Klimabetingede grundvandsstigninger i urbant område - pilotområde Odense Torben O. Sonnenborg Jacob Kidmose GEUS 1
Indhold 1. Indledning... 3 2. Område og data... 4 2.1. Modelområde... 4 2.2. Hydrologiske observationer... 6 2.3. Grundvandsindvinding... 7 3. Metode... 9 3.1. Vandløb og dræning... 9 3.2. Arealanvendelse og befæstelse... 10 3.3. Hydrologisk model... 12 3.4. Geologisk model... 12 3.5. Kalibrering af model... 13 3.6. Fremskrivning af klima... 14 3.7. Usikkerheder... 16 4. Kalibrering og modelevaluering... 19 4.1. Kalibreringsresultat... 19 4.2. Validering af model... 21 4.3. Forslag til forbedringer af model... 26 5. Forudsigelser af fremtidige grundvandsforhold... 28 5.1. Grundvandsstand under fremtidigt klima... 28 5.2. Nutid... 29 5.3. Fremtid (2021-2050 og 2071-2100)... 32 5.4. Risiko-kort... 34 5.5. Reduktion af indstrømning til kloakker... 40 5.6. Urbaniserings-scenarium... 41 6. Konklusion... 44 7. Referencer... 46 Appendix 1: Kalibrering... 47 Appendix 2: Våd klimamodel... 50 Appendix 3: Budget for revideret model... 54 2
1. Indledning Fremtiden byder på nye samfundsmæssige udfordringer i byerne, i det åbne land og i de kystnære områder, når klimaændringerne viser sig i form af øget nedbør om vinteren, skybrud og tørkeperioder om sommeren. Disse ændringer er på vej og vil fortsætte en årrække uanset bestræbelserne på at reducere klimabelastningen. Ændringerne udgør samlet set en massiv udfordring for det danske samfund. Det stigende grundvand er en problemstilling, som ikke har haft det samme fokus som havniveaustigninger, underdimensionerede kloakker og overfladevand. Men det stigende grundvand kan vise sig at skabe store problemer i fremtiden og på steder hvor det er uventet. Specielt i byområder kan stigende grundvandsstand give anledning til problemer med indsivende grundvand i kældre under beboelsesejendomme, i parkeringskældre, forøget indsivende grundvand til kloaksystemer, afdræning af lavtliggende infrastruktur, mm. For at synliggøre omfanget af de klimabetingede grundvandsstigninger i regionen, har Region Syddanmark og GEUS opstillet en hydrologisk model for et delvist urbant område, der dækker Odense Kommune. Der er både i Danmark og internationalt begrænsede erfaringer med opstilling af hydrologiske vandbalancemodeller for urbane områder. Urbane områder udmærker sig fra landområder bl.a. ved at have en høj og stærkt varierende befæstelsesgrad, at de øverste jordlag ofte er stærkt forstyrrede pga. etablering af infrastruktur (veje, kloakker, elektricitet, mm) og konstruktioner (huse, industri), at dræningsforholdene er stærkt påvirkede af kloaknettet, som ofte er utæt og derfor bortleder grundvand, samt at den naturlige fordampning er stærkt reduceret pga. begrænset vegetationsdække. Pga. af de antropogene påvirkninger må det forventes, at urbane områder reagerer anderledes på naturlige påvirkninger og ændringer, end landområder gør. Det er derfor også uvist, hvordan et urbant område påvirkes af klimaændringer. For at undersøge denne problemstilling er den udviklede hydrologiske model blevet koblet sammen med 6 udvalgte klimamodeller. Denne sammenkobling gør det muligt at udarbejde en prognose for det fremtidige grundvandsniveau og lokalisere fremtidens problemområder på lokal skala. Projektet er gennemført i et tæt samarbejde mellem GEUS og Region Syddanmark, med bidrag fra både Odense Kommune og Vandcenter Syd. Arbejdet bygger videre på eksisterende viden på nationalt niveau samt på en geologisk model udviklet i et VTU-projekt (Sandersen et al., 2015). Herudover er data fra Odense Kommune og Vandcenter Syd anvendt i projektet. Grundvandsmodellen er et initiativ i den Regionale Udviklingsplan for Syddanmark med det konkrete formål at understøtte dispositioner og investeringer i forhold til klimatilpasning. Tidlige erfaringer med klimaløsninger kan desuden indebære erhvervsmæssige fordele. Formålet med projektet er at udvikle og implementere innovative metoder til analyse af klimaændringernes effekt på hydrologien og specielt grundvandet i et område domineret af bebyggelse (Odense) ved anvendelse af en integreret dynamisk hydrologisk model. Der kan opstilles følgende delformål med opgaven: (1) At indbygge en nyudviklet geologisk model i den hydrologiske model. Der fokuseres på de terrænnære lag, så der her opnås en beskrivelse af de geologiske variationer på et detaljeret niveau. 3
(2) At udnytte informationer fra en eksisterende hydraulisk afløbsmodel (MIKE URBAN) for Odense by vedrørende afstrømning fra befæstede arealer og placering af kloaknettet i den hydrologiske model. (3) At kvantificere grundvandsstandens rumlige og tidslige variation for både det nuværende og et fremtidigt klima, hvor der benyttes de seneste resultater og metoder til opgørelse af klimaændringernes effekt på det hydrologiske system. 2. Område og data 2.1. Modelområde Der opstilles en hydrologisk model for et område, der som udgangspunkt dækker afgrænsningen vist på figur 1, svarende til udbredelsen af Odense Kommune. Denne model benævnes efterfølgende som lokalmodellen. Lokalmodellen ligger i nedstrøms ende af oplandet til Odense Fjord, og der vil derfor ske en indstrømning af vand over modellens rande, primært fra syd, men også fra vest og nordvest. Det er derfor nødvendigt at anvende et modelkoncept, hvor lokalmodellen arver grænsebetingelser fra en omkransende regional model (den nationale vandressourcemodel). Herved opnås maksimal fleksibilitet i forhold til afgrænsning af lokalmodellen, således at denne ikke kun kan følge naturlige oplandsgrænser. Den endelige afgrænsning af lokal-modellen er blandt andet baseret på en analyse af de naturlige hydrologiske oplandsgrænser, der dækker Odense Kommune. Der er tilstræbt at matche naturlige hydrologiske grænser i det omfang, det ikke resulterer i voldsomme forøgelser af modelområdet. Lokal-modellen er opstillet vha. MIKE SHE med en horisontal diskretisering på 100 m x 100 m, som i andre projekter har vist sig at give en tilfredsstillende beskrivelse af geologisk heterogenitet og variationer af terræn (Sonnenborg og Kidmose, 2012). På figur 2 ses placeringen af modellen og afgrænsningen af Odense Kommune. Modelranden følger kommunegrænsen de fleste steder. Enkelte steder er modelområdet udvidet, således at oplandet til vandløbssystemer er inkluderet. Modelområdet inkluderer hele det urbaniserede område i Odense og dækker både den centrale by, parcelhusområder og industriområder. 4
Figur 1 Afgrænsning af modelområde for Odense-modellen. Figur 2 Afgrænsning af modelområde for Odense-modellen. Den sorte steg angiver placeringen af Odense Kommune. 5
2.2. Hydrologiske observationer Til opstilling af modellen er der anvendt data for grundvandsstand og vandløbsafstrømning. Mht. grundvandsstand er der anvendt tre forskellige af datasæt. Det første datasæt udgøres af observationer, som er tilgængelige i den nationale database Jupiter. Disse data anvendes også i opstilling af den nationale vandressourcemodel (DK modellen). Det andet datasæt er fra Odense Kommunes database, som indeholder pejlinger af grundvandsstanden i boringer i og omkring Odense. Det tredje datasæt er fra Vandcenter Syds pejledatabase. En stor del af disse vandstandsdata, fra Odense kommune og Vandcenter Syd, er også tilgængelige i Jupiter, og der er derfor kun nogle få ekstra boringer i forhold til Jupiter databasen. De tilgængelige data er opdelt i to tidsperioder, 1990-1999 og 2000-2010, hvor den første periode benyttes som opvarmningsperiode, hvor modellen opnår en stabil ligevægt (indgår ikke i kalibreringsperioden), og den sidste periode ligger indenfor kalibreringsperioden. I figur 3 ses den rumlige fordeling af data for grundvand i oplandet. De fleste data stammer fra boringer, som er filtersat relativt dybt, mens der er begrænset data til rådighed fra de terrænnære magasiner. Figur 3 Geografisk placering af boringer, hvor pejlinger af grundvandsstanden er anvendt til kalibrering af modellen. Blå trekanter viser boringer, hvor der er udregnet et middeltrykniveau. Grønne trekanter angiver placeringen af boringer med tidsserier. Vandløbsafstrømning fra tilgængelige vandløbsmålestationer er inddraget, se figur 4. Der er data til rådighed fra 6 nationale stationer, se figur 4, og 6 lokale stationer (data fra VandCenter Syd, VCS). For at supplere informationsmængden i de terrænnære magasiner er der udpeget en række mindre søer, som er vurderet til at stå i hydraulisk kontakt med grundvandet. Vandoverfladen fra disse søer (bestemt ud fra den digitale højdemodel) er benyttet som kalibreringsdata. Samlet giver de tre datasæt en relativ tæt dækning af overfladevandssystemet i området omkring Odense. 6
