Metoden er primært anvendelig i forbindelse med prioritering af oprydningsindsatsen overfor eksisterende punktforureninger og i forbindelse med planlægning af fremtidig placering af potentielle punktforureningskilder idet transporttiden er identisk med reaktionstiden for en eventuel forurening.

Inputparametre til metoden udgøres som nævnt af nedsivningens størrelse (i forskellig dybde) samt porøsitetens størrelse. Et væsentligt problem er fastsættelsen af porøsitetens størrelse (Bengtsson, 1996; Kelstrup, 1984), ligesom en mere præcis arealdistribueret nedsivning til forskellige dybder vil forudsætte en 3D grundvandsmodel. Metoden kan dog gennemføres med antagelse af konstant grundvandsdannelse. Betydningen af simpel kontra modelbaseret metode belyses nærmere ved eksemplerne.

4.5 Simple stofspecifikke forhold

Zonering ud fra stofspecifikke forhold for nitrat og tungmetaller kan være relevant, idet reduktionen af nitrat og sorption af tungmetaller i mindre grad er afhængig af transporttiden gennem dæklag ved de grundvandsstrømningshastigheder som er almindelige under danske forhold. Reduktion og sorption af henholdsvis nitrat og tungmetaller er primært under disse forhold afhængig af det geokemiske miljø som det forurenede vand strømmer gennem (redoxforhold, pH, pyritholdige lag etc.).

Der er imidlertid stor forskel på nitrat og tungmetallers opførsel i jord og grundvand. Nitrat har større opløselighed end tungmetaller i vand. Tungmetallers transport er i høj grad kontrolleret af pH, dette er ikke tilfældet for nitrat. Nitrat kan optages i planter, hvor tungmetaller kan adsorberes i rodzonen. Nitrat har begrænset nedbrydning i aerob zone, tungmetaller er persistente i jord- og grundvand.

Pesticider har en relativ lav opløselighed i vand og transporten er kun i begrænset grad pH kontrolleret. Pesticider kan adsorberes i rodzonen og nedbrydeligheden i jord og grundvand er varierende.

Olie og benzinforbindelser har relativ lav opløselighed i vand. Stofferne kan transporteres som fri fase (ikke opløst vædske fase). Transporten er ikke pH kontrolleret. Forbindelserne kan adsorberes i rodzonen og nedbrydeligheden i jord og grundvand er varierende.

Opløseligheden i vand er lav og stofferne kan transporteres som ikke opløst vædske fase. Stofferne er ikke pH kontrolleret. Der kan være adsorption i rodzonen og stofferne er kun i begrænset omfang nedbrydelige i jord og grundvand.

4.5.1 Temakortbaseret

En afgrænsning af områder hvor grundvandsmagasinet er sårbart over for nedsivende nitrat kræver en kortlægning af redoxgrænsens beliggenhed i forhold til toppen af magasinet og et kort over de områder hvor grundvandsdannelsen til det pågældende magasin finder sted. Et eksempel på nitratsårbarhedskortlægning er vist i Miljøstyrelsen (1995e).

Tilsvarende for tungmetaller må pH i umættet zone kortlægges.

Desuden kan temakort over nettonedbørens størrelse i infiltrationsområder (og 'intermediære områder') anvendes til vurdering af fortyndingsgraden af f.eks. en arealbelastning med nitrat eller pesticider. Dermed kan den resulterende udvaskning skønnes. I Miljøstyrelsen (1995f) er vist et eksempel på en arealdistribueret beregning af den maksimalt tilladelige nitratudvaskning i forhold til drikkevandskravet på 50 mg NO3/l.

4.5.2 Modelbaseret

Zoneringen kan gennemføres f.eks. ved hjælp af DAISY  - MIKE SHE modellen. Procesforståelsen er når det gælder nitrat og pH til stede, og disse er implementeret i modelværktøjer. Skiftet fra oxiderende til reducerende forhold vil kunne kortlægges ud fra allerede eksisterende farvebeskrivelser af boringer, men supplerende boringer og udtagning af vandprøver til kemisk bestemmelse af redox aktive komponenter, og farvebestemmelser på sedimenterne  med henblik på nærmere kortlægning af redoxfronten kan være nødvendig. Kortlægning af pyritforekomster og evt. reducerende forhold som følge af methan opstigning kan være påkrævet. Endelig er det i morænelersområder nødvendigt at have styr på sprækker og sandvinduer, herunder reduktion af nitrat i sprækker (som afhænger af redoxforhold i sprækkerne).

Når det gælder pesticider forventes procesforståelse og modelværktøjer først operationelle om nogle år (tidligst ca. 5 år) for udvalgte modelstoffer. Det er dog sandsynligt at disse modeller vil forudsætte  yderligere dataindsamling.

4.5.3 Diskussion af 'simple stofspecifikke forhold'

Der er i dag en viden om at grundvandets redoxforhold er langt mere komplekse end tidligere antaget og afgørende for de vandkvalitetsstyrende processer. Kortlægning af redoxforhold kan gennemføres på regional skala, men på lokalt niveau (f.eks. markniveau) vurderes en sådan kortlægning ikke umiddelbart gennemførlig med en tilstrækkelig præcision uden indsamling af yderligere data (dvs. etablering af bl.a. boringer med mulighed for udtagning af vandprøver og sedimenter).

Brugen af stoftransportmodeller vil derfor forudsætte at der er tale om en meget vigtig vandressource, som er truet af nitratforurening, eller at der er behov for at tilvejebringe en bedre forståelse af f.eks. sammenhængen mellem overudnyttelse af ressourcen som følge af vandindvinding og nitratindholdet i f.eks. råvandet til en større kildeplads.

I de fleste tilfælde vil en operationel løsning kunne baseres på en strømningsmodellering med 3D model evt. med en forenklet stoftransportmodellering 'on/off' (f.eks. baseret på partikelbanebeskrivelse kombineret med temakort over f.eks. redoxfrontens beliggenhed). Herved kan områder der er særligt sårbare og som bidrager til nitratindholdet i f.eks. en indvindingsboring søges vurderet primært ud fra eksisterende data.

4.6 Sorption / nedbrydning, densitetsstrømning

Forureningskomponenters opførsel i jord- og grundvand vil være påvirket af en lang række grundlæggende fysisk-kemiske processer, som kendes fra jord- og vandkemien. Det drejer sig om syre-base reaktioner, luft-vand ligevægte, udfældnings- og opløsningsreaktioner, kompleksdannelse i vandfasen, ionbytning samt sorption til partikeloverflader (evt. kolloider). Derudover kan der ske faseovergange mellem f.eks. poreluften (gasfase) og opløst i porevandet (vandfase).

Redoxprocesser som beskrevet ovenfor for nitrat og nedbrydning udgør vigtige processer for mange stoffer. For visse stoffer er det vigtigt at skelne mellem dem der er lettere end vand og dem der er tungere end vand, f.eks. ved spild af olie og brændstof  (Miljøstyrelsen, 1996).

4.6.1 Temakortbaseret

Simple metoder til vurdering af transporttid i dæklag vil udelukkende kunne omfatte et skøn af parameteren: 'retardation' som er et simpelt mål for på hvilken måde sorption og nedbrydning 'forsinker' stofudbredelsen i forhold til et konservativt stof som ikke nedbrydes eller adsorberes til jorden. Retardation kunne relativt let multipliceres på beregnede transporttider for konservative stoffer.

