Nærværende afsnit har fokus på modelbaseret bestemmelse og karakterisering af grundvands-dannende områder til et specifikt magasin [1]. Afsnittet indledes med definitioner, beskrivelser og udfordringer bl.a. i relation til stationære og dynamiske modeller, herunder beskrivelse af data, der kan understøtte 3D strømnings- og partikelbanesimulering ved brug af dynamiske, integrerede grundvands-overfladevandsmodeller, med henblik på vurdering af beskyttelsesindsatser i de mest sårbare områder vurderet i forhold til et specifikt magasin.

5.14.1 Definitioner og beskrivelse

Nettonedbør (NN) defineres som ”forskellen mellem nedbør og aktuel fordampning, altså den vandmængde som samlet set tilgår det hydrologiske system til grundvandsdannelse og afstrømning” [2].

Grundvandsdannelse (G_sz) defineres som ”det vand, der strømmer fra den umættede zone igennem vandspejlet til mættet zone” (dvs. fra umættet zone - UZ til mættet zone - SZ jf. Freeze and Cherry (1979); heri kan evt. være indeholdt bidrag fra overfladisk afstrømning - OL).

Vandudveksling (VU_{x,x+1 )} : defineres som ”den vertikale flux” mellem to modellag i mættet zone (indicies x og x+1 angiver at der kan være et antal vertikale fluxe mellem ovenfor- og underliggende beregningslag i en flerlagsmodel).

Magasinspecifik grundvandsdannelse (MG_i) defineres som ”grundvandsdannelse ved vandspejl (umættet -> mættet zone), der bidrager til grundvandsdannelse til et specifikt magasin” (index i angiver et specifikt magasin fx KS2).

Vandbalanceforhold og dermed nettonedbør, grundvandsdannelse og vandudveksling udviser stor variabilitet i tid og sted, sæsonmæssigt, fra år til år og i længerevarende trends eller cyklusser, dels som følge af klimaeffekter og dels som følge af naturlige variationer. Disse forhold skal håndteres, hvis man skal foretage en udpegning af grundvandsdannende områder til specifikke magasiner, herunder udpegning af de områder der bidrager til den største grundvandsdannelse, og hvor transporttider er mindst. Dynamiske, integrerede grundvands-overfladevandsmodeller kan holde styr på vandbalance, vandspejsforhold/magasinering og strømning på overfladen, i umættet og mættet zone, og inddrage forskellige kilder og dræn i forhold til mættet zone (SZ). Fra den dynamiske grundvands-overfladevandsmodel bør man udtrække nettonedbøren (NN) over en bestemt tidsperiode, som forskellen mellem nedbør og samlet aktuel fordampning, og bruge det som input til fx en stationær grundvandsmodel ((incl. evt. vanding i markvandingsområder mm. samtidig med at man skal tjekke at magasinering ikke giver fejl på vandbalanceinput til den stationære model). Alternativt, såfremt man ønsker at sammenligne simuleret grundvandsdannelse til mættet zone, kan man evt. udtrække grundvandsdannelse til mættet zone (fx total recharge SZ i MIKE SHE: G _SZ).

Helt stringent er NN det bedste bud på input til den samlede vandbalance og dermed input til grundvandsdannelsen til den stationære grundvandsmodel.

I udtræk af G_SZ indgår omfordeling (mellem SZ og OL, samt evt. bypass flow/macropore flow). I så fald sætter man typisk grids med negative G_SZ værdier til 0 (typisk grids i ådale), men G_SZ kan derudover indeholde grids med grundvandsdannelse fra OL til SZ, med ret store værdier lokalt, ligesom at der kan være fordampning fra SZ [3]. Derfor bør man benytte NN i stedt for G_SZ som input til den stationære grundvandsmodel når man modellerer indvindings- og grundvandsdannende oplande.

Hvor stor en del af nettonedbøren (NN) der siver videre ned og tilgår grundvandsforekomster (MG) afhænger af de hydrogeologiske forhold. Det øverste modellag vil ofte have en del vandudveksling med overland flow (omfordeling af nedbøren), afstrømning til dræn og vandløb og evt. udveksling med UZ som følge af fx fordampning i ånære områder med højt grundvandspejl.. Man kan evt. plotte vandudvekslingen mellem modellag 1 og 2 i mættet zone (VU₁₂) og sammenligne med et plot af NN og/eller G_SZ for at illustrere hvor stor en del af grundvandsdannelsen der siver dybere ned i forhold til den del til tilgår mættet zone.

5.14.2 Eksempel Langeland modellen (Rambøll, 2016)

Som supplement til den grundvandsdannelse, der er udtrukket ved top af magasin (vandudveksling i forhold til ovenfor beliggende modellag), er der beregnet magasin specifik grundvandsdannelse fra terræn til hvert af magasinerne på Langeland (Figur 11).

