Jakus Ádám (OVF), Juhász István (NYUDUVIZIG), Dr. Nagy Gábor (DDVIZIG),
Dr. Tran Quang Hop (OVF)
BEVEZETÉS
A globális éghajlatváltozás, a vízigények növekedése, valamint a vízkészletek térbeli és időbeli változékonysága napjainkban egyre sürgetőbbé teszi a vízgazdálkodási módszertanok átgondolását, összehangolását.
A klímaváltozás következtében az aszályos időszakok egyre gyakoribbá és intenzívebbé válnak, ami jelentős hatással van a felszíni és felszín alatti vízkészletekre. A csapadékeloszlás változása térben és időben egyenetlen vízkészlet-eloszlást eredményez, így egyes régiókban egy éven belül extrém vízhiány és árvizek egyaránt kialakulhatnak.
A vízügyi igazgatóságok 2024-es vizsgálatából kiderült, az időszakos jelleget mutató vízfolyások száma és az időszakos vízfolyás szakaszok hossza is növekedett (Szalay et al., 2024). Emellett az állandó jellegű vízfolyások vízhozama is csökkenő trendet mutat.
A dinamikus vízkészlet-gazdálkodás alapelve, hogy a vízkészleteket nem statikus módon, hanem dinamikusan, rugalmasan, az aktuális és előre jelzett környezeti, társadalmi és gazdasági tényezők figyelembevételével kezeljük. Ez különösen fontos aszályos időszakokban, amikor a víz elérhetősége gyorsan és rendkívüli módon változhat. A dinamikus vízkészlet-gazdálkodás megköveteli a komplex szemlélet alkalmazását és a holisztikus megközelítést.
ELMÉLETI HÁTTÉR
A vízgyűjtő-szintű vízgazdálkodási döntések megalapozásához elengedhetetlen a vízmozgások térbeli és időbeli változásainak pontos ismerete, amelyet különböző modellezési technikákkal lehet szimulálni. A hidrológiai és hidrodinamikai modellek e folyamatok kvantitatív leírását, előrejelzését és értelmezését teszik lehetővé. A két modellezési megközelítés egymást kiegészítve képes a teljes vízgyűjtő rendszer viselkedésének átfogó értékelésére (Brunner, 2016).
A dinamikus vízkészlet-gazdálkodás keretrendszerét az Amerikai Egyesült Államok Katonai Mérnöki Karának hidrológiai mérnökei által fejlesztett, ingyenesen hozzáférhető, HEC-RAS (mederbeli lefolyás modell) és HEC-HMS (csapadék-lefolyás modell) rendszer adja.
A HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) modell keretrendszere a lefolyási folyamatokat különböző vízgyűjtőelemekre bontja, és numerikus szimulációt végez a vízmérleg egyenletek alapján. A modell többek között figyelembe veszi az infiltrációt, evapotranszspirációt, tározást és felszíni lefolyást, ezáltal különösen alkalmas árvizek, extrém csapadékesemények és vízháztartási problémák vizsgálatára (HEC, 2024).
A HEC-RAS (River Analysis System), a folyók és vízfolyások áramlási viszonyait elemzi egy- vagy többdimenziós (1D/2D) áramlási egyenletek megoldásán keresztül. A modell alapját a Saint-Venant egyenletek képezik, amelyek a vízmozgás tömeg- és impulzus megmaradási törvényeit írják le.
A felszíni és felszín alatti vizek hidrológiai (csapadék lefolyás) és hidrodinamikai modelljei által leírt folyamatok koncepcionális ábrázolása a következő ábrán látható (1. ábra).
1.ábra - A csapadék lefolyás modellek (rainfall-runoff modell), a vízfolyások hidrodinamikai modelljeinek (river flow modell) és a felszín alatti víz modelljeinek (groundwater modell) koncepciójának ábrázolása (Rajaveni et al., 2021)
A két modell közötti komplementaritás a vízgyűjtő rendszer különböző komponenseinek leképezésében rejlik. A HEC-HMS előállítja az időfüggő vízhozamokat a vízgyűjtő különböző szakaszain, amelyeket bemeneti peremfeltételként lehet alkalmazni a HEC-RAS modellben. Ezáltal lehetővé válik a csapadékeseményekből származó vízhozam változások térbeli lefolyásának, vízszintemelkedéseknek és elöntési kockázatoknak a hidraulikai értékelése is.