Transporttid af stoffer som styres af densitet, kolloidtransport mm. kan ikke vurderes med simple metoder.

4.6.2 Modelbaseret

Opløste stoffer kan modelleres,   men forudsætter mere detaljerede input vedrørende såvel geokemiske forhold, strømningsforhold og sorption/-nedbrydning, som måtte have betydning i det konkrete tilfælde (stofspecifikt og afhængigt af hydrogeologi). Der vil formentlig være behov for yderligere data vedrørende sorption og nedbrydning i jord og grundvand fra feltstudier, evt. kombineret med f.eks. laboratorieforsøg.

4.6.3 Diskussion af 'sorption og nedbrydning'

Anvendelse af  modeller til vurdering af sorption og nedbrydning af f.eks. pesticider eller andre miljøfremmede stoffer i forbindelse med zonering er ikke operationelt i dag. Videngrundlaget forventes først tilvejebragt om tidligst ca. 5 år.

4.7 Konklusion vedrørende zoneringsmetoder

De metoder der i dag må anses for at være operationelle består af zonering med udgangspunkt i grundvandets trykforhold (infiltrations- og udstrømningsområder), den arealdistribuerede grundvandsdannelse og transporttider gennem dæklag (perkolationstid). Disse forhold kan kortlægges ved såvel simple metoder som baseret på hydrologiske modeller eller grundvandsmodeller.

En zonering alene baseret på lertykkelseskort, som ikke beskriver grundvandsdannelsen og strømningsforhold i det samlede grundvandsmagasinsystem vurderes utilstrækkelig. Fastlæggelse af f.eks. indvindingsoplande til vandboringer, forudsætter en nærmere kortlægning af det samlede grundvandsmagasinsystem, herunder eventuelle dæklags nærmere hydrauliske og geokemiske karakteristika. Zonering alene baseret på lertykkelseskort er derfor ikke behandlet i det følgende da metoden ikke vurderes fyldestgørende. Omvendt vil en kortlægning af f.eks. lertykkelser og disses hydrauliske og geokemiske karakteristika typisk være et væsentligt delelement i opstilling af en geologisk eller hydrologisk model, ligesom at en nærmere afgrænsning af de vandførende lags udbredelse og egenskaber vil være relevant med henblik på at forstå grundvandsmagasin systemet og dets beskyttelse.

Videngrundlaget til stofspecifik vurdering af udbredelsen af nitrat og tungmetaller i grundvand er til stede i dag. Det samme er modelværktøjer. Det vurderes imidlertid at en egentlig modellering normalt vil forudsætte indsamling af supplerende data og derfor i de fleste tilfælde næppe vil være operationel, bortset fra i et mere begrænset omfang for udvalgte områder. Når det gælder miljøfremmede stoffer (f.eks. pesticider) er videngrundlaget ikke til stede i dag, og vil tidligst være det om ca. 5 år (dvs. ikke operationelt).

5. AfgrænsniAfgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder

5.1 Afgrænsning af indvindingsoplandet i det filtersatte magasin
5.1.1 Værktøjer til afgrænsning af IDFM
5.2 Opholdstid i grundvandsmagasinet
5.2.1 MIKE SHE partikelbanemodul
5.2.2 MODPATH partikelbanemodul
5.2.3 Begrænsninger ved numeriske modeller
5.2.4 Diskussion af partikelbanesimuleringer

En afgrænsning af “indvindingszonen” omfatter en nærmere vurdering af den arealmæssige udstrækning af indvindingsoplandene til konkrete vandværker, samt en afgrænsning af infiltrationsområderne hvor grundvandsdannelsen til de pågældende vandværkers indvindingsoplande finder sted (se figur 5.1).

Figur 5.1 Se her
Resultater af afprøvning af hydrauliske zoneringsprincipper i 3 testområder

Inden for områder med særlige drikkevandsinteresser har en korrekt afgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder sekundær betydning, i forhold til en afgrænsning af de sårbare områder. Dette skyldes at hele ressourcen i princippet skal beskyttes, såvel områder med nuværende indvinding som reserveområder for fremtidig indvinding.

Uden for områder med særlige drikkevandsinteresser har en præcis afgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder derimod en mere central betydning, idet indsatsen her skal koncentreres i forhold til nuværende vandindvindingsinteresser/kildepladser.

Effektiviteten af indsatsen overfor sårbare dele af infiltrationsområdet til vandindvindinger uden for områder med særlige drikkevandsinteresser afhænger dermed af den præcision ved hvilken den geografiske udstrækning af infiltrationsområdet kan afgrænses. Ud fra en kontinuitetsbetragtning og ud fra et kendskab til grundvandsdannelsens størrelse (R) (f.eks. med udgangspunkt i nettonedbøren) samt vandindvindingens størrelse (Q) kan det samlede areal af infiltrationsområdet (A_infilt.) bestemmes:

A_infilt.  =  Q / R

Formen af infiltrationsområdet afhænger imidlertid af magasinsystemets opbygning, den effektive hydrauliske ledningsevne for de enkelte vandførende og lavpermeable lag samt boringens filtersætningen. Derudover kan formen afhænge af placeringen af øvrige vandindvindinger i området, samt placeringen af vandløb, vandskel og øvrige randbetingelser. Hvis grundvandsdannelsen varierer rumligt bliver formen på infiltrationsområdet mere kompleks.

Afgrænsningen af infiltrationsområdet sker normalt med udgangspunkt i indvindingsboringen/mængden og en vurdering af det tilhørende indvindingsopland i det filtersatte magasin (IDFM). Udgangspunktet er et skøn af transmissivitet og gradient for det magasin indvindingen er filtersat. Simple metoder til vurdering af IDFM er beskrevet i (Miljøstyrelsen, 1995c) hvor en række eksempler er givet. Problemet er imidlertid at disse metoder kun i meget simple tilfælde er brugbare til en fastlæggelse af infiltrationsområdet, dvs. en projicering af IDFM op til terræn (jf. figur 5.1 hvor infiltrationsområdet er beliggende helt uden for IDFM-området, som man ud fra simple metode har mulighed for at afgrænse).

Ofte anvendes begrebet indvindingsopland til at beskrive det areal man i praksis kan afgrænse ud fra transmissivitet, gradient for grundvandspejl og indvindingsmængde jf. metoderne i (Miljøstyrelsen, 1995c), dvs. med udgangspunkt i vurdering af f.eks. stagnationspunkt, oplandsbredde ved boring og asymptotisk oplandsbredde opstrøms boringen. Denne del af indvindingsoplandet betegnes jf. figur 5.1 som “indvindingsoplandet i det filtersatte magasin (IDFM)”. Dette opland udgør, afhængigt af hvor komplekse magasinforholdene er, kun en delmængde af infiltrationsområdet eller evt. slet ikke infiltrationsområdet. Infiltrationsområdet udgør således det område ved terræn der i praksis føder den pågældende indvinding, og som derfor har størst interesse i forbindelse med vurdering af grundvandsbeskyttelsen/zonering.

5.1 Afgrænsning af indvindingsoplandet i det filtersatte magasin

Grænsen for indvindingsoplandet i det filtersatte magasin, herefter IDFM, udgør ikke nødvendigvis den ydre grænse for det areal det er relevant at beskytte af hensyn til den aktuelle indvinding.

