Notat. Grundvandsforhold - byudvikling af Elev by, Århus. 1 Baggrund... 2

Transkript

1 Notat Grundvandsforhold - byudvikling af Elev by, Århus 9. december 2010 Udarbejdet af Thomas Krom 1 Baggrund Problemstillingen Kvantiteten Hydrogeologi Nedsivningspotentiale Kvaliteten Regnvands- og nedsivningsbassiner Strategi Sikring af vandkvalitet og -kvantitet Forbedring af vidensniveau i forhold til hydrogeologi Bibliography...13 NIRAS A/S Åboulevarden 80 Postboks Århus C CVR-nr Tilsluttet F.R.I T: F: E: niras@niras.dk D: M: E: thk@niras.dk

2 1 Baggrund Der er et ønske om at foretage byudvikling ved Elev by tæt ved Århus. Da visionen er at skabe en bæredygtig bydel skal konsekvenserne på det hydrologiske system, herunder grundvandet, belyses. Grundvandsforhold vil spille en stor rolle i byens udvikling p.g.a. flere faktorer: En stor del af området ligger i grundvandsdannende oplande for 2 kildepladser (Elsted og Truelsbjerg Vandværk), der tilsammen bidrager med omkring 20 % af den samlede drikkevandsindvinding i Århus Kommune. Der er 3 vandløb, hvoraf 2 har de højeste kvalitetskrav (A målsætning), hvis oplande omfatter dele af byen. Der er flere våde naturområder i byen. Der er et ønske at håndtere regnvandsdelen af spildevandet så meget som muligt indenfor byen. For at prøve at vise systemets kompleksitet, er der på Figur 1 vist en såkaldt mind-map af det hydrologiske system ved Elev Bakker. Figuren beskriver den løbende interaktion mellem menneskers adfærd/praksis og påvirkningen overfladevand og grundvand. Figuren er dog ikke udtømmende for alle de relationer eller faktorer ved området. Én ting man skal lægge mærke til ved figuren er alle de krydsforbindelser: Ved at ændre noget et sted sker der en reaktion flere andre steder. Figur 1. Mind-map af det hydrologiske system. Side 2 / 13

3 2 Problemstillingen Problemstillingen i forhold til grundvand kan opstilles i forhold til: 1. Kvantitet: 2. Kvalitet: a. Der skal være tilstrækkelig grundvandsdannelse i forhold til grundvandsmagasinerne som anvendes til drikkevandsforsyninger (dvs. at der ikke skal indvindes mere vand end der tilføres grundvandsmagasinerne). b. Der skal være tilstrækkelig sekundært grundvandsafstrømning til nærliggende recipienter (bl.a. Bueris og Lisbjerg bæk samt tilløbene) c. Fremtiden vil bringe en stigende grundvandsstand (1; 2). a. En god kemisk og bakteriologisk sammensætning af vandet skal opretholdes. Vandet der nedsives må ikke udgøre en risiko overfor grundvandets kvalitet, således det ikke kan anvendes til drikkevand efter en simpel vandbehandling. b. Grundvandets temperatur skal ikke forhøjes i.f.t. recipienter 2.1 Kvantiteten Det er vigtigt at man opretholder en fornuftig fordeling af grundvand til de rigtige steder. I dag ved man ikke særlig meget om vandbalancen for området, til trods for at bydelen ligger i et OSD-område, har en indsatsplan og indgår i grundvandsmodellen for kortlægningsområde Århus Nord(3). Vi ved dog at projektområdet ligger i en del af det grundvandsdannende opland til Elsted og Truelsbjerg kildepladser. Indledningsvis er det konstateret ved Viby Renseanlæg at nedbør i de senere år har ligget mellem 700 og 800 mm per år, dog er der nogle perioder hvor måleren har været ud af drift (4). Kortlægningsarbejdet ved Århus Nord ifm. opstilling af grundvandsmodel, dokumenterer en årsmiddelnedbør ved Elev-området på 759 mm per år(3). DMI angiver at middelnedbør for Østjylland er 722 mm per år. Klimaprognoser er enige i at nedbørsmængderne vil stige i fremtiden (1; 2). Side 3 / 13

