 |
Folyók eutrofizálódási hajlamának vizsgálata távérzékeléssel és vízgyűjtő modellezéssel
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
129990 |
| típus |
NNE |
| Vezető kutató |
Istvánovics Vera |
| magyar cím |
Folyók eutrofizálódási hajlamának vizsgálata távérzékeléssel és vízgyűjtő modellezéssel |
| Angol cím |
Assessing susceptibility of rivers to eutrophication using remote sensing and catchment modelingAssessing susceptibility of rivers to eutrophication using remote sensing and catchment modeling |
| magyar kulcsszavak |
folyó, eutrofizálódás, távérzékelés, vízgyűjtő modellezés |
| angol kulcsszavak |
river, eutrophication, remote sensing, catchment modelling |
| megadott besorolás |
| Vízgazdálkodás (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 80 % | | Ortelius tudományág: Vízminőség | | Hidrobiológia, ökológiai állapotértékelés, alkalmazott ökológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 20 % | | Ortelius tudományág: Hidrobiológia |
|
| zsűri |
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki |
| Kutatóhely |
Vízgazdálkodási Kutatócsoport (HUN-REN Támogatott Kutatócsoportok Irodája) |
| résztvevők |
Honti Márk
|
| projekt kezdete |
2019-03-01 |
| projekt vége |
2023-02-28 |
| aktuális összeg (MFt) |
35.999 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.56 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projekt átfogó célja annak a hipotézisnek a tesztelése, hogy a folyóhálózat topológiája alapvetően meghatározza a folyók eutrofizálódásra való hajlamát. Tíz közepes és nagy méretű török és magyar folyóban összehasonlító módon vizsgáljuk a pontszerű és diffúz tápanyagterhelést, a tápanyagok transzportját és a fitoplankton növekedését. Az eredményeknek a folyómedencék vízgazdálkodásának tervezését kell szolgálnia.
A project specifikus célkitűzései:
- A vízgyűjtő modellezéshez szükséges természeti és társadalmi-gazdasági adatok összegyűjtése, adatbázisba rendezése.
- Kapcsolat keresése a spektro-radiometriával és műholdas Föld-megfigyelő rendszerrel (pl. Landsat) kapott vízminőségi változók között annak érdekében, hogy utóbbiakat rutinszerűen lehessen használni folyók vízminőségének monitorozására.
- A diffúz és pontszerű tápanyag kibocsájtások becslése a kiszemelt folyókon különböző bonyolultságú vízgyűjtő modellekkel.
- A fitoplankton növekedésének becslése a folyókban a PhosFate vízgyűjtő modell TAPIR moduljával, amelyben a növekedést potenciálisan korlátozó tényezők a víz kora és a tápanyagok hozzáférhetősége.
- A folyóhálózat topológiai viszonyainak összehasonlító értékelése a folyók eutrofizálódásra való hajlama szempontjából a vízgyűjtő modellezés eredményei alapján.
- Tápanyag terhelési és eutrofizálódás elleni beavatkozási lehetőségeket tartalmazó forgatókönyvek elemzése.
- Az eredmények szintézise tudományos és gyakorlat-orientált módon.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A folyók eutrofizálódása kevéssé ismert folyamat. Az oldott anyagok és a finom részecskék (pl. algák) folyamatos lefelé szállítódásának a vízhálózatból való gyors kimosódáshoz kellene vezetnie. Ennek ellenére sok szabadon áramló folyó hipertróf, száz mg klorofill m-3 alga biomasszával. A látszólagos ellentét feloldása, hogy az algák lassabban utaznak a folyóhálózaton, mint a víz. A késlekedést az ökológusok az áramlás inhomogenitásával, lassú folyású, sőt, visszafelé örvénylő mozaikok jelenlétével magyarázzák. Hosszú távú, órás gyakoriságú monitoring adatok felhasználásával 3 magyar folyóban kimutattuk, hogy ez a mechanizmus nem biztosíthatja önfenntartó algapopulációk kialakulását, és felvetettük azt a hipotézist, hogy a folyóvízi algák úgy kerülik el a gyors kimosódást, hogy életciklusuk bizonyos hányadát a fenékre ülepedve töltik. Sekély folyók jól megvilágított aljzata azután gyors növekedést tesz lehetővé. Ez a bentikus visszatartási mechanizmus minimum egy nagyságrenddel növelheti meg a fitoplankton folyóhálózatban való tartózkodásának idejét a vízhez képest. A víztározók megzavarják a fitoplankton folyásirány mentén kialakuló biomassza profilját, mert állóvízi algák növekedéséhez biztosítanak megfelelő feltételeket, kedvezőtlenek a folyami fitoplankton számára. Mindezek alapján a folyóhálózat topológiai viszonyai, pl. a mellékvizek , tározók elrendeződése alapvetően meghatározza, hogy a fitoplankton milyen mértékben képes hasznosítani a rendelkezésre álló tápanyagokat, azaz hogy a folyó mennyire hajlamos eutrofizálódni. A jelen projektben nagy folyó-mintán teszteljük a bentikus visszatartásra és a hálózat topológiájának fontosságára vonatkozó hipotézisünket.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A folytonos áramlás miatt nehéz vizsgálni az oldott és formált anyagok (beleértve a planktonikus mikroorganizmusokat) sorsát, mert egyfelől a szállított anyagok élesen változó környezeti gradiensek mentén utaznak, másfelől az áramlás térben és időben dinamikusan változó módon elválasztja a (felvízi) kiváltó okokat az (alvízi) következményektől. Ezért a helyi megfigyeléseket a beavatkozások szempontjából relevéms rendszer-szintre csak modellek segítségével tudjuk felskálázni. Az ilyen modellek rendkívül adatigényesek, az adatoknak a teljes vízgyűjtő és a teljes folyóhálózat meghatározó természeti és társadalmi-gazdasági viszonyit tükrözniük kell. Ennek megfelelően a jelen projekt a meglevő adatok módszeres összegyűjtését, terepi méréseket és modellezést ötvözve közelíti az eutrofizálódás problémáját. Nagyon kevés hasonló közelítéssel találkozhatunk a tudományos irodalomban.
