 |
Regionale modeller og DK-modellen |
Denne rapport beskriver tre regionale numeriske grundvandsmodeller for Vestsjælland, Nordøstsjælland samt Sydsjælland incl. Lolland, Falster og Møn (I det følgende betegnet "DK model
Sjælland"). Rapporten er den anden i rapportserien om regionale modeller, der tilsammen udgør DK-modellen. Opdelingen af DK-modellen til regionale modeller er baseret på naturlige regionale hydrologiske grænser
eksempelvis Fyn og Sjælland såvel som opsplitning til evt. mindre enheder er numerisk begrundet. Det overordnede formål med DK-modellen er at udvikle en landsdækkende vandressource model, som skal danne grundlag for
vurdering af Danmarks samlede tilgængelige drikkevandsressource, herunder dennes tidsmæssige variation og regionale fordeling. |
Hydrogeologisk tolkningsmodel |
Der er opstillet en hydrogeologisk tolkningsmodel for Sjælland med øer på baggrund af cirkeldiagramkort, litteratur og oplysninger i GEUS's borearkiv. På baggrund heraf er vandførende og
lavpermeable lag med regional udstrækning fastlagt, med tolkning af rumlig udbredelse og sammenhæng. Den hydrogeologiske tolkningsmodel består af 11 hydrostratigrafiske lag, der altid er repræsenteret i modellen, hvor
lag 1, 2, 4, 6, 8 og 10 overvejende består af ler mens lag 3, 5, 7 og 9 består af smeltevandssand. Lag 11 består af kalk. |
Diskretisering |
For den første regionale model, DK-modellen for Fyn, blev det vurderet, at en horisontal diskretisering i et 1x1 km beregningsnet udgør en øvre grænse for, hvor groft topografiske og
geologiske forhold, vandløbssystemer samt vandindvinding kan repræsenteres, såfremt de opstillede formål med modelarbejdet skal kunne opfyldes. Denne diskretisering er bibeholdt ved opstillingen af modellerne for
Sjælland. |
Modelværktøj |
Som grundlag for opbygningen af DK-modellen er MIKE SHE systemet valgt, fordi MIKE SHE er et deterministisk og fysisk baseret fuldt distribueret og integreret hydrologisk modelsystem, som
kan beskrive de væsentligste strømningsprocesser i landfasen af det hydrologiske kredsløb. Beregningsmodulerne: OC (overland- and channel flow), SZ (saturated zone flow) og EX (exchange flow between aquifer and rivers)
er anvendt. Input til modellen udgøres af daglig nettonedbør beregnet ved hjælp af et simpelt rodzonemodul. |
GIS input |
Topografiske forhold, jordartsforhold, arealanvendelse og vandløbssystem er på baggrund af GIS-bearbejdning anvendt som input til DK-modellerne for Sjælland. Topografien er baseret på KMS's
50 m griddata, mens jordart er baseret på opdeling af jordarter på sand og ler udfra GEUS's digitale jordartskort. Arealanvendelse er baseret på CORINE-data. Vandløbssystemerne er baseret på data fra den digitale
vandskelsdatabase (ZETA i 50 m grid). I lighed med modellen for Fyn er der væsentlige usikkerheder på vandløbskoterne for Sjælland, som følge af usikkerheder på dataene i 50 m griddet. Der er til dels taget højde herfor
ved en udjævning af vandløbenes længdeprofiler. |
Nettonedbør |
Som input til rodzonemodulet er anvendt døgnværdier for nedbør og potentiel fordampning for et landsdækkende 40x40 km klimagrid. For hvert af de 13 klimagrid der indgår i DK-modellerne for
Sjælland er genereret 6 forskellige nettonedbørsserier for forskellige kombinationer af arealanvendelse, jordart og terrænkote. Der er anvendt kombinationerne: skov, vådbundsområde, åbent land/sandjord over kote 50,
åbent land/lerjord over kote 50, åbent land/sandjord under kote 50 og åbent land/lerjord under kote 50. For hver af disse 78 kombinationer af klimagrid og arealtyper er beregnet en daglig nettonedbør for perioden
1971-1996. |
Fordeling af OC og SZ |
Det er vurderet, at en del af nettonedbøren skal routes direkte til OC, i stedet for til SZ. Den fysiske basis herfor er dels skalaforholdet, som generelt bevirker, at modeltopografien er
mere udjævnet end den faktiske topografi. Derved undervurderes genereringen af overfladisk/overfladenær afstrømning. Desuden vil regnvand på befæstede arealer i byområder blive afledt til overfladevandsystemet. Endelig
er det vurderet, at hvor jordarten er leret, vil den overfladiske/overfladenære afstrømning øges. Der er taget hensyn til disse forhold ved indenfor hvert enkelt grid i modelområdet at fordele nettonedbøren mellem OC og
