Content uploaded by Zsolt Kozma
Author content
All content in this area was uploaded by Zsolt Kozma on Feb 25, 2019
Content may be subject to copyright.
A preview of the PDF is not available
WateRisk - Jovokeptol a vizkeszlet-kockazatig
Abstract
A Kárpát-medence, s így hazánk vízkészleteinek jövőjét különböző külső és belső környezeti, társadalmi, politikai folyamatok kombinációja határozza meg – mint például a globális változások (beleértve az éghajlatváltozást), a népességnövekedés, a földhasználat-változás, a terület- ill. településfejlesztés, ill. a gazdasági és technikai fejlesztések.
Vízkészleteink térben és időben változékony módon jelennek meg és válnak az igények számára hozzáférhetővé. Ez az egyenlőtlenség teszi fontossá a vízkészletek szélsőségeit. Magyarország vízkészleteivel kapcsolatosan egyébként is végletekben lehet csak fogalmazni: Az egy főre jutó vízkészlet (12000 m3/fő/év) a kontinens egyik legmagasabb értéke, ugyanakkor az ország egyes térségeiben (Homokhátság, Nyírség) a felszíni készletek kritikus stressz érték (1000 m3/fő/év) alatt vannak. A vízbőség csak nagy folyóink közvetlen környezetében érvényesül. Az Alföld jelentős részén a tenyészidőszaki vízhiány meghaladja a 250 mm-t, az aszálykár szélső esetben elérheti a 100 milliárd forintot is. Enyhítése csak költséges átvezetésekkel lehetséges. A Tisza vízrendszerében ugyan kiépült 400 ezer ha öntözési kapacitás, ennek ellenére a teljes termőterületnek csak 1.8%-át öntözik.
Az Alföld területén a legfontosabb vízzel kapcsolatos kihívás a szélsőséges vízkészlet-jelenségek kezelése (árvíz, vízhiány, aszály, heves csapadékok után kialakuló lokális áradások, belvíz), melyek a jövőben a klíma-előrejelzések szerint egyre növekvő kilengéseket mutathatnak. Érdekessége a jelenségnek, hogy a vízbőség és hiány területileg ugyanott is jelentkezhet egy éven belül, ezért felismerten fontos a készleteink tározása, kiegyenlítése az igényekkel összhangban. Ezt nehezíti, hogy a készlet-problémák hatalmas területen jelentkezhetnek, példaként említjük a kb. 40 ezer km2-re kiterjedő belvízi jelenséget.
Megfigyelhető az igények térbeli átcsoportosulása is. A vízigények kb. 60%-a felszín alatti vizekhez köthető, oka pedig a minőségi igényekkel és a költséges átvezetések elkerülésével magyarázható.
Ez a tendencia kedvezőtlen, az Alföld felszínalatti vízkészleteinek kihasználtsága mára eléri a 70%-ot.
A fenti problémák szakágazatonkénti elszigetelt kezelése nem vezet el hatékony beavatkozási stratégák kidolgozásához, megalapozásához, értékeléséhez. A vízgazdálkodási szélsőséges események (árvíz, belvíz, aszály, vízellátás) és a területfejlesztés egyes szektoriális beavatkozásainak együttes kezelése, az eszközök (gazdasági, mérnöki, területfejlesztési, szemléletformálási) differenciálása jelentheti az integrált vízgazdálkodási gondolkodásmód kialakulásának alapját a jövőben. E munkához elengedhetetlen a károk és a kockázatok hosszú-távú felmérése értékelése, az alternatívák/forgatókönyvek mentén való gondolkodás a vízkészlet egészének tükrében. A WateRisk projekt, felhasználva a hazai és nemzetközi kutatások széles körű ismeretanyagát egy integrált, felhasználóbarát számítógépes döntéstámogató rendszer kidolgozását tűzte ki elsődleges célként.
