EN GRUNDVANDSMODEL ET VÆRKTØJ TIL AT LØSE DE KOMMUNALE GRUNDVANDSOPGAVER

EN GRUNDVANDSMODEL ET VÆRKTØJ TIL AT LØSE DE KOMMUNALE GRUNDVANDSOPGAVER Civilingeniør Anders Korsgaard NIRAS A/S Geolog Merete Olsen Køge Kommune Vintermøde om jord- og grundvandsforurening Vingstedcentret 10. 11. marts 2009

RESUMÉ Køge Kommune har fået opstillet og kalibreret en lokal grundvandsmodel for hele kommunen. Modellen har givet et stærkt, troværdigt og anvendeligt værktøj til brug dels ved den overordnede forvaltning og fordeling af ressourcen, dels i forbindelse med den daglige sagsbehandling. Derudover har modellen givet et overblik over den grundvandsressource, som kommunen har arvet administrationen af fra de nu nedlagte amter. Det har været et krav fra kommunen, at modellen skulle være overskuelig og nem at anvende. Modellen skal heller ikke ende ubenyttet på en reol, og derfor er der truffet aftale med NIRAS om at opdatere modellen årligt. I artiklen diskuteres dels de overvejelser, der ligger bag opstillingen af modellen, dels datagrundlaget i forhold til de regionale/nationale modeller. Derudover gives konkrete eksempler på anvendelse i Køge Kommune. BAGGRUND Efter kommunalreformen omfatter kommunernes opgaver nu både vandplanlægning og tilladelser til vandindvinding. Det kræver indsigt og forståelse af forholdene omkring grundvandsressourcerne. Ikke mindst tilladelser til vandindvinding og vurderingen af indvindingens konsekvenser er en stor opgave at løfte. Vurderingerne kan være vanskelige at udføre, og konsekvenserne af at lave forkerte skøn eller beregninger kan være betydelige og en meget kostbar affære for alle parter. Kommunernes kompetencer med beregninger og vurderinger er meget forskellige og kan nødvendigvis ikke være så specialiserede, som da opgaverne var fordelt på flere hænder i amterne Helt aktuelt udløber de tidligere landvæsenskommissionstilladelser til indvinding 1.april 2010. Samtidig vil de kommende vandplaner stille krav til kommunerne om kunne vurdere og dernæst handle ud fra, hvad der er nødvendigt, for at vandmiljøet kan opnå god økologisk tilstand i 2015 og frem. En grundvandsmodel er det bedste værktøj til at holde styr på grundvandsressourcen og til at vurdere konsekvenser ved ændringer. NIRAS har for bl.a. Køge Kommune opstillet en grundvandsmodel, der dækker hele kommunen, og som årligt bliver opdateret. FORMÅL Formålet med indlægget er at vise, at sagsbehandlere i en kommune opnår et stærkt, troværdigt og anvendeligt værktøj ved at opstille en grundvandsmodel. Et værktøj, der letter sagsbehandlingen både tidsmæssigt og økonomisk uanset om kommunen selv udfører beregningerne med modellen, eller dette overlades til rådgiveren. Vi vil vise, hvordan modellen kan anvendes i Køge Kommune, hvor der er en meget stor indvinding til både drikkevand og erhverv kombineret med store naturværdier.

INDLEDNING Der er ingen tvivl om, at det er i mange henseende er hensigtsmæssigt, for ikke at sige nødvendigt, at have en grundvandsmodel til rådighed for at kunne overskue og forudse effekter af ændringer i det hydrologiske kredsløb. Ændringerne kan være alt mellem en ny lokal indvinding og til globale variationer i klimaet. En grundvandsmodel kan imidlertid opstilles og kalibreres på mange måder og niveauer, og det kan være svært selv for rutinerede hydrogeologer at gennemskue om en given model er god nok til formålet eller ej. Der er på regionalt plan opstillet flere forskellige fuldt integrerede dynamiske grundvandsmodeller. Der er for eksempel opstillet en DK-model af GEUS for henholdsvis Sjælland, Jylland og Fyn. Derudover har Miljøcenter Roskilde opstillet og kalibreret deres egen Sjællandsmodellen. Disse modeller er opstillet på baggrund af alle tilgængelige data De regionale modeller er stillet til rådighed for alle, der ønsker det til beregninger. Men de regionale modeller kan i langt de fleste tilfælde ikke uden videre anvendes på lokalt niveau. Dels er de store og omfangsrige med en diskretisering, der i praktisk anvendelse er for grov, dels er de kalibreret på et regionalt niveau, der kun afspejler det store overordnede strømningsmønster og ikke nødvendigvis lokale strømningsmønstre. Det er imidlertid muligt at skære en lokal model ud af den regionale model og i den lokale model lave en finere diskretisering (datagrundlaget for en forfining ér indbygget i Sjællandsmodellen ). Men modellen er fortsat kun kalibreret på regionalt niveau, så det vil til de fleste formål være nødvendigt med en finkalibrering af modellen, før den kan bruges. Det er således ikke praktisk muligt umiddelbart at anvende de allerede opstillede regionale grundvandsmodeller i den daglige kommunale forvaltning af grundvandsressourcen. KØGE KOMMUNES SITUATION I de kommende statslige vandplaner forventer kommunen, at der vil være modstrid mellem den nuværende indvinding og hvad der vil være plads til for at Køge Å og de andre vandløb kan opnå god økologisk tilstand. Det bliver kommunens ansvar at planlægge og fordele indvindingen så optimalt som muligt. I kommunen er der en stor oppumpning i forhold til arealet, idet der i perioden 2003-2007 blev indvundet 58 mm i gennemsnit eller 14,8 mio. m 3 pr. år. Primært indvindes der drikkevand til eksport, men selvfølgelig også til egen forsyning. Desuden har de store industrivirksomheder egen indvindinger, der er placeret langs kysten og ved Skensved Å. De store kildepladser, der leverer drikkevand til hovedstadsområdet, er placeret langs Køge Å og dens tilløbsstrækninger. Synkronmålinger fra sommeren 2008 viser, at grundvandstilstømningen til Køge Å er stor set fraværende.