SZ efter en fysisk baseret skabelon, som inddrager den topografiske variation, den procentvise andel af byområder samt procentdelen af lerjord, indenfor hvert enkelt modelgrid. |
Opbygning |
Så vidt muligt er samtlige oppumpninger større end 25.000 m3/år for perioden 1985-96 repræsenteret i modellerne på baggrund af oplysninger i vandressource-databasen. Desuden er
for perioden 1971-85 anvendt supplerende data for de største vandindvindinger indberettet af Københavns Vandforsyning. Oppumpninger er inkluderet med årlige værdier. |
Simplificeringer |
I de inddæmmede områder (dele af Sjælland, Lolland og Falster) er drænvand routet til nærmeste vandløb. Søer har ikke kunnet repræsenteret fysisk korrekt i modellen, men er tilnærmelsesvist
implementeret med et relativt bredt profil. Der tages dermed ikke tilstrækkeligt hensyn til reservoir virkning og den regulering der forekommer ved afløbet af mange større søer på Sjælland. Endelig er der identificeret
numeriske problemer i områder med tynde skråtstillede lag (bl.a. Stevns og Møns klinter). Disse er søgt løst ved en justering af randbetingelserne i disse lokalområder. |
Hydrauliske parametre |
I alle 3 regionale DK-modeller for Sjælland er der for hvert enkelt lag i den hydrostratigrafiske model, som a-priori antagelse, benyttet de samme konstante hydrauliske ledningsevner.
Ovenstående simplificering af det fysiske system er begrundet med problemet med at finde repræsentative målinger af f.eks. den hydrauliske ledningsevne i forhold til en modelskala på 1x1 km, derved er tilstræbt så enkel
og simpel en parameterisering som mulig, således at en risiko for 'overparameterisering' undgås. Størst mulig gennemskuelighed fastholdes dermed i grovkalibreringen. Modellen forventes endeligt finkalibreret i løbet af
1999 ved brug af stationær løser og invers modellering. |
Kvartære lag |
Transmissiviteten for de enkelte kvartære modellag er dermed alene distribueret jf. tykkelsesvariationen over modelområdet, det vil sige at det antages at moræneler for fx lag 4 kan antages
at have samme ledningsevne for såvel Vest- som Sydsjælland. Lag bestående af smeltevandssand er ligeledes tildelt samme hydrauliske ledningsevne (lag 3, 5, 7 og 9). Lerlag (lag 2, 4, 6, 8 og 10) antages ligeledes at
have samme hydrauliske ledningsevne. Den vertikale ledningsevne antages for de fleste lag at være 10 gange lavere end den horisontale ledningsevne (gælder dog ikke lag 1). |
Kalken og topdække |
I modsætning til de kvartære lag er transmissiviteten for modellens nedre lag, kalken (lag 11), distribueret på grundlag af interpolation af observationer fra borearkivet (specifik ydelse).
Kalken har mange steder på Sjælland stor betydning for de regionale strømningsforhold. Det øverste lerlag i modellen (lag 1) er som følge af bl.a. opsprækning tildelt en væsentlig højere ledningsevne i forhold til de
øvrige lerlag. |
Grovkalibrering |
Til kalibrering og verificering af modellen er anvendt en 'differentiel split sample test'. Som kalibreringsperiode er benyttet 1988-90. Verificering er foretaget udfra 1991-96. Der er
kalibreret mod trykniveauobservationer fra perioden 1970-96 samt observeret daglig vandføring ved et udvalgt antal vandføringstationer i hvert modelområde for perioden 1988-90. Kalibreringen er foretaget i flere runder
hvor modelsetup og parameterværdier gradvist er blevet detaljeret og distribueret og afvigelser kvantificeret i forhold til afstrømning og trykniveau. En verifikation af modelopstillingen er foretaget ved for en eller
flere kalibreringskørsler med god overensstemmelse mellem simulerede og observerede data at køre disse for hele perioden 1971-96 og herefter udregne forskellige statistiske teststørrelser som giver et mål for hvor god
overensstemmelsen der er opnået mellem observerede og simulerede trykniveauer, simuleret og observeret daglig vandføring samt simuleret og observeret minimums-vandføring. |
Validering af modelkonceptet |
I den grovkalibrering af Sjællandsmodellerne som denne rapport beskriver, var det i første omgang tilstræbt, at nå frem til et sæt "konstante" parameterværdier for de kvartære
