Afprøvning af zoneringsmetoder

Sammenfatning og konklusion

Zoneringen

Zoneringen af grundvandsoplande bygger videre på den kortlægning af grundvandsmagasinernes naturlige beskyttelse som er gennemført i forbindelse Regionplan '97. I denne kortlægning er anvendt 3 beskyttelsesklasser: God beskyttelse, nogen beskyttelse og ringe/ingen beskyttelse, som gennemføres både med en generel vurdering og med en stofspecifik vurdering. Områder hvor grundvandsmagasinet er klassificeret med nogen beskyttelse eller ringe/ingen beskyttelse betegnes efterfølgende sårbarhedszoner. Inden for disse zoner er der derfor behov for en særlig indsats, såfremt man ønsker at opretholde eller forbedre grundvandskvaliteten, idet den naturlige beskyttelse og de generelle beskyttelsestiltag anses for utilstrækkelige.

Det første skridt i forbindelse med afgrænsning og udpegning af beskyttelseszoner i et område er opstilling af en hydrogeologisk tolkningsmodel for området. En hydrogeologisk tolkningsmodel er en hypotese for hvordan det hydrogeologiske system er opbygget og hvordan de hydrologiske processer forløber og samvirker. De overordnede elementer i en hydrogeologisk tolkningsmodel udgøres af den geologiske ramme, grundvandets tryk- og strømningsforhold samt vandbalancen.

Lerlag og beskyttelse

Omkring 40 % af Danmarks areal består af moræneler inden for de øverste meter af jordlagene. Morænelerets tykkelse, sammensætning og strukturer har stor betydning for nedsivningsforholdene. Ved de seneste års sårbarhedskortlægning i amterne har nogle af de vigtigste parametre for at klassificere grundvandsmagasinernes sårbarhed været lertykkelse og lerudbredelse, som især er et brugbart koncept når det gælder en vurdering af sårbarheden i forhold til nitrat.

Inden for de seneste år er det imidlertid dokumenteret at morænelerslag med tykkelser på 5-8 meter er gennemskåret af lodrette sprækker, som er dannet under istiden. Sprækkerne virker som transportveje hvor forurenende stoffer på jordoverfladen hurtigt kan sive ned i grundvandet med nedbøren (præferentiel strømning). I tykkere lerlag på mere end 10 meter vil betydningen af lodrette sprækker antagelig være mindre, uden at dette er en garanti for at de ikke forekommer og kan være betydningsfulde for transport af stoffer. Sprækkerne betyder desuden at væsentlig forurening i lerlagene kan smitte af på det nye vand, som strømmer forbi i sprækkerne. Mulighederne for præferentiel strømning i ler er en nøgleparameter når det gælder en nærmere vurdering af sårbarheden i forhold til miljøfremmede stoffer, som f.eks. pesticider.

I visse områder med moræneler kan der desuden være områder hvor lerlaget er tyndt eller fraværende (sandvinduer). Kendskab til sandvinduer er nødvendig i forbindelse med zonering på grund af stor grundvandsdannelse. Sandvinduer og sprækker kan kun kortlægges ved detaljerede og omkostningskrævende undersøgelsesmetoder, omfattende bl.a. boringer og gravninger, hvorimod geofysiske overflademetoder her ikke er tilstrækkelige.

Pålideligheden af zonering er i høj grad afhængig af hvorvidt lagene ligger uforstyrrede eller ej, dvs. afhængige af den glacialtektoniske variabilitet. Parametre til bestemmelse af glacialtektonisk variabilitetsgrad består af: overfladegeologi, morfologi, prækvartæroverfladens morfologi, boringsoplysninger, kystklinter og råstofgrave. Arealer med uforstyrret dække består bl.a. af senglaciale eller postglaciale smeltevandsaflejringer, ferksvandsaflejringer og marine aflejringer. Morfologisk veldefinerede glacialtektoniske komplekser består bl.a. af randmorænebakker og lignende. Desuden kan dybe dale og markante højdedrag i prækvartæroverfladen, kote og tykkelse af geologiske enheder samt flager registreret i boringer give input til en glacialtektonisk tolkning.

Ved vurdering af sorption og nedbrydning foretages en stofspecifik vurdering af omsætning og tilbageholdelse af forurening under strømning gennem jordlag fra terræn til grundvandsmagasinet. Ved vurdering af et områdes følsomhed med hensyn til f.eks. pesticider indgår, ud over en vurdering af de hydrauliske forhold og mulighederne for præferentiel strømning, en række geokemiske forhold som skal belyses: bl.a. stofspecifikke sorptions- og nedbrydningsparametre, som f.eks. organisk stof, forsuringsgrad/kalkindhold og redoxforhold. Vurderinger af stofspecifik beskyttelse med hensyn til nitrat omfatter bl.a. redoxforhold, methan og pyritholdige jordlag. Visse oplysninger kan hentes fra boredata, bl.a. lagfølge, kalkindhold og dermed forsuringsfront, redoxfronten ud fra farvebeskrivelser af boringer, men såfremt der skal gennemføres en nærmere stofspecifik beskyttelsesvurdering forudsættes indsamling af yderligere data (boringer, sprækkeudbredelse, vandprøver, jordprøver) samt laboratoriemålinger (organisk stof, kemiske analyser) og -forsøg (sorption og nedbrydning) på udvalgte prøver.