A vizsgálatok hosszabb időhorizontot fednek le. Alapvetően a klasszikus utat követjük: A jövőt elképzelő víziókhoz vezető utat forgatókönyvek (alternatív változási útvonalak) írnak le, amelyek mentén ellenőrizzük a vízkészlet szélsőségekhez számítható kockázatokat. A WateRisk projekt jövőképeit a területileg érintett lakosság bevonásával építettük fel. E faladat módszertani megalapozása a program eredményei közé tartozik.
A projekt eredményeinek távlatos felhasználását három kutatási és szervezeti pillér biztosítja:
1.) Egy szoftveres döntéstámogatási rendszer kidolgozása, melynek keretében a fent vázolt problémák kezelhetővé válnak a felhasználók széles köre számára,
2.) Hosszú távú tanácsadó rendszer megalapozása, mely segítséget nyújt a döntéshozóknak az integrált vízgazdálkodás jövőbeli problémáinak megoldásaiban,
3.) Folyamatos adatszolgáltatás strukturális megalapozása az államigazgatás, a hatóságok és a döntéshozók széles rétegei számára.
A vízgazdálkodási problémákat egy technikailag korszerű módon megvalósított, és elemeiben a fizika alapegyenleteit alkalmazó hidrológiai modellrendszer írja le, a tervezésre is alkalmas módon. A WateRisk modellrendszer természetesen nagyfokú rugalmassága mellett térben lehatárolt: Az első vízadó réteget és a felszínen lezajló hidrológiai folyamatokat modellezi, de a mélyebb rétegekkel való kapcsolat is biztosítva van természetesen. A lehatárolást a kutatás erőforrásai, és időtartama jelölte ki, de építettünk arra a megfigyelésre, amely a felszíni szélsőséges készletproblémák különösen nagy gazdasági jelentőségét húzza alá, továbbá a felszínalatti készletek pótlódási folyamatai is a vizsgált hidrológiai jelenségekhez kapcsolódnak.
A könyv felépítése az alábbi:
Bemutatjuk az elemző hidrológiai modell-rendszerünket, majd a jövőképek megalkotásának, a forgatókönyv-építésnek az alkalmazott módszertanát, ismertetjük a hozzá kapcsolódó kockázatelemzési modult, majd mintaterületeken bizonyítjuk a kifejlesztett metodika alkalmazhatóságát. Végül ajánlásokat fogalmazunk meg a szakpolitika számára.
... The applied models algorithmically couple the dynamic simulation of 3D territorial (precipitation, evapotranspiration, overland runoff, and subsurface water movement in the unsaturated and saturated zone) and 1D instream hydrologic process. The WateRisk model (Jolánkai, 2013;Koncsos, 2011;Kozma, 2013;Kozma, Muzelák, & Koncsos, 2013;Kozma & Parditka, 2011) integrates the surface and subsurface water cycle by coupling the Every submodel in MIKE SHE works with its own temporal resolution, and in addition, an automatic time step control algorithm adjusts the size of the time steps according to stability conditions and userspecific parameters. MIKE SHE needs a digital elevation model, along and cross sections of the drainage channels, precipitation, evaporation, soil characteristics, groundwater level, and calibration data (e.g., RapidEye satellite image) for validation. ...
... Integrated hydrologic models (IHM) are the most capable to describe the spatial-temporal variations of IEW inundations. These models algorithmically couple the dynamic simulation of 3D territorial (precipitation, evapotranspiration, runoff, and subsurface water movement in the unsaturated and saturated zone) and 1D instream hydrologic processes (Koncsos, 2011;Kozma, 2013;Kozma et al., 2013;Van Leeuwen et al., 2016). The strength of the method is the hydraulic-hydrodynamic foundation, allowing a realistic consideration of the operation and physical state of excess water drainage systems. ...
Inland excess water (IEW) is a form of surplus surface water, often regarded as a specific flood type. However, it occurs most frequently in local depressions of large flat areas, irrespective of river floods and the surface water networks. IEW is considered to be a typical Carpathian Basin problem, as it can cause major land degradation problems in the agricultural areas of Hungary mainly located on the Great Hungarian Plain (GHP). An innovative method for mapping the probability of IEW inundation is proposed in this study. This method is based on the geostatistical modelling of the relationship between the natural and human driving factors and the occurrence of IEW inundations. The results show that significant part of the GHP (about 500,000 hectares) is moderately or highly affected by IEW inundations where the combination of multiple influencing factors simultaneously occur. The resulted IEW inundation probability map can be used to meet future challenges in agricultural management and the adaptations to climate change effects.