hydrostratigrafiske lag for alle 3 delmodeller for Sjælland. Konstante værdier er ønskelig ud fra et princip om at søge en så enkel og simpel parametrisering som muligt, således at risiko for overparametrisering undgås
og gennemskueligheden fastholdes. Modelkonceptet er blevet valideret under anvendelse af en "proxy-basin test". Testen er udført ved at tage kalibreringsparametre fra modelområderne Vest og Syd og anvende dem på Nord
området. Resultaterne indikerede, at ønsket om konstante parameterværdier i længden er uholdbar. Ikke alene har det været nødvendigt at distribuere den styrende parameter for vandudvekslingen mellem grundvandsmagasiner
og vandløb (ålækagefaktoren) på baggrund af en nærmere analyse af tykkelsen af de lavpermeable lag som adskiller vandløbsbunden fra toppen af det underliggende vandførende lag, men det er også konstateret, at det vil
være nødvendigt at justere de "konstante" hydrauliske ledningsevner for de kvartære lag (moræneler og smeltevandssand), med henblik på at opnå en mere optimal kalibrering i alle 3 delområder. Man kan således næppe under
finkalibreringen nå frem til de samme "konstante" parameterværdier for de kvartære lag for såvel Vest, Syd og Nordøst Sjælland, ligesom de optimale parameterværdier for Sjælland dels vil afvige fra Fyn og dels igen
forventes at afvige for Jylland. |
Videreudvikling af MIKE SHE og finkalibrering |
Dette er et væsentligt delresultat, men samtidig en erkendelse der medfører, at kalibreringen af DK-modellens grundvandsdel bliver et væsentligt mere komplekst problem end først antaget. En
finkalibrering af grundvandsdelen forudsætter desuden en stationær løsning med MIKE SHE, med en fuld kobling af SZ, OC og EX. Dette er nødvendigt af hensyn til at kunne afvikle et relativt stort antal kørsler med
anvendelse af invers kalibreringsmetodik. I samråd med DHI har GEUS derfor iværksat en videreudvikling af MIKE SHE systemet således at beregningssystemet udbygges med en fuld koblet stationær løsning. Ligeledes er der
iværksat en videreudvikling af et særligt vandbalancemodul, med henblik på at gøre udtræk af de forskellige størrelser i vandbalancen (og sammenligning med medianminimumsafstrømninger) lettere. Begge disse
videreudviklinger er iværksat i sommeren 1998 og forventes implementeret i løbet af 1. kvartal i 1999. Herefter forventes modellen for Fyn og de 3 delmodeller for Sjælland endeligt finkalibreret i løbet af 1999, idet
såvel en justering/distribuering fra lag til lag som horisontalt skal vurderes. Denne vurdering vil have særlig fokus på grundvandsdelen (SZ) og udvekslingen mellem grundvand og vandløb (EX), men kan også omfatte en
finjustering af øvrige parametre fra overland flow og vandløbssystem delen (OC). |
Simulering af vandbalanceforhold og grundvandsdannelse |
Der er foretaget udvalgte simuleringer med den opstillede model for Sjælland af grundvandsdannelse, vandbalance-forhold, ændringer i udveksling mellem grundvand og vandløb og konsekvenser af
længere tør perioden. Desuden er der vist et eksempel på simuleringer af partikelbaner og opholdstider til større vandværker for delmodel Nord. Resultaterne er foreløbige, da modellen kun er grovkalibreret men
illustrerer anvendelsesmulighederne.
Nettonedbøren er for Sjælland, Lolland, Falster og Møn for perioden 1971-96 opgjort til i gennemsnit 195 mm/år (korrigeret for direkte overfladisk afstrømning fra bl.a. befæstede
arealer i byområder). Grundvandsdannelsen til kalken (beregningslag 9), som er det reservoir der totalt set indvindes mest vand fra på Sjælland, er opgjort til 28 mm/år, men med en betydelig variation indenfor
modelområdet. |
Grundvandsdannelse ns geografiske fordeling |
Områder med grundvandsdannelse > 25 mm/år forekommer i Nordsjælland vest for Helsingør, i et bælte omkring Søndersødalen som fortsætter gennem sydlige del af Hornsherred, i dele af
Odsherred og på Røsnæs, i et større område i Københavns Vestegn og oplandet til Køge bugt afgrænset af Ballerup-Herlev, Roskilde, Ringsted, Køge og Køge bugt. Store dele af Stevns og det centrale Sydsjælland
(Haslev-Fakse) har ligeledes stor grundvandsdannelse. Der er desuden lokalt stor grundvandsdannelse i nærområder til større vandindvindinger.
