|
Afslutning af ådalstypologi 3 Specifik tilvækst i medianminimum vandføring
Dette kapitel omhandler udvikling af et GIS redskab til beregning og udtegning af kort over specifik tilvækst i medianminimum vandføring i vandløb (projektets aktivitet 2). Denne størrelse anvendes i forbindelse med GOI typologien som led i klassifice-ring af Ådalstyper samt til estimering af strømning gennem ådalen til vandløbet (Nilsson et al., 2003; Dahl et al., 2004). Det antages at medianminimum vandføring kan anvendes som estimat for den faktiske udstrømning af grundvand efter en lang tør periode. I områder med betydelige oppumpninger af grundvand vil medianminimum vandføringen være stærkt påvirket, hvorfor metoden ikke er velegnet til bestemmelse af det naturlige (oprindelige) grundvandsbidrag her. 3.1 Medianminimum vandføringMedianminimum vandføring er et mål for minimumvandføringen i et vandløb. Den beregnes som medianen af den årlige minimum vandføring i et vandløb, typisk over en periode på mindst 20 år. Medianminimum vandføringen, som dermed er en værdi, der i gennemsnit bliver underskredet hvert andet år, har i mange år været anvendt af amterne i forbindelse med administration af vandløb. Størrelsen anvendes således til belysning af muligheder for indvinding af overfladevand, samt til vurdering af vandressourcer, specielt ved karakterisering af grundvandsafstrømning fra dybere magasiner. Størrelsen indgår også som reference ved dambrugsforvaltning og forvaltning af udledning fra rensningsanlæg. Når vandføringen i vandløb efter en længere tør periode om sommeren er reduceret til medianminimum, sker den naturlige tilstrømning til vandløb kun fra grundvandsmagasiner. Hertil kan komme et - ikke naturligt - bidrag fra spildevandsudledninger. I større vandløbssystemer er målestationer etableret til bestemmelse af døgnmiddelvandføring. Ved disse målestationer råder man over de længste observationsserier, og medianminimum vandføringen kan bestemmes med god nøjagtighed. En helt nøjagtig bestemmelse af medianminimum vandføringen i alle grene af et vandløbssystem ville kræve en registrering af den daglige vandføring i alle grenene i en lang årrække. Da det er en uoverkommelig opgave, må man anvende andre metoder, når medianminimum ønskes fastlagt. Dette foretages ved hjælp af synkronmålinger indenfor et helt vandløbssystem inden for et relativt kort tidsrum. Vandføringsmålinger foretages på et tidspunkt, hvor afstrømningsforholdene er sammenlignelige med afstrømningsforholdene ved udvalgte referencestationer. Bedst er et tidspunkt, hvor afstrømningen ved referencestationerne har været kontinuert faldende efter en længere tør periode, og er faldet til et niveau omkring medianminimum. På baggrund af måleserierne foretages en konvertering af vandføringen i de enkelte målepunkter ved hjælp af en omsætningsfaktor fra den målte værdi til en medianminimum vandføringsværdi. De resulterende medianminimum vandføringer er gældende for de enkelte målestationer. De lokale variationer, der kan fremkomme mellem to målesteder, skal altid tolkes med forbehold, da de kan være et resultat af variationer knyttet til selve måledagen, såvel som måleusikkerhed. I enkelte vandløb har lokale udsving på måledagen påvirket vandløbene i en sådan grad, at en modelberegning af medianminimum vandføringen kan være nødvendig. Påvirkningerne er som oftest forårsaget af spildevandsbølger, usikkerheder på enkeltmålinger og nedbørspåvirkninger. Modelberegning af vandføringens kontinuerte forløb i en medianminimum situation kan udjævne disse udsving. Det enkelte års minimum vandføring kan afvige betydeligt fra medianminimum vandføringen. I meget tørre år kommer niveauet i mange vandløb ned under halvdelen af medianminimum, og i nogen vandløb helt ned på omkring en fjerdedel. Som en konsekvens heraf er fastsættelsen af medianminimum vandføringen følsom overfor valg af beregningsperiodens længde og starttidspunkt. 3.2 Kravspecifikationer til GIS redskabAnvendelse af nedenstående GIS procedure kræver at den udførende institution er i besiddelse af enten ArcView (fra 3.2), MAPINFO (fra 6.0) eller ArcGIS samt digitale data, der repræsenterer vandløb på de strækninger, hvor der foreligger målinger af medianminimum vandføring, samt koordinater for placering af medianminimum målestationerne. Programmerne dækker de GIS redskaber amterne typisk anvender, og som dermed er oplagte at benytte sig af i forbindelse med opgaveløsningen. Det er desuden muligt at konvertere filerne mellem programmerne. Det anbefales, at man anvender ArcView / ArcGIS, da der hertil er udviklet langt flere tillægsprogrammer, som er gratis. 3.3 Beskrivelse af GIS redskabI det følgende præsenteres en trinvis GIS procedure til beregning af stræknings- og oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring langs vandløb (tabel 3.1). Tabel 3.1. GIS procedure til beregning af stræknings- og oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring.