... A nemzetközi gyakorlatban elérhető szoftverek hazai alternatívájaként, egy kutatás-fejlesztési projekt keretében készült el a WateRisk Integrált Hidrológiai Modell (WR-IHM), amit munkatársaimmal elsősorban síkvidéki vízgyűjtők vizsgálatára használtunk: éghajlati-vízkormányzási-területhasználati forgatókönyvek elemzése több mintaterületen (Koncsos 2011, Jolánkai és társai 2012, belvíz veszélyeztetettség és kockázattérképezés a Szamos-Kraszna Közben (Kozma és társai 2013), a klímaváltozás és a vízpótlás hatásai a Duna-Tisza közi Homokhátságon (Kardos és Koncsos 2018) és ökológiai fókuszterületek kijelölésének alternatívái a Marosszögben (Ungvári és társai 2018). ...
A síkvidéki vízgyűjtőkön végbemenő hidrológiai folyamatok, így a belvíz számszerűsítése a mérési, térinformatikai és szimulációs eszköztár fejlődése ellenére a mai napig kihívást jelent. A dolgozatban szakirodalmi áttekintést nyújtok a jelenség soktényezős hidro-lógiai leírásáról, az adatellátottság helyzetéről és az elérhető matematikai modellekről. A folyamatalapú szimulációs eljárásokkal kap-csolatban kitérek a szóba jövő modellek korlátaira, a modellépítés és a kalibráció nehézségeire, külföldi tapasztalatokra. Hazai alkal-mazási példákkal szemléltetem, hogy az elemzések célja (például az elöntést, a lefolyást, a talajvízszinteket, vagy egyidejűleg mind-kettőt akarjuk-e leírni), illetve tér-és időléptéke hogyan befolyásolja az eredmények alakulását. A Szamos-Kraszna Közi belvízvé-delmi rendszer példáján keresztül összevetem a különböző módszerekkel (terepi szemrevételezéssel, szintézistérképezéssel, hidroló-giai modellezéssel) készült veszélyeztetettségi térképeket. Végül a belvíz kár-és kockázat szempontú megítélésével kapcsolatban röviden kitérek az ökoszisztéma szolgáltatások jelentőségére. Kulcsszavak Belvíz, hidrológiai modellezés, kalibráció, elöntés és veszélyeztetettségi térkép, Szamos-Kraszna Köz, ökoszisztéma szolgáltatások Process based modelling of lowland hydrology and excess water: challenges and opportunities Abstract Despite the recent development of observational, GIS and simulation tools, the quantitative description of lowland catchments and the phenomenon of excess water is still a challenging task. This paper provides a literature overview about the hydrological description of excess water, the relevant mathematical models and data availability. The advantages and limitations of some process-based simulation algorithms is discussed as well as the general experience and most important difficulties of practical model building and calibration. I refer to pilot applications from the Hungarian Great Plain to illustrate the significance of research goals, choice of methods and spatio-temporal scales as these have a great influence on the expected results. Excess water hazard maps are compared for the Szamos-Kraszna Interfluve in order to give an overview about the different available mapping methods (field survey, regression kriging, hydrologic modelling). Finally, the importance of ecosystem services is briefly discussed: the quantification and mapping of different provisioning and regulating services can foster the reduction of losses and