Hidrológiai Közlöny 2011 (91. évfolyam)

2. szám - Székely Ferenc: Éghajlati, víz- és hőáramlási folyamatok kölcsönhatása felszín alatti áramlási rendszerekben

46 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2011. 91. ÉVF. 2. SZ. désére lehet számítani. Ésszerű telepítés esetén ez a változás viszont hozzájárulhat a magas talajvízállású ártéri vagy belvizes területek vízmentesítéséhez. A Föld felszínét elérő hősugárzás alkotja a termikus jellegű klimatikus terhelést. A földfelszín valamint a néhány méter mélységben található talajvizek hőmérsékletét alapvetően a Nap által kisugárzott energia alakítja. A Föld felszínét a légkör által elnyelt hő kisugárzása révén másodlagos besugárzás is éri. Az összes energia elnyelt hányada (az alulról érkező, jelentéktelen mértékű földi hőárammal együtt) a felszínt felmelegíti és a kialakult felszíni hőmérséklet mellett kisugárzódik. Ez a hőemiszszió a fekete test sugárzását leíró E = a I

4 képlettel számítható, ahol a = 5,67-1 (T

8 W/m

2/K

4 a Stefan-Boltzmann állandó, T pedig az abszolút hőmérséklet °K. A felszíni kisugárzási hőmérséklet kialakulásában a légkör is számottevő szerepet játszik. Ezt igazolja, hogy üvegház-gázok nélkül a felszíni hőmérséklet 30°C-szal alacsonyabb lenne (Vajda 2001), a jelenleg tapasztalható klímaváltozás tehát összefüggésbe hozható az üvegház gázok kibocsátásával. Az áramlási rendszerek belsejében lejátszódó transzportfolyamatok röviden az alábbiakban foglalhatók össze. A telített zónában kialakuló felszín alatti vízmozgás modellezése a lamináris áramlást feltételező Darcy-féle szivárgási törvény, valamint a szabadfelszínü és nyomás alatti zónák tározódási összefüggéseinek figyelembe vételével történik. A k m/s hidraulikai vezetőképesség vagy szivárgási tényező értéke a hőmérséklettel növekszik (Diersch 2002). Az áramlási tér peremfeltételei (vízfolyások, tavak, vízzáró lehatárolások) a TVF függvénnyel együtt képezik a természetes felszín alatti áramlási rendszer hidraulikai kereteit. A felszín alatti hőáramlás modellezésénél a hő terjedés alapformája a hővezetés, más néven hőkondukció, vagy hődiffúzió (Carslaw-Jaeger 1959). A folyamat fő paraméterei a szintén hőmérséklet függő k W/m °C hővezető képesség (Clauser 2003), a c kJ/kg °C fajhő és a p kg/m' sűrűség. A fenti paraméterek a vízzel telített kőzetekre vonatkoznak. Áramlási rendszerekben nagy szerepet játszik a mozgó víz által szállított hő, ezt a hőterjedési formát hőadvekciónak nevezik. A hőadvekció sebességét a Darcy-féle szivárgási sebesség, és az effektív, vagy dinamikai porozitás hányadosa határozza meg. Hőadvekció esetében a víz és a kőzetváz között gyors (gyakorlatilag pillanatszerű) hőcserét tételeznek fel. A felszín alatti térben a hőmérséklet-gradiensek mérséklésében részt vesz az oldatok terjedését is befolyásoló hidrodinamikai diszperzió. Jelentős hőmérséklet gradiensek és kellően magas hidraulikai vezetőképesség esetében a sűrűség különbség által vezérelt ún. hőkonvekciós áramlás is hozzájárul a hőmérséklet függőleges irányú kiegyenlítődéséhez. A fenti klimatikus, hidraulikai és termikus folyamatokat összekapcsoló modellezési technikát hidrogeotermikus modellezésnek nevezik. A tanulmányban ismertetett három modellvizsgálat ezeknek a folyamatoknak az egymásra hatását demonstrálja. Az első modelltanulmány a számított mélységi hőáram eloszlását elemzi az ÉK Alföldön, rögzített felszíni hőmérséklet és talajvízszint mellett. Az advekció nélkül számított, valamint a vízáramlás által befolyásolt mélységi hőáram-sürűség térképek érzékelhető különbségeket mutatnak. A második modellezés a hasznosított talajvízhő utánpótlódási forrásait elemzi. Kimutatható, hogy felszín közeli visszatáplálás esetén az elnyelt napenergia csökkentett kisugárzása számottevően hozzájárul a lehűlt víz felmelegedéséhez. Ez a megújuló klimatikus faktor jelentős hányaddal vesz részt a hasznosított hőenergiában, és elősegíti a lehűlt áramlási rendszer termikus regenerációját. A klímaváltozással összefüggő harmadik modelltanulmány egy feltételezett beszivárgás-csökkenés esetén várható talajvízszint süllyedés előrejelzésére mutat be példát, szintén az ÉK Alföld területére. 3. A mélységi hőáram eloszlása az EK Alföldön A geotermikus energiafajták hasznosítása iránti igény növekedésével párhuzamosan fontossá vált az energia forrásának, mennyiségének és a hasznosítás lehetséges időtartamának minél megbízhatóbb ismerete. Ismeretes, hogy hévizeink jelentős termikus potenciállal a rendelkeznek. Az érvényben levő hazai szabályozás szerint hévíznek tekintjük a 30°C-nál melegebb felszín alatti vizeket. Az European Geothermal Energy Council (EGEC) meghatározása szerint geotermikus energiának tekinthető a Föld felszíne alatt található hőenergia Ebben a fejezetben a mélységi hőáram rekonstrukciója terén végzett munkám eddigi eredményeit ismertetem, a módszertani fejlesztések gyakorlati alkalmazása eddig az ÉK Alföld területén valósult meg. Korábbi kutatások (Székely 2007) adatai szerint ebben a térségben az átlagos geotermikus gradiens 60 °C/ km, az átlagos mélységi hőáram-sűrüség pedig 120 mW/m

