EUTROFIZÁCIÓ

1. EUTROFIZÁCIÓ

2. Limnológia • Tavak kialakulása • Természetes • Mesterséges (duzzasztógátak, ivóvíztározó, halastavak, üdülőtavak, hűtőtavak stb.) • Tavak jellemzői • Morfológia • Vízháztartás • Vízmozgás, áramlások • Hőmérséklet és fényviszonyok, • Tápanyag ellátottság

3. Alaktan és jellemző méretek Q víztükörfelület (A) víztérfogat (V) L szélesség hosszúság Tartózkodási idő (feltöltődési, vízkicserélődési idő): Hígulás, megújulási sebesség: Partvonal hosszúság (L) Partvonal tagoltság: Tavak morfológiája

4. Befolyó – elfolyó + csapadék – párolgás  talajvíz Szabályozott tavak: • Vízmérleg szerepe: • Tartózkodási idő • Sótartalom (lefolyástalan tavak!) • Tápanyag visszatartás (oldott és partikulált formák, szezonális változások) Tavak vízmérlege

5. Aperiodikus áramlások: • Szél ill. nyomáskülönbség hatására kialakuló áramlások • Periodikus vízmozgások: • Szél keltette hullámzás (függ: szélsebesség, meghajtási hossz, vízmélység) • Tólengés (seiche): hosszúkás alakú tavakban a hossztengellyel párhuzamos szél hatására a víztömeg feltorlódik, majd a szél leálltával visszalendül (pl. Balaton 0.5 m amplitudó, 10-12 óra lengésidő) Felkeveredés! (áramlásból és a hullámmozgásból származó csúsztató feszültségek) Vízmozgások

6. Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 I T 1%: fotikus zóna z z Hőmérséklet vertikális eloszlása 0 5 10 15 20 (C) Hőrétegzettség (mély tavak) Tél  Max. termikus gradiens Nyár T (C) 4 C Termikus ellenállás Hőmérséklet és fény

7. Epilimnion Metalimnion Hipolimnion Jellemzők: hőrétegzettség, időszakos cirkuláció (átfordulás), függ: szél kinetikai energiája és a sűrűség különbségből adódó termális ellenállás (számítható!) Sekély tavak Fenékig átkevert, Nincs hőrétegzettség! Mély tavak

8. CO2 + szervetlen tápelemek + víz növényi sejtanyag + O2 C : N : P = 106 : 16 : 1 moláris arány a sejtekben Liebig-féle limitációs elv: mindig az ideális arányhoz képest a legkisebb mennyiségben rendelkezésre álló elem korlátozza a növekedést Szén rendszerint nagy mennyiségben áll rendelkezésre, főként az N és a P limitál Szabályozásnál általában a P mennyiségét fogják vissza Fotoszintézis és sztöchiometria

9. Tápanyag ellátottság • Források: • Természetes (vízgyűjtő – kőzetek, légköri kiülepedés) • Antropogén (kommunális szennyvíz, mezőgazdaság – műtrágyák, ipari emissziók)

10. Szennyező források csoportosítása • Pontszerű szennyezők: • A szennyező hatás koncentráltan éri a befogadót (pl. csatorna vége) • Mérhető, ellenőrizhető • Legtöbbször időben állandó • „Csővégi” eljárások alkalmazhatók • Nem pontszerű (megoszló, diffúz): • A szennyezés helye nem lokalizálható • Vonal vagy mentén, sávszerűen, víz felszínén • Kis koncentrációban, nagy területről • Erősen függ a hidrológiai viszonyoktól (csapadék, lefolyás) • Folyamata: forrás – transzport valamely közvetítő közeg útján (légköri kiülepedés, felszíni lefolyás, felszín alatti lefolyás, talajerózió) • Beavatkozás: elsősorban a keletkezés helyén

11. Természetes: termőképesség (trofitás) növekedése (tápanyag dúsulás), feltöltődés, sótartalom növekedése (lefolyástalan tavak) Oligotróf Mezotróf Eutróf Mocsár • Mesterséges: eutrofizálódás, savasodás, vízháztartás változása (kiszáradás) – antropogén hatások! Időlépték! Időbeli változások (szukcesszió)

12. Mesterséges eutrofizáció • 1960-as évektől jelentkezik, nagyságrendnyi változások • Tápanyagemissziók (P,N) hatására • Urbanizáció  csatornázás, szennyvíztelepek, városi lefolyás • Mezőgazdaság  műtrágyák, talajerózió • Rövid-,és hosszútávú viselkedés • Külső, hidrometeorológiai tényezők: • (fény, hőmérséklet, turbulencia) • Szabályozás: • Vízgyűjtőn (szvtt-tápanyag eltávolítás, „land use management” • Beavatkozások a tóban

13. Tünetek • Két típus: algás - bentikus eutrofizáció • Esztétikai problémák (íz, szag, szín) • Toxikus hatások • Vízhasználatok korlátozása (rekreáció, tisztítás) • O2 háztartás problémái • Indikátorok • Összes algaszám (biomassza) és összetétel • A-klorofill, • Elsődleges termelés (g C /m2/nap) • Átlátszóság (mély tavak) • Oxigén telítettség (hipolimnion, mély tavak) • ÖP, ÖN, BHP, ... Mesterséges eutrofizáció

