Afprøvning af zoneringsmetoder
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.
På grund af relativ lille vandindvinding er der ingen af de 4 vandindvindinger fra det dybe magasin som træder frem på den modelberegnede perkolationstid. Dette svarer godt til konkrete vurderinger i området, idet det vurderes at grundvandsdannelsen til bl.a. Ejstrupholm vandværk centralt i modelområdet på grund af opadrettet gradient dannes i stor afstand fra vandværket.
Figur
7.2 Se her
Ejstrupholm området
Perkolationstid og grundvandsdannelse
Kombineres 7.2b nedsivning til lag 1 og 7.2f perkolationstid til dybt miocænt magasin har 0,8 % af modelområdet (31 grid) nedsivning til det øvre grundvand større end 100 mm/år samtidig med at perkolationstiden er mindre end 100 år.
I alt ca. 86 % af samtlige grids har en perkolationstid ved den simple stempelstrømningsmetode som er mindre end den modelberegnede. Kun for 14 % af modelområdet giver den simple metode en overvurdering af transporttiden. Perkolationstidsberegningen ved stempelstrømningsmetoden er generelt på den sikre side, men i lighed med Østfyn er den simple metode ikke velegnet til at karakterisere dybe magasiner, idet det billede denne metode tegner er afgørende forskelligt fra den modelbaserede.
7.3.3 Diskussion af zoneringsprincipper for Ejstrupholm
Arealdistribueret grundvandsdannelse
Grundvandsdannelsen til det dybe miocæne magasin sker overvejende i en begrænset del af modelområdet (sydligste, sydøstlige, et område mellem Skjern å og Holtum å syd for Ejstrupholm samt i et bælt gennem nordlige del). 30 % af modelområdet havde grundvandsdannelse > 50 mm/år. Afgrænsningen af grundvandsdannende områder er meget kompleks og kan ikke foretages uden en 3D model.
Grundvandets trykforhold
Figur 7.2c viser infiltrations- og udstrømningsområder afgrænset på grundlag af topografi og potentialekort. Afgrænsningen viser god overensstemmelse med modelresultater, idet 78% af udstrømningsområdet også har opsivning jf. model.
Transporttid
Den simple metode giver et noget misvisende billede af perkolationstiden til det dybe magasin. Perkolationstidsvurdering forudsætter i lighed med Østfyn brug af en 3D grundvandsmodel.
Stofomsætning og stoftransport
Det dybe miocæne magasin ved Ejstrupholm indeholder blødt og neutralt vand med pH omkring 7 med et lille indhold af bikarbonat, forhøjet indhold af jern og et ringe indhold af nitrat, sulfat og fosfor. Grundvandet i det dybe magasin er ikke overfladepåvirket, men grundvandskemien er formentlig svagt påvirket af forekomsten af kalkmineraler. De øvre magasiner i området syd for Ejstrupholm (mellem Holtum å og Skjern å) er karakteriseret ved iltet og nitratholdigt grundvand med begyndende forsuring, og grundvandet i det øvre magasin kan generelt betegnes som værende stærkt overfladepåvirket og stedvis uegnet som drikkevand. Det dybe grundvand i dette område har et lavt nitratindhold, dog med et lidt højt sulfatindhold som kan skyldes en nitratbelastning der omsættes f.eks. ved pyritoxidation (Henriksen et.al., 1995a).
7.4 Sneum å området
7.4.1 Kort beskrivelse af området
Geologien i modelområdet er opbygget af miocæne og kvartære aflejringer (Henriksen et. all, 1995b). I den centrale del af modelområdet udgør de kvartære aflejringer en op til 200 m dyb dal. Mod vest har dalsystemet 'afløb model havet'. De lerrige enheder af kvartæret bliver mere hyppige og mere sammenhængende imod den sydlige del af området.
Miocænet er opdelt i marine og limniske aflejringer. Gram, Hodde og Arnum Formationerne er dannet i havet, og Odderup og Ribe Formationerne er overvejende dannet i ferskvand og brakvand.
Modellen er opbygget af i alt 11 lag. Lag 1-3 har varierende tykkelse afhængigt af topografien (lag 1: > 40 m, lag 2: 20-40 m og lag 3: 0-20 m). Lag 8 udgør mod øst Ribe Formationen og i den centrale del det lag som har interesse i forbindelse med indvinding fra kvartæret. Der er gennemført vurderinger for lag 8. Dels er forholdene belyst ud fra eksisterende vandindvinding, dels er foretaget udvalgte beregninger med en ny kildeplads med en indvinding på 6 mio. m3/år beliggende midt i modelområdet omkring grid (42,33). Modellens maskevidde er 500x500 m.
