Hévíz-monitoring rendszer a magyar-szerb országhatár menti régióban

ÖsszefoglalásA dolgozat célja a 2008-ban készített

„Egyesített 3D hidrodinamikai modell a felszín alatti vizek használatának fenntartható fejlesztéséhez a magyar-szerb országhatár menti régióban (Interreg III/a HUSER0602/131)” című tanulmányban közzétett 3D hidrodinamikai modell pontosítása, különös tekintettel a hévíztároló pannóniai rétegek hidrodinamikájára. Cél a vizsgált terület fő hévíztároló pannóniai képződményeinek pontosabb modellezése. A kutatás keretében elkészült a határ menti régió egységes földtani felépítésének képe, mely a modellszámítások alapjául szolgált.

Az érintett területen található különböző vízkivételi objektumok adatait (víztermelő kutak, hévíz kutak) és a terület földtani felépítését bemutató mélyszelvényeket magyar részről az Alsó-Tisza Vidéki Vízügyi Igazgatóság (később ATIVIZIG), valamint a Magyar Állami Földtani Intézet, szerb részről a Szabadkai Vízművek, illetve az újvidéki Tartományi Titkárság bocsájtotta rendelkezésünkre.

A vizsgálat a jelenlegi ipari és lakossági vízfelhasználás mellett mutatja meg a vízkivételek hatáskeresztmetszetét az érintett vízadókban. Szcenáriók készültek a vízkészletet terhelő jelenlegi-, és távlatban lehetséges vízkivételekről olyan esetekben, mikor a kitermelt vízmennyiségeket 25 illetve 50%-al növeltük.Végcélként a tanulmány javaslatot tesz egy esetleges hévíz-monitoring rendszer optimális elhelyezésére a határ menti régióban.

BevezetésCivilizációnk rohamos technikai fejlődése

egyre fokozódó energiaigényeket támaszt. Napjainkra ezen igények kielégítésére számos alternatív energiaforrás áll rendelkezésre, a környezetkárosító és kimerülőben lévő fosszilis energiahordozók mellett. Alternatívnak tekintjük azokat az energiaforrásokat, melyek természetes úton, rövid idő alatt újratermelődnek és hosszútávon, fenntartható és környezetkímélő módon nyerhető ki belőle energia. Ezen energiahordozók feltárása, hatékonyságuk optimalizálása napjaink egyik központi kutatási területe. Magyarország számára adottságait tekintve az egyik legoptimálisabb megújuló energiaforrás a geotermikus energia. Hazánk köztudottan világviszonylatban is jelentős hévízkinccsel rendelkezik. Ennek oka a Kárpát-medencének a környezetéhez viszonyított magas geotermikus gradiense, és a kiváló víztartó képességű hévíztároló kőzetek nagy vastagsága.

A Kárpát-medence egyik legkedvezőbb geotermikus adottságokkal rendelkező területe a magyar-szerb-román határvidéken fekszik. Jelen tanulmány részletesen a magyar-szerb határvidék hévízgazdálkodásával foglalkozik, Szeged és Szabadka (Subotica) környezetében. A kutatás keretében általunk modellezett terület pontos lehatárolása a Víz Keretirányelv előírásai alapján meghatározott porózus felszín alatti víztest határok figyelembe vételével történt meg. A modellterület a Tisza-vízgyűjtő déli részét alkotó (p.2.11.1), valamint az Alsó-Tiszavölgyi (p.2.11.2) víztestek, továbbá az ezekhez a határ szerbiai oldalán kapcsolódó felszín alatti (CS_DU 10) víztest ÉK-i részén fekszik (1. ábra). A 2852 km2-es vizsgálati terület ott lett lehatárolva ahol a pannóniai rétegekben szűrőzött hévíz kutak a legsűrűbben fordulnak elő a határ mentén. A terület a pannóniai korú Makó-Hódmezővásárhelyi árok, mint alföldi neogén részmedence Ny-i felén található. Kutatásunk célja hidrodinamikai modell segítségével bemutatni az országhatár környezetében jelenleg, és a jövőben várható hévízkivételek hatáskeresztmetszetét. A tanulmány egy 2008-ban készített „Egyesített 3D hidrodinamikai modell a felszín alatti vizek használatának fenntartható fejlesztéséhez a magyar-szerb országhatár menti régióban (Interreg III/a HUSER0602/131)” című tanulmányban (továbbiakban „HUSER” tanulmány) közzétett 3D hidrodinamikai modellre épül, a régióban nagy vastagságban előforduló és a hévízkészlet túlnyomó részét raktározó felső-pannóniai rétegek hidrodinamikájára koncentrálva. A dolgozat célkitűzése egy olyan határ menti hévíz monitoring rendszer megtervezése, mely hatékonyan képes jelezni a határ két oldalán történő hévízkivételek hatásait a régió hévízkincsére, ezzel segítséget nyújtva a két ország között feltétlen szükséges együttműködéshez, regionális tervezéshez, a hosszútávon fenntartható hévíztermelés érdekében.

