MODELLERING AF HISTORISK VANDBALANCE I KØBENHAVNS AMT ÅR

Transkript

1 MODELLERING AF HISTORISK VANDBALANCE I KØBENHAVNS AMT ÅR Hydrogeolog, cand.scient. ph.d. studerende Jan Jeppesen Aarhus Universitet / Watertech a/s Hydrogeolog, ph.d. Ulla Lyngs Ladekarl Watertech a/s Hydrolog, ph.d. Jens Asger Andersen Miljøcenter Roskilde ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET marts 27

2

3 RESUMÉ Vandkredsløbet i hovedstadsområdets er i tiltagende grad blevet udsat for menneskeskabte påvirkninger fra oppumpning af grundvandsressourcen, byudvikling og klimaændringer. Watertech har for Københavns Amt opstillet en historisk regional grundvandsmodel, KAM historisk, der er godkendt til fremskrivning af det komplette historiske vandkredsløb for perioden , hvilket gør modellen unik for hovedstadsområdet. Analyse af det simuler- de enkelte påvirkningsbidrag fra klima, befæstede arealer og grundvandsoppumpning. Modelkonceptet kan dermed blive et centralt værktøj i de forestående opgaver indenfor gebyrkortlægningen, vandplaner og VVM-redegørelser om vandindvindingens effekt på recipienter. BAGGRUND Hovedstadsområdets aktuelle udfordringer med at levere rent vand til forbrugerne, uden at overpumpe ressourcen, får stadig større bevågenhed hos myndigheder, vandforsyninger og medier. De sidste årtiers byudvikling og overpumpning af grundvandsressourcen har resulteret i mindre grundvandstilskud til søer, vandløb og vådområder, hvilket forringer levevilkårene for recipienternes habitater. Overudnyttelsen af ressourcen i NØ Sjælland er blandt andet belyst med DK-modellen, jf. ref. /1/. Fortsat befolkningstilvækst kombineret med et stigende antal forurenede grundvandsmagasiner skaber fortsat stor efterspørgsel på grundvand i hovedstadsområdet, hvorfor der ikke umiddelbart er udsigt til forbedrede levevilkår for flora og fauna i områdets overfladerecipienter. Med implementeringen af EU s Vandrammedirektiv er samspillet mellem grundvand og overfladevand imidlertid mere aktuelt end nogensinde. Behovet for at definere realistiske målsætninger for overfladerecipienter og dermed opnå en bæredygtig vandindvinding i hovedstadsområdet er således åbenlyst. Udgangspunktet for at kunne definere realistiske målsætninger for påvirkning af overfladerecipienter er at kunne beskrive og kvantificere vandkredsløbet i hovedstadsområdet. Watertech har således, på vegne af Københavns Amt, opstillet en regional vandkredsløbsmodel, KAM historisk, der beskriver den historiske udvikling i vandkredsløbet fra referencetilstanden uden oppumpning i år 185 op til år 23 under hensyntagen til aktuel udvikling i klima, byudvikling og grundvandsoppumpning. METODE Figur 1 viser modelområdet, der er 966 km 2. Figur 2 viser vandkredsløbsmodellens opbygning i 3 submodeller. Jord-plante-atmosfære programmet Daisy er benyttet til at beregne vandbalance for rodzonen for forskellige kombinationer af klima, jordtype og arealanvendelse for perioden Det primære Daisy-input af døgnlige værdier af historisk nedbør, potentiel fordampning og temperatur hidrører hovedsageligt fra en klimastation på landbohøjskolen. Modellen indeholder flere klimazoner, der via nutidige nedbørsmålinger afspejler varierende nedbørsforhold.

4 Figur 1. Oversigtskort med angivelse af aktiv modelrand. De historiske nedbørsdata fra landbohøjskolen er ekstrapoleret til disse klimazoner på baggrund af regression af overlappende dataperioder. Resultatet er komplette tidsserier af døgnlig nedbør for alle klimazoner for perioden Der er taget højde for historiske ændringer i dyrkningspraksis på landbrugsjorde i Daisy-beregningerne, idet der er udført beregninger for græs, vårbyg og vinterhvede under varierende gødskningsforhold. Disse afgrøder er efterfølgende sammenstillet til én landbrugstidsserie ved at vægte beregningerne for de respektive afgrøder på baggrund af foreliggende statistiske opgørelser over bestemte perioder. Det primære output fra Daisy er 1D resultater på døgnniveau af grundvandsdannelse til grundvandszonen. I det gridbaserede program distribueres Daisy resultaterne til den historiske grundvandsmodel på baggrund af et tidsligt varierende Daisy-kort over klima, jordtype og arealanvendelse for perioden I konstruktionen af det tidsligt varierende Daisy-kort er der inddraget litteratur og historiske kort over modelområdet. De historiske kort viser, at landbrugsjordene i området i høj grad var drænede ved udgangspunktet, hvorfor der ikke er grundlag for at implementere en tidsligt varierende drænering i grundvandsmodellen. De historiske kort viser endvidere, at vådområder og skove havde omtrent samme udbredelse som i dag, hvorfor der udelukkende er taget hensyn til omlægningen af arealanvendelsen fra landbrug til by for perioden

