|
Vidensstatus for sammenhængen mellem tilstanden i grundvand og overfladevand 2 Det kvantitative samspil mellem grundvand og overfladevandHans Jørgen Henriksen, Jens Peder Jensen og Tage Dalsgaard 2.1 Problemformulering2.1.1 Hvad er den "upåvirkede tilstand"?Tilstand for overfladevand skal efter Vandrammedirektivet vurderes med udgangspunkt i den "upåvirkede tilstand". De hydrologiske forhold vi kender i Danmark i dag er kulturbestemte. Således førte landbrugets dræningsinteresser op gennem 1900-tallet til en regulering af mange vandløb og rørlægning af vandløbsstrækninger. Vådområdernes antal og udstrækning blev derved reduceret. I de senere år har miljøvenlig vedligeholdelse af vandløb, bidraget til en forøget fysisk variation og ændret vandspejlsdynamik i ånære arealer. Samtidig er påbegyndt en genetablering af vådområder. Der er så småt iværksat en storstilet skovrejsning. Urbanisering (befæstede og kloakerede områder, håndtering af spildevand og regnvand) medfører yderligere påvirkning af de fysiske forhold. Endelig giver vandmiljø- indsatsplaner anledning til ændret arealanvendelse. En historisk betinget definition kunne evt. vælges, fx. defineret som den tilstand, vi havde fx. da Jyske Lov blev gennemført (1241), eller da Danske Lov blev vedtaget (1683). Eller man kunne anvende tidspunktet omkring den første grundlov i Danmark (1849) som referenceramme. Problemet med historisk defineret upåvirket tilstand og valg af referenceramme er åbenlyst. Nedenstående tabel (2.1) er blot tænkt som et diskussionsoplæg. Tabel 2.1
De langperiodiske fluktuationer i fx. nedbøren har imidlertid stor betydning for grundvandstand, grundvandsdannelse og afstrømning. Man er derfor nødt til at inddrage denne viden direkte, når man forholder sig til eksempelvis vurdering af konsekvenser af vandindvinding for grundvand og overfladevand, eller i forbindelse med målinger eller simuleringer af grundvandsstanden, afstrømningen eller tilstanden i vådområder i mere begrænsede tidsperioder (se figur 2.1). Figur 2.1 2.1.2 Vandkredsløbet og problemer med vandbalancenEn størrelsesorden for de enkelte led i vandbalancen fx. nedbør (N), aktuel fordampning (E), nettonedbør (N-E), afstrømning (A0), vandindvinding (Q) og underjordisk afstrømning (Au) kan fås fra hydrologiske modeller (fx. DK-model Fyn). I princippet har overfladisk afstrømning begrænset betydning i Danmark, bortset fra i byområder. Normalt anslår man denne komponent til få % af nedbøren, dvs. maksimalt 10-25 mm/år i områder uden befæstede arealer. Drænafstrømningen er i figur 2.2 vurderet til 145 mm/år for Fyn. Grundvandsafstrømningen til vandløb er vurderet til ca. 38 mm/år. Sidstnævnte to komponenter er pr. definition (jf. Vandrammedirektivet) "grundvandskomponenter". Vandindvindingen udgør til sammenligning for Fyn ca. 16 mm/år. Den underjordiske afstrømning til havet udgør typisk ca. 10 mm/år, men er generelt dårligt kendt. I vandbalancen for Fyn ses en noget større underjordisk afstrømning, hvilket har modeltekniske årsager, idet randbetingelsen her er modelranden (fastholdt tryk) og ikke den egentlige afstrømning til havet. Dvs. en stor del af afstrømningen til randen (20-30 mm/pr) må antages at ske til drænsystemer og vandløb beliggende udenfor modelranden i kystzonen. Tallene for Fyn giver et bud på størrelsesordenen af den overfladenære grundvandsafstrømning gennem kunstige drænsystemer (markdræn, bygningsdræn mv. evt. vand som infiltrerer i ledningssystemer gennem utætte samlinger mv.), men omfatter desuden grundvandsafstrømning til naturlige "drænsystemer" (øvre permeable jordlag, grøfter mv.). Den samlede drænvandsmængde fx. fra markdræn er bestemt af grundvandsspejlet beliggenhed, ledningssystemets tilstand samt af jordlagenes art. På vandløbsnære arealer er jordbunden sædvanligvis heterogen med mange tynde lag af sand, silt, ler og gytje, som har betydning for hvor udvekslingen nærmere foregår. Der er foretaget målinger på drænafstrømning fx. i forbindelse med Suså undersøgelsen, nitratforskning (NPO), landovervågningen (LOOP) og desuden i forbindelse med overvågning af pesticidudvaskning (VAP).