Kommunen står foran en stor opgave, idet ca. 90 % af de nuværende tilladelser til indvinding udløber pr. 1. april 2010. Den meget store indvinder - Københavns Energi (KE) har tilbage i 2006 søgt om nye tilladelser. Ansøgningerne bliver behandlet i en VVM under Miljøcenter Roskilde, men derefter er det op til kommunerne at give de konkrete indvindingstilladelser. Hvorfor har kommunen valgt selv at opstille en model? Usikkerhed på den statslige model. Kommunen besluttede at opstille en model i efteråret 2007, og på det tidspunkt var det meget usikkert, om og hvornår den regionale model fra Miljøcenter Roskilde ville blive tilgængelig. Kommunen ønsker en simpel og gennemskuelig model, de selv kan operere med, og som kan køre på en alm. PC. Efter et par dages kursus skal kommunens sagsbehandlere være i stand til at udføre simple beregninger selv. Dog med mulighed for backup fra rådgiver. Pga. forskellige omstændigheder havde kommunen nogle udisponerede midler, som kunne bruges på en 3-årig kontrakt til opstilling, kalibrering og opdatering af en model. Her er et anvendeligt værktøj, som kan bruges i de kommende års arbejde med planlægning og justeringer af indvindinger i forhold til vandplanerne. Et værktøj, som er tilpasset vores behov, kompetencer og ressourcer. Hvad vil kommunen aktuelt bruge den til? Vurdering af effekter på primært vandløb og vådområder, men også grundvandsstanden og retningen af den primære grundvandsstrøm ved omlægninger af indvindingen. Dette bliver især aktuelt ved arbejdet med realisering af de kommende vandplaner. Evt. stille den til rådighed for ansøgere til nye boringer, grundvandssænkninger m.v. til beregning af effekter på primær og sekundær vandspejl til dokumentation for deres ansøgning. Alternativt at kommunen selv udfører eller får udført beregningerne. Vurdere effekter ved klimaændringer. Hvad sker der f. eks. ved stigende nedbør, stigende grundvandsstand og stigende havniveau Beregne effekterne af mindre nedsivning ved omfattende byudvikling og befæstning på grundvanddannende områder.

GRUNDVANDSMODELLEN Den model, NIRAS har opstillet for Køge Kommune, har til formål at fungere som støtte og dokumentation i forbindelse med den overordnede planlægning og vurdering af den primære grundvandsressource i Køge Kommune. Modellen dækker et område, der svarer til hele Køge Kommune plus 2-3 km hele vejen rundt. Som udgangspunkt er valgt en diskretisering på 100x100m. Modellen er opstillet i Visual Modflow Pro. Figur 1 Modelområde Den geologiske model, der ligger til grund for Køge-modellen, er baseret på tolkningspunkterne fra NOVANA modellen, der er den geologiske model, der også danner grundlag for de regionale modeller. Det er valg, at benytte tolkningspunkter og ikke griddede flader, da opdatering med nye geologiske data derved lettes. Køge-modellen er, i modsætning til de statslige regionale modeller, stationær. Det betyder, at modellen er meget hurtigere til beregninger og det er meget lettere at overskue resultaterne. Til gengæld er resultaterne gennemsnitsberegninger, hvor fx årstidsvariationer ikke simuleres. Dette er især en begrænsning i forbindelse med detaljerede simuleringer af vandløbsafstrømninger, der er stærkt årstidsafhængige. I de fleste tilfælde vil de stationære beregninger imidlertid være tilstrækkelige.

Modellen simulerer strømningsforholdene i det primære grundvandsmagasin tilfredsstillende. Jf. krav i Ståbien (Håndbog i grundvandsmodellering 2005) svarer modellen til en Hi-Fi model. Derudover vurderes det, at den kan benyttes til overslagsberegninger på vandspejlsvariationer i terrænnære magasiner samt ved variationer i vandudvekslingen mellem overfladevand og grundvand. For nærmere dokumentation henvises til modelnotatet, /1/ Modellen bliver en gang årligt opdateret med nye indvindingsmængder, nye boringer, og nye pejlinger. På den måde sikres det, at kommunen hele tiden har en model, der afspejler den aktuelle situation. EKSEMPLER PÅ KØGE KOMMUNES ANVENDELSE AF MODELLEN Ejby Kildeplads Efter modellen er blevet kalibreret, har KE trukket deres ansøgning om fortsat indvinding på kildepladsen tilbage og det er planen helt at stoppe indvindingen pr. 1. april 2010. Der er med modellen foretaget en simulering af, hvilken effekt dette indvindingsstop vil have på grundvandspejlet og vandløbsafstrømningen i omegnen af kildepladsen. Centralt omkring kildepladsen viser modellen, at vandspejlet i det primære grundvandsmagasin vil stige med omkring 3 m, se figur 2. Som følge heraf vil den gennemsnitlige baseflow tilstrømning til Køge Å systemet stige med ca. 7 % svarende til 7-8 l/s. Figur 2 Beregnet vandspejlsstigning i kalken ved stop af oppumpningen på Ejby kildeplads. Den inderste kurve angiver en stigning på 3 meter.

Troværdigheden af modellen - og dermed beregningerne - afhænger bl.a. af, om den kan genskabe tidligere målte hændelser. Kan den det, kan dens simuleringer tillægges større værdi. Som kontrol af modellens evne (validitet) til at simulere større variationer i indvindingen er der foretaget en simulering af vandspejlets beliggenhed, før områdets store kildepladser blev etableret. KE har en pejleboring ved kildepladsen, der er blevet pejlet siden 50érne altså ca. 10 år før indvindingen blev startet. Denne pejleserie, der er vist i figur 3, viser at vandspejlet siden starten af indvindingen er faldet ca. 7 meter. 23 1,400 21 1,200 Vandspejlskote [m] 19 17 15 13 1,000 800 600 400 Indvinding [x1000 m 3 ] 11 200 9 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Grundvandsspejl Indvinding Figur 3 Målt vandspejl i pejleboring 212.318 og oppumpningen på Ejby kildeplads Modelberegningen af situationen før etableringen af indvindingen i området viser, at vandspejlet omkring Ejby Kildeplads er faldet ca. 7,5 m, hvilket er i god overensstemmelse med målingerne. Heraf skyldes de ca. 3 meter indvinding på selve kildepladsen, mens den resterede sænkning skyldes påvirkning fra de omkringliggende kildepladser Skensved Vandværk Vandværket har søgt om tilladelse til etablering af en ny boring på 100.000 m 3 til erstatning for en tidligere boring. Ved modellen er der søgt beregnet, hvilke konsekvenser det vil få for grundvandsspejlet i området. Det er også beregnet, hvilke indflydelse den nye boring kunne få på vandføringen i Skensved Å. Modellen viser, som illustreret på figur 4, at der tæt omkring boringen kan forventes sænkninger i det primære vandspejl på op mod ½ m. Som et led i vurderingen af hvorledes indvindingen vil påvirke det terrænnære vandspejl og dermed eventuelle vådområder, er den simulerede terrænnære vandspejlssænkning også optegnet på figur 4.

Figur 4 Beregnet fald i primært og sekundært grundvandsspejl ved etablering af ny indvinding ved Skensved Klimavurderinger I forbindelse med klimavurderinger for vandlidende områder i Køge Kommune er modellen benyttet til at generere data til forskellige scenarier. Formålet med opgaven var på overordnet niveau at kortlægge, hvilke områder der i fremtiden kan få problemer, hvis grundvandsspejlet stiger. Ændring i nedbørmønstret eller ændring i grundvandsindvindingen i området vurderes at udgøre den væsentligste risiko for markante vandspejlsstigninger. Modellen er helt konkret benyttet dels til at skabe et billede af det nuværende vandspejlsniveau, dels til at forudsige vandspejlsniveauerne i det tilfælde, at indvindingen reduceres markant. Figur 5 nedenfor viser en zonering med de områder hvor trykniveauet i det primære grundvandsmagasin kan forventes at blive højere end terræn, og dermed potentielt give anledning til problemer. Det er langt fra sikkert, at der vil blive problemer, men det giver et overblik, der er værdifuldt i kommunens planlægning.