Som det fremgår af figur 5.1, ligger infiltrationsområdet helt uden for IDFM i det komplekse tilfælde. For simple magasintilfælde, f.eks. et homogent magasin, vil der være en større grad af overlap mellem IDFM og indvindingsoplandet, selvom en del af infiltrationsområdet kan være beliggende opstrøms IDFM. Såfremt IDFM  imidlertid udvides med en sikkerhedszone og føres helt til opstrøms grundvandskel, kan man i simple tilfælde foretage en afgrænsning af det samlede indvindingsopland som helt dækker infiltrationsområdet.

Denne sikkerhedszone er relevant dels på grund af den usikkerhed der, uanset metode, vil være forbundet med afgrænsningen af infiltrationsområdet, og dels for at tage højde for eventuelle variationer i indvindingsmængde, indvindingsstrategi, nedbørsforhold etc.

En afgrænsning af infiltrationsområdet eller hele indvindingsoplandet er ikke en statisk størrelse. I praksis udvider og indskrænker indvindingsoplandene sig afhængigt af indvindingsmængden, klimatiske variationer, arealanvendelse mm.

Ved mere komplekse magasinforhold bør sikkerhedszonen udvides yderligere så der tages hensyn til betydningen af sekundære magasiner og horisontal strømning i vandførende lag, som kan være med til at “flytte” infiltrationsområdet opstrøms i forhold til IDFM.

5.1.1 Værktøjer til afgrænsning af IDFM

Der findes forskellige værktøjer til afgrænsning af IDFM. Der kan f.eks. nævnes:

Manuelle analytiske beregningsmetoder (Miljøstyrelsen, 1995c):

• Parabelformet indvindingsopland

• Cirkulært indvindingsopland med horisontalt vandspejl

• Cirkulært indvindingsopland på grundlag af nettonedbør og oppumpning

Det er i (Miljøstyrelsen, 1995c) vurderet at usikkerheden på bestemmelsen af IDFM maksimalt er +/- 100 %, som følge af usikkerheder på de parametre der bestemmer oplandet. Såfremt der benyttes parametre ud fra kortmateriale er usikkerheden op til flere hundrede %.

Analytiske element modeller:

• WHPA (Blandford & Huyakorn, 1990)

• WhEAM (U.S. EPA,1987)

TWODAN (Fitts, 1994; Strack, 1988)

Distribuerede matematiske modeller:

• MIKE SHE (DHI, 1993)

• MODFLOW / MODFLOW-P (McDonald & Harbaugh, (1988)

• FLOWPATH (Franz & Guiguer, 1990)

• PATH3D (Zheng, 1989)

5.2 Opholdstid i grundvandsmagasinet

Opholdstiden (det vil sige transporttiden) i grundvandsmagasinet er relevant for forureninger som er let nedbrydelige (f.eks. bakterier). Beskyttelse af den del af indvindingsoplandet som ligger tættest på kildepladsen kan ske ved definition af en særlig kildepladszone, defineret i det simple tilfælde med et fast afstandskrav (f.eks. 300 m) eller med en minimum transporttidskrav til boringerne (f.eks. < 60 dage), beregnet ved hjælp af en analytisk eller numerisk grundvandsmodel.

5.2.1 MIKE SHE partikelbanemodul

MIKE SHE partikelbanemodulet er en del af det stoftransportmodul der høre til modelsystemet. Partikelbanemodulet kan anvendes til afgrænsning af infiltrationsområder og indvindingsoplande til indvindingsboringer eller grundvandsmagasiner.

For hvert beregningslag i modellen kan oplande til vandindvindinger bestemmes med modellen, således at såvel det samlede indvindingsopland, infiltrationsområdet samt IDFM kan bestemmes. Systemet holder styr på antallet af partikler der indgår i en simulering, deres oprindelseskoordinater såvel som hvilke partikler der havner i indvindingsboringerne.

MIKE SHEs partikelbanemodul foretager en beregning som er analog til advektions-dispersions ligningen, idet der anvendes en random walk metodik. Et stort antal partikler flyttes ved simuleringen individuelt i et antal tidsstep, på baggrund af bidraget fra såvel advektiv som dispersiv transport. Til hver partikel er tilknyttet en partikelmasse, hvilket betyder at lokaliseringen af et antal partikler i et specifikt volumen (her defineret ved det numeriske grid som benyttes for vandstrømnings beregningerne) svarer til en koncentration (af et opløst stof i grundvandet - DHI, 1997). Forud for afvikling af partikelbanemodulet må den tre dimensionale grundvandsstrømning beregnes ved hjælp af MIKE SHEs grundvandsmodel (MIKE SHE WM).

Partikelbanemodulet kan foretage simuleringer på grundlag af enten stationær eller dynamisk strømningssimulering for grundvandskomponenten (SZ). Der er mulighed for at foretage partikelsimuleringer for en længere periode ved at ‘recykle’ simuleringsresultatet fra strømningsmodellen.

Den initielle placering af “opsamlingsboringer” fastlægges i en ekstern fil enten som koordinater til indvindingsboringerne der ønskes medtaget i analysen eller som gridkoordinater til f.eks. indvindingsboringer eller f.eks. moniteringsboringer for hvilke oprindelseskoordinater, transporttider mv. ønskes bestemt.

MIKE SHE kan vise resultater på såvel gridniveau som ved partikelkoordinater. Der er dog ikke mulighed for at vise et tværprofil af simulerede partikelbaner.

5.2.2 MODPATH partikelbanemodul

Partikelbanemodulet MODPATH som tilhører MODFLOW systemet kan opstilles for enten stationær eller dynamisk strømning. Modulet beregner partikelbaner på baggrund af hastighedsvektoren for ethvert punkt i strømningsfeltet, baseret på flow rater mellem de enkelte beregningsknudepunkter fra strømningsmodellen (Hsieh and Freckleton, 1993).

Der benyttes simpel lineær interpolation til at beregne hastighedskomposanterne for punkter inden for hvert enkelt modelgrid. Da der ikke benyttes en random walk metode er der i MODPATH tale om en ren advektiv partikeltransport, uden dispersivitet.

På grund af denne relativt simple løsning er det også muligt både at beregne partikelbaner i nedstrøms og opstrøms retning. MODPATH har således særlige faciliteter til initiel placering af partikler på en cirkelbue i en bestemt afstand fra f.eks. en indvindingsboring i forbindelse med opstrøms partikelbanesimulering, og placering af partikler på en linie ved nedstrøms simulering.

MODPATH kan vise resultaterne i plan afbildning og projiceret ind på et tværprofil. Det er ikke muligt at vise resultaterne på gridniveau.

5.2.3 Begrænsninger ved numeriske modeller

Såvel MIKE SHE som MODPATH har forskellige begrænsninger som forudsættes forstået bl.a. (1) tilgrundliggende antagelse i partikelbanesimuleringen, (2) diskretiseringseffekter og (3) usikkerheder i parametre og randbetingelser.

Nøjagtigheden af de numerisk beregnede partikelbaner og en korrekt fortolkningen af simuleringsresultatet afhænger af i hvilken grad grundvandssystemet realistisk set kan repræsenteres af et diskret knudepunktsnet af finite differens gridceller. Graden af rumlig diskretisering i en finite differens model har indflydelse på (a) detaljeringsniveauet ved hvilken det hydrogeologiske system og randbetingelser til dette kan repræsenteres, (b) nøjagtigheden af strømningshastigheds beregningerne og (c) evnen til så præcist som muligt at repræsenterer interne ‘sinks’ (dvs. f.eks. indvindingsboringer). Ofte, vil en detaljeringsgrad som er tilstrækkelig for en strømningsmodellering af grundvandsressourcen ikke være tilstrækkelig detaljeret for en korrekt partikelbaneanalyse. Tidsdiskretiseringen kan ligeledes være en væsentlig fejlkilde i partikelbanesimuleringer.