Hvor vandudveksling trækkes ud direkte fra modellen, er sidstnævnte beregnet ved en kombination af partikelbanesimuleringer og grundvandsdannelsen ved terræn. Ved metoden er partikler i eksemplet for Langeland placeret ved toppen af modellag 1 og modellag 2.

Der er i eksemplet for Langeland anvendt 50 partikler ved toppen af modellag 2, og 50 partikler ved toppen af modellag 1. Partiklerne følges fra overfladen til de registreres i magasinerne. Nogle af startpartiklerne når aldrig ned i et magasin, fordi de eksempelvis strømmer af til vandløb eller fjernes via dræn. For hver modelcelle udregnes den procentdel af partiklerne, PT_RegMagasin, der ender i et magasin.

PT_RegMagasin = N_magasin / N_terræn

hvor

N_magasin: antallet af partiker fra en modelcelle, som registreres i det pågældende magasin,
N_terræn: det oprindelig antal partikler, der blev lagt ind i den pågældende modelcelle ved terræn

Grundvandsdannelsen ved terræn til mættet zone, G_SZ, benyttes derefter til at beregne magasin specifikke grundvandsdannelse fra terræn til magasinet, MG_i som følger:

MG_i = G_SZ * PT_RegMagasin

 

 

 

 

Figur 11: Eksempel på G_{SZ ,} VU_sand2 og VU_kalk samt MG_sand2 og MG _kalk på baggrund af 3D strømnings- og partikelbanesimulering for Langeland modellen (Rambøll 2015).

I Figur 12 er forskel på grundvandsdannelse vurderet ud fra vandudveksling med ovenfor beliggende modellag og magasin specifik grundvandsdannelse illustreret på et tværprofil.

De sorte pile på figuren viser vandets generelle strømning mellem lagene i modellen jf. VU. Hvor pilene er nedadrettede strømmer vandet ind i magasinet fra det overliggende lag, og hvor pilene er opadrettede, strømmer vand ud af magasinets top. Den tykke lyseblå streg i Figur 12 til venstre viser områder hvor der strømmer vand til top af Sand 2-magasinet fra overliggende lerlag (VU_KS2). På Figur 12 til højre, er der tilføjet blå pile på principskitsen, som viser vandets strømningsvej fra terræn til magasiner. Her kan man se, at ikke alt vand, der dannes til Sand 1-magasinet, strømmer videre til Sand 2-magasinet, idet noget ender med at strømme ud på terræn igen.

Den tykke lyseblå streg på terrænoverfladen på Figuren til højre viser det område hvor grundvandsdannelsen ved terræn ender i Sand 2-magasinet. Når man sammenligner højre og venstre figur, ses det, at der er markant forskel på beliggenheden af det område, hvor der sker strømning til Sand 2-magasinet fra det overliggende lerlag (grundvandsdannelse ved top af magasin, VU_KS2), og det område, hvor der sker grundvandsdannelse fra terrænet til Sand 2 (MG_KS2).

Figur 12: Principskitse af vandudveksling mellem lagene i en hydrologisk model (grundvandsdannelse ved top af magasin). De sorte pile viser de relative vertikale gradientforhold. De tykke lyseblå streger på figuren til venstre viser områder, hvor der er positiv (nedadrettet) vandudveksling mellem Sand 2 og det overliggende lag – VU _KS2 (moræneler). Den tykke lyseblå streg ved terræn på figuren til højre viser det område, hvor der sker grundvandsdannelse fra terræn til Sand 2-magasinet – MG_KS2 (Kilde: Rambøll 2016).

5.14.3 Understøttelse af model med data der kan styrke og validere simulering af grundvandsdannelse

Som vist i Tabel 20 kan mange mulige metoder bringes i spil for at understøtte den numeriske stationære grundvandsmodels eller dynamiske, grundvands-overfladevands models bestemmelse af grundvandsdannelsen. Feltmetoder vil altid være et værdifuldt supplement til modelbaserede metoder og vice versa.

Tabel 20: Oversigt over metoder til estimering af vandbalance og grundvandsdannelse(Scanlon et al. 2002; Anderson et al. 2015; Sebok et al. 2016)

Vurderes det, at der kan anvendes en stationær model til 3D grundvandsstrømnings- og partikelbanesimuleringer, kan nettonedbørsinput fra en dynamisk model anvendes (NN). Alternativt kan man anvende NN fra et rodzonemodul fx Daisy eller EVACROP eller lignende. Ved anvendelse af DK model nettonedbørsinput til stationær eller transient grundvandsmodel, benyttes i givet fald en nedbør hvor vandingsmængder indgår (fx hvis det er fra DK model i 500x500 m). Figur 13 illustrerer fremgangsmåden.

Figur 13: Eksempler på håndtering af nettonedbør (NN), vandudveksling (VU) og magasinspecifik grundvandsdannelse (MG) vha. enten integreret MIKE SHE model eller stationær eller transient MODFLOW model.

