11. Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
11.4 A hidrogeológiai környezet elemeinek hatása a felszín alatti vízáramképre
A valós medence felszín alatti vízáramlási képe, az egységmedence környezeti hatások miatt módosult változataként fogható fel. Milyen környezeti hatásokat tekintünk meghatározónak a felszín alatti vízáramlási rendszerek szempontjából? E kérdésre Tóth József (1970) „A conceptual model of the groundwaer regime and the hydrogeologic environment” cikke ad választ. Egy medencében kialakuló felszín alatti vízrezsim és a hidrogeológiai környezet összefüggése során definiálta a „hidrogeológiai környezet elemeit”, ezek: a domborzat, geológia, klíma. A következőkben ezek áramképre gyakorolt hatásai kerülnek tárgyalásra.
11.4.1 A medence geometriájának hatása a felszín alatti vízáramképre
A medence geometriáját illetően számba kell vennünk a domborzat és a medence mélységének szerepét is.
A medence felszíne a víztükör domborzatával szoros összefüggésben van, amely az áramlások felső határfelületét [hwt(x)] képezi. A lineárisan és szinuszosan lejtő felszínek hatásainak különbségét már láttuk az egységmedence és az összetett, vagy kis vízgyűjtő medence esetén. További szempontok a regionális lejtés (a fő vízválasztó és fő megcsapoló hely közötti magasságkülönbség és a medence fél szélessége határozza meg: ), és a medence mélysége (a tényleges impermeábilis határ mélysége: z0).
Kiindulásként tekintsük kismélységű és tagolt felszíni domborzatú medencéket, melyekben általában cellás (lokális) áramlási rendszerek fejlődnek ki (11.11. ábra: a). A helyi magasságkülönbségekhez képest megnövelve a regionális lejtést (c) az áramkép kezd hasonlítani az elemi medencék áramképére (11.11. ábra: b). Ugyanakkor a laterális áramlások válnak dominánssá, és a medence közepe felé folyó lokális áramlási rendszerek területe kiterjed az azzal ellentétes irányúak rovására. A regionális lejtéssel szembenálló helyi lejtők szerepe tehát nem érvényesül, azok
Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
Ennek további eredményeként a lokális áramlási rendszerek behatolási mélysége nő (11.11. ábra b esetéhez képest), s akár az impermeabilis alsó határt is elérhetik. Végül, a medence mélység növekedésével lehetőség nyílik magasabb rendű, intermedier és regionális áramlások kialakulására is (11.11. ábra: d). Összehasonlítva a 11.11. ábra c és d eseteit, mivel a talajvíztükör konfigurációja azonos (a domborzat avagy felső határfeltétel nem változott), így a hajtóerő és a permeabilitás azonossága folytán azonos mennyiségű víz folyik keresztül mindkét medencén. Ennek eredményeként, a nagyobb vertikális kiterjedésű (mélyebb) medencében (11.11. ábra: d) kisebbek az áramlási intenzitások, mint a sekélyebb medencékben, és nagyobb kiterjedésűek a kvázi stagnáló zónák.
Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
11.11. ábra: A medence geometriájának hatása a felszín alatti vízáramképre (Tóth, 1963). (a) kiindulási helyzet, (b) megnövelt regionális lejtés, (c) megnövelt lokális magasságkülönbségek, (d) megnövelt medence mélység
11.4.2 A földtani felépítés hatása a felszín alatti vízáramlás geometriájára
A következő mérföldkő a regionális felszín alatti vízáramlási rendszerek megértésében R. Allen Freeze és Paul A.
Witherspoon nevéhez kötődik. Freeze és Witherspoon (1966, 1967, 1968) a geológia áramlási rendszerekre gyakorolt hatását vizsgálták regionális hidrogeológiai célokra, elsőként alkalmazva a numerikus modellezés módszerét.
Elemezték a rétegzettség, a lencsésség, és a vetők szerepét is. Habár Tóth (1962, 1963) áramlási rendszeréből indultak ki, a medence geometriáját jobban a természetben előforduló medencékhez igazították. Így egy az egységmedencéhez képet sekélyebb és szélesebb medencét modelleztek (11.12. ábra). Ennek eredményeként, a kiindulási állapotra jóval kiterjedtebb átáramlási területet kaptak.
11.12. ábra: Freeze és Witherspoon (1967) kiindulási modellje: széles, sekély medence, kiterjedt átáramlási területtel.