Figur 2.2 Normalt modelleres drænafstrømning meget forenklet, idet der hverken findes datagrundlag eller brugbare metoder til parameterisering af fx. en rumligt distribueret dræntidskonstant. Der er måske behov for at kunne karakterisere drænafstrømningen i forskellige komponenter fx. med udgangspunkt i "opholdstid" i systemet (drænvand er en "integrator" for såvel de hurtige afstrømningskomponenter med meget kort opholdstid til den langsommere, mere konstante grundvandsafstrømning fra dybere magasiner, afhængigt af den fysiske placering af de enkelte drænstrenge, marker mv.). Der er i Danmark foretaget hydrologiske studier for en række oplande: Suså, Karup Å, Tude Å, Als, Århus, Odense mm. (se fx. Rasmussen et al., 1995). Disse undersøgelser er typisk gennemført for 10-20 år siden. Det var tilsyneladende muligt at få overensstemmelse i vandbalancen dengang, evt. med visse ændringer fx. i antagelser vedr. potentiel fordampning. Nyere undersøgelser baseret på nye klimadata fra DMI viser at vandbalancen ikke længere "går op" for danske forhold (Refsgaard et al., 2001). Det vil sige at der tilsyneladende ikke længere er konsistens mellem de officielle estimater for nedbør, fordampning og afstrømning. Der er dermed opstået et behov for en samlet forståelse af vandbalancen. Det må kræves at såvel punktmålinger som interpolerede gridværdier på forskellig skala (punkt, mark, opland, grid: 10x10 km2 og 40x40 km2) er konsistente og pålidelige. Dette er vigtigt, såfremt det fortsat skal være muligt at foretage kalibrering og validering af hydrologiske modeller. Hvis ikke klimainputtet er realistisk vil de opstillede nøjagtighedskrav ikke kunne opfyldes. Forkerte klimainput vil typisk medføre parameterværdier som ikke er beliggende indenfor realistiske grænser. Modeller er nødvendige hvis der skal foretages analyser af samspillet mellem grundvand og overfladevand med kvantificering af betydningen af menneskeskabet påvirkninger. Det er derfor af stor vigtighed og relevans at få kigget nærmere på problemet med vandbalancen, således at der kan etableres det nødvendige vidensgrundlag for tilvejebringelsen af et landsdækkende og konsistent datagrundlag til brug for vandbalancevurderinger på punkt-, mark-, oplands- og gridskala. Årsagerne til inkonsistensen i vandbalancen kan skyldes en række forhold fx. nedbørskorrektion, beregning af potentiel fordampning (valg af metode og betydning af vegetationsforhold fx. skov, vådområder, bestemte afgrøder og dyrkningsforhold mv.), interpolation fra punktværdier til gridværdier eller distribuering af fx. 40x40 km2 gridværdier på 1x1 km2 gridværdier i den hydrologiske model. Der synes desuden at være et mere specifikt behov for at opbygge viden omkring fx. hvordan man bestemmer vandbalancen for skovområder. 2.1.3 Samspil mellem grundvand og overfladevandGrundvand bidrager til afstrømning og overfladevand via en række forskellige komponenter:
Vandudvekslingen mellem grundvand og overfladevand afhænger af 3 forhold: 1) gradient mellem trykniveau i grundvand og overfladevand (fx. vandstand, drænniveau eller topografi), 2) kontaktzonens udstrækning ("hyphorheic zone") og 3) hydraulisk ledningsevne af denne zone
Figur 2.3 Udvekslingen mellem grundvand og overfladevand afhænger ikke kun af de lokale forhold omkring vandløbet men er i væsentlig grad afhængig af regionale forhold vedrørende grundvandsdannelse, vandindvinding og hydrauliske parametre for grundvandssystemet som helhed. Udvekslingen mellem grundvand og vandløb er dermed afhængige af såvel regionale som lokale geologiske forhold omkring vandløb, søer eller i kystzonen. En grundvandsindvinding vil påvirke (reducere) vandføringen i vandløbet. Størrelsen og den tidslige udvikling i denne påvirkning vil være afhængig af de geologiske forhold i