5.14.4 Anbefalinger

• Der bør anvendes 3D strømnings- og partikelbane metodik, i stedet for 1D metodik til vurdering af magasin specifik grundvandsdannelse. Der anvendes mindst 100 partikler i hvert grid i øverste modellag, jævnt fordelt i mættet zone.
• Resultater vises på kort som magasin specifik grundvandsdannelse (i mm/år beregnet på baggrund af hvor stor en procentdel af partiklerne der ankommer til et specifikt magasin og den simulerede grundvandsdannelse NN/stationær model eller G_SZ såfremt der er anvendt dynamisk, grundvands-overfladevandsmodel) eller som % infiltration bestemt ud fra andel af partikler frigivet i det øverste lag, eller ved top af modellag 2 (i tilfælde af sidstnævnte skal VU₁₂ anvendes i stedet for NN ved stationær/eller G_SZ ved dynamisk model), der ankommer til et undersøgt magasin. Afhængigt af de hydrogeologiske forhold og vertikal diskretisering afgøres hvad der er mest optimalt i en given modelsammenhæng (der skal benyttes mindst 100 partikler i hvert grid, hvis partikler tilføres øverste lags mættede zone og jævnt fordelt; benyttes top af modellag 2 skal som minimum benyttes 25 partikler i hvert lag).
• Der skal udarbejdes kort over anvendt nettonedbør (NN) og vandudveksling fra modellag 1 til 2 VU₁₂. Når der anvendes dynamisk grundvands-overfladevandsmodel udgør grundvandsdannelsen til mættet zone (total recharge til SZ) det input der benyttes i fx partikelbanesimuleringer, og dette tema (G_SZ) skal derfor anvendes og rapporteres på kort. Kort for NN og VU₁₂ skal vise både positiv grundvandsdannelse (nedadrettet vertikal gradient) og negativ grundvandsdannelse (opadrettet vertikal gradient) og med anvendelse af samme intervaller (fx jf. Figur 1 og 3 for VU₁₂).
• Der kan evt. laves kort over transporttider i mættet zone fra hvor partikler frigives og til de ankommer til det specifikke magasin der undersøges. På baggrund af partikler, der ankommer til det specifikke magasin, kan der foretages analyser af hvilke partikler der passerer gennem fx mere end 5 henholdsvis 15 meter reduceret ler, eller transporttid gennem hhv. oxideret og reduceret zone, forudsat at dybden til redoxgrænsen er fastlagt. Disse kort kan evt. indgå i en vurdering af samlet sårbarhed i forhold til forskellige stoffer der forekommer i det øverste grundvand
• Grundvandsdannelsen til stationære grundvandsmodeller kan med fordel baseres på en dynamisk, integreret grundvands-overfladevands model (NN). Alternativt kan input fra ekstern et rodzonemodul anvendes. I tilfælde af sidstnævnte bør resultater for NN og VU₁₂ som minimum sammenlignes med tilsvarende resultater fra DK model, som en del af kvalitetssikringen af modellen.
• Ved brug af stationær grundvandsmodel tages der ikke højde for overfladisk afstrømning. Det bør der derfor tages højde for ved at fratrække overfladisk afstrømning (% del af nedbør og evt. bidrag fra befæstede arealer for hvert grid) fra den nedbør der benyttes til beregning af NN. Ved sammenligning med målt middelafstrømning fra et opland skal en tilsvarende mængde tillægges simuleret afstrømning, før simuleret og observeret afstrømning sammenlignes.

5.14.5 Referencer

Freeze RA, Cherry JA (1979) Ground Water. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall Inc.

Henriksen HJ, Troldborg L (2011) 3D hydrologisk strømningsmodel for Egebjerg området. Kvantificering af grundvandsressourcen og afgrænsning af indvindings-oplande ved nuværende og fremtidigt klima GEUS rapport 2011/101.

McMahon PB, Plummer LN, Bohlke JK, Shapiro SD, Hinkle, SR (2011) A comparison of recharge rates in aquifers of the United States based on groundwater-age data: Hydrogeology Journal, DOI 10.1007/s10040-011-0722-5

Miljøstyrelsen (2000) Zonering. Nr. 3. Detailkortlægning af arealer til beskyttelse af grundvandsressourcen.

NST (2014) Nitratsårbarhed og afgrænsning af NFI og IO. Notat fra Naturstyrelsen. 28 pp.

Rambøll (2015) Langeland kortlægningsområde – trin 2. Geologisk og hydrostratigrafisk model, hydrologisk model samt grundvandskemisk kortlægning. 07/05 2015.

Refsgaard JC, Højberg AL, Møller I, Hansen M, Søndergaard V (2010) Groundwater modelling in integrated water resources management – visions for 2020. Groundwater 48 (5), 633-648.

Scanlon BR, Healy RW, Cook PG (2002) Chosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge. Hydrogeology Journal 10: 18-39.

Sebok E, Refsgaard JC, Warmink JJ, Stisen S, Jensen KH. (2016) Using expert eliciation to quantify catchment water balances and their uncertainties. Water Resources Research, 52: 5111-5131.