A szaggatott vonalak ekvipotenciálokat, a folyamatos vonalak áramvonalakat jelölnek.
11.4.2.1 Rétegzettség
Kétrétegű rendszer esetén, amennyiben a felszín közelében rossz vízvezető (kisebb permeabilitású) réteg található, alatta pedig egy jó vízvezető, akkor a felső vízvezetőben a vertikális áramlások fokozódnak, ‒ gondoljunk a tangens törvény kapcsán tanultakra (ld. 7. fejezet) ‒ ezáltal nő a be- és kiáramlási területek aránya a medencén belül (11.13.
ábra: A). Ugyanakkor az alsó, jó vízvezetőben a horizontális áramlás lesz domináns, így végeredményben egy fedett vízvezetőről beszélhetünk. A permeabilitás vagy hidraulikus vezetőképesség kontraszt további növelésével a be- és kiáramlási területek aránya a medencén belül kiegyenlítődik (11.13. ábra: B-C).
11.13. ábra: Rétegzettség hatása a vízáramlás geometriájára (ekvipotenciális vonalakra), felül rossz vízvezetővel (Freeze és Witherspoon, 1967). A heterogenitás aránya a felső-alsó vízvezető viszonylatában: (A) 1:10, (B) 1:100,
(C) 1:1000.
Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
Amennyiben a felszín közelében találjuk a jó vízvezetőt (11.14. ábra), nem mutatkozik jelentős eltérés a kiindulási állapothoz (11.12. ábra) képest. Ez esetben tehát a medence geometriája a meghatározó, és nem a földtani felépítése.
11.14. ábra: Rétegzettség hatása a vízáramlás geometriájára, felül jó vízvezetővel (Freeze és Witherspoon, 1967).
A heterogenitás aránya a felső-alsó vízvezető viszonylatában: 100:1.
11.4.2.2 Lencsésség
Amennyiben beáramlási terület alatt találunk jól vezető fél réteget (lencsét), az kis területen intenzív beáramlást, míg a medence közepén „abnormális” kiáramlást generál (11.15. ábra: A). Ez esetben tehát a geológia, és nem a medence domborzata (topográfiája) kontrollálja az áramképet. Ha a jól vezető fél réteg (lencse) a kiáramlási terület alatt található, az növeli a beáramlási terület, míg a megcsapolódást koncentrálva csökkenti a kiáramlási terület nagyságát (11.15. ábra: B). Végül, a medence közepén elhelyezkedő jól vezető lencse az áramlás irányába eső felső végén fókuszálja, alsó végén pedig szétszórja az áramlásokat (11.15. ábra: C), ezáltal egy jellegzetes folyadék-potenciál anomáliát hoz létre maga körül. Sőt, általában a lencse aktuális kiterjedésén túl is, bizonyos távolságban, érzékelhető a lencse keltette potenciál anomália. Így ha például egy kútban anomális vízszintet tapasztalunk, de a rétegsorban nem mutatkozik heterogenitás, ami az anomáliát okozhatná, akkor gondolhatunk egy jól vezető lencse közelségére is.
11.15. ábra: Lencsésség hatása a vízáramlás geometriájára (Freeze és Witherspoon, 1967). (A) lencse a beáramlási terület alatt, (B) lencse a kiáramlási terület alatt, (C) lencse a medence közepén helyezkedik el
11.4.2.3 Vetők
A földtani szerkezetek közül a törések hidraulikai szerepe kiemelt fontosságú a geológia több szakterületén is.
Elsősorban a folyadékok áramlására gyakorolt hatásuk meghatározó jellegű, mivel a vetők és vetőzónák kulcsfontosságú geológiai faktorok a termálvíz források előfordulásában, a bányavíz-betörésekben, a szénhidrogén migrációs útvonalak és csapdák kialakulásában, a hidrotermális ércesedésekben, a diagenetikus folyamatokban és
Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
a folyadékok által előidézett kőzet deformációs folyamatokban is. A szinszediment vetők továbbá kontrollálják a litológiai fáciesek változását és a permeabilis rétegek vastagságát is.
