Integreret hydrologisk modellering af faskiner i den nordøstlige del af København

Transkript

1 KØBENHAVNS KOMMUNE Integreret hydrologisk modellering af faskiner i den nordøstlige del af København

2 KØBENHAVNS KOMMUNE Integreret hydrologisk modellering af faskiner i den nordøstlige del af København Dato: Revision : 1 Revisionsdato : 29. marts 2012 Sagsnr. : Projektleder : VIPL Udarbejdet af : JAJE Godkendt af : MIKR NEDSIVNING doc

3 Indholdsfortegnelse 1 Resume Indledning Modelopstilling og kalibrering Modelkode Modelopstilling Kalibrering Nutidig vandbalance Modelscenarier for fremtidigt klima og faskiner Opsætning af scenarier Resultater for klima-scenarie A2 uden faskiner Resultater for klima-scenarie A2 med faskiner Konklusion Referencer...20 A Teknisk dokumentation...21 Tabeloversigt Tabel 1: Befæstet areal i hele modelområdet og andel i Københavns Kommune...7 Tabel 2: Gennemsnitlig vandbalance ( ). Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet...10 Tabel 3: Oversigt over modelscenarier...12 Tabel 4: Gennemsnitlig vandbalance ( ) for aktuelt klima og A2-klima. Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet...13 Tabel 5: Gennemsnitlig vandbalance ( ) for A2-klima uden og med faskiner. Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet Tabel 6: Komponenter i det aktuelle vandkredsløb, der simuleres af modellen...21 Tabel 7: Start- og kalibrerede parameterværdier Tabel 8: Statistiske mål for modelfit...25 Figuroversigt Figur 1: Undersøgelsesområde, 23 km Figur 2: Observeret mod simuleret grundvandspotentiale...7 Figur 3: Observerede og simulerede pejletidsserier....8 Figur 4: Kort over dybden til det øverste grundvandsspejl (2004) med angivelse af observeret minus simuleret potentiale i geotekniske boringer. 1cm:500 m NEDSIVNING doc Side 1 af 26

4 Figur 5: Dybden til grundvandsspejlet svarende til 2004 aktuelt klima og A2- scenarie. 1cm:500 m...14 Figur 6: Fordeling af faskiner ved 100, 80, 60, 40 og 20 % afkoblingsscenarier af tagvand. 100 % svarer til nedsivning på jordstykker, hvor der initielt er plads (som svarer til 40 % af tagarealet). Kort-lagene er stakkede, sådan at 100 % ligger nederst og 20 % øverst...16 Figur 7: Dybden til grundvandsspejlet svarende til 2004 A2-klima uden faskiner (øverst) og med faskiner (nederst). 1cm:500 m...18 Figur 8: Rutediagram over model-princip til at finde den optimale fordeling af faskiner, der maksimerer nedsivningen i området og minimerer overløb NEDSIVNING doc Side 2 af 26

5 1 Resume ALECTIA har opstillet en fin-masket (10 10 m) hydrologisk model over den nordøstlige del af København (23 km 2 ) og anvendt den til at analysere: 1) den nutidige urbane vandbalance, 2) de hydrologiske konsekvenser ved fremtidige klimaændringer og 3) niveauet af bæredygtig nedsivning af tagvand via faskiner under hensyntagen til stigende grundvandsspejl og fremtidige klimaændringer. Formålet med undersøgelsen er at analysere de hydrologiske muligheder for at opfylde målsætningen om at håndtere 30 % af regnafstrømningen fra befæstede arealer ved LAR (lokal afledning af regnvand) i Københavns Kommune. Modellen simulerer processer relateret til overfladen/regnafstrømning, umættet zone og grundvand. Der simuleres relevante interaktioner mellem grundvand og naturlige rande/urbane infrastrukturer, såsom vandløb, søer, havet, indvinding, utætte kloakker, ledningsgrave, omfangsdræn, vejdræn og faskiner (LARelementer). Modellen er kalibreret mod pejlinger fra geotekniske boringer og det er eftervist, at modellen er i stand til at simulere det generelt højtliggende - øvre grundvandsspejl indenfor en acceptabel usikkerhed. Simuleringen af den nuværende vandbalance indikerer, at ca. 60 % af grundvandsdannelsen afstrømmer til kloakkerne enten direkte gennem utætheder i kloakken eller indirekte via vejdræn og omfangsdræn (antages at være nedgravet omkring bygninger med kældre). Størrelsen er usikker, fordi der ikke er implementeret flow-oplysninger omkring uvedkommende vandmængder i kloakkerne, og fordi den reelle anvendelse af omfangsdræn er ukendt. Simuleringen af de hydrologiske konsekvenser ved fremtidige klimaændringer (A2- scenarie) og en havniveau-stigning på 1 m indikerer en begrænset påvirkning (7 % stigning i grundvandsdannelse) som følge af ændret klima (nedbør, potentiel fordampning og temperatur). Havniveau-stigningen medfører imidlertid, at den kystnære grundvandsdræning stiger med 68 % på bekostning af afstrømningen til havet (som halveres). Scenarier omkring fremtidige klimaændringer og nedsivning af tagvand via faskiner viser, at 32 % af tagvandet i kommunen (i modelområdet) kan nedsives uden at afledningen via faskinerne forstyrres af et forhøjet grundvandsspejl. Dette svarer til 80 % af det tagareal, som kan afledes via faskiner under hensyn til pladsforhold på jordstykkerne. Ved dette niveau afstrømmer halvdelen af nedsivningen til kloakker/omfangsdræn, hvilket indikerer, at øget nedsivning hovedsageligt strømmer af NEDSIVNING doc Side 3 af 26