Betydningen af rumlig diskretisering for repræsentationen af vandindvindinger er særligt vigtig i forbindelse med partikelbanesimuleringer på grund af følsomheden som er knyttet til simuleringen af partikelflytninger i gridceller som udgør en ‘svag’ sink/vandindvinding. Disse celler indeholder oppumpninger eller f.eks. vandløbsgrids hvor oppumpningsraten/udstrømningen til vandløb ikke er stor nok til at de kan forbruge alt det vand der strømmer til griddet. Nettoresultatet er en sinkcelle som har udstrømning gennem en eller flere af cellens rande. For sådanne sinks er det vanskeligt at vurdere hvorvidt partikler havner i indvindingsboringen/vandløbet eller strømmer ud af cellen.

Dette problem er direkte forbundet med en for grov rumlig diskretisering. Ved anvendelse af et mere forfinet beregningsnet kan problemet søges elimineret, idet ‘svage’ sinks herved kan ændres til ‘stærke’ sinks, hvor hele vandstrømningen til cellen ender i f.eks. indvindingsboringen.

5.2.4 Diskussion af partikelbanesimuleringer

Beskyttelse af indvindingsoplande og infiltrationsområder til vandindvindinger er problematiske fordi strømlinier i et grundvandssystem ændrer sig som følge af ændringer i vandindvinding og nettonedbør, ligesom de hydrauliske egenskaber af heterogene grundvandssystemer ikke kan observeres direkte. Ud fra hypotetiske modeleksperimenter, med henblik på en nærmere forståelse af relationer mellem boringer og infiltrationsområder, vurderes især variabiliteten af grundvandssystemet at have central betydning. Denne må derfor tages i betragtning i forbindelse med afgrænsning af infiltrationsområder ved hjælp af 3D-partikelbane-simuleringer (Reilly og Pollock, 1993).

Beskyttelsesstrategier som er rettet mod en beskyttelse af infiltrationsområder til indvindinger og som er baseret på en oversimplificering af grundvandssystemet er nytteløse, idet man risikere at beskytte områder som ikke bidrager til indvindingen ved en boring i stedet for en beskyttelse af de arealer der bidrager til boringen (Reilly og Pollock, 1993).

På trods af at Reilly og Pollocks analyser er baseret på forholdsvis simple magasinforhold (alluviale sandaflejringer), viser disse at randbetingelser, oppumpningsrate og filtersat interval er nøglefaktorer. Resultatet af simuleringer for 4 forskellige eksempler viste således, at infiltrationsområdet til en enkelt boring ikke nødvendigvis består af et sammenhængende område, og heller ikke nødvendigvis er placeret i nærheden af boringerne. Selv for det relativt simple magasinsystem som blev analyseret, var simulerede partikelbaner til en boring meget følsom overfor randbetingelser og hydrauliske parametre for det 3-dimensionale system (Reilly og Pollock, 1993).

Strømning i grundvandssystemet afspejler alle de påvirkninger som er påtvunget systemet. Partikelbaner ændrer sig som følge af nye påvirkninger på systemet, selv om disse påtvinges på andre lokaliteter end omkring den boring som har interesse. Enhver beregning som har til formål at bestemme infiltrationsområder må vurdere partikelbaner for hele systemet i stedet for analysere infiltrationsområdet til en enkelt boring. Så snart der tilføjes ændrede indvindingsforhold må vurderingen af infiltrationsområder og indvindingsoplande derfor evalueres på ny (Reilly og Pollock,1993).

Eksempler på numerisk modellering af infiltrationsområder og indvindingsoplande ved komplekse forhold er gennemført af (Delin og Almendinger, 1993) for karstforhold. Resultaterne viste, at en afgrænsning af infiltrationsområdet ved hjælp af numerisk partikelbanemodel havde samme orientering (parallel med den regionale strømretning) men omfattede en signifikant forskellig afgrænsning i forhold til en hydrogeologiske kortlægning. Forskellene i de afgrænsede infiltrationsområder hænger sammen med muligheden for med en 3D numerisk model mere præcist i forhold til analytiske metoder at repræsentere: 1) det 3-dimensional strømningssystem, 2) hydrologiske randbetingelser, bl.a. vandløb, 3) arealdistribueret grundvandsdannelse og 4) påvirkningen fra nærliggende oppumpninger (Delin og Almendinger, 1993).

Figur 5.2 Se her
Eksempel på afgrænsning af infiltrationsområder for komplekse forhold (Dlin og almendinger, 1993)

Afgrænsning af infiltrationsområder ved analytiske metoder og hydrogeologisk kortlægning udgøres af dråbeformede indvindingsoplande (IDFM områder) der udbreder sig fra indvindingsboringen til opstrøms vandskel. I figur 5.2 er vist et eksempel fra et karstområde i Minnesota. IDFM området til boring 11 udgør i sommermåneder et areal på 13,440 acres, hvorimod dette område i vintermåneder udgør et areal på 4,100 acres. Ved hjælp af numerisk 3D model er det vurderet at infiltrationsområdet er væsentligt forskelligt fra IDFM området. Infiltrationsområdet fremtræder opsplittet i delområder og dækker et areal på ca. 2,180 acres. Denne diskontinuitet i infiltrationsområdets udstrækning skyldes dels indvindinger fra nærliggende boringer dels grundvandsafstrømning til South Fork Zumbro River. Resultaterne viser fordelene ved en numerisk 3D model ved simulering af heterogeniteter i grundvandssystemet som ikke kan evalueres ved hjælp af simplere metoder (Delin og Almendinger, 1993).

Konklusioner

Numeriske modeller bør anvendes med stor forsigtighed i forbindelse med afgrænsning af infiltrationsområder og indvindingsoplande ved såvel simple som komplekse tilfælde på grund af de gjorte antagelser, usikkerheder og begrænsninger i en typisk numerisk strømningsmodel. Dette gælder i særdeleshed såfremt de modelberegnede infiltrationsområder skal anvendes til f.eks. regulering af arealanvendelsen. Modellerne er imidlertid nødvendige til en nærmere analyse af afgrænsningen af infiltrationsområder, idet simple metoder f.eks. baseret på analytiske løsninger, giver for usikre resultater.

Infiltrationsområderne til en kildeplads eller en boring kan kun analyseres såfremt samtlige påvirkninger af vandbalancen i et områder inddrages, dvs. såvel forhold vedr. den aktuelle kildeplads/boring med hensyn til boringsplaceringer, filtersætning mm. samt påvirkninger af grundvandssystemet fra øvrige nærliggende boringer, grundvandsafstrømning til vandløb og arealdistribueret grundvandsdannelse. Partikelbaneberegninger er følsomme overfor såvel randbetingelser som grundvandssystemets heterogeniteter, dvs. en korrekt repræsentation af de hydrogeologiske forhold, hydraulisk ledningsevne, porøsitet mv. der i en 3D- grundvandsmodel er helt afgørende for resultatet af modelleringen.

6. Stokastisk. Stokastiske metoder

6.1 Metodik
6.2 Vurdering

Stokastiske metoder muliggør en kvantificering af usikkerheden på afgrænsningen af zoner med udgangspunkt i usikkerheder på inddata og finder anvendelse i risiko- og beslutningsanalyse (Bengtsson, 1996). I stedet for en absolut zoneafgrænsning vurderes sandsynligheden for en given afgrænsning.

