Bevezetés
Manapság egyre többet hallunk az ivóvíz végességéről. Halljuk, de
nem értjük, hiszen számunkra – a Kárpát-Pannon-régióban élők számára
– természetes, hogy ha kinyitjuk a csapot, mindig tiszta és
egészséges ivóvíz folyik rajta. A média persze hozza a hírt távoli
országokból, szárazabb klímájú területekről, hogy gyerekek milliói
nem tudnak iskolába járni, mert nap mint nap ivóvizet kell hordaniuk
családjuk számára. Halljuk, de nem értjük. Pedig egyre közeledik az
az időszak, amikor a legnagyobb harc nem az olajért vagy az aranyért
folyik, hanem a tiszta és egészséges ivóvízért, a jövő „kék
aranyáért”.
Már általános iskolában megtanultuk, hogy a Föld
vízkészleteinek csupán 2,7%-a édesvíz, aminek ráadásul 77%-a
jéghegyekbe és gleccserekbe fagyva található. Ezt a csekély
készletet is, amellyel gazdálkodnunk kell, ezernyi veszély
fenyegeti. Ezeknek a veszélyeknek nagy részét mi magunk idézzük elő.
A népesség, a gazdasági tevékenység és a mezőgazdasági öntözés
növekedésével egyre nő a víz iránti igény. Ugyanakkor – túlhasználat
vagy szennyezés következtében – világszerte csökkennek az elérhető
készletek. Több mint harminc ország szenved krónikus vízhiányban, és
a kereslet kielégítése érdekében egyre növekszik a felszín alatti
víz kitermelése is. Bármilyen megőrző intézkedéseket hozunk, a
felszín alatti víz kitermelése elkerülhetetlen. Ha a társadalom az
értékes vízkészletek kiaknázását utánpótlás vagy visszatöltődés
nélkül folytatja, a vízválság egyre súlyosbodni fog (Szarka, 2008).
A folyóvizek folyamatosan utánpótlódó vízkészletet biztosítanak,
ezek a vizek azonban nagyon szennyezettek is lehetnek. A parti
szűrésű rendszerek csodája éppen az, hogy a folyamatosan
nagymértékben utánpótlódó vízkészlet a felszín alatt szűrődési
folyamaton megy keresztül, aminek következtében minősége javul.
Megfelelően nagy kapacitással működtethetőek az ilyen rendszerek
ahhoz, hogy fenntartható legyen belőlük egy nagyobb embercsoport
vízellátása is. Arra azonban figyelnünk kell, hogy a szűrési
folyamatot biztosító földtani közeg könnyen elszennyezhető.
A parti szűrés fogalma
A parti szűrés fogalmát az irodalom igen tág keretek között kezeli.
Különböző szerzők különböző feltételekhez szabják a vízbeszerzés
ezen fajtáját. Abban azonban mindenki egyetért, hogy
parti szűrésű rendszernek akkor tekintünk egy vízbázist, ha az ott
található vízmennyiség valamilyen hányada (általában legalább 50%-a)
felszíni forrásból származik (folyóvíz vagy állóvíz), és egy jó
vízvezető, permeábilis, törmelékes üledékes közeg közvetítésével jut
el a vízbázist termelő kútba (1. ábra) (Ray et al., 2003b). A
parti szűrésű víz termelése esetén tehát elsősorban a felszíni
vizeket használjuk, csak a velük érintkező vízvezető rétegek, pl.
kavics, kavicsos homok vagy homok által megszűrve (Ray et al.,
2003a). Innen ered a „parti szűrés” elnevezés. A víztermelés
hatására a víz a földtani közegben a folyó felől a termelő kút
irányába áramlik. Ez a mesterségesen létrehozott gradiens a
tényleges tisztító tényező, hiszen az áramlás sebességének mértékét,
vagyis a szűrés időtartamát ez határozza meg a földtani közeg
minősége mellett.