5 Input Submodeller Output Klima Arealanvendelse Jordtyper Daisy 1D vandbalanceresultater for rodzonen Daisy-resultater og -kort Afværge, renseanlæg, be arealer, kloakoplande Gridbaseret Overfladevandsmodel Gridbaseret vandbalance for alle overfladevandskomponenter Hydrogeologisk model Oppumpning, infiltration Rande Modflow grundvandsmodel 3D grundvandsstrømning Udveksling med recipienter og rande Figur 2. Principskitse over modelopbygning. I det gridbaserede program beregnes også regnafstrømning fra befæstede arealer, der er vokset i takt med den byudvikling som repræsenteres via Daisy-kortet. Endvidere medtages diverse punktudledninger til recipienter fra afværgelokaliteter og renseanlæg. Udledningen fra renseanlæg deles op i et bidrag fra husholdninger og industrier (tørvejrsudledning) henholdsvis regnvand fra det fælleskloakerede opland. Tørvejrsudledningen gives som direkte input til det gridbaserede program, mens udledningen af regnvand modelberegnes som den totale regnafstrømning fra befæstede arealer i de respektive fælleskloakerede oplande. Regnafstrømning til recipienter antages udelukkende at genereres i separat kloakerede oplande. Det gridbaserede program beregner dermed alle de væsentligste overfladevandsbidrag til afstrømningen i hovedstadsområdet i form af bidrag fra afværgeoppumpning, renseanlæg og regnvand fra befæstede arealer. Grundvandsmodellen består af en konceptuel hydrogeologisk model af 7 lag, hvor de øverste 5 lag består af vekslende sand og lerlag, mens lag 6 og 7 er opdelt i højt ydende kalk henholdsvis lavere ydende kalk. Udover modelinputtet af grundvandsdannelse til det øverste beregningslag modtager modellen et input af grundvandsoppumpning for perioden Modellen beskriver som output grundvandsstrømningen internt i den 3D-hydrogeologiske model samt udvekslingen med dræn, hav, vandløb, søer og vådområder (af større udbredelse). Modellen regner på i alt 417 tidsskridt, hver a 14 døgn, hvilket er vurderet til at være en tilstrækkelig nøjagtig repræsentation af de processer, som modellen beskriver. Modellen er opstillet som input til Modflow-2 programmet, der til lejligheden er optimeret af Watertech på flere punkter. HISTORISK OPPUMPNING AF GRUNDVAND For at kunne kvantificere den historiske påvirkning fra grundvandsoppumpning er det essentielt at kunne opstille et realistisk input af grundvandsoppumpningen for hele perioden

6 Parallelt med opstillingen af den historiske model har Watertech indsamlet og digitaliseret historiske oppumpnings- og pejledata fra Københavns Energis (KE) kildepladser og kommunale vandværker i amtet. Det er med succes lykkedes at opstillet komplette tidsserier af grundvandsoppumpning for alle KE-kildepladser i modelområdet, mens udbyttet for de kommunale vandværker har været af varierende kvalitet. I tilfælde af manglende data er der foretaget skøn. KALIBRERINGSGRUNDLAG Den historiske model er kalibreret mod pejlinger af grundvandsstande og målinger af afstrømning. Det historiske grundlag, der udgøres af pejlinger af grundvandsstande er overvejende leveret af KE og strækker sig helt tilbage til år 19. KE-pejlingerne dækker primært områderne nær KE-kildepladserne, men i et parallelt forløbende digitaliseringsprojekt er der dog indhentet en del pejlinger fra andre områder (den nordøstlige del af amtet og på Amager). Modellen er kalibreret mod observationer af grundvandstand fra og valideret på data fra Grundlaget af afstrømningsobservationer er desværre begrænset til næsten kun at omfatte data fra tiden efter 197. Grundet det sparsomme datagrundlag er kalibreringsperioden udvidet i forhold til kalibreringen mod pejlinger. Der kalibreres således mod observationer af afstrømning for perioden op til 1995, mens der valideres mod data fra RESULTATER Figur 3 viser et eksempel på modelberegnet og observeret potentiale på Kildedal Kildeplads. Den historiske model simulerer i dette tilfælde pejletidsserien meget flot. Pejletidsserien fra Kildedal Kildeplads er et typisk eksempel på den enestående informationsværdi, der implementeres i modellen via de historiske pejletidsserier fra KE-kildepladserne. Via pejlinger fra diverse opstart- og nedlukningsperioder på KE-kildepladserne foreligger der således meget givtige oplysninger i kalibreringen af den historiske model. Figur 3. Simulering af potentiale på Kildedal Kildeplads. Figur 4 viser et eksempel på observeret og modelberegnet afstrømning i to oplande: Jonstrup Å og St. Vejle Å. Den historiske model simulerer generelt dynamikken og niveauerne meget