Figur 4 Oversigt over anvendte vandføringsstationer og overfladevandsstationer, som er tilgængelige for kalibrering af modellen. 2.3. Grundvandsindvinding Data for vandindvindingen fra VandCenter Syds kildepladser, se figur 5, er indsamlet på månedsbasis, således at den månedlige variation i indvinding på boringsniveau anvendes. På figur 6 ses, hvorledes indvindingen fra kildepladserne varierer siden 1990. Den samlede indvinding fra VandCenter Syds kildepladser i modelområdet er faldet fra godt 10 mio. m 3 /år i starten af 90 erne til knap 7 mio. m 3 /år i 2012. De største vandmængder er i de fleste år indvundet fra Eksercermarken og Lindved kildepladser. 7
Figur 5 Placering af kildepladser i nærheden af Odense. Figur 6 Illustration af månedlige værdier for grundvandsindvinding på VandCenter Syds kildepladser i lokalmodellen. 8
3. Metode 3.1. Vandløb og dræning Vandløbsopsætningen for Odense modellen tager udgangspunkt i den nationale vandressourcemodel. Vandløbsmodellen i den nationale vandressourcemodel er gennem de seneste opdateringer udbygget således, at der opnås en forholdsvis detaljeret beskrivelse af både store og små vandløb. Dræning er defineret på basis af Basemap 2012, hvor området er inddelt i tre typer, hhv. land, by og vådområder, se figur 7. Over 50% af landbrugsarealet i Danmark er estimeret til at være drænet (Olesen, 2009). Derfor antages det, at der i landområder, som er domineret af landbrug, er installeret markdræn. Drænene forventes at have stor betydning for, hvor højt grundvandsspejlet kan stige. Drænene er typisk installeret i en dybde på 0,5-1,0 m, og hvis grundvandsspejlet stiger op til drænniveau, vil grundvandet strømme til drænene og grundvandsstanden vil derfor ligge dybere, end hvis der ikke var installeret dræn. I nærværende projekt er det i landbrugsområderne valgt at benytte en drændybde på én meter og en konstant drænintensitet (eller effektivitet). I Sonnenborg og Kidmose (2012) blev landområderne opdelt i hhv. højt og lavt dræningsbehov, baseret på data fra Olesen (2009). Samme metode var imidlertid ikke anvendelig i Odense, hvilket dels skyldes, at store dele af Odense-området er karakteriseret som bymæssig bebyggelse og derfor ikke klassificeret i henhold til Olesens kortlægning af drænbehov, dels at den kortlagte del af området primært var klassificeret som højt drænbehov og dermed ikke kunne anvendes til at differentiere mellem lavt og højt drænbehov. Figur 7 Opdeling af dræn i hhv. markdræn (blå), bydræn (brun) og stærkt reduceret dræning (gul). I byområder antages kloaksystemet at fungere som et dræn, idet det er velkendt, at kloakkerne er utætte og derfor giver mulighed for indstrømning af grundvand. Ydermere vil omfangsdræning også sænke grundvandsspejlet i byområder, og det antages, at denne dræning sker i en dybde tilsvarende kloakkerne. Endelig antages det, at der kun i meget begrænset omfang er drænet i vådområder. I figur 7 ses, hvilke klassifikationer i Basemap der er defineret som hhv. markdræn, bydræn og reduceret dræning. På 9
baggrund af informationer fra VandCenter Syd er der indlagt dræn i lokalmodellen svarende til dybden af kloakkerne i Odense. Idet det forventes, at udvekslingen mellem grundvand og kloaksystemet vil fungere anderledes end udvekslingen mellem mark-drænrør og grundvand, er der defineret en separat parameter, som beskriver modstanden for indstrømning til kloakkerne i byområder. På figur 8 ses, hvor kloaksystemet i Odense er placeret, og i hvilken dybde det er estimeret til at ligge i. Den maksimale dybde er fundet til ca. fire meter men kan variere fra værdier, der ligger mellem en og fire meter. Figur 8 Drændybde baseret på informationer om kloaknettets placering (Vandcenter Syd). 3.2. Arealanvendelse og befæstelse Arealanvendelsen i modellen er baseret på data fra den nationale vandressourcemodel. Der er defineret en række kategorier, herunder by, landbrug, skov, vandoverflader, mm., se figur 9. Byområdet adskiller sig for det første fra landbrugsarealerne ved at have et relativt lavt bladareal-indeks på 0,5. Bladareal-indekset angiver det totale areal af vegetationens blade per kvadratmeter overfladeareal. Til sammenligning vil almindelige landbrugsafgrøder have et bladarealindeks på 4-6 i sommerperioden. Tilsvarende er roddybden for urbane områder relativt lav, 10 cm, i forhold til landbrugsafgrøder, hvor der typisk anvendes værdier på 50 cm eller mere. Samlet resulterer disse forskelle i, at fordampningen fra byområderne vil være lavere end fra de omkringliggende arealer. 10
Figur 9 Arealanvendelse i området omkring Odense. Befæstelsesgraden i byområdet er baseret på polygondata fra VandCenter Syd, hvor en individuel befæstelse for hvert polygon er bestemt. I figur 10 ses, hvordan befæstelsesgraden varierer fra næsten 100% i den centrale del af Odense til nul i landområderne. Figur 10 Befæstelsesgrad baseret på data fra Vandcenter Syd. 11
3.3. Hydrologisk model Modellen, som er opstillet for Odense, er baseret på DK-modellen (Højberg et al., 2010). I Odense-modellen er den horisontale opløsning forfinet fra en cellestørrelse på 500 m x 500 m til 100 m x 100 m, hvorved der opnås en bedre beskrivelse af topografien og grundvandsspejlets rumlige variation. Modellen er afgrænset som vist på figur 2, hvor der mod syd, øst og vest er anvendt grænsebetingelser for det hydrauliske trykniveau defineret af DK-modellen, mens der mod nord (Odense Fjord) er anvendt et fastholdt trykniveau. DK-modellen for Fyn skal derfor først køres for den aktuelle periode, inden lokal-modellen kan køres. Modellen beskriver på baggrund af data for nedbør, temperatur og potentiel fordampning hele det landbaserede hydrologiske kredsløb, herunder grundvandsstrømning, vandløbsafstrømning, overfladisk afstrømning og aktuel fordampning. Udover en højere rumlig opløsning sammenlignet med DK-modellen, er Odense-modellen forbedret på følgende punkter: (1) Vandindvinding til VandCenter Syds kildepladser er angivet på månedsbasis frem for på årsbasis. Desuden er de specificerede indvindingsmængder fordelt på boringer og kvalitetssikret af VandCenter Syd; (2) den rumlige fordeling af dræn er detaljeret, specielt i byområdet, hvor drændybden er baseret på informationer om kloaknettets dybde; (3) der er anvendt en ny geologisk model og der er foretaget en tolkning af, hvor Kertemindemerglen forventes at være opsprækket; og (4) modellen er kalibreret mod et datasæt for grundvand, som inkluderer data fra både Jupiter, Odense Kommune og Vandcenter Syd. Der er lavet en grunddig gennemgang af de tilgængelige pejlinger, hvor observationer, der er kraftigt påvirket af indvinding, er sorteret fra. 3.4. Geologisk model Den geologiske model, udarbejdet af GEUS i forbindelse med et VTU projekt (Sandersen et al., 2015), er indbygget i den eksisterende geologiske model for Fyn. Den endelige model fremstår som en lag-model med ni geologiske lag, se figur 11. Hvert lag antages at være homogent, og der er derfor kun horisontale variationer i lagets tykkelse, mens lagets egenskaber antages at være de samme i hele modelområdet. Den geologiske model indeholder ingen tolkning af, hvor Kertemindemerglen er opsprækket. Ifølge Sandersen et al. (2015) fremgår det at: Den geologiske opbygning er præget af en prækvartær lagserie, som består af kridt og kalk, hvorover der ligger et lag af Kertemindemergel. Denne mergel udmærker sig ved at være skiftevis fed og praktisk taget uigennemtrængelig, og skiftevis hård, opsprækket og højpermeabel. Kalken vurderes også at være opsprækket, men oplysninger om kalken er sparsomme. Hvor Kertemindemergelen er opsprækket vides ikke præcist, men det forventes, at sprækkerne primært følger den overordnede strukturelle opbygning af den dybe lagserie (VNV-ØSØ til NV-SØ), samt vinkelret her på. Sprækker, som er mere skæve i forhold her til (fx V-Ø, N-S), forventes også at kunne forekomme. Analyse af indvindingsdata viste endvidere, at der sker en betydelig grundvandsindvinding fra visse dele af Kertemindemerglen, og at der derfor ikke kan være tale om en fed og uigennemtrængelig ler i hele lagets udbredelse. På basis af ovenstående tolkning og data er der i samarbejde med Peter Sandersen (GEUS) udarbejdet et forslag til, hvor Kertemindemerglen (lag 8 i modellen) er opsprækket, se figur 12. Området med opsprækning er koncentreret omkring dal-strøg, hvor der også findes høj densitet af vandløb. Udenfor det opsprækkede område antages det, at Kertemindemerglen udgøres af uforstyrret ler. Det forventes, at der ved denne opdeling af Kertemindemerglen opnås en bedre beskrivelse af grundvandshydraulikken i området. 12