7.4.2 Resultater for Sneum å området
Resultaterne for Sneum å oplandet er vist i figur 7.3. Trykniveauet i det primære magasin varierer fra kote ca. 60 i den østlige del af modelområdet til kote 0 i kystområdet. Det primære potentiale står i relativ god kontakt til vandløbene omkring Kongeåen (i syd) og Sneum å (i vest, figur 7.3a).
Modelberegnet nedsivning
Den modelberegnede nedsivning til det øvre miocæne lag (lag 4) udgør i området 103 mm/år, altså kun 43 % af grundvandsdannelsen (som svarer til ca. 240 mm/år). Den resterende del afstrømmer gennem de øvre kvartære jordlag til vandløb. Det fremgår af fig. 7.3b at fordelingen er 31 % udstrømningsområder, 15 % har nedsivning på 0-50 mm/år og 24 % har nedsivning over 200 mm/år. Der er dermed tale om en meget distribueret nedsivningsfordeling til de miocæne magasiner.
Udstrømnings- og infiltrationsområder
85 % af området udgøres af infiltrationsområde, 15 % er udstrømningsområder, fig. 7.3c. En nærmere analyse af udstrømningsområderne viser at 56 % af disse har nedsivning mindre end 0 mm/år (fig. 7.3b), 16 % har nedsivning mellem 0 og 50 mm/år, 26 % har nedsivning mellem 50 og 200 mm/år og 2 % har nedsivning over 200 mm/år.
Grundvandsdannelse
I gennemsnit udgør grundvandsdannelsen til det dybe miocæne magasin 48 mm/år. 37 % af alle grid svarer til opadrettet strømning mod øvre lag (fig.7.3d). 31 % har grundvandsdannelse mellem 0 og 50 mm/år, 30 % mellem 50 og 200 mm/år og 2 % over 200 mm/år.
Det fremgår at langt den største del af grundvandsdannelsen til det dybe magasin sker fra den østlige del af modelområdet. Kun nogle mindre områder har lokal grundvandsdannelse til lag 8.
Perkolationstider beregnet ved simpel stempelstrømning
De beregnede perkolationstider til det dybe miocæne magasin med stempelstrømningsmetoden (fig. 7.3e) ud fra antagelse om konstant nedsivning svarende til nettonedbøren giver perkolationstider over 100 år. I den vestlige del overvejende 100-150 år og i nordøst 250-500 år.
Figur 7.3 Se
her
Sneum
å oplandet
Modelberegnet perkolationstid
Perkolationstider baseret på model varierede mellem 0 og uendelig, fig. 7.3f. 21 % af modelområdet har uendelig perkolationstid (strømning mod vandløb). Kun 0,2 % af modelområdet havde perkolationstider i intervallet 0-25 år. 1 % tilhørte intervallet 25-100 år mens 78 % havde perkolationstider over 100 år. Disse beregninger er dermed i overensstemmelse med aldersdateringer med kulstof 14 i området som for det dybe magasin gav en alder fra omkring 200 år op til ca. 4000 år.
Kombination
Kombineres 7.3b nedsivning til lag 4 og 7.3f perkolationstid til dybt miocænt magasin så har 0,2 % af modelområdet såvel en nedsivning til det øvre grundvand større end 100 mm/år samtidig med at perkolationstiden er mindre end 100 år.
I alt ca. 90 % af samtlige grids har en perkolationstid ved den simple stempel strømningsmetode som er mindre end den modelberegnede. Kun for 10 % af modelområdet giver den simple metode en overvurdering af transporttiden. Perkolationstiden ved stempel strømningsmetoden er generelt på den sikre side, men i lighed med Østfyn og Midtjylland er den simple metode ikke velegnet til at karakterisere dybe magasiner.
7.4.3 Diskussion af resultater for Sneum å
Arealdistribueret grundvandsdannelse
Grundvandsdannelsen kan ikke vurderes ved simple metoder til dybt magasin. En vurdering af grundvandsdannelsen til Ribe Formationen eller til det dybe kvartære magasin 80-100 m u.t. kan ikke gennemføres ved simple metoder. Såvel vurdering af størrelse (som i eksemplet for Sneum å) udgjorde 48 mm/år) som fordeling forudsætter en 3D model.
