Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)
2. szám - Marton Lajos: A hidrogeológia alapvető hidraulikai kérdései: A zárt és átszivárgó vízadó rendszerek hidraulikájának áttekintése
1 A hidrogeológia alapvető hidraulikai kérdései: a zárt és átszivárgó vízadó rendszerek hidraulikájának áttekintése Marton Lajos 4031. Debrecen, Derék u. 108. e-mail: lamartonfc ipmedia.hu Kivonat: A hidrogeológia alapvető kérdése, hogy a rétegzett természetes földtani képződmények milyen mértékben zártak vagy nyitottak a víz mozgása számára. A felszín alatti vizek hidraulikájának elmúlt százötven éves fejlődése számos kérdést tisztázott, de még jelenleg is vannak koncepcionális különbségek a rétegek zártsága vagy átjárhatósága tekintetében. A teljesen zárt vízadó réteg koncepciója (Theis-modell) elvezetett a tárolási tényező definiálásához, az átszivárgó vízadó rendszerek elméletében pedig az „ideálisan zárt vízadó réteg" helyébe a „többrétegű vízadó" lépett és értelmezhetővé tette a rétegvíznyomások alakulásának folyamatát. Az elmúlt 50 évben világszerte, így Magyarországon is nagyságrendileg megnőtt a felszín alól kitermelt rétegvíz mennyisége, amely készletfogyásokhoz, és nem várt nyomásváltozásokhoz vezetett a felszín alatti tárolókban. A regionális átszivárgó rendszerek hidraulikájának ismertetése után, Vágás nyomán bemutatjuk, hogy a Bolyai János geometriájában szereplő nem euklideszi k B görbületi alaphosszúság azonos a modern hidraulika B átszivárgási tényezőjével, a „leakage factor"-ral. Ez egyben azt is jelenti, hogy Bolyai egyes geometriai tételei a modern hidrogeológiában is alkalmazhatók. Fiatal kutatók figyelmébe ajánlva, a felszín alatti hidraulika fejlődésének vázlatos áttekintő bemutatása a jelen tudományos kutatás ösztönzését is segíteni kívánja. Kulcsszavak: hidrogeológia, hidraulika, zárt és átszivárgó vízadó rendszerek, nem-euklideszi geometria Bevezetés A hidrogeológia alapvető kérdése, hogy a rétegzett természetes földtani képződmények milyen mértékben zártak vagy nyitottak a víz mozgása számára. A dolgozatban a felszín alatti vizek hidraulikájának 150 éves fejlődését tekintjük át, azzal a szándékkal, hogy megkíséreljük vázolni, hogy az egyes elméletek milyen válaszokat adnak a fenti kérdésre. Az áttekintés természetesen ilyen terjedelemben csak vázlatos lehet, csak a legfontosabb fejezetekre térhet ki. Mivel a magyar nyelvű szakirodalom elsősorban a kúthidraulikai megoldásokat ismerteti, és szűkebb terjedelemben tárgyalja a területi (regionális) folyamatokat, célunk a regionális vízmozgások elmélete fejlődésének részletesebb bemutatása. A felszín alatti víz mozgásformái és mozgásállapotai A természetben szigorúan véve minden vízmozgás tranziens, nem-permanens állapotú, de a gyakorlatban megfigyelhetők olyan mozgásállapotok, amelyek jó közelítéssel permanensnek (kvázi-permanensnek) tekinthetők. Nem sokkal azt követően, hogy Darcy a róla elnevezett szivárgási törvényt 1856-ban publikálta, Dupuit 1863-ban már kidolgozta az első analitikus megoldásokat a kutakhoz történő állandósult, permanens áramlásokra, mind nyomás alatti, mind szabad felszínű vízadókban. Adolf Thiem 1870-ben módosította a Dupuit-formulát, később fia, Günther Thiem Németországban szintén úttörő munkát végzett a kúthidraulikában, az amerikai Slichter (1899) matematikailag analizálta a permanens áramlásokat, az osztrák Forchheimer (1898) formálisan alkalmazta a Laplace egyenletet a permanens áramlások leírására. Mégis 40 évnek kellett eltelnie, amíg ezeket az egyenleteket általánosan alkalmazni kezdték a kutakkal végzett kísérletek interpretációjához (Thiem G. 1906). Ezeket a megoldásokat egyensúlyi, vagy Thiemképleteknek nevezzük. A 20. század nagy vízépítési feladatainak megoldására a permanens mozgás már nem volt elegendő, ki kellett fejleszteni a nem-permanens vízmozgások elméletét. A kezdeti elméleti kutatások után, amelyek Boussinesq, Bresse és mások nevéhez fűződnek, további 30 éven át végzett kísérletek sora, köztük a híres vizsgálatsorozat 1931 -ben Nebraskában, ahol 81 figyelő-kúton 3 napon át 12 ember mérte és jegyezte az adatokat (Wenzel 1936), vezetett el az új elmélethez, a nem-permanens áramlások hidraulikájához (Renard 2005). A felszín alatti vizek tranziens áramlásának átfogó elméletét Theis (1935) és Jacob (1940) vezették be a hidrogeológiába. C. V. Theis, felismerve az analógiát a hő- és a vízáramlás között, (az analógiát korábban Slichter és mások is ismerték), C. I. Lubin matematikus segítségével kidolgozott egy megoldást a szivattyúzott kutak környezetében kialakuló tranziens vízáramlás leírására. A 77/ew-megoldás kiinduló pontja lett egy új korszaknak a hidraulikában, mérnökök és hidrológusok sora fejlesztette tovább, főleg a peremfeltételek kidolgozása tekintetében, és ma is ez képezi az interpretációs technika alapját. A geológiai közegekben jelen lévő víz mozgása megértésének koncepciója azon alapszik, hogy a folyadékok áramlása matematikailag analóg a szilárd közegekben végbemenő hőáramlással. Következésképpen, a folyadékok nem-permanens áramlását a geológiai közegekben matematikailag a hővezetés parciális differenciálegyenletével lehet modellezni, amelyet eredetileg Fourier javasolt 1807-ben. A további nagyjelentőségű tudományos hozzájárulást Jacob (1940) munkássága hozta, aki a folyadékáramlás egyenletét közvetlenül magából a vízmozgás törvényeiből vezette le, amelybe beépítette a porózus közeg Meinzer által 12 évvel korábban leírt rugalmas tulajdonságát. 1. A vízadó rendszerek rugalmas tulajdonságai A pórusokban levő folyadék és a geológiai közegek deformációja közötti kapcsolatot elsőként a múlt század 20-as éveiben Európában Kari Therzaghi, az USA-ban Oscar Meinzer analizálták. Terzaghi az épületszerkezetek alatti talajok konszolidációját vizsgálta, Meinzer pedig az artézi medencék nagy vízmennyiségeinek eredetét próbálta meghatározni, ill. magyarázni. A két látszólag távolálló szakterületet a folyadék és a porózus közeg elasztikus tulajdonságainak vizsgálata kapcsolja össze. Terzaghi két alapvető fogalmat vezetett be, a hatékony feszültség (effective stress) és a folyadék-nyomás diffúziója (diffusion of fluid pressure) koncepcióját. Terzaghi volt az első, aki diffúziós-típusú egyenletet használt a folyadék-disszipáció leírására, nevezetesen K d 2p' a dz 2 dt