Figur 11 Profil NV-SØ gennem VTU modellen for Odense Kommune. Magasin Lag 3 (lyserød), magasin Lag 5 (gul) og magasin Lag 7 (rød). Fra Sandersen et al. (2015). Figur 12 Område hvor Kertemindemerglen antages at være opsprækket. 3.5. Kalibrering af model Odense-modellen er kalibreret mod observationer af grundvandsstand og vandløbsafstrømning ved anvendelse af den automatiske parameterestimationsrutine PEST. I princippet er der anvendt samme fremgangsmåde, som der anvendes ved kalibrering af DK-modellen. Der er imidlertid inkluderet mange flere målinger af grundvandsstanden, som har gennemgået en detaljeret kvalitetssikring, se afsnit 2.2. Idet 13
modellen indeholder langt flere parametre end det er muligt at estimere i forhold til observationerne, er der på baggrund af en sensitivitetsanalyse udvalgt de mest følsomme parametre. Disse parametre har den største betydning for bestemmelsen af grundvandsstand og vandløbsafstrømning. 14 parametre blev udvalgt, herunder hydrauliske ledningsevner for de geologiske lag, specifikke magasintal, og koefficienten som styrer grundvandstilstrømningen til dræn. Disse parametre er således blevet kalibreret mod observationer af grundvandsstand og vandløbsafstrømning i oplandet (se appendix 1). Modellen regner under kalibreringen på perioden 1. januar 1990 til 31. december 2010, og anvender data for vandløbsafstrømning og grundvandsstand fra perioden 1. januar 2000 til 31. december 2010. De første 10 års beregninger (1990-1999) anvendes til at opnå en stabil model, som beskriver den naturlige ligevægt i systemet. Beregning af den 21 års periode tager ca. fem timer at gennemføre. Under kalibreringen foretages der ca. 200 gennemregninger med modellen. 3.6. Fremskrivning af klima Det fremtidige klima er baseret på resultater fra EU-projektet ENSEMBLES. I ENSEMBLES er der på basis af emissionsscenariet A1B lavet forudsigelser af klimaet med forskellige klimamodeller, herunder den danske model HIRHAM. Da der er forskel på opbygningen af de enkelte klimamodeller, vil de hver især komme med forskellige forudsigelser af det fremtidige klima. Da det er vanskeligt at vurdere, hvilken klimamodel der er bedst til at spå om fremtiden, er det valgt at basere nærværende analyse på resultaterne fra flere modeller. Der er udvalgt seks klimamodeller, som alle har anvendt en drivhusgasudvikling svarende til et A1B klimascenarium. I tabel 1 ses, hvilke klimamodeller der er udvalgt, samt hvor stor en ændring i vinternedbør, som de enkelte modeller forudsiger. Det skal bemærkes, at der kun er udvalgt modeller, som forudsiger stigende nedbør i fremtiden. Formålet med projektet er at undersøge, hvad der vil ske, hvis fremtiden bliver vådere, og det blev derfor ikke fundet relevant at gennemføre beregninger med resultater fra klimamodeller, som forudsiger mindre nedbør. Det skal dog bemærkes, at de fleste klimamodeller forudsiger øget nedbør i fremtiden. 14
Tabel 1 Udvalgte klimamodeller fra ENSEMBLES. I første kolonne ses navnet på klimamodelkombinationen, hvor det første navn angiver den globale klimamodel, og det andet navn angiver den regionale klimamodel. ΔP angiver ændringen i nedbør fra 1991-2010 til 2071-2100, hvor en værdi på 1.3 betyder, at nedbøren stiger med 30%. DJF: December, januar og februar. NDJFM: November, december, januar, februar og marts. Klimamodel Institution (GCM) Institution (RCM) ΔP (DJF) ΔP (NDJFM) BCM2-RCA3 BCCR (Norge) SMHI (Sverige) 1.30 1.28 ECHAM5-HIRHAM5 MPI (Tyskland) DMI (Danmark) 1.18 1.22 ECHAM5-RegCM3 MPI (Tyskland) ICTP (Italien) 1.20 1.24 ECHAM5-RACMO2 MPI (Tyskland) KNMI (Holland) 1.26 1.24 ECHAM5-RCA3 MPI (Tyskland) SMHI (Sverige) 1.20 1.29 ECHAM-MPI MPI (Tyskland) MPI (Tyskland) 1.33 1.23 Det ses af tabel 1, at nedbøren i perioden november- marts, hvor den primære grundvandsdannelse forventes at forekomme, i alle modeller forventes at stige med over 20%. I figur 13 ses hver enkelt klimamodels månedlige ændring i forhold til nuværende klima. Der ses ændringer på mellem 0.8 (svarende til en reduktion i nedbør på 20%) primært i sommermånederne til stigninger på op til næsten 60% i vintermånederne. 15
Figur 13 Relativ ændring i månedlig nedbør for de seks udvalgte klimamodeller. Selv om der er anvendt resultater fra regionale klimamodeller, som anvender celler med sidelængde på 25 km, er fejlen på det beregnede klima typisk for stor til, at klimamodelresultaterne kan anvendes direkte til hydrologisk modellering. Det er derfor nødvendigt at anvende en korrektionsmetode, og her er det valgt at benytte den såkaldte DBS (Distribution Based Scaling) metode. Til forskel fra den mere velkendte Delta Change metode anvender DBS klimamodellens resultater mere direkte, hvilket giver mulighed for at beskrive ikke alene ændringer i middelnedbør men også dynamiske ændringer såsom antallet af nedbørsdage, variationer fra år til år, mm. Da der i nærværende projekt ønskes resultater for det terrænnære grundvand, vurderes det at DBS metoden bedre vil være i stand til at beskrive specielt ekstreme hændelser. 3.7. Usikkerheder Det skal bemærkes, at der ved opstilling af en hydrologisk model for et område som Odense er en række usikkerheder, som kan give anledning til unøjagtigheder i beregningen af bl.a. grundvandsstand. Der er begrænsede erfaringer med anvendelse af integrerede hydrologiske modeller for urbane områder, herunder beskrivelse af grundvandsdannelse, antropogen geologi og dræning via utætte kloakker. Der er ikke udviklet standard-procedurer for, hvordan eksempelvis kloakkernes dræning af grundvand bedst beskrives. I nærværende opgave er det valgt at indlægge dræn i en dybde, der svarer til den dybde, som kloakkerne er gravet ned i. Indstrømningen til kloakkerne styres vha. en indstrømningsmodstand, som i mangel af anden information antages at være ens for hele kloaksystemet, uafhængigt af dybde, alder og andre karakteristika for kloaksystemet. Det må imidlertid forventes, at kloaksystemets egenskaber varierer kraftigt fra sted til sted, og det må derfor antages, at der nogle steder estimeres for høj indstrømning til kloakkerne, mens der andre steder estimeres for lav indstrømning. I de tilfælde, hvor modellen beregner 16
for høj indstrømning til kloakkerne, vil den beregnede grundvandsstand blive mindre end i virkeligheden (kloak-beskrivelsen dræner for godt ). Omvendt vil der i tilfælde, hvor modellen beregner for lav indstrømning til kloaksystemet, opnås en grundvandsstand som er højere end i virkeligheden. På basis af den aktuelle viden og de tilgængelige data kan det imidlertid kun tilstræbes at opnå en beskrivelse, som i gennemsnit er i overensstemmelse med virkeligheden. Det er velkendt, at den terrænnære geologi i byområder kan være stærkt forstyrret af menneskelig aktivitet. Udbredelsen og opbygningen af denne såkaldte antropogene geologi er generelt ukendt, hvilket også er tilfældet i nærværende projekt. Det må forventes, at der i de øverste 5 10 m af jordprofilet er sket forstyrrelser, som skyldes konstruktion af bygninger, veje, ledningsnet mm. Disse forstyrrelser må forventes at være kraftigst under de ældste og mest urbaniserede dele af byen, og de må generelt forventes at give anledning til en forøgelse af jordens vandledningsevne, da mange fyldmaterialer er karakteriseret ved at være grovkornede. Generelt er der desværre ikke informationer til rådighed, hverken om den strukturelle opbygning af de antropogene lag (geologisk model) eller de hydrauliske egenskaber (rumlig variation i hydraulisk ledningsevne). Der må derfor påregnes en større usikkerhed på resultater i og tæt på byområder, end man typisk oplever det for landområder. Det skal også nævnes, at bestemmelsen af grundvandsdannelsen er behæftet med relativ stor usikkerhed i byområder. En væsentlig del af nedbøren lander på befæstede arealer, hvorfra det forventes at strømme til kloaksystemet. I nærværende projekt er det antaget, at den overfladiske afstrømning kan beskrives ved brug af data fra en urban-model, hvor befæstelsesgraden og dermed andelen af nedbør, som ledes til kloak, er givet. Der er imidlertid begrænsede erfaringer med denne løsning, og der er derfor en betydelig usikkerhed på metoden. F.eks. er det tvivlsomt, om det er den samme andel af nedbøren, der løber overfladisk af i en situation med en lille nedbørshændelse i forhold til en situation med en kraftig nedbørshændelse. I førstnævnte tilfælde vil en stor del af nedbøren blive hængende på overfladen (og efterfølgende fordampe), mens denne andel vil være mindre jo kraftige