risks caused by water shortage and surplus. Keywords Excess water, hydrologic modelling, calibration, inundation and hazard maps, Szamos-Kraszna Interfluve, ecosystem services BEVEZETÉS A hazai síkvidéki vízgyűjtők különleges szélsősége a bel-víz. Jelentőségét visszatérő terepi tapasztalatok, számos adat és tanulmány igazolja (Pálfai 2004, Bíró 2016), okait, hatásmechanizmusát, befolyásoló tényezőit és bekövetke-zésének valószínűségét a hazai szakirodalom részletesen tárgyalja, kiforrott módon térképezi (Rakonczai és társai 2011, Szatmári és van Leeuwen 2013, Pásztor és társai 2015). A szélsőség sokrétű környezeti és gazdasági követ-kezményei szintén jól ismertek, ugyanakkor azok precíz számszerűsítése a korlátos adatellátottság miatt a mai na-pig kihívást jelent (Pinke és társai 2018). Ez különösen igaz a károk-ideértve a mezőgazdasági és infrastrukturá-lis károk mellett a védekezés állandó és eseti költségeit is-statisztikai jellemzésére és az erre alapuló kockázattér-képezésre. A helyzetet a kárszámítás terén tovább árnyalja a belvíz kapcsolódása az aszályhoz. A térben és időben gyakran átfedő két hidrológiai szélsőség, a "sok víz-kevés víz" problémakör összehangolt kezelése hosszú ideje a ha-zai területi vízgazdálkodás egyik megoldandó feladata. Ezen a téren a műszaki-technológiai fejlődés mellett a Víz Keretirányelv (EU VKI) által elvárt, és az Országos Víz-gyűjtő-gazdálkodási Tervben (OVF 2015) előírt preventív, integrált szemlélet gyakorlatba ültetése jelenthet elmozdu-lást (vízvisszatartás, nem kizárólag vízügyi megoldások, ágazati kapcsolódások stb.). A belvíz értelmezésében alap-vető személetváltást eredményezhet a különféle ökoszisz-téma szolgáltatások (ÖSz) figyelembevétele (Kovács és társai 2011, Szöllősi-Nagy 2018). A síkvidéki vízgyűjtők hidrológiai modellezése a gyakorlati területi vízgazdálko-dás és az elméleti megközelítésű határterületi kutatások számára is értékes információkkal szolgálhat. A dolgozat-ban az idevágó hazai és nemzetközi irodalom mellett a Szamos-Kraszna Közre végzett elemzéseink néhány ered-ményét, tanulságát mutatom be. MÓDSZERTANI ÁTTEKINTÉS Javuló technikai háttér A belvíz hidrológiai és kockázatalapú vizsgálata az el-múlt időszakban jelentős módszertani előrelépésen ment keresztül. Ennek hátterében négy kulcsfontosságú terület fejlődése áll: (1) automata hidrometeorológiai monitoring, (2) távérzékelés, (3) térinformatikai megoldások és adat-bázisok, valamint (4) hidrológiai folyamatok matematikai szimulációjának technikai háttere. Az (1)-(3) területek eredményeiről általánosságban a következőket érdemes kiemelni: a monitoring hálózat fejlesztése a különböző módszertannal elvégzett regressziós és vízmérleg számítá-sokhoz, továbbá az előrejelzéshez szolgáltat folyamatosan javuló tér-és időbeli részletességű alapadatokat (Fiala és
The article introduces a new concept for nature-based integrated water and land management of the Great Plain. It based on the geographical features of the Tisza plain, so the proposed solution could solve the challenges that cannot be solved by the current water management. Drought could be offset by leading flood waters into the original floodplains of the land.