Munkánk két legfontosabb innovatív eleme: (A) vegyes területhasználatú vízgyűjtők tápanyag és lebegőanyag kibocsájtására vonatkozó becslések pontosítása, és (B) annak a hipotézisnek a tesztelése, hogy a folyóhálózat topológiai viszonyai döntő fontosságúak a folyók eutrofizálódásában.
Várható fő tudományos eredményeink: (A) a Föld-megfigyelő rendszerek adatainak felhasználása a folyók monitorozására és (B) azoknak a topológiai jellemzőknek a feltárása, melyek a folyókat hajlamossá teszik az eutrofizálódásra. A folyók jó vízminősége egyaránt lényegi kérdés a társadalom (ivóvíz, rekreáció, halászat, stb.) és a biodiverzitás szempontjából. Az eutrofizálódás tavakban és folyókban is az egyik leggyakoribb folyamat, amely a jó vízminőséget veszélyezteti. A vízgyűjtő megnövekedett pontszerű (pl. szennyvíz) és diffúz (pl. mezőgazdasági) tápanyag kibocsájtása fokozott alga-növekedéshez vezethet, a bőséges táplálékforrás a halakig bezárólag a magasabb trofikus szinteken is kedvezőtlen változásokat okoz. Nincs tudomásunk olyan tanulmányokról, amelyek felismerték volna hipotézisünket, amely szerint a folyók eutrofizálódásában kulcsszerepet játszik a folyóhálózat topológiája. A folyók vízminőségének hatékony kezelése egészen más beavatkozásokat jelent, ha ez a hipotézis igaz vagy hamis.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A folyók jó vízminősége egyaránt lényegi kérdés a társadalom (ivóvíz, rekreáció, halászat, stb.) és a biodiverzitás szempontjából. Az eutrofizálódás tavakban és folyókban is az egyik leggyakoribb folyamat, amely a jó vízminőséget veszélyezteti. A vízgyűjtő megnövekedett pontszerű (pl. szennyvíz) és diffúz (pl. mezőgazdasági) tápanyag kibocsájtása fokozott alga-növekedéshez vezethet, a bőséges táplálékforrás a halakig bezárólag a magasabb trofikus szinteken is kedvezőtlen változásokat okoz. Egyes folyók azonban hajlamosabbak az eutrofizálódásra, mint mások, a különböző folyókban ugyanakkora tápanyag terhelésből nagyon különböző mennyiségű alga biomassza jöhet létre. Hipotézisünk szerint ez a különbség a folyóhálózat topológiai viszonyainak, azaz pl. a mellékvizek, tározók hálózatbeli elhelyezkedésének tudható be. A projektben ezt a hipotézist vizsgáljuk 10 kiszemelt török és magyar folyóban különböző bonyolultságú vízgyűjtő modellek felhasználásával. A bonyolult modellek futtatásához rengeteg térbeli adatra van szükség, az adatoknak a vízhálózat és a vízgyűjtő környezeti és társadalmi-gazdasági viszonyit is tükrözniük kell. Ma időszerű kutatási téma a műholdas Föld-megfigyelő rendszerek adatainak felhasználása a folyók vízminőségének monitorozásában. A felhasználható adathalmaz növelése érdekében spektro-radiográfiás terepméréseket tervezünk, melyek ereményét a műholdas megfigyelésekkel összevetve keressük, hogyan használhatók a műholdas adatok a vízgyűjtő modellezésben.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The overarching aim of this project is to test the hypothesis that stream network topology profoundly effects susceptibility of rivers to eutrophication. We will compare nutrient inputs from both point and diffuse sources, riverine transport of nutrients and phytoplankton growth in 10 medium- to large-sized Turkish and Hungarian river basins. Results should support planning management measures in river basins.