6 overfladenært, men forsinket til kloakken. Taget i betragtning, at den reelle anvendelse af omfangsdræn ikke er kendt, er der risiko for at generere problemer med fugtige kældre, hvis nedsivning via faskiner ukritisk anbefales på baggrund af de foretagne modelsimuleringer. Det anbefales derfor, at: 1) indhente konkrete oplysninger omkring brugen af omfangsdræn i området og 2) indsamle flow-målinger fra kloakkerne/pumpebrønde til brug i en modelvalidering af simulerede mængder af uvedkommende vand i kloakkerne. Foreløbigt bør resultaterne betragtes som et optimistisk bud på mulighederne for at afskære tagvand fra kloakkerne ved faskiner. De 32 % afkobling af tagarealet svarer imidlertid kun til 12 % af det totale befæstede areal, hvorfor målsætningen på de 30 % ikke kan nås ved nedsivning af tagvand alene, baseret på nuværende antagelser. Der er imidlertid indikeret et hydrologisk potentiale for yderligere nedsivning fra gårde og veje (og evt. fra bygninger, hvis der anvendes mere optimistisk krav til pladsforhold for faskinerne) i dele af området med forholdsvis stor dybde til grundvandsspejlet. Det vurderes dermed, at der er muligheder for at afkoble yderligere befæstet areal i området NEDSIVNING doc Side 4 af 26

7 3 Modelopstilling og kalibrering 3.1 Modelkode Der benyttes en urban hydrologisk model baseret på MODFLOW-systemet (MOD- FLOW-LAR), som er udviklet i et phd-studie, /5/. Den oprindelige MODFLOW kode er udvidet med forskellige moduler for at simulere det urbane vandkredsløb med og uden LAR-elementer: 1) et modul til simulering af overfladeafstrømning/umættet zone, 2) et modul til simulering af interaktionen mellem utætte kloakker og grundvandssystemet og 3) moduler til simulering af forskellige LAR-elementer (faskiner, regnbede, grønne tage, regntanke). MODFLOW-LAR simulerer følgende processer relateret til umættet zone: regnafstrømning fra befæstede arealer, lavningsmagasinering og -fordampning, Horton overland flow, infiltration fra permeable overflader, fordampning fra rodzonen, magasinering i rodzonen og grundvandsdannelse. Mht. grundvand simuleres strømning internt i grundvandssystemet og udveksling med diverse rande: havet, søer, vandløb, indvinding, utætte kloakker, nedsivningselementer (LAR), m.m. Integrationen mellem grundvand og LAR-elementerne muliggør en komplet analyse af de hydrologiske konsekvenser ved nedsivning af regnvand på f.eks. risikoen for stigende grundvandsspejl, uvedkommende vandmængder i kloakkerne, effekt på vandføring i åer osv. MODFLOW-LAR kan simulere de styrende hydrologiske processer på forskellig tidsskala. Processer relateret til umættet zone og LAR-elementer kan f.eks. simuleres på minut-skala, mens processer relateret til grundvand kan simuleres på døgnskala. 3.2 Modelopstilling Der er opstillet en urban-hydrologisk model for den nordøstlige del af København for perioden Modellen er opstillet i et m grid og dækker et 23 km 2 modelområde, Figur 1. Området er afgrænset i forhold til forskellige randbetingelser, se Figur 1 og Appendiks A. I opstillingen af modellen er der indarbejdet en væsentlig mængde data, som er beskrevet nærmere i Appendiks A. Af vigtige elementer kan nævnes, at der er implementeret en 5-lags hydrogeologisk model svarende til den eksisterende regionale MIKE SHE model for området. Fra MIKE SHE modellen er der endvidere overført data for klima, indvinding og pejleobservationer. GIS-kort over befæstede arealer (bygninger, gårde/parkeringsarealer, veje), jordartskort og AIS-kort er implemen NEDSIVNING doc Side 6 af 26

8 teret med henblik på at simulere umættet zone, Tabel 1. Der er anvendt information fra BBR omkring fordelingen af bygninger med kældre, hvor der groft antages at være omfangsdræn, som simuleres i modellen. En kloak-ledningsdatabase fra Københavns Energi er endvidere anvendt til at indarbejde forløb af utætte kloakker og ledningsgrave, som ligeledes simuleres i modellen. Forløb af ydre randbetingelser, vandløb og søer er implementeret i modellen på baggrund af relevante GIS-kort. Tabel 1: Befæstet areal i hele modelområdet og andel i Københavns Kommune. Befæstet areal Modelområde Befæstet areal Københavns Kommune Befæstet areal % i Københavns ha % af total ha % af total Kommune Bygninger Veje Parkering/gårde Total Kalibrering Modelparametre er kalibreret og valideret ved at sammenholde observeret og simuleret grundvandspotentiale. I den forbindelse er der anvendt pejletidsserier fra dybere magasiner og enkeltpejlinger af det øvre vandspejl fra geotekniske boringer fra /8/. Modellen simulerer de implementerede pejlinger indenfor en middelafvigelse på ca. 0,03 m med en standardafvigelse på ca. 1,2 m, hvilket er tilfredsstillende. Det gode modelfit ses også på Figur 2, hvor langt størsteparten af pejlingerne befinder sig omkring 45-graders linjen. Modellen kan dermed erklæres kalibreret og valideret. Simuleret potentiale i meter Lag 1 Lag 2 Lag 3 Lag 4 Lag Observeret potentiale i meter Figur 2: Observeret mod simuleret grundvandspotentiale NEDSIVNING doc Side 7 af 26

9 Til illustration af modellens simulering af den tidslige udvikling i grundvandspotentiale er der vist 2 udvalgte pejletidsserier på Figur 3. Pejletidsserien (fælledparken, kalken, lag 5) på den nederste figur simuleres tilfredsstillende med hensyn til niveau og årlig variation i grundvandspotentiale. Tidsserien på den øverste figur er fra det øverste beregningslag, hvilket resulterer i en meget større variation i grundvandspotentiale (max amplitude på 3 m). Her er der imidlertid kun én geoteknisk pejling til at verificere det simulerede forløb af grundvandspotentialet. Figur 3: Observerede og simulerede pejletidsserier. Generelt findes der kun enkelt-pejlinger af det øvre grundvandsspejl fra geotekniske boringer, hvilket inducerer en betydelig usikkerhed på de simulerede variationer af det øverste grundvandsspejl. Dette influerer igen på usikkerheden af de beregnede muligheder for at nedsive regnvand, da denne nedsivningskapacitet er stærkt afhængig af det simulerede øvre grundvandsspejl. Modellen vurderes dog i overordnede træk at være i stand til at simulere det forventede niveau af det øverste grundvandsspejl. Dette ses på Figur 4, som viser et kort over simuleret dybde til det øverste grundvandsspejl, svarende til december 2004, og forskellen mellem observeret og simuleret grundvandspotentiale i geotek NEDSIVNING doc Side 8 af 26