Figur 5. Eksempel på zonering udarbejdet bl.a. på baggrund af scenarieberegninger foretaget med kommunens grundvandsmodel. PERSPEKTIVER Udover de her givne eksempler har modellen en lang række andre anvendelsesmuligheder i forbindelse med vurdering af påvirkning på grundvandsressourcen, herunder risikovurdering af forureningsspredning. Modellen og arbejdet med at vedligeholde og optimere den giver anledning til at få iværksat en systematisk og optimeret indsamling af data (pejlinger, vandføringsmålinger, indvindingsmængder osv). Det er hensigten, at kommunens medarbejdere selv skal kunne foretage simple beregninger med modellen. Modellen skal som udgangspunkt hostes af NIRAS, der også vil stå for opdateringer og vedligeholdelse af model og softwarelicens. Hvis der skulle blive behov for det vil det være muligt at forfine modellen og evt. implementere en bedre og mere detaljeret beskrivelse af vandløb. Selvom modellen er stationær, vil det relativt simpelt være muligt at udvide den til også at kunne lave dynamiske simuleringer. Det vil med relativt lille indsats være muligt at konvertere modellen til en dynamisk model, hvor effekten på sommerafstrømningen ved f. eks. neddrosling af oppumpningen om sommeren kunne belyses. En sådan konvertering vil kunne

laves på mange niveauer, afhængig af forventninger og krav til nøjagtigheden i beregningerne. Mange tidligere modeller er stillet op til en specifik opgave eller kortlægning og derefter anvendt til beregning af nogle få scenarier for at ende sine dage på en hylde ved siden af de andre modeller. Da der i vores kontrakt er betalt for en årlig opdatering i foreløbig 3 år, er både kommune og rådgiver forpligtet til at levere og opdatere modellen. Den er derfor langt mere sikker på at leve et aktivt liv og blive udviklet. REFERENCER /1/ Grundvandsmodel, opsætning og kalibrering af grundvandsmodel. Dokumentationsnotat udarbejdet af Niras for Køge Kommune, 24. november 2008.

KOMPARATIVE OPLANDSBEREGNINGER MED SIMPLE GRUNDVANDSMODELLER Cand.scient., ph.d. Thomas Wernberg ALECTIA A/S Cand.scient. Claus Holst Iversen GEUS Vintermøde om jord- og grundvandsforurening Vingstedcentret 10. 11. marts 2009

RESUMÉ Oplandsberegninger er traditionelt enten udført som analytisk, håndtegnede oplande eller vha. numeriske strømningsmodeller. En ny metode, Analytiske Element Metode (AEM) kan være afløseren for håndtegningsmetoden i områder, hvor der ikke forefindes en numerisk strømningsmodel. Formålet med dette projekt er gennem en komparativ analyse af oplande beregnet med AEM modeller samt traditionelle strømningsmodeller at vurdere, om AEM er anvendelig til oplandsberegninger i forbindelse med den nationale grundvandskortlægning. Undersøgelsen skal, vha. 4 semisyntetiske modeller, som er opstillet ud fra forskellige geologityper, vise, hvor AEM har sine styrker og svagheder i forhold til den numeriske metode. Dette belyses gennem en række scenarier, som udført med de 2 metoder, hvor en række fysiske parametre som indvindingsstørrelse, filterniveau, antal numeriske lag og betydningen af kildepladsopsplitning, vurderes. Undersøgelsen har belyst nogle geologiske miljøer og hydrologiske systemer, hvor både AEM modellen og den numeriske strømningsmodel er velegnet til at bestemme indvindingsoplandet til mellemstore kildepladser. AEM viser klart sin anvendelighed i områder, hvor den geologiske kompleksitet ikke er stor. Simuleringer for hedeslette og randmoræne viser, at metoden kan estimere oplande, som ligger rimelig tæt på oplande beregnet med strømningsmodeller. Dog viser undersøgelsen også at områder med kompleks geologisk opbygning kan give AEM problemer. Her vil den numeriske metode stadig være at foretrække. INDLEDNING Oplandsberegninger i Geo-Vejledningen GEUS har i 2008 udarbejdet en Geo-Vejledning /1/ i oplandsberegninger til brug i Miljøcentrene i forbindelse med den statslige grundvandskortlægning. I forlængelse af dette arbejde udarbejdes der nogle delprojekter som har til formål at udbygge vejledningen i en revideret udgave. Denne reviderede udgave af Geo-Vejledningen om oplande inkluderer et afsnit omkring brugen af den AEM til beregning af oplande, hvilket nærværende beskrivelse omhandler. Oplandsberegninger og grundvandsmodeller i sagsbehandling Afhængigt af opgavetypen står man som sagsbehandler ofte med den udfordring at man skal give et estimat for et indvindingsopland til en indvinding. Ofte har man ikke en strømningsmodel til rådighed, modellen ikke detaljeret nok eller dokumentationen gør, at man ikke helt har en troværdig model. Indvindingsoplandet bliver derved ofte udarbejdet på baggrund af et potentialekort samt nogle opslag i Jupiter databasen omkring geologien lokalt. Desværre er der eksempler på, at detaljeringsgraden i potentialekort ikke altid er høj nok til oplandsberegninger, og der er mange eksempler på potentialekort, hvor der er fejl i kontureringen og herved opnås forkerte oplande vha. håndtegningsmetoden.

Brugen af AEM modeller til oplandsberegninger har vist sig at være et godt alternativ til håndtegnede oplande, og derved et godt redskab til overslagsberegninger til brug i kommunal sagsbehandling eller fase 1 kortlægning. Modellerne kan endvidere give et estimat for lokale sænkninger, indbyrdes påvirkning af indvindingsoplande og oplandets udbredelse. Oplandsberegninger med modeller Strømningsmodeller har været benyttet som redskab i forbindelse med mange hydrologiske opgaver, og i de sidste 30-40 år har modelredskabet været en fast del af arbejdsprocessen. Modellerne er velegnede idet de kan benyttes til adskillige formål, heriblandt vurdering af vandbalancer, oplandsberegninger, konsekvensanalyse af etablering af indvinding. Ydermere kan strømningsmodellen benyttes til evaluering og kvalitetssikring af geologiske modeller. Det har i Danmark været sædvane at opbygge modellerne omkring numeriske finite difference strømningsmodeller, hvor MODFLOW familien og MIKE SHE har været dominerende. Desuden har der været andre modeller på markedet, hvor finite element modeller har vist en styrke. Analytisk Element Metode Allerede i starten af 1980 erne dukker der en anden type modeller op. Denne modeltype bygger på analytiske metoder og får forkortelsen AEM (Analytisk Element Metode). På hjemmesiderne for metoden kan man finde links til software og artikler omkring AEM /2/ og /3/. Der er desuden udgivet mere detaljerede værker omkring teorien bag ved AEM /4/ og /5/. AEM modeller bygger på sammensætningen af elementer, som f.eks. boringer, dræn vandløb og områder med varierende, dog konstante hydrogeologiske egenskaber. Hvert element har en analytisk løsning, og den samlede løsning findes vha. superposition af de enkelte løsninger. AEM modeller er derfor konceptuelt forskellige fra de traditionelle strømningsmodeller, og modellerne har derfor nogle styrker og nogle svagheder i forbindelse med beregning af oplande til indvindingsboringer /6/ og /7/. Visual AEM er benyttet i denne undersøgelse /8/. FORMÅL Geo-Vejledningen om Indvindings- og grundvandsdannende oplande /1/ anbefaler at man i forbindelse med beregning af oplande anvender AEM for de områder, hvor der udelukkende skal bestemmes oplande ud fra den analytiske metode. Formålet med nærværende projekt er derfor at vurdere anvendeligheden og præcisionen af AEM i forhold til den traditionelle strømningsmodel. På denne baggrund er formålet at påvise, om AEM kan anvendes i forbindelse med den nationale grundvandskortlægning til beregning af indvindings- og grundvandsdannende oplande, og om man kan anbefale metoden i områder, hvor der ikke er planer om at opstille strømningsmodeller. BESKRIVELSE AF FREMGANGSMETODE Teknik Der er opstillet i alt 4 semisyntetiske modeller med hver deres konceptuelle opbygning.