Den samlede grundvandsdannelse til kalkmagasinet foregår i et relativt
begrænset område idet 86 % af den samlede grundvandsdannelse foregår inden for blot 24 % af det samlede modelområde. I en tænkt situation uden vandindvinding havde til sammenligning kun 16 % af det samlede modelområde
en grundvandsdannelse > 25 mm/år. Den intensive vandindvinding i Nord området og lokalt i andre områder har dermed forøget områderne med grundvandsdannelse > 25 mm/år med ca. 50 %, som følge af den resulterende
afsænkning af grundvandsstanden og dermed inducerede grundvandsdannelse. |
Vandbalancer for 12 delområder |
Der er foretaget opgørelser af vandbalancen, herunder grundvandsdannelsen til forskellige magasiner og grundvandsafstrømning til vandløb (baseflow) ved såvel nuværende vandindvinding som for
en situation uden oppumpning. Herved er grundvandsdannelsen opgjort for de beregningslag som udgør de primære magasiner i de enkelte delområder. For Vestsjælland udgør eksempelvis beregningslag 3 mange steder et øvre
primært magasin, selvom den største indvinding foregår fra dybere mere regionale magasiner. For Nordøstsjælland udgør kalken det vigtigste primære magasin (beregningslag 9) men også beregningslag 5 og 7 har betydning.
Beregningslag 3 derimod udnyttes ikke i Nordøstsjælland i væsentlig grad. For Sydsjælland og øerne udgør kalken det væsentligste magasin.
Med denne opdeling er den samlede grundvandsdannelse til de primære magasiner
for Sjælland opgjort til 50 mm/år ved den nuværende vandindvinding. Der indvindes til sammenligning i dag ca. 30 mm/år. Grundvandsdannelsen til primære magasiner for Møn, Falster og Lolland er væsentligt mindre
henholdsvis 11, 14 og 10 mm/år med en vandindvinding på 5, 8 og 5 mm/år. I den tænkte situation uden oppumpning var grundvandsdannelsen væsentlig mindre og udgjorde for Sjælland, Møn, Falster og Lolland henholdsvis 30,
7, 8 og 5 mm/år. |
Påvirkning af minimumsvandføring som følge af vandindvinding |
På grund af problemer med anvendelse af medianminimums-vandføringen som et brugbart udtryk for minimums-vandføringen for store dele af Sjællands området, er det valgt at i stedet at benytte
baseflow afstrømningen fra grundvand til vandløb for en 2 måneders sommerperiode (juli-august), som en mere robust størrelse i områder der er stærkt påvirkede af menneskeskabte indgreb i vandkredsløbet og
vandindvinding. Der er anvendt en middelværdi for perioden 1988-96 af denne størrelse, der kan trækkes direkte ud af modellen, men som evt. også vil kunne bestemmes udfra fra afstrømnings-hydrografer ved en passende
separation af sommer-afstrømningen (juli-august i en overfladenær komponent og en baseflow komponent).
De model simulerede påvirkningsgrader af minimums-vandføringen set i forhold til ændringen fra ingen oppumpning
til nuværende indvinding er begrænsede. Påvirkningsgraderne som helhed for Vestsjælland er med modellen vurderet til omkring 0.1 (påvirkning af minimumsvandføringen udgør 10 % af den forøgede indvindingsmængde), i
Nordøstsjælland ses påvirkningsgrader fra 0.1-0.3 mens påvirkningsgraden i Sydsjælland og på øerne er ubetydelig (< 0.1). Der er konstateret fejl på vandbalancen i Vest modellen som er af numerisk karakter og som
skal nærmere analyseres i forbindelse med finkalibreringen. Den samlede reduktion af minimumsvandføringen i forhold til den tænkte situation uden vandindvinding var i Vestsjælland max. ca. 10 %, i område Nordøstsjælland
fra 15-40 % og i Sydsjælland og på øerne mindre end 10 %. |
Klima og opholdstider |
En simulering for Nordøstsjælland fra 1996 og 20 år frem med gentagelse af klimainput fra 5 års perioden 1972-76 viste, at minimumsafstrømningen efter ca. 10-15 år reduceres til ca. 70 % af
værdien for perioden 1971-96. Efter ca. 20 års lav nedbør ses afsænkninger i Nordøstsjælland på 2-3 m i et større område. Sådanne afsænkninger kan give forøgede problemer med saltvandsindtrængning/-optrængning og
udvaskning af stoffer bundet til jordmatrix. Det er ved hjælp af partikelbane simuleringer med Nord modellen vurderet, at det samlede infiltrations-område til de 48 største vandværker - alle med en indvinding > 1
mio. m3/år (de 48 kildepladser udgør samlet ca. 64 % af total indvindingen i Nord), i alt udgør ca. 26 % af det samlede landområde for Nord - dvs. det område, der vil være centralt at få beskyttet.
Partikelbanesimuleringen viste derudover, at opholdstiden for 60 % af vandet fra det infiltrerer i jorden til det pumpes op ved kildepladserne er mere end 50 år og for mindre end 10 % af vandet er under 10 år. Det vil
sige at en meget betydelig del af forureningsbelastningen med nitrat, pesticider og andre stoffer endnu må forventes at være på vej, og dermed endnu ikke kan registreres i overvågningen af det råvand der indvindes på
kildepladserne. |
|
|