Földtani környezet bemutatásaA hely szűkössége miatt csupán a modell

szempontjából fontos hévíztároló összletek földtanáról szeretnénk szólni. A területtel foglakozó szakirodalom szemléletmódjában és részletességében jelentősen eltér a határ két oldalán. Ehelyütt a jóval részletesebb magyar szakirodalom nevezéktanát használjuk, kiterjesztve azt a szerbiai oldalra is. A régió legjobb hévíztároló rétegeinek fejlődéstörténete a pannóniai korszakkal veszi kezdetét mely a magyar szakirodalomban a szarmata végétől a pleisztocénig tartott. Korábban a Parathetys egyik tengerága borította a területet mely mintegy 12 millió évvel ezelőtt végleg lefűződött a világtengerről a pannon medence peremeinek

kiemelkedése és egy eusztatikus tengerszintesés következtében. Az elzáródás után megindult az elzáródott tó kiédesedése és feltöltődése a peremi kiemelkedések felől. A tenger kiédesedéséig tartó időszakot a szakirodalom a pannóniai korszak alsó-pannóniai emeletének nevezi. Az alsó- és felső-pannóniai határ egy diakrón fácieshatár, azaz nem egykorú az egész medencét tekintve, hanem a feltöltődési irányok felől fiatalodó fácieshatárnak tekinthető. Az alsó-pannóniai rétegekből feltárható vizek magas hőmérsékletűek és enyhén sósak, mennyiségük azonban meg sem közelíti a folyami behordásból származó kedvezőbb tulajdonságú felső-pannóniai rétegekben tárolt hévizek mennyiségét. A modellterület viszonylag későn, az időszak végére töltődött fel, főleg az ÉNY-i fő behordási irányból, ezért itt jelentős vastagságot érnek el a pannóniai üledékek. Az alsó-pannóniai korszakban képződött kemény homokkövek és márgák lényegesen rosszabb víztároló képességűek mint a homokosabb felső-pannon összletek. A vizsgált terület hévízkútjai a felső-pannóniai formációkat szűrőzik, ezért ezeket részletesebben is bemutatjuk.

A legkedvezőbb vízföldtani tulajdonságokkal az alsó-pannóniai rétegekre közvetlenül települő Újfalui Formáció rendelkezik, melynek vastagsága a területen 3-4 száz méter átlagosan. Kedvező vízadó képességét a vastag finom és középszemű homokrétegeinek köszönheti. Jellemzően 5 m-nél vastagabb pelites betelepülés nem jelentkezik a homokrétegek között. Kedvezőtlenebb tulajdonságúnak tekinthető a területen nyomozható két fiatalabb, egymáshoz hasonló kifejlődésű felső-pannóniai összlet, a Zagyvai és Nagyalföldi Formáció. Mindkettő vékonypados kifejlődésű, agyag, aleurolit és homok rétegek monoton váltakozásából álló formáció, melyekben a pelitek dominálnak. A Nagyalföldi Formációt döntően a benne található gyakoribb tarka agyag betelepülések és paleotalaj rétegek alapján különíthetjük el a Zagyvai Formációtól, amik miatt még kedvezőtlenebb a vízadó képessége (JUHÁSZ 1998). A Nagyalföldi Formáció tulajdonságai alapján a felső-pannóniai és kvarter rétegek határán képződött levanteinek nevezett átmeneti rétegekkel feleltethető meg. A legjobb vízadók a területen a kvarter rétegek, viszont ezeknek csupán jelentéktelen része fekszik a 30 °C-os izotertma alatt így hévízkészletük szerény.

