Infrastruktúra-építőmérnöki kutatások
Szerkesztő:Józsa János
Szerkesztő elérhetősége:jozsa@vit.bme.hu

Téma galéria megtekintése

A kutatás célja

A kutatás kiemelt célkitűzései a tudományterület alábbi, infrastruktúra-építőmérnöki témakörbe fogott és abban koordinált résztémáira terjednek ki:
-Szél keltette sekélyvízi hullámzás vizsgálata és modellezése,
-Jellegzónák kölcsönhatásának vizsgálata sekély tavakban,
-Tavi hidrodinamikai folyamatok rövidtávú előrejelzése térbeli modellezéssel,
-Belterületi, csapadékvízzel közvetített diffúz terhelés meghatározása,
-Víztisztítási technológiák kutatása és fejlesztése, különös tekintettel a vizek arzén- és ammónium-mentesítésére,
-Ártéri területek ökoszisztéma-szolgáltatásainak vizsgálata.
A kutatások egyrészt tehát a tavi hidrodinamikai folyamatok részletes feltárását, másrészt települési és területi vízgazdálkodási feladatokkal foglalkoznak.

Az egyes résztémák technikai leírása

A sekély szabadfelszínű víztestekben szél által keltett hullámzás mérése, adatelemzése és numerikus modellezése még napjainkban is sok, tudományos eszközökkel megoldandó problémát vet fel. Ilyen például a nyomásalapú hullámzásméréseket terhelő zaj, illetve a mérőműszer telepítési és mintavételi paramétereinek hatása a közvetlenül mért, és a közvetve származtatott hullámzási jellemzőkre. Ebből a szempontból különféle tavi viszonyok között kialakuló, megfelelően hosszú hullámzás idősorok begyűjtése és azoknak átfogó elemzése szükséges. Hasonló vizsgálatok hajtandók végre a vízsebesség-alapú 3D hullámzásmérési módszerrel kapott idősorokon is. Utóbbiaknál különösen fontos a pontbeli 3D sebességvektor-idősorok dekompozíciójának végrehajtása a szél keltette áramlás, hullámzás és a turbulencia elkülönítésére, és hatásaik elkülönített elemzésére, ezen belül a fenék közeli jellemzők, elsősorban a fenékcsúsztató-feszültség becslésének javítására.
Sekély tavaink és tározóink helyszínrajzilag általában nagy összetettséget mutatnak: partvonaluk szabdalt, területük jelentős részét szintén erősen szabdalt nádas borítja. Ezeknek a nyíltvízi és nádasvízi zónáknak aerodinamikai, hidrodinamikai, üledékdinamikai és termodinamikai szempontból is jelentősen eltérnek a tulajdonságai, ezért érintkezési felületük környezete általában olyan átmeneti zóna, amely több szempontból (szélprofil, hullámzás, áramlási sebesség és irány, fenékcsúsztató-sebesség, mederszint, mederanyag-összetétel, vízhőmérséklet, vízsűrűség, párolgás intenzitása, stb.) is szükségszerűen erős horizontális gradiensekkel jellemezhető. Az eltérő jellegű tórészek ezeken az átmeneti zónákon keresztül kerülnek kölcsönhatásba, és ez a mechanizmus fontos szerepet játszik mind a jellegzónák, mind a teljes tó állapotának alakulásában. Mindez az átmeneti zónák még csak nagyon hiányosan feltárt kölcsönhatás-folyamataira irányuló kutatásoknak nagy jelentőséget ad.
Tóba jutott szennyeződések kezelése vagy egy tó használóit fenyegető veszélyhelyzetek azonosítása alapvetően támaszkodik a vízszintek, a sebességmező és a hullámzás aktuális viszonyainak teljes tóra való kiterjesztésére és ezek néhány napos időtávú előrejelzésére. Ennek fizikailag megalapozott, általános érvényű és részletes eszközei az előzetesen terepi mérésekkel igazolt numerikus hidrodinamikai modellek. Sekély tavakban a sűrűségi rétegződés erősebb szelek hatására gyorsan megszűnik, aminek köszönhetően a hidrodinamikai viszonyokat a két vízszintes térdimenzióban, mélységátlagolt leírásmóddal is kellő pontossággal, de mérsékelt számításigénnyel lehet közelíteni. Egy, a sebességmezőt a függély mentén is leíró 3D áramlási modelltől várható viszont a mélyebb vízterek és a felszíni vagy fenékközeli áramlások pontosabb közelítése, a fel- és leáramlásokhoz köthető folyamatok leképezése. A kutatómunka alapját ez kell tehát, hogy képezze.
A szennyvíztisztítási technológiák korszerűsítésével a vizek településekről származó, közvetlen (pontszerű) szennyezése jelentősen mérsékelhető, és ennek következményeként a vizek terhelésének egyre nagyobb hányada származik az úgynevezett nem pontszerű (vagy diffúz) forrásokból. A fejlett országokban ma már a befogadók vízminőség javítása érdekében meghatározó szerepe van a diffúz szennyezés szabályozásának. A települési vízgazdálkodás részeként, a szennyvíztisztítási infrastruktúra megfelelő kiépítése mellett fokozott figyelmet kell fordítani a városi csapadékvízzel való gazdálkodásra, amely során a belterületekről lefolyó csapadékvizekkel közvetített szennyezések is csökkenthetők.
A globális és lokális folyamatok következtében a természeti tőke degradációjának egyik tényezője a víz, amellyel kapcsolatban olyan komoly kihívásokkal kell szembenéznünk, mint például az ár- és belvízi kockázat és a környezet degradációja közti összefüggések (pl. előnytelen területhasználat), a folyómedrek mélyüléséből adódóan a hullámtéri holtágak vízellátottságának romlása, és ennek vízminőségi következményei, a globális éghajlatváltozás következtében az Alföld elsivatagosodása. E problémák megoldására a természeti tőke változásának vizsgálatával a környezet-gazdaságtani és hidrodinamikai-vízminőségi hatások összekapcsolt modellezése alapvető eszközként szolgál. A döntéstámogatás teljessége érdekében természetesen a talajvízháztartás, az emberi tevékenység és a meteorológiai jelenségek figyelembevétele is elengedhetetlen.