Principper for zonering

Den praktiske afgrænsning af sårbarhedszoner kan bestå af forskellige elementer:

1. Arealdistribueret nedsivning,
2. Transporttid gennem dæklag,
3. Simple stofspecifikke forhold (f.eks. aerob/anerob),
4. Sorption og nedbrydning og
5. Afgrænsning af indvindingsoplandet og tilhørende infiltrationsområder samt opholdstiden.

Sidstnævnte element har særlig stor betydning for vandværker beliggende uden for områder med særlige drikkevandsinteresser.

Arealdistribueret grundvandsdannelse

Områder med infiltration og udstrømning kan vurderes ud fra temakort eller ud fra pejlinger. En arealdistribueret grundvandsdannelse og beliggenhed af nedsivnings- og udstrømningsområder kan bestemmes ved aldersdatering (CFC) af grundvand eller vurderes ved hjælp af grundvandsmodeller, på baggrund af et bredt datagrundlag i form af nedbør, fordampning, jordbundsforhold, hydrauliske parametre, grundvandspejlinger og afstrømningsmålinger. Simple metoder kan primært beskrive grundvandsdannelsen til det øverste magasin midlet over større områder, f.eks. på baggrund af data for medianminimumsafstrømning i vandløb, eksisterende oppumpning eller kendskab til nettonedbøren. 3D- modeller kan give en mere detaljeret vurdering af den arealdistribuerede grundvandsdannelse til såvel øvre som dybere beliggende magasiner.

Perkolationstid

Transporttiden gennem dæklag for et inert stof (konservativt stof) kan simpelt bestemmes ved hjælp af “stempelstrømningsmetoden”. Input til metoden består af værdier for infiltration (nettonedbør), vandindhold/ markkapacitet i umættet zone, effektiv porøsitet og tykkelse af geologiske lag. Brugen af begrebet perkolationstid  skal understrege at der er tale om midlede transporttider. Der kan derfor være en betydelig spredning på transporttiden som følge af præferentiel strømning, sprækker, vinduer og udveksling med matrix. Perkolationstiden tager imidlertid ikke hensyn til horisontale strømningskomponenter og giver dermed et relativt tilnærmet billede af de faktiske forhold. Perkolationstiden kan også bestemmes på baggrund af en grundvandsmodel ud fra beregnede strømningshastigheder og en skønnet porøsitet for de enkelte lag. En sådan bestemmelse giver en mere præcis beskrivelse af nedtrængningshastigheden af grundvandet i dybere grundvandsmagasiner, men en korrekt hensyntagen til den horisontale strømning forudsætter en 3D partikelbanemodellering. Metoden er derfor kun brugbar under meget simple magasinforhold.

3D partikelbane model

Med 3D partikelbane model kan der foretages en analyse af indvindingsoplande og infiltrationsområder til de enkelte vandværkers kildepladser samt foretages vurdering af opholdstider (grundvandets alder) i forskellige grundvandsniveauer og lokaliteter. Følsomheden af afgrænsningen af infiltrationsområder tilhørende de respektive indvindingsoplande / kildepladser kan desuden analyseres under hensyn til ændringer i klima, indvindingsstruktur og usikkerhed på parameterværdier. Brugen af 3D-modeller vurderes i de fleste tilfælde nødvendig idet simple metoder giver meget usikre resultater.

Simple stofspecifikke forhold

Simple stofspecifikke forhold i dæklag kan vurderes med udgangspunkt i temakort eller geokemisk kortlægning. Advektion, dispersion, sorption og nedbrydning kan modelleres med et stoftransportmodul i 3D. Modeller til simulering af nitrattransport findes, hvor procesforståelsen er implementeret.

Når det gælder pesticider, forventes den konceptuelle forståelse af pesticidtransporten i jord- og grundvand først opbygget i forbindelse med Det Strategiske Miljøforskningsprogram (SMP 96) som omhandler pesticider og grundvand. Modelværktøjer findes, men en nærmere afprøvning og test for danske hydrogeologiske forhold er i gang, og modellerne forventes først delvis operationelle om 3-5 år. Anvendelsen af modelværktøjer er ikke begrænset af manglende software og modelkoder, men derimod af det betydelige datakrav som sådanne stoftransport modelopstillinger forudsætter, og som normalt ikke kan honoreres ud fra eksisterende data.