Vízföldtani szempontból az Alföld egy nagy egybefüggő víztároló rendszer, ahol a felszín alatti vizek folyamatos áramlásban vannak. Az áramlás iránya a felszín alatti potenciáltértől függ oly módon, hogy a víz a nagyobb potenciálú helyek felől a kisebb felé áramlik. ERDÉLYI Mihály (1976) a pannon medencét hidrodinamikai szempontból két áramlási rezsimbe osztotta. Feltételezése szerint a felső-pannóniai rétegek talpáig egy gravitációs áramlási rendszer létezik, míg az alsó-pannóniai

rétegek erőteljes vízzáró rétegei alatt egy izolált, regionális kompressziónak kitett túlnyomásos áramlási rezsim működik. A két rendszer között éles az átmenet, 10-20 m-en akár 15-20 MPa nyomáskülönbség is előfordulhat (ALMÁSI 2001). A feszín alatti potenciáltérre a rétegek geometriája is hatással van. Beáramlási területnek nevezzük azokat a területeket ahol egyre mélyebbre fúrva a kutak vízszintje is egyre alacsonyabb. Itt a potenciáltér lefelé gyengül és a víz gravitációsan lefelé szivárog. Ez jellemző modellterületünk nyugati illetve déli részére. Szeged és tőle keletre eső területek kiáramlási területként működnek, azaz egyre mélyebbre fúrva egyre magasabban találhatóak a kútvízszintek, vagyis itt a víz felfelé szivárog. Ennek köszönhetőek Szeged ártézi hévízkútjai.

A vizsgált terület igen kedvező geotermikus adottságokkal rendelkezik, amit a földkéreg Pannon-medence alatti kivékonyodásával magyarázhatunk. Ennek eredményeként a felszínen mért hő fluxus 90MW/m2 körüli, ami 50 %-al magasabb az európai átlagértéknél. Európában a Kárpátokon túli területek geotermikus gradiense 30-33 m/°C, míg az Alföld mélységi vizeinek átlagos hőmérsékleti gradiense 18 m/°C (KŐRÖSSY, 1984). Magyarországon a rétegvizek 30°C feletti kifolyó hőmérsékletű válfaját nevezzük hévíznek. Modellterületünk porózus rétegeiből néhol akár 80-100 °C-os meleg vizet nyerhetünk.

A modellterület vertikális felosztása szelvények segítségével

A modellterület vízadó és vízzáró rétegekre való felosztásához 5db szelvényt készítettünk a Surfer 8.06 (Copyright ©1993-2002, Golden Software, Inc.) és a Grapher 6.3.28 (Copyright ©1992-2005, Golden Software, Inc.) szoftverek segítségével, melyekben az összlet kútjainak szűrőadatai alapján igyekeztünk vízadókat lehatárolni. Az érintett területen található különböző vízkivételi objektumok adatait (víztermelő kutak, hévíz kutak) magyar részről az Alsó-Tisza Vidéki Vízügyi Igazgatóság, szerb részről a Szabadkai Vízművek, illetve az Újvidéki Tartományi Titkárság bocsátotta rendelkezésünkre. Felhasználásra került továbbá a modellterület felszínének, a kvarter réteg talpának valamint a felső-pannóniai réteg talpának a „HUSER” tanulmány modelljéből rendelkezésünkre bocsájtott gridfelszíne. A lehatároláshoz segítségünkre volt, egy a MÁFI által készített mélyszelvény is, mely a terület É-i peremén fut NY-K-i irányban (Mélykút-Szeged), továbbá a rétegekben elkülöníthető formációkról létező irodalom. A szelvények nyomvonala a 2. ábrán látható. A megálmodott réteggeometriát a Domaszék-Szeged szelvény segítségével mutatjuk be (3. ábra).

