National Vandressource model Sjælland, Lolland, Falster og Møn

DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE RAPPORT 1998/109 National Vandressource model Sjælland, Lolland, Falster og Møn Hans Jørgen Henriksen, Lars Troldborg, Christen J. Knudby, Mette Dahl, Per Nygaard, Peter Roll Jakobsen og Per Rasmussen DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE MILJØ- OG ENERGIMINISTERIET G E U S DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE MILJØ- OG ENERGIMINISTERIET

DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE RAPPORT 1998/109 National Vandressource model Sjælland, Lolland, Falster og Møn Hans Jørgen Henriksen, Lars Troldborg, Christen J. Knudby, Mette Dahl, Per Nygaard, Peter Roll Jakobsen og Per Rasmussen DANMARKS OG GRØNLANDS GEOLOGISKE UNDERSØGELSE MILJØ- OG ENERGIMINISTERIET G E U S

1. RESUMÉ 5 2. INTRODUKTION 12 2.1 Formål med modelarbejdet... 12 2.2 Modelbenyttelse... 13 2.3 Modelområdet Sjælland... 15 2.3.1 Grundvandsmagasiner... 15 2.3.2 Ressourceopgørelse på Sjælland... 16 2.3.3 Ressourceopgørelse på Lolland, Falster og Møn... 18 3. HYDROGEOLOGISK TOLKNINGSMODEL 20 3.1 Grundvandssystemet (antagelser om reservoirforhold)... 20 3.1.1 Glacialtektonisk Variabilitet... 25 3.1.2 Kortlægning af glacialtektonisk variabilitet... 27 3.2 Hydrologiske afgrænsninger (randbetingelser)... 29 3.2.1 Modeloverflade, dræn og vandløb... 29 3.2.2 Vandudveksling mellem grundvand og vandløb (indre randbetingelser)... 30 3.2.3 Modelrand og impermeabel bund (ydre randbetingelser)... 31 3.3 Hydrauliske størrelser... 31 3.4 Nedsivning og udstrømning (vandbalancen)... 33 3.5 Vurderinger af nettonedbør og indvindingsprocent... 34 4. BESKRIVELSE AF MODELKODEN 38 4.1 Antagelser... 38 4.1.1 Overfladisk afstrømning (OC-modulet)... 38 4.1.2 Grundvandsstrømning (SZ-modulet)... 39 4.1.3 Beregning af vandudveksling mellem grundvand og vandløb (EX- modulet)... 41 4.1.4 Beregning af nettonedbør ved hjælp af simpelt rodzonemodul på baggrund af nedbør og potentiel fordampning... 42 4.2 Begrænsninger... 43 4.3 Løsningsmetode... 45 4.3.1 Overfladisk afstrømning og kanalstrømning... 45 4.3.2 Grundvandsstrømning... 46 4.3.3 Udveksling mellem vandløb og grundvand (EX-modulet)... 48 4.3.4 Beregning af nettonedbør... 49 4.4 Effekt på model... 53 5. MODELOPSTILLING 54 5.1 Modelområdene... 54 5.2 Hydrauliske parametre... 57 5.3 Hydrauliske parametre som styrer nettonedbør og fordeling til grundvand/overfladevand... 58 5.4 Hydrauliske parametre som styrer overfladisk afstrømning og vandløbsstrømning64 5.5 Input og output til vandbalancen... 65 5.6 Randbetingelser... 68 G E U S 3

5.7 Valg af kalibreringsmål og kriterier for nøjagtighed... 69 5.8 Numeriske parametre... 71 6. KALIBRERING 72 6.1 Kvalitativ/kvantitativ analyse... 74 6.1.1 Glacialtektonisk variabilitet... 75 6.1.2 Dummykoefficient... 76 6.2 Kalibreringsresultat... 76 6.2.1 Følsomhedsanalyse... 76 6.2.2 Præsentation af kalibrerings resultater... 77 6.2.3 Specielle vandløbs forhold... 83 6.3 Verifikation af modelopstillingen... 85 6.3.1 Verifikation vurderet udfra RMS, FL og R²-værdier... 85 6.3.2 Verifikation udfra pejletidsserier... 86 7. SIMULERINGER 88 7.1 Nettonedbør og grundvandsdannelsen... 88 7.2 Vandbalancer for 12 delområder... 91 7.3 Påvirkning af minimumsvandføring som følge af vandindvinding... 93 7.4 Simuleringer med Nord: Klimavariationer... 95 7.5 Simuleringer med Nord: Partikelbaner og opholdstider til store kildepladser... 97 8. REFERENCER 100 http://www.vandmodel.dk/ 4 G E U S

1. RESUMÉ Regionale modeller og DK-modellen Hydrogeologisk tolkningsmodel Diskretisering Modelværktøj Denne rapport beskriver tre regionale numeriske grundvandsmodeller for Vestsjælland, Nordøstsjælland samt Sydsjælland incl. Lolland, Falster og Møn (I det følgende betegnet DK model Sjælland ). Rapporten er den anden i rapportserien om regionale modeller, der tilsammen udgør DK-modellen. Opdelingen af DK-modellen til regionale modeller er baseret på naturlige regionale hydrologiske grænser eksempelvis Fyn og Sjælland såvel som opsplitning til evt. mindre enheder er numerisk begrundet. Det overordnede formål med DKmodellen er at udvikle en landsdækkende vandressource model, som skal danne grundlag for vurdering af Danmarks samlede tilgængelige drikkevandsressource, herunder dennes tidsmæssige variation og regionale fordeling. Der er opstillet en hydrogeologisk tolkningsmodel for Sjælland med øer på baggrund af cirkeldiagramkort, litteratur og oplysninger i GEUS s borearkiv. På baggrund heraf er vandførende og lavpermeable lag med regional udstrækning fastlagt, med tolkning af rumlig udbredelse og sammenhæng. Den hydrogeologiske tolkningsmodel består af 11 hydrostratigrafiske lag, der altid er repræsenteret i modellen, hvor lag 1, 2, 4, 6, 8 og 10 overvejende består af ler mens lag 3, 5, 7 og 9 består af smeltevandssand. Lag 11 består af kalk. For den første regionale model, DK-modellen for Fyn, blev det vurderet, at en horisontal diskretisering i et 1x1 km beregningsnet udgør en øvre grænse for, hvor groft topografiske og geologiske forhold, vandløbssystemer samt vandindvinding kan repræsenteres, såfremt de opstillede formål med modelarbejdet skal kunne opfyldes. Denne diskretisering er bibeholdt ved opstillingen af modellerne for Sjælland. Som grundlag for opbygningen af DK-modellen er MIKE SHE systemet valgt, fordi MIKE SHE er et deterministisk og fysisk baseret fuldt distribueret og integreret hydrologisk modelsystem, som kan beskrive de væsentligste strømningsprocesser i landfasen af det hydrologiske kredsløb. Beregningsmodulerne: OC (overland- and channel flow), SZ (saturated zone flow) og EX (exchange flow between aquifer and rivers) er anvendt. Input til modellen udgøres af daglig nettonedbør beregnet ved hjælp af et simpelt rodzonemodul. G E U S 5

GIS input Nettonedbør Fordeling af OC og SZ Topografiske forhold, jordartsforhold, arealanvendelse og vandløbssystem er på baggrund af GIS-bearbejdning anvendt som input til DK-modellerne for Sjælland. Topografien er baseret på KMS s 50 m griddata, mens jordart er baseret på opdeling af jordarter på sand og ler udfra GEUS s digitale jordartskort. Arealanvendelse er baseret på CORINE-data. Vandløbssystemerne er baseret på data fra den digitale vandskelsdatabase (ZETA i 50 m grid). I lighed med modellen for Fyn er der væsentlige usikkerheder på vandløbskoterne for Sjælland, som følge af usikkerheder på dataene i 50 m griddet. Der er til dels taget højde herfor ved en udjævning af vandløbenes længdeprofiler. Som input til rodzonemodulet er anvendt døgnværdier for nedbør og potentiel fordampning for et landsdækkende 40x40 km klimagrid. For hvert af de 13 klimagrid der indgår i DKmodellerne for Sjælland er genereret 6 forskellige nettonedbørsserier for forskellige kombinationer af arealanvendelse, jordart og terrænkote. Der er anvendt kombinationerne: skov, vådbundsområde, åbent land/sandjord over kote 50, åbent land/lerjord over kote 50, åbent land/sandjord under kote 50 og åbent land/lerjord under kote 50. For hver af disse 78 kombinationer af klimagrid og arealtyper er beregnet en daglig nettonedbør for perioden 1971-1996. Det er vurderet, at en del af nettonedbøren skal routes direkte til OC, i stedet for til SZ. Den fysiske basis herfor er dels skalaforholdet, som generelt bevirker, at modeltopografien er mere udjævnet end den faktiske topografi. Derved undervurderes genereringen af overfladisk/overfladenær afstrømning. Desuden vil regnvand på befæstede arealer i byområder blive afledt til overfladevandsystemet. Endelig er det vurderet, at hvor jordarten er leret, vil den overfladiske/overfladenære afstrømning øges. Der er taget hensyn til disse forhold ved indenfor hvert enkelt grid i modelområdet at fordele nettonedbøren mellem OC og SZ efter en fysisk baseret skabelon, som inddrager den topografiske variation, den procentvise andel af byområder samt procentdelen af lerjord, indenfor hvert enkelt modelgrid. Opbygning Så vidt muligt er samtlige oppumpninger større end 25.000 m 3 /år for perioden 1985-96 repræsenteret i modellerne på baggrund af oplysninger i vandressource-databasen. Desuden er for perioden 1971-85 anvendt supplerende data for de største vandindvindinger indberettet af Københavns Vandforsyning. Oppumpninger er inkluderet med årlige værdier. Simplificeringer I de inddæmmede områder (dele af Sjælland, Lolland og Falster) er drænvand routet til nærmeste vandløb. Søer har ikke kunnet repræsenteret fysisk korrekt i modellen, men er til- 6 G E U S

nærmelsesvist implementeret med et relativt bredt profil. Der tages dermed ikke tilstrækkeligt hensyn til reservoir virkning og den regulering der forekommer ved afløbet af mange større søer på Sjælland. Endelig er der identificeret numeriske problemer i områder med tynde skråtstillede lag (bl.a. Stevns og Møns klinter). Disse er søgt løst ved en justering af randbetingelserne i disse lokalområder. Hydrauliske parametre Kvartære lag Kalken og topdække Grovkalibrering I alle 3 regionale DK-modeller for Sjælland er der for hvert enkelt lag i den hydrostratigrafiske model, som a-priori antagelse, benyttet de samme konstante hydrauliske ledningsevner. Ovenstående simplificering af det fysiske system er begrundet med problemet med at finde repræsentative målinger af f.eks. den hydrauliske ledningsevne i forhold til en modelskala på 1x1 km, derved er tilstræbt så enkel og simpel en parameterisering som mulig, således at en risiko for overparameterisering undgås. Størst mulig gennemskuelighed fastholdes dermed i grovkalibreringen. Modellen forventes endeligt finkalibreret i løbet af 1999 ved brug af stationær løser og invers modellering. Transmissiviteten for de enkelte kvartære modellag er dermed alene distribueret jf. tykkelsesvariationen over modelområdet, det vil sige at det antages at moræneler for fx lag 4 kan antages at have samme ledningsevne for såvel Vest- som Sydsjælland. Lag bestående af smeltevandssand er ligeledes tildelt samme hydrauliske ledningsevne (lag 3, 5, 7 og 9). Lerlag (lag 2, 4, 6, 8 og 10) antages ligeledes at have samme hydrauliske ledningsevne. Den vertikale ledningsevne antages for de fleste lag at være 10 gange lavere end den horisontale ledningsevne (gælder dog ikke lag 1). I modsætning til de kvartære lag er transmissiviteten for modellens nedre lag, kalken (lag 11), distribueret på grundlag af interpolation af observationer fra borearkivet (specifik ydelse). Kalken har mange steder på Sjælland stor betydning for de regionale strømningsforhold. Det øverste lerlag i modellen (lag 1) er som følge af bl.a. opsprækning tildelt en væsentlig højere ledningsevne i forhold til de øvrige lerlag. Til kalibrering og verificering af modellen er anvendt en differentiel split sample test. Som kalibreringsperiode er benyttet 1988-90. Verificering er foretaget udfra 1991-96. Der er kalibreret mod trykniveauobservationer fra perioden 1970-96 samt observeret daglig vandføring ved et udvalgt antal vandføringstationer i hvert modelområde for perioden 1988-90. Kalibreringen er foretaget i flere runder hvor modelsetup og parameterværdier gradvist er blevet detaljeret og distribueret og afvigelser kvantificeret i forhold til afstrømning og trykniveau. En verifikation af modelopstillingen er foretaget ved for G E U S 7

en eller flere kalibreringskørsler med god overensstemmelse mellem simulerede og observerede data at køre disse for hele perioden 1971-96 og herefter udregne forskellige statistiske teststørrelser som giver et mål for hvor god overensstemmelsen der er opnået mellem observerede og simulerede trykniveauer, simuleret og observeret daglig vandføring samt simuleret og observeret minimums-vandføring. Validering af modelkonceptet Videreudvikling af MIKE SHE og finkalibrering I den grovkalibrering af Sjællandsmodellerne som denne rapport beskriver, var det i første omgang tilstræbt, at nå frem til et sæt konstante parameterværdier for de kvartære hydrostratigrafiske lag for alle 3 delmodeller for Sjælland. Konstante værdier er ønskelig ud fra et princip om at søge en så enkel og simpel parametrisering som muligt, således at risiko for overparametrisering undgås og gennemskueligheden fastholdes. Modelkonceptet er blevet valideret under anvendelse af en proxy-basin test. Testen er udført ved at tage kalibreringsparametre fra modelområderne Vest og Syd og anvende dem på Nord området. Resultaterne indikerede, at ønsket om konstante parameterværdier i længden er uholdbar. Ikke alene har det været nødvendigt at distribuere den styrende parameter for vandudvekslingen mellem grundvandsmagasiner og vandløb (ålækagefaktoren) på baggrund af en nærmere analyse af tykkelsen af de lavpermeable lag som adskiller vandløbsbunden fra toppen af det underliggende vandførende lag, men det er også konstateret, at det vil være nødvendigt at justere de konstante hydrauliske ledningsevner for de kvartære lag (moræneler og smeltevandssand), med henblik på at opnå en mere optimal kalibrering i alle 3 delområder. Man kan således næppe under finkalibreringen nå frem til de samme konstante parameterværdier for de kvartære lag for såvel Vest, Syd og Nordøst Sjælland, ligesom de optimale parameterværdier for Sjælland dels vil afvige fra Fyn og dels igen forventes at afvige for Jylland. Dette er et væsentligt delresultat, men samtidig en erkendelse der medfører, at kalibreringen af DK-modellens grundvandsdel bliver et væsentligt mere komplekst problem end først antaget. En finkalibrering af grundvandsdelen forudsætter desuden en stationær løsning med MIKE SHE, med en fuld kobling af SZ, OC og EX. Dette er nødvendigt af hensyn til at kunne afvikle et relativt stort antal kørsler med anvendelse af invers kalibreringsmetodik. I samråd med DHI har GEUS derfor iværksat en videreudvikling af MIKE SHE systemet således at beregningssystemet udbygges med en fuld koblet stationær løsning. Ligeledes er der iværksat en videreudvikling af et særligt vandbalancemodul, med henblik på at gøre udtræk af de forskellige størrelser i vandbalancen (og sammenligning med median- 8 G E U S

minimumsafstrømninger) lettere. Begge disse videreudviklinger er iværksat i sommeren 1998 og forventes implementeret i løbet af 1. kvartal i 1999. Herefter forventes modellen for Fyn og de 3 delmodeller for Sjælland endeligt finkalibreret i løbet af 1999, idet såvel en justering/distribuering fra lag til lag som horisontalt skal vurderes. Denne vurdering vil have særlig fokus på grundvandsdelen (SZ) og udvekslingen mellem grundvand og vandløb (EX), men kan også omfatte en finjustering af øvrige parametre fra overland flow og vandløbssystem delen (OC). Simulering af vandbalanceforhold og grundvandsdannelse Der er foretaget udvalgte simuleringer med den opstillede model for Sjælland af grundvandsdannelse, vandbalanceforhold, ændringer i udveksling mellem grundvand og vandløb og konsekvenser af længere tør perioden. Desuden er der vist et eksempel på simuleringer af partikelbaner og opholdstider til større vandværker for delmodel Nord. Resultaterne er foreløbige, da modellen kun er grovkalibreret men illustrerer anvendelsesmulighederne. Nettonedbøren er for Sjælland, Lolland, Falster og Møn for perioden 1971-96 opgjort til i gennemsnit 195 mm/år (korrigeret for direkte overfladisk afstrømning fra bl.a. befæstede arealer i byområder). Grundvandsdannelsen til kalken (beregningslag 9), som er det reservoir der totalt set indvindes mest vand fra på Sjælland, er opgjort til 28 mm/år, men med en betydelig variation indenfor modelområdet. Grundvandsdannelsens geografiske fordeling Områder med grundvandsdannelse > 25 mm/år forekommer i Nordsjælland vest for Helsingør, i et bælte omkring Søndersødalen som fortsætter gennem sydlige del af Hornsherred, i dele af Odsherred og på Røsnæs, i et større område i Københavns Vestegn og oplandet til Køge bugt afgrænset af Ballerup-Herlev, Roskilde, Ringsted, Køge og Køge bugt. Store dele af Stevns og det centrale Sydsjælland (Haslev-Fakse) har ligeledes stor grundvandsdannelse. Der er desuden lokalt stor grundvandsdannelse i nærområder til større vandindvindinger. Den samlede grundvandsdannelse til kalkmagasinet foregår i et relativt begrænset område idet 86 % af den samlede grundvandsdannelse foregår inden for blot 24 % af det samlede modelområde. I en tænkt situation uden vandindvinding havde til sammenligning kun 16 % af det samlede modelområde en grundvandsdannelse > 25 mm/år. Den intensive vandindvinding i Nord området og lokalt i andre områder har dermed forøget områderne med grundvandsdannelse > 25 mm/år med ca. 50 %, som følge af den resulterende afsænkning af grundvandsstanden og dermed inducerede grund- G E U S 9