10 niske boringer. Generelt opnås tilfredsstillende modelsimuleringer, dog ses en tendens til overvurderet dybden til grundvandsspejlet i den vestligste del af modelområdet, hvilket tilskrives en upræcis/forkert hydrogeologisk model i det område. Kortet på Figur 4 viser i øvrigt, at der optræder dybder på 0-8 m i modelområdet med de største dybder i et større sammenhængende område på Østerbro. Områder med et terrænnært grundvandsspejl forekommer ofte i lavtliggende områder, men optræder også i højtliggende områder, hvor der er en leret terrænnær lagserie. Der ses i øvrigt at være store variationer i dybden til grundvandsspejlet, hvilket primært skyldes den indlagte drænende infrastruktur i form af veje, ledningsgrave, kloakker og omfangsdræn. Figur 4: Kort over dybden til det øverste grundvandsspejl (2004) med angivelse af observeret minus simuleret potentiale i geotekniske boringer. 1cm:500 m. 3.4 Nutidig vandbalance På baggrund af den kalibrerede model er der udtrukket en gennemsnitlig vandbalance for det simulerede urban-hydrologiske vandkredsløb for perioden , Tabel 2. Tabellen viser, at der i årligt gennemsnit falder 795 mm nedbør. Af disse afstrømmer halvdelen (373 mm) til kloakkerne fra impermeable arealer (bygninger - 36 %, gårde/parkering 28 %, veje 36 %). 15 mm afstrømmer som overland NEDSIVNING doc Side 9 af 26

11 flow i regnskyl, mens 45 mm fordamper fra lavninger i terrænet. Den resterende mængde infiltrerer til rodzonen, hvorfra 203 mm fordamper, mens 160 mm (20 %) nedsiver til grundvandssystemet. Tabel 2: Gennemsnitlig vandbalance ( ). Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet. m 3 /år mm/år % Umættet zone Nedbør (input) Regnafstrømning Overland flow Lavningsmagasinering Wetting tab Lavningsfordampning Rodzone fordampning Rodzone perkolation Rodzone magasinering Mættet zone Grundvandsdannelse (input) Magasinering Hav Oppumpning Omfangsdræn Vejdræn Vandløb Utætte kloakker Strømning over rand Grundvandsystemet (mættet zone) modtager udover de 160 mm yderligere 7 mm ved horisontal grundvandsindstrømning over den vestligste rand. Fra grundvandssystemet udstrømmer 70 mm (44 %) til havet, mens forsvindende 2 mm oppumpes. Halvdelen af grundvandsdannelsen ( mm) afstrømmer til kloakken via omfangs- eller vejdræn, mens yderligere 22 mm (14 %) tilkommer kloakken som netto indsivning via utætheder. Modelsimuleringen antyder dermed, at hele 62 % af grundvandsdannelsen ender (forsinket) i kloakken ved direkte indsivning eller via omfangsdræn. Det skal understreges, at denne simulerede vandbalance er usikker og i høj grad bygger på antagelser omkring forekomst af omfangsdræn ved kældre (konkrete oplysninger foreligger ikke). En tidsserie af målt kloakafstrømning fra oplandet vil i den forbindelse kunne validere simuleringen af uvedkommende vandmængder til kloakkerne. På baggrund af det nuværende datagrundlag vurderes det imidlertid, at den simulerede vandbalance er sandsynlig, og at det høje niveau af grundvandsdræning til kloakken afspejler modelområdets hydrogeologiske karakteristika og beliggenhed, NEDSIVNING doc Side 10 af 26

12 da de ofte lav-permeable lerede terrænnære aflejringer, samt de udbredte lavtliggende kystnære områder, begunstiger forekomsten af et terrænnært grundvandsspejl, der på forskellig vis afdrænes til kloakken. Dette terrænnære vandspejl erkendes netop i områdets pejlede geotekniske boringer. Den simulerede nuværende vandbalance indikerer dermed indirekte, at ved nedsivning af regnvand, må det forventes, at hovedparten finder en (forsinket) afstrømningsvej til byens kloakker. Dette belyses nærmere i næste kapitel, hvor modellen benyttes til at simulere scenarier vedrørende nedsivning af regnvand NEDSIVNING doc Side 11 af 26

13 4 Modelscenarier for fremtidigt klima og faskiner Den kalibrerede og validerede model er benyttet til at simulere de hydrologiske konsekvenser ved nedsivning af tagvand via rendefaskiner i det aktuelle klima og i fremtidigt klima svarende til IPCC s A2-scenarie. 4.1 Opsætning af scenarier Der beregnes tre modelscenarier, Tabel 3, hvor scenarium 1 svarer til den kalibrerede model beskrevet i kapitel 3 (aktuelt-klima). Scenarium 2 (A2-klima) og 3 (A2- klima-fas) svarer til et fremtidigt klima med faskiner henholdsvis uden faskiner. Klimaændringerne svarende til A2 er implementeret på baggrund af delta-changemetoden, jf. /7/, hvor de eksisterende klimadata for perioden benyttes som grundlag for at konstruere et nyt datasæt, der repræsenterer et fremtidigt klima svarende til A2. For A2 scenariet er der endvidere implementeret et havniveau på kote 1 m. I modelscenariet for A2 antages det, at de forudsagte klimapåvirkninger for er fuldt ud slået igennem. Tabel 3: Oversigt over modelscenarier. # Model Id Klima Havniveau [m] Faskiner 1 Aktuelt-klima Aktuelt 0 Nej 2 A2-klima Fremtidigt 1 Nej 3 A2-klima-fas Fremtidigt 1 Ja Mht. simulering af faskiner til nedsivning af tagvand benyttes resultater fra den udførte LAR-screening, /8/. Resultaterne omfatter faskine-design og relationer mellem bygninger og areal til rådig for LAR. Der betragtes kun nedsivning af tagvand på eget jordstykke, dvs. der simuleres ikke transport af regnvand til faskiner på omkringliggende jordstykker. I modelscenariet benyttes et faskine-modul til MODFLOW-LAR, der kan simulere infiltration af regnvand / dræning til grundvand gennem bund, sider og top afhængigt af jordart og simuleret vandspejl i faskine og grundvandssystem, /11/. I modelscenariet betragtes rendefaskiner med en bredde og højde på 1 m, og en længde, der svarer til at faskinen kan håndtere en 10-årsregn. Faskinerne implementeres med overkanten 0,5 m under terræn. I faskine-scenarierne søges det at estimere et bæredygtigt nedsivningsniveau, hvor nedsivningen netop ikke medfører problemer med, at der genereres mere faskineoverløb end design-kriteriet, som følge af uacceptabelt grundvandsstigning. I den forbindelse anvendes autokalibreringsværktøjet PEST, /14/, til at finde den optimale/acceptable fordeling af faskiner i området, der opfylder design-kriteriet NEDSIVNING doc Side 12 af 26