A modell kalibrálása és validálása az egyik legfontosabb lépés a hidrológiai és hidraulikai modellek létrehozása során. A kalibráció célja, hogy az adott vízgyűjtőre és vízfolyásra vonatkozó mérési adatokat felhasználva paraméterezzük a modelleket, például a hatékony csapadékot befolyásoló tényezők, vagy a Manning-féle érdességi együttható módosításával. A validálás során a modell eredményeit a kalibrációs időszaktól eltérő eseménnyel hasonlítjuk össze, hogy meggyőződjünk a modell pontosságáról.
A statisztikai és modell alapú vízkészlet-gazdálkodás közötti különbség
A statisztikai vízkészlet-gazdálkodás alapvetően a hosszú távú, múltbeli adatokra - mint például a vízhozam és vízhasználat - támaszkodik, míg a modell alapú megközelítés előrejelző modelleket alkalmaz a jövőbeli vízgazdálkodási helyzetek szimulálására. A statisztikai módszerek a vízellátás megbízhatóságának értékelésére elsősorban a trendek, átlagok és gyakorisági elemzések révén adnak választ, addig a modell alapú rendszerek integrálják a fizikai és hidrológiai folyamatokat a vízmozgás és -körforgás dinamikus leírása érdekében.
A statisztikai megközelítés előnye, hogy egyszerűbb, gyorsabb, és kisebb adatigénnyel bír, azonban hátránya, hogy nem biztosít elegendő rugalmasságot az extrém vagy váratlan körülmények, mint például haváriák kezelésére. Ezzel szemben a modell alapú rendszerek képesek komplex forgatókönyvek, például aszályok, árvizek vagy éghajlatváltozással terhelt jövőképek elemzésére. A statisztikai elemzés inkább a történelmi minták extrapolálására korlátozódik, míg a modellezés lehetőséget ad arra, hogy előzetesen megvizsgáljuk a különböző beavatkozások, például tározóépítés vagy öntözési rendszerek módosításának hatásait. A statisztikai módszerek gyakran alkalmaznak vízmérlegeket és korrelációs elemzéseket, míg a modell alapú megközelítés térinformatikai eszközöket, hidrodinamikai modelleket és gépi tanulási algoritmusokat is használhat.
A statisztikai megközelítések nem képesek kezelni a klímaváltozás által előidézett nem lineáris és rendszerszintű változásokat, ami jelentős korlátot jelent alkalmazhatóságukban. A statisztikai módszerek által feltárt trendek gyorsan érvényüket veszíthetik, ha a klímaváltozás következtében alapvetően megváltozik a vízjárás vagy a vízkészletek utánpótlódásának üteme. A modellezés során egyre nagyobb figyelmet kell fordítani a bizonytalanságok kezelésére, például több forgatókönyv futtatásával és érzékenység vizsgálatokkal.
Összességében a statisztikai és modell alapú vízkészlet-gazdálkodás kölcsönösen kiegészítik egymást (2. ábra): míg az előbbi tapasztalati alapot ad, addig az utóbbi a jövőorientált, adaptív döntéshozatalt segíti.
2.ábra - A statikus és a dinamikus vízkészlet-gazdálkodás összehasonlítása
GYAKORLATI VÍZKÉSZLET-GAZDÁLKODÁS
2021 áprilisában a modellekkel támogatott dinamikus vízkészlet-gazdálkodás egy teljesen új fejezetet nyitott a vízügyi igazgatóságok munkájában. A hidrológiai és hidrodinamikai modellek használata nem volt újdonság, hiszen néhány igazgatóság használta már az ilyen típusú modelleket, azonban most egy teljesen új cél vezérelte a modellezést. Olyan szakágazatok kezdtek el modelleket alkalmazni, ahol eddig nem volt gyakorlata a modellek alkalmazásának az igazgatósági munka támogatására. A hidrodinamikai modelleket elsősorban az árhullámok levonulásának vizsgálatára, műtárgyak üzemirányításának vizsgálatára valamint meder beavatkozások tervezésére, hatásaik előrejelzésére használták eddig az ágazatban. A dinamikus vízkészlet-gazdálkodás számára a rendelkezésre álló vízhozam az elsődlegesen előrejelzendő paraméter, illetve nem az árvizekre vagy a középvizek vannak a modellek kalibrálva, hanem a kisvizeket megközelítő, a vízkészlet-gazdálkodás szempontjából kritikus üzemállapotokra.