vandsdannelse. Vandbalancer for 12 delområder Der er foretaget opgørelser af vandbalancen, herunder grundvandsdannelsen til forskellige magasiner og grundvandsafstrømning til vandløb (baseflow) ved såvel nuværende vandindvinding som for en situation uden oppumpning. Herved er grundvandsdannelsen opgjort for de beregningslag som udgør de primære magasiner i de enkelte delområder. For Vestsjælland udgør eksempelvis beregningslag 3 mange steder et øvre primært magasin, selvom den største indvinding foregår fra dybere mere regionale magasiner. For Nordøstsjælland udgør kalken det vigtigste primære magasin (beregningslag 9) men også beregningslag 5 og 7 har betydning. Beregningslag 3 derimod udnyttes ikke i Nordøstsjælland i væsentlig grad. For Sydsjælland og øerne udgør kalken det væsentligste magasin. Med denne opdeling er den samlede grundvandsdannelse til de primære magasiner for Sjælland opgjort til 50 mm/år ved den nuværende vandindvinding. Der indvindes til sammenligning i dag ca. 30 mm/år. Grundvandsdannelsen til primære magasiner for Møn, Falster og Lolland er væsentligt mindre henholdsvis 11, 14 og 10 mm/år med en vandindvinding på 5, 8 og 5 mm/år. I den tænkte situation uden oppumpning var grundvandsdannelsen væsentlig mindre og udgjorde for Sjælland, Møn, Falster og Lolland henholdsvis 30, 7, 8 og 5 mm/år. Påvirkning af minimumsvandføring som følge af vandindvinding På grund af problemer med anvendelse af medianminimumsvandføringen som et brugbart udtryk for minimumsvandføringen for store dele af Sjællands området, er det valgt at i stedet at benytte baseflow afstrømningen fra grundvand til vandløb for en 2 måneders sommerperiode (juli-august), som en mere robust størrelse i områder der er stærkt påvirkede af menneskeskabte indgreb i vandkredsløbet og vandindvinding. Der er anvendt en middelværdi for perioden 1988-96 af denne størrelse, der kan trækkes direkte ud af modellen, men som evt. også vil kunne bestemmes udfra fra afstrømnings-hydrografer ved en passende separation af sommer-afstrømningen (juli-august i en overfladenær komponent og en baseflow komponent). De model simulerede påvirkningsgrader af minimumsvandføringen set i forhold til ændringen fra ingen oppumpning til nuværende indvinding er begrænsede. Påvirkningsgraderne som helhed for Vestsjælland er med modellen vurderet til omkring 0.1 (påvirkning af minimumsvandføringen udgør 10 % af den forøgede indvindingsmængde), i Nordøstsjælland ses påvirkningsgrader fra 0.1-0.3 mens påvirkningsgraden i Sydsjælland og på øerne er ubetydelig (< 0.1). Der er konstateret 10 G E U S

fejl på vandbalancen i Vest modellen som er af numerisk karakter og som skal nærmere analyseres i forbindelse med finkalibreringen. Den samlede reduktion af minimumsvandføringen i forhold til den tænkte situation uden vandindvinding var i Vestsjælland max. ca. 10 %, i område Nordøstsjælland fra 15-40 % og i Sydsjælland og på øerne mindre end 10 %. Klima og opholdstider En simulering for Nordøstsjælland fra 1996 og 20 år frem med gentagelse af klimainput fra 5 års perioden 1972-76 viste, at minimumsafstrømningen efter ca. 10-15 år reduceres til ca. 70 % af værdien for perioden 1971-96. Efter ca. 20 års lav nedbør ses afsænkninger i Nordøstsjælland på 2-3 m i et større område. Sådanne afsænkninger kan give forøgede problemer med saltvandsindtrængning/-optrængning og udvaskning af stoffer bundet til jordmatrix. Det er ved hjælp af partikelbane simuleringer med Nord modellen vurderet, at det samlede infiltrations-område til de 48 største vandværker - alle med en indvinding > 1 mio. m 3 /år (de 48 kildepladser udgør samlet ca. 64 % af total indvindingen i Nord), i alt udgør ca. 26 % af det samlede landområde for Nord - dvs. det område, der vil være centralt at få beskyttet. Partikelbanesimuleringen viste derudover, at opholdstiden for 60 % af vandet fra det infiltrerer i jorden til det pumpes op ved kildepladserne er mere end 50 år og for mindre end 10 % af vandet er under 10 år. Det vil sige at en meget betydelig del af forureningsbelastningen med nitrat, pesticider og andre stoffer endnu må forventes at være på vej, og dermed endnu ikke kan registreres i overvågningen af det råvand der indvindes på kildepladserne. G E U S 11

2. INTRODUKTION 2.1 Formål med modelarbejdet Det er projektets overordnede formål, at udvikle og etablere en landsdækkende vandressourcemodel, som skal danne grundlag for bedre at kunne vurdere Danmarks samlede tilgængelige drikkevandsressource, herunder dennes tidsmæssige variation og regionale fordeling, samt muliggøre vurdering af ressourcens fremtidige udvikling. Mere specifikt er formålene med modelarbejdet: 1. At forstå processer og parametre som styrer grundvandsdannelsen, samt udvikling af forbedrede beregningsrutiner til kvantificering af den arealdistribuerede nedsivning til grundvandet (videnopbygning) 2. At opbygge en national vandressourcemodel bestående af en 3-dimensional, numerisk grundvandsmodel for Danmark (modelopstilling) 3. At reorganisere og effektivisere det nationale ressource-overvågningsnet på grundvand, herunder opbygning og implementering af systemer for dataopsamling og lagring, transmission og bearbejdning under anvendelse af tidssvarende teknologi (ressource overvågning) 4. At videreudvikle det tilgrundliggende modelsystem med rutiner og moduler, som er nødvendige i forbindelse med de særlige skalaforhold, krav til kalibrering og kvalitetsdokumentation, krav til opdatering og udveksling af modeldata samt behov i forbindelse med modellering af kvantitet, kvalitet og beskyttelse (MIKE SHE udvikling) I Figur 1 er vist en oversigt over det samlede projekts delelementer. 12 G E U S

Videnskabelige artikler og postere Ph.D. Udveksling grundvand/ Vandløb Glacialtektonisk variabilitet Rapporter og populær artikler Data input Videnopbygning GEO editor Model database GIS værktøjer Fyn resultater Model opstilling National Vandressource model DK - model MIKE SHE udvikling Skalerings værktøjer Sjælland resultater Saltvand/ ferskvand modul Jylland resultater Ressource overvågning Vandbalance Stationær løser On-line data Aldersdatering Pejledatabase Median min. data Afstrømnings data Figur 1 Det samlede projekts delelementer 2.2 Modelbenyttelse Det er målet med den nationale vandressourcemodel (DK-modellen) at kunne simulere det hydrologiske kredsløb med særlig vægt på grundvandssystemet og grundvandsressourcens størrelse under forskellige forudsætninger vedrørende klimaforhold, arealanvendelse, krav til maksimal påvirkning af vandløb/vådområder og begrænsninger i den udnyttelige vandressource som følge af områder med dårlig vandkvalitet og/eller dårlige indvindingsforhold. Input til simuleringerne udgøres af: klimadata (døgnværdier for nedbør og potentiel fordampning) arealanvendelsesdata (skov/åbent land/byområder/vådområder) vandindvindingsdata (årlig oppumpning i forbindelse med almene vandværker, erhvervsvanding og industri) Output fra simuleringerne udgøres bl.a. af: G E U S 13

grundvandspotentialer/afsænkninger (tidsserier, potentiale- og gradientkort) vandbalancedata (nettonedbør, infiltration, overfladisk afstrømning, drænvandsafstrømning, grundvandsdannelse til sekundære og primære grundvandsmagasiner, grundvandsafstrømning til vandløb/vådområder og hav) Der opstilles en række udvalgte simuleringsscenarier på basis af aktuelle og kritiske forudsætninger vedrørende klima input, arealanvendelse og vandindvinding. Scenarierne gennemregnes med den opstillede, kalibrerede og validerede model og konsekvenser for grundvandspotentiale, vandbalance og strømlinier vurderes. Modelsimuleringerne udgør således et grundlag for nærmere vurderinger af den udnyttelige grundvandsressources størrelse og udvikling. Simuleringsscenarier er dog kun inkluderet i begrænset omfang i nærværende rapport, idet det er valgt, at udskyde disse indtil en finkalibrering foreligger. Det er vigtigt ikke kun at se på grundvandet som en afgrænset enhed, men at se det i en sammenhæng med de øvrige dele af vandkredsløbet som f.eks. vandløb og vådområder. Et centralt forhold er i den forbindelse, at sikre en så fysisk korrekt beskrivelse af grundvandsmagasinsystemet (3D) og interaktionen mellem grundvand og overfladevand som muligt. Ved modelopstillingen er der således lagt særlig vægt på en god beskrivelse af grundvandsmagasinsystemerne og randbetingelserne til disse. Ligeledes er det forsøgt at beskrive den arealdistribuerede grundvandsdannelse så præcist, som datagrundlaget giver mulighed for. Der er derfor lagt vægt på, at topografi, jordartsforhold, dræn- og vandløbssystem samt hydrogeologiske forhold, som er styrende for vandudvekslingen mellem grundvand og overfladevand, er detaljeret og korrekt beskrevet. Der er desuden lagt vægt på, at modellerne afspejler de faktuelle grundvandsmagasiner, samt at modellerne på regionalt niveau skal kunne belyse relationer mellem konkrete grundvandsmagasiner og de arealer som bidrager til grundvandsdannelsen til disse. Desuden skal det være muligt at belyse påvirkningsfaktorer på minimumsvandføring som følge af ændret oppumpning ved større kildepladser. Det er vurderet, at en horisontal diskretisering i et 1x1 km beregningsnet udgør en øvre grænse for, hvor groft de fysiske forhold kan repræsenteres, idet brug af et beregningsnet på f.eks. 2 x 2 km giver for store usikkerheder i repræsentationen af topografiske og geologiske variationer, ligesom den decentrale vandindvindingsstruktur med relativt små vandværker sætter grænser for, hvor groft et beregningsnet der giver mening og kan anvendes. Samspillet mellem klima, vegetation og jordbund har stor indflydelse på fordampningen og dermed på nedsivningen til grundvandet. På grund af den valgte skala med et beregningsgrid på 1x1 km vil DK-modellen imidlertid repræsentere en relativ grov forenkling af en række forhold bl.a. topografi, repræsentation af den geologiske variabilitet, repræsentation af dræn- og vandløbssystemer etc. Det er derfor i første omgang valgt at basere beskrivelsen af fordampning (og dermed nedsivning fra rodzonen) på et relativt simpelt vandbalancemodul for rodzonen, og samtidig at se bort fra de enkelte processer i den umættede zone. Denne forenkling betyder iøvrigt, at et evt. feed back fra f.eks. afsænkning af grundvandspejlet som måtte påvirke fordampningen ikke kan håndteres umiddelbart på den måde modellen er benyttet. Det vil dog være relativt let at udbygge modellen med f.eks. mere detaljerede fordampningsrutiner og en umættet zone såfremt der er behov for sådanne vurderinger. Ved overordnede vurderinger på landsplan af ændringer mellem skov, åbent land, byområde og vådområder er modellen dog brugbar i den nuværende konfiguration. 14 G E U S

På baggrund af ovenstående overvejelser om, hvilke komponenter det er nødvendigt at inkludere i DK-modellen for at muliggøre simuleringen af fordelingen af Danmarks vandressource, er som grundlag for opbygning af DK-modellen valgt MIKE SHE systemet (Refsgaard og Knudsen, 1996; Abbott et al. 1986a,b). MIKE SHE er et deterministisk og fysisk baseret fuldt distribueret modelsystem, som beskriver de væsentligste strømningsprocesser i landfasen af det hydrologiske kredsløb. MIKE SHE kan beskrive afstrømning på jordoverfladen (2D), i vandløb (1D), over og under grundvandspejlet (3D) samt drænvandsafstrømning (2D). Desuden giver systemet mulighed for beskrivelse af snesmeltning og aktuel fordampning. Følgende beregningsmoduler fra MIKE SHE systemet (version 5.30) blev anvendt (DHI, 1997): OC- Overland- and Channel Flow (overfladisk afstrømning og kanalafstrømning) SZ - Saturated Zone (mættet zone) EX - Exchange between Aquifers and Rivers (vandudveksling mellem magasiner og vandløb) 2.3 Modelområdet Sjælland Området inkluderet i modellerne for Sjælland består af Sjælland, Lolland, Falster, Møn, Amager samt en række mindre øer. For dette område er opstillet 3 forskellige delmodeller: Model for Vestsjælland inkl. Sejerø Model for Sydsjælland, Lolland, Falster og Møn Model for Nordøstsjælland 2.3.1 Grundvandsmagasiner Sjælland incl. Lolland, Falster og Møn omfatter amtskommunerne Vestsjælland, Roskilde, Frederiksborg, Københavns og Storstrøms amter, samt kommunerne København og Frederiksberg. De vigtigste grundvandsmagasiner findes i skrivekridt, danien kalken og grønsands kalk. De kvartære sand og grus aflejringer har underordnet betydning, om end de lokalt er vigtige nogle steder (Vandrådet, 1992). På Sjælland er kalkbjergarterne gennemsat af mange brudlinier og dalsystemer. Derudover har isbevægelser i kvartærtiden haft den virkning, at de øverste meter af kalken mange steder er stærkt opsprækket. Denne opsprækning af kalken har medført, at reservoirerne mange steder er højtydende. De fleste prækvartære reservoirer er artesiske. Skrivekridt er det primære grundvandsmagasin på det sydlige af Sjælland fra linien Næstved-Faxe og sydpå. Lokalt ved Skælskør og langs Køge Bugt udnyttes skrivekridt sammen med danien kalk som grundvandsmagasin. Kalkaflejringerne fra danien er hovedreservoir på de dele af Sjælland, hvor de ligger direkte under de kvartære aflejringer. På den sydlige del af Sjælland er det ofte bryozokalk og slamkalk, som kan følges ud på Stevns og op til syd for København. I de nordlige dele af Sjælland er kalken udviklet som kalksandskalk. Over de opsprækkede danien kalkbjergarter ligger ofte omlejret kalk ( knoldekalk ), som indgår i reservoirerne. I Nordsjælland fore- G E U S 15

kommer store dalsystemer i kalken (Søndersødalen og Alnarpdalen), hvori der findes betydelige forekomster af smeltevandsgrus og sand, der indgår i grundvandsmagasinerne. Grønsands kalk er et vigtigt reservoir i den centrale del af Sjælland ved Ringsted-Haslev- Fuglebjerg samt lokalt i Odsherred, ved Havnsø, Korsør, Slagelse, Høng og Holbæk. Desuden er grønsands kalk et primært og stort udnyttet reservoir syd for Roskilde til Regnemark. Grønsands kalken veksler ofte i lagserien med lag af grønsand og grønsandsler, og normalt vil alle lagtyper indgå i reservoiret. Reservoirer af glacialt smeltevandssand, -grus og sten findes de fleste steder på Sjælland. Større artesiske magasiner findes syd for Odsherred nord for en linie fra Kalundborg over Jyderup til Tølløse, hvor der er flere begravede hedesletter. Desuden er smeltevandsaflejringer ofte hovedreservoirer i omådet Åmosen-Tissø-Korsør-Sorø. De kvartære reservoirer indgår enten i de prækvartære reservoirer i Nordsjælland, eller de er vigtige selvstændige reservoirer i de nævnte større dalsystemer (Vandrådet, 1992). 2.3.2 Ressourceopgørelse på Sjælland Nettonedbøren på Sjælland blev af Vandrådet vurderet til omkring 200 mm, og den er således relativ lille i forhold til landet som helhed. Afstrømningen i recipienterne på Sjælland er meget påvirket af grundvandsoppumpningerne i denne region. Medianminimumsafstrømningen i recipienterne på Sjælland ligger generelt mellem 0.1-0.5 l/s/km 2, og kun få steder er den større end 1 l/s/km 2 (Vandrådet, 1992). Da Sjælland tillige med hovedstadsregionen har landets største forbrug af ferskvand, er det ikke overraskende, at de sjællandske ferskvandsressourcer er fundet stærkt overudnyttede. I hovedstadsregionen indenfor København, Frederiksborg og Roskilde amter er der konstateret en klar overudnyttelse af ressourcen (Vandrådet, 1992) Det er beregnet, at der i hele regionen årligt forbruges omkring 264 mill. m 3, og den årlige ressource er omkring 212 mill. m 3. Der forbruges således omkring 52 mill. m 3 mere vand end der kan udnyttes. Det skal bemærkes at denne pessimistiske konklusion skyldes hensynet til afstrømningen i recipienterne på Sjælland. Uden denne hensyntagen ville der kunne oppumpes tilstrækkeligt til at dække det nuværende vandforbrug inden for regionen (Vandrådet, 1992). Vandplan Sjælland (Vandplan Sjælland, 1993) har vurderet nettonedbøren for Sjælland som helhed til ca. 250 mm/år eller i alt 1.708 mill. m 3 år. år. Heraf blev der i 1991 indvundet 13 % eller 222 mill. m 3 pr. år. Den sandsynlige kvalitetsmæssigt bæredygtig ressource blev vurderet til i alt 343 mill. m 3 pr. år og en sandsynlig recipientmæssigt bæredygtig ressource blev opgjort til 241 mill. m 3 pr. år. Opgørelsen fra Vandplan Sjælland tager ikke hensyn til nuværende eller fremtidig forureningen med miljøfremmede stoffer. Hverken Vandrådet eller Vanplan Sjælland tager højde for langperiodiske fluktuationer i grundvandsressourcens størrelse som følge af fx en række tørre år. Rapporten fra Vandplan Sjælland (1993) konkluderede, at der samlet set er vand nok på Sjælland og en prognose for den forventede udvikling i vandforbruget angav, at forbruget i år 2005 vil være 10 mill. m 3 mindre end i 1991, et fald fra 220 til 210 mill. m 3 /pr. år. Vandplan Sjælland vurderer videre, at der med den eksisterende indvindingsstruktur er store 16 G E U S

