ez a célkitűzés csak részben sikerült végrehajtani, mert a holland hidrológiai modell hazai (Zala vízgyűjtőre történő) adaptációja nem volt sikeres. Ennek oka részben talán a külföldi modell szerkezetében keresendő, másrészt a hazai adatbázisok elégtelensége (a térben osztott paraméterű modellezés szemszögéből), illetve elsősorban az a körülmény, hogy a Zala vízgyűjtő nagyszámú (52 db) tározója oly mértékben módosítja a természetes lefolyási viszonyokat, hogy az nem tette lehetővé a viszonylag egyszerű hidrológiai modell kalibrálását. Mindez azonban még kedvező eredménynek is volt tekinthető a magyar projekt szemszögéből, mert olyan új megoldások kialakítására kényszerítette a hazai munkacsapat szakembereit, amelyek —amint reméljük és amint az alábbiakban bemutatjuk— igen érdekes és gyakorlatban is használható eredményekre vezettek. A fenti célkitűzéseken belül a hazai munkarész a Zala és a Balaton (illetve Kis-Balaton védőrendszer) különleges viszonyai miatt elsősorban az eutrofizálódási folyamatban meghatározó szerepet játszó növényi tápanyag (és elsősorban a foszfor) forgalmi viszonyok leírására és annak szabályozására irányuló stratégiák elemzésére irányult. Vízmennyiségi, vízkészletgazdálkodási szempontból pedig a potenciális éghajlat változás által okozható vízhiányok kiküszöbölésére, mérséklésére irányuló tározó üzemmódok elemzésére irányult a modellfejlesztés. A Projekt eredményeit a fenti munka fázisok szerint csoportosítva mutatjuk be.
2.
Összefüggések feltárása az éghajlat változás, a hidrológiai viszonyok és a vízminőségi állapot között
Az éghajlat változás hidrológiai hatásaival külön munkacsoport foglalkozott és eredményeiket részben már közzé is tették (Gilyénné-Hofer A. és Nováky B, 1998). Ezért jelen tanulmányban csak röviden, hivatkozás jelleggel foglalkozunk az eredményeikkel. A Globális Éghajlat Változási (GCM) modellek előrejelzéseiből kiindulva, valamint a hazai szakirodalmat feltárva állapították meg a regionálisan illetve helyi szinten várható potenciális hőmérséklet és csapadék változásokat. Az egyes évszakokra és a teljes évre kidolgozott változatok közül az utóbbit mutatjuk be. (1. Táblázat).
-2-
1. Táblázat. Éghajlat változási szcenáriók a Zala vízgyűjtőn, Co-mm/év-ben Hőmérséklet változási szcenáriók T1 T2 T3 o o T1P1: 1.2 C, T2P1:2.0 C, T3P1:3.0 oC -110 mm/év -110 mm/év -110 mm/év o o T1P2: 1.2 C, T2P2: 2.0 C, T3P2: 3.0 oC, -20 mm/év -20 mm/év -20 mm/év T1P3: 1.2 oC, T2P3: 2.0 oC, T3P3: 3.0 oC +72 mm/év +72 mm/év +72 mm/év
Csapadék-változási szcenáriók P1 P2 P3
A vízgyűjtő modellezéshez (bemenő adatokként) a fenti éghajlat-változási szcenáriókhoz rendelhető csapadék és vízhozam adatsorokat generáltak a mért adatsorok eloszlás függvényei alapján, a "legközelebbi szomszéd" módszer és a "Monte-Carlo" típusú véletlen mintavételezési eljárás segítségével. Az eredmények közül az egyes csapadék szcenáriókhoz tartozó szezonális és évi közép vízhozamokat mutatja be az alábbi táblázat (2. Táblázat). 2. Táblázat A Zalaapáti mérőszelvény éghajlat (csapadék) változási szcenáriókhoz tartozó középvízhozamai Szcenárió Mért adatsor (1952-1995) P1 P2 P3
Tél (XII-II)
Középvízhozam [m3/s] Tavasz (III-V) Nyár (VI-VIII) Ősz (IX-XI)
Év
7.14
6.43
3.85
4.06
5.37
6.55 ∆=-0.59 8.14 ∆=+1.00 8.14 ∆=+1.00
5.84 ∆=-0.59 6.19 ∆=-0.24 6.66 ∆=+0.23
2.71 ∆=-1.14 2.71 ∆=-1.14 3.85 ∆=0.00
3.57 ∆=-0.49 3.99 ∆=-0.07 4.33 ∆=+0.27
4.67 ∆=-0.70 5.26 ∆=-0.11 5.75 ∆=+0.38
Százalékos arányokat tekintve az alábbi összefoglaló eredményeket hozta az éghajlatváltozás vizsgálata: Szcenárió
Csapadék változás, %
lefolyás változás, %
P1
-15
-13
P2
-3
-2
P3
+9
+7
A fenti adatokat, illetve a mögöttük álló 200 év hosszúságú generált adatsorokat használtuk fel a később bemutatásra kerülő tározó és vízgyűjtő modellek bemenő adataiként az éghajlati hatások vizsgálatánál. Az adatsor generálási eljárás Reimann József professzor jelen projekthez készített matematikai munkáján alapult (Reimann, 1998-99). Az éghajlat változás vízminőségi hatásaival is külön munkacsoport foglalkozott (Szilágyi, 1999). Az igen sok, nagyon érdekes és jelentős részeredményt hozó kutatás bemutatásával itt nem -3-
foglalkozunk, mert a végeredmény az volt, hogy az éghajlat változás, azaz a levegő CO2 parciális nyomásának várható mértékű növekedése, nem fogja megváltoztatni a talajjal egyensúlyban lévő csurgalék víz PO43- koncentrációját, azaz a Zala folyó foszfor terhelését. Különböző regressziós modellekkel természetesen azt is (ismét) megerősítette ez a tanulmány, hogy a lefolyás mértéke, nagysága befolyással van a foszfor terhelés mértékére. Ezzel az eredménnyel azonban azért nem foglalkozunk itt, mert az alább bemutatásra kerülő SENSMOD vízgyűjtő modell explicit módon tartalmazza ezt a hatást, azaz a fajlagos foszfor lemosódás és a lefolyás közötti összefüggést. Tehát a lefolyás növekedésből származó potenciális többlet terhelés a SENSMOD modellel vizsgálható.
-4-
3.
Földrajzi információs rendszer (FIR/GIS) és monitoring adatbázisainak felállítása
A földrajzi információs rendszerhez az alábbi digitális térképi anyagokat használtuk fel (2. Ábra): -
A terület domborzati térképét (200x200 m-es bontásban);
-
A terület földhasználati térképét (Corine);
-
A terület talajtani (Agrotopo);
-
A terület műtrágya alkalmazási térképét, amelyet a projekthez Dr. Sisák István kutatási eredményei és adatai alapján (Sisák, 1995) állítottunk elő és az az 1985-87 évekre vonatkozott;
-
A terület mezőgazdasági egységei foszfor mérlegének térképét (ugyancsak Sisák, 1995, adatai alapján szerkesztve).
térképét
A 2. ábra ezeket a térképi anyagokat "piktogram" jelleggel —de a valós térképek alapján kicsinyítve— mutatja be, érzékeltetve egyúttal a felhasználás rendszervizsgálati folyamatát is. Ebből az ábrából az is kitűnik, hogy a fenti adatbázis alapján további "generált" digitális térképek is készültek. Ezek közül a talán két legfontosabb az alábbi:
2. Ábra
A FIR (GIS) alapú vízgyűjtő modellezés eszközeinek szemléltetése a Zala vízgyűjtő példáján
-
A lefolyási irányok térképe, amely lényegében a vízhálózatot rajzolja ki, beleértve a "terepen" történő vízmozgást is. Ez a térkép képezi a vízgyűjtő modell alapját, megadva a lefolyási és anyag-transzport útvonalakat;
-
A másik fontos generált térkép a diffúz anyag transzport (foszfor lemosódás) számítási területegységeinek térképe, ami a domborzati térkép alapján szerkesztett lejtőkategória térkép és a területhasználati térkép alapján szerkesztett fő kategóriák (erdő, rét-legelő, szántó, szőlő-gyümölcsös, település) térképének metszeteként (egymásra "húzásával") adódott.
