Ochrana vodních zdrojů s využitím výsledků hydraulických modelů

Ochrana vodních zdrojů s využitím výsledků hydraulických modelů RNDr. Martin Milický Ing. Jan Uhlík, Ph.D. Podzemní vody ve vodoprávním řízení, 24.10.2018, ČVTVHS, Novotného lávka

Témata prezentace: Hydraulické modely a ochrana vodních zdrojů Výstupy matematických modelů (podklad rozhodování) Sestavení a kalibrace hydraulických modelů Příklady aplikace matematických modelů jímací území v CHKO Litovelské Pomoraví Čerlinka, Pňovice (optimalizace odběru, OP) jímací území Káraný (optimalizace provozu, ochrana zdrojů, OP) třeboňská pánev (optimalizace odběru, ohrožení jakosti, OP)

Hydraulické modely a jímání (ochrana) podzemní vody Využití jímacích území - trvale zajistit potřebné množství vody v požadované kvalitě (zdrojem podzemní voda) Vodoprávní úřad povolení k nakládání s vodami rozhodovací proces Komplexní zhodnocení informací Využití modelů: Stanovení ochranných pásem (velikost) Optimalizace velikosti odběru Střety s ochranou přírody (míra ovlivnění) Reakce na: změny chemismu a výskyt kontaminace klimatické výkyvy (suché periody) požadavky legislativy data monitoringu - hladin - chemismu - geol. a hydrogeol. informace - hydrologické a klimatické údaje MODELOVÁNÍ

Výstupy modelů pro rozhodovací proces I bilance množství podzemní vody celá struktura, jednotlivá jímací území identifikace míst infiltrace ochrana před přečerpáním struktury prostorová interpretace úrovně hladiny podzemí vody stanovení velikosti a dosahu snížení hladiny identifikace potenciálních míst střetů zájmů vymezení volné, napjaté a artézské hladiny podklad pro návrh institutu minimální hladiny prostorová interpretace směrů a rychlosti proudění podklad pro transportní model a rozhodování otázek kvality podklad návrhu velikosti ochranných pásem vykreslení drah proudění a doby zdržení

CHKO Litovelské Pomoraví x odběry podzemní vody střet zájmů mezi ochranou přírody a vodárenským využitím úzká vazba chráněných ekosystémů lužních lesů údolní nivy Moravy na hloubku hladiny podzemní vody, niva budována kvartérními štěrkopísky; na části území dotace podzemní vodou z devonských vápenců (mladečsko-konický kras) na devonský vodní zdroj vázáno jímací území Čerlinka jedno z nejvýznamnějších (pro skup. vodovod Olomouc), Další jímací území Pňovice - Březové, Moravičany Mohelnice, Chomoutov, v blízkosti Černovír, Štěpánov Hlavní cíle modelování: stanovení bilance podzemní vody na území CHKO LP, návrh optimální velikosti odběrů ve vztahu ke stanovené hladině podzemní vody pro jednotlivé porosty lužních lesů, Separátně (2005-2007) podklad pro stanovení ochranných pásem j.ú. Pňovice-Březové.

Sestavení modelu proudění podzemní vody vymezení a diskretizace prostoru modelu, zadání okrajových podmínek (OP), zadání vstupních dat (parametrů). Vymezení a diskretizace modelového území pokrývá širší okolí CHKO Lit. Pomoraví vliv odběrů není u hranic území ani u okrajových podmínek, 31.5 km * 29 km, Horizontálně: pravidelná 20 m*20m, Vertikálně: 2 modelové vrstvy, reprezentují zjednodušenou geologickou stavbu území, 1.vrstva Q 345 km 2 (omez. HGR), PROGEO, OHGS, s.r.o.