regionale og lokale forskelle. Såfremt de gældende målsætninger for vandkvalitet og vandløbskvalitet skal opfyldes, vurderes det derfor at være påkrævet at gennemføre en omfordeling af indvindingen (Vandplan Sjælland, 1996). Statusrapport for 2. fase af Vandplan Sjælland forelå i april 1995 (Vandplan Sjælland, 1995). Her blev givet et bud på, hvor mange grundvandstruende punktkilder, der findes. Under hensyntagen til indvindingsoplandenes beliggenhed og sårbarhed overfor forurening, blev det skønnet at ca. 30 mill. m 3 grundvand er forurenet med miljøfremmede stoffer, hvilket svarer til ca. en syvendedel af den nuværende indvinding. Dette medfører en reduktion i restressourcen (opgjort som kvalitetsmæssig bæredygtig ressource jf. status 1 rapporten) fra 123 mill. m 3 /år til 93 mill. m 3 /år. Vandplan Sjælland erkender imidlertid at f.eks. nikkelproblemerne i Københavnsområdet ikke indgår i sidstnævnte opgørelse af restressourcen. Set i forhold til den i 1. fase foretagne beregning af en udjævnet indvinding, der tilgodeser vandløbskvaliteten, som resulterede i, at der max. må indvindes 240 mill. m 3 om året, er det yderligere fradrag i ressourcen som følge af forurening på 30 mill. m 3 om året kritisk. Rapporten fra fase 2. konkluderede derfor, at trods forurening og tiltagende kvalitetsforringelse af vandressourcerne er der stadig vand nok af god kvalitet på Sjælland. En del af ressourcerne er dog beliggende i områder, hvor det af recipientmæssige hensyn vil være uønsket at foretage en indvinding. Vandplan Sjælland arbejdet har foreløbigt resulteret i udpegningen af et samarbejdsområde (Figur 2) og en plan for dette område med en tidshorisont på 25 år (1996-2020). Samarbejdsområdet omfatter et areal på 2740 km², hvilket udgør 40 % af Sjælland. I området indvindes i alt 153 mill. m³. pr. år, hvilket svarer til 73 % af den samlede indvinding på Sjælland i 1994. Indenfor samarbejdsområdet er der desuden udpeget problemområder, som er områder hvor grundvandskvaliteten til stadighed forringes, f.eks. som følge af saltvandsindtrængning, afsænkning af grundvandsspejlet med efterfølgende forringet grundvandskvalitet, eller ved forurening med miljøfremmede stoffer. Problemområder kan dog også være områder, hvor indvindingen ønskes ændret med henblik på at forbedre recipientkvalitetstilstanden. Figur 2 viser desuden de udpegede problemområder (Vandplan Sjælland, 1996). G E U S 17

Figur 2 Samarbejdsområde hvor hovedparten af den nuværende indvinding finder sted og hvor ændringer/omlægning af indvindingen forårsaget af forringent grundvandskvalitet eller med henblik på fremme af bedre recipientkvalitetstilstand skal finde sted (angivet med ) og problemområderne (angivet med ) indenfor samarbejdsområdet 2.3.3 Ressourceopgørelse på Lolland, Falster og Møn Lolland, Falster og Møn har en relativt lille nettonedbør på ca. 150-200 mm. Samtidig er minimumsvandføringen ringe, omkring 0.5 l/s/km 2 (svarende til ca. 16 mm/år), så indvindingsmulighederne er relativt begrænsede (Vandrådet, 1992). 18 G E U S

Når der ses bort fra de større byer, er indvindingsintensiteten relativt ringe, ofte mindre end 10 mm. Dette skyldes blandt andre forhold, at der er et meget beskedent markvandingsforbrug på de lerede jorde. Som følge heraf er der i regionen en relativt beskeden udnyttelsesgrad, og den årlige ikke udnyttede grundvandsressource er beregnet til at være omkring 24 mill m 3. Storstrøms amt har i forbindelse med Regionplan 97 revurderet den udnyttelige vandressource herunder skønnene for Lolland, Falster og Møn (Storstrøms Amt: Grundvandet i Storstrøms Amt, 1997). Som grundlag for den seneste vurdering har Storstrøms amt foretaget beregninger af grundvandsdannelsen baseret på 3 forskellige metoder: afledte vandmængder (oppumpning og medianminimum) afledte vandmængder (oppumpning og baseflow) grundvandsdannelse beregnet vha. INGA modellen Beregningerne baseret på medianminimum er problematiske i Storstrøms Amt idet metoden jf. amtet giver for små grundvandsmængder. Grundvandsdannelsen er for Lolland, Falster og Møn ved denne metode vurderet til ca. 5 mm/år. Som et alternativ hertil er derfor gennemført en beregning baseret på baseflow, som bestemmes ved at opsplitte den samlede afstrømning i henholdsvis en overfladenær komponent og en baseflow komponent. Beregningerne gav ved denne metode en grundvandsdannelse på ca. 85 mm/år og vurderes af amtet at give en overbestemmelse af grundvandsdannelsen. Storstrøms amt har derfor valgt at basere bestemmelsen af grundvandsdannelsen på resultater fra INGA modellen som er opstillet for Lolland og Falster. Baseret på INGA er grundvandsdannelsen herefter bestemt til ca. 25 mm/år. Den kvalitetsmæssige bæredygtige ressource vurderes på dette grundlag af Storstrøms amt for størstedelen af Lolland, Falster og Møn at være rigelig (ca. dobbelt så stor som den ressource der idag udnyttes). For enkelte områder bl.a. Stevns Klint, opland til Østersøen og Askø sker der dog idag en overudnyttelse. Storstrøms amt vurderer endvidere at det ikke er muligt at give et bud på den recipientmæssige bæredygtige grundvandsressource, idet der ikke foreligger nyere medianminimumsskøn og idet der ikke er opstillet krav til medianminimum for amtet (Storstrøms amt, 1997). G E U S 19

3. HYDROGEOLOGISK TOLKNINGSMODEL Opstilling af en hydrogeologisk tolkningsmodel er i princippet en vurdering af de væsentligste strømningskarakteristika for grundvandssystemet for den skala i hvilken modellen arbejder. En numerisk grundvandsmodel forudsætter en opdeling på beregningslag og - kasser, uanset at forholdene i visse områder er meget komplekse f.eks. i randmoræne områder. En hydrogeologisk tolkningsmodel skal belyse de antagelser og den viden der ligger til grund for fastlæggelsen af de hydrostratigrafiske enheder, som grundvandssystemet opdeles i. Hydrostratigrafiske enheder repræsenter en eller adskillige geologiske enheder slået sammen til et lag med samme hydrauliske egenskaber, men kan også være en underopdeling af et givet hydrogeologisk lag i flere enheder/beregningslag. Parameterfastsættelsen af f.eks. den hydrauliske ledningsevne i smeltevandssand eller moræneler skal ligeledes være repræsentativ for modelskalaen. Det betyder, at heterogeniteter som følge af sprækker og sandvinduer skal repræsenteres med få effektive parametre i den numeriske grundvandsmodel. Opstillingen af den hydrogeologiske tolkningsmodel blev gennemført ved at udtegne et antal geologiske profiler fra øst til vest og nord til syd, samt ved at undersøge cirkeldiagramkort i 1:50.000 (Andersen, 1973) sammen med relevant litteratur. Der blev foretaget en systematisk analyse af filtermidtpunkter i forskellige områder med henblik på at vurdere hvilke lag, der havde de bedste vandførende egenskaber. På baggrund heraf blev vandførende og lavpermeable lag med regional udstrækning fastlagt, således at der kunne foretages en tolkning af den rumlige udbredelse og sammenhæng af hvert enkelt hydrogeologisk modellag (Figur 3). 3.1 Grundvandssystemet (antagelser om reservoirforhold) Som beskrevet ovenfor er Sjælland, Lolland, Falster og Møn dækket af kvartære aflejringer fra mindst fire istider med en total tykkelse varierende fra nogle få til godt 100 meters tykkelse. Størstedelen af den kvartære lagserie udgøres af moræneler med linser og lag af smeltevandssand og -grus i adskillige stratigrafiske niveauer. Reservoirerne er overvejende artesiske. De vandførende prækvartære aflejringer består hovedsageligt af marine kalkaflejringer fra Kridt, Danien og Paleocæn og udgør i mange områder det primære reservoir for vandindvindingen. Oven på de paleocæne kalkaflejringer i Vestsjælland findes marine grønsandsler/mergel aflejringer, som i begrænset omfang bidrager til vandforsyningen. På Kalundborg-egnen og på den sydlige del af Lolland findes Eocæne aflejringer af fedt ler, og i disse områder foregår vandindvindingen kun fra de kvartære sandlag. Den numeriske grundvandsmodel for Sjælland indeholder følgende 11 hydrostratigrafiske enheder: 1. I landområder er modellens øverste lag 3.5 meter tykt og udgør den umættede zone samt den øverste del af den mættede zone. Laget regnes for opsprækket og relativt vandførende. I havområder udgør modellens øverste lag havet og har derfor en tykkelse 20 G E U S

som vanddybden. Laget antages at have meget høj hydraulisk ledningsevne, hvilket fører til, at trykniveauet fastholdes på havniveau. 2. Et forholdsvist lavpermabelt lag bestående hovedsagelig af moræneler og evt. lidt senog postglaciale lerede aflejringer. Laget er det øverste lerlag og findes især i områder med topografi over ca. 50 meter. 3. Et vandførende lag eller snarere linser af smeltevandssand og grus, som udgør sekundære lokale magasiner. Laget, som er det øverste sandlag, ligger omkring kote 30 til 50 meter og har begrænset udstrækning. Laget findes således kun udbredt i de højtliggende områder på Sjælland. Lagtykkelser over 2 meter findes især i Syd-, Midt- og i Nordsjælland. 4. Et lavpermabelt lerlag bestående hovedsageligt af moræneler evt. også smeltevandsler og -silt. Laget er dæklag til de primære smeltevandssandsmagasiner. 5. Et vandførende lag af smeltevandssand og -grus. Laget er det regionale primære øvre magasin og har en relativ stor udstrækning med lagtykkelser over 10 meter i mange områder, især i Midt- og Nordsjælland. Laget findes ofte omkring kote 0 til -15 meter. 6. Et lavpermabelt lerlag bestående hovedsageligt af moræneler evt. også smeltevandsler og -silt. Laget adskiller de regionale primære øvre smeltevandssandsmagasiner fra dybere liggende magasiner. 7. Et vandførende lag af smeltevandssand og -grus, som udgør et regionalt nedre primært magasin. Laget har relativ stor udstrækning og har tykkelser over 10 meter i mange områder, især i Nord- og Vestsjælland samt på Lolland. Laget mangler dog, hvor de prækvartære aflejringer ligger højt som på Østsjælland og på Møn. Laget findes ofte omring kote -20 til -35 meter. 8. Et lavpermabelt lerlag bestående hovedsageligt af moræneler evt. også smeltevandsler og -silt. Laget adskiller de regionale primære øvre smeltevandssandsmagasiner fra et dybt liggende magasin. Laget mangler i nogle områder (Nordsjælland), hvor der derfor er hydraulisk kontakt mellem de kvartære sandmagasiner. 9. Et vandførende lag af smeltevandssand og grus, som et dybtliggende nedre primært magasin, der især findes i dybe sænkninger i den prækvartære overflade som i Nordsjælland og på Lolland samt i mindre udstrækning i Vestsjælland. Laget findes ofte dybere end kote -45 meter. 10. Et lavpermabelt lerlag bestående hovedsageligt af Kvartær ler og silt samt prækvartære lerede aflejringer (Palæocæn og Eocæn ler). Laget adskiller de kvartære smeltevandssandsmagasiner fra de prækvartære magasiner. I en del områder findes laget ikke og der er derfor hydraulisk kontakt mellem det overliggende kvartære sand og de prækvartære vandførende aflejringer. 11. Vandførende prækvartære kalkaflejringer fra Danien og Kridt samt Danien grønsandsaflejringer. G E U S 21

Figur 3 Tolkning af lavpermeable og vandførende lag for Sjælland (*: Farvekopi i Appendix A) Figur 3 viser hydrogeologien for et tværsnit gennem Sjælland. Lerlagene i de lavpermeable hydrostratigrafiske enheder (1, 2, 4, 6, 8 og 10), består overvejende af moræneler. I visse områder indgår desuden interglacialt, senglacialt og postglacialt ferskvandsler, samt interglacialt saltvandsler i disse enheder og for lag 10 desuden Lillebæltsler, Røsnæsler, paleocænt ler og mergel. For lavpermeable lag er den vertikale hydrauliske ledningsevne den vigtigste parameter, hvorimod den horisontale ledningsevne har mindre betydning. Den vertikale hydrauliske ledningsevne afhænger bl.a. af forekomsten af sprækker og sandvinduer. Da udbredelsen af sprækker og sandvinduer imidlertid ikke kendes i detaljer, er det i DK-modellen antaget at lag 2, 4, 6, 8 og 10 har samme horisontale og vertikale hydrauliske ledningsevne. Vandudvekslingens størrelse mellem et øvre og et dybere vandførende lag antages således omvendt proportional med tykkelsen af det lavpermeable lag ved en given trykniveauforskel. Der er ikke taget hensyn til, at smeltevandsler har en lavere hydraulisk ledningsevne 22 G E U S

end f.eks. moræneler eller at visse sekvenser af moræneler kan være mere lavpermeable end andre. Den øverste del af moræneleren kan inddeles i følgende sprækkezoner : de øverste 0-1.5 meter under terræn, hvor moræneleren er meget opsprækket som følge af udtørring, ormehuller, gravegange, rodhuller etc. fra ca. 1.5 meter under terræn til grundvandsspejlet (eller evt. et sandlag, hvis dette ligger højere), hvor der som oftest vil optræde udtørringssprækker og i belastet moræneler sandsynligvis tektoniske sprækker forårsaget af isens tryk på underlaget under grundvandsspejlet vil der ofte optræde tektoniske sprækker og i enkelte tilfælde fossile udtørringssprækker som følge af tidligere tørre klimaperioder (for bl.a. ca. 8500 år siden). De tektoniske sprækker har traditionelt en større hydraulisk ledningsevne i denne dybde og kan gennemsætte moræneleret til større dybde i områder præget af neotektonik f.eks.saltdomer og forkastningszoner (f.eks. Carlsberg forkastningen i København) er moræneleren ofte gennemsat af sprækker Kortlægning af sprækker forudsætter detaljerede undersøgelser og kan ikke vurderes alene udfra boringsdata. Det er derfor i DK-modellen antaget, at de øverste 3.5 m har en relativ høj hydraulisk ledningsevne, mens de dybere lerlag har en lavere værdi. Modellernes sandlag (lag 3, 5, 7 og 9) består overvejende af smeltevandssand og grus. Med den givne maskevidde på 1x1 km antages det, at transmissivitetsværdier baseret på målinger, f.eks. angivet som specifik ydelse i GEUS s borearkiv, ikke er repræsentative for de kvartære aflejringer. De kan derfor ikke umiddelbart ved interpolation benyttes til en horisontal distribuering af den hydrauliske ledningsevne. I stedet antages den hydrauliske ledningsevne for enhederne at være konstant. Denne kraftige simplificering medfører, at variationen i transmissiviteten udelukkende afhænger af tykkelsen af det vandførende lag. De vandførende enheder falder typisk sammen med grundvandsmagasiner kortlagt af amterne på Sjælland og kan i disse områder have en betydelig tykkelse på 15-30 meter. Udbredelsen af de vandførende lag er vist i nedenfor (Figur 4). I områder, hvor der ikke er truffet lokale magasiner antages en beregningsmæssig tykkelse af de vandførende magasiner på 0.1 m, jvf. at beregningsmodellen forudsætter en lagkage-geologi. G E U S 23

20 km N 20 km N Lag 3 Lag 5 20 km N 20 km N Lag 7 Lag 8 Figur 4 Udbreddelsen af vandførende lag (områder med vandførende lag tykkere end 1 m vist med mørkt) 24 G E U S