A hidrometeorológiai, vízrajzi és vízminőségi adatbázisok az alábbiak voltak: -
Zala megye 10 illetve 5 csapadék és hőmérséklet mérő állomásának adatai;
-
A Zala vízrendszer vízrajzi mérőhálózatának adatai;
-
A Zala vízrendszer vízminőségi törzshálózati adatai (VM adatbázis); -5-
-
A Nyugatdunántúli Környezetvédelmi Felügyelőség szennyvízvizsgálati adatai (és tervezett mérőszámai).
Nagyon fontos adat típus volt még a műtrágya alkalmazás időbeli változása Zala megyében (3. Ábra), amelyet a lemosódáshoz rendelkezésre álló talaj-foszfor mennyiségének becsléséhez használtunk fel (ld. később). Ezen a helyen kell hangsúlyozottan kiemelni, hogy a felhasznált zalai adatok és információk körét két részletes, a projekt számára készített, tanulmány foglalta össze. Ezeket a területileg illetékes vízügyi igazgatóság (Szilágyi és társai, 1996) és környezetvédelmi felügyelőség (Kővári és társai, 1997) készítették a VITUKI Rt. megbízásából. Ezek az anyagok tartalmazzák a távlati 3. Ábra Zala megye szerves- és műtrágya felhasználása az elmúlt években tervezés, a vízgyűjtő gazdálkodás, főbb irányvonalait és stratégiáit is, amelyeket a tervezett beavatkozások hatásainak "szcenárió" elemzéseinél felhasználtunk.
4.
Integrált vízgyűjtő modellek fejlesztése és helyszíni adaptálása
A modell fejlesztés kifejezett célja az volt, hogy a gyakorlati döntés-támogatásban is alkalmazható eszközöket fejlesszünk, különös tekintettel nagyobb vízgyűjtőkre. Modell fejlesztés két fő irányba történt: -
Az egyik a SENSMOD modell rendszer (Jolánkai, 1986, Jolánkai és társai, 1993) továbbfejlesztése volt. A modell fejlesztés céljai között szerepelt elsősorban az, hogy még alkalmasabbá váljon FIR (GIS) alapú, azaz digitális térképeket használó raszter alapú számításokhoz és így minél jobban hasznosítsa a földrajzi illetve térben osztott adat rendszereket. A másik cél az volt, hogy a modell rendszer hidrológiai és ezzel lefolyáslemosódás számítási alapjait fejlesszük. A harmadik cél, tekintettel a Zala vízgyűjtő különleges körülményeire, az volt, hogy tározó al-modellt építsünk be.
-
A másik egy tározó üzemirányítási modell fejlesztés volt, azzal a kifejezett céllal, hogy a kialakított modell alkalmas legyen a potenciális éghajlat változás által okozható vízhiányok számszerűsítésére, illetve mérséklésére.
4.1
A SENSMOD modell fejlesztése
Az alkalmazott modell a SENSMOD vízgyűjtő modell rendszer (Jolánkai, 1986, Jolánkai et al, 1993, Jolánkai, 1992) továbbfejlesztett változata volt. Miután a SENSMOD modell rendszer lényeges elemeit a hazai szakmai olvasók már korábban megismerhették (Jolánkai és társai, 1993) ezért itt csak a modell alapelveit tekintjük ismét át, majd a fejlesztés lényegére koncentrálunk. A modell lényeges tulajdonsága szemben a legtöbb (talán összes) szakirodalomból megismerhető modellel (Jolánkai, 1992), hogy kalibrálható, illetve önkalibráló algoritmussal rendelkezik. A -6-
modell a lefolyási viszonyok, a pontszerű és nem-pontszerű szennyezések adatai alapján és a vízgyűjtő földrajzi információs rendszere (GIS/FIR, azaz terep modell, területhasználati térkép és talaj térkép, stb.) felhasználásával leírja a vízrendszer szennyezőanyag (jelen esetben tápanyag és ezen belül a foszfor) forgalmának (koncentrációinak és terheléseinek) térbeli illetve hosszú távú időbeli változásait. A modell lényege, hogy a terep modell alapján szerkesztett lefolyási irányok (útvonalak) mentén számítja a pontszerű forrásból és a vízgyűjtő egy területegységéről (egy pixel, jelen esetben 4 ha) a vízgyűjtő kifolyó szelvényéig (jelen esetben Zalaapáti-ig azaz a Kis-Balatonig) eljutó anyag (foszfor) mennyiséget. Az eredeti SENSMOD modell (Jolánkai, 1986, Jolánkai és társai, 1993) tovább fejlesztése az alábbi területeken történt: a) A raszter alapú hidrológiai modell Tekintettel arra, hogy a potenciális éghajlat változás hatásai figyelembevétele érdekében a csapadék illetve ennek eredményeként a lefolyás változásainak figyelembevétele volt a cél, mégpedig térben osztott (raszter alapú) számítással, ezért olyan hidrológiai modellre volt szükség amely a terület egységről adja meg a lefolyást. Ezt az eredeti koncepció szerint egy osztott paraméterű raszter-alapú csapadék-lefolyás modellhez csatlakozóan végeztük volna. A már említett okok miatt azonban ez a modell nem állt rendelkezésre. Ezért idősor elemzéssel és lefolyás idősor generálással állítottuk elő az éghajlat változási szcenárióhoz tartozó lefolyás (vízhozam) idősorokat az egyes zalai mérőszelvényekre. Ezekhez a lefolyásokhoz (illetve a múltban mért vízhozam értékekhez) kellett rendelni lefolyás értékeket a vízgyűjtő terület számítási egységeihez (a 200 m x 200 m méretű raszterekhez). Ehhez dolgoztuk ki azt a módszert amit fordított (inverz) hidrológiai modellnek neveztünk. A számítási módszer lényegében súlyozás. A súlyozás egyrészt a terület-használati (fedettségi) viszonyok (szakirodalmi lefolyási tényezők), másrészt a lejtőkategóriák (átlagos esésének négyzetgyöke) szerint történt. A permanens állapotra vonatkozó SENSMOD modell hidrológiai részmodellje egy számítási modell-folyószakasz tetszőleges X szelvényében a fenti módszer szerint az alábbi módon
Q(x) = Q0 +
X L
∑∑ R i
ij
Aij
(1)
j
számítja a hidrológiai hossz-szelvényt: ahol Q(x) - vízhozam a mederben a szakasz elejétől számított x távolságban; x-
távolság a szakasz elejétől mérve;
Q0 -
vízhozam a mederben a szakasz elején;
Aij -
az i-edik területhasználati kategória j-edik terep-esés kategóriába eső területe a vizsgált szakaszhoz tartozó saját részvízgyűjtőn; (azaz, az a terület, amelyet a vizsgált részvízgyűjtőn a területhasználati térkép és a lejtőkategória térkép egymással szűrésével (közös metszékeként) nyerünk;
Rij -
lefolyás az Aij területről;
L-
a vizsgált szakasz teljes hosszúsága.
-7-
Az Rij lefolyást a szakasz végén mért (vagy oda számított, előrejelzett) összes lefolyt vízmennyiségnek (Vmért, térfogat) az i-edik területhasználat αi lefolyási tényezője és a j-eik lejtőkategória Sj átlagos esésének négyzetgyöke szerint súlyozással határozzuk meg az alábbiak szerint:
Rij =
wi * w j * V mért Aij
(2)
ahol wi és wj az i-edik területhasználati formához illetve a j-edik lejtő kategóriához tartozó súlyszámok, amelyeket az alábbi módon lehet kiszámítani: wi =
Ai α i ; = A j S j wj ∑i Ai α i ∑ Aj S j
(3)
j
ahol Ai -
az i-edik területhasználati kategóriába eső összes terület nagysága a vizsgált szakaszhoz tartozó részvízgyűjtőn belül;
Aj -
a j-edik lejtő kategóriába eső összes terület nagysága a vizsgált szakaszhoz tartozó részvízgyűjtőn belül.