Kalibrace základní varianty modelu Stacionární simulace proudění realizována pro současný stav proudění s průměrnými odběry v období 2001 až 2010, HLADINOVÉ kritérium porovnání měřených a modelových hladin podzemní vody, měřené hladiny do skupin podle období (do 1977, do 1992, po 1992 a současný záměr) a podle typu jednorázové a režimně měřené, Model kalibrován pro 3 stavy proudění podzemní vody následují 2 HLAVNÍ PROGNÓZNÍ VARIANTY s různou velikostí odběrů prům. odběry - 2001 až 2010 maximální (roční) povolené maximální prognózní (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) - severní část CHKO Bohuslavice 11.2 12 12 11 Moravičany 33.1 60 60 50 - střední část CHKO Čerlinka (prameniště Litovel) 102 267 267 150 - jižní část CHKO Pňovice - Březové 91.2 160.5 219 120 Štěpánov 24.4 64 64 64 Moravská Huzová 5.7 16 16 16 Chomoutov 13.5 30 40 30 Černovír 84.8 190 250 125 + varianta neovlivněného stavu - bez odběrů podzemní vody Objemové kritérium nelze využít, velké průtoky Moravy

modelové hladiny podz.vody (m n.m.) Modelové hladiny podzemní vody základní varianta rozdíl model.-měřené hlad.p.v. (m n.m.) 1. modelová vrstva generelní směr proudění v kvartérních sedimentech je od SZ a S k J resp. JV; rel. ploché, od 257 m n.m. do 214 m n.m., strmý při okrajích kvartéru, Ve 2.mod.vrstvě relativně konformní s 1.mod.v., mírně napjaté, výjimečně k terénu, při okrajích závisí na morfologii 255 250 6 245 4 240 235 2 230 0 225 220-2 215-4 210 205 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 měřené hladiny podz.vody (m n.m.) -6 210 220 230 240 250 260 měřené hladiny podz.vody (m n.m.) porov. 350 hladin

Bilance základní varianty simulace proudění Celková bilance pro celý model dohromady simulace režimu se "současnými" odběry podzemní vody přítok do modelu odtok z modelu simulace neovlivněného režimu přítok do modelu odtok z modelu (l*s -1 ) (l*s -1 ) (l*s -1 ) (l*s -1 ) infiltrace srážek 1399.7 - infiltrace 1399.7 - ze zázemí (z okrajových pod.) 398.6 - ze zázemí (OP) 398.6 - povrchové toky 216.6 1556.3 povrchové toky 158.3 1952.0 odběr podzemní vody - 458.5 odběr podz.vody - - CELKEM 2014.9 2014.8 CELKEM 1956.6 1952.0 Bilance modelových vrstev 1.MV : ze srážek 880 l.s -1, infiltrací z toků 213 l.s -1 a z OP 31.6 l.s -1 (S) a na SV 191 l.s -1, drenáž do toků vertikální distribuce přítoků a drenáží podzemní vody v l/s režim při sočasných odběrech podzemní vody infiltrace infiltrace drenáž přítok z OP ze srážek z toků do toků drenáž infiltrace 880.2 213.0 1345.0 do toků odběr ze srážek 1.vrstva 1215.1 1.vrstva 363.0 519.6 100.8 493.2 211.4 222.7 2.vrstva 796.4 2.vrstva 95.4 hodnoty jsou uvedeny v l/s 176.0 1345 l.s -1, 363 l.s -1 suma odběrů 458.4 je odčerpáváno odběry a 101 l.s -1 přetéká z 1. do 2. MV (hlubší partie kvartéru). 2.MV : přímo infiltruje 520 l.s -1 ze srážek a 176 l.s -1 přitéká v mladečském krasu z OP, převážná část této vody (493 l.s -1 ) přetéká do 1.MV, 211 l.s -1 je drénováno do toků a 96 l.s -1 je odčerpáváno odběry (především v j.ú. Litovel-Čerlinka).

Porovnání jednotlivých simulací prům. odběry 2001 až 2010 maximální (roční) povolené maximální prognózní (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) 11.2 33.1 12 60 12 60 11 50 102 267 267 150 91.2 24.4 5.7 13.5 84.8 160.5 64 16 30 190 219 64 16 40 250 120 64 16 30 125 - severní část CHKO Bohuslavice Moravičany - střední část CHKO Čerlinka (prameniště Litovel) - jižní část CHKO Pňovice - Březové Štěpánov Moravská Huzová Chomoutov Černovír Snížení porovnána s reálnými z minulosti; největší snížení jsou dosažena tam, kde došlo k největšímu poklesu velikosti odběru (Černovír) resp. kde se i méně podílí influkce z toku

Superpozice výsledků modelu a lesnické části studie Mohelnice SEVER pokles hladin při optimalizované var. odběrů Čerlinka

Podklady pro stanovení ochranných pásem Pňovice Březové stanovení doby dotoku k jímacímu území při maximální velikosti odběrů bez břehové infiltrace z toků PROGEO, OHGS, s.r.o.

