Afprøvning af zoneringsmetoder 5. Afgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder5.1 Afgrænsning af indvindingsoplandet i det filtersatte
magasin 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 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 (Ainfilt.) bestemmes: Ainfilt. = 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 .1 Afgrænsning af indvindingsoplandet i det filtersatte magasinGrænsen 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):
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:
TWODAN (Fitts, 1994; Strack, 1988) Distribuerede matematiske modeller:
5.2 Opholdstid i grundvandsmagasinetOpholdstiden (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 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.
|
|||