de ånære områder samt af boringens placering i forhold til vandløbssystemet (Sophocleous, 2000). Der findes såvel analytiske som numeriske modeller til at beregne vandløbspåvirkninger (Stang, 1982; Hunt, 1999), se Figur 2.4. Nyere undersøgelser (Nyholm, 2000) antyder at de analytiske metoder ikke er så nøjagtige som tre-dimensionale numeriske modeller til at beregne vandføringspåvirkninger. Et vidensproblem i forbindelse med beregninger af vandløbspåvirkninger består i dels at vurdere dels en korrekt "konceptuel model" for typen på udveksling/påvirkning, og dels at skønne den såkaldte "lækagekoefficient" (hydrauliske ledningsevne divideret med fx. tykkelsen af "modstandslaget"). Et forsøg på at klassificere et ånært område ud fra geologiske og morfologiske kriterier med den målsætning at forklare den stedlige variation af lækagekoefficienterne i Haller Å er for tiden emne for et PhD studie på Aarhus Universitet (Langhoff, 2001). Der har i forbindelse med DK-modellen været forsøgt klassifikation udfra morfologiske og geologiske indgangsvinkler på større skala, men hidtil uden større succes med hensyn til at identificere en generelt brugbar metodik (Dahl et al., 1997).
Figur 2.4 Samspil mellem grundvand og overfladevand for forskellige dele af systemerne findes beskrevet i udenlandsk litteratur:
Et særligt problem er forbundet med den dynamiske karakter af vandløbsbundens (evt. søer eller kystnære områder) hydrauliske egenskaber. Permeabilitetsforhold er således ikke nødvendigvis en konstant størrelse. Permeabiliteten kan derimod afhænge af kontaktzonens udstrækning (i tid og sted; Woessner, 2000). Undersøgelser fra udlandet viser (Younger et al., 1993), at gradienten mellem grundvandstrykniveau og vandstand i overfladevand, også kan spille en rolle for permeabilitetsforholdene (clogging ved udsivning fra overfladevand til grundvand med væsentligt lavere hydraulisk ledningsevne, hvorimod stor udstrømning af grundvand kan løfte fine partikler væk fra bunden, så der opretholdes en god kontakt). Der foregår i vandløbet (eller i søer og kystnære områder) desuden omlejringer af bundsediment i tid, som kan have en betydning for de mere lokale ud- og indstrømningsforhold, herunder "bank storage". Forståelse af disse forhold forudsætter mere lokale proces- og feltstudier ved forskellige geologiske forhold, og lokaliseret ved de forskellige hydrologiske regimer (øvre, mellem og nedre strækninger eller for søer og kystnære områder bredzone og større afstande fra bredzone), med bestemmelse af masseflux og strømningsveje, ved inddragelse af vandkemi, datering, tracere, temperatur mv. Vi savner generelt i dag en tilstrækkelig viden til at vi kan "linke" distribueringen af forskellige parametre (fx. vandløbslækage, drænkonstant osv.) til geologiske og morfologiske kriterier, sådan som vi er i stand til at gøre det fx. for hydraulisk ledningsevne i grundvandssystemet (hydrofacies). 2.2 Grundvandets betydning for vandmængderne i vandløb
Figur 2.5 Grundvandsafstrømningen til vandløbene foregår via vandførende, løse sedimenter samt i revner og sprækker i tætte bjergarter. For en vanddråbe kan der være lang vej ned til det nedre, primære grundvandsmagasin. Selvom knap halvdelen af nedbøren fordamper fra rodzonen, fortsætter den del der ikke fordamper, drevet af tyngdekraften gennem umættet zone til grundvandsspejlet (se figur 2.5). Når vandet når grundvandsspejlet bestemmer grundvandets strømningsveje den videre skæbne. Vanddråben kan i princippet havne i en indvindingsboring, tage turen gennem de øvre eller dybere magasiner eller hurtigt afstrømme til et dræn og herfra til vandløb. Grundvandets strømningsveje er et produkt af de hydrauliske forhold i grundvandssystemet, topografi, nedsivningens størrelse, placering af vandløb, dræn og