Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

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

6 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2008. 88. ÉVF. 2. SZ. ga is aktív hozzájárulója a vízkészletek keletkezésének és kitermelésének (ez a mai szemlélet). A probléma tehát az ellenkezője a Theis-íé\e feltételrendszernek. Amíg a Theisféle kritérium szigorúan vízzáró agyagrétegekkel számol, addig a rétegzett rendszerek elmélete az agyagok bizonyos áteresztő képességét tételezi fel. Neuman és Whitherspoon (1971) kimutatták, hogy az ideálisan zárt állapottól való eltérés az idővel növekszik, és „nagy időértékek" esetén a teljes vízhozam a záró-rétegen keresztül a nem termelt vízadó rétegből áramlik a kútba. A rétegzett rendszerek értelemszerűen átszivárgó vízadó rendszerek. A felülről zárt (pl. hévízes) tároló csapolásánál, vagy a felülről nyitott, de változó hozamú rendszerben az áramlás nem-permanens állapotú. A rétegzett tárolók hidraulikája kialakulásának kezdeteit Halász (1988, p. 213) a következőképpen jellemzi. Az agyagok áteresztőképességének a kitermelhető felszín alatti készletek keletkezésében betöltött szerepét elsőként Hollandiában ismerték fel a század harmincas éveiben. Az akkori matematikai apparátus mellett azonban csak azt tudták megállapítani, hogy az egyszintes, felülről nyitott tárolóban permanens állapotban a kút körül kialakuló depressziós teret másodfajú nullarendű módosított Bessel-függvény írja le. Az egyszintes, felülről nyitott tároló nem-permanens depressziós terére vonatkozóan az ötvenes évek közepén az amerikai Hantush és Jacob (1955), Hantush (1956) közöltek megoldást, amely azonban csak a csapolt vízadó szint vízkapacitását vette figyelembe, a fedő-képződményt mint vízkapacitás nélküli hidraulikai ellenállást kezelte. Ezt követően Hantush (1960) vastag konszolidálódó félig-áteresztő fedő vízkapacitását is feltételezve közölt megoldást. A Hantush-féle megoldást Matvejenko (1957) kétréteges, felülről nyitott tárolóra is kiterjesztette. A két (vízadó) réteges felülről zárt tárolóra vonatkozó feladatot a köztes agyag vízkapacitásának figyelembevételével Neuman és Witherspoon (1969), valamint Bocsever és Lapsin (1969) oldották meg az operációs megoldás egyszerűbb függvénnyel való approximációja útján. A felülről nyitott és zárt, elvileg tetszőleges számú szintre tagolódó rétegzett tárolóra vonatkozó permanens megoldást Halász (1975) állította elő, majd ezt követően és tőle függetlenül a holland Hemker (1984) vezette le. Az azonos piezo-vezető képességű és egymástól vízkapacitás-mentes agyagrétegekkel elválasztott tetszőleges számú vízadó szintre vonatkozó nem-permanens analitikus megoldást Székely (1978) adta meg. A rétegzett rendszerek (mint átszivárgó vízadó rendszerek) depressziós terét a következő tulajdonságok jellemzik. A vízadó rétegekben a vízmozgás sebességének a rétegzettségre merőleges komponense elhanyagolható, így a függőleges komponens által kiváltott nyomómagasság-veszteség is elhanyagolható a félig-áteresztő rétegekben történő nyomásveszteséghez képest. A félig-áteresztő rétegekben ugyanakkor a vízmozgás gyakorlatilag a rétegekre merőleges, és egydimenziósnak tekinthető. Fenti megállapítások a gravitációs hajtóerejű vízmozgásokra vonatkoznak. Itt nem érintjük azokat a kérdéseket, amelyek a geológiai hajtóerők működése során fellépő hidraulikai jelenségekkel kapcsolatosak. A cikk terjedelmi korlátai miatt nem foglalkozunk az Alföld több km-es mélységeiben jelentkező, elsősorban a kőzetváz oldalirányú tektonikus kompressziója hatására kialakult szuper-hidrosztatikus nyomásokkal, amelyeket Tóth és Almási (2001) mutattak ki. 4.5. A területi (regionális) átszivárgás hidraulikai vizsgálata A Girinszkij-Mjatiev módszer Az előző szakaszokban a kutak szivattyúzásának hatására történő átszivárgás hidraulikáját tárgyaltuk. A természetben több olyan regionális átszivárgási folyamat játszódik le, ahol a hidraulikai gradiens nem szivattyúzás, hanem a természeti adottságok következtében alakul ki. Ilyen helyek a topográfiai lag kiemelt helyzetű területek, peremi zónák, ahol a vízvezető képződmények egy vagy több félig áteresztő rétegen keresztül kapnak táplálást. Ilyenek Magyarországon a Nyírség és a Duna-Tisza köze, továbbá a középhegységi peremterületek. Itt a táplálás felülről, főleg függőleges áramlással történik, ahol az alsóbb vízvezető rétegek természetes távolabbi megcsapolása révén olyan potenciálkülönbségek és hidraulikus gradiensek alakulnak ki, amelyek a Darcy-törvény értelmében megteremtik az átszivárgás fizikai feltételét. Ha az adott kőzet-összlet rétegtani kifejlődése lehetővé teszi az átszivárgást, akkor az realizálódik is. A felső-pannon üledékek esetében az átszivárgás kőzettani feltétele általában, a negyedidőszaki összletekben pedig minden esetben biztosított. Az átszivárgás természetesen nem csak a fenti markánsan elkülönülő területeken, hanem majdnem mindenütt végbemegy, ha ennek megvannak a hidraulikai és kőzettani feltételei. Az átszivárgás az áramlási rendszer nyomásviszonyaitól függően tetszőleges irányból, így alulról is történhet. Amennyiben a természetesen megcsapolt vízadó rétegeket további mesterséges megcsapolások is terhelik, az átszivárgás jelentősen megnövekszik. A területi átszivárgás hidraulikájának elméleti alapjait Girinszkij-Mjatiev 1940-es években végzett munkássága alapján (in: Szilin-Bekcsurin 1965, p. 128.) a következőkben mutatjuk be. A 3. ábra szerint az állandó vízszintmagasságú tározóból a félig vízzáró rétegen (aquitard) keresztül átszivárgás történik a nyomás alatti vízadóba (aquifer). Ebben a rendszerben kétirányú vízmozgás van: egy rétegirányú vízmozgás az aquiferben a megcsapolás irányában, és átszivárgás a félig vízzáró rétegen keresztül az aquiferbe. Feltételezzük, hogy a depressziós görbe a félig vízzáró rétegen belül marad. Az 1 jelű szelvénytől x távolságban dx szélességű elemi sáv egyik oldalán q, a másik oldalán q+dq vízhozam áramlik át. A vízadó (aquifer) szivárgási tényezője K, vastagsága m, a félig vízzáró réteg szivárgási tényezője K\ vastagsága m'. Az elemi sáv vízhozam-egyenlege két részből áll: 1) a rétegirányú q táplálásból és 2) a víztározóból átszivárgó q* vízhozamból. A rétegben áramló permanens vízhozam: q + dq = q + q* (20) h : li2 « 3. ábra. Átszivárgás a félig vízzáró rétegen. (Szilin-Bekcsurin 1965, p. 128 nyomán)