A számítás, azaz a (fordított) hidrológiai al-modell végeredménye két alakban jelenik meg: i,
A vízrendszer egy adott állapothoz tartózó (havi, szezonális, éves stb.) hidrológiai (vízhozam) hossz-szelvénye a modell-hálózat bármely elágazó rendszerében (ld. később az eredményeknél) és;
-8-
ii,
A vízgyűjtő raszter alapú lefolyási térképe a vizsgált állapotra vonatkozóan. Ez utóbbira mutatunk be példát a 4. Ábrán. Ez az ábra a fent említett 7%-os pozitív éghajlati szcenárióhoz tartozó évi átlagos lefolyási térkép.
4. Ábra
A legnedvesebb klíma szcenárióhoz (R2a) tartozó lefolyási térkép
b) A területegységről lemosott anyag számítási részmodellje Ez a modell rész számítja a lefolyás hatására a terület egységéről meginduló és a transzport folyamatba belépő anyagmennyiséget. Ennél a fejlesztésnél a modell rendszer korábbi bemosódási részmodelljét (ld. Jolánkai és társai, 1993) módosítottuk annak érdekében, hogy egyrészt jobban fejezze ki a lefolyás-függő anyag lehordás folyamatát, másrészt alkalmasabb legyen a fenti Rij térképek által történő "meghajtásra". A modell általános alakja az alábbi: Y UAL =
A* I 1 + exp(a - b * R)
(4)
ahol YUAL - a fajlagos anyag lemosódás [MT-1L-2, Pl.: kg/ha.év]; I-
a lemosódáshoz rendelkezésre álló anyag mennyiség (input), [MT-1L-2, Pl.: kg/ha.év];
A-
tapasztalati tényező (kimoshatósági frakció, 0
R-
lefolyás a területegységről a vizsgált időszak alatt, [L, Pl.: mm];
a,b -
tapasztalati (regressziós) modell paraméterek.
-9-
A Zala vízgyűjtő esetében öt területhasználati formára (erdő, rét-legelő, szántó, gyümölcsös, lakott terület) határoztuk meg a 4. alatti modell paramétereit. Ezek közül a foszfor anyagmérleg szempontjából leginkább fontos szántóterületi modell összefüggés grafikus alakját mutatja be a 5. Ábra. Itt az I paraméter értéke a talaj —időben változó— ammónium laktát oldható foszfor (AL-P) tartalma, amelynek számértékei az 1985-89 időszakra táblaszinten rendelkezésre álltak adatbázisunkban (Sisák, 1995). Meg kell említeni, hogy a modell 5. Ábra A foszfor fajlagos kimosódás függvénye a paraméterek meghatározásábanmezőgazdasági területekre becslésében mindig (mindaddig) igen sok szubjektív elem marad, amíg több-évre kiterjedő lefolyás-bemosódás kísérleti mérések eredményei nem állnak rendelkezésre a főbb területhasználati formákra. Addig, tehát jelen esetben is, részben szakirodalmi ismeretekre és adatokra, részben pedig a Balaton vízgyűjtőn végzett nagyszámú (de térben és időben korlátozott) kísérleti mérés adataira (VITUKI, 1999) lehet támaszkodni. Ebben a modellben fontos szerepet játszik az I érték meghatározása, azaz a lemosáshoz mindenkor rendelkezésre álló oldható talaj foszfor (AL-P) érték. Ezt egyrészt helyszíni mérési adatok (Sisák, 1995) alapján a műtrágya alkalmazás PI értéke és a talaj P mérleg PE értéke között felállított regressziós összefüggés, másrészt a 3. Ábrán bemutatott műtrágya alkalmazás változás adatai alapján becsültük, felhasználva még a mezőgazdasági növény termelés országos (KSH-tól származó) változásainak mérőszámát is. c) Tározók foszfor visszatartásának rész-modellje A tározók foszfor mérlegére az alábbi egyszerű modell típust használtuk fel:
dP = LP - (q + K)P dt
(5)
ahol P-
a foszfor koncentrációja a tározóban [ML-3];
LP -
a tározó térfogati P terhelése [ML-3 T-1], a P terhelés (MT-1) osztva a tározó térfogatával V [L3];
q-
a hidraulikai átöblítési ráta [T-1], a tározóból lebocsátott vízhozam [L3 T-1] osztva a tározó térfogatával;
K-
a P kiülepedési-visszatartási tényező [T-1];
t-
az idő [T]. - 10 -
Az 5. egyenlet megoldása a P=Po, t=0 -nál kiindulási feltételek mellett:
P(t) = P0 e-(q+K)t +
LP (1 - e-(q+K)t ) q+ K
(6)
Egy új, megváltozott LP terheléshez az tározó új egyensúlyi P koncentrációját az alábbi alakban nyerhetjük:
Peq =
LP q+ K
(7)
Ha feltételezzük, hogy a tározó be- és kifolyó vízhozamai permanens állapot esetén megegyeznek, azaz Qbe=Qki akkor: Pin * Qin Pin V = Peqv = Pout = V Qout +K 1 + K Q V
(8)
A K kiülepedési illetve foszfor visszatartási tényező mértékére vonatkozó helyi információnk meglehetősen ellentmondásos (Kővári és társai, 1997) volt. Bizonyos esetekben azt is feltételezik, hogy a tározók foszfor forráskánt is működhetnek. Ennek ellenére a hivatkozott dokumentumokban vízminőségvédelmi céllal, foszfor visszatartásra is terveznek újabb tározókat építeni. Ezért a meglévő és tervezett tározókat a "szcenárió elemzésnél" többféle de viszonylag alacsony eltávolítási tényezőkkel vettük figyelembe. 4.2
A tározó üzemeltetés szimulációs modellje
Ezt a modell részt ismét külön munkacsoport dolgozta ki (Gilyénné, 1998, Futaki & Társa Kft., 1999). Miután vélhetően e modellről külön publikációt készítenek majd annak kidolgozói, ezért itt csak a modell főbb elveit, majd később a szimulációs futtatások eredményeit ismertetjük. A modell célja az, hogy megvizsgálható legyen annak lehetősége, hogy a Zala vízgyűjtőn potenciálisan, az éghajlat változás következtében fellépő vízhiányokat milyen mértékben lehet csökkenteni a tározók összehangolt működtetésével. A vizsgálat illetve a modell szimuláció főbb lépései az alábbiak: -
Az észlelt havi középvízhozam adatsorok elemzésével meghatározták a Zala folyó vízmércéire a minimálisan megkívánt havi vízhozamokat (ezt jelen modell futtatásnál a 90%-os tartósságú értékekre állítottuk be).
-
Az egyes vízmérceszelvényekre megkívánt vízhozam és a ténylegesen észlelt (illetve előrejelzett) vízhozam különbsége az a többlet vízigény (ha pozitív szám) amit a felettük lévő tározóból kell pótolni (amennyiben ezt lehet a tározó saját vízigénye mellett).
-
E vízigényeket a jelen modell algoritmus a tározók mindenkori teltségének arányában osztja szét (bármely más stratégia, vagy preferencia is beépíthető a későbbiekben).
-
Azon vízmércék esetén amelyek fölött más vízmérce is van ott a szétosztásnál már korrigálja az algoritmus a mérce vízhozamát a felettük lévő tározók többlet leeresztéseivel. - 11 -
-
A modell vízmércéről-vízmércére, illetve rész-vízgyűjtőről—részvízgyűjtőre szimulálja a tározók működését úgy, hogy az egyes vízmércékre előírt minimális vízhozamok lehetőleg biztosítva legyenek (Ennek során figyelembe veszi a tározók minimális vízigény korlátait illetve a mederbe leeresztendő élővizet, azaz az ekológiai vízigényt is).
-
Ha a minimális vízhozamokat valamely hónapban nem sikerül biztosítani a fenti feltétel rendszer mellett akkor ezt a tényt regisztrálja a modell és összegzi a vízhiányokat valamint a "vízigény megsértési" alkalmakat az egyes hónapokra és az egész idősorra egyaránt.
-
A modell egyszeri futtatásának eredménye egyrészt a tározók mindenkori teltsége (illetve vízhiánya), valamint a tározókra és a mérce szelvényekre vonatkozó eredmény mutatók (a vízigény kielégítés biztonságának mutatói). A mutatók egyike a mennyiségen alapuló biztonságot, míg a másik az időtartamon alapuló biztonságot fejezi ki.