A parti szűrés során lejátszódó víztisztítási
folyamatokat négy csoportba sorolhatjuk: hidrodinamikai (hígítás
révén), mechanikai (természetes szűrés), biológiai (a
mikroorganizmusok lebontása), fizikai-kémiai (szorpció,
csapadékképződés, pelyhesítés, koaguláció, redox folyamatok) (Ray et
al., 2003a). Ezek a folyamatok a szerves és szervetlen
szennyezőanyagokat, valamint a mikrobiológiai kórokozókat
részlegesen vagy teljes mértékben eltávolítják a folyóvízből (Ray et
al., 2003b). Mire a folyóvíz a termelőkútig ér, teljesen vagy
részben megtisztul. A tiszta víz csupán fertőtlenítést igényel, és
mehet is az ivóvízhálózatba. Erre a fertőtlenítésre is elsősorban a
kiterjedt csőhálózatok miatt van szükség. Amennyiben a víz még nem
alkalmas emberi fogyasztásra, úgy víztisztító műbe kerül. Ám ennek a
parti szűrés által előtisztított víznek a tisztítása egyszerűbb,
költséghatékonyabb és gyorsabb, mint ha a nyers folyóvizet
tisztítanánk (Jaramillo, 2012). A szűrés hatékonysága függ a
folyóvíz és a földtani közeg minőségétől, hiszen a tisztítás csak
abban az esetben valósul meg, ha a víztartó rétegben nincs
szennyeződés, vagy kisebb koncentrációban van jelen, mint a
folyóvízben. Az így átszűrődött, kutak által kitermelt víz minősége
az eredeti folyóvízhez képest jobb lesz.
A termelt víz az eredeti felszín alatti víz
(háttérvíz) és a felszíni víz (folyóvíz) keveréke. A parti szűrésű
vízbázisoknál fontos ismerni, hogy a termelt víz milyen arányban
származik a folyóból, illetve a háttérvízből. A rendszer a
talajvíz-szennyeződésekre érzékeny, így a kutak esetében törekedni
kell arra, hogy a háttérvízből származó részarány minél kisebb
legyen (Deák et al., 1992).
A parti szűrés folyamatában, vagyis a tisztítási
kapacitás mértékében meghatározó jelentőségű a meder alatti
kavicsterasz folyóvízzel érintkező néhány centiméter vastagságú
egysége, ugyanis itt megy végbe a folyóvíz biotechnikai szűrése (Ray
– Prommer, 2006). Ezt az egységet kolmatált rétegnek nevezzük.
Létrejötte azzal magyarázható, hogy a folyóvíz szuszpendált anyagot
szállít. Ez a finom anyag a víz földtani közegbe való szivárgása
során a pórustérfogatba áramlik, de csak kismértékben tud abba
behatolni (Hubbs, 2006). A kolmatált réteg azon tulajdonsága, hogy
biotechnikai szűrés megy rajta keresztül, előnyös. Meg kell azonban
jegyezni, hogy a réteg igen nagy ellenállású, így a víz szivárgási
sebességét nagymértékben csökkenti. Ez rossz hatással lehet a kutak
vízutánpótlódására. Bizonyos esetekben ezért szükség lehet a meder
felső rétegének rendszeres időközönként való tisztítására, vagyis a
kolmatált réteg fellazítására (Hubbs, 2006). Szükséges tehát a parti
szűrésű kutak kapacitását annak megfelelően tervezni, hogy a
kolmatált réteg kialakulásának lehetősége megteremtődjék, de a
szuszpendált anyag túlzott kirakódása (a kolmatált réteg eltömődése)
ne következzen be.
Nemzetközi kitekintés
Az első parti szűrésű vízbázis 1810-ben a Clyde folyó mentén
(Glasgow Waterworks, Nagy-Britannia) kezdte meg a termelést. A 19.
század közepére már több területen használták Európában, majd később
a világ számos pontján. Mára már nagyon elterjedt víznyerési forma.
Észak- és Dél-Amerika szinte minden országa a felhasználók között
van. Afrikában csak a Nílus mentén írtak le ilyen típusú vízbázist,
míg Ausztrália és Óceánia területén is csak említi a szakirodalom.