14 4.2 Resultater for klima-scenarie A2 uden faskiner Der er foretaget en vurdering af ændringerne i det aktuelle vandkredsløb ved fremtidige klimaændringer svarende til klimascenarie A2. Resultatet med hensyn til vandbalance er vist i Tabel 4, mens dybden til det øvre grundvandsspejl er vist for både det aktuelle og fremtidige klima på Figur 5. Tabel 4: Gennemsnitlig vandbalance ( ) for aktuelt klima og A2-klima. Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet. Aktuelt klima (som i Tabel 4) A2 klima Forskel m 3 /år mm/år m 3 /år mm/år mm % Reference fordampning Umættet zone Nedbør (input) Regnafstrømning Overland flow Lavningsmagasinering Wetting tab Lavningsfordampning Rodzone fordampning Rodzone perkolation Rodzone magasinering Mættet zone Grundvandsdannelse (input) Magasinering Hav Oppumpning Omfangsdræn Vejdræn Vandløb Utætte kloakker Strømning over rand Tabel 4 viser, at den gennemsnitlige nedbør i A2-scenariet vil stige med beskedne 59 mm (7 %), mens reference fordampningen vil stige med 112 mm (19 %). Disse ændringer (kombineret med højere gennemsnitlig temperatur) vil øge følgende vandstrømme: regnafstrømning med 27 mm (7 %), overland flow fra permeable arealer med 6 mm (40 %), lavningsfordampning med 5 mm (11 %), rodzonefordampning med 8 mm (4 %) og perkolation fra rodzonen med 11 mm (7 %). For mættet zone er den væsentligste ændring, at udstrømningen til havet mindskes med 32 mm (68 %), mens dræningen stiger tilsvarende. Denne ændring tilskrives havniveau-stigningen på 1 m, som igangsætter øget grundvandsdræning på bekostning af udsivning til havet. Det skal bemærkes, at grundvandsdannelsen kun øges med 7 % i A2-scenariet. Derfor ses de største ændringer (fald) i dybden til det øverste grundvandsspejl at optræde i kyst-området, Figur NEDSIVNING doc Side 13 af 26

15 Aktuelt klima A2 klima Figur 5: Dybden til grundvandsspejlet svarende til 2004 aktuelt klima og A2- scenarie. 1cm:500 m NEDSIVNING doc Side 14 af 26

16 4.3 Resultater for klima-scenarie A2 med faskiner I faskine-scenarierne søges det at estimere et bæredygtigt nedsivningsniveau, hvor nedsivningen ikke medfører problemer med en uacceptabel grundvandsstigning under faskinerne, der igen influerer negativt på den forventede performance (som er overløb hvert 10. år). I den forbindelse anvendes autokalibreringsværktøjet PEST, /14/, til at finde den optimale/acceptable fordeling af faskiner i området. Der henvises til Appendiks A.4 for nærmere information omkring optimeringsprincippet. PEST-optimeringen tager udgangspunkt i den initielle fordeling af faskiner, der svarer til afkobling af tagareal på alle de jordstykker, hvor der er tilstrækkeligt med plads i følge LAR-screeningen, /8/. Denne fordeling benævnes 100 %, men repræsenterer faktisk kun ca. 40 % af tagarealet (i Københavns Kommunes andel af modelområdet). Det skal bemærkes, at pladsforhold er den eneste begrænsende parameter, der er implementeret i den initielle fordeling af faskiner. Således simuleres også faskiner på jordstykker, hvor screeningen har indikeret forurening og for højt grundvandsspejl. De forurenede jordstykker er medtaget, fordi betydelige arealer ellers ville være unddraget analysen. Endvidere er det erfaret, at den konkrete forurening i mange tilfælde kun omfatter en (mindre) del af jordstykkerne, hvilket giver plads til nedsivningsområder. Områder med højt grundvandsspejl er selvfølgelig medtaget, da et af formålene med modelleringen netop er at udpege områder egnet for nedsivning via faskiner med hensyn til de lokale grundvandsforhold. Resultatet af kørslen med PEST er, at 80 % af tagvandet svarende til den initielle fordeling ( 100% ) kan nedsives uden at generere overløb fra faskiner pga. stigende grundvandsspejl. Da 100 %-fordelingen svarer til 40 % af tagarealet (396 ha, Tabel 1) kan der således håndteres 0,8 0,4 % = 32 % af tagvandet eller 0,8 0,4 396 ha = 126 ha tagareal ved faskiner (i Københavns Kommunes andel af modelområdet). Dette svarer til 12 % af det totale befæstede areal (1069 ha, Tabel 1). Figur 6 viser mellem-resultater fra optimeringen i form af fordelinger af faskiner ved forskellig afkoblingsgrad. Det ses, at der er anvendt en direkte korrelation mellem dybden til grundvandsspejlet, Figur 7, og fordelingerne af faskinerne, sådan at lille afkobling (f.eks. 20 %) kun er forbundet med faskiner i områder med forholdsvis stor afstand til grundvandsspejlet, mens stor afkobling (f.eks. 100 %) også omfatter faskiner i lavtliggende områder. Afkoblingen svarende til 80 % er netop ikke forbundet med faskiner i områder med kort afstand til grundvandsspejlet, f.eks. i kystzonen NEDSIVNING doc Side 15 af 26