Grundvandets trykforhold
Afgrænsningen af områder med opadrettet trykniveau i forhold til terræn (minus 1 m) jf. fig. 7.3c er relativ forskellig fra modelberegning af opsivning fra lag 4 (fig. 7.3b).
Transporttid
Simpel stempelstrømning giver upålideligt resultat i Sneum å området
Der er ikke nogen sammenhæng mellem simpel stempelstrømningsberegning og modelbaseret beregning af perkolationstid for det dybe magasin. Simple metoder kan ikke anvendes til vurdering af perkolationstiden for dybe magasiner.
Stofomsætning og stoftransport
Vandtypen i det dybe magasin i kvartæret kan karakteriseres ved neutralt, reduceret, middelhårdt, ikke aggressivt til svagt aggressivt og med let forhøjet jern, mangan og ammonium. Det kan ikke præcis forudsiges i hvilken dybde lagene træffes på grund af den tilsyneladende komplekse reservoirsituation.
I Ribe Formationen er vandet svagt surt, reduceret, middelhårdt og aggressivt med let forhøjet jern, mangan og ammonium. I området findes visse steder brunt vand (bl.a. i Odderup sandet).
En vurdering af stofomsætning og stoftransport i området er derfor vanskelig på grund af betydelige variationer inden for kort afstand.
7.5 Sammenstilling af resultater fra de 3 områder
I tabel 7.1 er resultater fra de 3 områder sammenstillet.
Tabel 7.1 Se
her
Resultater af afprøvning af hydrauliske zoneringsprincipper i 3 testområder
7.6 Lertykkelseskort
Lertykkelsen for Nyborg området er over 45 meter i den sydøstlige del af området og faldende mod nordvest til under 5-10 meter i kystzonen og i lokale områder i den nordlige og centrale del af området (figur 7.4). Sammenligner man grundvandsdannelsen til lag 7 (fig. 7.1.d) og lertykkelseskort for Nyborg området fremgår det at der i området med mere end 45 meter moræneler lokalt forekommer grundvandsdannelser på 50-100 mm/år, hvilket formentlig skyldes at lertykkelseskortet ikke beskriver den rumlige sammenhæng mellem begrænsede vandførende lag i dette område. I en betydelig del af de områder hvor lertykkelsen er ringe har i øvrigt opadrettet strømning fra det primære magasin mod vandløb og er således (bortset fra lokale områder lige omkring indvindingsboringer med nedadrettet gradient) generelt godt beskyttede.
Lertykkelsen for Ejstrupholm området er lokalt op til 45 meter tykke men generelt af begrænset tykkelse (mindre end 15 meter) i store dele af området (figur 7.4). Sammenligner man grundvandsdannelsen til det primære magasin (fig. 7.2.d) ses det at der generelt er meget ringe sammenhæng mellem lertykkelser og grundvandsdannelser formentlig på grund af de komplekse geologiske forhold med vekslende vandførende lag og lerlag med varierende tykkelse.
Akkumulerede lertykkelseskort vurderes ikke anvendelige til zonering i områder med hydrogeologiske forhold som på Østfyn og i Midtjylland. Dels er en stor del af områder med tynde lerlag beliggende hvor der er opadrettet gradient mod f.eks. vandløb dels er der ingen eller kun ringe sammenhæng mellem akkumulerede lertykkelser og grundvandsdannelser i infiltrationsområder. Det kan dog ikke udelukkes at lertykkelseskort (med behørig vurdering af hydrauliske forhold som følge af lodrette sprækker og sandvinduer) kan være relevante ved zonering af øvre magasiner eller ved andre hydrogeologiske forhold end gældende på Østfyn og i Midtjylland.
Figur 7.4 Se
her
Lertykkelseskort og tværprofiler for Østfyn og Midtjylland
7.7 Afgrænsning af infiltrationsområder og indvindingsoplande til vandværker
7.7.1 Partikelbanesimuleringer for Østfyn området
I figur 7.5 er vist resultatet af en simulering af infiltrationsområder for udvalgte boringer filtersat i henholdsvis lag 3, 5 og 7. På figuren er IDFM oplandet (indvindingsoplandet i det filtersatte magasin) ligeledes afbildet.
