Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

2. szám - Marton Lajos: A hidrogeológia alapvető hidraulikai kérdései: A zárt és átszivárgó vízadó rendszerek hidraulikájának áttekintése

2 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2008. 88. ÉVF. 2. SZ. ahol K a szivárgási tényező, a egy „kompakciós tényező" vagy tárolási tényező, p' pedig a pórusvíz „hidrosztatikus túlnyomása". A hatékony feszültség és a folyadék-disszipáció koncepciója képezik Terzaghi konszolidációs elméletét. A nyomás alatti vízadók rugalmas tulajdonságairól először 1928-ban jelent meg publikáció. Meinzer (1928) gondos szintézisét adta azoknak a megfigyeléseknek, amelyeket a US Geológiai Szolgálat geológusai a 20. sz. első évtizedeiben végeztek a nagy artézi medencék nyomás-csökkenéseit tanulmányozva. Meinzer arra a következtetésre jutott, hogy magának a víznek a kompresszibilitásából nem származhat annyi víz, mint amennyit a nagy medencék szolgáltatnak, ehhez az aquifer-porozitás deformációjának is hozzá kell járulnia. Mivel mind a víz, mind a porózus közeg rugalmasan összenyomható, a víz nyomásszintjének változása a víztérfogat és a pórustérfogat változását vonja maga után. Meinzer volt az első, aki kimutatta, hogy a homok és gyengén cementálódott homokkő rétegek, mint Észak Dakota homokkő összletei, az artézi víz nyomásának csökkenésekor összenyomódnak, a nyomás növelésekor pedig kitágulnak. Kimutatta, hogy a rétegnyomások csökkenése kapcsolatban van a porozitás csökkenésével és a víz térfogat-növekedésével, amelyek együtt teszik ki a kitermelt víz tömegét. Bár ezek az összenyomódások-tágulások kicsiny mértékűek, a nagy volumen miatt hatalmas térfogatokat jelentenek, és nagy hatással vannak a rendszer egyensúlyára. Meinzer közelítő számításokat is végzett azzal kapcsolatban, hogy a hézagtérfogat csökkenése következtében az Eszak Dakota artézi medence felszínének 10-13 cm-rel kellett süllyednie, amit kortársai szkepticizmussal fogadtak. Meinzer leírta továbbá a telített geológiai közegek hidraulikai kapacitásának fizikáját, amelyet egy évtizeddel később Theis „tárolási tényező" (storage coefficient) néven vezetett be az irodalomba. Mint az előbbiekben láttuk, a tárolási tényező fogalmát formailag Theis vezette be 1935-ben, a mainál szűkebb értelmezésben, egy véges vastagságú, laterálisan végtelen kiterjedésű aquifer esetére, csak a víz összenyomódását véve figyelembe. Később tovább fejlesztette az aquifer kompresszibilitásának figyelembe vételével {Theis 1940), de a víz expanzióját még nem vette számításba (Narasimhan 1998). Jelenleg a hidrogeológusok a 7V7m-modellt az olyan nyomás alatti vízadókban tartják alkalmazhatónak, amelyekben a víz a porózus közeg és a víz elasztikus tulajdonságainak köszönhető tározódásból szabadul fel, és nincs semmi külső utánpótlódás. 2. Irányzatok a felszín alatti vizek mozgásának tanulmányozásában A 20. század első felének tudománytörténeti irány-zatait témánk vonatkozásában Freeze és Witherspoon (1966) a következőképpen jellemzik. 1940-ben M. King Hubbert megjelenttette a „Felszín alatti víz mozgásának elmélete" (The Theory of Ground-Water Motion) c. klasszikus müvét, amelyben a fizikai törvények által vezérelt permanens áramlást (steady-state flow) tárgyalta egzakt matematikai eszközökkel. Vele párhuzamosan működött egy másik irányzat, amelyben sok más hidrológus és matematikus a formális matematika eszközeit használta a tranziens hidraulikai jelenségek leírására. Az alapvető különbség a két irányzat között, eltekintve az idő faktortól, a lépték kérdése volt. Amíg Hubbert főleg a nagy léptékű regionális hatásokra alapozta elméletét, addig a tranziens áramlási mező kutatói az aquifert és benne az egyedi kutat tekintették kutatásuk tárgyának. Ez utóbbiba tartozó kutatási eredmények, amelyek alkalmasak voltak a helyi aquifer-tulajdonságok meghatározására, a figyelmet elsősorban a kútra és a kút közvetlen környezetére irányították végig az 1935-1960-as éveket felölelő periódusban. Ez azt jelentette, hogy a kúthidraulikában megtalálták majdnem minden fontosabb probléma matematikai megoldását, beleértve az átszivárgó rendszerek hidraulikáját is. Az átszivárgó vízadó rendszer (leaky aquifer system) elméletének kidolgozása a kúthidraulika területén Jacob (1946) és Hantush (1964), továbbfejlesztése Neuman és Witherspoon (1969, 1972) nevéhez fűződik. Az 1960-as években ismét a regionális léptékű medence került a hidrológiai vizsgálatok középpontjába. A medencén belüli regionális áramlások analíziséhez használni kezdték a geokémiai összefüggéseket, a piezometrikus szintek interpretációját, a geobotanikai térképezést (Meyboom 1963) és a modellezési technikát. Egyike a legsokoldalúbb modelleknek az ún. matematikai modell, amellyel matematikailag egzakt áramképet lehet előállítani a formális határérték problémák megoldásához. Ezt a módszert Tóth (1962, 1963) vezette be, aki egy homogén vízadó medence kétdimenziós metszetében különböző vízszint-konfigurációkkal különböző áramképeket állított elő. Tóth József (Albertai Egyetem, Edmonton, Canada) a regionális áramlási rendszerek tulajdonságairól kidolgozott elméletével új fejezetet nyitott a hidrogeológiában, amelynek alapja a hidraulikai folytonosság, következésképpen az átszivárgás lehetőségének és szükségességének feltételezése. Elméletének jelentőségét érzékelteti, hogy az Amerikai Geológusok Szövetsége „a hidrogeológia tudományhoz való különösen jelentős hozzájárulás elismeréseként" („in Recognition of Distinguished Contribution to Hydrogeology") szerzőjét 1965-ben az első „Meinzer-Díj" adományozásával tüntette ki. Tóth vizsgálatait folytatva Freeze és Witherspoon (1966, 1967, 1968) kidolgozták az általános háromdimenziós, nem homogén, anizotrop regionális vízadó medence elméleti áramképét előállító modelljüket tetszőleges vízszint-konfiguráció mellett. Az orosz kutatók az 1940-es évek közepén a regionális léptékű vízmozgások elméletével kezdtek foglalkozni. A természetes körülmények között végbemenő területi (regionális) átszivárgás hidraulikájának elméleti alapjait Mjatiev (MíiTHeB) 1940-es években végzett munkássága alapozta meg (in: Szilin-Bekcsurin, 1965, p. 128). Az orosz kutatók munkássága az átszivárgó rendszerek kúthidraulikájában is jelentős volt (Pl. Bocsever és Verigin 1961). Az együttműködés hiánya és a két világrendszer politikai elkülönülése azonban a tudományban is éreztette hatását, például eltérő jelölési rendszerek kialakulásához vezetett, bár természetesen volt bizonyos átjárási lehetőség a tudományos területek határai között. Mjatiev munkássága azonban sem hazájában, sem külföldön nem kapott kellő figyelmet.