vandindvinding (randbetingelser). Alt efter de nærmere geologiske forhold og "randbetingelser" kan opholdstiden i grundvandet variere fra få dage eller måneder, til år, århundreder eller endog årtusinder. Den afstrømning vi på en bestemt dag kan måle i et vandløbsprofil eller udtage med en "vandprøve", er derfor en "integration" af vanddråber med mange forskellige aldre og herkomster (afhængigt af den samlede afstrømnings strømningsvej denne dag). Det samme gælder, blot i mindre skala, for afstrømningen fra et drænopland. Langt størstedelen af de vanddråber som når vandløbene, har altså været "en kortere eller længere tur" i grundvandet. Kun vanddråbens alder og evt. andre "arealrelaterede eller geokemiske fingeraftryk", rummer en potentiel nøgle til "afkodning" af en bestemt vanddråbes strømningsvej, opblanding og opholdstid gennem systemet. Typisk må en nærmere forståelse af strømningsveje til vandløb baseres på placering af veldefinerede "overvågningsfiltre" i forskellig dybe i grundvandssystemet og i forskellige afstande fra vandløbet, med en udstrækning som også omfatter de grundvandsdannende områder. Under østdanske forhold, i områder med moræneler (typisk med drænsystemer), tager en betydelig fraktion af nettonedbøren blot en "hurtig tur" til det øverste grundvand, og afstrømmer herfra via dræn til vandløb med en relativ kort opholdstid i grundvandet. Under vestdanske forhold, i områder med sand, passerer derimod en mere betydelig fraktion gennem de lidt dybere grundvandsmagasiner til vandløb samtidig med at opholdstiden i grundvandet er meget større. Disse forhold har også stor betydning for afstrømningens årsrytme, idet drænafstrømningen primært foregår i vinterhalvåret, hvorimod grundvandsafstrømningen (fra det lidt dybere grundvand) er mere jævnt fordelt over året. Til karakterisering af grundvandsafstrømningen (fra dybere magasiner) har man i mange år i Danmark anvendt medianminimum, dvs. den årsminimumsafstrømning man ca. hvert andet år når ned på typisk i sommerperioden. Medianminimum måles typisk i et opland med en målekampagne i juni-august efter en længere tør periode, i et stort antal målepunkter indenfor det samme opland, ved såkaldte synkronmålinger. Den forskel der er ved målestationerne i forhold til det målte medianminimum for en given referenceperiode (fx. 1971-90) korrigeres i forbindelse med bearbejdningen af medianminimumsskøn. Medianminimum anvendes i dag i større eller mindre grad fra amt til amt til en række administrative forhold (bl.a.. tilladelser til spildevandsudledning, dambrugsproduktion, vandindvinding mv.). I forbindelse med Vandrammedirektivet er der imidlertid behov for en mere tidssvarende metode til karakterisering af såvel minimumsafstrømning som dynamik i afstrømningsforløbet, idet ikke kun vandføringens størrelse men også dens variation og varigheden af forskellige hændelser, har betydning for de biologiske forhold i og omkring vandløbet. Inputtet til bedre indikatorer i stedet for medianminimum til karakterisering af minimumsafstrømning og dynamik må komme som et resultat af erfaringer med habitatmodeller i Danmark. Der er i dag et væsentligt tættere net af faste målestationer med kontinuert registrering og tilmed en landsdækkende hydrologisk model, samt modeller på mindre skala. Der er behov for at fastlægge administrativt egnede metoder med et mere tidssvarende snit, baseret på såvel tidsseriedata som hydrologiske modeller. 2.3 Grundvandets betydning for vandmængderne i vådområderVådområder har lighedspunkter med såvel vandløb som søer (se afsnit 2.4). De kan både modtage og afgive vand til og fra grundvand (Gerla, 1999). De kan være primært grundvandsfødte (fx. ved beliggenhed på skråninger hvor der udstrømmer grundvand), men kan også være nedbørsfødte (se figur 2.6).