4 Figur 2. Klimaforhold for Østjylland(5). Hovedparten af projektområdet er under landbrugsmæssig drift, og mange af disse arealer er drænet, jf. indhentet drænkort. Derfor må det formodes at der har været problemer med at opnå en optimal afvanding/nedsivning. Ved at ændre arealanvendelsen fra landbrug til bymæssig bebyggelse, og dermed et mindre areal som er til rådighed for nedsivning, må der i høj grad tages hensyn til jordarts- og grundvandsspejlforhold. Dette gælder bl.a. ved design af faskiner, nedsivnings- og regnvandsbassiner samt andre anlæg til lokal afledning af regnvand (LAR). DHI vurderede under arbejdet udført for Århus Amt (3) at nedsivning (nettonedbør) lå mellem 130mm/år og 250 mm/år. Størstedelen af projektområdet ligger i et område hvor nettonedbør er 130 mm/år. Man skal dog holde for øje at disse tal er modellerede og ikke observationer, samt at de bygger på en række antagelser: Klimadata: Nedbør og potentiel fordampning varierer ret meget i området som det ses i rapporterne (3) samt sammenligning med andre datakilder (5; 4). Jordbundsforhold: Jordbundskortet er interpoleret udefra et relativ groft datasæt (få data), samt at de vertikale profiler er ikke specifikke til Elev Bakkers geologi. Arealanvendelse: Modellerne anvender nogle få typer arealanvendelse. Terrænforhold: Modellerne er 1D, d.v.s. at jorden er flad. Endvidere, resulterer 1D modeller i at det ikke er muligt at beskrive horisontal vandtransport i sekundære magasiner, som ligger over et primært grundvandsspejl. Faktisk forekommer disse sekundære magasiner overhovedet ikke i modellerne. Derfor, indgår disse lokale variationer i grundvandsspejlet ikke i beregningerne. Side 4 / 13

5 Variation i nedsivning er størst tæt til overfladen, på grund af skiftende forhold på overfladen mellem regn og fordampning. Den tidslige variation bliver udvisket mere og mere med stigende dybde. Helt oppe ved jordoverfladen kan strømning blive opadrettet, på grund af høj fordampning og transpiration fra planter. Når der ændres på arealanvendelsen bliver hele systemet vendt på hovedet og da systemet er faktisk ret kompleks skal man sikre et ordentligt data grundlag samt foretage beregninger for at sikre en optimal forståelse. Der er en lang række indgreb man kan anlægge for at sikre en tilstrækkelig stor nedsivning. Kunsten er at opstille en løsning som tilgodeser kravene til natur samt en trinvis udvikling af byen. I dag ønsker man en øget afstrømning til de 3 vandløb (2 er A-målsatte vandløb) i området samt at opretholde vandtilstrømning til vandhullet i området. Vandbalancer fra Århus Nord kortlægning er ikke velegnet til bestemmelse af dette da modellens beregningsceller er ret store (250 x 250 m) samt at det øverste beregningslag er ca. 20 meter tykt (3), d.v.s. mindre sandlinser i projekt området indgår ikke i modellen. Fordampning jord og afgrøder Fordampning åbne vand Nedbør Overflade afstrømning Vand til Lisberg bæk Vand til Bueris bæk Magasinering Afstrømning i sekundære grundvandsforekomster Grundvand til dybe primære magasiner Figur 3. Skitse over vandbalance Et væsentligt skridt på vejen til forståelse af systemet er at kunne udfylde tallene for alle de pile på Figur 3. Tidligere undersøgelser i området samt erfaringer fra lignende områder giver kun grove vurderinger for tal såsom nedsivning, grundvandsdannelse og afstrømning i åerne. Men, som det står nu er der ret mange mangler i forhold til at lave detaljevurderinger som behøves for at beregne vandbalancen (Figur 3): Jordartsbeskrivelse: det er vigtig at vide de hydrauliske egenskaber af overjord samt fordeling af sandlinser, ler- og siltaflejringer. Side 5 / 13

