5.13.1 Definitioner

Indvindingsoplandet er defineret som det areal (2D) projiceret på jordoverfladen som udgøres af vandets strømningsveje (3D) fra grundvandsspejl til boringens filter svarende til definitionen benyttet i Håndbog i grundvandsmodellering (Sonnenborg og Henriksen, 2005). Traditionelt har indvindingsoplandet ofte kun være afgrænset af strømningsvolumenet i det filtersatte magasin (IDFM), mens den nu anvendte definition er mere omfattende. IDFM er således kun en delmængde af indvindingsoplandet, og for at undgå forvirring om oplandsafgrænsninger anbefales det IDFM undlades af beregningerne/optegningerne (Figur 9).

Grundvandsdannende opland er defineret som det areal (2D) projekteret på jordoverfladen, hvor grundvandsdannelsen af det vand, som strømmer videre til boringens filter, pågår. Det grundvandsdannende opland er således en delmængde af indvindingsoplandet.

Såvel det grundvandsdannende opland som indvindingsoplandets form vil være påvirket af den geologiske heterogenitet, variabilitet i terræn og terrænnære strømnings- og vandspejlsvariationer, herunder tidslige variationer i nedbør, fordampning og afstrømning til dræn og vandløb. For simple problemstillinger kan der findes analytiske løsninger til afgrænsning af indvindingsoplandet, men generelt er det nødvendigt at opstille en tre dimensional strømnings- og partikelbanemodel, hvis der skal opnås realistiske estimater.

Tidsafgrænset indvindingsopland er defineret som den delmængde af indvindingsoplandet, hvor transporttiden til boringens filter er mindre end en given tidsgrænse. Et tidsbegrænset indvindingsopland er således en afgrænsning tæt ved boringens filter, hvis der anvendes en lille tidsgrænse, og nærmer sig hele indvindingsoplandet jo større tidsgrænse, der anvendes. Beregning af tidsafgrænset indvindingsopland er således udover de forhold, der påvirker afgrænsning af indvindingsoplandet, også påvirket af porøsiteten og dens heterogenitet. Afgrænsning af et tidsbegrænset opland er ikke ukompliceret, og bør derfor aldrig opgøres uden samtidigt at have opgjort hele indvindingsoplandet. Som støtte kan beregnede transporttider i et indvindings opland sammenlignes med vandkemi og andre informationer om grundvandets alder. Hvis der er afvigelse mellem grundvandstransporttid fra grundvandsdannelse til boringsfilter tolket på basis af grundvandskemi/datering og modelberegninger, bør de anvendte værdier for effektiv porøsitet genovervejes. Det skal bemærkes at dette ikke ukritisk udelukkende bør føre til en kalibrering af porøsiteten indtil transporttiden passer med grundvandskemi/datering, da mange andre ting end porøsiteten kan påvirke eventuelle afvigelser.

Figur 9. Definition af indvindingsopland og grundvandsdannende opland (infiltrationsområdet). IDMF, der vises med grøn, anbefales generelt ikke anvendt i oplandsafgrænsning arbejde. Det grundvandsdannende (infiltrationsområde) opland er markeret med blå farve, mens det samlede indvindingsopland er afgrænset med sort streg på figuren. (Gengivelse af figur 17.5 fra Sonneborg og Henriksen, 2005)

5.13.2 Særlige modeltekniske opmærksomheds emner

For at modellere indvindingsoplande vha. partikelbane simulering på baggrund af en kalibreret 3D hydrologisk model skal der tages særskilt stilling til følgende elementer:

• Vurdering af den hydrologiske models egnethed ift. anvendelse til simulering af indvindings- og grundvandsdannende oplande
• Porøsitet, som ikke indgår i kalibrering af hydrologisk model
• Partikel registrerings afstand fra filter (delvist relateret til modelusikkerhed)
• Partikel intensitet - hvor mange partikler er det nødvendigt at anvende i modellen for at sikre en stabil løsning (i tid og rum)
• Vurdering af modelusikkerhed, hvilket også omfatter mulighed for vurdering af transport karakteristika mod vandkemiske / tracer data.