5.
A Zala vízgyűjtő vízgazdálkodási és vízi környezeti feladatai megoldásának stratégiái és azok megfogalmazása a modellben
5.1
Vízkészletgazdálkodási stratégiák
A vízgyűjtő hidrológiai és vízkészletgazdálkodási tanulmánya (Szilágyi és társai, 1997) alapján megállapítható, hogy a Zala vízgyűjtőn jelenleg nincsenek említésre méltó vízkészletgazdálkodási problémák. A terület 118 településén a vezetékes vízellátás 95%-os. A kommunális vízfogyasztás 1990 és 1996 között 10,4 millió m3/év-ről 7,9 millió m3/év-re esett vissza. A mintegy 12 millió m3/év összes ipari vízigény is kielégíthető. A mezőgazdasági, öntözési vízhasznosítás (mintegy 10 millió m3/év) sokkal kevesebb mint amit vízjogi engedélyekben igényeltek. A vízigények és a vízfogyasztás a gazdasági átalakulás folytán drasztikusan visszaestek. A részletes vízkészletgazdálkodási írott hossz-szelvény adatai alapján az állapítható meg, hogy összességében jelenleg mintegy 700 l/s szabad vízkészlet áll rendelkezésre a Zalaapáti feletti vízgyűjtőn. Az is megállapítható azonban, hogy a mellékvízfolyásokon (Pl. Szévíz, Felső-Válicka és Csörgető patak), illetve az azokon lévő tározóknál már van vízhiány (nem kielégített vízigény) és ez várhatóan (mint látni fogjuk) súlyosbodni fog ha az éghajlat változás "szárazulási" előrejelzése következik be. A vízgyűjtőn 51 tározó van és további 14-et terveznek (6. Ábra). Ezek összes térfogata mintegy 9 millió m3 és teljes felülete mintegy 400 ha.
- 12 -
A Zala vízgyűjtő térképe a meglévő- és a tervezett tározók helyszíneivel
6. Ábra
A vízkészletgazdálkodási stratégia tehát lényegében a tározók megfelelő üzemrendjének megállapítása lehet. A fent átfogóan ismertetett tározó modell alkalmazásához kiválasztottuk a vizsgált vízgyűjtő 10 legnagyobb tározóját (tározó rendszerét), amelyek az összes tározó térfogatának mintegy 85%-át teszik ki. Az alábbiakban vizsgált tározók az alábbiak: 3. Táblázat A szimulációs modellnél figyelembevett tározók Sorszám 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
5.2
Tározó neve
Vízfolyás
Hegyhátszentjakab Zalalövői tározó Gébárti tározó Ságodi tározó Pusztaszentlászlói Gersekaráti tározó Pölöske-Zalaszentmihályi Pakodi tározó Szajki tározó Zalaszentgróti
Mogyorósdi p. Szőcei p. Szentmártoni p. Ságod p. Völgy p. Sárvíz Bebes-árok, Szévíz Nagytilaj p. Csörgető p. Creek Nádas
Terület ha 6,6 19,8 31,0 9,5 6,1 32,8 147,2 9,0 33,2 32,0
Térfogat 103 m3 152,0 505,0 980,0 220,0 171,0 1081,0 3530,0 152,0 407,0 408,0
Vízminőségszabályozási stratégiák
Elvégeztük törzshálózati (VM) adatbázis adatainak statisztikai értékelése és vízminőségi osztályba sorolását a vizsgált vízgyűjtő minden állomására. Megállapítható, hogy a vízminőségi osztálybasorolást meghatározó paraméterek általában a foszfor háztartás komponensei, melyek - 13 -
alapján a minősítés IV.-V. (szennyezett, erősen szennyezett) volt a vizsgált 1991-1998 időszakban. Ez a körülmény még nagyobb jelentőséget kap, ha azt tekintjük, hogy a Kis-Balaton és a Balaton eutrofizálódás elleni védelmében is a foszfor a legfontosabb szennyezőanyag, melynek terhelését nagy mértékben csökkenteni kell ahhoz, hogy a célként kitűzött terhelési szinteket elérhessük. Megvizsgálva a foszfor komponensek időbeli alakulását azt találjuk, hogy a legkritikusabb komponens az ortofoszfát foszfor (7. Ábra) koncentrációja nagyságrenddel csökkent a vizsgált időszakban. Ez a hatás részben a Zalaegerszegen bevezetett foszfor eltávolítási fokozat hatását, részben pedig a mezőgazdaság műtrágya alkalmazásának már tárgyalt drasztikus visszaesését tükrözi. Az ábrából az is látható, hogy a modellezést (a kalibrációt, majd az igazolást, a verifikációt) két időszakra lesz érdemes elvégezni: a 80-a évek 7. Ábra Az Ortofoszfát-foszfor alakulása a Zala mérőállomásain közepének-végének kiemelkedően magas terhelési viszonyaira és a jelenlegi 1995-1997 évek erősen lecsökkent terhelési viszonyaira. A két időszak forrás oldali terhelési viszonyainak számszerűsítéséhez a vízminőségszabályozási tanulmányban (Kővári és társai, 1997) igen részletes adatbázis állt rendelkezésre, beleértve, bizonyos nem-pontszerű szennyezőhatások becslését is (nem csatornázott területek szennyvízéből és a települések lefolyásából származó terhelés), településenkénti bontásban. A vízfolyásokba jutó terhelést az 1995-97 évek átlagában az alábbi összefoglaló táblázat mutatja be (4. Táblázat). 4. Táblázat A Zala vízgyűjtő vízfolyásait érő foszfor terhelés összefoglalása (jelen állapot, 1995-1997 átlag és becsült, kg/év)
Folyó szakasz Andráshida felett Andráshida - Alibánfa Alibánfa - Zalabér Zalabér - Zalaapáti Összesen
Szennyvíz bevezetés
Városi lefolyás
571 5.738 252 223 6.784
3.091 1.864 1.399 1.156 7.510
- 14 -
Szennyvíz nem csatornázott településekről 722 991 861 433 3.007
Összesen 4.384 8.593 2.512 1.812 17.301
Ha azt tekintjük, hogy a Zalaapáti szelvény átlagos ÖP terhelése a vizsgált időszakban 46,2 t/év volt akkor megállapítható, hogy mintegy 62%-a az összes, vízfolyást érő terhelésnek egyéb, azaz mezőgazdasági forrásokból kellett származzon. Azt is meg kell említeni, hogy legalább ennyi az egyéb (mezőgazdasági és erdőgazdasági) források részaránya, mert a helyi szakemberek (véleményünk szerint) valószínűleg inkább túl, mintsem alul becsülték a városi lefolyás és a nemcsatornázott települések diffúz terheléseit (feltételezve például, hogy a keletkező szennyvíz 30%a, 9 gP/m3 koncentrációval a befogadókba jut). Ez az arány még nagyobb volt a korábbi években, tehát a terhelés nagyobbik része mindenképpen a mezőgazdasági területekről kell származzon (mert az erdő, illetve rét-legelő fajlagos P terhelése a szakirodalomból is közismerten elhanyagolhatóan kicsi). Mindebből az következik, hogy a legfőbb vízminőségvédelmi stratégia a mezőgazdasági eredetű terhelés csökkentése. Ennek ellenére jól kidolgozott terhelés csökkentési stratégiák csak a pontszerű forrásokra állnak rendelkezésre (ez egyébként sajnos az egész Balaton vízgyűjtőre igaz) és így először ezzel foglalkozunk. A helyi környezetvédelmi felügyelőség (Kővári és társai, 1997) 2002 utáni végrehajtásra igen részletes stratégiát dolgozott ki —településről-településre— a csatornázási-szennyvíztisztítási program végrehajtására és annak még a hatásfokra vonatkozó feltételezések szerinti alternatívái is rendelkezésre álltak. Ezek összefoglalását mutatja be az 5. Táblázat (megjegyezve, hogy a modell bemeneti —input— adatbázisa és az eredeti projekt jelentés a részletes adatokat tartalmazza, telepről-telepre). 5. Táblázat A Zala vízgyűjtő csatornázási és szennyvíztisztítási alternatíváinak összefoglalása Vízfolyás szakasz Andráshida felett Andráshida - Alibánfa Alibánfa - Zalabér Zalabér - Zalaapáti Összesen * P1 Szcenárió:
Szennyvíz bevezetés m3/nap 880 30.200 360 1.800 33.240
Vízfolyásba jutó foszfor terhelés kg/év P2** Szcenárió P3* Szcenárió P1* Szcenárió 578 226 1.192 7.704 7.716 11.440 276 108 1.850 582 461 1.027 9.140 8.511 15.509
Csatornázási és szennyvíztisztítási változat annak feltételezésével, hogy az elfolyó víz ÖP koncentrációja a fontosabb telepeknél a szabvány szerinti 0,7 gP/m3 alatt lesz, míg egyéb telepeknél 1,8 gP/m3.