6.1 Metodik

Stokastiske metoder kan anvendes jf. Figur 3.2 fra Grundfør områder ved såvel vurdering af arealdistribueret grundvandsdannelse og perkolationstid som ved afgrænsning af et indvindingsopland (Kinzelbach og Vassolo, 1996; Evers og Lerner, 1995).

Disse metoder omfatter en vurdering af såvel middelværdi som spredning på de vigtige indgående parametre ved en vurdering af f.eks. perkolationstiden ved en simple metode. En sådan vurdering vil omfatte vurdering af middelværdi, spredning og fordelingsfunktion for de indgående parametre (f.eks. tykkelse af umættet zone, placering af geologiske lag, nedsivningens størrelse, porøsitet mm.). Ved vurderingen genereres et stort antal datasæt med parameterværdier for de indgående størrelser i f.eks. beregning af perkolationstid (som følger de fastlagte sandsynlighedsfordelinger). Med disse parameterværdier gennemføres herefter beregningen af perkolationstid jf. tidligere beskrevne metoder for hvert enkelt datasæt. Sandsynligheden for at perkolationstiden fra et givent areal er mindre end f.eks. 25 år kan nu beregnes ud fra samtlige realisationer (f.eks. N=100). Metoden er relativ let at anvende sammen med f.eks. et GIS system og/eller et regneark (Bengtsson, 1996).

6.2 Vurdering

Fordelen ved stokastiske metoder er at man opnår en usikkerhedsvurdering af de fastlagte beskyttelseszoner eller indvindingsoplande. Dataindsamling kan derved placeres hvor der er størst usikkerhed. Selvom indsamling af yderligere data er bekostelig, kan det let vise sig 'i det lange løb' at være økonomisk fordelagtigt (Henriksen et. al, 1996).

Generelt kan form og størrelse af indvindingsoplande, herunder infiltrationsområder, ikke bestemmes eksakt på grund af den iboende usikkerhed med hensyn til hydrauliske parametre for magasinsystemet og størrelse af grundvandsdannelsen. I de tilfælde hvor datagrundlaget er begrænset, kan det derfor være en fordel at anvende stokastiske metoder til vurdering af infiltrationsområdernes variationsramme. Herved kan der enten afgrænses et infiltrationsområde som dækker samtlige realisationer eller iværksættes yderligere dataindsamling, med henblik på nærmere at afgrænse infiltrationsområdet (Kinzelbach og Vassolo, 1996; Evers og Lerner, 1995).

Stokastiske metoder muliggør en kvantificering af usikkerheden på afgrænsningen af zoner, f.eks. sårbarhedszone eller indvindingszone. Det kan herudfra vurderes om der bør indsamles flere data eller om beskyttelsesområdet skal udvides så det omfatter samtlige realisationer

7. Afprøvning af zoneringsprincipper, simple og avancerede metoder

7.1 Introduktion til afprøvning af metoder
7.1.1 Valg af primært magasin
7.1.2 Ensartet præsentation af resultater
7.1.3 Lertykkelseskort, infiltrationsområder og indvindingsoplande
7.1.4 Partikelbanesimuleringer
7.1.5 Diskussion af zoneringsprincipper
7.2 Østfyn-området
7.2.1 Kort beskrivelse af området
7.2.2 Resultater for Østfyn
7.2.3 Diskussion af zoneringsprincipper for Østfyn
7.3 Ejstrupholm-området
7.3.1 Kort beskrivelse af området
7.3.2 Resultater for Ejstrupholm
7.3.3 Diskussion af zoneringsprincipper for Ejstrupholm
7.4 Sneum å området
7.4.1 Kort beskrivelse af området
7.4.2 Resultater for Sneum å området
7.4.3 Diskussion af resultater for Sneum å
7.5 Sammenstilling af resultater fra de 3 områder
7.6 Lertykkelseskort
7.7 Afgrænsning af infiltrationsområder og indvindingsoplande til vandværker
7.7.1 Partikelbanesimuleringer for Østfyn området
7.7.2 Partikelbanesimuleringer for Ejstrupholm
7.7.3 Partikelbanesimuleringer for Sydvestjylland
7.8 Konsekvens af forøget vandindvinding

7.1 Introduktion til afprøvning af metoder

De ovenfor skitserede principper til afgrænsning af beskyttelseszone afprøves på 3 områder: Østfyn (Nyborgområdet), Midtjylland (Ejstrupholm) og Sydvestjylland (oplandet til Sneum-Bramming-Holsted å). De tre områder repræsenterer typiske geologiske forhold lige fra morænelandskab med kalkreservoir (Østfyn) til Hedeslette med bakkeø og miocæne reservoirer (Sydvestjylland og Midtjylland). For hvert enkelt område foreligger der en grundvandsmodel, og ved eksemplerne belyses en række forhold som er centrale i forbindelse med zonering.

Det illustreres for hvert af de tre områder ved simple metoder i hvilke områder der er opadrettet gradient, ligesom perkolationstid til et udvalgt magasin beregnes på baggrund af de geologiske forhold og en gennemsnitsnedsivning for området som helhed.

Disse beregninger baseret på simple metoder sammenstilles med simuleringer baseret på regionale grundvandsmodeller for områderne. Det er valgt at vise simuleret grundvandspotentiale, nedsivning til det øverste grundvandsmagasin samt grundvandsdannelse til et dybere magasin. Endelig er der foretaget en beregning af perkolationstiden til et dybere magasin, med henblik på en sammenligning af en modelbaseret og en simpel beregning af perkolationstiden.

7.1.1 Valg af primært magasin

I hvert af de tre tilfælde er der foretaget en vurdering af  hvad der udgør det primære magasin for vandindvinding i det pågældende område (indvinding af drikkevand fra almene vandværker). Eksempler og vurderinger er gennemført med udgangspunkt i dette magasin. I områderne udnyttes også øvre magasiner til vandindvinding, men for simpelheds skyld gennemføres beregninger udelukkende for det valgte 'modellag' som er defineret som 'primært magasin'.

I Nyborg området udgør kalken det primære magasin (en stor del af Nyborg området er i øvrigt udpeget som område med særlige drikkevandsinteresser). Imidlertid sker der også en udnyttelse af øvre kvartære sandmagasiner i området, som der skal tages hensyn til ved grundvandsbeskyttelse og zonering. Den nordvestlige del af Nyborg området har kategorien drikkevandsområde og en zonering her forudsætter derfor afgrænsning af indvindingsoplandene. Der foreligger et potentialebillede for filtre dybere end 20 m udarbejdet for Fyns Amt af GEUS som indgår i eksemplet. De største indvindinger i området er på ca. 3 mio. m3  pr. år (Nyborg vandværk), men der er flere mellemstore og mange små vandværker i området. I alt er der i modellen medtaget mellem 50 og 100 indvindinger.

I Ejstrupholm området udgøres det primære magasin af et dybtliggende miocænt kvartssandslag nordøst for byen som Ejstrupholm vandværk indvinder fra. Syd for Ejstrupholm er der udpeget et område med særlige drikkevandsinteresser bestående af et relativt sammenhængende øvre kvartært og dybere miocænt magasin. Der er i området indsamlet en detaljeret synkronpejlerunde med henblik på nærmere vurdering af potentialeforhold. Der er kun få mindre vandværker i modelområdet men derudover en del erhvervsindvindinger (markvanding og dambrug).