17 Figur 6: Fordeling af faskiner ved 100, 80, 60, 40 og 20 % afkoblingsscenarier af tagvand. 100 % svarer til nedsivning på jordstykker, hvor der initielt er plads (som svarer til 40 % af tagarealet). Kort-lagene er stakkede, sådan at 100 % ligger nederst og 20 % øverst. De hydrologiske konsekvenser ved bæredygtig nedsivning af tagvand ved faskiner er analyseret mht. vandbalance, Tabel 5. Tabellen viser, at afkoblingen svarer til 40 mm (10 %) af den totale regnafstrømning i modelområdet (fra bygninger, veje og gårde/parkeringsarealer). De 40 mm svarer som sagt til 32 % af tagarealet og til 12 % af det totale befæstede areal i Københavns Kommunes andel af modelområdet. For modelområdet medfører nedsivningen af regnvand en ekstra grundvandsdannelse på 39 mm, som svarer til en forøgelse på 23 % af grundvandsdannelsen (171 mm) i A2-scenariet uden faskiner. Vandbalancen viser, at den øgede grundvandsdannelse ender i omfangsdræn (13 mm), vejdræn (4 mm), utætte kloakker (5 mm), havet (3 mm), magasinering (4 mm), strømning ud over randen (8 mm) og bevirker marginalt mindre grundvandsdannelse fra permeable områder (1 mm) NEDSIVNING doc Side 16 af 26

18 Tabel 5: Gennemsnitlig vandbalance ( ) for A2-klima uden og med faskiner. Positiv størrelse angiver input, mens negativ størrelse angiver output fra systemet. A2 klima uden faskiner A2 klima Med faskiner Forskel Umættet zone m 3 /år mm/år m 3 /år mm/år mm % Nedbør (input) Regnafstrømning Overland flow Lavningsmagasinering Wetting tab Lavningsfordampning Rodzone fordampning Rodzone perkolation Rodzone magasinering Faskine infiltration Faskine overløb Faskine - magasinering Mættet zone Grundvandsdannelse (ekskl. faskiner) Faskiner infiltration Faskiner - dræning Magasinering Hav Oppumpning Omfangsdræn Vejdræn Vandløb Utætte kloakker Strømning over rand Det skal bemærkes, at modellen indikerer, at halvdelen af nedsivningen fra faskiner alligevel ender i kloakken, men med en signifikant forsinkelse i forhold til sædvanlige dimensionsgivende regn. Som tidligere omtalt skyldes dette i høj grad områdets hydrogeologiske karakteristika. Simuleringerne er endvidere baseret på antagelsen om, at der er etableret omfangsdræn omkring bygninger med kældre. Eksisterer disse omfangsdræn ikke (oplysningerne er ikke umiddelbart tilgængelige) kan der stedvis opstå problemer med fugtige kældre. Resultaterne skal derfor anvendes med forsigtighed. Figur 5 viser dybden til det øvre grundvandsspejl uden og med faskiner for klimascenarie A2. Det ses tydeligt, at dybden til det øverste grundvandsspejl mindskes ved nedsivningen af tagvand. Flere steder i området optræder der dog stadigvæk betragtelige dybder til grundvandsspejlet (6-8 m), hvilket indikerer, at der her er potentiale for at nedsive yderligere regnvand, evt. fra veje, gårde, m.m NEDSIVNING doc Side 17 af 26

19 A2 klima uden faskiner A2-klima med faskiner Figur 7: Dybden til grundvandsspejlet svarende til 2004 A2-klima uden faskiner (øverst) og med faskiner (nederst). 1cm:500 m NEDSIVNING doc Side 18 af 26

20 5 Konklusion Modelsimuleringer viser, at der kan nedsives tagvand svarende til 12 % af den totale regnafstrømning, hvilket er mindre end målsætningen på de 30 % for 10-års regnen. Der er imidlertid indikeret hydrologisk potentiale for yderligere nedsivning fra gårde og veje (og evt. fra bygninger, hvis der anvendes mere optimistisk krav til pladsforhold for faskinerne) i dele af området med forholdsvis stor dybde til grundvandsspejlet. Det vurderes dermed, at der er muligheder for at afkoble yderligere befæstet areal i området. På den anden side er der i modelscenariet tilladt nedsivning via faskiner på forurenede jordstykker, hvorfor simuleringen måske overvurderer nedsivningspotentialet. I alle tilfælde I nedsivningsscenariet afstrømmer halvdelen af det nedsivede regnvand til kloakker/omfangsdræn, hvilket indikerer, at øget nedsivning hovedsageligt strømmer af overfladenært, men forsinket til kloakken. Taget i betragtning, at den reelle anvendelse af omfangsdræn ikke er kendt, er der risiko for at generere problemer med fugtige kældre, hvis nedsivning via faskiner ukritisk anbefales på baggrund af de foretagne modelsimuleringer. Det anbefales derfor, at 1) indhente konkrete oplysninger omkring brugen af omfangsdræn i området og 2) indsamle flow-målinger fra kloakkerne/pumpebrønde til brug i en modelvalidering af simulerede mængder af uvedkommende vand i kloakkerne. Foreløbigt bør resultaterne betragtes som et forsigtigt bud på mulighederne for at afskære tagvand fra kloakkerne ved faskiner. Det anbefales endvidere at overveje yderligere simuleringer af LAR-elementer koblet til det hydrologiske system. Det er således relevant at simulere regnbede, fordi de som udgangspunkt placeres i terræn og dermed muliggør nedsivning i områder, hvor faskinerne vil forsumpes. Det er også relevant at overveje alternative LARscenarier, hvor grønne tage eller regnvandstanke kobles til nedsivningselementerne. Derved vil de grønne tage/regnvandstankene både forsinke regnafstrømningen i regnskyl og fordampe/forbruge regnvand, der ellers vil optage nedsivningskapacitet i jorden. Disse scenarier kan med fordel simuleres med det anvendte modelsystem MODFLOW-LAR NEDSIVNING doc Side 19 af 26