5.13.3 Vurdering af model egnethed

Det forventes at modellen generelt er opstillet og kalibreret efter anbefalingerne i denne rapport, men ift. beregning af oplande er det særligt vigtigt at forholde sig til vandspejlsgradienter og vandbalance. Potentiale vurdering og de udfordringer, der er i den forbindelse, er udførligt beskrevet i Geovejledning 4 (Mielby et al., 2009). Specielt vandbalance problematikken gør, at det generelt må anbefales at anvende en dynamisk model under opstilling og kalibrering af den hydrologiske model (se afsnit 5.1).

Til gengæld kan det ikke altid forventes, at modellens diskretisering er optimal ift. alle relevante konceptuelle problemstillinger ifm. transport modellering. Specielt strømningsbilledet tæt ved indvindingsfiltreret kræver ideelt set meget små celler, men konceptuelt overkommes dette ved at antage, at vand som entrerer en beregningscelle med indvindingsfilter også havner i indvindingsfiltreret. Dette er principielt kun tilfældet ved balance mellem vandtilstrømning til cellen og indvindingens størrelse (også kaldet strong sink). Typisk er der to problemstillinger, der bør overvejes, dels om der er meget tykke beregningslag som enten kun er delvist filtersatte (eksempelvis kalklag eller beregningslag med grupper af kvartære og miocæne magasiner), og dels om der er beregningslag med præfentiel strømning (eksempelvis opsprækket del af kalk). De to problemstillinger er begge af konceptuel karakter og kan i praksis løses ved at underopdele det pågældende beregningslag i flere beregningslag, jo flere beregningslag des større chance for succes. Numerisk kan der være udfordringer med at underopdele magasinlag, hvis det ikke sikres at der er lige afstand mellem de enkelte flader, fordi store variationer i lagtykkelser kan give problemer med fejlagtige partikel flytninger (Sonnenborg & Henriksen 2005, Zheng 1994).

5.13.4 Porøsitet

Effektiv porøsitet er defineret som procenten af porevolumen hvor vand og andre væsker kan bevæge sig igennem en bjergart eller magasin. Effektiv porøsitet kan variere meget indenfor en bestemt bjergart eller et grundvandsmagasin, og det er ofte meget svært at estimere effektiv porøsitet for et givent modelområde. Effektiv porøsitet er typisk ikke en parameter som anvendes hverken til kalibrering eller validering af en model, eftersom den ikke påvirker simuleret potentiale, vandføring eller vandbalance.

Der er et stort naturligt spænd i værdier for porøsitet (Tabel 19). De værdier, der anvendes for effektiv porøsitet i en grundvandsstrømningsmodel kan have en stor betydning for de beregnede transporttider fra overfladen/vandspejl til en indvindingsboring. For dobbeltporøse magasiner, som opsprækkede kalkaflejringer, er effektiv porøsitet en blanding af den primære (matrixen) og den sekundære (sprækker) porøsitet. Generelt er den beregnede transporttid gennem grundvandsmagasiner ligefrem proportionalt med den effektive porøsitet, der benyttes i modellen. Dette er især af betydning, når man afgrænser indvindings- og grundvandsdannende oplande efter en bestemt transporttid (dvs. administrative oplande).

Tabel 19: Spænd for effektiv porøsitet i danske aflejringer

5.13.5 Partikel registrering

For at simulere grundvandsstrømningen helt tæt på indvindingsboringen korrekt, skal cellerne som nævnt ideelt set være meget små. Men hvor det i teorien måske er muligt at simulere den helt boringsnære sænkningstragt, så er det i praksis problematisk, fordi den geologiske tolkning sjældent inkluderer småskala heterogenitet (yderst sjældent under den typiske i grundvandskortlægnings sammenhæng anvendte model skala på 100 m). Generelt må det derfor antages, at alt vand der kommer i kontakt med en beregningscelle, hvor der er placeret et filter i modellen, potentielt vil kunne havne i filteret, uanset indvindingens størrelse.

I tilfælde med meget kraftig indvinding ift. celle størrelse må det endvidere forventes, at vand som entrerer celler tæt ved filter cellen også potententielt kan havne i filteret. Hertil kommer, at der i disse tilfælde formodentligt vil være kraftige gradienter i modellen, som derfor ikke vil være robust for så vidt angår partikelbane transport (meget små registrerings afstande / initial placeringer giver meget forskellige resultater). For disse tilfælde kan det være nødvendigt at udvide registrerings-/initialiserings zonen for at sikre en ”stabil løsning”.