3.3.1 Trin A: Sammenhæng i vandløbsnetværkFor at kunne beregne tilvæksten i medianminimum vandføring langs en vandløbsstrækning ved hjælp af GIS er det som udgangspunkt nødvendigt, at vandløbsnetværket er sammenhængende. Hul i vandløbsstrækninger kan især opstå, hvor vandløb er rørlagt, eller fordi digitaliseringen har været for dårlig. Samling af vandløbene (snapping) kan enten være baseret på nogle automatiske rutiner eller en manuel bearbejdning i et af de tre ovennævnte GIS programmer (Arcview, ArcGIS eller MAPINFO). Figur 3.1 viser et eksempel herpå. Figur 3.1. Eksempel hvor rørlagte strækninger, som danner huller i vandløbsnetværket (til venstre) udfyldes, så netværket bliver sammenhængende (til højre). 3.3.2 Trin B: Entydig vandløbs-IDDen videre bearbejdning kræver, at hvert vandløb, for hvilke beregningerne skal gennemføres, kun har ét startsted og ét slutsted. Det vil sige, at alle objekter med en bestemt entydig vandløbs-ID, skal kunne udgøre en samlet strækning. Dette betyder også, at et sidevandløb (et segment) til et givet vandløb nødvendigvis skal have en selvstændig ID, og at alle vandløb kun må bestå af ét segment, der ikke er underopdelt. Delstrækninger, der tilhører det samme vandløbssegment, samles ved hjælp af en 'dissolve' funktion (ArcView og ArcGIS) eller 'kombiner' funktion (Mapinfo). Det er vigtigt, at alle vandløb tildeles en entydig ID, der konsekvent benyttes i det videre forløb (figur 3.2). Figur 3.2. Tildeling af entydigt vandløbs-ID (segmentering). 3.3.3 Trin C: Vandløbets strømningsretningAfhængigt af digitaliseringsretning kan vandløb i et digitaliseret vandløbstema vende en vilkårlig vej. I den aktuelle sammenhæng er det vigtigt, at vandløbene løber i nedstrøms retning, når beregningerne langs strækningerne udføres (figur 3.3). Dertil anvendes kommandoen 'flip' i ArcView-tillægsprogrammer som Flip.avx eller Routesurvey.avx (begge kan hentes gratis på ESRI's hjemmeside, http://arcscripts.esri.com/), eller 'Vend linie' i Mapinfo's 'kommunepakke (COWI), Mapinfo's 'multipakke' (COWI), Mapinfo's VandløbTools (produceret af tidligere Kampsax Geoplan, Odense) eller 'spatial SQL'. De sidstnævnte hjælpeprogrammer er ikke gratis.