Ázsia területén, elsősorban a nagy országokban (Kína, India) számos
kutatás zajlik azzal a céllal, hogy parti szűrésű vízbázisokat
építsenek ki a társadalom növekvő ivóvízszükségletének fedezésére.
Néhány esetben, például Ázsia egyes szennyezett folyói mentén a
kitermelt víz minősége még parti szűrés után sem megfelelő minőségű,
de mindenképpen tisztább, mint a nyers folyóvíz, így hatékonyabban
és olcsóbban tisztítható tovább. Éppen ezért a világ nagy részén
alkalmazható technológia, amely a fejlődő országok óriási
ivóvízigényének kielégítéséhez nagymértékben hozzá tud járulni.
Európa legtöbb országa használ parti szűrésű vizet.
Svájcban legnagyobb ennek a típusú vízbázisnak a jelentősége, a
hálózati vizek 80%-át fedezik így. Franciaországban a hálózati víz
50%-a, Finnországban 48%-a, Németországban 16%-a, Hollandiában
csupán 7%-a biztosított parti szűrés által (Jaramillo, 2012).
Magyarország
1865-ben Bürgermeister Antal a következő kijelentést tette: „a
Dunának… kövecsrétegein tisztult vize mindenkor a legnagyobb
mennyiségben szolgálatunkra van”. Ez a gondolat volt az első
megalapozása Budapesten a parti szűrésű víz kiaknázásának. Ezt a
kijelentést alig három évvel később tett is követte, William Lindley
angol mérnök tervei alapján ideiglenes vízmű épült a pesti oldalon,
majd Wein János munkássága alatt a végleges vízmű kiépítését is
megkezdték 1893. április 1-én a Káposztásmegyeri Főtelep építésével.
A Szentendrei-szigeten a vízműobjektumok építése 1899-ben kezdődött
(Károlyi - Tolnai, 2008). Ebben az időben már egyre több európai
ország, például 1870-től Németország is épített parti szűrésre
alapozott vízművet.
Ma Magyarországon a lakosság 40%-a; közel
négymillió ember napi vízigényét fedezik parti szűrésű
vízbázisokból. Távlati ivóvízbázisaink 75%-a parti szűrésű, vagyis a
jövőbeli vízkészlet-gazdálkodásban is óriási szerepet játszanak. A
legtöbb ivóvizet a Duna mentén termelik, de más folyónk, például a
Maros mentén is találhatóak ilyen típusú ivóvízbázisok. Magyarország
területének parti szűréssel üzemelő legnagyobb vízműlétesítményei a
Szentendrei-szigeten találhatók, a legnagyobb távlati ivóvízbázis a
Szigetköz.
Környezeti izotópok jelentősége
Napjaink hidrogeológiai problémáinak feloldásában egyre nagyobb
szerephez jutnak olyan nyomjelzők, amelyek eredete természetes
környezeti hatásoknak köszönhető. Ezek közül a legszélesebb körben
használt az oxigénizotóp- és a hidrogénizotóp-arány (δ18O,
illetve δ2H), valamint a tríciumkoncentráció (3H).
Ezeket az izotópokat konzervatív nyomjelzőknek nevezzük, mivel a
vízmolekulába beépülve találhatók, így nyomon követésük segítségével
közvetlenül a víz áramlásáról szerezhetünk információkat.
Az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont
Földtani és Geokémiai Intézetében évek óta folytatunk kutatásokat
azért, hogy a parti szűrésű vízbázisokat jobban megismerjük,
működésüket a lehető legpontosabban leírjuk. Vizsgálataink során a
fent bemutatott stabil és radioaktív izotópok segítségével építünk
vízföldtani modelleket, illetve pontosítjuk a meglévőket. A
Szentendrei-szigeten vizsgált kutak vizében stabil oxigén- és
hidrogénizotóp-összetételeket határoztunk meg (Kármán et al., 2013).
Itt a rendszer gyorsan változó, dinamikus, hiszen néhány hét vagy
hónap alatt a folyóvíz eléri a kutakat. A Szigetköz területén
vizsgált kutakban tríciumkoncentrációkat
|
|
mértünk (Kármán – Deák, 2012). Ezen a területen a
kutak a folyótól több tíz kilométer távolságra találhatók, így a
szivárgási idők is több évnek adódtak (Balderer et al., 2004).