hændelsen er. Tilsvarende er fordampningen fra byområder beskrevet ved en empirisk metode, som det er vanskeligt at validere, da der ikke er nogle data til rådighed mht. aktuel fordampning fra byområder. I det aktuelle tilfælde med modellen for Odense kan usikkerheden i bestemmelsen af grundvandsdannelsen være betydelig, da store dele af modelområdet er befæstet. Ud over de ovenstående urbane usikkerheder er den udviklede model begrænset af de normale usikkerheder. Her opsummeres blot nogle få af de vigtigste faktorer. Antallet af grundvandspejlinger med god kvalitet fra det terrænnære magasin er yderst begrænset i den aktuelle opgave. For modelområdet, som dækker hele Odense Kommune, blev der fundet 25 observationer af grundvandsstanden i lag 1 (øverste lag). Alle 25 er bestemt ud fra vandspejlskoten på mindre søer og vådområder, aflæst på det digitale højdekort (horisontal opløsning på 1,6 m). Det er i den forbindelse vigtigt at bemærke, at ikke alle forekomster af overfladevand står i kontakt med det øvre grundvandsspejl, som modellen simulerer vand i terræn ud fra. Eksempelvis kan nævnes højmoser, der ofte ikke vil have hydraulisk kontakt til grundvandsmagasiner, men opretholder vandspejlet pga. lukkede og i praksis impermeable bunde. Det samme gør sig gældende for højtliggende områder med dødislandskab, hvor de afløbsløse lavninger i terrænet i mange tilfælde ikke står i kontakt med grundvandet. Det er uvist, hvor stor en del af overfladevandet, der ikke står i kontakt med det øvre grundvandsmagasin, men det formodes, at det primært vil gøre sig gældende i topografisk højere beliggende områder. 17
Der er desværre ingen observationer, som reelt stammer fra boringer, der er filtersat i det øverste terrænnære magasin. Det betyder, at der er store områder, hvor der ikke er nogen kvantitative informationer at føde modellen med, hvilket lægger begrænsninger på, hvor godt modellen kan forventes at beskrive grundvandsstanden i hele modelområdet. Et andet forhold, som begrænser modellens evne til at beskrive grundvandsstanden lige godt i hele modelområdet, er, at den geologiske model forudsætter, at hvert af de ni geologisk lag er opbygget af samme geologiske materiale i hele lagets udbredelse. F.eks. antages lag 5 at indeholde et homogent sandlag (Sand2) uden hydrauliske heterogeniteter. I virkeligheden må det imidlertid forventes, at der er variationer i kornstørrelse (middel og fordeling) og dermed også i den hydrauliske ledningsevne indenfor de enkelte geologiske lag (enheder). Da der ikke er informationer til rådighed om denne variation, er det imidlertid vanskeligt at inkludere i modellen. Tilsammen medfører ovenstående usikkerhedskilder (samt andre som ikke er nævnt her), at modelresultaterne ikke kan forventes at matche observationer fra oplandet perfekt, og at der skal forventes en usikkerhed, som er større end for et tilsvarende ikke-urbant område. Nogle steder vil modellen skyde over, mens den andre steder vil skyde under. Det er tilstræbt at opnå et resultat, som i gennemsnit er i overensstemmelse med virkeligheden, og det er også forsøgt at minimere graden af overog under-estimation (ved at minimere hhv. størrelsen af og variansen på modelfejlen). 18
4. Kalibrering og modelevaluering 4.1. Kalibreringsresultat Modellen er kalibreret mod observationer af trykniveauet fra 117 boringer, som primært er filtersat i lag 5 (Sand2) og lag 7 (Sand3). Samlet opnås en overensstemmelse mellem observerede og beregnede trykniveauer på -7 cm (middelfejl), hvilket betyder at modellen i gennemsnit overestimerer grundvandsstanden med 7 cm. I det øverste af de ni modellag finder modellen frem til en grundvandsstand, som i gennemsnit er 13 cm for lav. Usikkerheden på de målte data forventes at være betydeligt højere end 10 cm (Sonnenborg og Henriksen, 2005) og da modellen ikke kan forventes at beskrive virkeligheden fejlfrit (se afsnit 3.7), må det opnåede kalibreringsresultat betegnes som acceptabelt. I appendix 1 kan yderligere informationer om kalibreringsresultatet findes. Figur 14 Scatterplot af observeret mod beregnet hydraulisk trykniveau. Modellens evne til at beskrive de tilgængelige vandstandsobservationer er vist i figur 14. Her er beregnede data vist mod observerede data for midlede tidsserier med data inden for kalibreringsperioden (2000-2010). Der ses en lineær sammenhæng mellem observeret og beregnet trykniveau. Forskelle i beregnede og observerede trykniveauer for tidsserieobservationer varierer generelt mellem 0 og 4 meter, men kommer i et enkelt tilfælde op på 13 m. At der optræder forskelle på op til 13 m mellem observeret og beregnet trykniveau skyldes blandt andet, at en del målinger er forbundet med relativt store usikkerheder. Specielt data, hvor terrænkoten og boringsplacering er vurderet ud fra topografiske kort, kan være forbundet med store usikkerheder på både målepunktskoten og boringsplacering. Data er også påvirket af andre fejlkilder såsom fejl på måleudstyr og manuelle indtastningsfejl. Det er imidlertid vanskeligt at vurdere, hvilke data der er behæftet med hhv. stor og lille måleusikkerhed. 19
Den rumlige fordeling af middelfejlen (ME) for samtlige observationspunkter er vist i figur 15. Generelt ses der ingen overordnet tendens til, at fejlen er større i nogle dele af områder frem for andre. De fleste boringer har fejl, som ligger i intervallet 4 m, hvilket er tilfredsstillende. Figur 15 Illustration af den rumlige fordeling af forskellen mellem observeret og beregnet grundvandsstand (ME), hvor en positiv værdi viser, at modellen underestimere grundvandsstanden. Modellen har problemer med at give en nøjagtig beskrivelse af observationerne i den centrale del af byen, hvor der optræder tre boringer med fejl på op til -5 m og et par boringer med fejl på -4 til -5 m (svarende til at modellen beregner for høj grundvandsstand). Som beskrevet i afsnit 3.7 kan det forventes, at den terrænnære geologi i den centrale del af byen er stærk forstyrret og har en højere hydraulisk ledningsevne end en traditionel tilgang til geologien kan retfærdiggøre. Dette stemmer godt overens med, at der med modellen estimeres for høje grundvandsniveauer. Desuden er der mistanke om, at der i den centrale del af Odense pågår grundvandssænkninger, som ikke er indberettet til den nationale geologiske database (Jupiter). Dette vil resultere i en reel grundvandsstand, som er mindre end den, som modellen forudsiger og resultere i en fejl, som ligger under nul meter. Samlet er der grund til tage forbehold overfor modellens troværdighed i den centrale del af Odense by. 20
Figur 16 Illustration af den rumlige fordeling af forskellen mellem observeret og beregnet grundvandsstand (ME) i lag 1, hvor en positiv værdi viser, at modellen underestimere grundvandsstanden. I figur 16 ses fejlen for det øverste modellag, hvor observationer af vandoverflader på mindre søer og vådområder er sammenlignet med grundvandsspejlet i modellen. Generelt ligger fejlen i intervallet -2 m til +2 m (i 22 tilfælde), mens større fejl kun findes i relativt få tilfælde (i 3 tilfælde). 4.2. Validering af model Det er tilstræbt at lave en evaluering af modellen (validering) ved at sammenligne data for søer og vådområder med de områder, hvor modellen forudsiger, at der er vand i terræn (eller tæt på terræn). Der er fokuseret på vandområder med en udbredelse på mindst 1000 m 2, da modellen pga. sin begrænsede opløsning både mht. beregningsnet og datainputs vil have problemer med at beskrive elementer på mindre skala. Modellen viser, se figur 17, at grundvandet står tæt på terræn på mange af de lokaliteter, hvor der observeres søer, vådområder eller andre typer af overfladevand. Omkring Odense Å fanger modellen de fleste områder med overfladevand, enten med dybder til grundvandet på 0,5 m (mørk blå) eller 1,0 m (middel blå), både i den opstrøms del af vandløbet og i den nedstrøms del. Samtidig beskriver modellen den manglende tilstedeværelse af overfladevand i den centrale del af Odense. Overensstemmelsen mellem 21
model og observationer vurderes også at være acceptabel i Stavis Å systemet i den nordvestlige del af området. Her er der god overensstemmelse mellem de områder, hvor modellen forudsiger at grundvandet står over en halv meter under terræn (mørk blå) og de observerede overfladevandsområder. Figur 17 Sammenligning af overfladevandssystemer med modellens resultater for dybden til grundvand. I den østlige del af modellen, i området omkring Lindved Å, er der generelt god overensstemmelse mellem modellen og observationer. I de fleste områder med observerede søer eller vådområder forudsiger modellen, at grundvandet står mellem terræn og en halv meters dybde. Kun i ganske få tilfælde findes der vådområder på steder, hvor modellen beregner en grundvandsstand på mere en to meters dybde. I den østligste del af modelområdet, omkring Vejrup Å, observeres der kun få arealer med overfladisk vand, og modellen fanger de fleste af disse forekomster. Til gengæld er der delvist problemer med at beskrive det sydøstligste hjørne af modellen, hvor der observeres overfladevand i en række mindre søer, der tilsyneladende står i forbindelse med hinanden. 22