** P2 Szcenárió: Ugyanaz mint a P1 Szcenárió, de minden telepnél feltételezi a 0,7 gP/m3 határérték betartását (ez a legoptimistább változat). ***P3 Szcenárió: Egy kedvezőtlen változat. Feltételezi (kedvezőtlen tapasztalatok alapján), hogy nem sikerül mindenhol betartani az elfolyó víz szabványt (és átlagosan 3,0 gP/m3 elfolyó vízzel számol). Ezen túlmenően itt azt is feltételezik, hogy a "korszerű szennyvíztisztítás-pótló" berendezések sem mindenhol üzemelnek jól. (A fenti két szcenáriónál feltételezték, hogy nem jut a jövőben szennyvíz a befogadókba a nem csatornázott településekről, azaz illegális bekötésekből.)
A mezőgazdasági beavatkozási illetve jövőbeli alternatívák kialakításánál, már jobbára saját becslésekre illetve feltételezésekre kellett támaszkodnunk. A "stratégiák" illetve "jövőképek" kialakításához az alábbi információkat használtuk: - 15 -
-
A mezőgazdasági területről lemosódó P terhelés legnagyobbrészt a lejtő irányba művelt szántóterületek, gyümölcsösök (1. Fénykép) talajeróziójából származik;
-
A fenti területeken Sisák mérései (1995) szerint "...a hosszan tartó műtrágyázás következtében a könnyen oldható foszfor tartalom is jelentősen megemelkedik. Az intenzív művelés alatt álló területek AL-P2O5 tartalma két-háromszorosan haladja meg a természetes vegetációjú területek hasonló értékét...."
-
A 90-es években drasztikusan lecsökkenő műtrágya alkalmazás hatására csökken a szántóföldi talajok lemosódáshoz rendelkezésre álló P tartalma (mert a növények több foszfort vesznek fel, mint amennyi az alkalmazott mennyiség). Ez utóbbit durva becsléssel számszerűsítettük is felhasználva Sisák (1995) regressziós összefüggéseit (8. Ábra).
A fenti információ és a hazai illetve nemzetközi mezőgazdasági, eróziós és talajvédelmi szakirodalom és tanulmányok (TAS-Balaton, 1998; Wischmeier and Smith, 1978) alapján az alábbiak szerint fogalmaztuk meg a mezőgazdasági alternatívákat:
8. Ábra
A talaj foszfortartalmának modellbecslése
A műtrágya alkalmazás alternatívái: F1 alternatíva:
Visszaáll a 80-as évek közepére jellemző magas műtrágyázás (annak hosszútávú hatásaival együtt);
F2 alternatíva:
Az 1989-1991 évek átlagaként tekintett közepes műtrágyázás válik hosszútávú gyakorlattá;
F3 alternatíva:
A jelen (1997) állapotban alkalmazott műtrágyázás marad jellemző.
További mezőgazdasági alternatívaként vizsgáltuk lehetőségeket. Ezek alapján az alábbiakat választottuk ki:
az
agrotechnikai-talajvédelmi
A1 alternatíva:
a szintvonal menti művelés a lejtőirányú helyett, szántó és szőlő-gyümölcsös területeken;
A2 alternatíva:
az előbbihez társuló védősávos (buffer-strip cropping) művelést és végül;
A3 alternatíva:
a sáncos-teraszos művelés. - 16 -
A fenti alternatívák számszerűsítésére a hazai és nemzetközi szakterületen egyaránt alkalmazott univerzális talajveszteségi egyenlet (USLE, Wischmeier és Smith, 1978) P (talajvédelmi-beavatkozási) tényezőjének lejtőkategóriánként megadott értékeit vettük figyelembe a számított fajlagos P lemosódás szorzójaként. Két alternatívában vizsgáltuk még a városi (belterületi) bemosódás szabályozását (U1-30%-os eltávolítás és U2-70%-os eltávolítás), az alkalmazásra kerülő megoldás ismerete nélkül (mert erre nem készült szabályozási terv). A tározók esetleges (helyi ismeretek alapján kis mértékűnek becsült) P visszatartását három alternatívában vettük figyelembe (RV1- 10% eltávolítás; és RV2- 20%-os visszatartás és RV3 mint RV2 + a tervezett új tározók megépülése) Megjegyzés: Az egyes szcenáriók "0" jele (azaz A0, U0, P0, stb.) a jelen állapotra utal a későbbiekben.
6.
A modell vizsgálat eredményei
6.1
A SENSMOD modell kalibrálásáról és igazolásáról (verifikáció)
A modellt az 1995-97 évek adatai alapján kalibráltuk és egy minden tekintetben (pontszerű és nem-pontszerű foszfor kibocsátásban és lefolyásban) eltérő másik korábbi időszak (1985-1988) adataival igazoltuk. A kalibrációs-verifikációs modell futtatást fordítva is elvégeztük, az 19851988 évekre kalibrálva és az 1995-97 évek adataival igazolva. Különlegesen kedvező körülmény volt, hogy ez utóbbi időszakra igen a már említett részletes (2600 mezőgazdasági táblára vonatkozó) és térképszerűen digitalizált műtrágyázási és talaj-foszfor adatokkal rendelkeztünk, illetve rendelkeztünk Zala megye műtrágyázási adatsoraival is a szóban forgó évtizedre. A modellben a kimosódáshoz rendelkezésre álló talaj-P értékét a bevitt műtrágya és a betakarított termények által eltávolított mennyiség hatásaként (függvényében), kumulatív módon, időben változóan számítottuk (ld. a 3. ábra térképi piktogramját). Az egyik legfontosabb részeredmény a területegységről lemosódó-továbbjutó foszfor mennyiség digitális térképe, mely a fenti talaj-P térkép és a lefolyás-bemosódás rész modell alapján kerül kiszámításra. Erre mutat be példát 9. Ábra. Itt a legnagyobb számított lemosott anyag mennyiségek (a Zala völgy Zalaapáti feletti
9. Ábra
Fajlagos foszfor kimosódási térkép az R0 szcenárió alapján
- 17 -
szakaszának bal oldali részén) éppen arra a helyszínre esnek amelyről az 1. Fénykép készült (meredek hegyoldalon lévő szőlők). A kalibráció-igazolás futtatások eredményeit a Zala hossz-szelvényére a 10-11 ábrák és a 6. Táblázat mutatják be.