Det skal bemærkes, at begge løsninger kan medføre, at der ikke nødvendigvis er sammenhæng mellem indvindingens størrelse og størrelsen af det grundvandsdannende opland (eller rettelig størrelsen af arealet gange nettotilstrømningen til grundvandsspejlet), hvilket må accepteres for meget små indvindinger eller observations filtre. For større indvindinger er det typisk kun ved meget tykke beregningslag, at det vil give problemer (ved 100 m skala). Antallet af ekstra beregningslag udvides, indtil der er nogenlunde overensstemmelse mellem indvindingsstørrelse og det grundvandsdannende opland.

5.13.6 Partikel intensitet

Det er vanskeligt at give præcise retningslinjer for hvor mange partikler, der skal anvendes i modellen for at sikre stabile løsninger, men stabiliteten kan testes ved at der gradvist tilføres flere og flere partikler i modellen (med partikler tilfældigt placeret på celle niveau). Ved for få tilførte partikler vil oplandene have en erratisk diskontinuert karakter, jo flere partikler der tilføres des mere homogen løsning. Antallet af partikler må antages at være tilstrækkeligt, når oplandet ikke udvikler sig ved yderligere tilførsel af partikler. Dette gælder for så vidt både for tilførsel i rum og tid (i det tilfælde at der anvendes en dynamisk model), men under danske forhold er det i praksis primært partikel densiteten i rummet, som er interessant. Dette skyldes formodentligt at de tidslige variationer i modellen (gradient/potentiale/nettonedbør) typisk er meget mindre end transporttiden fra grundvandsspejl til filter (Iversen et al, 2011).

5.13.7 Transporttidsfordeling

Ifølge GeoVejledning 6 (Hansen et al, 2009) er der flere parametre, der kan bruges til vurdering af grundvandsalderen. Blandt andet vandtype, sulfat indhold, ionbytningsgrad, fluorid indhold, magnesium/calcium forhold, og tilstedeværelse af pesticider kan bruges til at få en relativ vurdering af grundvandets alder. Disse parametre kan således bruges til at kvalitetssikre modellens beregning af partiklens alder på de partikler der ender i indvindingsboringen. Ofte kan der dog være udfordringer i denne type model-observations sammenligninger, idet udviklingen af stabile grundvandskemiske forhold i indvindingsoplandene potentielt kan tage lige så lang tid som de længste transporttider fra grundvandsspejl til filter, og samtidigt er det sjældent, at de hydrologiske forhold er upåvirkede over så lange perioder (Iversen et al., 2011). Eksempelvis er der typisk sket en udvikling i indvinding, udbygning af kildepladser eller lignende som vil påvirke strømningsbilledet relativt hurtigt, mens transporten i dette nye strømningsbillede kan tage dekader før den bliver stabil.

For at få et korrekt billede af transporttids fordelingen af vandet der potentielt strømmer til filteret er det desuden vigtigt enten, at antallet af partikler som starter i modellens øverste lag er proportionalt med infiltrationens størrelse eller at de enkelte partiklers transporttid der indgår i transporttidsfordelingen vægtes proportionalt med grundvandsdannelsens størrelse. Hvis formålet udelukkende er at afgrænse de grundvandsdannende områder så kan der derimod benyttes et fast antal partikler i modellens øverste lag.

I Figur 10 er vist et eksempel på visualisering af indvindingsopland, grundvandsdannende opland og transporttider.

Figur 10: Indvindingsopland (blå afgrænsning), grundvandsdannende opland (lilla) og transporttider (farvelagte grid) [figur modificeret fra http://www.stjærvand.dk/index.php/grundvand fra okt.2016]

5.13.8 Håndtering af model usikkerhed og scenarier

Henriksen et al. (2011) har lavet en opsummering af en række forskellige usikkerhedsaspekter i forbindelse med modellering af indvindingsoplande og grundvandsdannende oplande. Særligt fremfører Henriksen et al. (2011) at kravene til en models nøjagtighed skal udformes som kvalitative og kvantitative kriterier i modelleringsprocessen, og at det skal ske i et samspil mellem modellør, vandressourceforvalter og interessenter.