For kridt/danienkalk/grønsandskalk antages det, at den beregningsmæssige tykkelse af den vandførende del er på 50 meter. Transmissiviteten for dette lag, modsat alle andre hydrostratigrafiske enheder, er distribueret. Transmissivitetsfordelingen er interpoleret (krigging) udfra estimeret semivariogram, som er baseret på udvalgte observationer af hydrauliske ledningsevner, som igen er baseret på observationer af specifik ydelse. 3.1.1 Glacialtektonisk Variabilitet De kvartære glaciale aflejringer er dannet i et komplekst glacialdynamisk miljø. Sedimenter er afsat fra gletcherisen og fra isens smeltevand, og derudover har isen under sin fremrykning i visse områder deformeret både sine egne og ældre aflejringer. Disse forstyrrelser kan være meget omfattende, og de kan involvere såvel kvartære som prækvartære aflejringer. Forstyrrelserne har derfor stor betydning for hydrogeologien. Den glacialtektoniske variabilitet er afgørende for, hvorvidt den geologiske opbygning af et område tillader interpolationer ud fra boringsoplysninger eller andre datakilder. Ved at vurdere den glacialtektoniske variabilitetsinddeling, kan man udpege områder med forskellige grader af forstyrrelser, som kan danne grundlag for at vurdere den rummelige fordeling af lag, og ikke mindst kontinuiteten af dem. 3.1.1.1 Glacialtektonik Glacialtektonik kan defineres som strukturelle deformationer påført glaciale og prækvartære aflejringer, som følge af gletcherbevægelse eller tynge. De glacialtektoniske strukturer som dannes ved glacialtektoniske deformationer kan være enkeltstrukturer eller strukturelle komplekser, og de varierer i skala fra mikroskopisk til kontinental (Figur 5). I strukturelle komplekser er den strukturelle stil svarende til den man ser i bjergkæder, blot i en mindre målestok. De glacialtektoniske deformationskomplekser kan danne landskabsformer i form af randmorænebakker, hill-hole pair (randmoræne med inderlavning) og kuppelbakker. Randmorænebakker er dannet ved isranden. Som et resultat af isens vægt og dens fremadrettede bevægelse, er der skubbet flager af foranliggende bjergarter op, som så danner aflange rygge parallelt med isfronten. Randmoræne bakker kan også bestå af materiale aflejret ved isranden. Mange randmoræner vil have elementer fra begge typer, således at der samtidigt kan der være aflejret materiale fra isen mellem, og på, de opskubbede flager. Et hill-hole pair er en randmorænebakke, med en tilhørende lavning, hvor materialet i randmorænebakken stammer fra. Kuppelbakker er deformationskomplekser, der efterfølgende er overskredet af is, som derved har afrundet den ydre form af komplekset til en kuppelformet bakke. G E U S 25

1 cm 1 dm 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 1000 km skorpe depression randmorænebakker randmorænebælte overskydninger deformationskompleks diapirisme forkastninger folder sprækker Glacialtektonit/breccie Figur 5 Glacialtektoniske strukturer og deres horisontale udbredelse.(i logaritmiskskala) 3.1.1.2 Geologisk variabilitet Den geologiske variabilitet er et udtryk for hvor heterogen den geologiske opbygning er. Den kan, for de kvartære aflejringers vedkommende, opdeles i en sedimentær variabilitet og en glacialtektonisk variabilitet (Figur 6). Glaciotectonic Variability Chaotic homogenity Very strongly tectonised Strongly tectonised Moderatly tectonised Not tectonised Homogeneous sediment Plane beds Interfingering bedding Sedimentary Variability Figur 6 Geologisk variabilitet, udtrykt som en kombination af sedimentær og glacialtektonisk variabilitet Den sedimentære variabilitet beskriver kompleksiteten af aflejringerne. Kompleksiteten afhænger af hvor mange typer bjergarter der er aflejret (den litologiske variation). Desuden afhænger den af om aflejringerne er aflejret succesivt oven på hinanden, eller om flere aflejringsprocesser har forløbet mere eller mindre sideløbende, så de har skabt et sammenflettet aflejrings mønster. Den sedimentære variabilitet er den primære variabiltet. 26 G E U S

Den glacialtektoniske variabilitet beskriver den kompleksitet der er skabt ved isens deformationer. Kompleksiteten afhænger dels af hvilke strukturer der definerer deformationerne, og i høj grad af hvor mange og hvor gennemgribende deformationerne er. Den glacialtektoniske variabilitet er den sekundære variabilitet. Når der både hersker høj grad af sedimentær og glacialtektonisk kompleksitet, kan man opnå en kaotisk geologisk homogenitet, hvor man ikke længere kan skelne mellem den primære og den sekundære variabilitet. 3.1.1.3 Glacialtektonisk variabilitetsgrad For at kunne håndtere et begreb som glacialtektonisk variabilitet i praksis, er det nødvendigt at lave en grads-inddeling. Forstyrrelsesgraden kan variere fra at være uforstyrret til at være det dominerende element i den geologiske opbygning. Strukturerne kan være regelmæssige og systematiske, og dermed have en veldefineret anisotropi, og de kan være komplekse pga. overprægning af flere deformationsfaser, hvor flere isfremstød fra forskellige retninger har skabt et kompliceret deformationsmønster. Desuden kan der forekomme en kompleks synsedimentær tektonisering, som man vil kunne forvente at påtræffe i nogle randmorænebakker. En enkelt og operativ inddeling er en kategorisering i tre tektoniseringsgrader: 1. udeformeret og svagt deformeret, 2. moderat deformeret og 3. stærkt deformeret. Ved inddeling i tektoniseringsgrader er skalaen en vigtig faktor. En gennemgribende deformation i cm skala har f.eks. ingen betydning i en større regional sammenhæng. Ved kortlægning af variabilitetsgraden i forbindelse med DK modellen, er det forstyrrelser der påvirker kontinuiteten af større lagpakker som indgår i fastsættelsen af den glacialtektoniske variabilitetsgrad. 3.1.2 Kortlægning af glacialtektonisk variabilitet Fremstillingen af glacialtektoniske variabilitetskort er baseret på daglokalitetsbeskrivelser, boringer, geologiske kort samt glacialmorfologiske analyser. Daglokalitetsbeskrivelser og boringsoplysninger indeholder primære data om glacialtektoniske forstyrrelser, og geologiske kort og glacialmorfologiske analyser indeholder indirekte oplysninger om glacialtektoniske forstyrrelser. Den tektoniske variabilitetsgrad kan umiddelbart erkendes i kystprofiler og i råstofgrave. Desuden kan deformationsstilen beskrives, herunder om der er tale om en eller flere deformationsfaser, der har forårsaget deformationerne. Man kan også se om der er en sammenhæng mellem strukturerne og morfologien. Glacialtektoniske forstyrrelser kan i nogle tilfælde erkendes i boringer. Det kan man når man i boreprofilet har prækvartære aflejringer, der hviler på kvartære aflejringer, og når veldefinerede enheder, som f.eks. interglaciale aflejringer, gentages i boreprofilet. Desuden må marine Eem aflejringer antages at være dislocerede, når de påtræffes væsentligt over nuværende havniveau. På geologiske kort kan arealer med et uforstyrret dække udpeges. Det er områder med senglaciale smeltevandsaflejringer og postglaciale marine og ferskvands aflejringer, der G E U S 27

ikke har været isoverskredet, og dermed ikke kan være glacialtektonisk forstyrret. Desuden ved man at man må forvente forstyrrelser i områder med moræneaflejringer i overfladen. Ud fra morfologien kan morfologisk veldefinerede glacialtektoniske landformer udpeges, som må forventes at indeholde glacialtektoniske forstyrrelser, så som randmorænebakker, hill-hole pair (randmorænebakke med inderlavning) og kuppelbakker. I Vestsjællands Amt er der udpeget en række områder med høj grad af glacialtektonisk variabilitet (Figur 7). Alle områderne er morfologisk veldefinerede glacialtektoniske landskabsformer. Desuden er der i flere af dem registreret prækvartære flager i boringer, og der er beskrevet omfatende glacialtektoniske forstyrrelser i råstofgrave. Forstyrrelserne på Røsneæs halvøen og i Odsherreds buerne repræsenterer to typer af glacialtektoniske komplekser. På Røsnæs halvøen indgår prækvartært plastiskt ler som et vigtigt element. Skiverne af disloceret plastisk ler styrer i høj grad den strukturelle opbygning af komplekset, hvor de definerer en markant anisotropi. Odsherredbuerne er derimod mere kompleks sammensat, idet der både er sket opskydning af flager af prækvartært ler og interglacialt marint ler, og der er aflejret store mængder af glacigent materiale. Odsherredsbuerne er således mere kaotisk opbygget. Figur 7 Glacialtektonisk variabilitet i Vestsjællands Amt 28 G E U S

3.2 Hydrologiske afgrænsninger (randbetingelser) Et centralt element i opstillingen af en numerisk grundvandsmodel er definitionen af randbetingelserne. Da hovedformålet med modellerne for Sjælland er at styrke mulighederne for vandressourcebetragtninger er der ved modelopstillingen lagt særlig vægt på en god beskrivelse af de randbetingelser, der styrer nedsivningen til grundvandet. 3.2.1 Modeloverflade, dræn og vandløb Randbetingelsen for modellernes øverste lag er defineret af grundvandsdannelsens størrelse, som beregnes med et simpelt rodzonemodul på daglig basis udfra nedbør og fordampning og regnskab med vandindholdet i rodzonen. Nedsivning fra rodzonen genereres fortrinsvis i situationer, hvor vandindholdet overstiger markkapaciteten, idet der ved et vandindhold mellem 70-100 % af markkapaciten kun antages en mere begrænset nedsivning. Ved et vandindhold under 70% af markkapaciteten antages ingen nedsivning fra rodzonen. Der ses bort fra en evt. forsinkelse og magasinering i umættet zone. Afhængigt af nedsivningens størrelse, potentialet i det øverste lag og de hydrauliske parametre for grundvandsmodellerne, kan der genereres overfladisk afstrømning (afstrømning på terræn mod vandløb) eller drænvandsafstrømning (afstrømning gennem de øverste jordlag til dræn eller vandløb). Såvel overfladisk afstrømning som drænvandsafstrømningen vil følge den topografiske variation mod lavereliggende områder. Hvor disse lavtliggende områder gennemskæres af vandløb vil overfladisk afstrømning og drænvandsafstrømning tilføres vandløbsafstrømningen. Såfremt de lavtliggende områder ikke er gennemskåret af et vandløb, vil der, afhængigt af den hydrauliske ledningsevne i jordlagene og grundvandstand, ske en nedsivning til grundvandet eller evt. en temporær eller permanent opstuvning af vand på terræn ( afløbsløse dræn ). Den anvendte topografi er baseret på Kort & Matrikelstyrelsens digitale 50 m grid. Dette datagrundlag er behæftet med nogen usikkerhed som følge af de anvendte interpolationsrutiner og selve datagrundlaget. Ved repræsentation af vandløb er benyttet samtlige digitale vandløbspunkter i ZETA (1:500.000) svarende til højereordens vandløb (typisk amtsvandløb). Det vil sige at lavere ordens vandløb ofte ikke er repræsenteret (bl.a. en del kommunevandløb og mindre private vandløb, drængrøfter/systemer o.s.v.). Drænvandsafstrømning, som den er repræsenteret i modellerne, dækker såvel kunstig afdræning som naturlig afdræning. Et detaljeret kendskab til drænsystemer for større dele af Danmark findes ikke på let tilgængelig elektronisk form. Det er derfor nødvendigt at indføre betydelige simplificeringer i beskrivelsen af drænafstrømningen. Det er vurderet, at de afløbsløse dræn, som ifølge modeltopografien og det benyttede vandløbssystem er introduceret i modelopsætningen, enten i praksis afdrænes til vandløb (på grund af intensivt jordbrug) eller skal tilskrives usikkerheder på interpolationen af topografien. Afløbsløse dræn er derfor, hvor der ikke foreligger dokumentation for, at der er tale om et vådområde som ikke afdrænes, søgt elimineret i forbindelse med modelopstillingen. Dette er sket ved så vidt som muligt at medtage lavere ordens vandløb i de benyttede vandløbssetup. Desuden er vandløbskoter i enkelte områder finjusteret ud fra topografiske kort. Endelig er benyttet den i MIKE SHE indbyggede mulighed for at tvinge drænafstrømning fra bestemte G E U S 29

områder til at strømme til nærmeste vandløb eller direkte til randen. Sidstnævnte mulighed er fortrinsvis benyttet i områder med meget flad topografi (f.eks. Amager Fælled og Rødby Fjord) og i inddæmmede områder med terræn under havniveau (Lammefjorden, Sidinge Fjord, Saltbæk Vig, Amager Fælled og Rødby Fjord). Drænafstrømning beskrives i modellerne ved et niveau for drændybden og en tidskonstant for routningen af vand ud af elementet. Der anvendes for hovedparten af modellen en drændybde på 0.5 meter under terræn. I områder med terræn meget tæt på havniveau er drændybden reduceret til 0.1 meter. Tidskonstanten for dræn er typisk i størrelsesordenen 1e -6 til 1e -8 s -1 og afhænger bl.a. af modelskalaen. 3.2.2 Vandudveksling mellem grundvand og vandløb (indre randbetingelser) Erfaringerne viser (Dahl et al., 1998) at det er væsentligt at have en god distribueret beskrivelse af de parametre der styrer vandudvekslingen mellem grundvand og vandløb for de enkelte delstrækninger af vandløbene. På grundlag af analyser med DK-modellen for Fyn blev det konkluderet, at beskrivelsen af udvekslingen mellem grundvand og overfladevand forbedres væsentligt ved indførslen af distribuerede lækagekoefficienter under vandløb. I undersøgelserne for Fyn blev distribueringen af lækagekoefficienten baseret på medianminimumafstrømningen, der under danske forhold er et godt mål for grundvandsafstrømningen til vandløb (baseflow). For Fyn blev vandløbene inddelt i tre klasser på grundlag af median minimum afstrømning per løbende km vandløb. De tre klasser var følgende: 1. Vandløbsområder med lille baseflow (< 1 l/s/km), der overlejrer leret till. Disse blev tildelt en lækagekoefficient på 2e -10 s -1 2. Vandløbsområder med moderat baseflow (1-7 l/s/km), der overlejrer en blanding af leret till og sand. Disse blev tildelt en lækagekoefficient på 2e -8 s -1 3. Vandløbsområder med stor baseflow (> 7 l/s/km) Udfra de simulerede resultater blev det konkluderet, at ovennævnte lækagekoefficienter for leret till (klasse 1) gav anledning til overestimerede baseflow afstrømninger, mens lækagekoefficienten for blandingen af ler og sand (klasse 2) gav gode resultater og koefficienten for sand (klasse 3) gav en anelse underestimerede afstrømninger. På Fyn var det lige vigtigt at repræsentere udvekslingen mellem grundvand og overfladevand indenfor alle tre geologiske klasser, da de alle tre bidrog med omtrent en tredjedel af den samlede baseflow afstrømning. Sjælland er imidlertid i langt højere grad end Fyn påvirket af grundvandsindvinding og medianminimumafstrømningen er derfor på dele af Sjælland en mindre god indikator for den naturlige mængde baseflow og dermed kontakten mellem grundvandsmagasiner og de enkelte vandløbsstrækninger. For modellerne for Sjælland er distribueringen af ålækagekoefficienten derfor baseret på et andet princip, i hvilket det antages at udstrømningen af grundvand til vandløb afhænger af hvorvidt et regionalt vandførende lag (i de fleste områder lag 3 eller 5, men enkelte steder 30 G E U S

lag 7 eller 9) står i direkte kontakt med vandløb, hvilket vil sige at tykkelsen af øvrige lavpermeable jordlag er minimal. Der er i denne forbindelse afprøvet forskellige afgrænsningsmetodikker med udarbejdelse af kort der viser i hvilke områder dybden til toppen af sandlag 3 og 5 er beliggende mindre end 1 m under vandløbene, samt kort der beskriver geologien i de øverste 3.5 meter (umættet zone). Ingen af disse metoder gav dog en brugbar afgrænsning i forhold til observerede medianminimumsafstrømninger. Der blev derfor anvendt en anden metode hvor tykkelsen af jordlag over toppen af det øverstbeliggende vandførende lag (lag 3, 5, 7 eller 9) blev vurderet, under forudsætning af at det pågældende vandførende lag havde en tykkelse på mindst 1 meter. Det vil sige, at der først blev foretaget en analyse af hvilket lag (lag 3, 4, 7 eller 9) som skulle regnes at være det primære lag med hensyn til vandudvekslingen mellem grundvand og overflade vand, og at det efterfølgende blev vurderet om dette lag havde direkte kontakt til vandløb. Hvor dette var tilfældet blev der anvendt en ålækagekoefficient på 1e -7 s -1, hvorimod der for vandløbsstrækninger med mellemliggende lerlag (evt. tynde sandlag) blev anvendt en ålækagekoefficient på 5e -10 s -1. 3.2.3 Modelrand og impermeabel bund (ydre randbetingelser) De ydre randbetingelser er af samme type for alle 3 modelsetup. Der er anvendt fastholdt trykniveau langs havdelen af randen og en impermeabel rand langs landdelen af modelranden. Der er desuden opstillet forskellige submodeller for udvalgte områder som et led i modelkalibreringen, idet MIKE SHE systemet er meget fleksibelt og anvendeligt til opstilling af sub-modeller, og idet disse har væsentligt reducerede afviklingstider (typisk ½ - 1 time for en submodel for f.eks. Vårby å/ Suså i forhold til de regionale modeller som har afviklingstider på 5-8 timer, i begge tilfælde for beregninger for en 6-årig periode). Modelbunden, der er beliggende 50 meter under toppen af kalken, antages impermeabel for alle modellerne. I MIKE SHE skal vandløb af modeltekniske årsager afsluttes udenfor modelranden. Alle vandløb føres derfor gennem havet i de modeller, hvori havet indgår. Hvor vandløb er ført gennem havet er lækagefaktoren fra kysten til udløbet udenfor modelområdet sat lig 0. Med denne ydre randbetingelse vil vandudvekslingen mellem grundvand og hav i praksis blive beskrevet så den afhænger af forekomst og tykkelse af lavpermeable dæklag mellem hav og vandførende lag med udstrækning under havbunden. 3.3 Hydrauliske størrelser Størrelsen af den hydrauliske ledningsevne angives i m/s og er et udtryk for mediets evne til at transportere vand. Størrelsen af den hydrauliske ledningsevne varierer meget for forskellige jordlag, som det fremgår af Figur 8, der viser typiske intervaller for jordarters hydrauliske ledningsevne. Sand- og grusaflejringer har høje K-værdier, hvorimod ler har lave K-værdier. Den hydrauliske ledningsevne varierer normalt en del inden for samme geologi- G E U S 31