7 flot på de to vandføringsstationer og generelt i modellen, hvilket indikerer en tilfredsstillende konceptuel model af vandkredsløbet. Figur 4 illustrerer tydeligt konceptet for opgørelsen af simuleret afstrømning i form af grundvandsbidragene fra vandløbslækage og dræn samt øvrige overfladevandsbidrag fra regnafstrømning, renseanlæg og afværgeanlæg. I forbindelse med vurdering af påvirkning fra grundvandsoppumpning er kun grundvandsbidragene fra vandløbslækage og dræn i fokus, mens øvrige komponenter ikke er påvirkelige. Der findes imidlertid kun observationer af den totale afstrømning, og ikke af grundvandsbidragene alene, hvilket nødvendiggør en kvantificering af alle afstrømningskomponenter. 12 Jonstrup å - Knardrup - os Bundså Q i L/s Q obs Q totsim Q stream Q udl.-afv Q udl.-rens Q regnafs Q dræn St. Vejleå - Vejlebrovej Q i L/s Q obs Q totsim Q stream Q udl.-afv Q udl.-rens Q regnafs Q dræn Figur 4. Simulering af vandføring i Jonstrup Å og St. Vejle Å for udvalgte år. SIMULERET VANDBALANCE FOR KØBENHAVNS AMT På baggrund af den historiske model er der udtrukket vandbalanceresultater for området defineret af Københavns Amt. På figur 5 er vist tidslig udvikling i en række centrale vandbalancekomponenter for Københavns Amt. Der er vist resultater for nedbør, infiltration fra rodzonen, fordampning, regnafstrømning fra befæstede arealer, oppumpning, grundvandsafstrømning og temperatur. Resultaterne er opgjort som bagudskridende 1 års gennemsnitsværdier. Øverst på figur 5

8 er vist aktuelle størrelser i mm/år, nederst er størrelserne normeret i forhold til de sidste 1 år (nutidige niveau). Det skal bemærkes, at ikke alle vandbalancekomponenter er vist på figur 5. Mm/år års bagudskridende middel T [ C] [-] 1 års bagudskridende middel i forhold til de sidste 1 år ( ) Nedbør 1.9 Infiltration Fordampning 1.8 Regnafstrømning Oppumpning 1.7 Grundvandsafstrømning 1.6 Temperatur Figur 5. Simuleret vandbalance for Københavns Amt. På baggrund af figur 5 ses tydeligt en tendens til stigende temperatur gennem hele perioden. Den målte temperatur på landbohøjskolen er således steget ca. 1 C fra 185 erne til nutiden. Den korrigerede nedbør er generelt også steget gennem hele perioden Det nutidige niveau ses at være ca. 78 mm/år. Niveauet var ca. 85 % af det nutidige niveau i og ca. 9 % i Den beregnede aktuelle fordampning har ligget nogenlunde konstant omkring 9-11 % af det nuværende niveau på ca. 45 mm for hele perioden De første 4 år var karakteriseret ved fordampning, der kun ligger marginalt over det nutidige niveau. Faldet i fordampning på ca. 5 % fra 197 erne tilskrives den tilnærmelsesvis fuldendte byudvikling, hvormed de befæstede arealer fjerner vand, der i foregående år var disponibel for fordampning. Størrelsen af den nutidige Daisy beregnede infiltration er ca. 18 mm/år. I perioden udgjorde infiltrationen kun ca. 7-9 % af det nuværende niveau, hvilket kan tilskrives