21 6 Referencer /1/ ALECTIA (2011): Hydrologiske effekter af øget nedsivning af regnvand i København. Tilbud. /2/ ALECTIA (2011): Hydrologiske effekter af øget nedsivning af regnvand i København. Tidsplan, økonomi og organisation ved inddragelse af option 2,3,4 i fase 1 og sideløbende afvikling af fase 3. /3/ Rambøll (2011): Forceret nedsivning og klimaændringernes betydning for grundvandet i København og Frederiksberg Kommuner. Udført for Frederiksberg og Københavns Kommune. Januar /4/ Rambøll (2006): Hydrogeologisk model for København og Frederiksberg. Opstilling og anvendelse af en hydrogeologisk model for Københavns Kommune og Frederiksberg Kommune. Udført for Frederiksberg og Københavns Kommune. December /5/ Jeppesen, J. (2010). Quantitative hydrological effects of urbanization and stormwater infiltration in Copenhagen, Denmark. Department of Earth Sciences, Faculty of Science, Aarhus University. PhD Thesis. /6/ ALECTIA (2012): Opstilling og anvendelse af en integreret hydrologisk-lar model for den nordøstlige del af Københavns Kommune. Januar /7/ van Roosmalen, L., B.S.B. Christensen, and T. Sonnenborg (2007): Regional differences in climate change impacts on groundwater and stream discharge in Denmark. Vadose Zone J. 6: /8/ ALECTIA (2012): Screening for LAR-potentialet i Københavns Kommune. /9/ Lynettenfællesskabet (2006): Befæstede arealer. Modtaget af KE. /10/ Jeppesen, J., Christensen S., Ladekarl, U. (2011): Modelling the historical water cycle of the Copenhagen area Journal of Hydrology 404(3-4): /11/ Jeppesen, J., Christensen S. (2011). A Modflow Infiltration-Drainage Device Package for simulating the hydrological consequences of stormwater infiltration. Submitted to GroundWater. /12/ DHI: MOUSE surface runoff models. Reference Manual. /13/ U.S. Geological Survey (2000). MODFLOW-2000: The U.S. Geological Survey Modular Groundwater Model User Guide To Modularization Concepts And The Ground-Water Flow Process. Open File Report /14/ PEST (2011). Model-independent Parameter Estimation. User Manual: 5th Edition. Watermark Numerical Computing. /15/ DMI (1998). Standardværdier ( ) af nedbørskorrektioner. Technical report /16/ GEUS (2010): God praksis i hydrologisk modellering. Geo vejledning NEDSIVNING doc Side 20 af 26

22 A Teknisk dokumentation A.1 Modelopstilling Modellen er opstillet i et m grid for det 23 km 2 aktive modelområde, vist på Figur 1. Modellen er dynamisk og dækker perioden Grundvandssystemet simuleres i tidsskridt af 1 døgn, mens faskiner simuleres i tidsskridt afhængigt af den tidslige nedbørsfordeling (10 minutter under og umiddelbart efter regn, ellers op til 1 døgn). Det aktive modelområde er afgrænset af ydre randbetingelser. I Øresund er der benyttet fastholdt trykniveau på kote nul i lag 1. Et potentialekort er dernæst benyttet til at definere resterende randbetingelser. Mod nord benyttes noflow rand langs grundvandsskel. Mod nordvest benyttes en variabel trykrand ( general head ) i sandmagasiner til at tillade nogen grundvandsstrømning ind i modelområdet. Mod syd benyttes ligeledes en variabel trykrand, som tillader lidt strømning ud af modelområdet. Mod sydvest benyttes en fastholdt trykrand på kote nul i det primære magasin (kalken), der er styret af sænkningen som følge af indvindingen på Frederiksberg Vandforsyning. Tabel 6 viser de simulerede komponenter i det aktuelle hydrologiske vandkredsløb. Tabel 6: Komponenter i det aktuelle vandkredsløb, der simuleres af modellen. # Komponent Modflow komponent Kommentar 1 Umættet zone Egenudviklet package Regnafstrømning, infiltration, overfladefordampning, wettingtab, Horton overland flow, m.m. simuleres som i MOUSE runoffmodel B, /12/. Simpel rodzone-model til simulering af rodzone fordampning, magasinering og nedsivning til grundvandssystemet 2 Intern grundvandsstrømning LPF-package, /13/ Lagflader, hydrauliske ledningsevner og magasintal er overført fra den eksisterende model, /4/ 3 Vandløb River-package, /13/ Fasthold trykrand med lækagekoefficient. Rørlagte strækninger er gjort impermeable 4 Søer GHB-package, /13/ Fasthold trykrand med lækagekoefficient 5 Hav Fastholdt tryk, /13/ Fastholdt trykrand med kote 0 6 Omfangsdræn/ Vejdræn Drain-package, /13/ Fastholdt kote med lækagekoefficient 7 Utætte kloakker Sewer-package, /10/ Fastholdt trykrand med lækagekoefficient 8 Indvinding Well-package, /13/ Specificeret flux NEDSIVNING doc Side 21 af 26