Figur 2.6 I kystnære områder kan vådområder have mere komplekse vandbalanceforhold, på grund af periodiske vandspejlsvariationer (tidevand, oversvømmelser). Den temporære udsivning fra overfladevand til grundvand (i kortvarige) perioder med højt vandspejl i recipienten (stor afstrømning), og efterfølgende indsivning, når vandstanden igen falder i fx. vandløbet, kalder man "bank storage" (Kondolf et al., 1987; Sjodin et al., 2001). I relation til vådområder, genereres ved bank storage et "lokalt" vandkredsløb i de vandløbsnære arealer, hvor stofferne følger med rundt. Disse arealer kan have stor betydning for stofomsætning og transport (fx. som følge af denitrifikation i iltfrie miljøer). I relation til Vandrammedirektivet har bank storage indirekte betydning for vandstrømningens volumen og dynamik, samt for bredzonens struktur, men også betydning for nedstrøms bundforhold (struktur og substans). Der synes at være et stort vidensbehov omkring beskrivelse af dette dynamiske lokale vandkredsløb, med en direkte link til de ofte meget heterogene geologiske forhold i de ånære arealer. 2.4 Grundvandets betydning for vandmængderne i damme og søerSøer udveksler med overfladevand som en af 3 hovedtyper, enten 1) afdræner de grundvandsmagasinet over hele søarealet, eller de 2) delvist afdræner og delvis afgiver vand til grundvandssystemet, som følge af en gennemstrømning med grundvand, og endelig 3) kan de over hele søarealet afgive vand til grundvandssystemet. Søbundssedimentet vil generelt have større volumener af organiske bundsedimenter, som kan være impermeable og dermed begrænsende for udvekslingen for dele af søarealet. Samtidig kan bølger ved bredzonen fjerne fine sedimenter så kontakten her er god (Winther et al., 1998) I de fleste tilfælde udgør grundvandsdelen kun en mindre del af den samlede hydrauliske tilførsel til de danske søer. En opgørelse over 21 overvågningssøer, der især repræsenterer de større danske søer, viste at grundvandsdelen som gennemsnit udgjorde omkring 10% af den samlede vandbalance (Jensen et al., 1995). Der er dog store forskelle fra sø til sø, og i enkelte søer udgør grundvandsdelen en betydelig del og vil her have stor betydning for søens miljøtilstand. I halvdelen af de undersøgte søer udgør grundvandsindsivning og –udsivning mindre end henholdsvis 8 og 7 % af den samlede vandbalance. I mindre søer uden egentlig overfladetilløb og hvor der er en god kontakt mellem sø og grundvandsmagasin udgør grundvandet formentlig mange steder en væsentlig del af den samlede tilførsel og vil dermed være af stor betydning i relation til for eksempel ændret grundvandsstand. Omfanget og betydningen i disse søer er dog ukendt. Tabel 2.2.