9 periodens mindre nedbør. Der er således tale om en dramatisk stigning i nettonedbøren fra de første 4 år til det nutidige niveau. Grundvandsoppumpningen udgjorde de første 4 år af perioden under 1 % af det nutidige niveau på ca. 9 mm/år. I de følgende år frem til 193 erne steg oppumpningen imidlertid voldsomt til det nuværende niveau, hvorefter 2. verdenskrig medførte en midlertidig nedgang i grundvandsindvindingen til 9 % af det nutidige niveau. I årene efter 2. verdenskrig voksende oppumpningen igen til det højeste niveau på ca. 12 % af det nutidige i 196 erne, hvorefter oppumpningen stagnerede og siden faldt til det nuværende niveau. Den nutidige størrelse af grundvandsafstrømning til overfladerecipienter og hav er ca. 9 mm/år. Grundvandsafstrømningen ses at respondere på den samlede effekt af klima, byudvikling og oppumpning, jf. figur 5. Før ses afstrømningen at korrelere perfekt med infiltrationen fra rodzonen, sådan at al infiltration strømmer af til naturlige rande som søer, vandløb, drængrøfter og hav. Den derefter hurtigt voksende oppumpning ses at modvirke dette ligefremme forhold mellem nedbør, infiltration og afstrømning. Byudviklingen, der accelererede i 195 erne og 196 erne ses at komplicere sammenhængen mellem klimainput og grundvandsafstrømningsoutput yderligere, idet de befæstede arealer fjerner vand, der før var til rådighed til perkolation. Grundvandsafstrømningen nåede meget høje niveauer i tiden før betydende grundvandsoppumpning og udbredelse af byer fandt sted. Således var grundvandsafstrømningen dobbelt så stor i årene umiddelbart efter 19. De nedbørsfattige år fra midten af 193 erne til slutningen af 194 erne ses, i følge modellen, at have dramatisk effekt på afstrømningen, som således reduceredes til ca. 55 % i forhold til nutidige forhold. Derefter har kombinationen af øget nedbør og reduceret oppumpning medført generelt stigende grundvandsafstrømning frem til i dag. SIMULERET AFSTRØMNING På figur 6 er vist simulerede størrelser af afstrømningen til overfladerecipienter for området defineret af Københavns Amt. Der er vist resultater for den totale simulerede afstrømning, grundvandsafstrømning (dræn, vandløb og søer), regnafstrømning til overfladerecipienter og udledning af renset grundvand fra afværgeanlæg. Resultaterne er opgjort som bagudskridende 1 års gennemsnitsværdier i mm/år. Det skal bemærkes, at der i projektet ikke er indsamlet historiske data på renseanlæg, hvorfor tørvejrsudledningen ikke er medtaget på figur 6. Tørvejrsudledningen til overfladerecipienter i amtet udgjorde i blot 5 mm/år, hvorfor fejlen ved udeladelse er minimal.

10 Mm/år 1 års bagudskridende middel Total afstrømning Grundvandsafstrømning 17 Regnafstrømning 16 Udledning fra afværge Figur 6. Simuleret afstrømning for Københavns Amt. Figur 6 viser, at det nutidige afstrømningsniveau for perioden på 14 mm/år er ca. 2 mm større end niveauet for perioden Dermed kan der drages den meget vigtige konklusion, at det nutidige samlede afstrømningsniveau for Københavns Amt reelt ikke er reduceret i forhold til udgangspunktet. Selvom den totale afstrømning for Københavns Amt i dag er relativ ens i forhold til udgangspunktet er sammensætningen meget forskellig fra udgangspunktet til nutiden. Det ses af figur 6, at afstrømningen helt frem til 195 erne overvejende bestod af grundvand, hvorefter andelen af regnafstrømning fra befæstede arealer er vokset i takt med byudviklingen, sådan at regnvand fra befæstede arealer i dag udgør 53 mm/år (35 % af total). Udledningen af renset oppumpet forurenet grundvand fra afværgeanlæg udgør i dag 9 mm (1 %) og fra grundvand 8 mm/år (6 %). Grundvandsbidraget til afstrømningen ses på figur 6 at falde gennem hele perioden fra 12 mm/år i starten til 8 mm/år for Dette fald på 33 % kan i høj grad tilskrives grundvandsoppumpning frem til 197 erne, hvorefter indvindingen er faldet. Byudviklingen fra 195 erne har også en negativ effekt på grundvandsafstrømningen, idet de befæstede arealer fjerner vand, der før var til rådighed for perkolation og grundvandsafstrømning. Ovennævnte betragtninger gælder kun for det totale område dækket af Københavns Amt. Inden for mindre oplande i amtet kan der forventes andre resultater afhængig af bymæssig bebyggelse og oppumpningens størrelse. På figur 7 ses et afstrømningsudtræk for oplandet til Hove Å (HUnr. 52.2) og oplandet til Harrestrup Å (HUnr. 53.1), der er karakteriseret ved beskeden bymæssig bebyggelse henholdsvis stor bymæssig bebyggelse.