Az Éghajlat-változási Kormányközi Testület (IPCC) 2007-ben közreadott Negyedik Értékelő Jelentése megállapította, hogy a Föld éghajlata az ipari forradalom óta eltelt időben melegedett. A melegedés nagyon valószínű oka, hogy a különféle emberi tevékenységek során a növekszik a légkörbe jutó, a természetes üvegházhatást fokozó üvegházgázok, mindenekelőtt a szén-dioxid mennyisége. Amennyiben a kibocsátás a jelenlegi vagy azt meghaladó ütemben folytatódik, a globális melegedés mértéke a 21. század végére elérheti a 2,5–5,5 °C-ot. A globális melegedés hatással lesz a regionális éghajlatra, a természetes fizikai és biológiai rendszerekre, a humán rendszerekre. Számos jelzés van arról, hogy a változások máris elkezdődtek. A melegedés következtében olvad a sarkkörüli tengerjég, csökken a gleccserek és a permafroszt kiterjedése, emelkedik a tengerek vízszintje, a száraz éghajlatú térségekben csökken a hasznosítható vízkészlet, gyakoribbá válnak a szélsőséges időjárási jelenségek (aszály, árvizek). Az éghajlatváltozás a nem éghajlati hatásokkal (földhasználati változások, szennyezés, a természeti erőforrások túlzott igénybevétele) együtt veszélyezteti számos ökoszisztéma fennmaradását, különösen a 2–3 °C-ot meghaladó globális melegedésnél. Folytatódik a biogeográfia övezetek eltolódása, pl. erdők északi terjeszkedése a tundra rovására, a szubtrópusi területek bővülése a trópusok rovására. Az éghajlatváltozás veszélyezteti a biodiverzitást, az eddig ismert fajok 20–30%-a kipusztulhat. A tengerek melegedése miatt eltűnhet a koralltelepek jó része, a sarki jég olvadása miatt szűkülhet egyes fajok élettere, a tengervízszint emelkedése miatt veszélybe kerülnek a parti mangrove-erdők. A humán szférában nő a vízhiányos területeken élők száma, hosszabb távon romlik az élelmiszer-ellátás biztonsága, nő a fertőzéses betegedések kockázata. A tengerszint emelkedése több millió parti lakos biztonságát veszélyezteti. Az éghajlatváltozás kedvezőtlen hatásainak kivédésére vagy csökkentésére két út kínálkozik: az egyik az éghajlatváltozás mérséklése, a másik az új éghajlati viszonyokhoz való alkalmazkodás.
Our analysis was part of a comprehensive research study that focused on algae dynamics and aimed to estimate the distribution of net growth rate (details in ISTVÁNOVICS & HONTI 2008.). The project was based on the high frequency, on-line measurement of longitudinal phytoplankton patterns carried out on Tisza River. Water parcels measured multiple times provided information about the variation of the algae biomasses associated to them. Growth rates were estimated by using travel times elapsed between the measurements (HONTI et al. 2008), which required knowing the river’s unsteady velocity field. Thus the purpose of this study was to provide hydraulic input, namely velocity data, for the analysis of field observations. Considering the long and narrow spatial extents of the observed region, the 1D approach was sufficient. The Saint Venant equations were solved numerically to provide velocity patterns and to derive travel times. Results were evaluated on the basis of sediment modeling.
A WateRisk egy jelenleg fejlesztés alatt álló integrált dinamikusan kapcsolt modellrendszer, mely komplex vízkészletgazdálkodási problémák vizsgálatát hivatott ellátni. A dolgozat ennek egydimenziós nempermanens, nyílt felszínű és nyomás alatti vízmozgás számolására alkalmas numerikus almodelljét mutatja be. A modell hibaelemzése céljából egy tesztsorozatot végeztünk el, melyben a nemzetközi és hazai viszonylatban is jól ismert amerikai fejlesztésű HEC-RAS-szal, valamint a BME VTT1D modellel hasonlítottunk össze. Vizsgáltuk a vízfelszín-profil, valamint a mederszakasz középső és felső szelvényeiben a vízállás idősor változását egyszerű és összetett (hullámtérrel rendelkező) prizmatikus medrekben, dinamikusan változó felső vízhozam peremfeltétel hatására, konstans illetve szintén dinamikusan változó alvízi vízállás peremfeltétel mellett. Vizsgálatunk kiterjedt továbbá változó keresztmetszetű mederalakra, műtárgyak hatásainak elemzésére és az időlépés és a szelvényköz változtatásának érzékenységvizsgálatára. Mind az egyszerű-, mind az összetett medrek alkalmazása esetén a WateRisk jó egyezést mutatott a HEC-RAS modellel a kiszámított vízmélységek tekintetében, továbbá alkalmasnak bizonyult vízkormányzási műtárgyak szimulálására is.