For hver model benyttes som udgangspunkt en eksisterende strømningsmodel, som forsimples mht. den hydrostratigrafiske opbygning og randbetingelser. Strømningsmodellerne opstilles i MODFLOW og har et areal på ca. 100 km 2 med en diskretisering på 100 m og 3-6 aktive modellag. De hydrostratigrafiske data i strømningsmodellerne som f.eks. den hydrauliske ledningsevne (K, m/s) skal have realistiske størrelser. Der er typisk anvendt gennemsnitsværdier for K, hvor hvert beregningslag har én K-værdi, eller flere zoner er lagt sammen. Vandløb beskrives med 1. og 2. ordens vandløbssegmenter, og der er anvendt homogen vandløbskonduktans i alle vandløbsceller. Indvindingen beskrives særskilt for hver model afhængigt af scenarierne, men der er ikke lagt andre indvindinger ind i modellerne ud over dem, som anvendes i forbindelse med de enkelte scenarieberegninger. Nettonedbøren tildeles øverste aktive lag. Den er homogent fordelt, og der benyttes en middelværdi af den originale model. I hver model indsættes 40-50 pejlinger i alle modellag og med en realistisk fordeling. Fra strømningsmodellen udtrækkes et sæt pejlepunkter, der udgør et fiktivt datasæt som benyttes til kalibrering af AEM modellerne samt til udarbejdelse af potentialekort, som skal benyttes til optegning af de analytiske håndtegnede oplande. Den numeriske strømningsmodel udgør datagrundlaget i det videre arbejde. Scenarier Der benyttes lidt forskellige scenarietyper i de 4 modeller for at vurdere effekten af indvindingsstørrelsen, boringsdybde og heterogene forhold i de hydrostratigrafiske modeller. Scenarietyperne inkluderer større enkeltindvinding (100.000, 200.000 m 3 / år og 400.000 m 3 / år) og såfremt den hydrostratigrafiske model tillader det, vil indvindingen blive hentet fra forskellig dybde. Desuden foretages der en undersøgelse af oplandene for tre tætliggende kildepladsboringer, der hver indvinder 100.000 m 3 / år. I sidstnævnte scenarium indlægges desuden en opstrøms skyggeboring for at vurdere, om man kan separere oplandet. Fire typelokaliteter Der tages udgangspunkt i fire typiske danske hydrostratigrafier. Tabel 1 viser en oversigt over disse type-hydrostratigrafier.

Tabel 1 Oversigt over de fire konceptuelle hydrostratigrafier benyttet i undersøgelsen

Modelkalibrering Alle AEM modeller er kalibreret inverst på de MODFLOW-generede pejleobservationer /9/. Vandløbsafstrømning er ikke inkluderet i kalibreringen. Figur 1 viser kalibrering af AEM model, oplande samt observeret potentiale som funktion af beregnet. 80 Observeret tryk [m] 70 60 50 40 30 30 40 50 60 70 80 Beregnet tryk [m] Figur 1 Kalibrering og oplandsberegning af analytisk element model (Scenarium 1 - Model A) RESULTATER Der præsenteres her nogle af resultaterne for undersøgelsen der er igangværende og alle data er på nuværende tidspunkt ikke færdigbehandlet. De resterende data, inklusivt håndtegnede analytiske oplande og kildepladsanalysen vil blive præsenteret i senere artikler samt i del 2 af Geo-Vejledningen. Model A Hedesletten Der er to indvindingsboringer til hedeslettemodellen. Denne ene boring (A) er placeret centralt i modellen med et opland, som ikke kommer nær vandløb, mens den anden boring (B) er placeret nær vandløb og med et opland, som vil komme i kontakt med vandløbet. For MODFLOW-modellen er indvindingsfilterne A og B placeret i 4 forskellige niveauer svarende til modellens beregningslag. I AEM-modellen er indvindingen placeret i modellens ene beregningslag.

Figur 2 Oplande fra hedeslettemodel (scenarium B) med Modflow (mf2k) og AEM model. Figur 2 viser indvindingsoplande for boring A og B for de to metoder. Indvindingen i MODFLOW-modellen foregår i den nedre del af magasinet i lag 3. Oplandene for boring A næsten sammenfaldende for de to metoder. Oplandet for boring B er ikke ens med de to metoder. Dette skyldes, at det resulterende opland er under påvirkning fra et vandløb, som er beliggende ca. 400 meter SØ for boring B. I oplandet for MODFLOW går partiklerne under vandløbet og opsplittes i to oplande, idet en del af grundvandet når vandløbet, og en anden del ikke gør. Dette skyldes, at en del af partikelbanerne strømmer horisontalt under vandløbet og således når fri af vandløbet, før de når overfladen langt væk fra vandløbet. I AEM modellen ser man oplandet i nordøstlig retning, inden oplandet skifter retning og følger den regionale strømningsretning. I MODFLOW modellen er der kun vandløbskontakt i det øverste beregningslag. I AEM modellen er der fuld kontakt mellem vandløb og grundvandsmagasin og herved påvirkes strømningen lokalt mod vandløbet. I daglig sagsbehandling kendes vandløbskontakten ikke, og den kan derfor nå alle størrelser fra ingen kontakt til fuld kontakt, uden at dette nævneværdigt vil påvirke ens kalibrering på pejlingerne. Model B Begravet dal Modellen med den begravede dal består hydrostratigrafisk af 2 aquitarder og 2 aquiferer. Øverst et morænelersdæklag og dernæst et sandlag, som udgør den øverste del af den

