Somlyódy László

Az értől az óceánig - a víz: a jövő kihívása

V. Mit tudunk tenni?

1. A tudomány és a számítástechnika fejlődése

Az alaptudományok és az alkalmazások rohamos fejődése nagymértékben hozzájárul a sokasodó feladatok megoldásához. A szennyvíztisztítás területén a hatékony eljárások kifejlesztését már említettük. A korszerű méréstechnika teszi lehetővé a mikroszintű folyamatok feltárását és a korábban elképzelhetetlennek tartott kis mennyiségek meghatározását. A távérzékelés és a térinformatikai rendszerek új távlatokat nyitnak a mikroszintű ismeretek makroszkopikus kiterjesztésére. A rendszerelemzés és döntéstámogatás módszerei lehetővé teszik nagy horderejű, összetett problémák stratégiai kezelését. Kétség sem férhet hozzá, hogy a számítástechnika forradalmasította a vízzel foglalkozó szakmát (is). A "logarléces" korszakkal szemben lehetővé tette a legfejlettebb elméletek alkalmazását, a különböző tudományterületek integrálását valamely cél érdekében, és kísérletek elvégzését matematikai-számítástechnikai modelleken, a valóság leképezésein. A mérnök problémamegoldó szemlélete és módszerei mára alapvetően megváltoztak.

Az elmondottak alátámasztására két példát mutatunk be, amelyek méréstechnikai vonatkozásokat is tartalmaznak.

a) Balaton: szél keltette áramlás, elkeveredés és algásodás

40. ábra

41. ábra

42. ábra

A tavak - és különösen a Balatonhoz hasonló, a szél hatásának erősen kitett sekély tavak - megértését hosszú ideig akadályozta, hogy a bonyolult áramlásokat csak durva becslések révén voltunk képesek tanulmányozni. A leíró egyenletek, a vízre és a növényi tápanyagokra vonatkozó folytonossági összefüggések, továbbá az energia megmaradást kifejező mozgásegyenlet nehezen kezelhető parciális differenciálegyenlet-rendszert képez. Az egyenletek korábban reménytelennek hitt megoldása a tó egymáshoz illeszkedő, kis "elemekre" való felbontásán és az elemekre felírt közelítő algebrai egyenleteken alapul. Napjainkban, a szokásos számítógépi környezetet feltételezve, többször tízezer elemmel, illetve rácsponttal tudunk dolgozni, és a szélsebesség változásait figyelembe véve akár éveket is szimulálhatunk, a valós időnél két-három nagyságrenddel gyorsabban.

A Balaton esetében a számítások kiválóan szemléltetik a tó egyes medencéiben kialakuló nagyléptékű forgókat (örvényeket), azok kinyílását és bezáródását, a különböző lengéseket, és azt a tényt, hogy a víz nem ritkán a széllel szemben áramlik. A hosszirányú lengésekre jellemző, hogy például a tihanyi szorosnál egy-egy nagyobb vihar alatt Dunányi víz áramolhat nyugatról keletre, majd néhány órával később, a lengésidőt követve az ellenkező irányba. A forgók a tóba bejutó tápanyagok gyors keresztirányú elkeveredését és hosszirányú diffúziós terjedését idézik elő. A jelenség a legszemléletesebben részecske-szimulációval követhető nyomon: több tízezer részecske pályáját állíthatjuk elő, mintha a természetben vagy a laboratóriumban nyomjelzővel kísérleteznénk. Vizsgálható például a Zala-víz elkeveredése, vagy a Keszthelyi-medence "algafelhőjének" mozgása kelet irányában, ami azután befolyásolja a többi medence trofitását. A módszer a folyadékok mechanikájában az ún. lagrange-i tárgyalásmód alkalmazásának felel meg. Az egyetemen korábban azt tanultuk, hogy a lagrange-i szemléletmód kizárólag elméleti jelentőségű. A számítástechnika mára virágzó alkalmazási területet hozott létre, beleértve virtuális kísérletek elvégzését is.