Tre områder til afprøvning

For tre udvalgte områder: Østfyn omkring Nyborg, Midtjylland omkring Ejstrupholm og Sydvestjylland omkring Sneum å-oplandet er der udarbejdet eksempler på karakterisering af grundvandets sårbarhed baseret på henholdsvis simple temakortbaserede metoder og metoder understøttet af avancerede 3D-grundvandsmodeller.

For hvert eksempel er simple metoder sammenlignet med resultater af 3D-modelberegning til vurdering af

Desuden er væsentlige forhold vedrørende simpel stofomsætning og stoftransport for de enkelte områder kortfattet belyst.

For hvert område er der udarbejdet en analyse af modelleret potentiale, nedsivning til øverste grundvandsmagasin samt grundvandsdannelse og perkolationstid til det primære magasin. Desuden er middelværdier for nedsivning og grundvandsdannelse i modelområdet beregnet. Ved simple metoder er infiltrations- og udstrømningsområder søgt afgrænset, og perkolationstid til primært magasin er beregnet ved simpel stempelstrømningsmetode. Der er desuden foretaget en kort beskrivelse af geokemiske forhold og vandindvindingsforhold. Endelig er der for større udvalgte vandværker foretaget en modelsimulering af indvindingsoplande og infiltrationsområder til udvalgte kildepladser.

Ud fra de tre områder er resultaterne af vurderingen søgt generaliseret til geologiske forhold som er typiske i Danmark. Denne generalisering tager udgangspunkt i en hydrogeologisk tolkningsmodel. For hvert typeområde er anbefalet brug af simple metoder (temakort eller analytiske modeller/evt. 2D modeller) eller avancerede metoder (3D grundvandsmodeller).

I de tre områder Østfyn, Midtjylland og Sydvestjylland er grundvandsdannelsen til de dybe primære magasiner kun 20-25 % af nedsivningen til de øvre magasiner. Ved anvendelse af simple metoder vil man ikke have et præcist kendskab til grundvandsdannelsens størrelse til det pågældende dybe magasin, ligesom den arealmæssige fordeling ikke kan vurderes. En afgrænsning af hvilke arealer som primært bidrager med grundvandsdannelse, bliver derfor meget usikker ved brug af simple metoder. Undersøgelsen viser at simple metoder overvejende kan anvendes til zonering af grundvandsmagasiner i de tilfælde hvor magasinsystemet er relativt simpelt i sin opbygning, hvorimod zonering af flerlagsmagasiner eller komplekse magasinforhold forudsætter en nærmere analyse ved hjælp af en 3D grundvandsmodel samt partikelbanemodellering.

Fastlæggelse af infiltrationsområder og indvindingsoplande til kildepladser vurderes meget usikker ved brug af simple metoder. Det vurderes at en sikkerhedszone på 3-5 gange det optimale areal typisk vil være nødvendigt til fastlæggelse af indvindingsoplandet ved brug af simple metoder. Usikkerheder ved modelbaserede metoder vil være væsentligt mindre, såfremt der foreligger en veldokumenteret 3D grundvandsmodel. Grundvandsmagasiner som har relativ simpel hydrogeologisk opbygning, kan i mange tilfælde afgrænses ved hjælp af simple metoder (temakort, analytiske eller 2D modeller), hvorimod afgrænsning af indvindingsoplande for mere komplekse grundvandsmagasiner forudsætter en nærmere kortlægning af vandførende og lavpermeable lag samt 3D partikelbane modellering.

Konklusion

Simple metoder er generelt for usikre for en pålidelig afgrænsning af distribueret grundvandsdannelse og vurdering af gradientforhold. 3D grundvandsmodeller bør være et krav både i planlægningsfasen og under/efter detailkortlægningen, som et centralt element i analysen af zoneafgrænsningen.

Udgangspunktet vil være en indledende dataanalyse ud fra eksisterende data, indsigt i betydningen af sprækker og sandvinduer, stofspecifikke forhold og med opstilling af en hydrogeologisk tolkningsmodel. Herudfra fastlægges det nærmere behov for detaljeret kortlægning af grundvandsmagasiner og lavpermeable lag.

I den detaljerede kortlægning kan anvendes forskellige metoder afhængigt af om målet er vurdering af sårbare/følsomme områder med hensyn til nitrat, pesticider eller øvrige stofgrupper, bl.a. supplerende boringer, geofysik, potentiale- og vandtypebestemmelser, aldersdatering mm. Denne fremgangsmåde sikrer konsistens og sammenhæng i detailkortlægningen i forhold prioriteringen af områderne og detaljerede indsatsplaner for de konkrete områder.

Opstillingen af 3D grundvandsmodeller giver desuden mulighed for analyser af hvilke konsekvenser af ændringer i indvindingsstruktur, arealanvendelse og klima har for afgrænsningen af sårbare/følsomme områder, herunder afgrænsning af indvindingsoplande og infiltrationsområder.