De to øverste afbildninger på figur 7.5 viser de simulerede infiltrationsområder og indvindingsoplande (IDFM) for 6 vandindvindinger fra lag 3, som er det mellemste smeltevandsmagasin, jf. figur 7.4.
Figur 7.5 Se her
simulerede infiltrationsområder og indvindingsoplande (IDFM) for 16
vandværker på Østfyn (baseret på 3D partikelbanesimuleringer med MIKE SHE)
I de to mellemste afbildninger er vist infiltrationsområder og IDFM oplande for 2 vandværker med indvinding fra lag 5, svarende til det dybeste smeltevandsmagasin (figur 7.4). Bemærk at vandværket ved Nyborg har et langstrakt infiltrationsområdet op mod grundvandskellet i sydvest.
På nederste afbildning er vist infiltrationsområder og IDFM oplande for 7 vandværker med indvinding fra kalken. Der er for disse dybe boringer meget stor forskel på udstrækningen af IDFM oplandene og de tilhørende infiltrationsområder.
De i alt 16 vandværker har et relativt sammenhængende infiltrationsområde som er lokaliseret til den sydvestlige del af modelområdet. Kun enkelte infiltrationsområder er placeret uden for dette område, primært i nærområdet til vandværkerne, bl.a. et område omkring et vandværk i lag 5 i den nordlige del af modelområdet. En sammenligning med lertykkelser jf. figur 7.4 viser således at en meget stor del af infiltrationsområderne for Østfyn er placeret i områder med relativt store lertykkelser (visse steder over ca. 30 m). Grundvandsdannelsen til kalken (jf. figur 5.1) var meget begrænset i dette område (0-50 mm). Grundvandsdannelsen til det mellemste smeltevandsmagasin er i området mellem 0 og 100 mm. Grundvandsdannelsen til det øverste magasin er dog typisk 100-200 mm i dette område.
I et område som Østfyn med flerlagsmagasiner, giver analysen af grundvandsdannelse og transporttider gennem dæklag som vist i figur 7.1 ikke et godt billede af strømningsforholdene, idet den horisontale strømning i de vandførende lag, har stor betydning for en nærmere afgrænsning af infiltrationsområder til såvel magasiner som enkelte vandværker.
Hvis der ikke forelå en model ville man typisk antage at grundvandsdannelsen til f.eks. kalken overalt udgør ca. 30 mm/år, svarende til gennemsnittet for modelområdet. Ved afgrænsning af indvindingsoplande vil der herved blive introduceret en væsentlig usikkerhed, som afhængigt af de enkelte vandværkers placering kan medføre, at der enten afgrænses et for stort opland (hvor grundvandsdannelsen f.eks. er større end 100 mm/år) eller for lille et opland. Træffes skøn på den sikre side, vurderes det at oplandet typisk vil blive overvurderet med en faktor 2-4.
På grund af en yderligere usikkerhed på beliggenheden (ved projicering af IDFM op til terræn (infiltrationsområde) og usikkerhed om de nærmere geologiske forhold, forholdet mellem vertikal og horisontal strømning, foretrukne strømningsveje gennem moræneleren osv.), vurderes det at en typisk overestimering af indvindingsoplandet for forhold svarende til Østfyns resultere i en samlet vurdering af oplandet som kan være 3-5 gange større end det optimale. Benytter man kun en sikkerhedsfaktor på f.eks. 2, er der stor sandsynlighed for at en gennemført afgrænsning af et indvindingsopland 'rammer ved siden af' det opland som faktisk føder en konkret kildeplads.
Problemet med afgrænsning er tilsyneladende store for såvel vandværker filtersat i øvre som i dybere magasiner. Den afgørende faktor er formentlig hvorvidt der er tale om et flerlagsmagasin eller hvorvidt magasinforholdene er mere simple (f.eks. med et enkelt magasin evt. med et dæklag).
7.7.2 Partikelbanesimuleringer for Ejstrupholm
Partikelbanesimuleringerne for Ejstrupholm er baseret på MODPATH (Visual MODFLOW).