Fekete doboz modellezés
Izotópos adatok kiértékelésére a leginkább használt módszer az ún.
diszperziós lumped paraméter modell alkalmazása (Maloszewski et al.,
1983, 2002; Stichler et al., 1986, 2008). Ez a modell tulajdonképpen
fekete doboz módszerként írható le. A folyóvíz felől a földtani
közegen át a kutak felé áramló víz izotóp-összetétele időben változó
koncentrációértékekkel beszivárog, az áramlás során pedig a földtani
közegben tapasztalható diszperzió és a szivárgási idő hossza miatt a
koncentrációk megváltoznak. Ehhez a megváltozott koncentrációjú
vízhez helyi háttérvíz keveredhet, ami az összetételt módosítja. A
folyóvíz és a háttérvíz keveréke adja a kútban kitermelt vizet,
vagyis a víz koncentrációértékei ennek a két komponensnek a
keveredésével alakulnak ki. A termelőkút mintázása során
meghatározott koncentrációértékeket összehasonlítjuk a lumped
paraméter modell kimenő értékeivel, így a modellezés ellenőrizhető,
a modell eredményei finomíthatóak.
Ezt a módszert a szakirodalom szerint több
területen sikeresen alkalmazták, ám igazán rövid, és több évtized
hosszú szivárgási időkre még nem. Munkánk során a magyarországi
területeken éppen ezeket a szélsőséges állapotokat volt módunk
kipróbálni. A rövid szivárgási idejű szentendrei-szigeti területen a
módszer többlépcsős futtatásával megadtuk a modell speciális
alkalmazását, a szigetközi területen pedig bizonyítottuk a módszer
több évtizedes szivárgási idők esetén történő alkalmazhatóságát
(Kármán et al., 2013).
Szentendrei-sziget
Budapest ivóvízellátásának jelentős részét a Szentendrei-szigeten
működő parti szűrésű kutak vizéből kapja. A kutak biztonságos
üzemeltetése, elsősorban az esetleges dunai havária szennyeződések
hatásának becslése érdekében rendkívül fontos a Duna-víz elérési
idejének és a szennyeződések felhígulásának ismerete. Munkánk során
igen sűrű, heti négy-öt mintából álló, majd a későbbiekben napi
mintavételezést folytattunk a Duna vizéből, és
heti négy-öt mintából álló mintavételezés történt egy víztermelő
csáposkút vizéből a Szentendrei-szigeten. A vett mintáknak megmértük
az oxigénizotóp-összetételét. A mért adatokat összevetettük a
csáposkút lumped paraméter modell alapján számított δ18O idősorával.1
Megfigyelőkutak segítésével a háttérvizet is jellemeztük.
A vizsgált időszakban a termelőkút kapacitása nem
változott, a Duna vízállása viszont igen. Azért,
hogy a változó környezeti feltételekhez igazolva tudjunk pontos
modellszámításokat végezni, a vizsgált időszakot a Duna vízállásának
változásaihoz igazodva három részre osztottuk (Kármán et al., 2013).
Vizsgáltunk egy alacsony (<97 mBf), egy közepes (98–99 mBf) és egy
magas (~102 mBf) vízállású periódust.2 A vizsgált
időszakban a Duna vízállásával párhuzamosan változott a víz
oxigénizotóp-összetétele. Minél magasabb volt a Duna
vízállása, annál negatívabb volt az oxigénizotóp-összetétel értéke.
Ez annak köszönhető, hogy a vízállás megemelkedését a vizsgált
időszakban az okozta, hogy az Alpokból nagyobb mennyiségű olvadékvíz
adódott hozzá a Duna vizéhez. Ez az olvadékvíz a Duna átlagos
oxigénizotóp-összetétel értékét negatív irányba tolta el, így jól
kimutatható izotópos jelet eredményezett (2. ábra). A
modellezés csak akkor volt lehetséges, amikor jól kimérhető negatív
jel volt a Duna vizében. Éppen ezért alacsony vízállás esetén a
módszert nem tudtunk használni. Közepes és magas vízállás esetén
azonban mind a szivárgási idő, mind pedig a szivárgás során
bekövetkező diszperzió számítható volt. Közepes vízállás esetén a
Duna vize a termelőkutat tizenkét-tizennégy nap alatt érte el, és a
Duna-víz részaránya ~60% volt a termelőkútban. Magas vízállás esetén
hat-nyolc napos szivárgási időt kaptunk, és a termelőkút vize
~95%-ban a Dunából származott.