I Sneum å oplandet udgøres det primære magasin i den østlige del af modelområdet af 'Ribe Formationen', som er et dybtliggende og stærkt vandførende miocænt sandlag. I den centrale og vestlige del er der en 'dyb kvartær dal i miocænet' som står i god kontakt til Ribe formationen. Der er i dag kun enkelte mindre vandværker i området som overvejende indvinder vand fra enten Ribe formationen eller kvartære sandlag i tilsvarende dybde (mere end 100 under terræn). Derudover foregår der i området udbredt vandindvinding fra øvre magasiner til markvanding. I eksemplet indgår simuleringer af en planlagt fremtidig større vandindvinding fra det ovenfor beskrevne magasinsystem på flere  mio. m3/år.

7.1.2 Ensartet præsentation af resultater

For at gøre sammenligninger af de forskellige områder så overskuelig som muligt er det valgt at udarbejde en ensartet præsentation af resultaterne med en sammenstilling af i alt 6 figurer for hver case indeholdende:

• Grundvandspotentiale for det primære magasin (modelberegnet)

• Modelberegnet nedsivning til det øverste grundvands magasin (på figuren er i øverste venstre hjørne angivet den gennemsnitlige nedsivning for modelområdet som helhed; i øverste højre hjørne er nedsivningsfordelingen opgjort for 4 intervaller: < 0 - (dvs. opadrettet gradient), 0 - 50 mm/år, 50 - 200 mm/år og > 200 mm/år). For Fyn er anvendt dynamisk model, for Ejstrupholm og Sydvestjylland er benyttet en stationær model.

• Afgrænsning af infiltrations- og udstrømningsområder baseret på simple metoder f.eks. ud fra målte potentialebilleder, topografi mm. (i nederste  venstre hjørne er fordelingen af grids vist; i øverste højre hjørne er vist en analyse af samtlige 'udstrømnings' grid, med beregning af hvordan disse fordeler sig på ovennævnte modelberegnede 4 nedsivningskategorier).

• Modelberegnet grundvandsdannelse til primær magasin (I øverste venstre    hjørne er den gennemsnitlige grundvandsdannelse vist; i øverste højre hjørne er vist fordelingen af grundvandsdannelsen for 4 intervaller.

• Perkolationstid fra terræn til det primære magasin beregnet ved en simpel stempelstrømningsberegning (som beskrevet tidligere), dvs. på baggrund af nettonedbøren i modelområdet. Fordelingen er vist i øverste højre hjørne.

• Perkolationstid fra terræn til det primære magasin beregnet ved 'stempelstrømning', dvs. for hvert  modellag ud fra antaget porøsitet og lagtykkelse, og på baggrund af modelberegnet vertikal strømningshastighed. Til slut er samtlige perkolationstider akkumuleret for de enkelte lag fra terræn til toppen af det primære magasin. Der ses bort fra horisontal strømningskomponent. Fordelingen vist i øverste højre hjørne.

7.1.3 Lertykkelseskort, infiltrationsområder og indvindingsoplande

Akkumulerede lertykkelseskort (fra terræn til toppen af primært magasin) er vist for Sydøstfyn og Midtjylland områderne. For Sydvestjylland casen er det illustreret ved hjælp af modelberegninger, hvordan grundvandsdannelse og perkolationstid ændres, som følge af etablering af en ny større kildeplads i området. Ligeledes er afgrænsning af indvindingsoplandet vist for denne situation.

For Nyborg området og Ejstrupholm området der gennemført 3D partikelbanesimuleringer ved hjælp af MIKE SHE modellen. For Esbjerg området er beregningerne baseret på PATH3D. For Ejstrupholm er der endelig fortaget en opstilling af MODPATH (tilhørende Visual MODFLOW) med henblik på at sammenligne de forskellige modelkoder og beregningsprincipper. Der er herefter foretaget en simulering af infiltrationsområder til udvalgte vandindvindinger i de 3 områder, således at indvindingsoplande (IDFM) og infiltrationsområder er vurderet.

7.1.4 Partikelbanesimuleringer

Resultaterne er illustreret for Østfyn ved plot af infiltrationsområder for vandværker med filtersætning i 3 forskellige modellag (henholdsvis dybe og øvre magasiner), ligesom tilsvarende IDFM områder er afbildet baseret på MIKE SHE. I alt 16 større vandværker indgik i vurderingen for Østfyn.

For Ejstrupholm er der gennemført eksempler på partikelbanesimuleringer for Ejstrupholm vandværk, med henholdsvis en filtersætning som var gældende før atrazinforureningen blev konstateret omkring baneområdet i den sydlige del af byen, samt henholdsvis den filtersætning som efterfølgende blev anvendt, baseret på et dybere grundvandsmagasin (MODFLOW/MODPATH). Endelig er vist simuleringsresultater med MODPATH for 7 mindre vandindvindinger.

Der er væsentlige forskellige på de to modelsystemer og modelopstillinger (MODFLOW/MIKE SHE), såvel med hensyn til opdelingen i modellag, håndtering af grundvandsdannelse som vandløbsrandbetingelser. Disse forskelle er således til dels et udtryk for begrænsninger i de forskellige systemer med hensyn til præcist at kunne håndtere det samme fysiske system. Begge modeller er søgt kalibreret ud fra pejlinger og afstrømningsmålinger i vandløb, men formålet med sammenligningen har ikke været at vurdere hvilken kode som er den bedste, men snarere at afprøve forskellige koder med henblik på at vurdere fordele og ulemper ved disse.

7.1.5 Diskussion af zoneringsprincipper

Diskussionen af zoneringsprincipper omfatter følgende emner

• arealdistribueret grundvandsdannelse

• grundvandets trykforhold; infiltrationsområder, intermediære zoner og udstrømningsområder til områder med særlige drikkevandsinteresser

• transporttid gennem dæklag, inert stof

• simpel stofomsætning (redox- og pH-forhold)

• stoftransport (densitetsstrømning og sorption/nedbrydning)

• lertykkelseskort (Nyborg og Midtjylland)

• afgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder

• konsekvenser af vandindvinding på grundvandsdannelse (Sydvestjylland)

7.2 Østfyn-området

7.2.1 Kort beskrivelse af området

Fyn-området består af yngre glaciale aflejringer med tunneldale. Der er lokale kvartære grundvandsmagasiner over regionale magasiner i to niveauer. Der er udbredte dæklag af moræneler, men der er mange steder vinduer hvor moræneleren enten er tynd, eller der er vinduer af sand. Den årlige nettonedbør er ca. 250 mm; minimumsvandføringen er omkring 50 mm

Grundvandsmodellen er opbygget i 7 beregningslag på baggrund af en geologisk model bestående af i alt 9 geologiske lag. De øverste 3 lag i den geologiske model består af en umættet zone på knap 5 meter, et morænelerslag samt et øvre sekundært sandlag som primært forekommer i den sydøstligste del af modelområdet (sandlaget er typisk beliggende omkring kote 30-50 m). De 3 øverste geologiske lag er slået sammen til beregningslag 1 i modellen. Herunder følger beregningslag 2 (moræneler), lag 3 (regionalt sandmagasin), lag 4 (moræneler), lag 5 (dybtliggende sandmagasin), lag 6 (moræneler + lavpermeabelt miocænt ler) og lag 7 (vandførende del af prækvartæret/kalken). Modellens maskevidde er 500x500 meter.