begravede dal. I bunden af dalen findes et mindre regionalt sandmagasin, som er adskilt fra den øvre del af magasinet med et lækagelag. A B Figur 3 Oplande fra indvinding i begravet dal (A) og i det øvre sand (B) med hhv. MODFLOW (mf2k) og AEM model. Figur 3A viser oplande fra modellen med den begravede dal. Begge indvindingsboringer i MODFLOW modellen er placeret i den nedre del af den begravede dal, og strømningen er herved styret af lækagen til det overliggende sandmagasin. AEM modellen er beskrevet som en model i 1 lag, hvor der er to hydrauliske zoner, hvis hydrauliske egenskaber er fundet under modelkalibreringen. Figur 3B viser oplandet til indvindingen i det øvre sandmagasin, og er for AEM fundet ved at kalibrere en model efter pejleobservationer uden dalens eksistens. Dette opland er pænt sammenfaldende med det MODFLOW beregnede opland. Dog er oplandshalerne i AEM længere, og MODFLOW simulerer bedre forskellen i oplandets udbredelse for henholdsvis det øvre og nedre magasin for boring B1. For A1 er dette dog mindre udtalt, hvor de to metoders oplande stemmer godt overens. Den mere komplekse hydrostratigrafiske opbygning af den begravede dal (Scenarium B), viser MODFLOW er velegnet til at beregne og fastlægge de magasinspecifikke indvindingsoplande. Dette skyldes, at MODFLOW er tredimensionel og dermed har mulighed for at indbygge en mere kompleks hydrostratigrafi. Indvindingerne kan således lægges ind i de enkelte beregningslag. I AEM modellen indvindes fra hele det vandførende lag, og der skelnes således ikke om indvindingen foregår fra den øvre eller nedre del af magasinet. AEM modellen beregner dog et sammenfaldende opland i det øvre sand ved at negligere den begravede dal. Dog er oplandshalerne længere, men AEM metoden opnår ikke helt at separere de magasinspecifikke oplande i en enkelt model.

Model C Randmoræne geologi Modellen der præsenterer et område bestående af randmoræne har adskillige områder med lerlegemer og sandområder. Magasinet har en samlet mægtighed på næsten 60 meter, men mange modellag i MODFLOW modellen har områder med lavere hydraulisk ledningsevne. Samlet set er grundvandspejlet homogent, og man kan ikke se disse heterogeniteter på grundvandspotentialet. Figur 4 Oplande fra område med stærkt heterogen hydrostratigrafi. Oplandet til de to boringer viser et godt sammenfald i oplandene. Begge metoder giver et dråbeformet opland. AEM oplandet har en tendens til at give et lidt større opland, hvilket skyldes lidt forskellige hydraulisk ledningsevne og grundvandsdannelse i de to modeller. Model D Kalkmagasinet Boringerne er filtersat i kalken i alle scenarier. Figur 5 viser oplande for de to metoder for model D. Boring A er filtersat i høj-transmissivt bryozokalk. Begge modeller viser et opland som strækker sig i nordvestlig retning fra indvindingsboringen. Oplandene er ikke helt sammenfaldende, men begge modeller tager høje for vandløbspåvirkning, idet oplandet opdeles i et nordligt og et sydligt opland, og begge modeller estimerer et langstrakt opland.

Figur 5 Oplande fra kalkmagasin med kompliceret hydrostratigrafi med sandvinduer og palæocent ler. Boring B har et opland i vestlig retning. De to oplande er ikke sammenfaldende, hvilket skyldes at strømningsmodellen i oplandet har både palæocent ler og sandvinduer indbygget, hvilket giver en kompliceret strømning i tre dimensioner, hvilket AEM modellen med antagelsen af strømning i to dimensioner ikke reproducerer. Det samme er gældende for oplandet til boring C, hvor de to modeller heller ikke har sammenfaldende oplande. Bemærk at oplandene beregnet med MODFLOW for boring B og C krydser hinanden, hvilket skyldes strømning i forskellige hydrostratigrafiske lag adskilt af et større palæocent lavpermeabelt lerlag. Oplandet til boring D strækker sig overvejende over et område bestående af kalkmagasin. De to metoder giver oplande med nogenlunde ens retning på halerne, men MODFLOW beregner et opland som er noget smallere og langstrakt, hvilket skyldes at modellen simulerer en indvinding i det nedre beregningslag, lag 3, under det palæocene ler. Oplandet beregnet med AEM modellen finder hurtigere vej op til grundvandsspejlet, da modellen ikke har indbygget effekten fra det palæocene ler som overlejer kalkmagasinet. Desuden er den hydrauliske ledningsevne i kalken i AEM modellen en faktor 3 lavere end MODFLOW modellen, hvilket resulterer i et bredere opland. De to metoder giver oplande af samme form, som dog ikke er sammenfaldende.

DISKUSSION Metodevalg De forskellige redskaber giver forskellige oplande. AEM modellernes er begrænset til enkeltlagsmodeller. Brugen af fuldt tredimensionelle modeller anbefales, hvis de geologiske forhold er for komplekse til, at en enkeltlagsmodel kan beskrive strømningen. Geologisk usikkerhed Den geologiske kompleksitet kommer især frem i modellen for kalkmagasinet, hvor palæocent ler og geologiske sandvinduer skaber et kompliceret strømningsbillede i tre dimensioner. I sådanne situationer bør man anvende modeller, som kan benytte en hydrostratigrafi i tredimensionel. Niveaubestemt indvinding I den numeriske strømningsmodel er det muligt at indlægge partiklerne i et bestemt numerisk lag. I AEM modellerne sker indvindingen fra hele laget, og indvinding i et begrænset niveau er ikke mulig i den eksisterende software. I de udførte scenarier i de 4 forskellige semisyntetiske modeller ses dette i højere eller mindre grad. I hedeslettemodellen og i dalmodellen, der indeholder flest vandførende enheder, ses der tydelige forskelle i oplandenes udbredelse afhængig af, hvilket niveau og beregningslag der indvindes fra. AEM modellernes anvendelsesområde og begrænsninger AEM modellernes integration med GIS miljøet og den relative simple tilgang til modellerne gør at de hurtigt kan opstilles og resultater hurtigt beregnes. Dette gør AEM modellerne til et velegnet værktøj til screening og overslagsberegninger, eksempelvis i kommunalt regi. Modelmetoden kan desuden benyttes til at evaluere om den geologiske forsimpling kan retfærdiggøres, samt benyttes til udpegning af områder, hvor yderligere undersøgelser bør foretages, eksempelvis i forbindelse med trin 1 kortlægning. AEM modellen har ikke, som programkoden foreligger i dag, mulighed for at skelne imellem det beregnede indvindingsopland og det grundvandsdannende opland. Dette skyldes den nuværende implementering af oplandsberegningen i programkoden. Men udviklingen af AEM software er hurtig og de første modelkoder, der implementerer AEM modeller med flere hydrostratigrafiske lag er udviklet. Dette betyder, at AEM modellerne inden for en årrække ikke har en begrænsning i antallet af vandførende lag, men metoden vil fortsat være knyttet til relativt simple hydrostratigrafiske opsætninger. Er der behov for detailkortlægning og beregninger i kompleks hydrostratigrafi, bør man anvende tredimensionelle strømningsmodeller. KONKLUSION OG PERSPEKTIVERING AEM modeller er et godt screeningsværktøj i planlægningsfasen til en ny kildeplads og til planlægning af den videre kortlægning i fase 2. Man får her et godt bud på det fremtidige indvindingsopland og et rimeligt præcist bud på, hvor kortlægningsressourcerne skal anvendes i forbindelse med den videre kortlægning hen imod indsatsplanlægningen.

