Notat. Hillerød Forsyning A/S NYE KILDEPLADSER VED FREERSLEV OG BRØDESKOV Modelberegninger baseret på prøvepumpninger december 2016/januar 2017

Transkript

1 Notat Hillerød Forsyning A/S NYE KILDEPLADSER VED FREERSLEV OG BRØDESKOV Modelberegninger baseret på prøvepumpninger december 2016/januar april 2017 Projekt nr Dokument nr Version 2 Udarbejdet af DOS Kontrolleret af AKO/ABI Godkendt af AKO 1 BAGGRUND I forbindelse med Hillerød Vands omlægning af vandindvindingen, herunder etablering af nye kildepladser, er der foretaget undersøgelser/supplerende undersøgelser for to nye kildepladser, én i Freerslev og én ved Brødeskov. Data fra disse undersøgelser ønskes indarbejdet i Hillerød Kommunes grundvandsmodel. Med den opdaterede model ønskes udført beregninger, der kan vise den forventede indvindings påvirkning på det terrænnære vandspejl. Der tages udgangspunkt i den senest opdaterede model for Hillerød Kommune, der er opdateret med indvinding og pejledata fra Indvindingen på Frederiksgade Vandværk, nærmest de nye kildepladser, var i 2014 på m 3 og i 2015 (nyeste data) på m 3 jf. Jupiterdatabasen. Indvindingen på Attemose Kildeplads er steget med ca. 1 mio. m 3 fra 2014 til Dette betyder, at vandspejlet forventeligt generelt er sænket, hvilket dog ikke har indvirkning på beregning af sænkninger ved de to nye kildepladser. Det vurderes på denne baggrund, at den eksisterende model fortsat kan anvendes til beregninger af sænkningerne omkring Freerslev og Brødeskov. For at vurdere modellens evne til at simulere ændringerne omkring de to nye kildepladser er der med grundvandsmodellen foretaget en simulering af prøvepumpningsforsøgene og efterfølgende modelkalibrering. 2 PRØVEPUMPNING AF DGU NR OG I DEC. 2016/JAN Orbicon har i december 2016 udført en prøvepumpning af DGU nr over 19 døgn med en ydelse på 40 m 3 /t, og i umiddelbar forlængelse heraf udført en prøvepumpning i december 2016/januar 2017 af DGU nr over 21 døgn ligeledes med en ydelse på 40 m 3 /t. Under prøvepumpningerne er der udført kontinuerte vandspejlsregistreringer i observationsboring DGU nr for så vidt angår prøvepumpningen i DGU nr og i boring DGU nr for så vidt angår prøvepumpningen i DGU nr NIRAS A/S Sortemosevej Allerød CVR-nr Tilsluttet FRI T: F: E: niras@niras.dk

2 Placering af boringerne fremgår af nedenstående figur. På Freerslev Kildeplads er der ca. 40 m mellem pumpe- og observationsboringen, og på Brødeskov Kildeplads er der ca. 80 m mellem boringerne. Figur 1: Placering af pumpeboringer og observationsboringer ved Freerslev og Brødeskov. NIRAS har modtaget barometerkorrigerede vandspejlssænkninger og ydelsesdata fra Orbicon. I forbindelse med de to prøvepumpninger er der ikke foretaget kontinuert måling af rovandspejl før pumpestart. Data fra prøvepumpningen på Freerslev Kildeplads fremgår af Figur 2. Der ses en betydelig sænkning i kalken på Freerslev Kildeplads, mens der inden for prøvepumpningsperioden ikke synes at være nogen påvirkning af sandmagasinet. Figur 2: Observerede vandspejlssænkninger og stigninger ved prøvepumpning i DGU nr (Freerslev). Prøvepumpning startet d. 2/ og stoppet d. 21/