Modellen har problemer med at ramme forekomster af højtstående grundvand i en række områder. I nedenstående figur er disse områder indrammet med hhv. røde og grønne polygoner. I de røde områder antages det, at modellen i princippet godt kunne give en nøjagtig forudsigelse af vand på terræn (se nedenfor), hvis alle inputs til modellen var fejlfrie (f.eks. klima, geologi, parameterværdier, grundvandsoppumpning). I de grønne områder kan der imidlertid ikke forventes en god overensstemmelse mellem observationer af vandområder og de tilsvarende resultater fra den aktuelle model. Figur 18 Angivelse af områder, hvor modellen ikke stemmer overens med observationer af vand i terræn. Fejl type 1 angiver områder, hvor modellen principielt burde kunne forudsige observationerne, mens fejl type 2 indikerer områder, hvor modellen ikke kan forventes at være i overensstemmelse med observationer. Modellen har generelt svært ved at reproducere vand på terræn i den vestlige del af modelområdet, dvs. i området sydvest for Stavis Å systemet og vest for Odense Å (stort grønt område på figur 18). Modellen forudsiger her kun få steder med grundvand tæt på terræn (se figur 17). Til gengæld observeres der her en lang række mindre søer og disse gengives altså ikke af modellen. For at forklare denne uoverensstemmelse er modellens resultater og observationer af overfladevandssystemer vist sammen med Per Smeds kort, se figur 19. Det ses, at der optræder dødislandskaber i den vestlige del af modelområdet og i den syd-østlige del af området. Modellen kan kun forudsige søer og vandhuller, som skyldes grundvand. Hvis et vådområde opstår pga. overfladisk tilstrømning og en lavpermeabel depression i landskabet, vil modellen ikke kunne gengive den pågældende sø. Store dele af det angivne dødislandskab er placeret relativt højt i terrænet (se eksempelvis figur 4), og det må derfor betegnes som sandsynligt, at eventuelle dødishuller ikke står i hydraulisk kontakt med det øvre grundvandsmagasin. Der er god overensstemmelse med de områder, hvor modellen har vanskeligt ved at forudsige, hvor der er vand på terræn. Tilsvarende resultater kan findes på 23
figur 20, som viser de samme resultater som figur 19, men hvor der som baggrund er vist et geomorfologisk kort. Den vestlige del af modelområdet er angivet til at være et dødislandskab, og der god overensstemmelse med Per Smeds kort. Der findes derfor også en god sammenhæng med de områder, hvor modellen har problemer med at fange placeringen af våde områder. Det er vurderet, at der i områder, hvor terrænkoten ligger over 40 m og hvor der samtidig er dødislandskab, vil mindre søer og vandhuller generelt ikke stå i hydrauliske kontakt med grundvandet og modellen kan derfor ikke forudsige disse forekomster. Baseret på kalibreringsresultaterne (figur 15) bør der endvidere tages forbehold for modellen resultater for grundvandsstanden i den centrale del af Odense By. Her er grundvandsstanden sandsynligvis kraftigt påvirket af fyldjord ( antropogen geologi) og grundvandsindvinding, som ikke er indberettet. Det forventes derfor, at modellen overestimerer beliggenheden af grundvandsspejlet her. Mens der er forklaringer på de ovenstående tilfælde af modellens manglende evne til at gengive overfladevandssystemerne, så er der også identificeret en række områder, hvor modellen i princippet kan give en nøjagtig beskrivelse af søer og vådområder. Dette skal forstås sådan, at hvis alle de informationer, som modellen er baseret på (geologisk enhed, tykkelse af geologiske lag, hydrauliske parameterværdier, mm) var 100% korrekte og var tilgængelige i hele det område, som modellen dækker, så ville modellen være i stand til at gengive de pågældende vandområder. Disse områder er på figur 18 angivet med røde polygoner. Det er i de fleste tilfælde ikke klart, hvad der er den præcise årsag til dårlige modelresultater for et givet område. I afsnit 3.7 er der angivet en række bud på de mest sandsynlige årsager til manglende nøjagtighed. 24
Figur 19 Med blåt ses observationer af søer om vådområder. Modellen resultater er vist med rød, gul og grøn markering. Som baggrund er Per Smeds kort anvendt. 25
Figur 20 Med blåt ses observationer af søer om vådområder. Modellen resultater er vist med rød, gul og grøn markering. Som baggrund er geomorfologisk kort for Fyn vist. 4.3. Forslag til forbedringer af model Hvis der skal opnås en bedre overensstemmelse mellem model og observationer, er der behov for en eller flere forbedringer af modellen. Nedenfor opremses de mest oplagte muligheder for at forbedre modellen. Terrænnære grundvandsobservationer. Det kan anbefales at indsamle flere observationer af grundvandsstanden med høj kvalitet (lille usikkerhed), specielt i de terrænnære magasiner. Indsamling af 25-30 pejlinger af den terrænnære grundvandsstand vurderes at være meget værdifuld for modellen. Bedre beskrivelse af indstrømning til kloaksystemet. Dette vil kræve, at der er data til rådighed for vandføringen i kloaksystemet i en tør periode, hvor afstrømningen ikke er påvirket af overfladisk afstrømning. Det vil være ønskeligt med observationer af afstrømningen på flere lokaliteter, så der kan opnås et estimat for den rumlige variation i grundvandstilstrømningen. Det bør på baggrund af data for 26
vandføringen i kloakkerne undersøges, hvordan et utæt kloaksystem bedst inkluderes og parametriseres i en hydrologisk model. Antropogen geologi. Modelkalibreringen antyder, at det er vigtigt at inkludere en beskrivelse af de strukturelle ændringer af undergrunden, som antropogene aktiviteter har givet anledning til. Det bør undersøges, hvordan de antroponene jordlag kan beskrives, og hvilken effekt de har på modellens resultater. Et første skridt kunne være at opstille en model for tykkelsen af det antropogene lag, uden at lave en egentlig litologisk tolkning. Det forventes, at det antropogene lag vil have en relativ høj ledningsevne og muligvis vil det være muligt at bestemme ledningsevnen under kalibrering af modellen. Distribuering af hydraulisk ledningsevne. I den aktuelle model antages de hydrauliske egenskaber for hvert modellag at være homogene, dvs. uden rumlig variation (med undtagelse af tykkelsen). Det er meget sandsynligt, at kornstørrelsen vil variere indenfor de enkelte lag, og dermed må den hydrauliske ledningsevne også forventes at variere. Det kan være vanskeligt at karakterisere denne variation på basis af geologiske informationer (boringer samt geofysiske data). Det er imidlertid muligt, at der vha. en relativt ny kalibreringsmetode (såkaldt regulariseret inversion vha. pilot points) kan inkluderes en rumlig variabilitet i den hydrauliske ledningsevne. Metoden udnytter, at man ofte har forhåndskendskab til eksempelvis, hvor meget den hydrauliske ledningsevne varierer indenfor et geologisk lag. Eller hvilke værdier kvartære sandlag eller præ-kvartære lerlag typisk antager. Ved at føde modellen med denne information er det muligt at estimere flere parametre og herved opnå en betydeligt mere nuanceret beskrivelse af, hvordan f.eks. den hydrauliske ledningsevne varierer rumligt indenfor den opsprækkede kalk. Ideen er, at tilføjelsen af yderligere kompleksitet vil gøre det muligt at beskrive variationer i f.eks. dybden til grundvandsspejlet mere nøjagtigt. Da der er tale om en ny metode vil det kræve en vis aftestning inden konceptet kan implementeres i praksis. Cellestørrelse. I den aktuelle model anvendes en cellestørrelse med en sidelængde på 100 m. En halvering af cellestørrelsen til 50 m vil gøre det muligt at få en mere nuanceret beskrivelse af vand på terræn. Det vil imidlertid ikke afhjælpe uoverensstemmelser i større områder, hvor modellen pt. har problemer med at reproducere grundvand tæt på terræn. Anvendelse af en cellestørrelse på 50 m medfører, at beregningstiden bliver lang (adskillige timer), hvilket gør det langsommeligt og vanskeligt at kalibrere modellen. Grundvandsfødte søer. Der er behov for en analyse af, hvilke søer og vandhuller der er grundvandsfødte og hvilke der fødes via nedbør og overfladisk afstrømning. Dette vil sandsynligvis kræve en analyse af terrænforhold og geologien i området, hvor søen er beliggende. Re-kalibrering af modellen. På baggrund af en eller flere af ovenstående ændringer er der behov for at modellen re-kalibreres. I appendix 3 er der opstillet et budget for ovenstående forbedringer af modellen. 27