A felhasznált adatok alapján, ahogy az a 2. és 3. ábrából kitűnik a modellterületet

vertikálisan 11 rétegre osztottuk. A legfelső modellezés-technikai réteget mely a felszíntől a kvarter réteg talpáig terjed egységesen vízadónak vettük (Ka1). A felső-pannóniai összletet a rendelkezésünkre álló tető és talpgridek segítségével a kútszűrők alapján 4 vízadó és 4 vízzáró rétegre osztottuk . A lehatárolt rétegfelszíneket geostatisztikai módszerekkel a már említett programok segítségével kaptuk meg. Elképzelésünk alapján a 8 felső-pannóniai rétegből a felső 5, a területen vastagabb elterjedésű Zagyvai Formációnak felelhet meg, melyet 2 vízadó (Za1, Za2) és 3 vízrekesztő réteggel jellemzünk (R1, R2, R3). Az alsó 3 réteget a vékonyabb, de kedvezőbb vízadó képességű Újfalui Formációnak véljük, melyet 2 vízadó (Ua1, Ua2) és 1 vízzáró (R4) réteggel építettünk fel. A legalsó két réteg (R5, Pa1) modellezés-technikai jelentőségű és az alsó-pannóniai rétegsort reprezentálja a végletekig leegyszerűsítve. A rendszer alapvetően a felső-pannóniai összlet modellezésére készült, a modellezés-technikai rétegek feladata biztosítani a kapcsolatot a szomszédos alsó-pannóniai és kvarter rétegek felé.

Modell felépítéseA hidrodinamikai modell elkészítéséhez,

valamint az áramlás törvényszerűségeinekmeghatározásához a Processing MODFLOW Pro szoftver környezet 7.0.17 (Copyright©2002-2003 WebTech, Inc.) verzióját használtuk. Egy modell arra való, hogy a valóság egyszerűsített leképzésén keresztül megbízható adatokat szolgáltasson a természetben elődforduló folyamatok tulajdonságairól. Akkor jó egy modell, ha kellően összetett egy természetes folyamat megbízható leképzéséhez és elég egyszerű, hogy értelmezhető eredményeket szolgáltasson. Modellünk ebben a szellemben készült az alábbi paraméterek segítségével. A már említett vertikális felosztás után a modellterületet horizontálisan 500 * 500 m-es cellákra osztottuk, melyeket a kutak környezetében 100 * 100 m-esre sűrítettük. Az általunk használt modellező program a véges differencia elvén működik, az általa számított hidrogeológiai paramétereket a cellák közepére becsli. A rétegek horizontális és a vertikális szivárgási tényező értékeit szakirodalmi adatok alapján határoztuk meg (SZANYi et al.). A porozitás értékeit a szivárgási tényező és az effektív porozitás közötti tapasztalati függvénykapcsolat alapján számítottuk (SZANYI, 2009). A rétegek hidraulikai paramétereit az 1. táblázatban mutatjuk be.

A nyugalmi nyomásszintek meghatározását a legegyszerűbb módon végeztük. Kihasználtuk azt a megfigyelést, hogy a talajvízszint valamilyen mértékben követi a felszín egyenetlenségeit, így a felszínből kivonva két métert, majd egy simító átlaggal kiegyenlítve azt, megkaptuk a kvarter réteg nyugalmi

nyomásszintjét. Ezeket az értékeket lemásoltuk a felső-pannóniai vízadókba is. A legalsó alsó-pannóniai vízadó rétegben 100 m-es vízszintet adtunk meg az egész rétegben. Ezzel állandó nyomásúvá (túlnyomás) tettük az alsó-pannon vízadóját. Ezek a kezdeti vízszintek még nem reprezentálják megbízhatóan a területet, ugyanis a felső-pannóniai rétegek is, különösen Szeged környékén, a mélység felé növekvő mértékben túlnyomásosak részben a rétegek geometriája miatt, ahogy azt a földtani részben említettük. A modellparaméterek meghatározásánál tehát el kellett érnünk, hogy a modell első, kutak nélküli futtatásánál ez a tapasztalati tény rajzolódjon ki. Az alsó-pannóniai vízadó rétegben tartott 100-es túlnyomás segít ebben, ugyanis ez eleve megemeli a felette elhelyezkedő rétegek nyomását a felszín felé csökkenő mértékben.

