Warunki hydrogeologiczne w rejonie Krupskiego Młyna w świetle badań modelowych

W obecnych czasach gospodarka wodna stanowi ważny dział hydrogeologii i hydrologii. Ograniczona dostępność oraz słaba jakość wód powierzchniowych powodują, że wody podziemne stanowią główne źródło zaopatrzenia ludności, jak i przemysłu. Wody podziemne posiadają naturalną ochronę w postaci osadów w strefie aeracji, dzięki czemu charakteryzują się lepszą jakością oraz odpornością na zanieczyszczenie w stosunku do wód powierzchniowych.

Intensywny drenaż antropogeniczny wywołany eksploatacją ujęć studziennych powoduje zmiany pola hydrodynamicznego, a w konsekwencji także w bilansie wodnym. Dlatego też, w celu racjonalnego gospodarowania zasobami wód podziemnych, należy dobrze rozpoznać procesy i czynniki wpływające na dynamikę wód podziemnych. Zaznajomienie się z poszczególnymi składnikami bilansu wodnego stojącymi po stronie zasilania i drenażu pozwala na lepsze gospodarowanie i ochronę wód podziemnych.

Popularnym narzędziem stosowanym do dokładniejszego określenia i zrozumienia procesów zachodzących w systemie wodonośnym, oraz wyznaczania bilansu wodnego jest metoda modelowania numerycznego. Wykorzystuje ona obliczenia równań różniczkowych opisujących filtrację wód podziemnych. Ważną cechą matematycznego opisu przepływu wód podziemnych jest możliwość graficznej prezentacji wyników w postaci map i wykresów. Jednakże modelowanie w hydrogeologii wymaga właściwej interpretacji i połączenia wiedzy geologicznej i hydrogeologicznej z możliwościami programów obliczeniowych. Modelowanie numeryczne daje również możliwość wprowadzania poprawek i uzupełnień do zbudowanego modelu, oraz prognozowanie zmian zachodzących w systemie wodonośnym.

W celu dokładnego odwzorowania naturalnego systemu krążenia wód podziemnych dla analizowanego obszaru, w pierwszej fazie prac został zbudowany trójwymiarowy model struktury geologicznej. Dokładne poznanie geometrii ośrodka hydrogeologicznego zwiększa w znacznym stopniu poprawność wykonania modelu przepływu oraz wiarygodność przeprowadzonych symulacji. Właściwa schematyzacja budowy geologicznej jest jednym z pierwszych i najważniejszych etapów procesu modelowania (Małolepszy, 2005, Sitek, Kowalczyk, Małolepszy, 2009).

Budowę modelu rozpoczęto od zebrania informacji geologicznych o obszarze badań i stworzenia szczegółowej bazy danych. Ważnym elementem było nadanie georeferencji dla istniejących już map geologicznych i zorientowaniu ich do jednego wspólnego układu współrzędnych 1992/19 za pomocą oprogramowania Geographix Discovery firmy Landmark. Program ten wykorzystuje System Informacji Geograficznej (GIS).

Tworzenie trójwymiarowej struktury geologicznej rejonu Krupskiego Młyna wykonano przy użyciu oprogramowania EarthVision firmy Dynamic Graphics, Inc. W programie tym możliwe jest dokładne odwzorowanie struktury modelu przyrodniczego w przestrzeni 3D. Pozwala to na dokładne obliczenie dwóch warstw wodonośnych modelu, odwzorowanie uskoków oraz pozwala wiernie odwzorować przebiegi linii intersekcyjnych (Gurwin, Serafin, 2008). Na modelu zostały odwzorowane główne uskoki. Zostały one zaimportowane z programu Geographix Discovery w postaci serii punktów X i Y, z których zostały wymodelowane pionowe powierzchnie uskokowe w trójwymiarowej przestrzeni modelu (Rys. 1).

Kolejnym etapem modelowania struktury było przeglądanie przekrojów geologicznych, wzdłuż trzech płaszczyzn przecięcia, oraz nakładania i zdejmowania poszczególnych warstw geologicznych. Ostatnim etapem była weryfikacja modelu. Model porównywany był z dostępnymi mapami strukturalnymi i regionalnymi przekrojami geologicznymi, zachowując tą samą skalę odwzorowania.

Wykonany model budowy geologicznej 3D wielowarstwowego systemu wodonośnego (Rys. 2) został wykorzystany w modelu przepływu wód podziemnych zbudowanym w programie Visual Modflow, do którego zostały zaimportowane zweryfikowane stropy wydzieleń geologicznych.