23 Der kan knyttes følgende kommentarer til modelopstillingen, Tabel 6: Ad 1) Fordelingen af permeable og impermeable overflader i modellen er udført på baggrund af diverse GIS-kort. Mht. impermeable arealer er der benyttet kort over veje, parkeringsarealer og gårde fra Lynettenfællesskabet, /9/, samt et bygningstema fra Københavns Kommune. For permeable arealer er der benyttet kort over arealanvendelse (AIS-kort) og jordart (GEUS). Til simuleringen af umættet zone er der endvidere benyttet følgende klima-tidsserier: temperatur og potential fordampning på døgn basis (fra den eksisterende MIKE SHE model) nedbør i høj tidslig opløsning (minut basis) fra SVK-station Landbohøjskolen (huller er erstattet med data fra Rødovre). Nedbøren er korrigeret for vindeffekt og opfugtningstab i henhold til /15/ (faste månedlige korrektioner). Ad 2) Lagflader og hydrauliske parametre fra den eksisterende regionale MIKE SHE model over København Kommune og Frederiksberg Kommune er benyttet som udgangspunkt for at opstille den hydrogeologiske model på 10x10 m niveau. I forhold til den eksisterende 6-lagsmodel, hvor kalken repræsenteres ved 2 lag, repræsenteres kalken kun ved ét lag med samme hydrauliske egenskaber som i den eksisterende MIKE SHE model. Med henblik på at opnå større robusthed med hensyn til simulering af den terrænnære grundvandsstrømning og hængende vandspejle simuleres det øverste beregningslag endvidere som en Modflow Quasi 3D layer, hvorved den dybeste del af laget simuleres ved en confining layer, se /13/ for en nærmere forklaring. Ad 3, 4 og 5) Vandløb, søer og hav er indlagt på baggrund af relevante GIS-kort. Vandløb og søer er indlagt med vandspejlskoter, som er udtrukket fra en digital højdemodel (2x2 m), og der er indlagt lækagekoefficienter svarende til lavpermeable sedimenter, der begrænser interaktionen med grundvand (og sikrer ingen interaktion på rørlagte strækninger). Ad 6) Der er benyttet oplysninger fra BBR omkring kælderstatus for bygninger til at indlægge model-dræn, der repræsenterer omfangsdræn langs kælderbunden. Der benyttes et dræn-areal, der er proportional med bygningsarealet i den enkelte celle. Der er indlagt model-dræn i to forskellige koter, hvor BBR antyder høj henholdsvis lav kælder på baggrund af arealforholdet mellem kælder_med_loft_mindre_end_1,25 (ALK) og samlet_kælder (ASK): 1. Høj kælder (ALK/ASK<0,5): 2 meter under terræn, 2. Lav kælder (ALK/ASK 0,5): 1 meter under terræn NEDSIVNING doc Side 22 af 26

24 Distribueringen af dræn er altså bygget på en antagelse om, at der benyttes omfangsdræn langs kældre. Der foreligger ikke data til at bekræfte denne antagelse. Langs veje er der endvidere implementeret dræn 0,2 mut. I beregningerne anvendes en lækagekoefficienter, der vurderes i kalibreringen. Ad 7) Der benyttes en beregningspakke til at simulere 2-vejs interaktion mellem utætte kloakker og grundvand. Kloakkerne implementeres rummeligt i modellen på baggrund af Københavns Energi s ledningsdatabase. I beregningerne anvendes en ensartet lækagekoefficient, der vurderes i kalibreringen. Modelceller som gennemskæres af ledningsgrave er endvidere indlagt som K-zoner med høj hydraulisk ledningsevne på baggrund af kloak-ledningsdatabasen fra Københavns Energi. Ad 8) Indvindingen fra den eksisterende MIKE SHE model er overført til nærværende model på baggrund af placering og fluks. A.2 Parametrisering Efter overførslen af de hydrauliske parametre fra MIKE SHE modellen, /4/, til nærværende MODFLOW model foreligger der distribuerede værdier for horisontale hydrauliske ledningsevner, vertikale hydrauliske ledningsevner og magasintal. Størrelserne af de hydrauliske ledningsevner er karakteriseret ved at antage bimodale fordelinger; enten er de lave eller også er de høje. Dette kan henføres til lithologiske forskelle indenfor de enkelte beregningslag, sådan at høje K-værdier svarer til sandede aflejringer (lag 1-4), mens lave K-værdier svarer til lerede aflejringer (lag 1-4). I kalken (lag 5) svarer de store kontraster i K-værdi til forskelle i lithologi/opsprækkethed. Begrundet i de identificerede kontraster er der efterfølgende påtvungen en zonering indenfor de enkelte lag af horisontale hydrauliske ledningsevner (KX): Der udvælges en K-zone-ler (KXL) og K-zone-sand (KXS) indenfor hvert af beregningslagene 1-4 ved at udvælge K-værdier mindre end 5E-7 m/s henholdsvis større end 5E-7 m/s. Kalken (lag 5) inddeles i to zoner Kzone-lav (KXKL) og K-zone-høj (KXKH) på baggrund af skæringsværdien 1e-6 m/s. Ydermere identificeres K-værdier associeret med ledningsgrave som en unik zone (KXLG). Dette resulterer i = 11 zoner. For hver zone defineres en kalibreringsparameter, der tilknyttes en startværdi i kalibreringen svarende til den gennemsnitlige K-værdi indenfor den tilknyttede zone. Dernæst beregnes forholdet mellem denne gennemsnitlige K-værdi og K- værdierne i de enkelte modelceller i den pågældende zone. Dette resulterer i en multiplier-array i MODFLOW. Før strømningsberegningerne udføres i NEDSIVNING doc Side 23 af 26

25 MODFLOW multipliceres dette array med størrelsen af kalibreringsparameteren i den enkelte zone. Resultatet er, at K-værdierne i kalibreringen justeres med samme faktor indenfor hver zone, der ændres således ikke på fordelingen af K-værdier. Der benyttes samme procedure for vertikale hydrauliske ledningsevner (KZ), hvilket resulterer i yderligere 11 zoner/parametre. Samme procedure benyttes også for inddeling af confining layer i lag 1 (VKCB). Således defineres 3 zoner: ler (VKCBL), sand (VKCBS) og ledningsgrave (VKCBLG). For specifikt magasintal (Ss) og specifik ydelse (Sy) benyttes også samme procedure, dog betragtes kun én parameter indenfor hvert beregningslag, hvilket resulterer i yderligere 2 5 = 10 zoner/parametre. For dræn defineres en lækagekoefficient (Drn) som kalibreringsparameter, som multipliceres med dræn-arealet i cellen i beregningen af drænafstrømning. Ligeledes defineres en lækagekoefficient for utætte kloakker (Sew), som multipliceres med det antagede våde rørareal i cellen i beregningen af denne interaktion. I alt defineres 36 parametre (34 hydrogeologiske, 1 dræn og 1 kloak). Parametrene er vist i Tabel 7 med initielle og kalibrerede størrelser. Tabel 7: Start- og kalibrerede parameterværdier. Parameter Lag Start Kalibreret KXL1 1 1,1E-07 5,0E-06 KXL2 2 1,1E-08 2,6E-07 KXL3 3 1,2E-07 2,7E-06 KXL4 4 1,2E-07 2,7E-06 KXS1 1 5,3E-05 1,8E-04 KXS2 2 7,1E-05 1,3E-04 KXS3 3 3,2E-05 5,7E-05 KXS4 4 4,0E-05 7,2E-05 KXKL5 5 1,0E-06 2,5E-07 KXKH5 5 2,4E-04 6,1E-05 KZL1 1 6,2E-08 3,0E-08 KZL2 2 2,4E-08 5,3E-09 KZL3 3 6,3E-08 1,4E-08 KZL4 4 2,4E-08 5,2E-09 KZS1 1 1,3E-04 2,2E-04 KZS2 2 1,1E-05 1,9E-05 KZS3 3 8,2E-06 1,5E-05 KZS4 4 5,0E-06 8,9E-06 KZKL5 5 1,7E-07 4,2E-08 KZKH5 5 2,9E-05 7,2E-06 KXLG 1,2,3,4,5 3,0E-04 3,6E-04 KZLG 1,2,3,4,5 6,0E-06 5,7E-06 VKCBL 1 2,5E-09 1,2E-08 VKCBS 1 6,0E-06 1,1E-04 VKCBLG 1 1,0E-07 1,2E-07 Ss1 1 2,1E-02 7,0E-03 Ss2 2 6,9E-02 2,6E NEDSIVNING doc Side 24 af 26