7.2.2 Resultater for Østfyn

Grundvandspotentiale

Resultaterne for Østfyn området er vist i figur 7.1. Trykniveauet i det primære magasin varierer fra kote ca. 90 i den sydvestlige del af modelområdet og strømmer herfra mod nord og øst til kote 0 i kystområderne mod øst og nord. Det primære potentiale står ikke i direkte god kontakt med vandløbene, men topografi (og vandløbssystemet) er dog styrende for det regionale trykniveaubillede (figur 7.1a).

Modelberegnet nedsivning

Den modelberegnede nedsivning til det øverste grundvand (lag 1) udgør i området ca. 123 mm/år, altså kun omtrent halvdelen af nettonedbøren. Den resterende del afstrømmer via dræn eller overfladisk afstrømning direkte til vandløb eller hav. Det fremgår af fordelingen at 26 % af arealerne (633 grid) er udstrømningsområder uden nedsivning, 9 %  (217 grid) har en nedsivning på 0-50 mm/år (typisk beliggende i overgangszonen mellem nedsivnings- og udstrømningsområderne), 34 % (831 grid) har en nedsivning mellem 50-200 mm/år og 31 %  (766 grid) har en nedsivning over 200 mm/år (figur 7.1b).

Udstrømnings- og infiltrationsområder

På baggrund af et potentialebillede ud fra pejlinger for filtre i mindst 20 meters dybde fra GEUSs borearkiv sammenlignet med modeltopografien fratrukket 0.5 m (svarende til en typisk drændybde) er der foretaget afgrænsning af udstrømnings og infiltrationsområder. 88 % af området udgøres infiltrationsområder mens kun 12 % udgør udstrømningsområder. Den simple metode giver dermed et væsentligt mindre areal for udstrømningsområder i forhold til modellen (fig. 7.1b) som gav 26 %.

Analysen af fordelingen af grids som ved den simple metode er vurderet svarende til udstrømningsområde resulterede i at 52 % af udstrømningsgrids svarende til områder med opadrettet gradient jf. modellen, 16 % af udstrømningsgrids havde i modellen nedsivning mellem 0-50 mm/år, 17 % havde mellem 50-200 mm nedsivning pr. år og hele 15 % havde en nedsivning på over 200 mm pr. år.

Knap halvdelen af alle grid kortlagt ved den simple metode var altså 'falsk positive' svarende til at de udgør infiltrationsområder med større eller mindre nedsivning. Nogen af de grid hvor den simple metode går galt er i nærheden af de større vandværker beliggende tæt på vandløb. Årsagen til afvigelserne er formentlig en blanding af interpolationsfejl og et utilstrækkeligt datagrundlag (i form af pejlinger). En kortlægning af infiltrations- og udstrømningsområder kan formentlig kun ske rimeligt præcist såfremt der indsamles forholdsvis detaljerede synkronpejlinger i et stort antal boringer i både øvre og dybere magasiner (figur 7.1c).

Modelberegnet grundvandsdannelse til primære magasin

I gennemsnit udgør grundvandsdannelsen til kalken 30 mm/år i Østfyn området.  I modellen er kalkmagasinet repræsenteret med distribueret transmissivitet og såvel tykkelsen af lavpermeable dæklag som transmissiviteten har betydning for grundvandsdannelsen til kalken. 30 % af alle grid har opadrettet strømning mod øvre lag. Når antallet af grid som er udstrømningsområder er større end for lag 1 (som var 26 %) skyldes det dels at opsivningen fra kalken mod øvre modellag og vandløb spredes ud over et større område, dels at der visse steder foregå en vandindvinding fra øvre lag fra mellemstore vandforsyninger hvor afsænkninger giver opadrettet gradient i kalken. For områder med grundvandsdannelse dominerer grid i intervallet 0-50 mm (49 % af samtlige grid), mens 20 % har nedsivning mellem 50-200 mm/år og kun 1 % har nedsivning over 200 mm/år (figur 7.1d).

Figur 7.1 Se her
Østfyn området

Perkolationstid beregnet ved stempelstrømning

De beregnede perkolationstider til kalken med stempelstrømningsmetoden (fig. 7.1e) ud fra antagelse om konstant nedsivning svarende til nettonedbøren giver perkolationstider mellem 0 år og ca. 150 år. Arealer med perkolationstid mellem 0-25 år svarer til 9 % af modelområdet, perkolationstider mellem 25-100 år svarer til 82 % af modelområdet og over 100 år, 9 % af modelområdet. En sammenstilling af 7.1c og 7.1e viser at i alt 36 % af modelområdet opfylder såvel et kriterium om at være infiltrationsområde som at have en perkolationstid som er mindre end 25 år (altså svarende til mest 'sårbare' kategori').

Modelberegnet perkolationstid

Perkolationstid baseret på vertikal strømning fra modellen varierede mellem 0 og til uendelig (områder med strømning til vandløb), fig. 7.1f. Kun 2 % af modelområdet havde perkolationstider i intervallet 0-25 år. 11 % tilhørte intervallet 25-100 år mens 61 % havde perkolationstider over 100 år. Især to typer områder skiller sig ud med perkolationstider under 100 år: 1) et til dels sammenhængende kystnært område nordvest, vest og syd for Nyborg, hvor kalkmagasinet ligger højt og kun har dæklag med mere begrænset tykkelse, samt 2) spredte grids i og omkring større vandindvindinger. Ved at sammenholde 7.1e og 7.1f  er det opgjort at for 2139 grid ( 87 % af modelområdet) er transporttiden beregnet med simpel stempelstrømning mindre end den modelberegnet transporttid, dvs. på den sikre side.

Perkolationstid og grundvandsdannelse

Kombineres 7.1b nedsivning til lag 1 og 7.1f perkolationstid til kalken, så har 12 % af modelområdet (298 grid) en nedsivning til det øvre grundvand > 100 mm/år samtidig med at perkolationstiden er mindre end 100 år. At visse dele af modelområdet har perkolationstider som med den simple metode som overstiger den modelbaserede, kan kun skyldes at der foregår en horisontal strømning i de vandførende lag, som 'klinger ud' som det f.eks. er tilfældet med kvartære sandlag som tynder ud mod øst, hvilket resulterer i en nedadrettet strømning som lokalt er større end nettonedbøren mod kalken.

7.2.3 Diskussion af zoneringsprincipper for Østfyn

Arealdistribueret grundvandsdannelse

Område Østfyn har flere vandførende lag i forskellige niveauer, vinduer af sandlag i morænedækket med mere lokal udstrækning, kvartære grundvandsmagasiner som visse steder kun har lokal udbredelse og et kalkmagasin som har stor variation med hensyn til vandførende egenskaber. For et sådant område forudsætter en vurdering af grundvandsdannelsen til kalken en 3D-model såfremt zoneringen ønskes optimeret ud fra hvor den væsentligste grundvandstilførsel sker. Eksemplet for Nyborg området viser at kun ca. 20 % af området havde en grundvandsdannelse over 50 mm/år.

Grundvandets trykforhold

I ca. halvdelen af de afgrænsede udstrømningsområder viste modellen større eller mindre nedsivning. I et område som Østfyn vurderes konceptet for den simple metode derfor ikke anvendeligt ved zonering, såfremt det alene baseres på eksisterende data.