10. Ábra Első kalibrációs-verifikációs eredmény, ÖP és vízhozam hosszszelvények a Zala folyóra
11. Ábra Második kalibrációs-verifikációs eredmény, ÖP és vízhozam hosszszelvények a Zala folyóra
- 18 -
6. Táblázat A SENSMOD modell kalibrációs eredményeinek összefoglalása Mért és számított foszfor koncentrációk és terhelések összehasonlítása Mért adat 3 mg/m (t/év) Állomás 1985-88 1997 (Ver.1) (Ver. 2) 396,8 143,3 Zalalövő (14,02) (4,38) 371,9 143,1 Andráshida (29,7) (8,44) 649,2 224,0 Alibánfa (99,38) (22,23) 755,1 236,7 Zalabér (120,22) (33,05) 556,0 202,1 Zalaapáti (116,26) (37,62) Átlagos hiba
Számított adat mg/m3 (t/év) 1985-88 1997 (Ver.2) (Ver.1) 298,6 193,1 (10,59) (5,88) 371,5 150,1 (29,73) (8,85) 702,5 281,7 (83,26) (28,82) 616,2 299,6 (97,72) (42,04) 486,9 233,8 (101,83) (43,5)
Különbség, 85-88
Különbség, 97
∆
%
∆
%
98,2 (3,43) 0,4 (0,06) 53,3 (16,12) 138,9 (22,5) 69,1 (14,43)
24,7 (24,4) 0,1 (0,2) 8,2 (16,2) 18,4 (18,7) 12,4 (12,4)
49,8 (1,5) 7,0 (0,41) 57,7 (6,59) 62,9 (8,99) 31,7 (5,88)
34,7 (34,2) 4,9 (4,9) 25,8 (29,6) 26,6 (27,2) 15,7 (15,6)
72 mg/m3
13.5%
42 mg/m3
21.9%
A nagy időbeli és input-output viszonyokban mérhető különbség mellett a modell igazolása elfogadható volt, 13,5% átlagos hiba mellett. Az átlag az összes állomás terhelésében és koncentrációjában elkövetett hibák átlaga. 6.2
A természeti és beavatkozási változatok (szcenáriók) elemzésének eredményei
A természeti állapotokat a hosszútávú átlagos lefolyás (R1), a hosszútávu legnagyobb lefolyás (R2) és az éghajlati szcenáriók legnagyobb lefolyású (+7%, R2a) értékekkel, illetve az ehhez tartozó modellezett lefolyási térképekkel vettük figyelembe (ld. 4. ábra). Az emberi beavatkozások esetében a fenti 4.2 fejezetben röviden ismertetett pontszerű és nem pontszerű szennyezésekre vonatkozó változatokkal (szcenáriókkal) vettük figyelembe. Miután ezek kombinációi igen nagy számot adnának így az alábbi szcenárió kombinációkat, feltételezett természeti és beavatkozási helyzeteket, elemeztük (7. Táblázat), feltüntetve a szimuláció eredményeit a Zalaapáti szelvényre:
- 19 -
7. Táblázat A SENSMOD modellel vizsgált helyzetek, szcenáriók és végeredményük (a Zalaapáti szelvény foszfor koncentráció és terhelés értékei) Szcenáriók
Szcenárió leírása
Kalibráció (1997)
Mért értékek (egyeznek a számítottal) Mért (számított) értékek Jelen állapot, nagy lefolyással
Igazolás (1985-88) 1. Szcenárió
2. Szcenárió 3. Szcenárió 4. Szcenárió 5. Szcenárió 6. Szcenárió
Jelen állapot, nagy lefolyás, nagy műtrágya Jelen állapot, nagy lefolyás, közepes műtrágya Átlagos állapot, közepes beavatkozások Az elméletileg elérhető legjobb állapot A legpesszimistább feltételezés
A stratégiák részletei
R2 (legnagyobb mért), P0, U0, F3 (nagyon alacsony), RV1 R2, P0, U0, F1 (nagyon magas), RV1 R2, P0, U0, F2 (közepes), RV1 R1, P1, U1, F2, A1 (szintvonal menti művelés), RV2 R1 (sokévi átlag), P2, U2, F3, A3, RV3 R2a (legrosszabb éghajlati) P3, U0, F1, A0, RV0
- 20 -
Eredmények Zalaapátinál ÖP koncentráció, mg/m3
ÖP terhelés, tonna/év
202,1
37,62
556,0 (486,9) 198,7
116,26 (101,83) 53,54
384,1
103,48
291,4
78,51
186,9
29,63
99,3
15,74
403,3
116,26
A két szélsőséges szcenárióra, azaz az elméletileg elérhető legjobb illetve bekövetkezhető legrosszabb helyzetekre (5. és 6. szcenáriók) vonatkozó szimulált Zala hossz-szelvényeket a 12-13. ábrák mutatják be.
12. Ábra Az 5. szcenárió eredménye, ÖP és vízhozam hossz-szelvény a Zala folyóra
13. Ábra A 6. szcenárió eredménye, ÖP és vízhozam hossz-szelvény a Zala folyóra
- 21 -
A modellvizsgálat eredményeit összefoglalva az alábbi, a tényleges beavatkozások megtervezéséhez és végrehajtásához gyakorlati jelentőséggel is rendelkező, megállapítások tehetők: 1. Szcenárió: Ha a műtrágyázás hosszú ideig nagyon alacsony szinten van (marad), akkor a lefolyás-növekedés terhelés módosító hatása csak a vízhozam-növekedéssel lesz arányos, de a koncentráció érték nem növekszik. 2. Szcenárió: Ha a műtrágyázás tartósan visszatérne a korábbi magas szintre, akkor mind a koncentráció mind a terhelés mintegy megkétszereződne a jelen állapothoz képest és visszatérne a 80-as években mért értékre (ha közben más beavatkozás sem történik). 3. Szcenárió: A 90-es évek elejére jellemző közepes és tartósan alkalmazott műtrágyázás esetén a jelenleg ÖP koncentráció értékek mintegy 0.1 g/m3-rel, azaz mintegy 50%-al emelkednének meg. 4. Szcenárió: Átlagos állapotok és közepes hatékonyságú terhelés csökkentő beavatkozások esetében nagyjából a jelen állapot maradna fenn. Ez azt jelenti, hogy a nempontszerű terheléseket csökkentő beavatkozások kedvező hatását az ismét közepesre növekvő műtrágyázás és a (területi szervek által előrejelzett) megnövekvő pontszerű terhelések hatása mintegy kiegyenlítené. 5. Szcenárió: Az összes lehetséges beavatkozás legkedvezőbb kombinációja esetén a Zala ÖP koncentrációja a nagyon is kívánatos (II. osztályú) 0.1 mg/l értékre csökkenne és durván felére csökkenne a jelenlegi átlagterhelés is. 6. Szcenárió: Szélsőségesen kedvezőtlen körülmények összejátszása (beleértve a legkedvezőtlenebb éghajlat változást is) esetén és ismét nagyon magas műtrágyázás tartós alkalmazása után, valamint minden beavatkozás nélkül igen kedvezőtlen állapotok alakulnának ki és a terhelések meghaladnák az 1980-a évek legnagyobb terheléseit. Természetesen igen sokféle egyéb beavatkozási lehetőség is vizsgálható a jól bekalibráltnak tekinthető modellel és így az egyik legfőbb célja jelen tanulmány elkészítésének az volt, hogy tényleges döntéshozási alkalmazásra ajánljuk az érdekelteknek az általunk elkészített modellt. A fentiekkel csak a modell képességeit és az alkalmazás lehetőségeit kívántuk szemléltetni. 6.3
Az éghajlatváltozás vízkészletgazdálkodási hatásainak szimulálása a tározó modellel
Ismét meg kívánjuk említeni, hogy a tározó modell alapelveit és összefüggéseit nem jelen tanulmány szerzői dolgozták ki hanem Gilyénné Dr. Hofer Alice (1998), bár a számítógépes megvalósítás részben, a szcenárió analízis pedig egészen a 2. szerző munkája. A modell futtatása a 2. Táblázatban röviden összefoglalt éghajlat-változási lefolyás (vízhozam) szcenáriókhoz tartozó 200 év hosszúságú generált adatsorokkal történt. Összehasonlításul futattuk a modellt az elmúlt tíz év mért vízhozam adatsoraival is. Az eredményeket az alábbi formákban kaptuk illetve jelenítettük meg: -
Mért és szimulált havi vízhozam adatsorok az egyes mérce szelvényekben. Ezek közül egy-egy tíz éves adatsor összehasonlítását mutatja be a 14. Ábra a legkedvezőtlenebb (legszárazabb) P1 csapadék szcenárió esetére. Már ebből az ábrából is látható, hogy a - 22 -
kedvezőtlen éghajlati szcenárió bekövetkezése esetén időről-időre jelentősebb vízhiánnyal kell majd számolni.