Ezek a számítások megmutatják, hogy ezek a
folyóvízhez rendkívül közel (50-200 méterre) található parti szűrésű
kutak sokkal gyorsabban és nagyobb mértékben reagálnak a Duna
vízállásának változásaira, mint azt korábban gondoltuk.
Szigetköz
A Szigetköz területén tríciumkoncentrációk segítségével végeztük a
fent bemutatott modellezést (Kármán – Deák, 2012). A Duna vizének
tríciumkoncentrációja 1963-ban volt a legmagasabb, amikor
világszerte hidrogénbomba-kísérleteket végeztek. E kísérletek során
a légkör tríciumkoncentrációja megemelkedett, aminek hatására a
csapadék, így a folyóvizek összetétele is megváltozott. Ez a
megváltozott összetételű víz a felszín alatti szivárgás során jól
nyomon követhető. A területen található kutak tríciumkoncentrációit
Deák József 1984-től több alkalommal megmérte. Ezeknek a méréseknek
az eredményeit használtuk fel a modellezéshez.
A modellezés során le tudtuk írni, hogy a
Dunától távolodva az áramlási pálya mentén hogyan
változik a szivárgási idő hossza és a Duna-víz részaránya (Kármán –
Deák, 2012). A Dunához közeli kutakban előbb, a távolabbiakban
később érte el a tríciumkoncentráció a maximumát; a szivárgási idő
nőtt (3. ábra). A Duna-víz részaránya a Dunától távolodva
csökkent, más eredetű felszín alatti víz keveredett a termelt
vízmennyiséghez.
A kapott eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy a
jelenlegi vízáramlási rendszert pontosabban megismerjük, így amint a
távlati ivóvízbázisok használatára sor kerül, már pontos ismereteink
legyenek az egész területre vonatkozóan. Ugyanakkor felhívja a
figyelmet arra is, hogy a terület védelme rendkívüli jelentőségű,
hiszen a most okozott szennyeződések akár a jövőbeli vízbázisként
való használatot is veszélyeztethetik.
Következtetések
A parti szűrés természetes rendszerének kihasználása
világviszonylatban is használt és elterjedt víztermelési forma.
Magyarországon különösen nagy a múltja, és a jövő
ivóvíz-gazdálkodását tekintve is óriási jelentőségű a parti szűrés.
Segítségével tiszta vagy előtisztított vizet kapunk. Az
előtisztított víz további tisztítása gyorsabb és költséghatékonyabb,
mint közvetlenül a felszíni víz tisztítása. A környezetszennyezés és
a klímaváltozás újabb kihívások elé állítanak bennünket. A
vízbázisvédelem szempontjából felmerülő problémák megoldására olyan
korszerű módszerek (pl. izotópos vizsgálatok) adhatnak választ,
amelyek nemzetközi szinten is segíthetik a biztonságos és gazdaságos
ivóvízellátást, és a tapasztalatok a fejlődő országok
víztermelésének optimalizálásához is hozzájárulhatnak.
Kulcsszavak: parti szűrés, Duna
IRODALOM
Balderer, Werner P. – Synal, H. A. – Deák
J. (2004): Application of the Chlorine-36 Method for the Delineation
of Groundwater Recharge of Large River Systems: Example of the
Danube River in Western Hungary (Szigetköz Area). Environmental
Geology. 46, 755–762. •
WEBCÍM
Deák József – Hertelendi E. – Süveges M. –
Barkóczi Zs. (1992): Partiszűrésű kutak vizének eredete trícium
koncentrációjuk és oxigén izotóparányaik felhasználásával
Hidrológiai Közlöny. 72, 204–210. •
WEBCÍM
Hubbs, Stephen A. (2006): Changes in
Riverbed Hydraulic Conductivity and Specific Capacity at Louisville.
