Hidrológiai Közlöny, 2015 (95. évfolyam)
2015 / 2. szám - Fehér Zsolt Zoltán: Talajvízkészletek változásának geostatisztikai alapú elemzése - a rendelkezésre álló információk természete és feldolgozása
15 Talajvízkészletek változásának geostatisztikai alapú elemzése - a rendelkezésre álló információk természete és feldolgozása Fehér Zsolt Zoltán Szegedi Tudományegyetem, Természeti Földrajzi és Geoinformatikai Tanszék, 6701. Szeged, Egyetem u. 2-6. Pf. 653. Kivonat: Az Alföld talajvízváltozásairól nagy mennyiségű szakirodalom áll rendelkezésre. Jelen tanulmányban a különféle modellalkotási filozófiák lehetőségeire és korlátáira kívánjuk felhívni a figyelmet. Megvizsgáljuk a talajvíz-modellezéshez rendelkezésre álló adatok természetét, alkalmazási lehetőségeit és információtartalmát. A talajvíz változás értékelése igen bonyolult feladat, hiszen a vízszintekről csak pontszerű és hiányos idősorok állnak rendelkezésünkre, a modellek bemeneti adatai és paraméterei pedig időben is folyamatosan változnak. A modellek érzékenyek a hiányos adatokra, és legtöbbször az egyes tényezők időbeli változásairól sem rendelkezünk pontos és megbízható információval. Különösen igaz ez a Duna-Tisza közén végbement természeti és társadalmi változások többszörösen összetett hatásaira, éppen ezért választottuk az elméleti megközelítések összehasonlításának mintaterületéül. Jelen dolgozat a numerikus módszerek kritikájaként is felfogható, ugyanakkor fő célunk bemutatni, hogy az interpolációk helyes alkalmazásával a múltbéli folyamatok jobban értelmezhetőkké válhatnak. Ennek érdekében első lépésben értékeljük az elérhető (a talajvíz-modellezése szempontjából releváns) adatokat, és vizsgáljuk azok alkalmazási lehetőségeit és kapcsolatrendszereit. Ezt követően értékeljük a különféle egy- és többváltozós interpolátorok adathiányra való érzékenységét, készletbecslésekben való felhasználhatóságukat. Kulcsszavak: talajvíz, interpoláció, sztochasztikus szimuláció, becslési hiba. 1. Bevezetés és célkitűzés A talajvíz számtalan módon modellezhető. A vízügyi gyakorlatban a paraméterezést nem igénylő, egyszerű, térbeli interpolációs módszerek a legelterjedtebbek. A modellalkotás másik irányvonala olyan összetett, soktényezős modellek alkalmazása, melyek a fizikai értelemben végbemenő összefüggésekből kiindulva képesek a talajvíz szintjében bekövetkező változások leképezésére. A numerikus modellek két fő összetevője a fizikai tényezők, mint a modell bemeneti adatai, illetve e tényezők és a talajvíz között fennálló kapcsolati paraméterek. Minél nagyobb földrajzi léptékben vizsgálódunk, a talajvíz szintjére ható lokális hatások annál változatosabb képet alkotnak. Következésképpen: egy bizonyos lépték felett a lokálisan érvényes paraméterek bizonytalanná válnak. Ugyanez fordítva is igaz: térben minél változatosabb egy fizikai tényező, annál több információra van szükség annak pontos leképezéséhez. Abban az esetben, ha a meteorológiai tényezők, a földtani és az antropogén környezet hatásai pontosan ismertek és paraméterezhetőek lennének, a komplex fizikai modellekkel igen pontos becsléseket adhatnánk a talajvíz változására. Ezek a modellek nélkülözhetetlenek a különféle klímaszcenáriók illetve e- settanulmányok felállításához, azonban a pontos fizikai kapcsolatrendszer ismeretének hiányában megkérdőjelezhető feltételezéseken alapulnak. A talajvízbecslés akadályai véleményünk szerint négy részre bonthatók: (1) a talajvíz állapotáról és az azt befolyásoló tényezőkről nem áll rendelkezésre kielégítő mennyiségű és megbízható adat, (2) ezen adatok előállítása nem gazdaságos, (3) a talajvíz megfigyelések nem folytonosak, illetve a megfigyelő hálózat térbeli lefedettsége idővel változik, (4) a modellek elsősorban a fizikai környezet antropogén eredetű térbeli és időbeli változásait jellemzően statikusnak tekintik. Az interpoláció az ismert adatponti értékeket egy a vizsgált tulajdonság - a talajvíz helyzete - és a koordináták között fennálló jól definiált matematikai függvény a- lapján képezi le a vizsgált tér egyes ismeretlen pontjaira. Interpolációk esetén nem szükséges az egyes hatótényezők explicit beépítése az adott modellbe, mivel a fizikai környezet megváltozását a talajvíz megfigyelések magukban hordozzák. Az interpolált fedvények feldolgozásával vizsgálhatjuk a talajvíz változásában bekövetkező mennyiségi és minőségi változásokat. A változások okait szubjektív módon, szakmai alapon állapíthatjuk meg. A legtöbb interpoláció célja egy olyan térbeli függvény definiálása, mely az adatpontokban a becslési hiba minimalizálására törekszik. Az adatponti struktúra, vagyis a működő mérőállomások térbeli elhelyezkedésének időbeli változásával a kapott fedvények térbeli struktúrája változik meg. Következésképpen a hiányos talajvíz adatsorokból interpolált fedvények összehasonlítása hibás következtetéseket eredményezhet. A probléma kezelhető (1) az adathiányok visszabecslésével, mielőtt az interpolációt elvégeznénk, illetve (2) sztochasztikus szimulációval, mely során a megismerés folyamatát szimuláljuk. Jelen tanulmányban először a modellalkotás során szóba kerülő adatok felhasználhatóságával, és információ-tartalmával foglalkozunk. Ezt követően az egy- és többváltozós interpolációkat és sztochasztikus szimulációkat vizsgáljuk az adathiány következményeinek szempontjából. A dolgozat célja megtalálni azt a módszert, mellyel (1) a talajvíz adatsorok hiányos értékei a legpontosabban becsülhetők a térben szomszédos adatokból, illetve (2) a talajvíz térbeli struktúráját legjobban reprezentáló módszer kijelölése. 2. A megfigyelések információtartalma és reprezentativitása Talajvízszintek modellezésénél számos olyan környezeti tényezőt kell figyelembe vennünk, amelyek a modell megbízhatóságát befolyásolják. A modellek szempontjából alapkritérium a modellezni kívánt területről származó adatok reprezentativitása. A gyakorlatban a talajvíz a- dott momentumáról csak térben elszórt, pontszerű adatok állnak rendelkezésre (1. ábra), ellenben ha egy ilyen pontban a vízszint lényegesen eltér az összes többi vízszinttől, és erről hiányosak az információk, akkor az a- dott térrészben modelltől függetlenül hibás következtetésre jutunk (Bárdossy, 2002). A talajvízszint információkat abban az esetben tekintjük reprezentatívnak, ha valósághűen jellemzik a vízszint adott térbeli illetve időbeli momentumát. A gyakorlatban a mérőhálózat besűrítésével növelhető a modellek térbeli megbízhatósága. Ha-