3 Den begrænsende sænkning i sandmagasinerne kan f.eks. skyldes, at: sænkningen ikke er slået igennem inden for prøvepumpningsperioden lerlaget mellem kalk og sandmagasinerne er meget tæt sandmagasinet er meget højpermeabelt sandmagasinet har hydraulisk forbindelse til en nærliggende Å. Data fra prøvepumpningen på Brødeskov Kildeplads fremgår af Figur 3. Ved Brødeskov Kildeplads observeres ligeledes en sænkning i kalkmagasinet, og der synes at være en variation i trykniveauet i sandet på mellem 0-15 cm over prøvepumpningens forløb. De observerede ændringer i trykniveauet i sandmagasinet kan skyldes naturlige årstidsvariationer, og det kan diskuteres om der er tale om en reel påvirkning af sandmagasinet fra prøvepumpningen. Kurven der beskriver sænkningerne i pumpeboringen på Brødeskov Kildeplads (DGU nr ) har en meget hakket forløb. Årsagen til dette kan ikke umiddelbart identificeres eller forklares. Figur 3: Observerede vandspejlssænkninger og stigninger ved prøvepumpning i DGU nr (Brødeskov). Prøvepumpning startet d. 21/ og stoppet d. 11/ Tolkning af prøvepumpningerne giver anledning til at tro, at vandspejlet retableres fuldt ud inden for observationsperioden, samt at vandspejlet ikke er væsentligt påvirket af andre indvindinger i området. Der observeres dog ændringer i trykniveauet i både kalk og sandmagasinet under prøvepumpningen, som må skyldes ydre påvirkninger. Transmissiviteten og magasintallet for kalkmagasinet ved de to kildepladser er bestemt ud fra prøvepumpningsanalysen, Tabel 2-1. Det ses, at transmissiviteten ved Brødeskov bestemmes til en faktor 2,5 større end ved Freerslev, hvilket afspejles i at sænkningen i 3

4 kalken er større i boring DGU nr ved Freerslev end i boring DGU nr ved Brødeskov også selv om forskellen i afstand til pumpeboringen tages i betragtning, Figur 2 og Figur 3. Tabel 2-1 Transmissivitet og magasintal bestemt fra prøvepumpningen. Kildeplads T, m 2 /s S Freerslev Brødeskov OPDATERING OG KALIBRERING AF MODEL Modellen er opdateret med nye oplysninger fra udførelse af nye boringer og prøvepumpningen. Efterfølgende er modellen justeret/rekalibreret stationært. 3.1 Geologi Modellens geologi er opdateret lokalt omkring de nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov på baggrund af boreprofiler fra fire nye dybe boringer. Oplysninger fra de nye boringer har lokalt betydet en justering af laggrænserne for det regionale sandlag (Ks2), men ikke ændret på den overordnede forståelse af geologien i modellen. Modellen er opdateret lokalt med T-værdier fra tolkning af prøvepumpningerne. Der er anvendt en tykkelse af kalkmagasinet på 20 m. 3.2 Diskretisering Modellen er generelt diskretiseret i et 100 m grid. For bedre at kunne beskrive sænkningerne på kildepladserne som følge af indvindingen er modellen lokalt omkring de to kildepladser diskretiseret i et finere grid (10 meter). Med modellen er det er ikke muligt at beskrive sænkningen i pumpeboringen, da denne også er afhængig af boringens virkningsgrad, men ved den finere diskretisering på kildepladserne kan sænkningen i observationsboringerne simuleres. Cellestørrelsen er trinvis ændret fra 100 m til 10 m for at mindske numerisk ustabilitet. 3.3 Tilretning af stationær model For at vurdere modellens evne til at simulere ændringerne ved etablering af de to nye kildepladser, er der med grundvandsmodellen foretaget en simulering af prøvepumpningsforsøgene. Simuleringen er foretaget både med en dynamisk og stationær model og efterfølgende er justeringen/rekalibreringen udført med en stationær model. Den stationære model beregner sænkningen, der ville kunne observeres ved en ligevægt og ikke nødvendigvis sænkningen efter kun ca. 3 ugers prøvepumpning. Af Figur 2 og Figur 3 tyder det på, at sænkningen i kalkmagasinet forårsaget af prøvepumpningen har sta- 4

5 biliseret sig, men at ydre, og ikke kvantificerbare påvirkninger, har indflydelse på trykniveauet. For sandmagasinet er det mere usikkert, da det vurderes, at ydre påvirkninger kan have større indvirkning på trykniveauet Indledende modelkørsler Der er foretaget indledende modelkørsler af prøvepumpningerne både med en semidynamisk model og med den opdaterede stationære model. I den stationære model er der foretaget en kørsel for hver prøvepumpning, hvor indvindingen på den anden kildeplads er sat til nul. Den dynamiske model er desuden opdateret med lokale magasintal fra tolkning af prøvepumpningerne. Simuleringen af prøvepumpningsforsøgene er foretaget semi-dynamisk med eksakte pumpetider for DGU nr og Pumpeudfald og eventuelt udsving i pumpeydelse på DGU nr og er ikke medtaget i modellen. Ligeledes er variationer i infiltration og øvrige indvindinger ikke medtaget i beregningerne. Resultaterne af simuleringen af prøvepumpningen på Freerslev Kildeplads er vist på Figur 4, hvor simuleret og observerede sænkning i observationsboringen er sammenholdt. Simuleringen af prøvepumpningen på Freerslev Kildeplads viser en simuleret sænkning i kalken i observationsboringen (DGU nr ), som er lidt for lille i forhold til observeret, mens der simuleres en sænkning i sandmagasinet (Ks2) i DGU nr , som ikke observeres inden for prøvepumpningsperioden. Lerlaget mellem magasinerne ved Freerslev Kildeplads synes derfor at skulle være tættere end beskrevet i modellen. Figur 4: Simuleret mod observeret sænkning og stigning i DGU nr (Freerslev) 5