 Pierwsza konceptualizacja została wykonana na etapie przed budową modelu strukturalnego, lecz dopiero po jego zbudowaniu dokonano generalizacji warunków hydrogeologicznych. Model konceptualny (pojęciowy) jest uproszczeniem rzeczywistego systemu wodonośnego. Pomaga on w łatwiejszy i bardziej przejrzysty sposób analizować wszystkie działania prowadzone na modelu przepływu wód podziemnych.

Odwzorowany system wodonośny zbudowany jest z trzech warstw: czwartorzędu, triasu górnego, wapienia muszlowego i retu (Rys. 3).

Opisywany numeryczny model przepływu wód podziemnych został skonstruowany w programie Visual MODFLOW 4.3, kanadyjskiej firmy Waterloo Hydrogeologic, Inc. Obliczenia przeprowadzane były metodą różnic skończonych.

Budowę numerycznego modelu rejonu Krupskiego Młyna rozpoczęto od wyboru kodu obliczeniowego MODFLOW 2000. Następnie ustalono w programie jednostki wprowadzanych parametrów.

Kolejnym krokiem była dyskretyzacja poligonu badań. Obszar badań został poprzecinany pionowymi i poziomymi liniami, które stworzyły kwadratową siatkę.  Jest ona zorientowana dokładnie w kierunku północnym. Poligon posiada wymiary: 17 800 m wzdłuż osi X, oraz 13 400 m wzdłuż osi Y. Tym samym zajmuje on powierzchnię 238,52 km².
W każdej z trzech warstw modelu okolic Krupskiego Młyna liczba kolumn wynosi 89, a wierszy 67. Daje to łącznie 5963 bloki obliczeniowe w każdej warstwie. Ogólna liczba bloków w całym modelu równa jest 17 889. Mają one stały wymiar w poziomie i wynoszą 200 x 200 metrów. W opisywanym modelu nie było potrzeby wprowadzania bloków nieaktywnych.

Struktura modelowanego poligonu została odwzorowana na podstawie trójwymiarowego modelu budowy geologicznej. Dane ze stropami każdej warstwy zostały zaimportowane z programu EarthVision. Dzięki nim w modelu hydrogeologicznym odwzorowano stropy i spągi: warstwy wodonośnej czwartorzędu, słaboprzepuszczalnej warstwy triasu górnego oraz kompleksu wodonośnego serii węglanowej triasu.

Pierwsza warstwa modelu odwzorowuje piętro czwartorzędowe. Wszystkie powierzchnie modelu hydrogeologicznego zostały przeniesione z modelu sedymentacyjno-strukturalnego. Miąższość utworów czwartorzędowych rośnie od kilku metrów w rejonie wychodni skał starszego podłoża, do ponad 90 m w osi kopalnej doliny Małej Panwi, która przebiega równoleżnikowo na północ od współczesnej Doliny Małej Panwi (Rys. 4).

W osadach czwartorzędowych może występować jedne, dwa a nawet trzy poziomy wodonośne. Wszystkie znajdują się w związku hydraulicznym, dlatego zostały odwzorowane w modelu, jako jeden poziom wodonośny. Warstwa I zasilana jest w głównej mierze przez infiltrację opadów atmosferycznych. Zasilanie boczne poziomu czwartorzędowego może odbywać się z południowej, a także ze wschodniej granicy zgodnie z generalnym kierunkiem przepływu w stronę Doliny Odry. Czwartorzędowe wody drenowane są głównie rzekami (Rys. 4). Wody czwartorzędowego piętra wodonośnego znajdują się w osadach piaszczystych, a utwory słaboprzepuszczalne nie tworzą ciągłej warstwy, dlatego też dla całego modelowanego obszaru przyjęto swobodne zwierciadło wody.

Warstwę rozdzielającą tworzą słaboprzepuszczalne utwory triasu górnego połączone z warstwami boruszowickmi i miedarskimi triasu środkowego. Stanowią one izolację  pomiędzy poziomem czwartorzędowym, a kompleksem wodonośnym serii węglanowej triasu. W celu usprawnienia obliczeń na modelu numerycznym warstwę rozdzielającą odwzorowano w sposób ciągły na całej powierzchni modelu (Rys. 5), pomimo braku tych osadów w południowej części. Zastosowano w modelu jednak dwumetrową miąższość warstwy, a parametry hydrogeologiczne w tym obszarze zostały przypisane takie jak dla kompleksu wodonośnego. Maksymalne miąższości warstwa izolująca osiąga w północno-wschodnim fragmencie terenu badań. Przekraczają one nieznacznie 180 m.