ske formation. Der kan tillige være tale om retningsbestemte variationer (anisotropi), som knytter sig til den orientering, hvori lagene i sin tid blev aflejret. gruset moræne grus sandet moræne sand siltet moræne silt leret moræne ler fed moræne Figur 8 Den hydraulisk ledningsevnes størrelse og variation (efter Carlsson og Gustafson, 1984) Heterogeniteter (sprækker/sandlag) indenfor en mindre skala kan ikke repræsenteres direkte i modellen på grund af den anvendte skala på 1x1 km. Skøn af lagenes hydrauliske ledningsevne må derfor baseres på effektive værdier ( bulk-værdier ). Da tynde sandlag, vinduer, sprækker og lignende ikke er repræsenteret i lerlagene vil de effektive beregningsmæssige ledningsevner skulle være større end de angivne ledningsevner (Figur 8). Tilsvarende vil de effektive værdier for de vandførende lag typisk blive en gennemsnitsværdi for grus/sand. På baggrund af feltundersøgelser ved Ringe (Nilsson et. al., 1997) er det vurderet, at den hydrauliske ledningsevne i moræneleren i den opsprækkede zone (2-3 meter under terræn) typisk varierer mellem 10-4 til 10-5 m/s. For den dybereliggende sekvens af den terrænnære moræneler, i dybder større end 5-6 m, blev den hydrauliske ledningsevne for moræneleren vurderet til mellem 10-7 - 10-8 m/s. Feltundersøgelser ved Flakkebjerg på Vestsjælland gav en horisontal hydraulisk ledningsevne for de opsprækkede øverste 2½ m på 10-5 m/s, mens moræneleren i dybden 2½ - 4½ m havde en ledningsevne på 10-8 m/s (Harrar og Nilsson, 1998). I større dybde må ledningsevnen for moræneler antages endnu lavere. For lag 1 i den hydrostratigrafiske model antages en effektiv hydraulisk ledningsevne på 10-4 til 10-5 m/s. Det vurderes, at der godt kan være en betydelig anisotropi, således at den vertikale ledningsevne for moræneleren er i størrelsesordenen 10-5 til 10-7 m/s. For de øvrige lavpermeable lerlag vurderes det, at den effektive horisontale ledningsevne varierer indenfor intervallet: 10-6 - 10-8 m/s. Det antages, at en rimelig variationsramme for den vertikale ledningsevne af moræneleren udgør 10-7 til 10-9 m/s. Anisotropien mellem horisontal og vertikal ledningsevne for moræneleren antages til en faktor 10-100. For sandlag antages den horisontale ledningsevne at skulle ligge i intervallet 10-3 til 10-5 m/s. Anisotropien mellem horisontal og vertikal ledningsevne for sandlag antages til en faktor 10. 32 G E U S

Det vurderes, at observationer af transmissiviteten fra borearkivet baseret på specifik ydelse ikke er repræsentative for den anvendte skala (1x1 km). Samtlige sandlag (3, 5, 7 og 9) antages udelukkende at have samme hydrauliske ledningsevne. Variationen i transmissivitet antages dermed at afhænge af lagtykkelsen. Det antages endvidere, at alle sandlag har en anisotropifaktor på 10. Tilsvarende antages alle lerlag (2, 4, 6, 8 og 10) at have samme ledningsevne og anisotropifaktor. For lag 1 antages det, at den hydrauliske ledningsevne for moræneleren er væsentligt større end i de øvrige lavpermeable lag p.g.a. sprækkeeffekter. For kalken antages det derimod, at en logaritmisk interpolation på basis af det statistiske semivariogram for transmissiviten, som er bestemt udfra specifik ydelse (boredataarkivet), udgør det bedste grundlag for modelleringen. Der tages dog et forbehold idet oplysningerne omkring transmissiviteten i kalken ligger i klumper spredt ud over Sjælland, men mest koncentreret omkring København. Oplysninger fra områder uden for disse klumper vil, som følge af den statistiske bearbejdning (krigging), få stor arealmæssig betydning. Således kan eksempelvis ændringer i transmissivitets oplysninger i områder med lav koncentration af informationer medføre radikale forandringer i transmissivitets billedet. For sandlinser i morænelerslag antages, at de hydrauliske ledningsevner kan antages at være mellem 1-20 gange mindre end værdien for et vandførende sandlag. Magasintallet for frit magasin antages at variere indenfor intervallet 0.15-0.25. For artesiske forhold antages den specifikke magasinkoefficient (pr. meter) at være i størelsesordenen 0.0001. 3.4 Nedsivning og udstrømning (vandbalancen) Nedbørsfordelingen følger i grove træk terrænforholdene (Figur 9). 750 700 600 550 600 500 550 600 650 800 700 50 km 750 750 600 750 800 850 700 650 550 600 500 550 900 550 600 650 600 650 750 700 700 550 550 600 Kilde: Danmarks Meteorologiske Institut Figur 9 Middel af årlig nedbør for perioden 1961-90. Fra (Frich et al., 1997) G E U S 33

Den korrigerede normalnedbør for perioden 1961-90 varierer således mellem ca. 550 mm/år i kystområderne og små 700 mm/år for den centrale del af Sjælland (Frich et al., 1997). For de højest beliggende områder er nedbøren således ca. 25 % større end for de lavere beliggende områder. På Lolland Falster varierer nedbøren mellem 550 mm/år ved kysten til ca. 625 mm/år midt på øerne. 37 14 Regional model sjælland Net Precipitation < 150 mm 150-200 200-250 250-300 300-350 350-400 > 400 mm 68 36 47 15 38 17 Exploitable Resource 1992 57 mm Water use 1993 31 38 57 mm 57 33 28 73 66 38 24 17 27 16 31 58 31 14 47 18 24 9 Figur 10 Nettonedbør i mm vist med skravering. Udnyttelige ressource jf. Vandrådet vist med venstre søjlet. Vandforbrug i 1993 med højre søjle. Vandrådets vurdering af nettonedbørens fordeling (baseret på målinger af nedbør og afstrømning), den udnyttelige ressource og vandforbruget (Madsen, B. et al., 1998) fremgår af nedenfor (Figur 10). For Sjælland er nettonedbøren i de højtliggende områder 200-250 mm/år, mens den for resten af Sjælland samt Lolland og Falster er 150-200 mm/år. I den nordvestlige del af Sjælland, som forøvrigt er Danmarks tørreste område, er nettonedbøren under 150 mm. Som input til DK-modellen anvendes en nettonedbørsfordeling (Figur 36), der er beregnet med et simpelt rodzonemodul udviklet på GEUS. For perioden 1971-90 var den gennemsnitlige ukorrigerede nedbør for Sjælland med øer ca. 600 mm/år mens den potentielle fordampning udgjorde ca. 570 mm/år. For perioden 1989-96 var de tilsvarende værdier henholdsvis ca. 613 mm/år og ca. 555 mm/år. De nævnte værdier er baseret på gridværdier fra Dansk Jordbrugsforskning, Landskontoret for Planteavl udfra nedbørs- og klimastationer fra Danmarks Meteorologiske Institut. 3.5 Vurderinger af nettonedbør og indvindingsprocent Vandplan Sjælland har opgjort grundvandsressourcens størrelse baseret på nettonedbør og skønnet bæredygtig indvindings-% for hhv. grundvandskvalitet og recipienter (Vandplan 34 G E U S

Sjælland, 1993) for en række overordnede grundvandsoplande (Figur 11). Tabel 1 sammenfatter disse skøn. Placeringen af almene vandværker på Sjælland, Lolland, Falster og Møn med oppumpning i 1996 er sket på baggrund af GEUS s vandindvindingsdatabase (Figur 12). 2. 1. 19. 4. 3. 6. 5. 21. 20. 22. 15. 11. 13. 12. 11. 16. 8. 9. 7. 10. 17. 18. 23. 25. 26. 27. 24. 28. 30. 29. 31. Figur 11 Placering af overordnede grundvandsoplande 1-31 (Vandplan Sjælland, 1993) G E U S 35

36 G E U S 0-25.000 25.000-100.000 100.000-500.000 500.000-1.000.000 > 1.000.000 Figur 12 Oppumpning fra vandværker i mill. m³/år (1996)

Nr. Oplandets Navn Størrelse Km 2 Nettonedbør mm/år Indvindingsprocent Kvalitetsmæssig bæredygtig Indv.-% Recipientmæssig Bæredygtig Indv.-% 1 Alnarpsdalen 325 234 13 26 18 2 Arresøområdet 210 245 10 16 10 3 Sjælsøområdet 153 333 24 31 28 4 Slangerupoplandet 321 239 25 33 26 5 Søndersødalen 332 267 38 38 38 6 Hornsherred 186 236 6 23 9 7 Harrestrup 164 325 20 25 18 8 Hove 55 235 33 38 23 9 Vejle åer 129 254 42 41 22 10 Amager 93 166 14 14-11 Maglemose å 49 294 30 30 22 12 Roskilde 27 219 21 43 43 13 Langvad å 171 245 32 32 23 14 Ejby/Ørbæk 63 196 22 32 16 15 Elverdams å 68 260 5 17 5 16 Køge bugt 148 269 25 20 23 17 Køge å 239 288 25 24 22 18 Vedskølle 69 274 4 16 0 19 Odsherred N 219 172 9 5 14 20 Lammefjord 454 209 7 21 11 21 Kalundborg egnen 485 192 9 12 15 22 Åmose 322 236 2 10 7 23 Sydvestsj. 529 196 12 16 10 24 Saltø å 179 230 3 12 7 25 Suså 830 304 5 14 7 26 Tryggevælde å 269 289 3 14 10 27 Stevns Klint 34 281 5 13 11 28 Præstø/Fakse syd 210 300 5 15 6 29 Præstø/Fakse syd 179 260 3 18 4 30 Dybsø Fjord 254 282 3 15 10 31 Storstrømmen 72 283 6 18 15 Sjælland 6838-13 20 14 Tabel 1 Nedbør og indvinding (Vandplan Sjælland, 1993) G E U S 37

4. BESKRIVELSE AF MODELKODEN I det følgende beskrives modulerne: MIKE SHE overfladisk afstrømning (OC) MIKE SHE grundvandsstrømning (SZ) MIKE SHE udveksling mellem grundvand og vandløb (EX) beregning af nettonedbør (input data til MIKE SHE SZ/OC/EX) Modulet MIKE SHE umættet zone (UZ) beskrives ikke, idet dette modul ikke anvendes. MIKE SHE version 5.30 har været anvendt. For en nærmere dokumentation henvises til: Dansk Hydraulisk Institut (1997): MIKE SHE. Pre- and Postprocessing. User Guide. Edition 1.1. Dansk Hydraulisk Institut (1997): MIKE SHE. Water Movement v. 5.2. User Guide. Edition 1.1. Dansk Hydraulisk Institut (1997): MIKE SHE. Water Movement. Technical Reference Manual. Edition 1.1. Desuden har været anvendt et simpelt rodzonemodul udviklet af GEUS. I det følgende er en del af illustrationerne baseret på (DHI, 1997). 4.1 Antagelser MIKE SHE modelsystemet (Refsgaard and Knudsen, 1996), er en videreudvikling af SHE Système Hydrologique Européen systemet (Abbott et al. 1986a,b). MIKE SHE er en deterministisk, fuldt distribueret og fysisk baseret model til beskrivelse af de væsentligste strømningsprocesser af det hydrologiske kredsløbs landfase. MIKE SHE løser de partielle differentialligninger for processerne: overfladisk afstrømning, kanalstrømning, umættet zone og mættet zone. Hertil kommer snesmeltning, interception og evapotranspiration. Strømningsligningerne løses numerisk ved hjælp af finite differens løsningsrutiner. Med henblik på at optimere den numeriske løsning er der anvendt en version af MIKE SHE med en indbygget MODFLOW ligningsløser til kalibreringer og simuleringer med DK-modellen. 4.1.1 Overfladisk afstrømning (OC-modulet) Når nettonedbøren overstiger infiltrationskapaciteten af jorden opmagasineres overskudsvandet på jordoverfladen. Denne vandmængde er tilgængelig som input til overfladisk afstrømning, der kan routes nedstrøms imod vandløbssystemet. Den præcise routning og afstrømningsvolumen bestemmes af topografi og strømningsmodstand såvel som af tab som følge af infiltration langs strømningsvejen. Det vand der når vandløbssystemet som overfladisk og underjordisk strømning routes nedstrøms i et separat knudepunkts net. Både overfladisk afstrømning og kanalstrømning modelleres ved hjælp af St. Venants kontinuitets- og impulsbevarelses ligninger. Den tilgrund- 38 G E U S

liggende ligning for strømningen i vandløb er den en-dimensionelle version af ligningen for den to-dimensionale overfladiske afstrømning. 4.1.2 Grundvandsstrømning (SZ-modulet) SZ-modulet beregner grundvandsstrømningen i modelområdet. MIKE SHE kan beskrive grundvandsstrømningen i 3 dimensioner for et heterogent magasinsystem med skiftende frie og artesiske forhold. De rumlige og tidslige variationer i trykniveauet beskrives matematisk ved hjælp af den ikke-lineære Boussinesq ligning og løses numerisk ved hjælp af en iterativ differensmetode. MIKE SHE giver mulighed for at vælge mellem to løsningsrutiner: SOR: Successive Over-Relaxation (oprindelig MIKE SHE ligningsløser) PCG: Preconditioned Conjugate Gradient (MODFLOW ligningsløser) Formuleringen er i et vist omfang forskellig for de to løsningsrutiner. Rækkefølgen for afviklingen af MIKE SHE modulerne (SZ, OC, EX og evt. UZ) er illustreret nedenfor (Figur 13). Først foretages en initialisering. Initialiseringsrutinerne, både den generelle og de specifikke for hvert modul, indlæser alle relevante data og initialiserer variable og arrays. Efterfølgende gennemføres kald af beregningsmoduler som kontrollerer dataflowet mellem de forskellige MIKE SHE moduler. Rækkefølgen gennemføres fra venstre mod højre (Figur 13), d.v.s. først UZ så EX, SZ og OC. En af de tilgrundliggende principper i konstruktionen af den modulære opbygning af MIKE SHE er, at det skal være fleksibelt at udskifte et vilkårligt beregningsmodul i systemet med en anden version (f.eks. opdateret, mere omfattende eller forsimplet version) uden at skulle ændre ved andre dele af modelsystemet. Det er derfor muligt at introducere dummy - komponenter for f.eks.uz (som det er gjort i DK-modellen) for modelopstillinger hvor den pågældende proces ikke medtages eller forenkles. Dummykomponenten for UZ er anvendt i forbindelse med DK-modellen. Dummykomponenten for UZ sikrer, at nettonedbøren (beregnet med det simple rodzonemodul) udveksles korrekt til grundvandsspejlet (SZmodulet), idet der ses bort fra forsinkelse og magasinering i umættet zone. Ligeledes kan det i dummykomponenten specificeres hvorvidt en brøkdel af nettonedbøren routes til OC i stedet for SZ, f.eks. i byområder. G E U S 39

Figur 13 Oversigt over afvikling af moduler i MIKE SHE (DHI, 1997) Tidsskalaen for de forskellige strømningsprocesser i et opland er forskellige. F.eks. reagerer overfladeafstrømningen meget hurtigere på et nedbørsinput end grundvandsafstrømningen. Et optimalt beregningsskridt (det størst mulige tidsskridt som kun medfører meget små numeriske fejl) er forskelligt for de forskellige moduler (OC, SZ og EX). I relativt tørre perioder kan der eventuelt benyttes et større tidsskridt end i meget våde perioder. I MIKE SHE benytter EX og OC det samme tidsskridt, hvorimod SZ kan specificeres til at køre med større tidsskridt (Figur 14). I OC kan mindre tidsskridt (en brøkdel af den generelle værdi) anvendes i situationer med stor afstrømning. Kanalstrømningsrutinen reducerer automatisk tidsskridet på baggrund af maksimal ændring i vandspejlet i løbet af et tidsskridt. 40 G E U S