2. Feltételeztem, hogy a felszín évi átlagos hőmérséklete 11 °C (283 °K). Az évi középhőmérséklet alapján számítható E = 363,688 W/m

2 hőemisszió értéke 3031-szer haladja meg a 120 mW/m

2 átlagos mélységi hőáram-sűrűséget. Az utóbbi értékkel csökkentett hőemiszszióhoz 0,023 °C (°K) -al alacsonyabb felszíni hőmérséklet tartozik. Ez a hőmérséklet különbség jelenti a mélységi hőáram (elhanyagolható mértékű) felszíni fűtőhatását. A Napból érkező hőáram emissziójához képest a Föld ugyan mérsékelt belső hőteljesítménnyel rendelkezik, de az alacsony hővezető képesség következtében a földkéreg ennek a hőnek az eláramlását jelentős mértékben blokkolja. A jó hőszigetelésnek köszönhetően a szerény hőteljesítmény is elégséges ahhoz, hogy a hőmérséklet és ezzel arányosan a tárolt hő mennyisége a mélységgel számottevően megnövekedjék. A fenti adatokból következik, hogy a Föld felszíni hőmérsékletét alapvetően a Nap elnyelt sugárzási energiája alakítja, de a mélységgel növekvő többlet hőmérsékletet a mélységi hőáram fűtő hatása okozza. A földfelszín tehát elsősorban a klímaviszonyok által szabályozott, külső energiát elnyelő és hőkisugárzási felület, amelynek hőmérsékletét a mélységi hőáram alig befolyásolja. Az állandósult termikus (hőstabil) állapot következtében a szimuláció alatt a kisugárzás változatlan maradt, ezért ez a hidrogeotermikus modellezés egyszerűsített formában, 11°C rögzített felszíni hőmérséklet mellett történhetett. A mélységi hőáram-sürűség meghatározásának másik termikus feltétele a vizsgált gravitációs működésű, porózus áramlási rendszer feküjén uralkodó hőmérséklet. A bemutatott vizsgálatnál ezt a termikus vezérfelületet feltételesen a térség legfontosabb ún. felső-pannóniai hévíz-tároló képződményének alsó felületén vettem fel. Ezen a felületen a hőmérséklet eloszlást Rezessy et al. (2005) vizsgálatai alapján vettem számításba, a modellezett területre jellemző mélységi hőmérséklet eloszlás 98,6°C maximális értéke mintegy 1900 m mélységben várható. A mélységi hőáram-sürűség modellezéshez ugyancsak szükség van a kőzetek hővezető képességének, fajhőjének és sűrűségének az ismeretére. Ezeket a paramétereket a területre jellemző középértékkel jellemeztem.