Druga warstwa wodonośna, a trzecia modelu zbudowana jest z węglanowych utworów wapienia muszlowego i retu. Miąższość tej warstwy systematycznie wzrasta od kilkunastu metrów na południu w kierunku północnym osiągając miejscami ponad 220 m w skrajnie północnej części poligonu badań (Rys. 6).

Warstwę tą tworzy kompleks wodonośny serii węglanowej triasu o zwierciadle naporowo-swobodnym. Warstwa ta zasilana jest głównie poprzez przesączanie pionowe z wyżejległych warstw oraz poprzez infiltrację opadów atmosferycznych w rejonie wychodni. Zasilanie boczne serii węglanowej triasu może odbywać się z południowej oraz ze wschodniej granicy, zgodnie z regionalnym kierunkiem odpływu wód w Głównym Zbiorniku Wód Podziemnych Lubliniec-Myszków. Drenaż warstwy III odbywa się głównie ujęciami. Działające ujęcia wód podziemnych, pracujących na przełomie września i października 2009 roku zostały odwzorowane na modelu. Drenaż stanowi również odpływ wód w kierunku północno-wschodnim.

Górna pozioma granica opracowywanego modelu została odwzorowana, jako warunek II rodzaju, przez którą zachodzi infiltracja opadów atmosferycznych. W górnej, poziomej granicy modelu wprowadzone zostały dane z rozkładem zasilania z opadów atmosferycznych do I warstwy. Informacje dotyczące opadów atmosferycznych zostały pozyskane z IMGW w 2009 roku z dwóch stacji opadowych: Krupski Młyn oraz Brusiek. Początkowo dla większości poligonu badań przyjęto wartość infiltracji efektywnej na 12% wielkości opadów. W rejonie wychodni skał triasu węglanowego przyjęto wielkość infiltracji efektywnej na 18% za S. Dąbrowskim i in. (1999) (Macioszczyk (red.), 2006). Granicę dolną odwzorowano, także warunkiem II-go rodzaju, z brakiem przepływu przez granice Q=0 automatycznie wygenerowaną przez program.

Wszystkie granice zewnętrzne zostały odwzorowane w modelu jako warunki brzegowe III rodzaju, zarówno w warstwie wodonośnej czwartorzędu (Rys. 7), jak i w kompleksie wodonośnym serii węglanowej triasu (Rys. 8).

W trzeciej warstwie modelu warunkami granicznymi odwzorowano także ujęcia wód podziemnych i przebieg głównych stref uskokowych.

Kolejnym etapem było wprowadzenie głównych cieków w obszarze badań. Do tego celu posłużył pakiet „Rivers”, który odwzorowuje cieki powierzchniowe jako warunek brzegowy III rodzaju. W komórkach z tym pakietem przewodność była obliczana jako opór filtracyjny pomiędzy wodą w cieku, a warstwą wodonośną. Spowodowane jest to warstwą osadów słaboprzepuszczalnych wyścielających dna cieków, w których pionowy współczynnik filtracji został założony na 1 x 10^-8 m/s. Pakiet „Rivers” obrazuje schemat (Rys. 9).

W III warstwie modelu- seria węglanowa triasu, odzwierciedlone zostały uskoki. Ich przebieg został odwzorowany zgodnie z modelem sedymentacyjno-strukturalnym 3D. Wielkość przepływu wody przez uskok obliczana została przez program z wykorzystaniem zależności warunku brzegowego III rodzaju.

Potrzebny do obliczeń filtracji wód rozkład współczynnika filtracji został sporządzony w oparciu o dane z map oraz materiałów hydrogeologicznych. Program Visual MODFLOW pozwala na zróżnicowanie współczynnika filtracji w trzech wymiarach (X, Y, Z). Umożliwia to dokładniejsze odwzorowanie tego parametru.

Kolejnym elementem było wprowadzenie początkowego zwierciadła wód podziemnych dla poziomu czwartorzędowego oraz dla kompleksu wodonośnego serii węglanowej triasu. Mapy rozkładu zwierciadeł wody zostały wykreślone w programie Geographix Discovery, na podstawie zebranych danych. Stworzone mapy zostały zaimportowane do programu Visual MODFLOW. Wprowadzone zwierciadła wód podczas obliczeń w warunkach ustalonych skracają czas iteracji i pełnią jedynie funkcję pomocniczą w równaniach opisujących przepływ wód podziemnych.