- 23 -
14. Ábra Észlelt és szimulált vízhozam idősor a Zala egyik állomásán, szimuláció a P1 szcenárió alapján, az első 10 év
-
A vizsgált tíz tározó térfogatának (teltségének) változása. Erre az eredmény típusra a 15/a és 15/b Ábra mutat be példát, összehasonlítva négy jellemzőnek ítélt tározó térfogat változásait az elmúlt tíz évben illetve az éghajlat változás első tíz évében. Meg kell jegyezni, hogy a múltra szimulált változat sem a valós helyzeteket szemlélteti, hanem azt az esetet ha azokat a fellépő vízhiányok térben egyenletes kiküszöbölésére irányulva üzemeltették volna. Az ábrából látható, hogy a múltban mért helyzethez tartozó néhány nagyobb vízhiány (amiről egyébként a helyi szervek is beszámoltak) a P1 éghajlati szcenárió esetében szinte évente ismétlődő súlyos időszakos vízhiányba csapna át.
15/a Ábra A Zala rendszer egyes tározóinak teltségi hányada, modellfuttatás a történelmi adatok alapján
15/b. Ábra A Zala rendszer egyes tározóinak teltségi hányada, modellfuttatás a P1 szcenárió alapján
- 24 -
-
A harmadik típusú eredmény a vízigények mennyiségi kielégíthetőségi biztonságának indexe a tározókra és a vízmérce állomásokra. Ezekre mutat be példát a 16. Ábra a P1 éghajlati szcenárióra. Az ábrából látható, hogy az átlagos vízigény kielégíthetőségi biztonság nem érné el az 50%-ot sem a tározók, sem az állomások esetén.
16. Ábra Vízigény kielégítési biztonság mennyiségben kifejezve a Zala néhány tározójára és vízmércéjére
-
A negyedik típusú eredmény a vízigények időbeni kielégíthetőségi biztonságának indexe a tározókra és a vízmérce állomásokra. Ezekre mutat be példát a 17. Ábra a P1 éghajlati szcenárióra. Az ábrából látható, hogy az átlagos időbeni vízigény kielégíthetőségi biztonság már nem alakulna olyan kedvezőtlenül mint a mennyiségi biztonság és elérné a 80%-ot mind a tározók, mind az állomások esetén, azaz mindössze a nyárvégi egy-két hónapban kellene nagyobb vízhiánnyal számolni.
17. Ábra Vízigény kielégítési biztonság időben kifejezve a Zala néhány tározójára és vízmércéjére
- 25 -
Az eredmények összefoglaló adatait a 8. Táblázat mutatja be: 8. Táblázat Éghajlati szcenáriók szimulálása a tározó modellel, összefoglaló adatok Megnevezés Átlagos vízhiány a tározókban egy évtized alatt (103 m3/hónap) Vízigények mennyiségi kielégíthetőségi biztonságának átlagos indexe 10 év illetve 200 év alatt a tározókon, % Vízigények mennyiségi kielégíthetőségi biztonságának átlagos indexe 10 év illetve 200 év alatt a Zala folyón, % Vízigények időbeli kielégíthetőségi biztonságának átlagos indexe 10 év illetve 200 év alatt a tározókon, % Vízigények időbeli kielégíthetőségi biztonságának átlagos indexe 10 év illetve 200 év alatt a Zala folyón, %
Mért vízhozamok (1986-1996)
P1 Szcenárió
P2 Szcenárió
2,9
84,2
62,3
82,5
43,3
48,0
82,0
41,0
45,8
98,9
85,8
89,7
99,0
85,8
89.8
Összefoglalva megállapítható, hogy a negatív éghajlati szcenáriók bekövetkezése a modell szimuláció szerint gyakran ismétlődő, de viszonylag rövidebb ideig tartó kritikus helyzeteket (50%-ot meghaladó vízhiányt) teremthetne a tározók vízkészlet-gazdálkodásában akkor, ha tartani igyekeznének az üzemeltetők a Zala jelenlegi 90% tartósságú kisvizeit. Az eredmények valószerűségére utal, hogy a múltbéli állapot szimulációjakor az észlelthez közeli állapotokat számít a modell (azaz az 1993-94 időszak száraz, aszályos jellegű, éveiben valóban jelentős vízhiánnyal küszködtek az üzemeltetők a tározók többségénél, a kapott tájékoztatás szerint) Erre a modellre is érvényes a vízminőségi modellel kapcsolatban tett megállapítás, miszerint a bemutatott eredmények csak a modell képességeit érzékeltetik és a tényleges döntés-támogató alkalmazáshoz még további adatgyűjtés és az üzemeltetők igényeinek jobb megismerése szükséges.
7.
Összefoglalás, következtetések, ajánlások
Az Európai Unió "Környezet és Éghajlat" programja keretében a nemzetközi munkacsoport által elnyert és megvalósított vízgyűjtő modell fejlesztés eredményét hazai (és talán nemzetközi) tekintetben is jelentősnek merjük remélni. A munka összefoglaló és leglényegesebb eredményének azt tartjuk, hogy olyan földrajzi információs rendszeren (GIS avagy FIR) alapuló modell együttest dolgoztunk ki amely alkalmas lehet gyakorlati vízkészletgazdálkodási és vízminőségszabályozási stratégiák és döntési helyzetek elemzésére (elsősorban a Zala vízgyűjtő Zalaapáti, tehát Kis-Balaton feletti szakaszán, de reményeink szerint bárhol másutt is). Ez vonatkozik mind a pontszerű szennyezések illetve a lefolyás által kiváltott tápanyag forgalmat leíró vízgyűjtő modellre, mind a tározók üzemelését szimuláló vízmennyiségi modellre. Az elvégzett munka megfelelő voltát, illetve a kidolgozott modellek gyakorlati felhasználhatóságát azáltal tekinthetjük "igazoltnak", hogy a modell kalibrációja és azt követő - 26 -
igazolása (verifikációja) megfelelő volt, annak ellenére, hogy két minden tekintetben eltérő időszak adatait használtuk fel ehhez. A legfőbb gyakorlati következtetés az, hogy a Zala vízgyűjtő tápanyag forgalmát jelentős mértékben befolyásolta (befolyásolhatja) a mezőgazdaság műtrágya alkalmazása, majd annak drasztikus csökkenése. Ez nem csak a modell eredményeiből tűnik ki, hanem a táblaszintű talajfoszfor mérleg adatokból illetve a vízgyűjtő szintű egyszerű mérleg számításokból is. A modell csak azzal nyújt többet az alapadatokból is megismerhető információnál, hogy tervezhetővé teszi az emberi beavatkozásokat és előrejelezhetővé azok hatását. A másik fontos következtetés az, hogy ha valóban bekövetkezne a világ-szintű éghajlat modellek alapján előrejelezhető regionális éghajlat változás akkor az komoly (50%-ot meghaladó), visszatérően jelentkező, de csak a nyárvégi hónapokra korlátozódó vízhiányt okozna, melynek ellensúlyozására, mérséklésére, a tározó üzem szimulációs modelljének részletesebb kimunkálása nyújtana lehetőséget. Javaslatainkat a gyakorlati vízminőségszabályozás és vízkészlet-gazdálkodás szempontjából az alábbiakban foglalhatjuk össze: a).
A Zala vízgyűjtőn a kidolgozott modellek gyakorlati döntés támogató alkalmazásához további modell fejlesztésre illetve adat és információ gyűjtésre volna szükség. Ennél két út követhető: i)
A vélhetően drágább de jobb megoldás az lenne, ha felhasználó-barát szoftverré dolgoznánk ki a modellt illetve a mögötte álló adatbázist a helyi szervekkel szoros együttműködésben. Ennek eredménye olyan a Nyugat-Dunántúli-VIZIG és/vagy KÖFE telephelyein rendelkezésre álló döntéstámogató rendszer lenne, amelynek használatát már a kidolgozók segítsége nélkül a helyi szakemberek végzik.
ii)
A helyi szervekkel tovább folytatott közös munka és együttműködés eredményeként a modell kidolgozói (a VITUKI Rt) végeznék a további modell és adatbázis fejlesztést és a mindenkor felmerülő problémák elemzését.