A Vízügyi Ágazatban 2025. január óta 48 db dinamikus vízkészlet-gazdálkodási modell operatív üzemeltetése valósul meg (1. táblázat), melyek eredményei segítik a Vízügyi Igazgatóságokat a gyakorlati vízkészlet-gazdálkodásban. Az igazgatóságok modellezési szakértői havi rendszerességgel futtatják a modelleket, melynek keretében meghatározzák a rendelkezésre álló vízkészleteket. A modellezés a múlt és jövő tekintetében egyaránt lehetséges.
1.táblázat – 2025 januártól operatívan üzemelő dinamikus vízkészlet-gazdálkodási modellek
A modellek főbb alkalmazási lehetőségei:
- Vízkészletek meghatározása (múlt, jelen, jövő), annak ismerete, hogy mi az a készlet, ami az adott idősíkban rendelkezésünkre áll.
- Vízhasználatok időbeli ütemezésének vizsgálata a vízhasználók közötti konfliktusok feloldására.
- Vízhiány körzetekkel összekapcsolva, amennyiben az előrejelzés alapján készlethiány várható, vízhasználatok prioritásának vizsgálata, esetleges vízkorlátozások előkészítése.
- A mederbeli lefolyást módosító beavatkozások vizsgálata (pl. kotrás, vízi növényzet eltávolítás).
- A vízrendszeren megvalósuló projektek előkészítése (pl. új műtárgyak hatásának vizsgálata).
- Üzemelési szabályzatban mértékadó állapotok vizsgálata, vízkormányzás.
- Éghajlati projekciók felhasználásával a távoli jövőre készített előrejelzések, melyek segítségével lehetséges az éghajlatváltozás vízkészletekre gyakorolt hatásának vizsgálata.
2024-ben a modelleredmények pontosítása, valamint a modellek operatív vízkészlet-gazdálkodásban betöltött szerepének növelése érdekében módszertani fejlesztés keretében teljesen osztott paraméterű modellek (3. ábra) alkalmazását kezdtük meg. Ezáltal az egyes folyamatok számítása (pl. beszivárgás, felszíni lefolyás, perkoláció, evapotranszspiráció) során részletesebben és pontosabban tudjuk figyelembe venni a hidrológiai folyamatokat.
3.ábra - A Pécsi-víz – ÉDÜ Telep vízrajzi állomáson mért (fekete) és modellezett (piros) vízhozam adatok összehasonlítása (téli időszak)
A készlet-gazdálkodás területén előttünk álló feladat rendkívül nemes, hiszen nem szól másról, mint a vízkészleteink mennyiségi és minőségi védelméről, a fenntartható vízkészlet-gazdálkodásról, melyhez különösen fontos a vízgazdálkodási módszerek összehangolása, jelen esetben a statikus (sztochasztikus), valamint a dinamikus (modell alapú) vízkészlet-gazdálkodás.
IRODALOMJEGYZÉK
Szalay, M., Dávid, Sz., Juhász, I., Szabó, P., Takácsné Tóth, Á. & Tutkovics, B. (2024). A víztestet alkotó vízfolyás szakaszok időszakossági jellemzői felülvizsgálatának kiértékelése, Magyar Hidrológiai Társaság XLI. Országos Vándorgyűlés Tanulmánykötete, Magyar Hidrológiai Társaság. Budapest, ISBN 978-963-8172-46-4
Brunner, G. W. (2016). HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual. U.S. Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center
HEC, (2024). HEC-HMS Users Manual v.4.12.0
Rajaveni, S. P., Nair, I., Bhola, P., & Elango, L. (2021). Identification of management options to mitigate seawater intrusion in an overexploited multi-layered coastal aquifer by integrated rainfall–runoff, surface water and density-dependent groundwater flow modeling. Environmental Earth Sciences, 80 (18), 1–15.