Model hydrogeologiczny rejonu Krupskiego Młyna wykorzystywał dane ze studni pracujących na przełomie września i października 2009 roku. W celu wprowadzenia studni do modelu, należało zdefiniować warstwę, z której studnia pompuje wodę, określić wielkość poboru w [m³/d], a także umiejscowić filtry w studniach zgodnie profilami pochodzącymi
z dokumentacji hydrogeologicznych.

Do modelu wprowadzono, również piezometry, które umożliwiają porównanie zwierciadła wody pomierzonego z obliczonym dla danej warstwy modelu.

W celu zapewnieniu jak najdokładniejszych wyników obliczeń przeprowadzono kalibrację modelu. Jest to proces tzw. tarowania, który polega na zmianie wstępnie przyjętych parametrów geologicznych i hydrogeologicznych w celu bardziej wiarygodnego odwzorowania przepływu wód podziemnych, gdy pierwszy wynik nie jest zadowalający. Wprowadzone zwierciadła wód podziemnych na znacznej części opracowywanego terenu pokrywały się z wykalibrowanymi zwierciadłami: czwartorzędowego poziomu wodonośnego (Rys. 10) oraz kompleksu wodonośnego serii węglanowej triasu (Rys. 11). Po uzyskaniu satysfakcjonującego rozkładu hydroizohips w dwóch modelowanych warstwach wodonośnych rozpoczęto weryfikację modelu.

Poprawna kalibracja i weryfikacja modelu pozwoliła na przeprowadzenie symulacji prognostycznych i porównanie bilansów wodnych ze stanem wód podziemnych aktualnym na IX-X.2009 roku.

Symulacja odwzorowująca warunki pseudonaturalne, wykazała największą odbudowę zwierciadła wody w rejonie czynnej studni S-3 w Krupskim Młynie. Depresja w tym rejonie wynosi ponad 7 m.

Generalny przepływ wód podziemnych dominuje z południa w kierunku północno-wschodnim, zgodnie z regionalnym przepływem wód podziemnych. Brak eksploatacji wód podziemnych ujęciami obrazuje miejsca podniesienia się zwierciadła wód podziemnych serii węglanowej triasu w stosunku do początkowej symulacji (Rys. 12).

Symulacja odwzorowująca warunki z maksymalnymi wydajnościami eksploatacyjnymi triasowych ujęć, wykazała znaczne obniżenia zwierciadła wody w rejonie czynnych studni. Największe obniżenie znajdowało się w rejonie studni S-6 w Krupskim Młynie (Rys. 13).  Szacowana depresja w tym rejonie wynosi ponad 16 m w stosunku do stanu aktualnego na jesień 2009 roku.

Wykonane badania modelowe pozwoliły lepiej rozpoznać relacje pomiędzy poziomem wodonośnym czwartorzędu, a kompleksem wodonośnym triasu i dokładnie poznać warunki krążenia wód w rejonie Krupskiego Młyna.

 

Konrad Sitek

Więcej…

Literatura:

1. Gurwin , Serafin R., 2008: Budowa przestrzennych modeli koncepcyjnych GZWP w systemach GIS zintegrowanych z MODFLOW. W: Modelowanie przepływu wód podziemnych. Nawalny M. (red.). Biuletyn PIG. Warszawa, nr 431, s. 49-60.
2. Macioszczyk (red.), 2006: Podstawy hydrogeologii stosowanej. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa.
3. Małolepszy , 2005: Three-dimensional geological maps. W: The current role of geological mapping in geosciences. Ostaficzuk S. (red.). NATO Sciences Series, 56, 215-224.
4. Sitek , Kowalczyk A., Małolepszy Z., 2009: Szczegółowy model struktury 3D zbiornika GZWP Gliwice nr 330. W: Współczesne problemy hydrogeologii. Kowalczyk A., Sadurski A. (red.). Biuletyn PIG. Warszawa, nr 436, s. 463-468.
5. Waterloo Hydrogeologic Inc. (WHI), 2007: Visual MODFLOW v.4.3 User’s Manual.
6. CGIAR-CSI SRTM 90m Digital Elevation Database: http://srtm.csi.cgiar.org.
7. gov.pl: http://maps.geoportal.gov.pl.