Mindkét megoldáshoz kutatás-fejlesztési pénzügyi forrásokat kellene biztosítani. Az így befektetett pénz azonban, gyorsan és "látványosan" megtérülne a tényleges vízkészletgazdálkodás és vízminőségszabályozási feladatok és tervezés eredményes megoldásánál. b)
Szükséges és érdemes volna a modell adaptálását más, minél több, hazai vízgyűjtőre is kiterjeszteni. Ennek helyszínei és indokai az alábbiak: i)
Elsősorban az egész Balaton vízgyűjtőjére kellene a modellt kiterjeszteni. Legféltettebb nemzeti kincsünk a Balaton eutrofizálódás elleni védelme a legfőbb indok, beleértve mindazt a bizonytalanságot ami jelenleg (főként a diffúz szennyezőforrások domináló volta, de térben nem azonosított forrásai miatt) a beavatkozások hatékony megtervezését és végrehajtását terhelik.
ii)
A többi teljesen hazai vízgyűjtő (Zagyva-Tarna, Kapos-Sió) modell adaptáció után az egész magyarországi Duna-Tisza vízgyűjtő átfogó GIS (FIR) alapú modellezését kellene megoldani, mert a Duna vízgyűjtő és az Európai Unió teljes vízgyűjtőkre vonatkozó integrált vízgyűjtő-gazdálkodási programjaihoz csak ilyen eszközökkel lehet majd érdemben csatlakozni. Ehhez jól megalapozott balesetszerű szennyezést előrejelző modell komponenst is be kellene építeni (Ehhez is rendelkezésre állnak már az alapok, VITUKI, 1991).
- 27 -
c)
Mindehhez a munkához jelentősebb mérési-adatgyűjtési programot kellene csatlakoztatni. Ebbe mind a pontszerű szennyezőforrások megbízható adatbázisának kialakítását, mind a nem pontszerű (diffúz) források kísérleti felmérését bele kell érteni. Ez utóbbihoz a részletes talaj-tápanyag térképek és műtrágya alkalmazási adatbázis megteremtése volna elsősorban fontos. A méréseknek ki kellene még terjednie a tavak és tározók részletes víz és anyagforgalmi felmérésére, valamint a vízfolyások hidrológiaihidraulikai (folyási idők) mérésére-elemzésére.
Mindent összefoglalva; az integrált vízgyűjtő-gazdálkodási elemzésekhez és tervezéshez az eszköz, a korszerű eszköz, tehát az itt ismertetett fejlesztő munka eredményeként rendelkezésre áll. Most már a döntéshozók, az érintett tárcák, feladata az, hogy Európához való felzárkózásunk lényeges elemeként a gyakorlati alkalmazás országos szinten megvalósuljon, hiszen az integrált vízgyűjtő-gazdálkodási koncepció az EU vízügyi irányvonalában kiemelt szerepet kapott.
Köszönetnyilvánítás A munka nagyszámú szakember és munka-csoport összehangolt közös munkájának eredményeként jött létre. Jelen tanulmány szerzői minden résztvevőnek ezúton is köszönetüket kívánják kifejezni, a munka mennyiséget vagy fontosságot ki nem fejező alábbi alfabetikus sorrendben: -
Futaki Károlynak a tározó modell algoritmus (szoftver) kidolgozásáért;
-
Gilyénné Dr. Hofer Alicenak az éghajlat-változási szcenáriók kidolgozásánál és a tározó modell elveinek kialakításánál végzett munkájáért;
-
Hanczár Zsoltnénak és munkatársainak (Bíró Attilának és Horváth Gergelynek) a Zala vízgyűjtő településfejlesztési, vízgazdálkodási és környezeti hatásait elemző tanulmányukért;
-
Kővári Istvánnak és munkatársainak (Kovács Zsuzsannának, Nádor Istvánnénak és Rákli Mária-Zsuzsannának) a munka egyik leglényegesebb elemét képviselő vízminőségi állapotfeltáró tanulmányért;
-
Dr. Nováky Béla professzornak az éghajlat-változási szcenáriók kidolgozásáért;
-
Dr. Reimann József professzornak az idősor elemzési és generálási eljárás matematikai alapjainak kidolgozásáért;
-
Dr. Sisák Istvánnak "A Zala vízgyűjtő műtrágyázási viszonyai, különös tekintettel a talajban felhalmozódott foszforra és annak lefolyás által továbbítható részére" c. tanulmányért és mérési-kísérleti adatainak rendelkezésre bocsátásáért;
-
Szabó Szabolcsnak a Balatoni vízgazdálkodási fejlesztési elveket elemző munkájáért;
-
Dr. Szilágyi Endrének és munkatársainak (Gulás Istvánnak, Hamza Istvánnak és Somogyi Józsefnek) a munka lényeges elemét képező, a Zala vízgyűjtő vízgazdálkodási helyzetét, problémáit valamint fejlesztési javaslatait feltáró tanulmányért;
-
Dr. Szilágyi Ferencnek az éghajlat változások vízminőségi hatásainak elemzésért a Zala vízgyűjtőn;
-
Varga Györgynek az éghajlati szcenáriókhoz tartozó csapadék és hőmérséklet adatok elemzéséért. - 28 -
Hivatkozott tanulmányok és irodalom jegyzéke Futaki & Társa Kft. (1998): A Zala tározórendszer szimulációs modellje (a RESERV program), Szoftver és használati leírás Gilyénné-Hofer A. és Nováky B. (1998) Az Éghajlati hatásvizsgálatok megalapozása a Zala vízgyűjtő lefolyásának vizsgálatára. Vízügyi Közlemények LXXX. évfolyam 3. Füzet, pp 508-526 Gilyénné-Hofer A. (1998): A Zala vízgyűjtőjén lévő tározók szimulációs vizsgálata (kézirat) Jolánkai G.(1986) SENSMOD: A Simple Experimental Non-point Source Model System. Proc. Int. Conf. Water Quality Modelling in the Inland Natural Environment. Bournemouth, England, 10-13 June, pp 77-91 Jolánkai G. (1992): Hydrological, Chemical and Biological Processes of Contaminant Transformation and Transport in River and Lake Systems. UNESCO series; Technical Documents in Hydrology. WS-93/WS.15. UNESCO, Paris. p. 147 Jolánkai G., Bíró I., Szász R. (1993): A Rajna-vízgyűjtő pontszerű és nem-pontszerű szennyezésének modellvizsgálata. Vízügyi Közlemények LXXV. évfolyam, 3. Füzet, pp 237-265 Kővári I., Kovács Zs., Nádorné I., Rákli M. Zs. (1997): A Zala folyó vízgyűjtőterületének vízminőségi állapotfeltárása, Szombathely, (kézirat) Reimann J. (1998): Csapadék és vízhozam adatok generálása a Zalaapáti feletti Zala vízgyűjtő terület csapadék adatai és a folyó vízhozam adatai alapján, (kézirat) Sisák I. (1995): A Zala vízgyűjtő műtrágyázási viszonyai, különös tekintettel a talajban felhalmozódott foszforra és annak lefolyás által továbbítható részére. Keszthely, (kézirat), p.25 Szilágyi E., Somogyi J., Gulás I (1997): A Zala vízgyűjtő vízgazdálkodási helyzete, problémái és fejlesztési javaslatai, Szombathely, (kézirat) Szilágyi F. (1998): Az éghajlat-változás várható hatása a Zala vízminőségére. Zárójelentés (kézirat). Az ÖkoTech Kft. beszámolójelentése a VITUKI Rt.- felé, p.32 TAS-Balaton (1998-99): Phare Framework Contract - Environment, OSS HU 9513/2. I. és IIÜtem zárójelentései VITUKI (1991): Dinamikus balesetszerű szennyezési események modell vizsgálata a Felső-Tisza vízgyűjtőjén. VITUKI témabeszámoló, Tsz:7611/4/1700 (Témafelelős: Dr. Jolánkai Géza) VITUKI Rt. (1999): Development of Integrated Catchment Models for Supporting Water Management Decisions (INCAMOD):-Final Report of the Hungarian Partner, Model development and application to the Zala River catchment (Hungarian team leader: Dr. Géza Jolánkai) Wischmeier W.H., Smith D. D. (1978): Predicting rainfall erosion losses - a guide to conservation planning. U.S Department of Agriculture, Agriculture Handbook N 537, p 58
- 29 -