Figur 14 Illustration af beregningssekvens for komponenter i MIKE SHE (DHI, 1997) Tidsskridt størrelsen varieres derudover afhængigt af nedbørs mængden. Ved stor nettonedbør sætter MIKE SHE tidsskridtet ned til et minimalt niveau. Herefter forøges tidsskridtet igen gradvist indtil det maksimalt specificerede tidsskridt opnås. 4.1.3 Beregning af vandudveksling mellem grundvand og vandløb (EXmodulet) Et vandløbssystem påvirker grundvandssystemet i et opland. Vandløb vil normalt styre grundvandsstanden i horisontal og vertikal retning og medføre at oplandet opdeles på infiltrationsområder og udstrømningsområder. Overfladearealet af et vandløbssystem er imidlertid lille sammenlignet med det totale modelområde og i regional modellering vil vandløbsbredden typisk kun udgøre under 1-2 % af beregningsmaskevidden. Vandløb kan derfor ofte repræsenteres af et separat knudepunktssystem placeret langs randen af beregningsmaskerne, som fungerer som linie input eller output. EX-modulet antager, at bredden af vandløb er lille sammenlignet med arealet af en beregningskasse (gridstørrelse). Hvis denne antagelse ikke er gyldig kan vandløb i stedet repræsenteres i modellen som en af randbetingelsestyperne beskrevet under SZ-modulet. Beregningerne af vandløbsafstrømning udføres i hjørnepunkterne af beregningsmaskerne. Udveksling mellem vandløb og grundvand/overfladisk afstrømning antages at finde sted midt på den vandløbsstrækning som forbinder to beregningsknudepunkter i et vandløbssetup. Udvekslingen mellem vandløb og grundvand kan i MIKE SHE simuleres på tre forskellige metoder: 1. Direkte kontakt mellem grundvand og vandløb. 2. Reduceret kontakt. Horisontale og vertikale trykniveau tab regnes i serie. 3. Reduceret kontakt. Kun vertikale trykniveau tab inkluderes i beregningerne. G E U S 41

Metode 1 og 2 inkluderer trykniveau tab omkring vandløbsbunden på en tilnærmet måde. Vælges metode 1 regnes kun den mættede del af magasinet, der er over vandløbsbunden som tagende del i udvekslingsstrømningen. Denne metode bør derfor ikke bruges, når vandløbsbunden er lavpermeabel. Med metode 2 beregnes trykniveau tabet i serie idet der tages hensyn til dels et horisontalt trykniveau tab i magasinet dels et vertikalt trykniveau tab gennem vandløbsbunden og evt. underliggende lavpermeable jordlag. Vælges denne metode er udvekslingen derfor både skalaafhængig og den horisontale ledningsevne i de lag i den mættede zone, der tager del i udvekslingen. Metode 3 antager, at alle trykniveau tab mellem vandløb og grundvandsmagasin sker udelukkende over vandløbsbunden. Til DK-modellerne for Sjælland er metode 3 anvendt. Figur 15 viser princippet for beregning af vandudveksling (DHI, 1997). Figur 15 Beregning af vandudveksling med antagelse af lavpermeabelt bundsedimentlag (DHI, 1997) 4.1.4 Beregning af nettonedbør ved hjælp af simpelt rodzonemodul på baggrund af nedbør og potentiel fordampning Med henblik på vurdering af nettonedbøren blev anvendt et simpelt vandbalancemodul for rodzonen (Kinzelbach, 1986) som på baggrund af en empirisk relation mellem aktuel og potentiel fordampning som funktion af vandindholdet i rodzonen, fordeler nedbøren mellem nedsivning og aktuel fordampning. Den grundliggende parameter udgøres af rodzonekapaciteten (markkapaciteten), som afhænger af vegetationstype og jordart. rodzonekapaciteten er typisk større for lerblandede jordarter end for sandjord og afhænger af bl.a. roddybde og -tæthed. I rodzonemodulet foretages desuden en korrektion af nedbøren på månedsbasis jf. følgende korrektionsfaktorer (moderat korrektion) for at tage højde for systematiske målefejl som følge af befugtningstab og vindkorrektion (Tabel 2), (jf. Allerup & Madsen, 1979). Der antages desuden en nedbørsfordeling som distribueres ved at multiplicere højtliggende områder med faktor 1.1 og multiplicere lavtliggende områder med en faktor mindre end 1 (typisk mellem 0.9 og 1.0), som medfører at det samlede antal grid efter multiplikation in- 42 G E U S

denfor et 40x40 km område (jf. Statens Planteavls nationale grid), samlet får en korrektionsfaktor på 1.0, svarende til at middelværdien er i overensstemmelse med beregnet gridværdi. Måned Korrektionsfaktor januar 1.21 februar 1.22 marts 1.22 april 1.18 maj 1.15 juni 1.14 juli 1.12 august 1.11 september 1.13 oktober 1.14 november 1.16 december 1.19 Tabel 2 Korrektionsfaktorer for vind- og befugtningstab (moderat lækategori) For skovområder antages det desuden, at den potentielle fordampning er større end for landbrugsafgrøder. Dette indføres ved at multiplicere potentiel fordampning med en faktor > 1 (her er anvendt 1.1). For vådområder antages det, at der sker en potentiel fordampning året rundt, uanset nedbør. Dette betyder, at der i tørre perioder f.eks. om sommeren hvor fordampningen er stor, beregnes en negativ nettonedbør. Med andre ord introduceres et vandforbrug i sådanne perioder fra det øverste lag i grundvandsmodellens vådbundsområder. Beregningsmetoden er nærmere beskrevet i afsnit 4.3.4. 4.2 Begrænsninger DK-modellen har til formål at simulere grundvandssystemet og vandudvekslinger mellem grundvand og overfladevand, som har betydning for vurderinger af grundvandsressourcens størrelse, regionale fordeling og tidslige variationer. Den hydrogeologiske tolkningsmodel for Sjælland antager, at de hydrostratigrafiske lag veksler mellem vandførende lag og lavpermeable enheder og at disse enheder kan antages at have hydrauliske egenskaber som kan tilnærmes med ensformige (konstante) hydrauliske ledningsevner. Variation i transmissivitet for de kvartære aflejringers vedkommende over modelområdet afhænger derfor primært af de enkelte enheders tykkelse. Det er udelukkende for vandførende lag i kalken, at der antages en transmissivitetsfordeling, baseret på interpolation mellem observationer. I kalken har tilstedeværelsen af bl.a. forkastninger stor betydning for permeabiliteten. Disse antagelser er gjort for dels at forenkle hydrogeologien dels fordi enkeltobservationer af f.eks. hydraulisk ledningsevne (udfra f.eks. specifik ydelse) ikke er repræsentative for en modelskala på 1x1 km. Anvendelse af modellen til vurderinger af stoftransport hvor heterogeniteten i en mindre skala ofte vil have afgørende betydning kan derfor ikke umiddelbart foretages med den opstillede DK-model. Sådanne vurderinger i konkrete områder vil forudsætte en yderligere detaljering af såvel den hydrogeologiske tolkningsmodel som den nu- G E U S 43

meriske grundvandsmodel (geologiske lag og linser dvs. en zonering indenfor de enkelte lag). Anvendelse af modellen til vurderinger af grundvandsressourcens beskyttelse hvor sprækker og sandvinduer lokalt kan være afgørende for beskyttelsen af forskellige reservoirer kan ligeledes ikke umiddelbart foretages for konkrete områder. Modellen kan dog give skøn for landet som helhed eller mellem forskellige regioner af typiske hydrogeologiske forhold. Desuden kan modellen være et godt udgangspunkt for mere detaljerede modelopstillinger (randbetingelser, input til hydrogeologisk tolkningsmodel o.s.v.). Med udviklingen af en geoeditor til MIKE SHE er der lagt vægt på at hydrogeologisk tolkning til mere detaljerede numeriske grundvandsmodeller gøres lettere, samtidigt med at geofysiske data og modellag (f.eks. fra DK-modellen) kan indgå i arbejdet. Udviklingen af Geoeditoren (ArcView baseret) er en del af aktiviteterne i forbindelse med den Nationale Vandressource Model. Geoeditoren forventes færdig i en release version primo 1999. På grund af den regionale skala kan modellen ikke anvendes til vurdering af partikelbaner for mindre vandværker hvor det grundvandsdannende opland er lille i forhold til modelskalaen. Omvendt kan modellen dog give et kvalificeret skøn af grundvandsdannelsens størrelse til de konkrete magasiner mindre vandværker indvinder fra. Herved kan modellen give input til vurderinger af indvindingsoplandet ved mere simple metoder, eller benyttes som input til randbetingelse til mere detaljerede numerisk grundvandsmodeller. Beskrivelsen af grundvandsdannelsen i DK-modellen er væsentligt forenklet og ser i et vist omfang bort fra de styrende fysiske processer i umættet zone. Med det nuværende setup afhænger grundvandsdannelsens størrelse primært af den mættede hydrauliske ledningsevne i de øverste beregningslag (bestemt udfra hydrauliske parametre for lag 1, 2 og 3), nettonedbørens størrelse (afhængig af nedbør, sand/ler, skov/åbent land/vådbundsområde) samt antagelserne vedrørende fordelingen af nettonedbøren mellem SZ og OC (dummykomponenten: byområder/variation i topografi/lerprocenten etc.). En implementering af UZ områdeintegreret ( lumped ) kan evt. forbedre modellens beskrivelse af grundvandsdannelsen. Dette forudsætter for det første, at der kan defineres et antal delområder, hvor topografi, meteorologisk input, vegetationstype, jordtype og makroporeforhold kan antages ensartede. Denne forudsætning kan normalt opfyldes. For det andet forudsætter en lumped UZ beregning, at randbetingelser kan antages ensartede indenfor delområderne. Udviklingen af GIS værktøjer til MIKE SHE omfatter forbedrede værktøjer til at håndtere input til opstilling af UZ. Jordartskort forventes at kunne vurderes og håndteres. GIS værktøjer (ArcView baseret) er en del af aktiviteterne i forbindelse med den Nationale Vandressource Model, og forventes færdigudviklet i 1999. Det er et åbent spørgsmål om implementering af UZ i praksis vil give en væsentlig forbedring af beskrivelsen af grundvandsdannelsen, i forhold til den forenklede løsning der i øjeblikket er benyttet. Implementering af UZ vil dog medføre, at der kan tages bedre hensyn til den hydrauliske ledningsevnes afhængighed af det aktuelle vandindhold i umættet zone. Hertil kommer at mere detaljerede simuleringer af fordampning og snemagasinering/snesmeltning forudsætter implementering af UZ. Kalibreringen af modellen er baseret på et datagrundlag bestående af tidsserier og enkeltobservationer af grundvandsspejlet, synkronmålinger af minimumsvandføringen og kontinuerte vandføringsdata for vandløb og pejletidsserier. Modellen er primært designet til overordnede vurderinger som gælder større områder (bestående af områder der dækkes af 44 G E U S

et større antal beregningsgrids). Vurderinger på basis af et enkelt eller få modelgrids på basis af DK-modellen kan ikke anbefales, hvorimod vurderinger for større områder (et større grundvandsopland, vandløbssystem eller lignende dækket af > 50 km 2 ) giver mere pålidelige resultater. Ved ændringer i arealanvendelse og vandindvinding, hvor udstrækningen af f.eks. vådområder ændres væsentligt, vil modellen kunne simulere disse forhold forudsat at udstrækningen af vådområder og øvrige arealtyper revurderes i forbindelse med simuleringerne. 4.3 Løsningsmetode 4.3.1 Overfladisk afstrømning og kanalstrømning Under anvendelse af den kinematiske approksimation og Strickler/Manning-formlen kan kanalstrømningen i vandløb skrives (1D): 1/ 2 Q = Au = Z 2/ 3 K Ah x hvor Q = vandføring A = tværsnitsareal (funktion af vanddybden h) u = strømningshastighed (middel) K = Strickler koefficienten (funktion af vanddybden h) h = vanddybden h Z = bundhældning x = længdeenhed på vandløb I MIKE SHE er vandløb placeret langs randen af de kvadratiske beregningskasser. Beregningsknudepunkter for kanalafstrømning er således placeret i hjørnerne af beregningskasserne (Figur 16). Ovenstående ligning løses numerisk ved hjælp af en implicit finite differens metode med hensyn til vandspejlsniveau ved knudepunkterne. Systemet kan håndtere konstante eller tidsvarierende input/output specificeret i bestemte knudepunkter (f.eks. spildevandsudledninger). G E U S 45

Figur 16 Placering af vandløb langs beregningskasser i MIKE SHE (DHI, 1997) Tilsvarende fås for overfladisk afstrømning pr. længdeenhed i henholdsvis x- og y- retningen: hvor q x = u h = K x q y = vh = K y z x z y 1/ 2 1 / 2 h h 5 / 3 5 / 3 q x, q y = overfladisk afstrømning pr. længdeenhed i x-retning og y-retning u,v = flow hastighed i x-retning/y-retning h = strømningsdybde over terræn K x, K y = Strickler/Manning koefficienter i de to retninger z = vandspejlsniveau i forhold til referenceniveau (f.eks. DNN) x,y = koordinatretninger Løsningsrutinen for overfladisk afstrømning er baseret på løsning af en lineær matrix med N ligninger og N ubekendte. Matricen løses iterativt ved anvendelse af Gauss-Seidel - metodik. 4.3.2 Grundvandsstrømning Den styrende strømningsligning for en 3D grundvandsstrømning i et mættet porøst medium lyder: x hvor h h h ( xx ) ( ) ( ) K + K + K Q = S x y yy y z zz z h t 46 G E U S

K xx,k yy,k zz = hydraulisk ledningsevne i x, y og z retningen h = trykniveau Q = volumenflow pr. enhedsvolumen (input/output) S s = magasinkoefficient (specifik) To specielle betingelser bør nævnes. Strømningsligningen er ikke-lineær i tilfældet frie strømningsforhold på grund af tilstedeværelsen af et (varierende) frit grundvandsspejl. Derudover er magasinkoefficienten ikke konstant, men vil svinge mellem en værdi for artesisk strømning og en anden værdi for frie magasinforhold. Der kan således forekomme pludselige skift med to eller flere størrelsesorder for denne parameter. Den styrende partielle differentialligning tilnærmes en finite differens algebraisk ligning, som beskriver vandbalancen for hver beregningskasse (jf. Darcy s lov i kombination med en massebalance for hver beregningskasse). Input/output til grundvandsbalancen består af bl.a. oppumpning udveksling med vandløb udveksling med overfladisk afstrømning grundvandsdannelse (nedsivning) fordampning drænvandsafstrømning MIKE SHE kan beskrive oppumpning fra en vilkårlig beregningskasse indenfor modelområdet. Tidsvarierende oppumpning specificeres for et punkt (f.eks. UTM koordinater) eller langs en linie i et givent modellag. Oppumpning er effektiv så længe trykniveauet i pågældende kasse er over bundkoten. Udveksling med vandløb håndteres ved hjælp af EX-modulet (se nedenfor). Udveksling med overfladisk afstrømning afhænger af, hvilke MIKE SHE moduler der indgår i setupet. SZ-modulet beregner udveksling med vand opstuvet over terræn i punkter hvor UZ-modulet ikke er aktivt, dvs. såfremt UZ-modulet er ekskluderet (som det er tilfældet for DK-model pt.) eller såfremt trykniveauet er over terræn. Udvekslingen beregnes implicit ved opdatering af vanddybden for overfladisk flow jf. Darcy. Grundvandsdannelse udgøres af strømningen på tværs af grundvandsspejl (f.eks.nettonedbør, idet UZ-modulet er ekskluderet). MIKE SHE kan håndtere drænafstrømning, som forekommer når trykniveauet står over drænniveauet. Konceptuelt modelleres dræn som et stort dræn i hver gridmaske (Figur 17). Drænafstrømningen afhænger af højden over drænniveau og en specificeret tidskonstant, og beregnes som et lineært reservoir. Tidskonstanten karakteriserer bl.a. tætheden af drænene (Figur 17). MIKE SHE giver mulighed for at route drænafstrømning til lavninger i terræn, vandløb eller modelrand. PCG løseren giver mulighed for en stationær løsning, men kun såfremt alene SZ-modulet indgår i setupet. Denne løsningsrutine kan derfor ikke anvendes ved DK-modellen, da såvel SZ-, EX- og OC-modulet anvendes. Der er derfor påbegyndt en videreudvikling af MIKE SHE med henblik på en fuld stationær løsning omfattende samtlige 3 delmoduler. Denne G E U S 47

udvikling er en aktivitet, om er direkte foranlediget af den Nationale Vandressource Model. En stationær løser forventes parat i marts 1999. Figur 17 Skematisk illustration af drænafstrømnings modellering (DHI, 1997) Grundvandsmodellen giver mulighed for 3 typer randbetingelser for SZ-modulet: Dirichlet randbetingelse (fastholdt trykniveau) Neuman randbetingelse (fastholdt flux på tværs af randen) Fourier randbetingelse (trykniveau afhængig flux randbetingelse) Fastholdt trykniveau kan specificeres for alle beregningskasser (ved rand som i interne kasser) og for samtlige lag. Trykniveauet kan være fast svarende til initialbetingelsen eller kan variere i tid jf. specifikation. Fastholdt gradient/flux kan specificeres i alle lag ved modelranden, men ikke med tidsvariation (bortset fra oppumpninger i interne masker). Hvis UZ ikke indgår kan grundvandsdannelse/evt. kapilær stigning som følge af fordampning fra vådbundsområder specificeres som tidsserier til øverste lag. Udvekslingen mellem grundvand og vandløb (Fourier) gælder for samtlige beregningsmasker i øverste modellag som har kontakt til vandløbssystemet. Udvekslingen er en funktion af vandspejlsniveauet i vandløb, vandløbsbredde, vandløbskote og vandløbslækagefaktor (ålækage) og hydraulisk ledningsevne i den/de tilstødende beregningsmasker, som grænser op til vandløbssegmentet. 4.3.3 Udveksling mellem vandløb og grundvand (EX-modulet) EX-modulet indeholder to forskellige options for beskrivelsen af udveksling mellem vandløb og grundvand: antagelse af fuld kontakt mellem vandløb og grundvand (men ikke nødvendigvis at vandløb fuldt gennemtrænger grundvandsmagasinet) antagelse om et lavpermeabelt bundsedimentlag som adskiller vandløbet fra grundvandsmagasinet 48 G E U S