6 Grundvandsspejl: Grundvandsspejlet for det primære magasin bør revideres, da det umiddelbart ser ud til at være fejlbehæftet. Ændring af arealanvendelse vil betyde at fordeling af vandet bliver ændret, og at det skal tages i betragtning i.f.t. hvordan og hvor henne vandet nedsiver. Vandføring: der bør vides mere om afstrømning i området, og især om åernes forbindelse til grundvandssystemet Hydrogeologi Hydrologien for området er i høj grad styret af hydrogeologien, d.v.s. jordens hydrologiske egnskaber. Figur 3 viser en skitse over vandbalancens komponenter for området, fordelingsnøglen for de forskellige fraktioner styres af jordens ledningsevne for vand (hydrauliske ledningsevne). Jordarterne har ret forskellige evne til transportere vand, hvor ler har en ringe evne, mens sand og grus har gode evner. Området er præget af leraflejringer hvor der er indlejret linser af sand og grus. Leret jord har et relativt højt poretal (kapacitet for opbevaring af vand), dog er ledningsevnen som regel 100 to 1000 gange mindre end i sandet eller gruset jord. Det kan betyde at leret forhindrer vandstrømningen og dermed vil grundvandsdannelsen være forholdsvis mindre.. Der er konstateret overfladenære sandaflejringer (Figur 4)(6). Overfladenære sandaflejringer kan være en medvirkende årsag til en overfladenær vandafstrømning til recipienter såsom Lisberg Bæk og vandhuller. Sammenhæng og omfang af disse overfladenære sandaflejringer vil være vigtig i en evt. bestemmelse af hvor meget vand der strømmer af til overfladevandsrecipienter samt fordeling mellem de enkelte recipienter. Beliggenhed og omfang af overfladenære sandlag vil også være vigtig i design af faskiner samt regnvands- og nedsivningsbassiner. En anden problemstilling er at sandlinser kan danne et vertikalt sammenhængende system hvorved vand fra jordoverfladen kan strømme ned til primære magasiner. Dette er fordelagtigt m.h.t. at sikre den fornødne vandmængde i grundvandsmagasinerne, hvilket dog også har den ulempe at der er en direkte strømningsbane for forurenende stoffer til primære magasiner. Side 6 / 13

7 Figur 4. Tværsnit gennem jorden ved den nordlig afgræsning af projektområdet. Bemærk sandaflejringer nær overfladen. Boringerne er fra Jupiter(7) samt Geosyd(6). Mangler farvelegender for boringerne!!!! Nedsivningspotentiale Den mængde vand som kan strømme nedad gennem jordlagene er nedsivningspotentiale. Dette er styret af jordens ledningsevne samt dybden til grundvandsspejlet. Ledningsevnen for jordlagene er afgørende, og her skal det udpeges at et tyndt uhensigtsmæssig lerlag kan reducere nedsivningspotentialet ret voldsomt. I nogen tilfælde kan man forbedre nedsivningspotentialet mekanisk. Figur 5. Jordartskort ved projektområdet. Brunt er leret jord, de andre farver er sandet jord. GEUS 1: jordartskort. Grundvandsspejl kan eksistere i flere niveauer, da man kan have et primært grundvandsspejl for dybtliggende magasiner såsom der hvor man indvinder vand fra ved Elsted og Truelsbjerg Vandværk, samt at man kan har sekundære grundvandsspejl som afspejler vandtryk i relativ overfladenære sandlinser(6). Når grundvandsspejlet ligger meget tæt til overfladen kan vandet ikke nedsive eller har vanskelig med det. Sekundære grundvandsspejl ved projektom- Side 7 / 13