AEM metoden er et velegnet redskab i til beregning af indvindingsoplande i områder, hvor der ikke eksisterer en strømningsmodel, og hvor den geologiske kompleksitet er begrænset. AEM modeller kan derfor med rette anvendes i sagsbehandling som overslagsberegninger og lokalisering af oplande i områder med sparsom kendskab. AEM modellerne er ikke en erstatning til strømningsmodeller med et supplement til de redskaber man har til rådighed. AEM modeller kan anvendes i områder med simpel hydrostratigrafi. LITTERATUR /1/ Geo-Vejledningen om Indvindings- og grundvandsdannende oplande. Iversen, C.H, Lauritsen, L.U, Nyholm, T., Kürstein, J., GEUS, (2008). /2/ http://en.wikipedia.org/wiki/analytic_element_method /3/ http://www.analyticelements.org/index.html /4/ Groundwater Mechanics. Strack, O.D.L. (1989). Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall. /5/ Analytic Element Modeling of Groundwater Flow. Haitjema, H. M. (1995). San Diego: Academic. /6/ Ground Water Modeling Applications Using the Analytic Element Method, Randall J. Hunt (2006) GROUND WATER Vol. 44, No. 1, (2006) (pages 5 15) /7/ Using Analytic Element Models to Delineate Drinking Water Source Protection Areas, Heather A. Raymond, m.fl. (2006). GROUND WATER Vol. 44, No. 1, 2006 (pages 16 23) /8/ http://www.civil.uwaterloo.ca/jrcraig/visualaem/main.html /9/ Ostrich: An optimization software tool: Documentation and users guide (version 1.6). Matott, L. S. (2005). Technical report, University at Buffalo.1.6

HOME ET VANDPLANLÆGNINGSVÆRKTØJ Projektleder Anne Steensen Blicher Orbicon A/S Vintermøde om jord- og grundvandsforurening Vingstedcentret 10. 11. marts 2009

RESUMÉ HOME er et web-interface til et modelsystem udviklet af det Svenske Meteorologiske og Hydrologiske Institut (SMHI), som kan simulere vand- og stofkredsløb i vandforekomster, med hensyn til kvælstof- og fosforkoncentrationer, masse transport og resulterende miljøtilstand. Modelsystemet er et effektivt værktøj i forbindelse med implementering af Vandrammedirektivet og bruges af de svenske len til både planlægning og administration. HOME er afprøvet i Danmark i pilotområdet Nivå Bugt og opland for at teste systemet under danske forhold. I 2008 er der gennemført en tilretning og udvikling af systemet for at tilgodese de danske krav til beregning af miljøtilstand og implementering af danske virkemidler i indsatsprogrammer. Desuden er systemet suppleret med miljøøkonomiske redskaber, således at det er muligt at opstille det mest omkostningseffektive indsatsprogram for opfyldelse af miljømålene. Kalibreringen har vist, at HOME kan tilpasses danske forhold med et godt resultat. Det er muligt at gennemregne effekten af forskellige indsatsprogrammer på belastning og miljøtilstand i en overskuelig og pædagogisk brugerflade på www, som alle interessenter kan tilgå. HOME understøtter således også intentionen i vandrammedirektivet om inddragelse og kommunikation med interessenter. BAGGRUND Miljøcentrene har udarbejdet endnu ikke offentliggjorte vandplaner og indsatsprogrammer. Vandplanerne og indsatsprogrammerne beskriver vandforekomsternes miljømål og de indsatser, der skal til at opfylde dem. Det er op til kommunerne at planlægge indsatserne i den kommunale handleplan og gennemføre de nødvendige indsatser, så miljømålene er opfyldt i 2015. FORMÅL Orbicon har videreudviklet et modelsystem til dansk vandplanlægning. Systemet hedder HOME (Hydrology, Meteorology, Oceanography, Environment) og anvendes af alle de svenske len til vandplanlægning. Systemet er udviklet af SMHI (det Svenske Meteorologiske og Hydrologiske Institut). HOME giver mulighed for at beregne effekten af de indsatser, miljøcentrene foreslår og afprøve effekten af andre indsatsprogrammer. HOME giver således mulighed for samarbejde mellem kommuner i samme vandopland om at opstille det mest miljøøkonomiske indsatsprogram for opfyldelse af økologisk miljøtilstand, med de rammer den kommunale handleplan stiller. METODER HOME er et web interface til opsætning af indsatsprogrammer, beregning af scenarier og

præsentation af resultater. HOME beskriver hele vandkredsløbet med overfladevand og grundvand samt ferskvand og kystvande. HOME er opbygget som en boksmodel, hvor HBV- NP /1/ modellerer vand- og stofkredsløbet for kvælstof og fosfor på land, mens PROBE og SCOBI /2/ modellerer spredning og omsætning i kystvandene. Kystmodellens ydre randbetingelse gives af en storskalamodel for Østersøen og Kattegat. Modellen drives af klimadata som temperatur og nedbør og kalibreres til målte data, både på land og i kysten, i tidsskridt på 1 døgn. Nivå Usserød Å Donse Dam Sjælsø Figur 1 Nivå Bugt og opland

HOME håndterer opgørelser af både brutto og netto (hvor retentionen indgår) belastningsopgørelser, kildeopsplitning, beregning af effekt på miljøtilstand (chlorophyll-a for søer og ålegræs for kystvande) og beregning af miljøøkonomi i fjernet kvælstof eller fosfor i kr./kg. NIVÅ BUGT PILOTOMRÅDE HOME er afprøvet på Nivå opland og Nivå Bugt. Figur 1 viser afgrænsningen på land og i kysten. Oplandet er 183,5 km 2 og består af vandløbssystemerne Nivå og Usserød Å. Der er flere tilløb til både Nivå og Usserød Å. Opstrøms i Usserød Å oplandet findes Sjælsø og 2 mindre søer Store Donse Dam og Lille Donse Dam. Den nordlige del af oplandet er karakteriseret af landbrug og skov, mens det sydlige opland, især omkring Usserød Å er bebygget. Dog er stor del af den øverste del af Usserød Å-oplandet kendetegnet af store skovområder. 50.05 Nivå 50.06 Usserød Å Figur 2 Deloplande, kalibreringsstationer og kystområder. Oplandet er opdelt i 17 deloplande og kystområdet er opdelt i 4 delbassiner, se figur 2 som også viser lokalisering af de 2 kalibreringsstationer i Nivå og Usserød Å.