11 Mm/år Hove Å 1 års bagudskridende middel Total afstrømning Grundvandsafstrømning Regnafstrømning Udledning fra afværge Oppumpning Mm/år Harrestrup Å 1 års bagudskridende middel Total afstrømning Grundvandsafstrømning Regnafstrømning Udledning fra afværge Oppumpning Figur 7. Simuleret afstrømning for Hove Å og Harrestrup Å. Af figur 7 fremgår, at afstrømningsresultaterne for de to oplande er forskellige og begge afvigende i forhold til det samlede resultat for amtet. I Hove Å oplandet ses det nutidige totale afstrømningsniveau reelt at være på niveau med udgangspunktet og grundvandsafstrømningen er kun reduceret ca. 25 mm. I Harrestrup Å oplandet er det nutidige totale afstrømningsniveau derimod hele 6 mm større end udgangspunktet, mens den nutidige grundvandsafstrømning er reduceret markant med hele 7 mm i forhold til udgangspunktet. I de to oplande er det nutidige oppumpningsniveau omtrent det samme; 7-8 mm. De forskellige nutidige afstrømningsresultater for de to oplande viser dermed, at byer / befæstede arealer har stor konsekvens for afstrømningen. I forhold til det åbne land medfører byer således større overordnede afstrømningsniveauer, men også kraftig reduktion i afstrømningsbidraget fra grundvandssystemet. KONKLUSION OG PERSPEKTIVER Analysen af det historiske forløb i vandkredsløbet for Københavns Amt for årene viser med tydelighed kompleksiteten af vandkredsløbet i hovedstadsområdet. Det er vist, at udviklingen i klima, befæstede arealer og grundvandsoppumpning hver for sig spiller en væsentlig rolle i det historiske forløb i sammensætningen af vandkredsløbet for hovedstadsområdet. Analyse af den historiske vandbalance for amtet viser, at den korrigerede nedbør generelt er steget gennem hele perioden Det nutidige niveau ses at være ca. 78 mm/år, mens niveauet var ca. 85 % af det nutidige niveau i og ca. 9 % i Størrelsen af den nutidige infiltration er ca. 18 mm/år. I perioden udgjorde infiltrationen kun ca. 7-9 % af det nuværende niveau, hvilket kan tilskrives periodens mindre nedbør. Der er således tale om en markant stigning i nettonedbøren fra de første 4 år til det nutidige niveau. Grundvandsoppumpningen udgjorde de første 4 år af perioden under 1 % af det nutidige niveau på ca. 9 mm/år. I 196 erne nåede grundvandsoppumpningen det højeste

12 niveau på ca. 12 %, hvorefter oppumpningen stagnerede og siden faldt til det nuværende niveau. For området dækket af amtet er det nutidige afstrømningsniveau ca. 14 mm/år og ca. 2 mm større end udgangsniveauet for perioden I oplande indenfor amtet afviger resultaterne dog i forhold til gennemsnittet for amtet afhængig af oppumpning og bymæssig bebyggelse. I oplande dækkende Hove Å henholdsvis Harrestrup Å ses meget forskellige resultater for modelsimuleret nutidig afstrømning, hvilket primært tilskrives forskellige andele af bymæssig bebyggelse i de to oplande. I forhold til det åbne land medfører byer således større overordnede afstrømningsniveauer, men også kraftig reduktion i afstrømningsbidraget fra grundvandssystemet. KAM historisk har kvantificeret de historiske påvirkningsbidrag fra klima, befæstede arealer og grundvandsoppumpning. Valideringsresultaterne har vist, at modellen er robust overfor ændringer i disse påvirkninger. Modellen vil derfor kunne bruges fremadrettet i 1-årsscenarier med tilsvarende variationer i klima, landbrugsdrift, skovrejsning, indvindingsstruktur, byudvikling og øvrige menneskeskabte ændringer i vandkredsløbet. Scenarierne kan med fordel suppleres med en analyse af mulighederne i en bedre udnyttelse af regnafstrømningen fra byområder, dels som et ekstra supplement til vandløbsafstrømningen, dels som infiltration til grundvandssystemet. REFERENCER /1/ Ferskvandets Kredsløb, NOVA 23 Temarapport, Hans Jørgen Henriksen og Alex Sonnenborg, GEUS, 23.