Specific objectives:
Developing a database for catchment modelling with all relevant natural and socio-economic data.
Finding relationships between water quality parameters derived from spectro-radiometry and from satellite-based observations (e.g. Landsat).
Estimating diffuse and point nutrient loads of study rivers using catchment models of various complexities.
Estimating phytoplankton growth in rivers using the TAPIR module of the PhosFate model, with water age and nutrient availability as potentially limiting factors of algal biomass in any given grid cell of the river network.
Evaluating the impact of network topology on susceptibility to eutrophication using the outputs of catchment models.
Examining scenarios of nutrient load reduction and eutrophication management.
Summarising results in both a science-oriented and a management-oriented way.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Eutrophication of rivers is not a well understood process. Downstream transport of solutes and fine particulates (including algae) should result in rapid washout from the river network. In spite of this, many free-flowing rivers are hypertrophic with up to several hundreds of mg chlorophyll m-3. Evidently, planktonic algae travel much slower through river networks than water. Current ecological theory explains this delay by heterogeneity of flow, i.e. the presence of slowly flowing or back-flowing near-bank zones. Using hourly, long-term monitoring data from 3 Hungarian rivers, we demonstrated that this mechanism is insufficient to maintain persistent algal populations in rivers and proposed that algae avoid flushing by spending a portion of their life cycle on the well illuminated bottom of shallow rivers. This benthic retention mechanism may increase residence time of phytoplankton in river networks by minimum an order of magnitude compared to water. In the same time, reservoirs disrupt the longitudinal phytoplankton profile of rivers by providing habitat for lake algae and depressing the growth of river algae. Thus, network topology, i.e. spacing of tributaries and reservoirs decisively determines how much the phytoplankton was able to utilise nutrient loads, that is how much a river was susceptible to eutrophication. In the present project, we test the benthic retention and the network topology hypotheses in a large set of rivers.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Flow makes it difficult to study the fate of both dissolved and suspended matters (including planktonic microorganisms) in rivers because, on the one hand, it transports materials through sharply changing environmental gradients and on the other hand, it induces a dynamic spatio-temporal separation of (upstream) causes from (downstream) effects. Thus, in scaling up from local observations to the system level relevant for management, modeling approaches are essential. Such models should rely on extensive datasets that characterize both natural and anthropogenic processes in the whole catchment as well as in the river network. Accordingly, our methodology combines systematic collection of available data, field measurements and modeling. There are very few similar approaches in the scientific literature.
There are two major innovative aspects of this study: (A) improvement of existing estimates on nutrient and suspended solids emissions from mixed land use catchments, and (B) testing our hypothesis on the importance of network topology with respect to river eutrophication.
The major scientific outputs of the project are (A) the use of Earth observation data in river monitoring, and (B) delineation of topological features that make a river susceptible to eutrophication. Good quality river water is essential for both society (drinking water supply, recreation, fishery, etc.) and biodiversity. Eutrophication is one of the major threats to good water quality in both lakes and rivers. It means enhanced growth of algae due to increased nutrient inputs from point (e.g. sewage) and diffuse (e.g. agriculture) sources of the catchment; the abundant food base induces unfavourable changes at higher trophic levels up to the fish. We do not know any other study that recognised the importance of network topology in river eutrophication, which, according to our hypothesis, is a decisive factor. Efficient management of river water quality would require different measures if this hypothesis is true or false.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Good quality river water is essential for both society (drinking water supply, recreation, fishery, etc.) and biodiversity. Eutrophication is one of the major threats to good water quality in both lakes and rivers. It means enhanced growth of algae due to increased nutrient inputs from point (e.g. sewage) and diffuse (e.g. agriculture) sources of the catchment; the abundant food base induces unfavourable changes at higher trophic levels up to fish. Some rivers, however, are more susceptible to eutrophication than others, the same nutrient loads may yield highly variable amount of phytoplankton in various rivers. We hypothesise that this difference is driven by network topology, i.e. the location of tributary confluences and reservoirs within the river network. In this project we test this hypothesis on a selection of 10 Turkish and Hungarian rivers using catchment models of various complexities. Complex models require a large set of spatial data that reflect the relevant environmental and socio-economic conditions in the river network/ the catchment. Introduction of satellite-based Earth observation data into monitoring of river water quality is a current research issue. To improve data availability, we plan spectro-rediographic measurements in the study rivers and find relationship between these and satellite-based data.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