A várt eredmények összefoglalása

A hullámzáselemzéshez a nyers mérési eredmények tudományos igényű feldolgozását lehetővé tevő számítógépi program elkészítése kívánatos. Az mérési adatelemzésekkel párhuzamosan vizsgálandó a különféle tavakban különféle szélgerjesztésekre kialakuló hullámspektrum 2D numerikus modellezhetősége, a modell illeszthetősége tavainkra és más sekély vizekre, továbbá a modell mérési eredményekre kalibrálása és igazolása.
Tavi átmeneti zónák főbb jellemzőinek vizsgálata, a kiválasztott karakterisztikus területeken (pl. a Fertő-tóban) az átmeneti zónákat átfogó helyszíni mérések tervezése és végzése, a kölcsönhatásokat feltáró részletes adatelemzés, a folyamatoknak a kölcsönhatás-mechanizmust is kezelni tudó matematikai leírása, és numerikus implementálása.
A tavi előrejelzési feladatban a részletes 3D modellek nagy számításigénye miatt sokszor csak az algoritmusok processzorok közötti párhuzamos megosztásával biztosíthatjuk, feladat tehát a kialakítandó modell ennek megfelelő architektúrába illesztése is. Az operatív előrejelzés kulcsfontosságú eleme a tavat érő külső hatások jövőbeli alakulásának megadása: ez meteorológiai (szél, léghőmérséklet, csapadék) és hidrológiai (beömlő vízhozam, kifolyási vízszint) előrejelzések dinamikus lekérdezésének megvalósítását igényli. A kutatás eredményeként mindezek hosszabb távon operatív eszközrendszert kell, hogy adjanak a tókezelők és egyéb, az eseti beavatkozásokról döntést hozók részére.
A települési vízgazdálkodás témájában a belterületi vízgyűjtőn működtetett monitoring programjához kapcsolódva a lefolyással közvetített oldott és lebegőanyaghoz kötött szennyezőanyag terhelés kísérleti (empirikus) és modell vizsgálata. A lefolyás – szennyeződés dinamikus folyamatának megismerése útján, hidrológiai és vízminőségi modellek összekapcsolásával a befogadókat érő terhelés meghatározására alkalmas számítási (becslési) módszer kidolgozása.
Az ártéri témában olyan módszertan kifejlesztése, amely a vízellátottsági mutató hosszú távú tervezésén keresztül a természeti tőke megőrzését és növelését irányozza elő. A megalkotott egyidejű környezet-gazdaságtani és hidrodinamikai-vízminőségi hatáselemző eszköz alkalmazhatóságát lehetőség szerint a problémákra különösen érzékeny hazai területeken, például a gemenci ártéren és a Tisza-völgyön kell bebizonyítani.

Az elérni kívánt eredmények jelentősége és alkalmazásai

A munka az infrastruktúra-építőmérnöki tudományok területén, elsősorban a természetes felszíni vizek és a települési vízgazdálkodás kutatása területén hozhat újszerű, illetve kifejezetten új eredményeket, aminek birtokában új technológiák, és vizeink fokozott védelme alakítható ki.

A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Új tehetséggondozó programok és kutatások a Műegyetem tudományos műhelyeiben" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását a TÁMOP-4.2.2.B-10/1--2010-0009 program támogatja.
Infoblokk
ÚSZT