8 rådet er stedvis konstateret tæt til overfladen (d.v.s. 1-3 meter under terræn)(6). Jordartskort viser også leret forhold (Figur 5). 2.2 Kvaliteten Projektet må ikke udgøre en risiko overfor Grundvandets kvalitet. Der er generelt en forhøjet risiko for en forringelse af grundvandets kvalitet når landbrugjord overgår til bymæssig anvendelse, dog er der også fordele i forhold til nogle forureningsrisici. Kvaliteten er især vigtig da der er 2 af områdets vandløb er A-målsatte vandløb samt at området delvis ligger i grundvandsdannende områder for 2 vigtige kildepladser. En kendsgerning er at en del af området ligger i et område hvor der er skærpet opmærksomhed overfor evt. forureningskilder såsom listevirksomheder(8) og Kommuneplan 2009 (10). Som hovedregel bør bestemte aktiviteter ikke forekommer i områder med skærpet opmærksomhed, såsom anvendelse af pesticider, renserivirksomhed m.fl.. Vandet bør, for at forbedre fokus på opretholdelse af høj kvalitet, adskilles efter kilde (tag, græsplan, fællesarealer, vejnettet osv.) for at sikre den rette behandling før eller under nedsivning. En fordel, på lang sigt, ved at ændre arealanvendelse fra landbrug til by vil være at risikoen for potentielt forurening fra nitrat (NO 3 ) bliver reduceret kraftigt. Dog, under anlægsfasen kan man ved jordhåndtering frigør nitrat som ligger i de øverste jordlag. Vejvand er en kilde til en evt. forringelse af grundvandets kvalitet p.g.a. salt, uforbrændt brændsel, tungmetaller fra bremser m.fl.; evt. metoder til håndtering af vejvand med henblik på forbedring vandkvalitet behandles i andet notat af 29. oktober 2010 Afvandingsstrategi for byudvikling af Elev by, Århus. Hvor vandet skal nedsives fra faskiner o.l. bør man overveje om der kan anvendes specifikke jord som har en evne for tilbageholdelse af specifikke stoffer er forbundet med vandets afstrømningsområde Regnvands- og nedsivningsbassiner Under nuværende forhold nedsives vandet umiddelbart efter regnvandshændelser, men i fremtiden vil der være en længere eller kortere ophold som overfladevand i regnvands- og nedsivningsbassiner. Dette vand kan evt. bliver noget varmere end regnvand, og føre til en opvarmning af en del af grundvandsystemet. Betydning og omfang af denne proces bør vurderes, samt om evt. konsekvenser fra en opvarmning af dele af grundvandssystemet. Endvidere er vand som opbevares i overfladebassin udsat for en øget risiko for bakteriologisk forurening. Ved design af regnvands- og nedsivningsbassiner kan man med fordel vælge jord og andre materialer som kan rense vand for diverse forureningsstoffer. Side 8 / 13