KALIBRERING Modellen er kalibreret til målte værdier for vandføring og stofkoncentration. Det hydrologiske kredsløb, fra nedbør til afstrømning, er kalibreret ved 2 stationer i Nivå og Usserød Å vist i figur 2. Ved denne kalibrering opnås der den bedste overensstemmelse mellem den målte og simulerede vandføring ved at justere på opholdstiden i de forskellige grundvandsmagasiner. Figur 3 og 4 viser den målte og simulerede vandføring ved station 50.05 i Nivå og station 50.06 i Usserød Å. Modellen giver en god overensstemmelse mellem målt og simuleret vandføring. Figur 3 Målt (sort streg og kolonner) og simuleret (grå streg) vandføring og kvælstofkoncentration i Nivå. Figur 4 Målt (sort streg og kolonner) og simuleret (grå streg) vandføring og fosforkoncentration i Usserød Å. Derefter kalibreres stofretentionen i grundvand og overfladevand i et opland uden påvirkning fra søer, i dette tilfælde Nivå-oplandet, hvor der ikke ligger større søer eller vådområder. Figur 3 viser den simulerede totale kvælstofkoncentration som døgnmiddel og enkeltmålinger. I Nivå oplandet er der opnået høj forklaringsgrad mellem målt og simuleret kvælstofkoncentration.

De fundne retentionsparametre for kvælstof er derefter anvendt i hele modellen, mens retentionen i søer og vådområder er kalibreret i Usserød Å oplandet. Tilsvarende er fosforkoncentrationen kalibreret, se figur 4 som viser den målte og simulerede fosforkoncentration i Usserød Å. Figuren viser en kraftigt faldende fosforkoncentration i Usserød Å, hvilket skyldes den store indsats overfor rensning af spildevand og regnvand i oplandet. Modellen kan ikke reflektere denne udvikling, fordi modellens belastning fra spildevand og regnvand er givet ved udledningen i 2004, hvor der ses en god overensstemmelse mellem simulering og målt koncentration. Det er muligt at anvende en tidsserie for spildevandsbelastningen, såfremt datagrundlaget er til stede. Fosfortransporten er noget mere dynamisk og anderledes end kvælstofkoncentrationen, og vanskeligere at kalibrere. Fosfor transporteres både partikelbundet og opløst, hvorfor fosfor sedimenterer ved lave vandhastigheder som ophvirvles og transporteres videre ved højere vandhastigheder. Forskellige fraktioner af både kvælstof og fosfor kalibreres i modellen for at opnå den bedst mulige beskrivelse af de faktiske forhold i oplandet. Kystzonemodellen er ligeledes kaliberet mod målte data i Nivå Bugt. RESULTAT Kvælstofbelastningen af Nivå Bugt med kildeopsplitning er vist i figur 5, mens figur 6 viser den resulterende miljøtilstand udtrykt ved ålegræsudbredelsen. Figur 5 Kvælstofbelastning og kildeopsplitning.

Kvælstofbelastningen til Nivå Bugt er størst i den centrale del, hvor Nivå udleder og mindre mod nord og syd fra det umålte opland. Belastningen fra Nivå er opgjort til 131 ton kvælstof pr. år. Kvælstofbelastningen resulterer i en god miljøtilstand i Nivå Bugt, idet den beregnede ålegræsudbredelse er 6,6 meter, hvilket er bedre end 25-30% afvigelse fra referencetilstanden på 7,7 meter, svarende til mellem 5,8 og 5,4 meter /3/. Figur 6 Miljøtilstand. Når den mest miljøøkonomiske indsats skal planlægges, er det er god idé at tage udgangspunkt i det opland med den laveste retention og største belastning. Nettobelastningen fra deloplande til opland 50-511, som er det nedstrøms delopland i Nivå-systemet, med hensyn til totalkvælstof fremgår af figur 7. Tilsvarende tematiseringer kan foretages med hensyn til fosfor, bruttobelastning, retention for arealkilder og retentionen for øvrige kilder.

Figur 7 Nettobelastning fra deloplande med kildeopsplitning fra opland 50-511 (nedstrøms i Nivå). Modellen er desuden anvendt til at beregne følgende scenarier for indsatser til reduktion af belastningen: Etablering af vådområder, skovrejsning og braklægning af landbrugsareal. HOME er også anvendt for simulering af klimaeffekt og generelle reduktioners betydning for miljøtilstanden. Figur 8 viser den samlede kvælstofbelastning ved de forskellige scenarier og figur 9 viser omkostningseffektiviteten. Figur 8 Kvælstofbelastning af Nivå Bugt ved forskellige scenarier.

Figur 9 Omkostningseffektivitet. Belastningen til hele Nivå Bugt er beregnet til 157,4 ton kvælstof pr. år fra 187 km 2, hvor den naturlige baggrundsbelastning udgør 36,8 ton pr. år. Etableres der brakmarker på 25% af landbrugs-arealet (25% af 18,2 km 2 ) opnås der en reduktion på knap 15 ton kvælstof svarende til omkring 10% af den samlede belastning ved de faktiske forhold. Et eksempel på, hvilken indsats der er den mest miljøøkonomiske indsats, i forhold til udløbet fra Usserød Å i Nivå, illustreres efterfølgende. Belastningen fra renseanlæg Sjælsø (som belaster Sjælsø) afskæres helt til en omkostning på mellem 1 og 5 mio. kr. i et scenarie, og i et andet scenarie fjernes den samme mængde fosfor og kvælstof fra det nedstrøms renseanlæg Usserød (som belaster Usserød Å nedstrøms Sjæl- til den samme omkostning. Figur 10 viser placering af de 2 renseanlæg med renseanlæg sø) Sjælsø fremhævet. Figur 11 viser omkostningseffektiviteten i kroner pr. kg fjernet fosfor ved udløbet af Usserød Å. Det koster således mellem 2.500 og 12.000 kr. pr. kg fosfor, hvis det fjernes fra Usserød renseanlæg, men helt op til 25.000 kr. pr. kg hvis det fjernes fra Sjælsø renseanlæg. Det mest miljøøkonomiske er derfor at reducere belastningen fra Usserød renseanlæg, såfremt det koster det samme, og såfremt kravet til miljøtilstanden i Sjælsø er opfyldt.

Figur 10 Indsats for renseanlæg Sjælsø, belastningen reduceres helt med 5296 kg kvælstof og 432 kg fosfor. Usserød Sjælsø Figur 11 Omkostningseffektivitet ved reduktion af den samme mængde fosfor ved 2 renseanlæg.