I forbindelse med sidstnævnte option kan der vælges to forskellige beskrivelser. Grundvandsstrømningen mellem to naboknudepunkter i grundvandsmodulet beregnes under antagelse af horisontal strømning og hydrostatisk trykfordeling i vertikal retning for beregningslaget. Denne antagelse er god når det gælder strømning mellem to knudepunkter i grundvandsmodellen, men i mange tilfælde mindre god, når det gælder strømning mellem et grundvandsknudepunkt og et vandløbssegment (liniesegment mellem to vandløbsknudepunkter). I naturen vil der ofte optræde vertikale trykgradienter tæt på vandløb som følge af, at vandløbet ikke fuldt gennemskærer beregningslaget. Dette vil give anledning til et ekstra tryktab ved vandløbet. I MIKE SHE beregnes vandudvekslingen mellem grundvand og vandløb ved at benytte Darcy s lov. Det ekstra tryktab kan i MIKE SHE simuleres på tilnærmet måde på baggrund af en kombination af den hydrauliske ledningsevne i det vandførende eller lavpermeable lag i grundvandsmodellen og en vandløbs lækagefaktor for vandløbssedimentet. Ved den ene tilnærmelse, som er anvendt for DK-modellen for Sjælland, sker beregningen alene udfra ålækagefaktoren, mens den anden metode, som i starten blev anvendt ved DKmodellen for Fyn, baserer beregningen på både ålækagefaktor og hydrauliske ledningsevner. 4.3.4 Beregning af nettonedbør Beregningen er jf. (Kinzelbach, 1986): ( + ) = ( ) + ( ) V t t V t N E R t R R A hvor: V R (t) er vandindholdet i rodzonen til tiden t, N er nedbøren, E A er potentiel fordampning og R er nettonedbøren (nedsivningen fra rodzonen) Beregningen gennemføres på døgnbasis. Der indgår kun en styrende parameter nemlig markkapaciteten. Denne størrelse er typisk 60-80 mm for grovsandede/sandede jorder og 125-150 mm for lerjorde. Udover en afhængighed af jordtypen er rodzonekapaciteten desuden afhængig af vegetationstypen. Følgende antagelser benyttes i beregningerne af nettonedbøren: Hvis vandindholdet i rodzonen (V R ) er større 0.7 gange markkapaciteten (V RC ) antages det, at den aktuelle fordampning er lig med den potentielle fordampning Hvis vandindholdet i rodzonen er mindre end 0.7 gange markkapaciteten antages det, at den aktuelle fordampning kan beregnes udfra ligningen: E A V R = E P 0188. + 2 V 12. RC hvor E A er aktuel fordampning E P er potentiel fordampning V R er vandindhold i rodzonen V R ( V ) RC 2 G E U S 49

V RC er markkapaciteten Hvis vandindholdet er mindre end 0.7 gange markkapaciteten til tiden t=t+ t, antages det at nedsivningen er lig med nul Hvis vandindholdet er mellem 0.7 og 1 gange markkapaciteten til tiden t=t+ t antages det, at såfremt nedbøren er større end den aktuelle fordampning, beregnes nedsivningen (R) som 10 % af nedbørsoverskuddet (N - E A ) Hvis vandindholdet er større end markkapaciteten til tiden t=t+ t, antages det, at den vandmængde der overstiger markkapaciteten nedsiver (R) I forbindelse med modelberegninger anvendes ofte meteorologiske data fra udvalgte meteorologiske stationer. Denne metode har i operationelle sammenhænge en række ulemper, som kan sammenfattes i tre hovedpunkter. For det første vil der undertiden være perioder med dataudfald ved enkelte stationer. For det andet er der ofte små forskelle mellem stationernes registreringer, som ikke afspejler forskelle i makroklimaet, men forskelle i lokalklima ved de pågældende stationer. For det tredje kan det i operationel sammenhæng være besværligt at finde den nærmest liggende repræsentative station. Denne vanskelighed øges yderligere, hvis stationer nedlægges og nye oprettes (Plauborg & Olesen, 1991). For at overkomme disse vanskeligheder benyttes registreringerne fra de meteorologiske stationer til beregning af døgnværdier i en række geografiske punkter (kvadrater) jævnt fordelt over landet. Dette system kaldes klimagriddet. Værdierne i klimagriddet beregnes ved en geografisk interpolation af data fra de meteorologiske stationer. Klimagriddet består af 44 kvadrater på hver 40 x 40 km dækkende hele Danmark. Gridnettet er defineret i forhold til UTM zone 32 (Figur 18). Beregningerne af værdier for klimagriddet er foretaget af Danmarks Jordbrugsforskning, Forskningscenter Foulum for perioden 1971-96 udfra data fra DMI. 1 2 44 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 38 39 40 Figur 18 Nummerering af kvadrater i klimagriddet (Plauborg & Olesen, 1991) 50 G E U S

For hvert element i klimagriddet beregnes døgnværdier for en række meteorologiske elementer. Der skelnes mellem primære og sekundære elementer. De primære elementer beregnes ved interpolation ud fra registreringer ved meteorologiske stationer. De sekundære elementer beregnes ud fra de primære elementer i klimagriddet. De primære elementer er: ukorrigeret nedbør, mm døgnmiddel, minimum og maksimum temperatur i 0,2 og 2 meters højde, O C døgnmiddel jordtemperatur i 10 cm s dybde, O C døgnmiddel vindhastighed i 10 meters højde, m/s døgnmiddel relativ luftfugtighed i 2 meters højde, % døgnsum af globalindstråling, MJ m -2 Det sekundære element er: døgnsum af potentiel fordampning, mm Som grundlag for beregninger af værdier i klimagriddet benyttes døgnværdier af de primære elementer fra en række SYNOP-stationer og automatiske klimastationer (Figur 19). For SYNOP-stationer skal globalstråling først beregnes på grundlag af skydække. Værdier i klimagriddet beregnes ved interpolation, hvor der benyttes en invers afstandsfunktion til vægtning af registreringer fra de meteorologiske stationer. For hvert kvadrat i gridnettet beregnes interpolerede værdier for fire punkter beliggende på koordinater (-15,- 15), (-15,15), (15,15) og (15,-15) i forhold til kvadratets midtpunkt, hvor afstande er angivet i km. Den interpolerede værdi for kvadratet beregnes som middelværdien af de fire punkter i kvadratet. Ved interpolation af værdier i et punkt benyttes følgende fremgangsmåde: 1. Alle stationer, som har manglende værdier for det aktuelle element kasseres 2. Afstandene mellem punktet og stationerne beregnes. Stationerne sorteres efter stigende afstand 3. Alle stationer, som ligger nærmere end 60 km fra punktet udvælges. Hvis der ligger mere end 5 stationer inden for en radius af 60 km fra punktet udvælges kun de 5 nærmeste stationer. Hvis der ikke ligger stationer inden for 60 km fra punktet udvælges den nærmeste station 4. Ved beregning af potentiel fordampning indgår kun synopsis og automatiske stationer. Ved beregning af nedbør indgår samtlige DMI stationer (ialt ca. 400-500, idag ca. 300) G E U S 51

Klemensker Åholm Dybvad Tylstrup Ålborg Silstrup Hørsted Mejrup Karup Hornum Ålestrup Hald V Foulum Ødum Tirstrup Borris Øster Kølkær Billund Firhøje Esbjerg Fl Askov Skrydstrup Tvingstrup Bådstrup Beldringe Årslev Ledreborg Alle Tune Alstedgård Flakkebjerg Tyvelse Tystofte Sjælsmark Værløse Jyndevad Rønhave Abed Figur 19 Danske SYNOP-stationer og automatiske klimastationer til beregning af værdier i klimagrid ( Plauborg og Olesen, 1991) Daglig potentiel fordampning Ep er for perioden 1971-87, hvor der ikke foreligger data fra klimastationerne, beregnet ved hjælp af Makkink s ligning med modifikation (Plauborg og Olesen, 1991): hvor E P = 0. 7 s s + γ R λ si E p er potentiel fordampning s er damptrykkurvens hældning ved temperaturen i 2 meters højde (Pa o C -1 ) γ er psykrometerkonstanten (66,7 Pa o C -1 ) R si er globalindstrålingen (MJ m -2 dag -1 ) λ er vands fordampningsvarme (2,465 MJ mm -1 ) For perioden 1986-97 er daglig potentiel fordampning E P beregnet ved hjælp af en modificeret udgave af Penmans ligning (Mikkelsen & Olesen, 1991): E = β + β ss i P A 0 A1 A 2 λ ( s + γ ) + β γ f ( u2 )( es ea ) s + γ hvor E p er potentiel fordampning (mm pr. døgn) β, β, β er empiriske konstanter A0 A1 A2 s er damptrykkurvens hældning (mb o C -1 ) 52 G E U S

S i er globalstråling (MJ pr. m 2 pr. døgn) λ er vands fordampningsvarme (2,465 MJ kg -1 ) γ er psykrometerkonstanten (0,667 mb o C -1 ) e, e er mættede dampes tryk (mb) samt aktuel damptryk (mb) s a f( u 2 ) = 0,263(0,5+0,54 u 2 ) (mm mb -1 døgn -1 ) u 2 er vindhastighed i 2 meters højde (m/s) Der benyttes tilnærmede værdier for de empiriske konstanter for hver dag i året baseret på Fourier-rækker. Vindhastigheden måles ved de fleste stationer i 10 meters højde. Omregning til vindhastighed i 2 meters højde er baseret på et logaritmisk vindprofil. Som ruhedslængde i vindprofilformlen er for kortklippet græs benyttet 0,01 m (Mikkelsen & Olesen, 1991). De beregnede potentielle fordampninger gælder derfor denne vegetationstype. For skov er antaget en anden ruhed, hvorfor potentiel fordampning for skov antages at være 1,1 gange værdien for kortklippet græs. På grund af huller i data for perioden 1986-87 er benyttet data for potentiel fordampning beregnet ved hjælp af Makkink for perioden 1971-87. For perioden 1988-97 er anvendt den modificerede Penmann formel. 4.4 Effekt på model På trods af de gjorte antagelser og forenklinger vurderes DK-modellen at være et pålideligt værktøj til vurdering af overordnede vandressourceforhold på landsplan, og til vurderinger af den regionale fordeling. Modellen er i stand til at simulere den tidslige udvikling i grundvandsstand og afstrømning i vandløb. Resultaterne har størst gyldighed ved regionale betragtninger og modelskalaen (1x1 km) bevirker at sammenligninger af simuleret og observeret vandspejl f.eks. i en pejleboring kan have betydelige systematiske afvigelser, som følge af, at der ikke tages hensyn til heterogeniteter indenfor det enkelte beregningsgrid (geologi) og som følge af, at det antages, at vandløb er placeret langs randen af det enkelte grid (med vandløbsknudepunkter i hjørnepunkterne). Vandløbene kan som følge heraf, være repræsenteret med en beliggenhed som er op til 500 meter forkert i forhold til virkeligheden. Fluktuationerne i vandspejl vil kunne vurderes med modellen og systematiske fejl kan vurderes på baggrund af placeringen af den enkelte pejleboring indenfor griddet samt de nærmere geologiske forhold. De gjorte antagelser bevirker, at simuleringer af vandløbsafstrømningen i de enkelte tilløb og mindre vandløb kan være afvigende i forhold til observationer. Imidlertid vil påvirkningen af vandføring som følge af ændringer i vandindvindingen kunne simuleres rimeligt pålideligt når det gælder de større vandløb eller vandløbssystemer. Ændringer i vandbalanceforhold som følge af ændrede klimaforhold (nedbør og fordampning) kan vurderes rimeligt sikkert med modellen. Ændringer i arealanvendelsen og konsekvenser heraf vil dog antageligt forudsætte en udbygning af DK-modellen med UZ, selvom rodzone-modulet giver mulighed for en grov vurdering mellem skov, by, ånære områder og åbent land. G E U S 53

5. MODELOPSTILLING 5.1 Modelområdene Tabel 3 angiver antallet af aktive celler i modelområderne. I alt antal grid Land Fjord/Hav Sø Vest 5603 3269 2294 40 Nord 4653 2781 1805 67 Syd 6587 3200 3380 7 Hele 16766 9215 7437 114 Tabel 3 Antal aktive celler i modellerne for Vest-, Nord- og Sydsjælland samt hele Sjælland. Modellerne er opsat i forhold til UTM zone 32 og nord-syd-orienterede. Modelområderne inkl. hav er afgrænset ved (Tabel 4): UTM nord UTM øst Start Slut Start Slut Vest 6103.000 6216.000 615.000 693.000 Nord 6145.000 6236.000 670.000 746.000 Syd 6044.000 6155.000 621.000 731.000 Hele området 6145.000 6236.000 615.000 746.000 Tabel 4 UTM koordinatafgrænsning (zone 32) af modelområderne Modeltopografien er baseret på KMS s 50 m grid, mens havdybde er fastlagt ved digitalisering af konturer for 4 og 10 meters dybde. Kystlinier er baseret på data lagret i ZETA. Koter til vandløb er udtrukket fra ZETA og derefter justeret manuelt i forhold til oplysninger i rapporter og topografiske kort. 54 G E U S

Figur 20 Fire eksempler på geologiske snit som viser de 11 lag for modellerne for Sjælland (*) G E U S 55

I forbindelse med den geologiske tolkning er de enkelte magasiner kun truffet i et delområde af det samlede modelområde. Således har de enkelte magasiner en udstrækning jf nedenstående Lag 3 har en maksimal tykkelse på 19.2 meter og er defineret i Lag 5 har en maksimal tykkelse på 38.3 meter og er defineret i Lag 7 har en maksimal tykkelse på 24.2 meter og er defineret i Lag 9 har en maksimal tykkelse på 36.9 meter og er defineret i 2488 grids 8111 grids 14835 grids 16572 grids Som det er antydet (Figur 20) eksisterer alle lag for hele modelområdet. Dette skyldes, at MIKE SHE kun kan operere med modellag der dækker hele modelområdet. Der er derfor anvendt en lagtykkelse på 10 cm, hvor lag ikke er identificeret ved den geologiske tolkning. Bunden af det øverste lag i modellen er i landområder fastsat til en dybde på 3.5 m under modeltop. I havområder er tykkelsen af det øverste lag fastlagt ved vanddybden (Figur 3). Ved interpolation og beregning af koter er anvendt den bilineære interpolation som er en del af MIKE SHE s faciliteter. Inddata til den geologiske model består af tolket topkote og tykkelse for de 4 smeltevandssandlag (lag 3, 5, 7 og 9) i den hydrostratigrafiske model. Desuden indgår topkoter for den vandførende del af kalken (lag 11) samt kalkens tykkelse, som er sat til 50 meter. Figur 20 viser 4 geologiske snit gennem modelområdet - 3 snit med retning øst-vest og 1 snit med retning nord-syd. Tykkelsen af de mest vandførende lag (lag 5, 7 og 9) er vist nedenfor (Figur 21) sammen med oplysninger om placering af større vandindvindinger. På baggrund af oplysninger i borearkivet er de enkelte geologiske lag analyseret i forhold til indholdet af sand eller ler i de enkelte boringer. Figur 22 viser sandprocenten i det øverste lag, desuden er vist implementerede linser, hvor de lavpermeable lag er antaget at være mere permeable som følge af sandvinduer. Tykkelse [m] 35 30 25 20 15 10 < 5 Lag 5 Sandlag 1 Lag 7 Sandlag 2 Lag 9 Sandlag 3 Rød markering viser hvor placering af større vandindvindinger i modellen Figur 21 Tykkelse af vandførende lag (lag 5, 7 og 9) 56 G E U S

Figur 22 Implementerede linser (sandlinser i lerlag) og sandprocent i lag 1 5.2 Hydrauliske parametre De hydrauliske parametre kan opdeles i følgende 3 grupper: parametre som styrer beregning af nettonedbør og fordeling mellem grundvandsdannelse og overfladisk afstrømning (rodzonemodul og dummy-komponent) parametre som styrer grundvandsstrømning og drænvandsafstrømning (SZ-modul) parametre som styrer overfladisk afstrømning, kanalstrømning og udveksling mellem grundvand og vandløb (OC-modul og EX-modul) G E U S 57