5. Forudsigelser af fremtidige grundvandsforhold 5.1. Grundvandsstand under fremtidigt klima Bestemmelsen af det fremtidige grundvandsspejl involverer en række usikkerheder. Modellen repræsenterer en forsimpling af virkeligheden og kan derfor (som beskrevet i foregående kapitel) ikke gengive de observerede data for grundvandsstanden præcist. Denne fejl skal der tages forbehold for, når estimatet for det fremtidige grundvandsspejl (øverste grundvandsspejl) vurderes. Yderligere er der en mulig fejl ved brug af DBS metoden til forudsigelser af fremtidigt klima. DBS korrektionen af klimamodelresultaterne sikrer, at resultaterne fra den enkelte klimamodel svarer til det observerede klima for perioden 1991-2010 set under ét. Der opnås f.eks. samme middel nedbør i denne periode, som der er observeret. Klimamodellerne har pga. den relativt grove opløsning på 25 km x 25 km imidlertid vanskeligt ved at gengive den rumlige fordeling af nedbør over Danmark nøjagtigt. Der kan derfor forekomme rumlige forskelle, hvor eksempelvis én klimamodel giver højere nedbør i den sydlige del af området, mens en anden klimamodel giver højere nedbør i den nordlige del. Da de rumlige mønstre i den enkelte klimamodels nedbørberegninger er sammenlignelige for hhv. nutid og fremtid, kan denne forskel i rumlig fordeling imidlertid elimineres, hvis resultater fundet på baggrund af klimamodellens data for nutid trækkes fra resultaterne for fremtiden. Der er derfor anvendt en metode, som tager udgangspunkt i den beregnede grundvandsstand fra modelkørslen med observerede klimadata (og ikke klimadata fra klimamodellerne). Dette resultat er anvendt som basiskort til at repræsentere nuværende middel grundvandsstand. Den anvendte metode er nærmere beskrevet i nedenstående punkt 1-4. 1. Et kort over nuværende middel grundvandsstand er fremstillet ud fra modelberegninger af perioden 1990-2010, hvor der anvendes observerede klimadata. Middel grundvandsstand er beregnet som 50% fraktilen af det simulerede grundvandsniveau over de 21 år modellen regner på. 50% fraktilen repræsenterer den værdi, som grundvandsstanden er større eller mindre end i 50% af tiden (de 21 år). Det fremstillede kort udgør basiskort for efterfølgende analyse af fremtidige klimaændringer. 2. Fraktilanalyse af nuværende og fremtidige simuleringsresultater er også produceret for modelkørslerne for perioderne nutid, nær fremtid og fjern fremtid (1981-2010, 2021-2050 og 2071-2100) med klimatiske input fra klimamodellerne (tabel 1). 3. For modelkørslerne med klimamodel input er ændringen mellem simuleret middel grundvandsstand for 1981-2010 og tilsvarende middelværdier for hhv. 2021-2050 og 2071-2100 beregnet (fremtidsværdier fratrukket nutidsværdier). 4. Ændringsberegningerne er adderet til basiskortet over nuværende middel grundvandsstand (punkt 1). Samme procedure er anvendt til at beregne effekten af klimaændringer på en våd situation med høj grundvandsstand (99% fraktilen). I de efterfølgende afsnit er resultaterne for klimaanalysen præsenteret således, at der på kortene er angivet områder med hhv. høj, middel og lav risiko for højtstående grundvand. Områder med høj risiko 28
inkluderer arealer, hvor grundvandsspejlet er beregnet til at stå højere end en halv meter under terræn. Områder med middel risiko er steder, hvor grundvandsspejlet ligger mellem en halv meter og to meter under terræn, mens områder med lav risiko udgøres af arealer, hvor grundvandsspejlet ligger mere en to meter under terræn. Både resultater som repræsenterer en middelsituation (50% fraktilen) og en våd situation (99% fraktilen) præsenteres. Som beskrevet ovenfor er der en vis usikkerhed på resultaterne, og det vil derfor være muligt at udpege lokaliteter, hvor de præsenterede estimater på høj, middel og lav risiko for højtstående grundvand er fejlbehæftede. Kortene skal med andre ord vurderes som det bedste bud på risikoen for højtstående grundvand i nutid og fremtid. Først vises en figur over områder med frit vandspejl (grundvandsspejl over terræn) simuleret af modellen, der bruges til at generere basiskortet, se nedenfor. 5.2. Nutid Områder, hvor 50% fraktilen for modelresultaterne for perioden 1990-2010 viser, at vandstanden ligger tæt på terræn, er vist i figur 21. Vandspejlet er primært fritstående i og tæt på overfladevandssystemerne (Odense Fjord og langs med de større vandløb). Desuden findes der vand på terræn i vådområder med begrænset udbredelse. Forklaringen på at modellen ser tør ud omkring visse å-strækninger skal primært findes i den urbane drænopsætning, hvor dybden til drænene er fastlagt ud fra den dybde, som kloaknettet er placeret i (en til fire meters dybde). I forhold til mark-dræn, som er placeret i en dybde på knapt en meter, vil dræningen i større dybde være mere effektiv og resultere i et forholdsvist dybtliggende grundvandsspejl. Figur 22 viser drændybder sammenholdt med vand i terræn. For flere områder, bl.a. i Odense ådal, hvor bydræningen ikke går helt ned til åen, ses vand i terræn. Centralt i Odense, hvor der findes bebyggelse og dermed kloakker meget tæt på åen, beregnes der ikke vand i terræn, udover i selve åen. Resultaterne er også påvirket af drændybden i byområderne, som er på mellem 1 og 4 meter under terræn med et gennemsnit 2,42 m under terræn. Jo dybere drænene ligger des mindre chance er der for at finde grundvand i terræn. Fremgangsmåden forhindrer, at der i byområder med bebyggelse meget tæt på åen beregnes vand på terræn (ud over selve åen), hvilket er i overensstemmelse med de aktuelle forhold. På figur 23 ses, hvor modellen forudsiger vand på terræn i en våd situation (99% fraktilen, svarende til ca. 3-4 dage om året i gennemsnit). I forhold til middelsituationen ses der en betydelig forøgelse af arealet med våde områder, både tæt på vandløb men også på arealer, som ligger i områder med højere topografi. 29
Figur 21 De blå områder angiver, hvor modellen simulerer frit vandspejl i en middelsituation (50% fraktil), dvs. vand over terræn. Baggrundskortet er Danish Topographical Map (DKT) 1 til 25T (classic). 30
Figur 22 Sammenligning af områder, hvor modellen simulerer frit vandspejl i en middelsituation (50% fraktil), angivet med rødt, og drændybden anvendt i modellen (gul: dræn er 1-2 meter under terræn; grøn: dræn er 2-3 m under terræn; blå: dræn er 3-4 m under terræn). Baggrundskortet er Danish Topographical Map (DKT) 1 til 25T (classic). 31
Figur 23 Kort over hvor modellen simulerer frit vandspejl i en våd situation (99% fraktil), dvs. vand over terræn. Baggrundskortet er Danish Topographical Map (DKT) 1 til 25T (classic). 5.3. Fremtid (2021-2050 og 2071-2100) På figur 24 er områder, hvor grundvandsstanden er mindre end en halv meter under terræn, vist for både nutidsperioden (med blåt), samt de områder der yderligere inddrages i perioden 2021-2050 (med gult) og i perioden 2071-2100 (med rødt). Kortet skal læses således, at blå, gule og røde områder vil være i risiko for højtstående grundvand i den fjerne fremtid (2071-2100), mens det i den nære fremtid kun er blå og gule områder, der vil være i risiko for højtstående grundvand. Resultatet er baseret på gennemsnittet for de 6 klimamodeller, hvor der for hver model er anvendt resultater for middel grundvandsstand. Der sker en mindre udvidelse af arealerne med højtstående grundvand i den nære fremtid. Dette er i overenstemmelse med at nedbøren i den nære fremtid kun er marginalt højere end for nutiden. Således er der på bagrund af de seks klimamodeller beregnet en gennemsnitlig forøgelse af grundvandstanden på syv cm i forhold til nutiden. Mht. den fjerne fremtid sker der yderligere en mindre udvidelse af de arealer, hvor 32