26 Ss3 3 1,0E-04 1,0E-04 Ss4 4 1,0E-04 1,0E-04 Ss5 5 1,0E-04 1,0E-04 Sy1 1 7,2E-02 1,3E-01 Sy2 2 1,6E-01 1,6E-01 Sy3 3 7,3E-02 7,3E-02 Sy4 4 1,4E-01 1,4E-01 Sy5 5 7,5E-01 1,5E-01 Drn 1,2 1,0E-06 1,0E-06 Sew 1,2,3,4,5 1,0E-08 1,0E-07 A.3 Kalibrering og validering Modellen er kalibreret og valideret ved at sammenholde observeret og simuleret grundvandspotentiale. I den forbindelse er der anvendt pejletidsserier fra den eksisterende MIKE SHE model og enkeltpejlinger fra geotekniske boringer fra /8/. I alt er der implementeret 663 pejlinger, hvoraf omtrent halvdelen er enkelt-pejlinger fra terrænnære filtre i geotekniske boringer. Der benyttes en simpel split-sample-test, hvor perioden benyttes til kalibrering og benyttes til validering (perioden benyttes til opvarmning). Modellen er kalibreret ved anvendelse af det uafhængige autokalibreringsværktøj PEST, /14/. PEST justerer automatisk udvalgte parametre, så der opnås en minimal forskel mellem simuleret og observeret grundvandspotentiale. De kalibrerede parameterstørrelser ses i Tabel 7. Tabel 8 viser statistiske mål for modelfit for kalibrering- og valideringsperioden. Det ses, at den gennemsnitlige middelfejl (ME) er i størrelsesordenen 0,03 m, mens standardafvigelsen (RMS) er 1,22-1,23 m. Antages en standardafvigelse, S obs, på 2 m på de anvendte pejlinger, hvilket for de geotekniske pejlinger er lavt anslået, er forholdet RMS/ S obs = 0,6. Dette forhold er meget lavt og indikerer, at modellen er klart indenfor kalibreringsstatus Detailmodellering i henhold til /16/ (kriterium 2, som er 1,65). Tabel 8: Statistiske mål for modelfit. Period Middel OBS [m] Middel SIM [m] ME [m] RMS [m] Kalibrering 5,48 5,47 0,03 1,23 Validering 5,99 6,01-0,02 1,22 A.4 Procedure for optimering af nedsivning Optimeringsprincippet bag beregningen af bæredygtig nedsivning er vist på Figur 8. Der tages udgangspunkt i simuleringen af den maksimale afkobling af tagflader, der omfatter nedsivning af tagvand på alle de jordstykker, hvor der i den udførte LARscreening, /8/, er fundet acceptable pladsforhold. Dette udgangsniveau svarer til en afkoblingsfraktion på 1. Denne simulering er forbundet med forholdsvis meget NEDSIVNING doc Side 25 af 26

27 overløb fra faskiner, fordi der også er placeret faskiner i områder med kort afstand til det øvre grundvandsspejl. PEST anvendes derefter til at estimere niveauet af bæredygtig nedsivning ved at optimere to mål for faskinerne for området: 1) maksimere størrelsen af nedsivet regnvand og 2) minimere størrelsen af overløb. I denne optimering benytter PEST afkoblingsfraktionen (afkoblet tagareal i forhold til tagarealet ved maksimal nedsivning) som kalibreringsparameter. I de enkelte PEST-iterationer benyttes afkoblingsfraktionen til at finde en ny fordeling af faskiner i området ved successivt at udvælge faskiner med størst afstand til grundvandsspejlet indtil den ønskede afkobling er opnået, Figur 8. Denne nye fordeling køres i MODFLOW-LAR og resultaterne af nedsivning og overløb evalueres i PEST. Når der er fundet en acceptabel løsning med hensyn til nedsivning og overløb stopper PEST og den tilknyttede afkoblingsfraktion og fordeling af faskiner erklæres for bæredygtigt. Slut Start Ændring <= konvergenskriterie Præprocessering PEST Evaluer beregningen af: 1) nedsivning af regnvand 2) overløb fra faskiner i forhold til mål: 1) maksimal nedsivning 2) minimalt overløb Evaluer ændringen fra sidste beregning (iteration). Juster parameter for afkoblingsfraktion. Ændring > konvergenskriterie Indlæs afkoblingsfraktion (afkoblet areal / total areal) Indlæs simuleret grundvandsstand Sorter listen over faskiner efter dybden til det simulerede øvre grundvandsspejl. Begynd udvælgelse af faskiner efter størst dybde. Opgør afkoblet areal. Stop når afkoblet areal svarer til indlæst afkoblingsfraktion Udskriv ny fordeling af faskiner til MODFLOW-LAR Kør MODFLOW-LAR med ny fordeling af faskiner Postprocessering Udtræk simuleret grundvandsspejl, nedsivning og overløb fra faskiner Figur 8: Rutediagram over model-princip til at finde den optimale fordeling af faskiner, der maksimerer nedsivningen i området og minimerer overløb NEDSIVNING doc Side 26 af 26