5.3 Hydrauliske parametre som styrer nettonedbør og fordeling til grundvand/overfladevand Der er benyttet inputdata i form af daglig nedbør og daglig potentiel fordampning fra klimagrid nr. 20, 25, 26, 27, 32, 33, 34, 38, 39, 40, 41, 42 og 43 (Figur 18). Hvor disse grids ikke dækker modelområdet er benyttet data fra et nærvedliggende klimagrid. F.eks. er for Amager benyttet data for klimagrid nr. 27. På baggrund af Corine-data for arealanvendelse er der ved hjælp af GIS-bearbejdning foretaget en opdeling af samtlige beregningsgrids i arealtyperne skov og åbent land. For de grid hvor mere end 50 % af arealet udgøres af skov er arealanvendelsen skov tillagt disse grids. For de resterende grids er arealanvendelsen åbent land antaget. På baggrund af modeltopografien er det dernæst vurderet, hvilke områder der har en terrænkote over kote 50 og hvilke der ligger lavere end kote 50. Endelig er det på baggrund af modelkørsler vurderet, for hvilke områder den aktuelle fordampning kan antages at være tilnærmelsesvis lig den potentielle fordampning. Ud fra disse betragtninger er modelområderne inddelt i 6 forskellige arealtyper. For DK-modellen for Fyn blev det antaget, at vådbundsområder kan afgrænses som de grids hvor grundvandsspejlet i tørre perioder ligger mindre end en given dybde under terræn. Der er imidlertid en stor svaghed ved denne metode. Benyttes vådbundsområderne bestemt ved én kørsel i en anden kørsel fås ved udtræk fra denne nye kørsel, at vådbundsområderne ikke er de samme som blev benyttet som input. Med andre ord afhænger resultaterne opnået med metoden stærkt af hvilket input man benytter. Det blev derfor forsøgt at indhente data om lavbundsområder (littorina, yoldia, marsk, inddæmmet areal, engog mosearealer fra målebordsblade) fra Statens JordbrugsForsknings Institut (Foulum). Disse data var imidlertid ikke umiddelbart brugbare, idet lavbundsområder generelt udgør arealer, der er betydeligt mindre end den anvendte gridstørrelse på 1 km 2. Betegnelsen vådbundsarealer må ikke forveksles med f.eks. ånære arealer eller vådområder som har et højt vandindhold i rodzonen eller et grundvandsspejl tæt på terræn. I DKmodellen er vådbundsarealer udelukkende defineret som arealer, der har tæt på potentiel fordampning året rundt. Det er således områder, hvor tykkelsen af umættet zone er så ringe (< 2-3 m), at der ved kapilær vandstigning, kan foregå en opadrettet vandtransport fra grundvandet til planternes rodzone. Fordampningen er således på størrelse med den potentielle. Vådbundsarealet udgør med denne definition knap 10-15 % af det samlede landareal. Efter ovenstående fremgangsmåde er det samlede landareal for Sjælland opdelt i følgende arealtyper i de 13 klimagrid. (Tabel 5) 58 G E U S

Arealtype Skov Åbent land, Åbent land, Åbent land, Åbent land, Vådbund ialt km² fordeling sand, > 50 m ler, > 50 m sand, < 50 m ler, < 50 m Klimagrid 20 150 5 1 238 359 67 820 Klimagrid 25 4 0 0 33 155 31 223 Klimagrid 26 78 4 95 156 701 189 1223 Klimagrid 27 117 3 46 207 1199 70 1642 Klimagrid 32 1 0 0 5 70 18 94 Klimagrid 33 130 2 75 69 1158 126 1560 Klimagrid 34 130 2 116 29 822 83 1182 Klimagrid 38 0 0 0 0 99 6 105 Klimagrid 39 28 0 0 4 223 112 367 Klimagrid 40 62 1 28 43 664 96 894 Klimagrid 41 3 0 0 0 59 52 114 Klimagrid 42 60 0 0 0 493 240 793 Klimagrid 43 30 0 0 0 220 62 312 Total 793 17 361 784 6222 1152 9329 % 8.5 0.2 3.9 8.4 66.7 12.3 100.0 Tabel 5 Arealtypefordeling for DK-modellerne for Sjælland (arealtypenummer i parentes) I DK-modellerne for Sjælland indgår ialt 78 forskellige kombinationer af arealtype og klimagridnummer. Til hver type er beregnet daglig nettonedbør, som er anvendt som input til DK-modellen. Fordelingen af kodeværdier for Sjælland fremgår af Figur 23. Endelig er til brug for hav- og fjordområder introduceret som kombination 79 svarende til en nedsivning på 0 mm. I beregningen af nettonedbøren indgår korrektionsfaktorer jf. afsnit 3.5 til vurdering af korrigeret nedbør (vind- og befugtningstab). Tabel 6 viser værdierne af de parametre, der er anvendt til beregningen af aktuel fordampning og nedsivning fra rodzonen Arealtype Korrektionsfaktor for potentiel fordampning Korrektionsfaktor for nedbør Skov 1.1 1.1 150 mm Åbent land,sand, > 50 m 1.0 1.1 70 mm Åbent land, ler, > 50 m 1.0 1.1 140 mm Åbent land, sand < 50 m 1.0 faktor 0.9-1 *) 70 mm Åbent land, ler < 50 m 1.0 faktor 0.9-1 *) 140 mm Vådbund 1.0 faktor 0.9-1 *) - Rodzonekapacitet *) Faktoren er beregnet således at den samlede nedbør indenfor området i modelopstillingen svarer til middelværdien fra det tilsvarende klimagrid Tabel 6 Anvendte parametre ved beregning af nettonedbør i rodzonemodulet G E U S 59

Skov Åben land, sandet > 50 m Åben land, leret > 50 m Åben land, sandet < 50 m Åben land, leret < 50 m Vådområder 20 25 26 27 32 33 34 38 39 40 43 41 42 40 x 40 km² klima grid Figur 23 Distribuering af arealtypekoder (1-6) på klimagrid (*) I MIKE SHE kan man ved hjælp af dummy-komponenten styre, at en brøkdel af nettonedbøren routes direkte til overfladisk afstrømning, i stedet for til grundvandet (SZ-modulet). Dette gøres ved at specificere en UZ-dummykoefficient, som definerer den brøkdel af net- 60 G E U S

tonedbøren, der antages at nedsive til grundvandskomponenten/sz, i forhold til den samlede nettonedbør. Dummykoefficienten kan distribueres over hele modelområdet. I forbindelse med DKmodellen er det vurderet, at forskellige fysiske forhold og skalaforhold kan indgå i vurdering af dummy-koefficienten. Tre forskellige fysiske forhold er vurderet at kunne indgå i vurderingen af dummy-koefficienten (beregningskasse i,j): [ i, j] = λ[ i, j] ( 1 α[ i, j] β[ i, j] χ[ i j] ) Dummy koefficient, Skalafaktor α : Det generelle skalaforhold (1 x 1 km) bevirker, at topografi og drænsystem er væsentligt udjævnede i forhold til de virkelige fysiske forholds variabilitet indenfor hver enkelt beregningsmaske. For at tage højde herfor skal en del af nettonedbøren routes direkte til OC/vandløb Byfaktor β: Befæstede arealer i forbindelse med byområder (normalt antages at ca. 33 % af byområderne udgøres af befæstede arealer) afleder regnvandet direkte til vandløb. Byfaktor multipliceret med 0.33 gange byprocent angiver den direkte afledning til OC indenfor hver beregningskasse Terrænhældningsfaktor χ: Lokalspecifik (modsat skalaspecifik) topografisk variation bevirker, at modelopstillingen vil undervurdere overfladisk/overfladenær afstrømning. Terrænhældningsfaktoren relateres til den GIS beregnede topografiske spredning indenfor hvert modelgrid og kompenserer for undervurdering af overfladisk/overfladenær afstrømning. Jordartsfaktor λ: Lokalspecifik (hvor jordarten for mere end 70 % af det enkelte modelgrid består af ler antages det at den samlede vurderede brøkdel af nettonedbøren som føres til grundvandet reduceres yderligere ved multiplikation med en faktor λ = 0.9) I beregningen af fordelingen af nettonedbøren mellem grundvand og overfladevand blev der for DK model Sjælland set bort fra den generelle skalafaktor. Dvs. at α = 0. Kun de 3 øvrige faktorer indgik dermed (Figur 24). G E U S 61

Byprocent (β) Byprocent (β) Spredning (χ) Spredning (χ) Lerprocent (λ) Lerprocent (λ) Dummy: % af nettonedbør til SZ-modul - 100-80 - 60 Figur 24 Anvendte dummy-koefficienter for DK model Sjælland (*) I alt 1943 grids har i en del af griddet byområder, hvilket svarer til en byprocent på 39 %. De 1943 grids udgør ca. 21 % af modelområdets areal og multipliceret med 0.39 giver dette en procentvis andel som er byområde på 8.1 %. Omkring halvdelen af dette areal udgøres af København med forstæder. De resterende områder ligger hovedsageligt i kystnære områder. Et resultat af denne fordeling er, at den procentvise andel af byområder opstrøms de vandføringsstationer der indgår i kalibreringen er relativt lille. En del af regnvandet ledes iøvrigt direkte til havet sammen med spildevand fra renseanlæg via afskærende ledninger. Samlet vurderes det derfor, at antagelsen vedrørende byområder generelt er god, idet 62 G E U S

formålet med simuleringerne er at vurdere grundvandsressourcen og ikke den overfladiske afstrømning eller maksimumsafstrømningen til vandløb eller kystnære farvande. Af den del af nettonedbøren, som fordeles til SZ, vil en del, afhængigt af drænvandsafstrømning og områder med begrænset infiltrationskapacitet (som følge af lav hydraulisk ledningsevne), efterfølgende afledes til overfladisk afstrømning (evt. til vandløb), afhængigt af hvorvidt grundvandsspejlet i det øverste beregningslag står over drænniveauet eller evt. står over terræn (som følge af begrænset infiltrationskapacitet i kortere eller længere perioder). Ovennævnte sum af faktorer der indgår i dummy-koefficienten udgør dermed kun en brøkdel af den samlede andel af nettonedbøren, som afstrømmer overfladisk eller via dræn til vandløb (og dermed ikke indgår i grundvandsdannelsen/-ressourcen). Kalibreringskørsler har imidlertid vist, at dummy-koefficienten har stor indflydelse på simulerings resultaterne. Tabel 7 viser de hydrauliske parametre, som var udgangspunktet for den endelige kalibrering af modellerne for Sjælland. Der er benyttet en vertikal hydraulisk ledningsevne for moræneleren på 1 e -9 m/s og en horisontal hydraulisk ledningsevne for sandmagasiner på 1e - 4 m/s. I det øverste lag i modellen er antaget en vertikal ledningsevne på 1 e -7 m/s (jf. større opsprækkethed), mens den horisontale ledningsevne her er antaget til 1 e -5 m/s (p.g.a. dels opsprækning af leren samt en højere ledningsevne i pløjelag mm.). For kalken er benyttet distribuerede værdier. Udgangsparametre anvendt ved kalibrering af modeller for Sjælland Værdi Drænkonstant 2 e -7 s -1 Hydrauliske ledningsevner Horisontal Vertikal Lag 1 Lag 2, 4, 6, 8 og 10 (moræneler) Lag 3, 5, 7 og 9 (smeltevandssand/grus) Lag 11 (kalk) Impermeabel bund Sandlinser i ler Glacialtektoniske linser i lerlag Glacialtektoniske linser i sandlag 1 e -5 m/s 1 e -7 m/s 1 e -7 m/s 1 e -9 m/s 1 e -4 m/s 1 e -5 m/s distribueret distribueret (x 0.1) 1 e -20 m/s 1 e -20 m/s 1 e -4 m/s 1 e -5 m/s 2 e -6 m/s 1 e -7 m/s 1 e -5 m/s 1 e -5 m/s Magasintal Frit Artesisk 0.25 0.0001 Overland component (OC) Overflade ruhed 3 Tabel 7 Anvendte parametre som udgangspunkt for den endelige kalibrering Figur 25 viser tykkelsen af lerlag i den hydrostratigrafiske model (lag 2, 4, 6, 8 og 10). G E U S 63

Lag 2 Lag 2 Lag 4 Lag 4 Lag 6 Lag 6 Tykkelse [m] 35 30 25 20 15 10 < 5 Lag Lag 8 8 Lag Lag 10 10 Figur 25 Tykkelse af lerlag (lag 2, 4, 6, 8 og 10)(*) Drænafstrømningen er beskrevet ved dels en drændybde for landområder på 0.5 m under terræn, dels en antaget tidskonstant for drænafstrømning på 2e -7 s -1. 5.4 Hydrauliske parametre som styrer overfladisk afstrømning og vandløbsstrømning Følgende parametre er anvendt til beskrivelse af OC og EX komponenterne: Overflade Manningtal: 3 Tærskelværdi for overfladisk afstrømning: 0.01 Vandløbs Manningtal: 20 Vandløbslækagekoefficient: 1 e -7 s -1 Kontakt mellem grundvand og vandløb: type 3 (kun vertikal udveksling) I havområder er lækagekoefficienten sat til 0. Ligeledes er drænfunktionen ikke aktiv i havområder. Den eneste funktion af vandløbene i havområder er altså en transport af vandløbsafstrømningen til modelranden. 64 G E U S

5.5 Input og output til vandbalancen Input til modellen i form af nettonedbør for de enkelte arealtyper fremgår af nedenstående (Tabel 8) for perioden 1971-90. Beregnet Nettonedbør 1971-96 Skov mm/år Åbent land sand, > 50 m mm/år Åbent land ler, > 50 m mm/år Åbent land sand, < 50 m mm/år Åbent land ler, < 50 m mm/år Vådbund mm/år klimagrid 20 289 366 317 294 244 128 klimagrid 25 206 283 232 238 185 42 klimagrid 26 266 346 294 246 193 58 klimagrid 27 295 375 324 289 237 119 klimagird 32 251 329 277 278 225 96 klimagird 33 276 356 304 265 211 80 klimagird 34 288 368 316 246 193 55 klimagird 38 264 341 290 289 237 111 klimagird 39 236 315 264 265 213 89 klimagird 40 264 342 291 275 224 100 klimagird 41 227 305 253 257 204 75 klimagird 42 254 334 282 281 229 112 klimagird 43 264 343 292 290 238 123 Tabel 8 Beregnet nettonedbør som årsgennemsnit fordelt på klimagrid og arealtype. Der er en betydelig variation i nettonedbøren såvel fra år til år som indenfor året. Figur 26 viser et eksempel på beregnet daglig nettonedbør for 1991-92 for klimagrid 34 for henholdsvis skov og vådbund. For skovområdet forekommer de største daglige nettonedbørsværdier i vintermånederne. Sommerhalvåret har derimod meget begrænset nettonedbør eller slet ingen nettonedbør. For vådbund ses de største værdier af nettonedbør at forekomme i sommermånederne. Nettonedbøren er for vådbund negativ i løbet af sommerperioden i de tørre perioder. De negative værdier forekommer som følge af, at den aktuelle fordampning antages at være lig den potentielle, således at der fra vådbundsområder i tørre perioder forekommer et direkte vandtab, som hentes fra det øverste lag i SZ. G E U S 65

35 Daglig nettonedbør, skov, klim agrid 34, 1991 30 Nettonedbør [m m /døgn] 25 20 15 10 5 0 april 1991 m aj 1991 februar 1991 januar 1991 m arts 1991 juni 1991 juli 1991 september 1991 decem ber 1991 novem ber 1991 august 1991 oktober 1991-5 Daglig nettonedbør, vådbund, klim agrid 34, 1991 35 30 Nettonedbør [m m /døgn] 25 20 15 10 5 0 april 1991 m aj 1991 januar 1991 m arts 1991 februar 1991 juni 1991 juli 1991 september 1991 decem ber 1991 novem ber 1991 august 1991 oktober 1991-5 Figur 26 Beregnet daglig nettonedbør for klimagrid 34 for skov og vådbund Figur 27 viser de implementerede vandløbssetup, placering af tværprofiler og vandføringsmålestationer. For Vestsjælland er benyttet 21 vandføringsmålestationer, mens der for Nordsjælland og Sydsjælland er benyttet h.h.v. 35 og 26 stationer. Desuden er vandløbssystemerne vist, som de anvendes af MIKE SHE d.v.s. når alle vandløb er placeret langs 66 G E U S

randen af modellernes grids. Der er til opsætningen af modellerne ikke genereret ét samlet vandløbssetup, men derimod 3 separate setup. Mike Mike SHE SHE vandløbsgrid vandløbsgrid Vandløbssetup Vandløbssetup for for vest vest Figur 27 Vandløbssetup og griddede vandløb Der er benyttet 6 forskellige forenklede trapezformede vandløbstværsnit. Placeringen af de forenklede tværsnit er fastlagt med udgangspunkt i medianminimumsafstrømningen (Tabel 9), en analyse af opmålte profiler og en sammenligning med tilhørende medianminimumsafstrømninger. Mellem tværprofiler i setupet interpolerer MIKE SHE tværprofiler for øvrige knudepunkter. Tværprofil Medianminimusms Bundbrede [m] Bredde ved krone [m] Dybde [m] Manningtal afstrømning 1 5 2.1 4.5 1.0 20 2 25 2.4 5.4 1.0 20 3 100 4.0 8.0 1.5 20 4 250 5.2 11.4 1.5 20 5 1000 10.0 18.0 2.0 20 6 fra udløb til rand 18.0 20.0 2.0 30 Tabel 9 Anvendte forenklede tværprofiler samt tilhørende fysiske parametre Som en kontrol af antagelsen af, at vandløbstværsnit kan udledes af medianminimum er lavet en analyse for nogle få vandløb i Vestsjællands Amt. Resultatet af denne analyse ses nedenfor (Figur 28). Af figuren, som viser tværsnitsareal som funktion af vanddybde for både tværsnit anvendt i modellerne og opmålte tværsnit, ses, at der er rimelig god overensstemmelse mellem de anvendte tværsnit og opmålte tværsnit. Antagelsen må altså regnes som rimelig, selv om en lang række andre parametre såsom jordart og maksimumsafstrømning også må påvirke vandløbenes tværsnit. G E U S 67