Hidrológiai Közlöny 1985 (65. évfolyam)

6. szám - Dr. Kovács György: Szempontok a Dunántúli Középhegység vízforgalmát szimuláló modellek felülvizsgálatához

Dr. Kovács Gy.: A Dunántúli Középhegység vízforgalma Hidrológiai Közlöny 1985. 6. sz. 337 ségessé teszik, hogy gondosan gazdálkodjunk ezzel az értékes készlettel és törekedjünk a legnagyobb gazdasági haszon biztosítására, a hátrányos környezeti hatások elhárítására, csökkentésére. Hatékony gazdálkodás azonban csak akkor valósítható meg, ha megértjük a természetes folyamatokat és megbízható előrejelzést tudunk adni a tervezett termelések várható hatásairól. A regionális felszín alatti vízrendszerek hidrodinamikai modellel történő szimulálása az az elméletileg megalapozott és a gyakorlat számára is hatékony módszer ,amellyel a természetes folyamatokat leírhatjuk, és az emberi beavatkozás következtében létrejövő változásokat előre jelezhetjük (KOVÁCS és ALMÁSSY, 1984.). A hidrodinamikai modellek szerkezete A rendszerelemzés megközelítési módját alkalmazva a regionális felszín alatti víztartók modelljeinek vizsgálatához a rendszer három alapelemét kell megkülönböztetnünk (4. ábra): — az inputot azok a külső hatások — akár természetes folyamatok, akár emberi beavatkozások — alkotják, amelyek a rétegek vízforgalmát megszabják (határ feltételek); — a rendszer belső működését három összetevővel jellemezhetjük: (i) a szállítási és a tározási folyamatot leíró kinematikai egyenletek; (ii) az egyenletekben szereplő paraméterek, amelyek a rétegsorok geometriáját és hidraulikai tulajdonságait juttatják kifejezésre; (iii) végül a numerikus eljárás, amelynek segítségével a kinematikai egyenlet-rendszert megoldjuk egyidejűleg kielégítve a határfeltételeket is; — az output a rendszer állapot leírása, ameyl vagy a potenciál eloszlást, vagy a sebesség vektor-terét adja meg a teljes áramlási tartományban (a természetes és a korábban is működő mesterséges hatásokat inputként számításba véve a rendszer jelenlegi állapotának közelítését kapjuk, amikor pedig tervezett beavatkozást is a határfeltételek közé veszünk, az annak hatására várható állapotváltozást jelezzük előre). A belső működés összetevőit egyenként elemezve az elsőről (a kinematikai egyenletek rendszeréről) megállapíthatjuk, alapját a fizikának az anyag és az energia megmaradását rögzítő két tétele szolgáltatja (5. ábra). Fontos azonban emlékeznünk arra, hogy az energia-egyensúlyt kifejező dinamikai egyenletet (pl. a Navier-Stokes egyenletet) jelentősen egyszerűsítettük a porózus közegben kialakuló áramlás vizsgálatakor annak érdekében, hogy matematikailag kezelhető összefüggéshez jussunk. Két alapvető feltételezést fogadtunk el ezért: (i) az áramlási tartomány mikroszkópos tulajdonságát jellemezzük átlagos paraméterekkel a szilárd váz mikro-szerkezetének leírása helyett (ÉRDI, 1982.) (a folytonos mező elve); és (ii) feltételezzük, hogy az áramlás lamináris, tehát a fluxus és" a hidraulikai gradiens lineáris kapcsolata (Darcy-törvény) elfogadható közelítés (részletesen pl. BEAR, 1972, KOVÁCS, 1981). Amikor felszín alatti víztartók rendszerét vizsgáljuk, a vizet vezető rétegek vastagsága általában elhanyagolható azok vízszintes kiterjedéséhez viszonyítva (lásd pl. LLAMAS ós CRUCES DE ABIA, 1978). Minden vízhorizontot helyettesíthetünk, ezért egy vízszintes szivárgási mezővel a feladat dimenzióját háromra csökkentve ilyen módon (két vízszintest tér koordinátát és az időt véve figyelembe független változókónt). Ahol a rendszert több, egymáshoz kapcsolódó víztartó alkotja, többszintes modellt kell kialakítanunk, amelynek vízszintes szivárgási síkjai között a vízcserét — vízmozgás függőleges összetevőjét —- keresztáramláa formájában vonhatjuk be számításainkba. Ezen kívül még egy függőleges áramlási formát figyelembe kell vennünk, a felszín és legfelső víztartó között létrejövő vízcserót, amelyet az előjeltől függően a talajvíz függőleges táplálásának vagy megcsapolásának nevezünk. A kinematikai egyenletek elmondott levezetésének elveit általánosan elfogadják és alkalmazzák minden esetben, amikor a gyakorlati feladat a víztartók regionális modellezése. Jelenleg ezért ezen a területen további kutatás sürgősnek nem Ítélhető. Amikor azonban karsztos víztartók rendszerét modellezzük, feltétlenül szükséges, hogy elemezzük a két alapvető feltételnek (a folytonos mező elvének és a Darcy-törvénvnek) az alkalmazhatóságát és meghatározzuk azokat a határokat, amelyek a feltételek felhasználásával levezetett kapcsolatok érvényességi tartományát kijelölik. Korábban a szivárgási feladatok megoldása olyan lehetőségek keresését tette szükségessé, amelyek kompromisszumot teremtettek a fizikailag szabatos leírás és az összefüggések analitikai megoldhatósága között. A numerikus eljárások . bevezetése és a számítógépek alkalmazása ezt az ellentmondást feloldotta. Jelenleg mind a kinematikai egyenlet-rendszer, mind annak numerikus megoldása viszonylag kielégítően pontos, a modell leggyengébb összetevője így a paraméterek rendszere maradt, amelynek bizonytalansága sokszor vezet megbízhatatlan eredményre (KOVÁCS, 1978). A paraméterek (6. ábra) részben a rendszer geometriáját (rétegek helyzete, vastagsága, vízszintes kiterjedése, geológiai szerkezetek, pl. szerkezeti síkok, törési zónák stb.) részben hidraulikai viselkedését (a rétegek tározóképességét, a vízvezető képződmények transzmisszibilitááát illetőleg a köztük lévő vízrekesztő formációk szivárgási ellenállását) jellemzik. Minthogy a felsorolt hidraulikai paraméterek (valamint az azok meghatározásához felhasznált rétegjellemzők, mint a porozitás és a szivárgási tényező) változékonysága nagy mértékben függ a porózus közeg belső szerkezetétől, meghatározásuk különleges figyelmet igényel akkor, amikor karsztos képződmények modellezése a feladatunk. Az ilyen víztartók szerkezete Ítélhető talán a legváltozatosabbnak a vízvezető rétegek között, a paraméterek becslése ezért ilyen esetekben a legbizonytalanabb. A belső működés harmadik eleme az egyenletrendszer megoldásához használt numerikus módszer (7. ábra). Ennek alapja a szivárgási mező és