grundvandsstanden er tættere på terræn end en halv meter. Dette skyldes den øgede nedbør i klimascenarier for den fjerne fremtid set i forhold til nutiden og den nære fremtid. Således er der på baggrund af de seks klimamodeller beregnet en gennemsnitlig forøgelse af grundvandstanden på 13 cm i den fjerne fremtid i forhold til nutiden. Figur 24 Områder med højtstående grundvand i middelsituation for nutid samt ændringer i nær fremtid (2021-50) og fjern fremtid (2071-2100). På figur 25 ses resultaterne for en våd situation (99% fraktilen) i hhv. nutid (blå markering), samt de områder der yderligere bliver våde i hhv. den nære og den fjerne fremtid. Igen findes det kraftigste signal i den fjerne fremtid med en stigning på 18 cm i forhold til den tilsvarende nutidssituation, hvilket indikerer, at grundvandsstanden stiger mere i ekstremsituationen end i middelsituationen. I perioden 2071-2100 er store dele af området i denne situation karakteriseret ved et grundvandsspejl, som ligger mindre end en halv meter under jordoverfladen, hvilket må betegnes som vandlidende (kombinationen af blå, gul og rød markering). Der er ikke tale om store sammenhængende områder, hvor risikoen for højtstående grundvand 33
bliver stor. I stedet ser de ifølge modellen ud til, at der opstår en lang række små isolerede områder, hvor grundvandet ligger meget tæt på terræn. Figur 25 Områder med højtstående grundvand i en våd situation (99% fraktilen) for nutid samt ændringer i nær fremtid (2021-50) og fjern fremtid (2071-2100). 5.4. Risiko-kort I dette afsnit illustreres resultaterne vha. af såkaldte risiko-kort, som viser, hvor der er hhv. lav, middel og høj risiko for højtstående grundvand i en given periode (nutid, nær fremtid, fjern fremtid). Hvis grundvandsstanden er beregnet til at stå mellem terræn og en halv meter under terræn kategoriseres området som værende i høj risiko for at være vandlidende. Hvis grundvandsstanden ligger mellem en halv og to meter under terræn angives risikoen som middel (eller mellem). Og hvis grundvandsstanden er fundet til at ligge dybere end to meter under terræn vurderes risikoen at være lav. 34
På figur 26 ses områder med hhv. høj, middel og lav risiko for grundvandsrelaterede problemer for nutidssituationen. Områder, hvor dybden til grundvandet er under 0,5 m (angivet med rødt) er primært sammenfaldende med områder, der udgøres af vandløb og vådområder. Områder, hvor dybden til grundvandsspejlet overstiger 2 m (angivet med grønt) findes generelt i højtliggende dele af modelområdet, hvor det topografiske relief er størst. Større sammenhængende områder med høj eller middel risiko for højtstående grundvand findes omkring Odense Fjord, i ådalene samt i den nordvestlige del. Figur 26 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en middel-situation for nutiden. I figur 27 ses tilsvarende resultater for 99% fraktilen, hvilket i gennemsnit svarer til de 3-4 vådeste dage om året. Her ses en signifikant udvidelse af området, som er truet af oversvømmelse. Specielt området med høj risiko for oversvømmelse er udvidet markant, men også områderne med middel risiko for højtstående grundvand er udvidet betydeligt. 35
Som bemærket under afsnit 4.2 har resultaterne i visse dele af modelområdet mindre troværdighed, da modellen her har svært ved at håndtere eksempelvis det terrænnære overfaldevandssystem i dødislandskabet (se figur 18). Figur 27 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en våd situation (99% fraktilen) for nutiden. På figur 28 31 ses tilsvarende risiko-kort for hhv. nær og fjern fremtid. Det kan umiddelbart være vanskeligt at se, hvor store ændringer der sker. Men ved sammenligning af f.eks. figur 27 (nutid, våd situation) med figur 31 (fjern fremtid, våd situation) er det muligt at identificere en betydelig udvidelse af arealet med høj risiko for højtstående grundvand. Resultaterne fra den mest nedbørsrige klimamodel, ECHAM5-HIRHAM5, ses i appendix 2. Ifølge denne model vil store områder være inkluderet i høj risiko for terrænnært grundvand. Sammenlignet med 36
nutidssituationsen vist på figur 26 og 27 sker der markante udvidelser af specielt områder med høj risiko, mens arealerne med mellem og lav risiko reduces. Figur 28 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en middel-situation (50% fraktilen) for perioden 2021-2050. 37
Figur 29 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en våd situation (99% fraktilen) for perioden 2021-2050. 38
Figur 30 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en middel-situation (50% fraktilen) for perioden 2071-2100. 39
Figur 31 Kortlægning af områder med hhv. høj (rød), middel (gul) og lav (grøn) risiko for højtstående grundvand i en våd situation (99% fraktilen) for 2071-2100. 5.5. Reduktion af indstrømning til kloakker Indstrømning af grundvand til kloaksystemet anses generelt som uønsket. Det er derfor interessant at undersøge, hvilken effekt det vil have på grundvandsstanden, hvis det antages at kloaknettet tætnes, så indstrømningen reduceret betydeligt. Hvis det antages, at indstrømningen til det eksisterende kloaknet reduceres med en faktor 10, vil grundvandsstanden stige og i mange områder resultere i at grundvandet stiger op til terræn. I figur 32 er det med rødt vist, i hvilke områder der yderligere vil være høj risiko for vand på terræn, hvis kloaknettet tætnes. Det er primært i stærkt urbaniserede områder, at grundvandsstanden forventes at stige, og det må lokalt forventes at have uhensigtsmæssige konsekvenser for bygninger og infrastruktur. 40
Figur 32 Illustration af hvor grundvandet forventes at stige op til terræn, hvis kloaknettets evne til at fjerne grundvand reduceres med en faktor 10. 5.6. Urbaniserings-scenarium Urbanisering forventes at have en markant effekt på grundvandsstanden. For at kvantificere effekten er arealanvendelsen i området omkring Syddansk Universitet ændret fra grønne arealer til byområde, se figur 33. I modellen indebærer urbaniseringen, at (1) den aktuelle fordampning reduceres da andelen af jordoverfladen, som er vegetationsdækkes reduceres betydeligt, (2) den overfladiske afstrømning forøges markant pga. befæstede arealer (38% befæstelse), og (3) der indlægges dræn i en dybde på 2,4 m, hvilket svarer til middeldybden for kloaknettet i det eksisterende byområde. 41
Figur 33 Illustration af hvordan grundvandsstanden ændrer sig hvis området omkring universitetet ændres fra grønne områder til et urbant områder (blandet beboelse mm). En negativ værdi svarer til et fald i grundvandsstanden. Modellen forudsiger, at grundvandsstanden falder i det meste af det urbaniserede område med op til 1,6 m. I to områder, som er relativt højtliggende (mindre bakker), står grundvandsspejlet i udgangssituationen under drænniveau, og der observeres derfor en ubetydelig ændring i grundvandsstanden. På figur 34 og 35 er vandbalancer for de to situationer vist (for området som omlægges til by). Vandbalancen er udtrukket for en periode på 23 år og alle værdier er angivet i enheden mm for de 23 år. Med den nutidige arealanvendelse er den overfladiske afstrømning (OL river/mouse) ubetydelig. Hvis området urbaniseres stiger den overfladiske afstrømning til ca. en tredjedel af nedbøren (ca. 300 mm/år). Grundvandsdannelsen falder med ca. 120 mm/år og fordampningen reduceres med 130 mm/år. Der er med andre ord tale om signifikante ændringer i vandkredsløbet, når området ændres fra åbent land (grønne områder) til blandet bebyggelse. 42
Figur 34 Vandbalance opgjort for model med nutidig arealanvendelse Figur 35 Vandbalance opgjort for model med urbaniserings-scenarium 43
6. Konklusion Beregningerne præsenteret i nærværende rapport er baseret på en kobling af en regional hydrologisk model for Fyn (DK-modellen) og en lokal hydrologisk model for Odense Kommune. Herved blev det muligt at beskrive lokalområdet med en relativ fin opløsning (kassestørrelse på 100 m x 100 m). I den lokale model for Odense Kommune blev der anvendt en nyudviklet geologisk model. Desuden er indvindingen til områdets kildepladser detaljeret og observationer af grundvandsstand, vandløbsafstrømning og vandoverfladens beliggenhed på mange af områdets søer indlagt i modellen. I byområdet er modellen blevet ændret, så der sker en beskrivelse af overfladisk afstrømning fra befæstede arealer og dræning via utætte kloaksystemer, hvor sidstnævnte er indlagt med distribueret dybde. Efter kalibrering mod alle tilgængelige og relevante observationer, blev modellen fundet mindre egnet til at forudsige forekomster af åbne vandområder i en række områder. Af disse områder var det muligt at forklare uoverensstemmelserne for to større områder: (1) Det højtliggende dødislandskabet i den vestlige del af modelområdet, hvor forekomsten af en del mindre søer skyldes overfladisk tilstrømning til lavninger i terrænet (og altså ikke skyldes grundvand), og (2) den centrale del af byen, hvor ikke kortlagt antropogen geologi og ukendt grundvandsindvinding giver anledning til uoverensstemmelser mellem modellen og virkeligheden. I en række andre områder (figur 18, røde markeringer) kunne der ikke umiddelbart identificeres en årsag til den manglende nøjagtighed. I sidstnævnte