I figur 7.6 er vist simulerede partikelbaner fra Ejstrupholm vandværk med en filtersætning i et øvre magasin, som den så ud da der konstateredes atrazin i indvindingen. Infiltrationsområderne er vist med gul skravering. Det bemærkes af den “gamle” indvinding har infiltrationsområder dels sydøst for boringen og dels længere opstrøms ved hovedvandskellet mod øst. Bemærk også dette strømningsforløb jf. profilsnittet. Det samlede indvindingsopland fremgår ligeledes af figuren.
Figur
7.6 Se her
Simuleret indvindingsopland og
infiltrationsområde for Ejstrupholm vandværk ved filtersætning fra øvre magasin
(MODPATH partikelbanesimulering)
Figur
7.7 Se her
Simuleret indvindingsopland og
infiltrationsområde for Ejstrupholm vandværk (MODPATH partikelbanesimuleringer)
 |
Figur 7.8 Simulerede indvindingsoplande og infiltrationsområder for Ejstrupholm området for 7 vandværker (MODPATH partikelbanesimuleringer
I figur 7.7 er vist simulerede partikelbaner fra Ejstrupholm vandværk med en filtersætning i et dybt magasin, som det ser ud i dag. Det fremgår at indvindingsoplandet består af to adskilte oplande. Denne opdeling skyldes at der nordøst for Ejstrupholm vandværk foregår en betydelig indvinding fra et dambrug, som påvirker indvindingsoplandet til vandværket. De tilhørende infiltrationsområder er placeret ved hovedvandskellet mod øst (mellem Skjern å og Gudenå systemerne).
I figur 7.8 er vist indvindingsoplande og tilhørende infiltrationsområder til syv vandindvindinger inden for modelområdet. Det fremgår af denne figur at de enkelte indvindinger påvirker hinandens indvindingsoplande.
Den gennemsnitlige nedsivning til lag 1 blev med modellen vurderet til 161 mm/år mens den dybe grundvandsdannelse blev vurderet til 36 mm/år. En afgrænsning af indvindingsoplandet er kompleks idet der lige omkring indvindingen ved Ejstrupholm er opadrettet gradient. Det grundvandsdannende opland skal derfor søges opstrøms mod øst. Med den givne case er der meget stor sandsynlighed for at man med simple metoder ender med et indvindingsopland som ikke svare til de områder der bidrager med grundvandsdannelsen til vandværkets indvinding. Problemet kompliceres af at der et stykke opstrøms vandværket indvindes vand fra det dybe magasin til et dambrug, og at denne indvinding er større end vandværkets. Med den beskrevne geologi vurderes afgrænsning af indvindingsoplande kun at kunne gennemføres for områder hvor kvartære og miocæne vandførende lag er stort set sammenhængende.
7.7.3 Partikelbanesimuleringer for Sydvestjylland
Indvindingsoplande er vanskelige at afgrænse på grund af usikkerheder på grundvandsdannelsen. En afgrænsning indvindingsoplande ved en 3D partikelbanemodel (PATH3D) er vist i figur 7.10. Såfremt der i stedet var anvendt en simpel metode vurderes det, at det nok ville være muligt at afgrænse beliggenheden af indvindingsoplandet (dvs. opstrøms retning i forhold til kildeplads ud fra potentialebillede). Størrelsen af indvindingsoplandet og en nøjagtig placering kan dog næppe gennemføres, med mindre oplandet forsynes med en stor sikkerhedsmargin. Figur 7.3d viser at grundvandsdannelsen omkring vandværker i området er større end 250 mm/år hvorimod den gennemsnitlige kun er ca. 50 mm/år. En overvurdering med en faktor 5 er derfor sandsynlig, men på grund af usikkerheder på projiceringen til terræn (horisontal strømning), er en korrekt afgrænsning vanskelig.
Figur 7.9 Se
her
Grundvandsdannelse
og perkolationstid ved ny indvinding på 6 mio. m3/år, Sneum å
området.
7.8 Konsekvens af forøget vandindvinding
I figur 7.9 er vist simuleret grundvandsdannelse og perkolationstid med model ved en ny indvinding på 6 mio. m3/år centralt i modelområdet fra lag 8. Det fremgår at perkolationstiderne omkring den nye indvinding bliver stærkt reduceret i forhold til udgangssituationen hvorimod grundvandsdannelsen forøges betydeligt. I figur 7.10 er vist beregnede partikelbaner dvs. det beregnede indvindingsopland projiceret til terræn.
 |
Fig.7.10 Simuleret indvindingsopland ud fra partikelbaneberegning, Sneum å området.