A peremfeltételek helyes meghatározásával tovább közelíthetőek a helyesnek vélt vízszintek. Helyesnek véltük a területen az 1970-es években, még viszonylag bolygatatlan állapotban mért vízszint értékeket. A modellben GHB (General Head Boundary) peremeket alkalmaztunk a szükséges helyeken a 3., 5., 7. és 9. modellrétegekben. A GHB peremfeltétel-típus a peremi cellákban szükség esetén nyomásszint változást is megenged, a cella vízmérlegét az ott kialakuló depresszióval arányos mértékben változtatva meg. Ezen elemekben a peremi és a szomszédos cella közötti vízforgalom mértékét egy arányossági tényező és a peremmelletti cellában kialakult vízszint és a peremre megadott fiktív vízszint közötti eltérés határozza meg. Mettől nagyobb az arányossági tényező, illetve a vízszintkülönbség a modell peremén, annál nagyobb a betáplált vagy megcsapolt vízmennyiség. Végtelen arányossági tényezővel állandó nyomásszintű, zérus tényezővel vízzáró peremként is használhatjuk a GHB cellákat. A modellben különböző erősségű GHB cellákat alkalmaztunk (2. táblázat), melyek különböző mértékű oldalsó utánpótlást engednek meg.

Modell futtatása, szcenáriók kiértékeléseA kutatás keretei között arra keressük a

választ, hogy a jelenlegi hévízkivételek milyen depressziókat okoznak a terület felső-pannóniai vízadóiban, illetve milyen depressziók várhatóak egy esetleges jövőbeni 25%-os illetve 50%-os termelésnövekedés estén. A jelenlegi állapot esetén a vízhasználók által bevallott, illetve az egyes termelő kutakra az engedélyezett vízkitermelési ráták alapján becsült víztermelésekkel számoltunk egyenletes hozamú teljes évi termelést feltételezve. A modellezett területen ez jelenleg mintegy 28,5 millió m3/év hévíztermelést jelent. Tekintettel arra ,hogy területünkön a hévízkivétel súlypontja az Újfalui Formáció rétegeiben található, a továbbiakban ezen formáció vízadó rétegein (Ua1,

Ua2) keresztül mutatjuk be a termelés növekedés hatásait. A számított depressziókat a 4. ábra szemlélteti. Az ábrán jól látszik, hogy a területen a legerőteljesebb leszívást a Szeged környéki vízkivételek okozzák jelenleg és várhatóan a jövőben is. A leszívások Szeged környékén egyetlen nagy depresszióstölcsérré nőnek, ami jócskán kiterjed a szerbiai terület alatt. Leginkább ezen a területen képzelhető el intenzív termelésnövekedés a kiterjedt hő piac és a rendelkezésre álló infrastruktúra miatt. A szerb oldali vízkivételek egyenlőre főleg a magyarkanizsai fürdőhöz, illetve a kvarterben szűrözött, de a pannon tetejére is hatást gyakorló szabadkai vízműhöz kötődnek. Ezek a kivételek egyenlőre kevésbé terhelik a térség hévízkészletét, ugyanakkor a kiváló geotermikus adottságok és a jelentős szabadkai hő piac jelenléte nem zárja ki egy esetleges jövőbeni, a modell keretein is túlmutató termelésnövekedés bekövetkezését a régió szerbiai oldalán.

Monitoring hálózat elhelyezése, konklúzióA legnagyobb leszívások közelében

megfigyelőkút hálózatot hoztunk létre a modellen belül, hogy a piezometrikus szinteket, valamint a leszívás (depresszió) értékeket megfelelően bemutathassuk. A megfigyelőkút hálózat négyszer négy kút csoportból áll melyeket pánsípszerűen helyeztünk el úgy, hogy minden felső-pannon vízadó rétegben négy kút legyen. Az elhelyezés másik kritériuma az volt, hogy a kutak a határ közelében megjelenő legnagyobb változásokat kövessék figyelemmel. A megfigyelőkutak elhelyezkedését a 2. ábra mutatja. Világosan látszik mind a leszívás kontúrtérképeken mind a monitoring rendszer kútjaiban számolt vízszintadatok alapján (5. ábra), hogy a növekvő vízkivételek egyre erősebb depressziót okoznak a területen.