6 Resultaterne af simuleringen af prøvepumpningen på Brødeskov Kildeplads er vist på Figur 5, hvor simuleret og observerede sænkning i observationsboringen er sammenholdt. Ved simulering af prøvepumpningen på Brødeskov Kildeplads opnås ligeledes en for lille simuleret sænkning i kalkmagasinet i observationsboringen (DGU nr ) i forhold til den observerede sænkning. Der simuleres ingen sænkning i hverken sand (Ks2) eller toplag (ler), Figur 5. I sandmagasinet observeres en variation i trykniveauet, der til en vis grad kan relateres til prøvepumpningen, og for det øvre lerlag observeres ingen påvirkninger forårsaget af prøvepumpningen. Hvis modellen skal kunne beskrive en mulig sænkning i sandmagasinet ved Brødeskov Kildeplads, er der andre faktorer i modellen der skal justeres end ved Freerslev Kildeplads, hvor den simulerede sænkning i sandmagasinet var for stor. Figur 5: Simuleret mod observeret sænkning og stigning i DGU nr (Brødeskov) Overordnet vurderes det, at modellen skal justeres for mere tilfredsstillende at kunne simulere prøvepumpningsresultaterne inden den anvendes til scenarieberegninger Modelkalibrering Med dette udgangspunkt er der med den stationære model foretaget en manuel justering/kalibrering af de hydrauliske ledningsevner for kalk- og sandmagasinerne samt for lerlaget mellem magasinerne og for lerdæklaget for at opnå en forbedret simulering af sænkningerne ifm. prøvepumpningerne. I Tabel 3-1 er parameterværdierne for modellen både før og efter kalibreringen listet. Parameterværdier markeret med fed angiver de parametre, hvor der er foretaget en ændring i forhold til de oprindelige værdier. 6

7 Modellen simulerede for stor sænkning i sandmagasinet ved Freerslev, hvilket vurderes at skyldes en for stor lækage gennem lerlaget mellem de to magasiner. Den vertikale ledningsevne for lerlaget mellem magasinerne er derfor reduceret med en faktor 6 fra 3*10-8 m/s til 5*10-9 m/s. En reduktion i lækagen mellem sand- og kalkmagasinet medfører en øget sænkning i kalkmagasinet, hvilket medfører en for stor simuleret sænkning ved Brødeskov. Den hydrauliske ledningsevne for kalkmagasinet er derfor øget med en faktor 2 lokalt omkring Brødeskov Kildeplads i forhold til vurderingen fra prøvepumpningen. Nær vandløbene er der i modellens øverste lag lagt et højpermeabelt lag, således at vandet kan dræne til vandløbene. Dette er bl.a. tilstede ved Brødeskov Kildeplads, og medfører at der ikke simuleres en påvirkning i sandlaget. Den vertikale ledningsevne i dette lag er derfor reduceret med en faktor 100, da det repræsenterer det øvre lerlag, mens den horisontale værdi bevares for at repræsentere dræn- og overfladeafstrømningen mod vandløbene. Ændringen medfører, at der simuleres en sænkning i sandmagasinet ved Brødeskov svarende til den observerede påvirkning. Tabel 3-1 Parameterværdier før og efter kalibreringen. Før kalibrering Efter kalibrering Geologisk enhed K h (m/s) K v (m/s) K h (m/s) K v (m/s) Freerslev Øvre ler 2.0E E E E-08 Sand 5.0E E E E-06 Nedre ler 3.0E E E E-09 Kalk 1.0E E E E-05 Brødeskov Øvre ler nær vandløb 3.0E E E E-08 Sand 5.0E E E E-06 Nedre ler 3.0E E E E-09 Kalk 2.5E E E E-05 I Tabel 3-2 er den simulerede sænkning med den kalibrerede stationære model listet sammen med den observerede sænkning. Ved prøvepumpningen på f.eks. Freerslev kildeplads er de simulerede sænkninger vist for både observationsboringen på Freerslev kildeplads og på Brødeskov Kildeplads, hvor der ikke pumpes, og vice versa. Der ses en lille påvirkning på ca. 10 cm i kalken på den modsatte kildeplads, end den der pumpes 7