Figur 3.3. Ensretning af vandløbs strømningsretning. 3.3.4 Trin D: StationeringTildeling af stationering (afstandsangivelse) er påkrævet for at man efterfølgende kan beregne tilvækst i medianminimum vandføring, samt afstande og oplande mellem målestationer langs vandløbene. Et vandløbs nulpunkt defineres ved udløb i andet vandløb eller i havet. Herfra foretages stationeringen i opstrøms retning. Stationeringen angives i meter (se figur 3.4). Til stationering kan der for eksempel anvendes Mapinfo's VandløbTools eller 'toolbox 1.07. Det sidstnævnte program kan downloades gratis fra http://www.routeware.dk/toolbox.php. Problemet med disse programmer er, at stationering ikke er præcist relateret til punktets beliggenhed, men foretages med 100 meters interval. Alternativt findes der gratis programmer til Arcview (extensions) såsom divid2.avx, som opretter et punkttema med information om afstand fra udløbet. Disse afstandsangivelser kan bagefter overføres til vandløbstemaet ved hjælp af Point & Polyline Tools v1.2.avx (ligeledes gratis på ESRI's hjemmeside). Figur 3.4. Kilometrering (afstandsangivelse). I starten er strækningerne uden information om afstand fra havet eller fra udløbspunktet til et overordnet vandløb (til venstre). Derefter foretages en segmentering af vandløbene, og der tilføjes samtidig den ønskede afstandsangivelse fra udløbspunkterne (i midten). Denne information relateres efterfølgende til de enkelte segmenters startpunkter (til højre). 3.3.5 Trin E: Overførsel af medianminimum vandføringsværdierOverførslen af medianminimum vandføringsværdierne sker ved hjælp af en 'near relation' procedure mellem punkterne på vandløbstrækningen og målepunkterne, som foreligger i et separat tema. Målepunkterne flyttes til de nærmeste vandløbs-strækninger. Det er vigtigt at kontrollere, at dette udføres korrekt. Til dette kan man anvende gratis tillægsprogrammer til henholdsvis ArcView (Point & Polyline Tools v1.2.avx) og ArcGIS (snap and split program). Simple løsninger til brug med Mapinfo er ikke kendt. Det anbefales derfor, at man enten bruger et af de andre GIS programmer (ArcView / ArcGIS), at man selv programmerer løsningen ved hjælp af Mapbasic, eller at man anvender et af de tillægsprogrammer, der er nævnt under Trin C. 3.3.6 Trin F: Beregning af tilvækst i medianminimum vandføringEfter stationeringen er tilføjet, er det muligt at beregne tilvækst i medianminimum vandføring mellem målepunkterne (se eksempel i tabel 3.2). Tabel 3.2. Oplysninger der anvendes til at beregne tilvækst i medianminimum vandføring langs et vandløb.
Den første kolonne indeholder en identifikation for hvert vandløb, mens 'løbende nummer' kendetegner delstrækninger. Hver af disse delstrækninger starter og slutter ved en medianminimum målestation. Stationerne er sorteret i rækkefølge fra kilde til udløb i hovedvandløb eller hav. De næste to kolonner indeholder kilometrering for startpunkt og slutpunkt for hver delstrækning. De næste to kolonner indeholder medianminimumværdien ved slutpunktet (Mmin) og ved startpunktet (Mmin-1). De sidste to kolonner viser beregnet absolut tilvækst og strækningsspecifik tilvækst i medianmiumum vandføring mellem to stationer. Alternativt kan der anvendes et tillægsprogram til Arcview, der hedder ArcNodeTopology.avx (kan hentes gratis fra Esri's hjemmeside), som opretter 'punkt til punkt' relationer mellem delstrækninger langs en sammenhængende strækning, eller et Visual Basic program, der hedder 'Calculate Fnode Tnode 1.1' (gratis tilgængeligt fra Esri's hjemmeside), som kan anvendes til at oprette de samme relationer, og kan anvendes sammen med ArcGIS.