9 3 Strategi Strategien for grundvandet er todelt: På den ene side er der en overordnet strategi for at sikre at vandets kvalitet og kvantitet vedligeholdes eller forbedres i forhold til recipienter og drikkevandsforsyninger. På samme tid er der en række områder hvor vidensgrundlaget skal forbedres inden man kan designe løsninger til opfyldning af strategiens mål; derfor skal man have en strategi for vidensforbedring. Igangværende og ny forskning peger på et tæt samarbejde på tværs af faggrænser for at opnå optimale løsninger (9; 2). 3.1 Sikring af vandkvalitet og -kvantitet Håndtering af vand skal foretages så at både kvantiteten og kvaliteten holdes på et højt niveau. Der er et bred palet af problemstillinger og løsninger, nogle af de vigtigste præsenteres i følgende oversigt: Problemstilling Vandet som direkte nedsives fra haver og fælles areal må ikke udgøre en forureningsrisiko overfor grundvandsforekomsterne Vandet som direkte nedsiver fra veje, indkørsler m.m. skal have en høj kvalitet Virkemidler Der er flere midler som kan anvendes, bl. a.: Ingen pesticidanvendelse måske indsatsplan Anvendelse af miljøvenlige materialer - lokalplan Ingen bilvask udenfor vaskehaller - Indsatsplan I udlandet har man erfaringer ved at design mose og vandhuller som kan rense vand for diverse miljøfremmede stoffer. Etablering af nedsivningsanlæg med jord som har en høj tilbageholdelsesevne for potentielle forureningsstoffer. Vandet vil blive belastet med miljøfremmede stoffer, derfor er det vigtig at det behandles enten ved nedsivning eller under transport til nedsivningsområder og anlæg. I udlandet har man erfaringer ved at design mose og vandhuller som kan rense vand for diverse miljøfremmede stoffer. Nogle stoffer vil nedbrydes eller tilbageholdes i jorden, dog er det afhængig af stoffet såvel som jordtype. Udnyttelse af naturens egne midler bør derfor overvejes. Side 9 / 13

10 Problemstilling Høj kvantitet af nedsivning Reduktion af overflade afstrømning fra befæstede arealer Sikring af en jævn, grundvandsfødt, afstrømning til vandløb og vandhuller Virkemidler Tidligere undersøgelser tyder på at området ikke har en særlig høj nedsivningspotentiale, til trods for dette har det været muligt at drive landbrug uden at hele området har været drænet. Virkemidler til forbedring af nedsivning er bl.a.: Mekanisk forbedring af tæt overfladenær jord, dog kan det sekundære grundvandsspejl stå så højt at nedsivningen eventuelt vil være begrænset. Anvendelse af belægninger som er infiltrationsåbne Infiltrationsgalleri eller faskiner ASR (Aquifer Storage and Recovery) er en almindelig teknik i udlandet. Kort fortalt omfatter teknikken at, overskydende regnvand pumpes ned i dybe magasiner, hvor senere det indvindes til drikkevand. Det kræver naturligvis en grundig undersøgelse af geokemiske forhold. Strategien har som delmål at, der er ikke sker overløb til vandløb, derfor er det vigtig at anvende virkemidler som begrænser afstrømning fra befæstede arealer (tage, belægninger, indkørsler m.m.) Tagvand kan opbevares (cisterne) og anvendes til husholdningsvand (toiletskylle, bade, rengøring m.m.). I mange lande bruges tagvand til drikkevand. Grønne tage anvendes til reducere tagvandsmængden samt at forsinke afstrømning. Overskydende tagvand bortledes via faskiner eller grøfter så der kan opstår nedsivning under transport. Anvendelse af belægninger som er infiltrationsåbne Belagte områder afdrænes til faskiner o.l. Belagte områder hvor køretøjer opholder sig bortledes til vejvandssystemet. Formålet er at de sekundære grundvandsmagasiner skal være i forbindelse med vandløb og vandhuller. Der er konstateret sandlinser eller sandlag under Lisberg Bæk, så opgaven er at sikre at andre sandlag er i forbindelse med disse, evt. v.h.a. mekanisk forbedringer. Sikre en god forbindelse, via jorden, mellem regnvandsbassiner (kunstige søer) og vandløb, evt. ved genopretning af rørlagt bæk. Anvendelse af faskiner,o.l. til underjordiske magasiner og transport af vand. Side 10 / 13