Ofte er samspillet mellem modellør, vandressourceforvalter og interessenter en udfordring, som stiller særlige krav til visualiseringen. I det omfang at usikkerheder og scenarier beskrives kvantitativt er betydningen overfor oplandsafgræsningen det centrale element. Det er en stor fordel, at kunne definere en reference modelkørsel således, at forskellige usikkerheds- og scenarie resultater kan visualiseres sammen med indvindings- og grundvandsdannende opland fra reference modelkørslen. Typisk er en polygon afgrænsning af reference modelkørslens indvindingsoplandet interessant, men alle modelresultater bør generelt visualiseres enten i modellens grid opløsning eller ved partikelbaner/partikel initialiserings punkter. Eksemplet fra Figur 10 indeholder en visualisering af transporttider og grundvandsdannende oplande sammen med optegning af indvindingsoplandet, men transporttiderne kunne i princippet ligeså godt have været realisations udfald af grundvandsdannende oplande fra en række scenarie- eller usikkerhedskørsler.

5.13.9 Anbefalinger

• Der bør anvendes en hydrologisk model hvor, der i kalibreringen er taget specielt hensyn til at modellen skal kunne anvendes til afgræsning af grundvandsdannende oplande og indvindingsoplande.
• Alle partikler, som entrerer en beregnings celle med filter, skal registreres og medtages i beregningen af oplande til filteret for så vidt angår ”forward” partikelbane simuleringer. Tilsvarende for ”back-ward” partikelbane simuleringer anbefales det at frigive partikler langs filtercellens 6 vægge / alternativt tilfældigt indenfor filter cellen.
• Partikler intensiteten anvendt til oplandsafgrænsningen bør fastsættes via test med modellen, og i afrapporteringen skal angives hvilke overvejelser der er gjort omkring partikelintensiteten, f.eks. er minimumsantallet af partikler per celle bestemt ved at ekstra tilførsel af partikler ikke ændre oplandets størrelse med mere end 5%. Det skal bemærkes at alle celler med mindst en registreret partikel skal medregnes i oplandets afgrænsning i denne analyse, hvor man administrativt kan vælge at lægge sig fast på et andet niveau (af antal partikler pr celle) i den endelige afgrænsning.
• Visualiseringen bør altid som minimum indeholde afgrænsning af indvindingsopland og grundvandsdannende opland og transporttidsfordelingen fra grundvandsspejl til filtercelle. Generelt anbefales det at benytte betegnelsen transporttidsfordeling frem for aldersfordeling for at undgå misforståelser.
• Partiklernes vægtede transporttider til indvindingsboringer bør sammenlignes med grundvandskemiske parametre fra de pågældende boringer. Hvis der ikke er overensstemmelse mellem de beregnede transporttider og miljøtracere (CFC, Tritium, Pesticid, Nitrat…), skal der redegøres for forskelle.
• Kvantitative usikkerheder på oplandsberegninger skal altid visualiseres sammen med indvindingsoplandet og det grundvandsdannende opland fra en reference modelkørsel. Generelt anbefales det, at modelresultater visualiseres enten i modellens grid opløsning (f.eks. usikkerheder) eller ved partikelbaner/partikel initialiserings punkter (f.eks. transporttider)

5.13.10 Referencer

Hansen B, Mossin L, Ramsay L, Thorling L, Ernstsen V, Jørgensen J, Kristensen M (2009) Geovejledning 6. Kemisk Grundvandskortlægning. GEUS Særudgivelse 112 pp

Henriksen HJ, Iversen CH, Wernberg T (2011) Geovejledning 2, delrapport 3. Usikkerheder på indvindings- og grundvandsdannende oplande. GEUS Særudgivelse. 44 pp.

Iversen CH, Troldborg L, Møller RR, Christensen S (2011) Geovejledning 2, delrapport 2. Dynamiske og stationære oplandsberegninger udført med tre semi-syntetiske modeller. GEUS Særudgivelse. 88 pp.

Mielby S, Ditlefsen C, Olesen H (2009) Geovejledning 4, Potentialekortlægning, vejledning i udarbejdelse af potentialekort. GEUS særudgivelse 69 pp.

Sonnenborg TO, Henriksen HJ (2005) Håndbog i grundvandsmodellering. GEUS rapport 2005/80.

Zheng C (1994). Analysis of particle tracking errors associated with spatial discretization, Ground Water, 32(5), 821-828