KONKLUSION Kalibreringen har vist, at HOME kan tilpasses danske forhold med et godt resultat. Det er muligt at gennemregne effekten af forskellige indsatsprogrammer på belastning og miljøtilstand i en overskuelig og pædagogisk brugerflade på www, som alle interessenter kan tilgå. HOME understøtter således også intentionen i vandrammedirektivet om inddragelse og kommunikation med interessenter. DISKUSSION Det har været nødvendigt at tilpasse HOME til danske forhold, både med hensyn til opgørelse af belastninger, beregning af resulterede miljøtilstand og indsatser/virkemidler for opnåelse af god miljøtilstand. Danmark vurderer god miljøtilstand /3/ anderledes end Sverige gør, og virkemidlerne for opnåelse af god miljøtilstand i Danmark er generelt ikke de samme som i Sverige. HOME skal give troværdige resultater og indsatsprogrammer - det er derfor nødvendigt at etablere konsensus om vandmiljøets respons på belastning og indsatser. En konsensus som ikke synes at være helt på plads endnu. Først når der er enighed om udgangspunktet for den aktuelle påvirkning og tilstand, kan der ligeledes opnås bred enighed om et tilstrækkeligt indsatsprogram. Tilsvarende er det vigtigt, at vurdering af god miljøtilstand hviler på et godt grundlag, og at der er konsensus om korrelation mellem biologisk kvalitetselement, monitering og belastning: ålegræs og totalkvælstof samt chlorophyll-a og totalfosfor. Erfaringsgrundlaget for effekten af indsatserne er indtil videre meget begrænset, hvorfor det er af afgørende betydning for en fremtidig miljøgevinst, at udviklingen følges både før, under og efter indsatserne sættes i værk således, at der opbygges erfaring om sammenhængen mellem indsats og effekt. REFERENCER /1/ Pers, C. 2007. HBV-NP Model Manual. SMHI hydrology report Nr. 103. /2/ Marmefelt, E, Arheimer, B, and Lagner, J. 1999. An integrated biogeochemical model system for the Baltic Sea. Hydrobiologica 393, 45-56. /3/ Fagligt udredningsarbejde om virkemidler I forhold til implementering af vandrammedirektivet. Finansministeriet, Fødevareministeriet, Miljøministeriet, Skatteministeriet, Økonomi- og Erhvervsministeriet, juni 2007.

VURDERING AF GRUNDVANDSUDSTRØMNING TIL OVERFLADEVANDSSYSTEMER UD FRA TERMISKE MÅLINGER Civilingeniør Oluf Z. Jessen Cand.scient., ph.d. Ulla Lyngs Ladekarl Cand.scient., ph.d. Thomas Wernberg ALECTIA A/S Kemiker Kirsten Harbo Cand.scient., ph.d. Stefán Meulengracht Sørensen Miljøcenter Ringkøbing Vintermøde om jord- og grundvandsforurening Vingstedcentret 10. 11. marts 2009

RESUME Denne artikel beskriver et demonstrationsprojekt udført af ALECTIA for Miljøcenter Ringkøbing, projektet er udført i efteråret 2008. Formålet med projektet var at undersøge brugen af termiske målinger som en metode til kortlægning af områder med grundvandsudstrømning til overfladevandsforekomsterne. Metoden er benyttet til lignende projekter i USA, men der er ikke erfaringer fra brugen af termiske målinger til miljørelaterede opgaver i Danmark. Metoden er afprøvet på en ca. 30 km lang strækning langs Holtum Å i Jylland. Projektet viser, at metoden har potentiale for at kunne benyttes som et værktøj til udpegning af områder med grundvandsudstrømning. Specielt vurderes den at være brugbar for naturområder og nogle typer af vandløb. INDLEDNING OG FORMÅL Udviklingen af alternative metoder til bestemmelse af grundvandsudvekslingen mellem grundvand og vandløb er aktuelt, idet der i forbindelse med implementeringen af Vandrammedirektivet kommer fokus på områder, hvor grundvandsforekomsterne påvirker overfladevandsforekomster. I Vandrammedirektivet er der bl.a. specificeret, at en god tilstand for grundvandsforekomster indebærer, at miljømålene for overfladevand og terrestriske økosystemer, der er direkte afhængige af grundvand, overholdes. Det betyder bl.a., at påvirkningen mellem grundvand og overfladevand skal vurderes i forbindelse med etableringen af en bæredygtig grundvandsindvinding. På denne baggrund er det derfor relevant at undersøge, om termiske målinger kunne være en alternativ metode til bestemmelse af vandløbsstrækninger, hvor der sker en markant tilstrømning af grundvand. Termiske målinger foretages ved brug af en termisk sensor monteret under en helikopter eller flyvemaskine. Sensoren måler infrarød stråling eller varmestråling fra et legeme, som i dette tilfælde er enten jordoverfladen eller det frie vandspejl i vandløb, søer og vådområder. Det overordnede formål med projektet var at undersøge, om termiske målinger er en brugbar metode til fastlæggelse af områder med grundvandsudstrømning til overfladevandsforekomster. Der er ligeledes fokus på, om det er en metode, der er brugbar i forhold til de krav, der forventes i forbindelse med implementeringen af miljømålsloven og vandrammedirektivet. BAGGRUND Brugen af termiske målinger er vidt udbredt i Danmark i forbindelse med vurderingen af varmetab fra bygninger, brud på fjernvarmeledninger og ved vurdering af elektroniske komponenter og elektriske installationer. Der er dog ingen kendte referencer på brugen af termiske målinger i forbindelse med miljø relaterede opgaver i Danmark. I udlandet, og specielt USA, er der en lang række projekter, hvor termiske målinger fra enten fly eller

helikopter har været brugt til vurderinger af de biologiske og miljømæssige forhold i vandløb og floder. Udveksling mellem vandløb og grundvand Udstrømningen af grundvand til vandløb er i Danmark afgørende for at opretholde en minimumsafstrømning under sommerperioden. Det vil typisk være denne del af afstrømningshydrografen, der er afgørende for, om et vandløb opfylder de definerede fysiske målsætninger. Traditionelt bestemmes udvekslingen mellem vandløb og grundvand ved en af følgende metoder: Synkronpejlinger i sommerperioden. Denne metode kan benyttes til at vurdere, om der sker tilstrømning eller afstrømning af vand over en given vandløbsstrækning. Metoden giver et øjebliksbillede og kræver et relativt stort måleprogram. Analyse af afstrømningshydrografer. Ud fra en analyse af afstrømningshydrografen kan tilstrømningen af vand separeres i 1) overfladisk tilstrømning, 2) overfladenær tilstrømning (interflow) og 3) grundvandstilstrømning. Metoden kræver en lang tidsserie med god datatæthed og er ikke så præcis. Hydrologiske modeller. Brugen af hydrologiske modeller kan benyttes til at beregne udvekslingen mellem vandløb og grundvand. Ved brug af hydrologiske modeller kan udvekslingen beregnes både i tid og sted. Resultatet kan valideres på oplandsniveau, eller på strækninger mellem to stationer. Det er vanskeligt at validere det distribuerede resultat mellem observationsstationer. Fælles for alle tre metoder er, at de kræver en lang tidsserie eller stor dataindsamling. Brug af termiske målinger kunne derfor være en effektiv og økonomisk attraktiv metode til vurdering af de områder, der bidrager med grundvand til vandløbene. Termiske målinger Termiske målinger foretages ved brug af en termisk sensor monteret under en helikopter eller flyvemaskine. Infrarød termografi måler den totale termiske stråling over en overflade. Det vil sige summen af emitteret termisk stråling (legemets langbølgede varmeudstråling), reflekteret termisk stråling (kortbølget stråling) og den transmitterede stråling. Bølgelængden ligger typisk i området fra 14 til 8 mm Figur 1 Termisk sensor placeret under en helikopter