11 3.2 Forbedring af vidensniveau i forhold til hydrogeologi Den hydrologiske system ved Elev Bakker er kompliceret, og ret heterogent. Derfor er der behov et højt vidensniveau, således at man kan sikre bæredygtigt og funktionelt design. Det anbefales at dataene samles i et system for at kunne danne overblik og dokumentere kvalitet. Modelleringsværktøj kan med fordel anvendes til at lave beregninger for diverse planlægningsscenarier. Dette er også et godt redskab til afprøvning af hypoteser for systemets sammenhæng og responstider. Det er strategisk vigtig at forbedre vidensniveauet på en række områder: Vandbalance Jordsartbeskrivelse & hydrogeologi Nedsivningspotentiale Der er en del usikkerheder omkring vandbalancer i og omkring projektområdet. Især i forhold til de højt målsatte overfladevandsmiljøer vil det være en stor hjælp at kende vandbalancer. Disse vil også være et redskab til kontrollere vurderinger af nedsivningspotentialet, overfladeafstrømning samt konsekvenserne af de foreslåede ændringer i arealanvendelse (og derved vandbalancen). Synkronpejlinger i vandløb og fra drænrør i kombination med meteorologiske målinger er et typisk redskab til vandbalancevurderinger. Jordsarttype styrer hvordan vandet strømmer (vandret samt lodret). Der er en overordnet forståelse for hvilke jordtyper der findes samt fordeling af disse over det primære magasin. Men for at udføre bæredygtigt og pålidelige design for håndtering af regnvand bør man udføre undersøgelser at forbedre vidensgrundlaget. Der er en række mulig metoder: boringer, EM38 (geofysik), slæbgeoelectric (PACES), trenching, m.fl.. Evt. kan man overveje en detaljeret geologisk model som omfatter projektområdet, samt til flankerne af den begravede dal hvor i Aarhus Kommunens kildepladser ligger. Denne vil også være nyttig under detaljeprojektering af systemet til håndtering af regnvand. Nedsivningspotentiale er en kombination af flere faktorer: jordtype, dybde til grundvandsspejl, beplantning, m.fl.. Her bør man kortlægge lokale forhold såsom sekundære og primære grundvandsspejle til vurdering af forbindelse til dybe magasiner (det er også nyttig fra en grundvandsbeskyttelses synspunkt). Endvidere vil bestemmelser af lodrette hydraulisk ledningsevne være nyttig til at reducere usikkerhed omkring nedsivning, f.eks. ved hjælp af infiltrationsringe, sugekopper, neutronsonder, m.m. Side 11 / 13

12 Grundvandskemi Grundvandskemi er et mere omfattende udtryk end grundvandskvalitet, men en bredere forståelse for grundvandskemi kan resultere i viden som kan oplyse jordens kapacitet for at bære (afværge hvis man vil) evt. fremmedstoffer som kunne fremkommer i nedsivende vand og senere grundvandet. Det er uendelig svært at kortlægge jordens iboende egenskaber i forhold til sorbtion/desorption og nedbrydning af forskellige miljøfremmede stoffer. Side 12 / 13

13 4 Bibliography 1. Torben O. Sonnenborg, Britt S. B. Christensen, Lieke van Roosmalen & Hans Jørgen Henriksen. Klimaændringers betydning for vandkredsløbet i Danmark. København : DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE, Jeppesen, Jan. Quantitative hydrological effects of urbanization and stormwater infiltration in Copenhagen, Denmark. Aahus Denmark : Aarhus University, DHI Vand og Miljø. Indsatsområde Århus Nord 02, modellering Dansk Spildevands komité Danmarks Meteorologiske Institut Geosyd. Orienterende Geoteknisk Forundersøgelser for Opførelse af Boligbebyggelser - Tækker Rådgivende Ingeniør A/S GEUS. Jupiter - Danmarks Geologiske & Hydrologiske Database: 8. Aarhus Kommune. Vejledning: Indirekte grundvandsbeskyttelse, I lokalplanlægningen og sagsbehandlingen vedrørende byggesager og miljøgodkendelser. s.l. : Aarhus Kommune, BG-projektet Koblede afkoblinger Vilkår for landskabsbaserede afkoblinger af regnvand i det københavnske kloakopland til Harrestrup Å. s.l. : Kommuneplan Grundvandsklasser og tilhørende retningslinjer for etablering og udvidelse af virksomheder. Side 13 / 13