Konstrukce dob dotoku pomocí modelu Pro konstrukci trajektorie částeček, které aproximují hmotné body v proudící kapalině, využívá výpočet velikosti hlavních komponent rychlosti v každém bodě proudového pole z hodnot představujících výstupní data programu MODFLOW a hodnoty pórovitosti PROGEO, OHGS, s.r.o.

Jímací území Káraný optimalizace odběrů-ochrana jímacího území, stanovení OP, kontaminace NO 3 zemědělská činnost Hlavní cíle modelování: přehodnocení rozložení odběrů s cílem minimalizovat nárůst dusičnanů v jímané podzemní vodě, kvantifikace omezení optimalizace napouštění van umělé infiltrace s cílem minimalizovat odtok mimo prostor jímacích vrtů a současně ochránit komplex před kontaminací prognóza - jak velké množství a jak dlouho je možno čerpat bez napouštění van v komplexu nástroj pravidelného hodnocení dat monitoringu zájmového území (hydrologická, hydrogeologická, jakostní chemismus) optimalizace provozu umělé infiltrace optimalizace provozu zdrojů břehové infiltrace se zvýšeným obsahem dusičnanů

Situace monitorovacích vrtů Sledování jakosti vody v kvartéru : vody z jednotlivých studní sojovického, skorkovského, kocháneckého a benáteckého řadu, 27 studní a vrtů monitorovacího systému směsné vody z 5ti jímacích řadů 5 studní týdenní interval vzorkování Rozbory NO 3, ClU, NEL, základní rozbory, stopové látky Problém - předpolí skládky Sojovice (staré vrty, málo vody) revize, upravena odběrná délka a velikost čerpání-zlepšení)

Modelové řešení regionální model detailní modely j.ř. Pravidelné roční aktualizace modelů: odběry/napouštění na průměrné úrovni (upravované pro hg. roky a kalibrace), aktualizace infiltrace ze srážek zvýšení nebo snížení (v roce 2014 snížena o 20%, 2015 o 15 % ), simulováno proudění podzemní vody v kolektoru kvartéru, středního turonu a cenomanu, porovnání průměrných měřených a modelových hladin v monitorovaných studnách břehové infitrace a vrtech komplexu umělé infiltrace PROGEO s.r.o., 2016

Modelové řešení ochrana komplexu umělé infiltrace 1. Zhodnocení průměrného proudění, rekalibrace parametrů hornin. prostředí, 2.varianta ověření odstávky napouštění van po dobu 2 měsíců a při reálném čerpání porovnání s prognózou Návrh optimalizovaného provozu útlum na úrovni 400 l/s je v platnosti, odpovídá cca provozu v posledních hg. rocích - ochrana komplexu UI proti průniku kontaminace - zamezení zvýšené úrovně hladiny podzemní vody pod skládkou - navrženo čerpání z jednotlivých vrtů a násosek, - snížení vydatnosti dolnosoj. řadu,

Optimalizace provozu sojovických řadů - 2 varianty Zhoršení jakosti především v roce 2011 zvýšení koncentrací dusičnanů porovnáváno s aktuálním odběrem v roce (např. 117 l/s), Varianta 1 22 studní pokles vydatnosti o cca 14 l/s, Varianta 2 54 studní pokles vydatnosti o 55 l/s

Podklady pro stanovení ochranných pásem doby dotoku Skorkovský jímací řad při průměrné velikosti odběrů, šipky 0,5 roku, Vliv preferovaných cest v kvartéru Hornosojovický řad při průměrné velikosti odběrů, šipky 0,5 roku krátké časy mezi řekou a řadem Zázemí - 1 až 1,5 roku

Výstupy modelů pro rozhodovací proces II bilance množství rozpuštěných látek (RL) identifikace rychlosti změn kvality ve vazbě na výskyt kontaminace předpověď naředění prostorová a časová interpretace koncentrací RL průnikové čáry koncentrací RL zhodnocení intenzity zdrojů RL predikční schopnost modelu CO SE STANE KDYŽ všechny výše uvedené typy výstupů reakce systému na změnu