Hidraulikai viselkedése szempontjából megkülönböztethetünk vezető és záró vetőket. A záró vető permeabilitása kisebb a harántolt kőzetekénél. Ilyenek általában a finomszemcsés anyaggal vagy agyaggal kitöltött vetők, amelyek főként törmelékes kőzetekben jellemzőek. További törés „tömítő” folyamatok a heterogén eloszlású finomszemcsés anyagok és vázszemcsék deformációja által előidézett keveredés, a nyomásoldódás, a kataklázis és a cementáció.
Agyagmentes homokkövekben a kataklázis és a deformációt követő kovás cementáció; éretlen homokkövekben pedig a deformáció okozta keveredés és a nyomásoldódás jelensége dominál. A záró vetők jelentősen tudják módosítani az egységmedence áramképét, akár meg is oszthatják azt (11.16. ábra: a-d).
11.16. ábra: Záró (a-d) és vezető (e-h) vető hatása az egységmedence áramképére (Tóth, 2009)
A vezető vető permeabilitása nagyobb a harántolt kőzetekénél. Ilyenek a durvaszemű anyaggal kitöltött, illetve a kapcsolódó törésekkel, repedésekkel áthálózott vagy breccsásodott anyagú vetők, amelyek főként kristályos, diagenizált vagy kovásodott kőzetekben gyakoriak. A vezető vetők az egységmedence áramképén általában keveset módosítanak, de koncentrált kiáramlást tudnak biztosítani (11.16. ábra: e-h). Ezt az idealizált hidraulikai viselkedést azonban lényegesen bonyolultabbá teszi – főként ha egy egész vetőzónát tekintünk – a permeabilitás idő- és térbeli változékonysága. S azt se feledjük, hogy a vetők és szerkezetek nem egységmedence konfigurációjú medencékben fordulnak elő a természetben.
11.4.2.4 A domborzat időbeli megváltozása
A domborzat megváltozásának áramképre gyakorolt hatását elsőként Tóth József tanulmányozta (Tóth, 1988), és mint geológiai tényezőt, ebben a fejezetben tárgyaljuk. Ahogyan már a 8. fejezetben is utaltunk rá, ez a változás geológiai értelemben tranziens folyamatokat gerjeszt a medencékben.
Stacioner vízáramlás vízgyűjtő medencékben
A térfelszín kiemelkedése és süllyedése, illetve eróziója során, a potenciál tér is megváltozik. Ugyanakkor a potenciáltér (nyomás viszonyok) időbeli átalakulásához bizonyos időre van szükség, míg a medencebeli potenciáleloszlás az új (felső) határfeltételhez (megváltozott talajvíztükörhöz) alkalmazkodni tud. Különösen igaz ez azokra a vízvezetőkre, melyek olyan medencékben találhatók, ahol felettük vízrekesztő(k) lassítják a nyomásváltozás terjedését. Egy ilyen esetet mutat a 11.17. ábra.
11.17. ábra: Domborzat megváltozásának hatása vízáramlás geometriájára (Tóth, 1988 nyomán) Az eredeti, kiindulási helyzetben egy medencét látunk, be/leáramlással a topográfiai magaslatokon, és ki/feláramlással a topográfiai mélyedésben (11.17. ábra: a). A területet ért eróziót követően a medence helyén egy topográfiai magaslat alakul ki (11.17. ábra: b), az annak megfelelő áramkép azonban csak az eróziót követő bizonyos idő elteltével tud kialakulni (11.17. ábra: c). Ez idő alatt a felszínhez közelebbi víztartók pórusnyomása gyorsabban alkalmazkodott a megváltozott domborzathoz, míg a vízrekesztő alatti vízvezetőben tovább fennmaradnak az eredeti domborzatnak megfelelő pórusnyomások és áramlási irányok (11.17. ábra: b).
11.4.3 A klíma hatása a felszín alatti vízáramképre
A klíma a talavíztükör – mint a felszín alatti vizek felső határfelülete – domborzatára hatást gyakorolva tudja befolyásolni az áramképet, de értelemszerűen csak a helyi áramlási rendszerekben érvényesül a hatása. Mivel a mi éghajlati viszonyaink mellett a talajvíztükör a térfelszín közelében található, így valóban érzékeny az időjárási változásokra. A klimatikus elemek: csapadék, hőmérséklet, szélsebesség, napsugárzás elsősorban módosító hatást gyakorolnak a felszín alatti vízáramlás eloszlására és intenzitására. Ugyanakkor a Föld egyéb klimatikus régióiban található területeken alapvetően eltérő helyzetekkel kell számolnunk e téren.