In: Hubbs, S. A. (ed.): Riverbank Filtration Hydrology, Impacts on
System Capacity and Water Quality. Springer, 199–220. •
WEBCÍM
Jaramillo, Marcela (2012): Riverbank
Filtration: An Efficient and Economical Drinking-water Treatment
Technology. Dyna. 79, 171, 148–157. Medellin, Feb. 2012. ISSN
0012-7353 •
WEBCÍM
Kármán Krisztina – Deák József (2012): A
Szigetköz rétegvíz-áramlási rendszerének vizsgálata trícium
modellezés alapján. XIX. Konferencia a felszín alatti vizekről,
Absztrakt kötet. 20. •
WEBCÍM
Kármán Krisztina – Maloszewski, P. – Deák
J. – Fórizs I. – Szabó Cs. (2013): Transit Time Determination in
Riverbank Filtrated System by Oxygen Isotopic Data Using the Lumped
Parameter Model. Hydrological Sciences Journal. DOI:
10.1080/02626667. 2013.808345 •
WEBCÍM
Károlyi András – Tolnai Béla (2008):
VÍZ-RAJZ. 140 éve a főváros szolgálatában. Fővárosi Vízművek Zrt.,
Bp. •
WEBCÍM
Maloszewski, Piotr – Rauert, W. –
Stichler, W. – Herrmann, A. (1983): Application of Flow Models in an
Alpine Catchment Area Using Tritium and Deuterium Data. Journal of
Hydrology. 66, 319–330. •
WEBCÍM
Maloszewski, Piotr – Stichler, W. – Zuber,
A. – Rank, D. (2002): Identifying the Flow Systems in a
Karstic-fissured-porous Aquifer, the Schneealpe, Austria, by
Modelling of Environmental 18O and 3H Isotopes. Journal of
Hydrology. 256, 48–59. DOI: 10.1016/S0022-1694(01)00526-1
Ray, Chittaranjan – Melin, G. – Linsky, B.
R. (2003a): Introduction. In: Ray, Chittaranjan – Melin, G. –
Linsky, B. R. (eds.): Riverbank Filtration, Improving Source-water
Quality. Kluwer, London, 1–15. •
WEBCÍM
Ray, Chittaranjan – Melin, G. – Linsky, B.
R. (2003b): Glossary. In: Ray, Chittaranjan – Melin, G. – Linsky, B.
R. (eds.): Riverbank Filtration, Improving source-water Quality.
Kluwer, London, 335–353. •
WEBCÍM
Ray, Chittaranjan – Prommer, Henning
(2006): Clogging-induced Flow and Chemical Transport Simulation in
Riverbank Filtration System. In: Hubbs, S. A. (ed.): Riverbank
Filtration Hydrology, Impacts on System Capacity and Water Quality.
Springer, 155–177 •
WEBCÍM
Stichler, Willibald – Maloszewski, P. –
Moser, H. (1986): Modelling of River Water Infiltration Using
Oxygen-18 Data. Journal of Hydrology. 83, 355–365. •
http://tinyurl.hu/do3e/
Stichler, Willibald – Maloszewski, P. – Bertleff, B. – Watzel, R.
(2008): Use of Environmental Isotopes to Define the Capture Zone of
a Drinking Water Supply Situated Near a Dredge Lake. Journal of
Hydrology. 362, 220–233. •
WEBCÍM
Szarka László (2008): Felszín alatti
vizek, Tartalék egy szomjas bolygónak? Geo-Fifika, Földtudományi
ismeretterjesztő füzet 14., Hillebrand Nyomda Kft., Sopron
LÁBJEGYZETEK
1 Definíció szerint:
δ18O = ([18O/16Ominta]/ [18O/16Ostandard] – 1)×1000. <
2 mBf: a
Balti-tenger közepes vízszintjéhez mint közepes
tengerszinthez viszonyított magasság méterben.
<
|
|