områder samt i den centrale del af byen har modellen reduceret troværdighed og resultater for både nutidigt og fremtidigt grundvandsstand skal tolkes med forsigtighed. I de øvrige områder var modellen i stand til at beregne de observerede overfladevandssystemer tilfredsstillende. Det skal bemærkes, at det er første gang at der opstilles en integreret hydrologisk model for et stort byområde med det formål at forudsige områder, der er truet af højtstående grundvand. Det har derfor været nødvendigt at udvikle nye koncepter og metoder undervejs i projektet. Det er bl.a. blevet udviklet et koncept for, hvordan utætte kloaksystemers drænende effekt inkluderes i modellen ved anvendelse af data fra en urban-model. Ved sammenligning med standardmetoder viste dette koncept sig at resultere i betydeligt bedre resultater for det terrænnære grundvand. Desuden er et koncept for overfladiske afstrømning og fordampning fra befæstede arealer blevet udviklet og testet. Sammenligning med observationer af grundvandsstanden indikerer, at dette koncept giver en bedre beskrivelse af vandkredsløbet i byområder. Selvom modellen ikke er i stand til at producere resultater, som alle steder er i overensstemmelse med de observerede forhold, har projektet bidraget kraftigt til at skubbe udviklingen af urbane vandbalancemodeller fremad. Projektet har desuden været med til at identificere en række huller i vores viden om den urbane hydrogeologi, som ikke var kendt inden projektstart. Projektet har bl.a. vist, at der er problemstillinger såsom antropogen geologi, som det er vanskeligt at beskrive på stor skala (f.eks. Odense By) med de metoder, der er tilgængelige i øjeblikket. Det må derfor konkluderes, at der er behov for yderligere studier og test af alternative metoder for at nå frem til pålidelige beskrivelser af det urbane vandkredsløb, inkl. det terrænnære grundvand. Den opstillede model blev påført resultater fra seks forskellige klimamodeller, som på baggrund af CO 2 emissionsscenariet A1B har beregnet resultater for klimaets udvikling frem til 2100. Der er foretaget beregninger af områder, som er sårbare overfor højtstående grundvand i et fremtidigt klima. Der er 44
gennemført analyser for både den nære fremtid (2021-2050) og den fjerne fremtid (2071-2100), hvor et gennemsnit af 6 forskellige klimascenarier er undersøgt. Litteraturen viser, at anvendelsen af flere scenarier resulterer i mere robuste forudsigelser end anvendelse af et enkelt scenarium (f.eks. Diks and Vrugt, 2010). Det er i nærværende projekt antaget, at klimascenarierne fra de 6 klimamodeller er lige sandsynlige, hvorfor disse er vægtet ligeligt. Resultaterne på baggrund af klimaberegningerne viser, at den gennemsnitlige grundvandsstigning for den nære og fjerne fremtid er beregnet til henholdsvis 0,07 m og 0,13 m (gennemsnitssituation) mens de tilsvarende værdier for en våd situation (99% fraktilen) er fundet til 0,07 m og 0,18 m. Disse gennemsnitsværdier dækker over store rumlige variationer, og det er derfor muligt at finde områder lokalt, som påvirkes væsentlig mere, end gennemsnitsværdierne antyder (ses eksempelvis ved sammenligning af figur 27 og 31). Specielt i den våde situation vil der ske en betydelig udvidelse af det område, hvor grundvandet ligger tæt på terræn i fremtiden (gule og røde områder på figur 25). Der hvor grundvandstanden i det nutidige klima ligger tæt på terræn, påvirkes grundvandet relativt begrænset af det fremtidige klima. Dette skyldes delvist, at drænene i området begrænser en eventuel grundvandsstigning (drænene virker som et loft over hvor højt grundvandet stiger op), delvist at øget aktuel fordampning pga. det højtstående grundvand modvirker den stigning, som den øgede nedbør ellers ville give anledning til. Fordampningen fra urbane områder forventes som tidligere nævnt at være lavere end fra landområder, men i områder med relativ lav befæstelsesgrad (f.eks. parcelhuskvarterer) vil ændringer i fordampningen stadig være en væsentlig faktor for grundvandsdannelsen. Dette er under antagelse af, at drænkapaciteten i fremtiden er uændret og at arealanvendelsen i fremtiden er den samme som i nutiden. Det kan på baggrund af den foreliggende undersøgelse ikke drages generelle konklusioner angående klimaets effekt på grundvandsstigninger i byer. Store dele af Odense by er imidlertid lokaliseret i og omkring ådale, og dybden til grundvandsspejlet har historisk derfor været relativ lav. Dette faktum vurderes at være have større indflydelse på, hvordan grundvandsstanden reagerer på klimaændringer end det forhold, at der er tale om et byområde. Effekten af at reducere indstrømningen til kloakkerne i byområdet blev fundet til at være relativ markant, og det forudsiges at der vil opstå flere områder med vand tæt på terræn. Det skal bemærkes, at modellen vurderes at have begrænset gyldighed i den centrale del af byen og resultaterne skal derfor behandles med behørig forsigtighed. Endelig blev det undersøgt, hvordan urbanisering af åbent land omkring Syddansk Universitet vil påvirke grundvandsstanden og vandbalancen. Der blev fundet en markant effekt af urbaniseringen, med signifikant fald i grundvandsdannelse og grundvandsstand, og samtidig blev den aktuelle fordampning estimeret til at bliver reduceret betydeligt. For det undersøgte område ved universitetet er effekten af urbanisering betydeligt større end effekten af klimaændringer, så længe der udelukkende fokuseres på grundvandsstanden. 45
7. Referencer Diks, C. G. H., and J. A. Vrugt (2010), Comparison of point forecast accuracy of model averaging methods in hydrologic applications, Stochastic Environ. Res. Risk Assess., 24(6), 809 821. Højberg AL, Troldborg L, Nyegaard P, Ondracek M, Stisen S & Christensen BSB (2010) DK-model2009 - Sammenfatning af opdateringen 2005-2009. GEUS rapport 2010/81, København. Olesen, S. (2009). Kortlægning af potentielt dræningsbehov på landbrugsarealer opdelt efter landskabselement, geologi, jordklasse, geologisk region samt høj/lavbund. Intern rapport, DJF Markbrug (21), p. 34. Sandersen, P., M. Kristensen og S. Mielby (2015), Udvikling af en 3D geologisk/hydrogeologisk model som basis for det urbane vandkredsløb, Delrapport 4: 3D geologisk/hydrostratigrafisk modellering, GEUS. Sonnenborg, T. O, and J. Kidmose (2012), Undersøgelser af klimabetingede grundvandsstigninger I pilot område Kolding, GEUS rapport. Sonnenborg, T. O., og H.J. Henriksen (2005), Håndbog i Grundvandsmodellering, GEUS rapport 2005/80, GEUS. 46
Appendix 1: Kalibrering I nedenstående tabel ses de parameterværdier, som der blev bestemt via den automatiske parameterestimation. I figuren nedenfor ses, hvordan de geologiske enheder er fordelt i modellen. Tabel 2 Parameter-estimater og usikkerheder opnået via automatisk parameter-estimation. Parameter Forklaring Enhed Estimeret værdi Js_h Js_v Ks2_h Ks3_h Kl_v Km_h Km_v Pl_v Pk_h Sand jordartskort, horisontal hydraulisk ledningsevne Sand jordartskort, vertikal hydraulisk ledningsevne Sand 2, horisontal hydraulisk ledningsevne Sand 3, horisontal hydraulisk ledningsevne Kvartær ler, vertikal hydraulisk ledningsevne Kertemindemergel, horisontal hydraulisk ledningsevne Kertemindemergel, vertikal hydraulisk ledningsevne Paleogen ler, vertikal hydraulisk ledningsevne Kalk, horisontal hydraulisk ledningsevne Nedre 95% Øvre 95% m/s 2.14E-04 2.80E-07 0.16 m/s 9.26E-05 1.91E-09 4.49 m/s 5.34E-04 3.46E-04 8.24E-04 m/s 4.98E-04 3.13E-04 7.95E-04 m/s 7.08E-08 4.53E-08 1.11E-07 m/s 3.35E-06 1.61E-10 7.00E-02 m/s 1.09E-06 1.41E-10 8.43E-03 m/s 1.41E-09 2.83E-13 7.07E-06 m/s 1.46E-05 7.39E-06 2.89E-05 Ks3_s Sand 3, magasintal m -1 6.26E-04 3.14E-06 0.12 Km_s Kertemindemergel, magasintal m -1 6.69E-06 2.56E-10 0.17 Dræn_by Dræn-konstant, Opland s -1 1.59E-07 5.16E-10 4.91E-05 Dræn_land Dræn-konstant, By s -1 2.44E-07 5.79E-08 1.03E-06 Sand1 er relativt tynd i modelområdet og kunne derfor ikke estimeres på basis af de tilgængelige data. Baseret på resultater fra DK-modellen for Fyn, blev den hydrauliske ledningsevne for Sand1 fastlagt til 1.05E-05 m/s, hvilket er en faktor fem lavere end for Sand2 og Sand3, se tabellen ovenfor. 47
Figur 36 Øst-vest tværsnit gennem den centrale del af den hydrologiske model, hvor der i grundvandszonen optræder 9 lag. Med rødt ses det terrænnære lag defineret ved jordartskortet, samt de tre kvartære sandlag (Sand 1, 2 og 3). Mellem sandlagene optræder der kvartært ler (grønt). Under Sand 3 findes der i lag 8 paleogent ler (blå) eller Kertemindemerglen (grøn), hvor sidstnævnte antages at være opsprækket. Nederst findes den opsprækkede kalk (bronze-farvet). 48