8 på, men da der kun er pejlet på den kildeplads, hvor pumpningen foretages, findes der ingen observationer til sammenligning herfor. Den simulerede sænkning i kalken i observationsboringen på Freerslev Kildeplads stemmer godt overens med den observerede. Ved stationære forhold simuleres en lille sænkning i sandmagasinet, hvorimod der ikke, inden for pumpeperioden, observeres nogen betydelig sænkning. På Brødeskov Kildeplads observeres en sænkning på ca. 1,5 meter i kalkmagasinet i observationsboringen, hvilket er lidt mere end observeret inden for prøvepumpningsperioden. Det tyder på, at ydre forhold påvirker den observerede sænkning i kalken på Brødeskov, idet der mod forventningerne sker en stigning efter ca. 2 døgns pumpning. Da den stationære model repræsenterer en ligevægtssituation, vurderes det, at den simulerede sænkning i kalken stemmer godt overens med en forventet sænkning under stationære forhold. I sandmagasinet og i det øvre lerdæklag er der god overensstemmelse mellem simulerede og observerede resultater. I sandmagasinet synes der både observeret og simuleret at være en mindre sænkning, mens der ikke sker nogle sænkning i det øvre dæklag. Tabel 3-2 Observerede og simulerede sænkninger. Simuleret sænkning i meter ved prøvepumpning på: Observeret sænkning i meter ved prøvepumpning på: Kildeplads/Boring Freerslev Brødeskov Freerslev Brødeskov Freerslev /1 (Kalk) 3,89 0,10 3,6-3, /2 (Sand) 0,26 0,01 0,0-0,06* - Brødeskov /1 (Kalk) 0,08 1,53-1,3-1, /2 (Sand) 0,01 0,12-0,1-0,15* /3 (Ler) 0,00 0,01-0,0 * De observerede sænkninger i sandmagasinet er så begrænsede inden for prøvepumpningsperioden, at det svært at sige om det skyldes oppumpningen eller andre forhold så som øvrige indvindinger, nedbør, naturligt varierende vandspejl etc. - Ikke målt Ved kalibreringen af modellen er de statistiske størrelser for hele modellen (ME og RMS) sammenlignet før og efter. Der opnås en lille forbedring i ME, mens RMS er på samme niveau som den oprindelige model. 8

9 4 VURDERING AF MODELLENS ANVENDELIGHED Modellen er kalibreret stationært med de fordele og begrænsninger, der ligger i det, f.eks. tages årstidsvariationer i grundvandsdannelse således ikke i regning. Resultater fra den stationer strømningsmodel skal derfor betragtes som gennemsnit, og de simulerede sænkninger fra prøvepumpningen som langtidseffekten af indvindingen. Kalibrering af modellen ud fra prøvepumpningen giver den udfordring, at den stationære model, som nævnt, simulerer langtidsvirkningen af indvindingen, mens prøvepumpningernes varighed er på ca. 3 uger hver. Det betyder, at de simulerede sænkninger potentielt vil være større end dem, der er observeret inden for prøvepumpningen. Desuden er der ikke foretaget observationer af trykniveau inden pumpestart, således at udgangspunktet for trykniveauet er usikkert, og derved også vurderingen af sænkningen. Prøvepumpningen på Freerslev Kildeplads kan potentielt give en sænkning på Brødeskov Kildeplads, men dette er ikke moniteret. Dette betyder, at når prøvepumpningen på Brødeskov Kildeplads startes umiddelbart efter, at prøvepumpningen på Freerslev Kildeplads stoppes, er der ikke nødvendigvis stationære forhold på Brødeskov Kildeplads. Dette kan ligeledes være forklaringen eller en del af forklaringen på den stigning i trykniveauet, der observeres i kalken under prøvepumpningen på Brødeskov Kildeplads. At der stort set ikke observeres en sænkning i sandmagasinet ved Freerslev Kildeplads kan skyldes, at effekten fra prøvepumpningen ikke når at slå igennem til sandlaget, men det kan også skyldes, at lerlaget er meget tæt. Trods små simulerede og observerede ændringer/sænkninger i sandmagasinerne viser både modellen og observationerne, at der ikke forventes sænkninger i de terrænnære lag. Beregninger med den stationært kalibrerede model vurderes at kunne bidrage til vurderingerne af påvirkningerne fra indvinding ved de to kildepladser. Men med de usikkerheder, der er med modellen, kan det dog ikke udelukkes, at der på lang sigt kan være en påvirkning af sandmagasinet og de terrænnære lag. 9