Figur 3.5. Beregning af tilvækst i medianminimum vandføring. Beregningerne foretages fra målepunkter der ligger bagved et sidetilløb (punkterne 1, 3 og 5) til målepunkter der ligger foran et tilløb (punkterne 2, 4 og 6). 3.3.7 Trin G: Beregning af stræknings- og oplandspecifikke værdierDet har hidtil været al.mindelig praksis i Danmark at relatere medianminimum vandføringen til det topografiske opland for at opnå sammenlignelige relative værdier. I medianminimum situationen er det imidlertid grundvandsoplandet, der bidrager med tilstrømning til vandløbene. Dette er tilfældet både for de overflade-nære magasiner og for de dybereliggende magasiner, som det er beskrevet i Dahl et al. (2005). Ved brug af topografiske oplande opnås derfor ikke et korrekt billede af fordelingen af grundvandstilstrømningen. Da størrelsen af grundvandsoplandet imidlertid ikke kendes, især ikke for de overfladenære magasiner, anbefales det i stedet at relatere grundvandstilstrømningen til den vandløbsstrækning, der modtager vandet. For at illustrere forskellen på de to metoder er de anvendt til fremstilling af kort over henholdsvis oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring (baseret på topografisk opland mellem målestationer) og strækningsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring (baseret på afstande mellem målestationer). Princippet i beregningerne er vist i figur 3.6. Den oplandsspecifikke værdi for strækningen fra udspring til vandføringsstation I beregnes som (Q1- 0) / A1, og for strækningen mellem station I og II som (Q2-Q1) / A2. De topografiske oplande til hver målestation er bestemt af Hedeselskabet (1995). Tilsvarende beregnes den strækningsspecifikke værdi for strækningen fra udspring til vandføringsstation I som (Q1 – 0) / L1, og for strækningen fra station I til II som (Q2 – Q1) / L2. Nedenfor angives metoder til beregning af længden af vandløbsstrækningen mellem målestationerne.
Figur 3.6. Beregning af stræknings- og oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring. Beregning af længde af vandløbsstrækning (L) mellem målestationer Når længden af vandløbsstrækningen mellem målestationer (L) skal indgå i beregningen, vil man stå over for det problem, at kortgrundlaget og digitalise-ringsnøjagtigheden vil have indflydelse på længdeberegningen. For et specifikt udsnit af en vandløbsstrækning langs Sallinge Å og Odense Å fås f.eks.. følgende værdier:
Den korteste er 3 % kortere end den længste – der er altså ikke tale om en voldsom forskel. Hvis målestationer ligger tilstrækkeligt tæt, kan man vælge at benytte afstanden i lige linie mellem stationerne, som den længde (L), der indgår i beregningerne. For et mindre udsnit af ovennævnte vandløbsstrækning (fra første til sidste målestation) giver en længdeberegning langs GEUS's vandløbstema 58490 m, mens den retlinede rute gennem målestationerne giver 47380. Dette giver naturligvis en mere markant forskel, hvor den lave værdi er 19 % mindre end den høje. Anvendes de to forskellige længdeberegninger til beregning af stræknings-specifik tilvækst i medianminimum vandføring fremkommer resultaterne præsenteret i figur 3.7. Som forventet vil værdierne baseret på den rette linie mellem målestationerne være større, da tilvæksten i vandføring divideres med et mindre tal. Det konkluderes, at det ikke generelt kan anbefales at anvende afstanden i lige linie mellem målestationer.
Figur 3.7. Strækningsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring beregnet udfra afstande henholdsvis langs vandløb (blå), og langs ret linie (grå) mellem målestationer. Den mest kontrollerbare løsning vil da være at gå ud fra et givet veldefineret tema (f.eks.. TOP10DK (Kort 10 /Vektor)) og underkaste dette en generalisering med en veldefineret al.goritme, f.eks.. Douglas-Peuker med en passende tolerance, f.eks.. 300 m. Figur 3.8 viser en vandløbsstrækning før og efter en sådan generalisering.