14. R, T Természeti tényezők 1 év 1 év N,P Chl Antropogén hatások és biomassza Folyamatok

15. Oldott szervetlen: NH4+, NO2-, NO3- ÖN Oldott szerves Partikulált szerves (detritusz + alga) Szervetlen PO43- Oldott Szerves komplex foszfátok ÖP Szervetlen (polifoszfát, foszfát ásványok, adszorbeált P) Partikulált Szerves (detritusz + alga) • BHP (biológiailag hozzáférhető P) • Becslés (PO4-P, alga-P, detritusz P, ~% szervetlen partikulált P, oldott szerves P) • Mérés P és N formák

16. N [mg/l] N [mg/l] idő idő a P [mg/l] P [mg/l] b idő idő Chl-a [g/l] Chl-a [g/l] Max N Max P idő idő N/P arány szerepe

17. N/P arány becslése • Alga sejt: 0.5 - 2.0 gP/gChl-a  aP • 7 - 10 gN/gChl-a  aN • Példa: (a) N = 5 mg/l, aN = 10 Chl-a = 500 g/l • (b) P = 1 mg/l, aP = 1  Chl-a = 1000 g/l • Szabályozás: Chl-a = 50 g/l (célállapot) • P = 50 g/l = 0.05 mg/l • Általában, ha N/P < 10  N limitál • N/P > 10  P limitál • N/P  10  ??? • Mi limitál? Szennyvíz (nyers és tisztított)? • Mezőgazdasági diffúz? • Vegyes? • Mi tehető limitálóvá?

18. Eutrofizációs modellek • A megközelítés módja szerint: • Statisztikai modellek: • Statisztikai módszerrel meghatározott összefüggések az eutrofizáció okai és az ezekből köverkező jelenségek között, • Nem vizsgálják a jelenségek hátterét, nincs közvetlen kapcsolat a természeti folyamatokkal. • Dinamikus modellek • A valóságban lejátszódó folyamatok leírására törekszik, • A modell változóinak (állapot változók) idő- ill. térbeli változását leíró differenciál egyenletekből állnak.

19. ? ? Emisszió (források) Tavat érő terhelés Tóvíz minőség Visszatartás a vízgyűjtőn Visszatartás a tóban ÖP anyagmérleg: Qbe , Lbe ÖP Qki , ÖP vs V, A P – összes P koncentráció (teljes elkeveredés) vs – látszólagos ülepedési sebesség (m/év) Feltevések: - csak ÖP - teljes elkeveredés (szegmentálás) Anyagmérleg

20.  0 Normalizált terhelés l – fajlagos ÖP terhelés (g/m2/év) q – fajlagos hidraulikai terhelés (m3/m2/év) P – éves átlagos P koncentráció (g/m3) Egy év alatt

21. Fajlagos terhelés: L/A Éves átlag TP Töltési idő (V/Q) Hidraulikus terhelés [m/y] =Q/A Vollenweider-modell (1980)

22. A Vollenweider formulából következő ülepedési sebesség: Sekély tavakra korrigált Vollenweider formula: Vollenweider-modell

23. Vollenweider-modell

24. Tavak osztályozása (OECD)

25. Vollenweider modell (statisztikus modellek) előnyei: • Egyszerű • Tervezés, előrejelzés • Hosszú távú átlagok • A modell alkalmazási korlátai: • Éves átlagok – több éves adatsor (nagy tavakra) • Egy paraméter (vs) – aggregált jellemző (P forgalmat befolyásoló összes hatást összegzi, de nem különböztet meg folyamatokat) • Empíria sok tavon végzett megfigyelés alapján • Szezonális változásokat nem tudja kezelni (dinamika) • Fény, vízmélység (fotikus zóna) szerepe nem jelenik meg • Belső terhelés hiánya módosított modell Vollenweider-modell

26. L ÖP terhelés Anyagmérleg számítás P ÖP koncentráció P Chl Max/átlag klorofill koncentráció S Secchi mélység Chl Tervezés a trofitás – terhelés közti empirikus összefüggések alapján

27. ÖP visszatartás a Kis-Balaton Felső Tározóban Ptervezett = f (Pin, Qin, vs) /Vollenweider/ ?