Figur 2.7 Samspillet mellem grundvand og søvand er ikke kun et spørgsmål om grundvandsindsivning. I nogle tilfælde sker der som nævnt ovenfor også en udsivning af søvand til grundvandet. En opgørelse over grundvandsudvekslingen i de 21 overvågningssøer viste således, at der i efterårsperioden i de fleste søer sker en udsivning af grundvand, mens der den øvrige del af året skete en indsivning (Fig. 2.7). Sæsonforløbet af grundvandsudvekslingen peger på, at der generelt er tale om en udveksling med de sekundære grundvandsmagasiner. I den første del af året, hvor de sekundære grundvandsmagasiner er fyldt op, sker der en udtømning til søen, mens der i efteråret, hvor øget afstrømning betyder at søerne fyldes hurtigere op end grundvandsmagasinerne, sker en transport modsatte vej. Som eksempel kan nævnes Arreskov Sø på Fyn (Fyns amt, 1995), hvor beregninger viser, at der kan være store forskelle fra år til år i grundvandsudvekslingen (Jensen et al., 1995). Vidensbehovet for udveksling mellem grundvand og søer, falder indenfor samme problemkreds, som problemet med bank-storage og betydningen af fx. variationen i hydraulisk ledningsevne af søbund og de dybere jordlag, som har betydning for den nærmere vandudveksling mellem grundvandsmagasin og sø. Der er behov for at vurdere egnede metodikker (punktmålinger/tracere/boringer/geofysiske metoder mv.) som kan bidrage til en kortlægning af de geologiske og hydrauliske forhold i og under søbunden (Cherkauer and Carlson, 1997). 2.5 Grundvandets betydning for vandmængderne i de kystnære områderDirekte måling af vandtransporten fra grundvandet til det marine miljø kan være meget arbejdskrævende og en række forskellige indirekte teknikker er blevet anvendt. I Laholms bugten i Sverige er teknikker til identifikation af udsivende ferskt grundvand til kystvande blevet afprøvet (Vanek and Lee 1991). Teknikkerne er baseret på måling af porevandets ledningsevne og på direkte måling af indsivningsraten med "seepage meter". Teknikkerne tillader kortlægning af indsivende ferskvand med fra meter til kilometer opløsning. En anden teknik er blevet anvendt til estimering af grundvandstilførslen til Waquoit Bay Massachussetts, en lukket bugt ca. 1,2 km bred og 3,3 km lang med en gennemsnitlig dybde på 1 m (Cambareri and Eichner 1998). Her er oplandets grundvandsmagasiner og -flow blevet karakteriseret med et stort antal piezometre og boringer. På baggrund heraf samt estimater af grundvandsmagasinernes "recharge" rate er grundvandets flow til bugten modelleret. Det blev fundet at den direkte grundvandstilførsel udgjorde 34%, mens grundvand tilført via floder udgjorde 55% af bugtens samlede vandtilførsel. I studiet fra Waquoit Bay (Cambareri and Eichner 1998) dækker betegnelsen grundvand udelukkende ferskvand. Imidlertid bliver termen "grundvand" også brugt til at betegne saltholdigt vand, der strømmer ud af havbunden. I kystvande med relativt permeable sedimenter og bølgepåvirkning medfører bølgepåvirkningen en nedadrettet strøm af saltvand i bølgeslagszonen (Li et al. 1999). Efter at have passeret gennem sedimentet på sin vej væk fra stranden strømmer vandet igen ud af havbunden. Undervejs kan havvandet opblandes med udstrømmende ferskvand og er ferskvandsstrømmen relativt lille kan denne maskeres af havvandscirkulationen (Simmons 1992), (Li et al. 1999). I situationer, hvor denne cirkulation er betydende, er det vigtigt at kende den, da den ellers kan medføre store overestimater af den ferske grundvandsudstrømning. Således vurderede Moore (Moore 1996) at grundvandsudsivning udgjorde 40% af flodernes tilførsel til South Atlantic Bight, en ca. 300 km lang kyststrækning i South Carolina, USA. Det viste sig, at Moores måleteknik (226Ra berigelse af kystvandet) må have inkluderet det recirkulerende havvand i estimatet for grundvandsudstrømningen. Beregninger baseret på grundvandsmagasinernes "recharge" rate fandt at den ferske grundvandstilførsel til denne kyststrækning kun udgjorde 1,7% af den totale ferskvandstilstrømning (Younger 1996). For at estimere den ferske grundvandsudstrømning er det altså nødvendigt både at kende volumen og salinitet af det udstrømmende vand. 2.6 KonklusionDer er med udgangspunkt i Vandrammedirektivet og udenlandsk litteratur og den eksisterende danske viden, vurderet en række behov for videnopbygning:
|