Det vurderes at man som minimum må indsamle yderligere synkronpejlinger i et forholdsvis stort antal boringer i både øvre og dybere magasiner. Udgiften til kortlægning vurderes til ca. 1000 kr. pr. km² (til rekognoscering af boringer, pejlinger, kotebestemmelser, dataanalyser mm.). Ved en modellering vil sådanne data forbedre resultaterne men en afgrænsning kan godt baseres på eksisterende data.

Transporttid

Perkolationstid baseret på stempelstrømning giver i 87 % af samtlige grid resultater på den sikre side. Den fastlagte variation inden for området er imidlertid ikke særligt realistisk i forhold til den modelberegnede. Brugen af den simple stempelstrømningsmetode er derfor uegnet for dybe magasiner, hvor metoden giver usikre resultater såvel i forbindelse med 'vinduer' i lerlagene som omkring kildepladser, hvor der på grund af afsænkningen i det dybe lag introduceres forøgede vertikale perkolationstider, afhængigt af afsænkningens størrelse i forhold til den naturlige gradient.

De beregnede perkolationstider giver et billede af de overordnede variationer inden for et område. De tager dog ikke højde for variationer som måtte være inden for en lokal skala (f.eks. inden for et beregningsgrid på 500x500 m). Denne heterogenitet bevirker at der fra en mindre del af griddet foregår en transport som går væsentlig hurtigere end middelværdien, mens andre dele har en langsommere transport. Der vil dermed være en stor spredning på perkolationen, hvor den hurtigste transport typisk kan være en faktor 10 større end middelværdien. I områder med en beregnet perkolationstid på f.eks. 100 år kan der derfor være mindre delområder hvor den faktiske perkolationstid blot er omkring 10 år. Dette problem er imidlertid mest udtalt ved vurdering af perkolationstider for de øvre magasiner, hvor sprækketransport og makroporer giver særlige problemer.

Stofomsætning og stoftransport

Den sydøstlige del af modelområdet, dvs. kystzonen mod Storebælt syd for Nyborg, er problemområde med hensyn til nitrat (GEUS, 1995). Dette stemmer relativt godt i forhold til de modelberegnede perkolationstider, idet dette område er vurderet at have de korteste perkolationstider (typisk mindre end 25 år). Der er desuden en tendens til at fund af pesticider eller påvisning af pesticider er positivt korreleret til den modelberegnede perkolationstid (jf. figur 10.3 i GEUS, 1995).

7.3 Ejstrupholm-området

7.3.1 Kort beskrivelse af området

Ejstrupholm-området er beliggende på hovedopholdslinien og domineret af et bakkeø/hedeslettelandskab. Der er lokalt dæklag af moræneler over sandmagasinerne. De primære grundvandsmagasiner består af miocænt sand, der forekommer lokale kvartære magasiner. Den årlige nettonedbør er omkring 500 mm, og minimumsvandføringen er omkring 125 mm. Hovedparten af vandindvindingen finder sted i prækvartære magasiner. Der er mindre indvinding til bl.a. markvanding fra de kvartære magasiner.

Grundvandsmodellen er bygget op omkring 16 geologiske lag og 7 beregningslag. Øverst 3 lag af smeltevandssand og moræneler. Derunder vekslende lag af glimmerler, glimmersand og kvartssand. I modellen de øverste 4 lag af moræneler, smeltevands- og glimmersand slået sammen til et beregningslag. Herunder følger 3 lag af glimmerler og 3 beregningslag af vekslende kvarts- og glimmersand. Der er i alt 12 vandindvindinger med i modellen, heraf  4 i lag 7 (mindre indvindinger på 200-600.000 m3 pr. år). Modellens maskevidde er 250x250 meter.

7.3.2 Resultater for Ejstrupholm

Resultaterne for Ejstrupholm området er vist i figur 7.2. Trykniveauet i det primære magasin varierer fra kote ca. 90 i den østlige del af modelområdet til kote 50 i den vestlige del. Det primære potentiale står ikke i direkte god kontakt med vandløbene, men topografi (og vandløbssystemet) er dog styrende for det regionale trykniveaubillede med stor indflydelse fra specielt Skjern å, det sydligste vandløb i området (figur 7.2a).

Modelberegnet nedsivning

Den modelberegnede nedsivning til det øverste grundvand (lag 1) udgør i området ca. 161 mm/år altså 64 % af nettonedbøren på 250 mm/år Den resterende del afstrømmer gennem de øvre jordlag direkte til vandløb. Det fremgår af fordelingen at 33 % af arealerne er udstrømningsområder uden nedsivning, 3 % har en nedsivning på 0-50 mm/år, 7 % har en nedsivning mellem 50-200 mm/år og 57 %  har en nedsivning over 200 mm/år (fig7.2b).

Udstrømnings- og infiltrationsområder

80 % af området udgøres af infiltrationsområde, 20 % er udstrømningsområder., figur 7.2c. En nærmere analyse af udstrømningsområderne (fig. 7.c) viser at i 78 % af disse har opsivning sammenlignet med modelberegningerne (fig. 7.2b), 3 % har nedsivning mellem 0-50 mm/år, 7 % har nedsivning mellem 50-200 mm/år og 12 % har nedsivning over 200 mm/år. Udstrømningsområderne følger Skjern å i syd og Holtum å i den centrale del af modelområdet.

Grundvandsdannelse

I gennemsnit udgør grundvandsdannelsen til det dybe miocæne magasin 36 mm/år. 33 % af alle grid har opadrettet strømning mod øvre lag. (figur 7.2d). 37 % har grundvandsdannelse mellem 0-50 mm/år, 28 % mellem 50-200 mm/år og 2 % over 200 mm/år. Den største grundvandsdannelsen til det dybe magasin sker i den sydøstlige og sydligste del af modelområdet hvor den mange steder er over 100 mm/år.

Der er ligeledes stor grundvandsdannelse (mere end 50 mm/år) til dybe magasin mellem Holtum å og Skjern å, lige syd for Ejstrupholm (som ligger omtrent midt i modelområdet), samt i et bælt i den nordlige del af modelområdet.

Perkolationstid beregnet ved stempelstrømning

De beregnede perkolationstider til det dybe miocæne magasin med stempelstrømningsmetoden (fig. 7.2e) ud fra antagelse om konstant nedsivning svarende til nettonedbøren giver perkolationstider fra ca. 25 år til over 100 år. Arealer med perkolationstid mellem 25-100 år svarer til 91 % af modelområdet og over 100 år, 9 % af modelområdet. En sammenstilling af 7.2c og 7.2e viser at i alt 31 % af modelområdet opfylder såvel et kriterium om at være infiltrationsområde som at have en perkolationstid som er mindre end 25 år (altså svarende til mest 'sårbare' kategori').

Modelberegnet perkolationstid

Perkolationstid baseret på vertikal strømning fra modellen varierede mellem 0 og til uendelig (områder med strømning til vandløb), fig. 7.2f. 43 % af modelområdet har perkolationstid uendelig. Kun 0,2 % af modelområdet havde perkolationstider i intervallet 0-25 år. 1 % tilhørte intervallet 25-100 år mens 56 % havde perkolationstider over 100 år. Den 'mest sårbare' del af modelområdet i relation til perkolationstider udgøres af de områder som også havde størst grundvandsdannelse til det dybe magasin, dvs. det sydøstlige/ sydligste område samt området syd for Ejstrupholm (mellem Skjern å og Holtum å), hvorimod bæltet med stor grundvandsdannelse gennem den nordlige del af modelområdet har perkolationstider over 500 år.