28. I Befolyó és kifolyó ÖP terhelés kapcsolata O 80 87 70 60 95 86 (t/y) 50 96 88 94 40 91 o 92 89 TP 30 90 93 20 ~30 t/y 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 TP (t/y) in

29. 1990 Alga P felvétel Külső terhelés “adszorpció” ORP Mineralizáció 1992 Alga P felvétel Külső terhelés ORP “deszorpció” Mineralizáció

30. LAP AP Szap. Puszt. LIP IP LDP DP Min. Belső t. Ülep. AP + DP + IP  ÖP (ÖP  BHP) Vollenweider! Egyszerű dinamikus P forgalmi modell

31. G=D AP G – szaporodási ráta (1/nap) D – pusztulási ráta (1/nap) G<D G>D t ~0.3 1/nap t=100 nap alatt: AP = AP0 e30 = 1013 AP0 !!! Növekedést korlátozó tényezők: SZAP = Gmax fT fP,N fI AP Gmax- maximális szaporodási ráta (1-3.5 1/nap) f - limitálási tényezők (-) Hőmérséklet Tápanyag Fény Alga egyenlet

32. Általános formula: = 1.06 fT fT 1 Optimális – kritikus hőmérséklet alapján: T T 20C Topt Tkr Hőmérséklet limitálás

33. fP Monod-modell (Michaelis-Menten): 0.5 IP KaP IP – algák által felvehető P (PO4-P) KaP – féltelítési állandó (mg/m3) KaP~ 5 mg/m3, KaN ~ 20-30 mg/m3 fN,P,= min(fP, fN, ……) Cell-quota modell: tápanyag „raktározás” P felvétel Növekedés PQ Növekedés: PQ– a sejt tápanyag tartalma Pq – minimális tápanyag tartalom, amely alatt a sejt már nem képes növekedni (PQ-Pq: raktározott tartalék) Kau – tápanyag felvétel féltelítési állandója P felvétel: Tápanyag limitálás

34. Steele szabály: növekedés fényfüggése Fénykioltás, fénygátlás fI 1 I= f(vízmélység, idő) !!! I (kJ/m2/nap) I(t) Is Napszakos változás: t (h) 24 t1 t2 Közelítések (átlagolás): téglalap háromszög Sin görbe Fény limitálás

35. Fényintenzitás vertikális eloszlása: Lambert törvény I0 I ke – extinkciós tényező (1/m) 1% I0 : fotikus zóna • Meghatározása: • Mérés (fotocella), • Secchi mélység ~ 10% I0 z • Számítás: ke= keh + a1LA + a2Chl-a Önárnyékolás keh – természetes háttér (tiszta vízben 0.5-1 1/m) a1, a2 – tapasztalati állandók Fény limitálás

36. Napi és mélység menti átlagolás után: („téglalap” közelítés) Ia – napi globális sugárzás összege (nyáron 2200-2500, télen 300-400 kJ/m2/nap) Fény limitálás

37. Alga pusztulás: + k Z AP D0(T-20) AP Zooplankton „legelés” Hőmérsékleti korrekciós tényező (1.05-1.08) Pusztulási ráta (0.1-1 1/nap) Mineralizáció: M0(T-20) AP Hőmérsékleti korrekciós tényező Mineralizációs ráta Detritusz egyenlet

38. Belső terhelés: • Mechanizmusok • Diffúzió (pórusvíz - víz) • Adszorpció-deszorpció (felkeveredett üledék - víz) IP > IPe-adszorpció IP < IPe - deszorpció Oldott reaktív P egyenlet

39. Egyensúlyi koncentráció meghatározása: adszorpciós izotermával Adszorbeált P (mgP/g üledék) (~ Üledék „mobilizálható P tartalma) • Deszorpció felkeveredés hatására 2 1 3 3 • Adszorpció a külső terhelés növekedésekor 1 2 IPe • Izoterma alakja függ: • Üledék/talaj adszorpciós tulajdonságai (Fe, Mn, Al oxidok, Ca sók, agyagszemcsék) • pH, hőmérséklet, redox potenciál, stb.

40. Foszfor ülepedés, S (g P/m2/év) Éves lerakódás (h) Felkeveredő (aktív) réteg (h) Üledék P koncentrációjának változása (Pü): Új egyensúly beállásának ideje (S, h = konst, k = 0): Üledék P koncentrációjának változása (Lijklema, 1986)

41. hullámmozgás áramlás Üledék felkeveredése Fényviszonyok változása Belső terhelés Alga biomassza ke Ls Üledék felkeveredésének hatása

42. Modell bővítése N APny AP Z IP IPP DP B Üledékmodell Szervetlen PP, ülep.-felkev. Téli-nyári alga IPü PPü Nitrogén, N kötők Zooplankton, tápláléklánc Pelt Baktérium Makrofiton Mély tavak

43. Tápanyag gazdálkodás „Best management practice”, Területhasználat szabályozás (LUM), Kibocsátás csökkentése („end of pipe”) Emisszió forrás Transzport folyamatok a vízgyűjtőn Lefolyási tényező csökkentése, Erózióvédelem, wetland-ek kialakítása (Hullámterek, előtározók) Hordalék- és uszadékfogók, Fenéklépcső, levegőztetés, Ökológiai szemléletű mederrendezés Transzport (visszatartás) a folyómederben Üledék kotrása, inaktiválása, algicidek, Biomanipulációs eljárások, hínáraratás, Vízpótlás, recirkuláció, Mély tavak levegőztetése, hipolimnion elvezetése Tavi tápanyag forgalom Beavatkozási lehetőségek