43. ábra

44. ábra

Az időbeli változások korábbinál jobb feltárása érdekében több ország kutatóival közösen végzünk kutatásokat az EU V. K + F Program keretében. A kutatás középpontjában az ún. késleltetett fluoreszcencia elvén alapuló, meteorológiai állomással egybeépített fotoszintetikus aktivitást és alga biomasszát mérő műszer fejlesztése áll, mely a jelenlegi heti méréssel szemben óránként legalább két adatot szolgáltat.

45. ábra

46. ábra

47. ábra

A mérés elve a következő. Az algák a szárazföldi növényekhez hasonlóan a látható fényt használják a fotoszintézishez. A fotoszintézis során az elnyelt fényenergia elektront bocsát ki a klorofillból. Az elektron soklépcsős szállítórendszeren vándorol keresztül, míg végül széndioxidból szerves anyag keletkezik. Ha a fényt hirtelen kikapcsoljuk, az elektronok visszafordulnak, és energiájukat részben fénykibocsátással vesztik el. A jelenséget késleltetett fluoreszcenciának (KF) nevezzük. Érzékeny fotocellával megmérhetjük, mennyi elektron áramlott visszafelé. Kihasználhatjuk, hogy a különböző algák nagy változatosságban tartalmaznak fényelnyelő pigmenteket, melyek más és más hullámhosszúságú fényt képesek elnyelni. A monokromatikus fénnyel megvilágított algákat sötétbe helyezve, és a kibocsátott fotonokat hullámhosszanként megszámlálva olyan KF spektrumot kapunk, melyből kiolvashatjuk, milyen algák milyen mennyiségben voltak jelen a mintában. A mérést automatizálhatjuk, így folyamatosan nyomon tudjuk követni a fő algacsoportok biomasszájának és fotoszintetikus aktivitásának változását. Ezáltal számottevően javíthatjuk ismereteinket és pontosíthatjuk modelljeinket. Vizsgálhatjuk a napszakos változást, de azt is, hogy nem fenyeget-e a közeljövőben a kellemetlen kékalga tömeges elszaporodása.

b) A Tisza árvízi szabályozása

Az árvizek a legsúlyosabb természeti katasztrófák közé tartoznak. Európában 1987 és 1996 között 100 jelentős árvíz pusztított, az anyagi kár közel 100 milliárd euró(25 000 milliárd Ft) volt. Az elmúlt évek drámai tiszai árvizeire és a tavalyi európai katasztrófákra mindannyian emlékezünk. Erősödik a meggyőződés, hogy a "meglepő" események kiváltói az éghajlat és a területhasználat változásai, amelyek különösen a több országra kiterjedő, osztott vízgyűjtőkön kitüntetett figyelmet és nemzetközi összefogást igényelnek. Itthon a Tisza szabályozásának újragondolása vált több ok miatt időszerűvé. Egyértelműen jelentkezett az igény az erős fizikai alapokkal rendelkező árvízi döntéstámogató rendszer kidolgozására, amely képes a két Magyarországnyi vízgyűjtőt egységesen kezelni.

A Balaton példájára hivatkozva a rendszert nem nehéz elképzelni. Egy ilyen rendszer domborzati modellre (ennek felbontása akár 50 m x 50 m is lehet), űrfelvételből nyert vegetációs és területhasználati térképekre, talajtani információkra, radar csapadékmérésekre stb. alapozva, térinformatikai keretbe foglalva számítja a felszíni és felszín alatti lefolyást a vízgyűjtőn, a mederbeli lefolyást, a vízszinteket és a vízhozamot. Lehetőséget biztosít különböző szabályozási alternatívák kidolgozására és értékelésére: szóba jöhet például a töltésemelés, a tározás különböző helyeken, itthon és külföldön, a szükségtározás és a nem veszélyeztetett területek "kormányzott" elárasztása, a beavatkozások a hullámtéren és egyebek. A közös árvízi stratégia kidolgozását célzó döntéstámogató rendszer fontos elemét képezi a Tisza-menti országok együttműködésének.