10 5 SCENARIEBEREGNINGER Den opdaterede model anvendes til stationære scenarieberegninger af påvirkningen af en øget indvinding samt ændret indvindingsfordeling på det eksisterende Frederiksgade Vandværk og de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov. 5.1 Beskrivelse af scenarier Den samlede indvindingstilladelse på de to nye kildepladser ønskes samlet at være på 2 mio. m 3 /år, mens indvindingen på Frederiksgade Vandværk neddrosles fra en aktuel indvinding (i 2015) på ca. 1,4 mio. m 3 /år til 0,5 mio. m 3 /år. Tre forskellige scenarier sammenlignes med et referencescenarie, der beskriver de nuværende forhold. Indvindingsmængder og aktive boringer til scenarierne er listet i Tabel 5-1. Tabel 5-1 Indvindingsmængder og boringer i forbindelse med scenarieberegninger. Scenarie Kildeplads Indvinding Boringer Reference Frederiksgade m 3 /år (2015) B, C, D, E, , , , Freerslev 0 m 3 /år Brødeskov 0 m 3 /år 1 Frederiksgade 0,5 mio. m 3 /år B, C, D, E, , , , Freerslev 1,5 mio. m 3 /år F1. (x,y): , F3. (x,y): , F5. (x,y): , F6. (x,y): , Brødeskov 0,5 mio. m 3 /år B3. (x,y): , B5. (x,y): , Frederiksgade 0,5 mio. m 3 /år B, C, D, E, , , , Freerslev 1,0 mio. m 3 /år F2. (x,y): , F4. (x,y): , F7. (x,y): , Brødeskov 1,0 mio. m 3 /år B2. (x,y): , B4, (x,y): , B5, (x,y): , Frederiksgade 0,5 mio. m 3 /år B, C, D, E, , , , Freerslev 0,5 mio. m 3 /år F2. (x,y): , F4. (x,y): , Brødeskov 1,5 mio. m 3 /år B2. (x,y): , B4. (x,y): , B5. (x,y): , B1. (x,y): ,

11 De to eksisterende boringer og mulige placeringer af nye indvindingsboringer på Freerslev og Brødeskov kildepladser, som er anvendt i scenarieberegningerne, er vist i Figur 6 og Figur 7. I scenarierne er indvindingen fordelt ligeligt på 3-5 boringer på hver af de nye kildepladser, samt på 9 boringer på Frederiksgade Vandværk, jf. Tabel 5-1. Figur 6: Placering af pumpeboringer på Freerslev Kildeplads anvendt i scenarieberegningerne. Figur 7: Placering af pumpeboringer på Brødeskov Kildeplads anvendt i scenarieberegningerne. 11

12 5.2 Scenarieberegninger Simulerede sænkninger i det primære kalkmagasin, i det sekundære sandmagasin samt sænkninger i det terrænnære vandspejl i forhold til den eksisterende situation er for scenarie 1 vist i Figur 9 - Figur 11, for scenarie 2 vist i Figur 12 - Figur 14, og for scenarie 3 vist i Figur 15 - Figur 17. Den procentvise påvirkningen på baseflow i Havelse Å umiddelbar nedstrøms kildepladserne, se Figur 8, er listet i Tabel 5-2 for de tre scenarier sammenlignet med referencescenariet. Tabel 5-2 Scenarie Procentvis påvirkning af baseflow i Havelse Å ved de tre scenarier. Havelse Å 1-19 % 2-18 % 3-16 % Figur 8: Placering af punkt i Havelse Å for udtræk af baseflow (blå cirkel). 12

13 Figur 9: Scenarie 1: Simuleret sænkning (positive tal) og stigning (negative tal) i vandspejl i det primære kalkmagasin som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. Figur 10: Scenarie 1: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det sekundære sandmagasin (Ks2) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. 13

14 Figur 11: Scenarie 1: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det terrænnære vandspejl (toplag) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. Figur 12: Scenarie 2: Simuleret sænkning (positive tal) og stigning (negative tal) i vandspejl i det primære kalkmagasin som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. 14

15 Figur 13: Scenarie 2: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det sekundære sandmagasin (Ks2) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. Figur 14: Scenarie 2: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det terrænnære vandspejl (toplag) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. 15

16 Figur 15: Scenarie 3: Simuleret sænkning (positive tal) og stigning (negative tal) i vandspejl i det primære kalkmagasin som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. Figur 16: Scenarie 3: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det sekundære sandmagasin (Ks2) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. 16

17 Figur 17: Scenarie 3: Simuleret sænkning (positive tal) i vandspejl i det terrænnære vandspejl (toplag) som følge af indvinding på de to nye kildepladser ved Freerslev og Brødeskov samt reduktion af indvindingen på Frederiksgade Vandværk. 17