Az egyre intenzívebben termelt rétegek visszatöltődése természetes úton igen lassan megy végbe, ugyanis nem áll rendelkezésre végtelen mennyiségű víz sem a felszín felől, sem a szomszédos területekről minden időpillanatban. Ebből következik, hogy a jövőbeni gazdaságos vízkivételi lehetőség megőrzése érdekében a kitermelt vízmennyiséget az adott vízadóba vissza kellene sajtolni, ami mára Magyarországon törvényi kötelezettséggé vált. Az is jól látszik, hogy a modellezett vízbázisok nem igazodnak az országhatárokhoz, vagyis a határ egyik oldalán történő vízkivétel növekedés a másik oldalon is érezteti hatását. Ezért mindenképpen szükség lenne egy határokon átnyúló összehangolt regionális tervezésre és együttműködésre, ami a jövőbeni fenntartható felszínalatti hő és vízgazdálkodást illeti. Javasoljuk a fent bemutatott monitoring hálózat megépítését a területen, a napjainkra erősen megnövekedett és várhatóan a jövőben tovább

növekedő hévízszint csökkenések megbízható nyomon követése érdekében.

Köszönetnyilvánítás Szeretnénk megköszönni a Szegedi

Tudományegyetem Ásványtani, Geokémiai és Kőzettani tanszékének, hogy rendelkezésünkre bocsájtotta modellezéshez szükséges szoftver környezetet. Köszönettel tartozunk a Szabadkai Vízműveknek, az Újvidéki Tartományi Titkárságnak és az Alsó-Tisza Vidéki Vízügyi Igazgatóságnak a területen található vízkivételi objektumok adataiért. Végül, de nem utolsó sorban, köszönjük Dr. Szanyi Jánosnak a modellezéshez nyújtott szakmai segítségét.

Ábrák: Terület negytérkép 1.ábra szelvénynyomvonalak és monitoring

kutak! 2. ábra 1 szelvény: Domaszék-Szeged: 3. ábra Leszívások vagy újfaluiban 2x3 ábra 1

ábrán 4. ábra monitoring kutak leszívás görbéi

(diagram) 5. ábra

Táblázatok: GHB értékek 2. táblázat Rétegtulajdonságok 1. táblázat

Irodalomjegyzék:

ERDÉLYI, M. 1979: A Magyar Medence hidrodinamikája.-Vituki, 28

GRENERCZY, GY., KENYERES, A., FEJES, I. 2000: Present crustal movement and strain distribution in Central Europe inferred from GPS mesurements.-Jurnal of Geophysical Research, 105, 21835-21846

HUSER Tanulmány, Egyesített 3D hidrodinamikai modell a felszín alatti vizek használatának fenntartható fejlesztéséhez a Magyar-Szerb országhatár menti régióban, 2008

JUHÁSZ, GY. 1992: A pannóniai (s.l.) formációk térképezése az Alföldön: elterjedés, fácies és üledékes környezet.- Földtani Közlöny 122/ 2-4 ,133-165

JUHÁSZ, GY. 1998: A magyarországi neogén mélymedencék pannóniai képződményeinek litosztratigráfiája.- In: BÉRCZI, I. & JÁMBOR, Á. (eds): Magyarország geológiai képződményeinek rétegtana. MOL Rt. . MÁFI, Budapest, 469-484 p.

KOVÁCS, B. & SZANYI, J. 2004: Hidrodinamikai és transzportmodellezés I.-GÁMA-GEO Kft.

KOVÁCS, B. & SZANYI, J. 2005: Hidrodinamikai és transzportmodellezés II.- GÁMA-GEO Kft.

KŐRÖSSY, L. 1979: Az Alföld földtörténete-RÓNAI, A. szerk.: Az Alföld negyedidőszaki földtana, Geologica Hungarica series Geologica, 1985/21, 57-204.

MARTON, L. 2009: Alkalmazott hidrogeológia. -Elte Eötvös Kiadó, 119-268, 359-415, 493-558

MÁDLNÉ, Sz. J. 2006: A geotermikus energia.- Grafon Kiadó, 19-24, 45-51, 80-84

TÓTH, J. and ALMÁSI I. 2001: Interpretation of observed fluid potential patterns in a deep sedimentary basin under tectonic compression: Hungarian Great Plain, Pannonian Basin- Geofluids 1/1

Vajdasági Tartományi Titkárság 2004: Hévízbeszerzési tanulmány I., kézirat (szerb nyelven), 2-25.

Vajdasági Tartományi Titkárság 2005: Hévízbeszerzési tanulmány II. kézirat (szerb nyelven), 3-27.