Figur 3.8. Beregning af vandløbslængde langs GEUS’s vandløbstema (blå) og en generaliseret rute (Douglas-Peuker algoritme – rød). Det må derfor anbefales, at en sådan generalisering udføres, når der skal laves sammenlignelige beregninger baseret på et varieret kortgrundlag. I de nedenstående beregninger er generaliseringen imidlertid ikke udført, da det anvendte vandløbstema i forvejen havde en passende generaliseringsgrad. 3.4 Eksempel fra Odense Å oplandetSom eksempel på beregning af de specifikke værdier er vandløbene i Odense Å oplandet anvendt. I figur 3.9 er de strækningsspecifikke værdier illustreret, mens de oplandsspecifikke værdier er præsenteret i figur 3.10. Ved en hensigtsmæssig intervalinddeling af skalaen på de to kort fremkommer en fordeling af værdierne, der overordnet set er sammenlignelig. Dette fremgår af figur 3.11, hvor de specifikke værdier langs Sallinge Å og Odense Å er illustreret. Figur 3.9. Strækningsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring (l/s/km vandløb) i Odense Å oplandet. Figur 3.10. Oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring (l/s/km² topografisk opland) i Odense Å oplandet.
Figur 3.11. Stræknings- og oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring langs Sallinge Å (fra ca 5 km's afstand fra udspringet til sammenløbet med Odense Å i ca 26 km) og Odense Å (ca 26 km til 63 km nær udløbet i Odense Fjord). I medianminimum situationen strømmer der generelt ikke grundvand ud ved vandløbsudspringene. Langs de øvre strækninger af vandløbene ligger værdierne på henholdsvis 0-5 l/s/km og 0-2 l/s/km². Langs de midterste strækninger findes generelt de største værdier på henholdsvis 5-20 l/s/km og 2-10 l/s/km². Langs de nedre strækninger falder værdierne igen til henholdsvis 5-10 l/s/km og 0- 4 l/s/km². Dette forløb, der er nærmere kommenteret i Dahl et al. (2004), illustrerer vandløbenes kontakt med de bidragende grundvandsmagasiner. De store værdier findes således i det regionale udstrømningsområde for et stort regionalt magasin, der rækker langt ud over det topografiske opland, mens de mindre værdier findes i udstrømningsområder for overfladenære, mindre magasiner, hvis udstrækning sandsynligvis nogle gange er i overensstemmelse med det topografiske opland, mens det nogle gange ikke er i overensstemmelse hermed. Af figur 3.11 fremgår nogle meget store værdier ved begge metoder. De to meget store strækningsspecifikke værdier findes ved tilløbet af store sidevandløb. De skyldes derfor sandsynligvis usikkerhed i bestemmelsen af medianminimum vandføringen. Årsagen til de to meget store oplandsspecifikke værdier skal derimod sandsynligvis findes i bestemmelsen af det tilhørende topografiske opland. Der bør derfor ses bort fra disse urealistisk store værdier. For langt hovedparten af strækningerne er der udstrømning af grundvand til vandløbene. Der er dog også få strækninger (se figur 3.9 og 3.10), hvor vandløbsvand infiltrerer ned i et tilgrænsende grundvandsmagasin, hvorved vandføringen mindskes i nedstrøms retning (negativ tilvækst). Udfra figur 3.11 fremgår det, at der ikke er overensstemmelse mellem forløbet af de stræknings- og oplandsspecifikke værdier. Forløbet af de strækningsspecifikke værdier er rimeligt jævnt, mens de oplandsspecifikke værdier varierer meget mere. Nogle gange ligger de over, nogle gange under de strækningsspecifikke. Dette kan med stor forsigtighed anvendes som indikation på størrelsesforholdet mellem det topografiske opland og grundvandsoplandet, under antagelse af, at der er et nogenlunde konstant forhold mellem længden af vandløbsstrækningen (L) og det topografiske opland (A) mellem to målestationer (se figur 3.6):
På basis af ovenstående diskussion anbefales det i fremtiden primært at anvende kortet over den strækningsspecifikke tilvækst i medianminimum vandføring ved administration af sammenhængen mellem grundvand og overfladevand, da det giver det mest korrekte billede af den relative fordeling af grundvandsudstrøm-ningen til vandløb. Kortet over oplandsspecifik tilvækst i medianminimum vandføring kan dog støtte de hydrologiske tolkninger af sammenhængen, som beskrevet ovenfor. 3.5 Status for medianminimum vandføring i DanmarkDer er i oktober 2004 foretaget en spørgeskemaundersøgelse vedrørende data for medianminimum vandføring i amterne. Formålet med undersøgelsen er at give et overblik over antallet af datapunkter, homogenitet, dataformat og relaterede parametre. Undersøgelsens resultater er opsummeret i de nedenstående tabeller og i figur 3.12. Sammenfattende kan det konkluderes, at de omkring 5600 målestationer med data for medianminimum vandføring er rimeligt jævnt fordelt i Danmark. Metoden til fastlæggelse er den samme i alle amter, men den referenceperiode, der anvendes til opgørelserne, varierer noget mellem amterne. Dette medfører en mindre inhomogenitet i de samlede data. Endvidere er der regionale forskelle på tidspunktet for målinger og beregninger, hvilket gør det samlede datasæt yderligere inhomogent. På trods af dette vurderes det, at datasættet kan anvendes til en samlet oversigt til belysning af samspillet mellem grundvand og overfladevand, herunder medianminimum vandføringens geografiske fordeling. Tabel 3.3. Status for synkronmålinger og medianminimum vandføring i amterne.
Tabel 3.4. Amtsvis opgørelse over antal medianminimum vandføringsmålestationer.
Figur 3.12 Dækningsgrad i amter af målestationer, hvor der foretages synkronmålinger til beregning af medianminimum vandføring. Figur 3.13 viser en grov fordelingen af medianminimum afstrømning for hele landet. Kortet er baseret på 243 målestationer som var i drift den 1. januar 1999, hvor der kontinuerligt registreres vandstand og måles afstrømning i vandløb ifølge Fagdatacenter for Hydrometri (DMU). Dette stationsnet giver et direkte kendskab til medianminimum afstrømningen fra ca. 55 % af landets areal. Derudover findes et antal stationer, hvor vandføringen fastlægges ved enkeltmålinger, der relateres til en nærliggende referencestation samt en del stationer, hvor der kun registreres vandstand. Kortet er fremstillet ved interpolation mellem værdier beregnet som medianminimum vandføring divideret med det samlede opstrøms beliggende topografiske opland til målestationen. Kortet viser derved ikke en oplandsspecifik tilvækst for delstrækninger mellem målestationerne som figur 3.10 og er derfor ikke sammenligneligt hermed. Et landsdækkende kort over stræknings- og oplandsspecifik tilvækst i median-minimum vandføring er ikke udarbejdet. Udfra ovenstående diskussion anbefales det at udarbejde i det mindste det strækningsspecifikke kort til brug for den fremtidige administration af samspillet mellem grundvand og overfladevand.
Figur 3.13. Medianminimum afstrømning i Danmark (Ovesen et al., 2000). 3.6 PerspektiveringI forbindelse med implementering af Vandrammedirektivet er det vigtigt at kunne vurdere sammenhængen mellem grundvand og overfladevand både kvantitativt og kvalitativt. Kort over strækningsspecifik tilvækst i medianminimum vand-føring kan være et vigtigt redskab i denne forbindelse, når grundvandsbidraget skal vurderes. Et væsentligt problem består imidlertid imidlertid i, at der mangler et tilstrækkeligt antal medianminimum vandføringsmålinger, som kan betragtes som repræsentative for en given referenceperiode, og som samtidigt opfylder de krav, der stilles for at kunne beregne tilvæksten langs vandløbsstrækninger. Et andet problem består i, at det ofte er vanskeligt at samle vandløbstemaer på tværs af amtsgrænser. For at minimere eller helt undgå dette problem vil det være en klar fordel, hvis amterne benyttede den samme procedure til beregning af f.eks.. medianminimum vandføring, eller at DMU eller GEUS var ansvarlige for fremstilling og vedligeholdelse af et medianminimum vandføringstema på landsplan. Kort over specifik tilvækst i medianminimum vandføring vil, som de andre værktøjer og metoder udviklet i forbindelse med GOI typologien, kunne anvendes i forbindelse med amternes indsatsplaner og vandplaner. Formålet med disse er at identificere de områder, hvori der skal foretages en indsats for at minimere belastningen af overfladevandområderne, uanset om belastningen stammer fra overfladenær eller dybere grundvandsafstrømning.
|