Třeboňská pánev - sever optimalizace velikosti odběrů a ohrožení zdrojů podzemní vody kontaminací NO 3 ohrožení mažických a borkovických blat při velkých odběrech, ohrožení kvality podzemní vody z horusické jímací linie kontaminací dusičnany kontaminace pochází z plošného zdroje (zemědělství) a 3 bodových zdrojů jímací území Horusice Bukovsko s odběry cca 100 l/s zásobující vodárenskou soustavu Dolní Bukovsko Hlavní cíle modelování: hodnocení míry hydraulického ovlivnění v důsledku existujících odběrů stanovení časově nerovnoměrného doplňování zásob podzemní vody (měsíčních hodnot infiltrace) prognóza nárůstu koncentrací NO 3

-30000-32000 -34000-36000 -38000-40000 -42000-44000 -46000-48000 -50000-52000 -54000-56000 -58000 438.97 Vitín 424.00 475.00 490.00 481.20 Ševětín 432.55 Sudoměřice 480.83 Hodětín 448.22 447.03 439.20 433.01 425.86 6.8 427.94 424.70 Hartmanice Hor.Bukovsko 446.41 Dol.Bukovsko 424.20 440.00 493.60 489.70 417.27 418.36 Neplachov 427.10 Klečaty 423.63 419.38 498.00 424.00 424.70 424.00 Komárov 423.71 467.00Vyhnanice 459.52 470.47 458.22 Zálší 420.90 422.31 424.70 424.80 Mažice 416.26 423.04 415.43 415.54 414.85 17.6 17.5 Mazelov 425.70 439.50 439.50 442.00 415.43 415.73 Dynín Hlavatce 430.90 Svinky 424.24 422.32 421.08 420.93 Sviny414.80 Debrník Vlastiboř 429.99 Želeč Záluží 412.85 412.96 412.44 412.55 413.05 Borkovice 411.94 Bošilec 422.50 423.12 420.90 414.63 421.06 418.94 413.98 420.50 414.42 414.87 442.37 Mažická blata Blatská stoka 413.69 Borkovická blata 415.66 415.61 415.73 418.17 426.19 415.23 17.5 16.9 17.5 Krčín r. Dvořiště 426.00 426.83 412.65 413.08 414.36 415.20 415.60 415.15 Horusice Bošilecký r. Záblatský r. 429.66 433.00 436.63 435.00 424.48 Záblatí 415.21 432.27 Žíšov Ponědrážka 419.00 419.83 Ponědraž 411.60 491.25 498.29 413.50 409.38 425.69 425.92 420.00 Lomnice.n.L. -48000-46000 -44000-42000 -40000-38000 -36000 Bechyňský p. Horusický r. Lužnice Ponědražský r. Lužnice Soběslav Veselí.n.L. 411.02 Vlkov 414.40 Lužnice Frahelž 405.88 411.38 Nežárka 414.93 415.56 toky S hranice krystalinika mažický zlom rozvodnice rybníky blata lesy Horusice obce 405.88 414 17.5 zájmové území pro modelové řešení měřené hladiny na konci hydrol. roku 1995 hydroizohypsy čerpaná množství v l/s 0 1000 2000 3000 4000 m Simulace ustáleného proudění podzemní vody Průměrné hodnoty infiltrace srážek Průměrné odběry podzemní vody Diskretizace území : Horizontálně el.100*100 m Vertikálně - 4 modelové vrstvy geometrické dělení Výstupy : úrovně hladiny podzemní vody, drenáž podzemní vody do toků, směry proudění podzemní vody, skutečné rychlosti proudění, Věrohodnost modelu: - Porovnání měřených a modelových hodnot (hladiny, průtoky)

mg/l Sestavení modelu vstupní 1.1.93 1.1.94 1.1.95 1.1.96 1.1.97 1.1.98 1.1.99 1.1.00 1.1.01 1.1.02 1.1.03 1.1.04 1.1.05 data o kontaminaci NO 3 distribuce koncentrací NO 3 (rok 2004) tři oblasti bodové kontaminace: Vlastiboř Dynín (sklad umělých hnojiv), Mazelov, Neplachov (aplikace kejdy) 120 H5 Mazelov 119 100 80 60 40 20 0 Nárůst koncentrací NO 3 v objektech horusické jímací linie

1.11.1969 1.11.1971 1.11.1973 1.11.1975 1.11.1977 1.11.1979 1.11.1981 1.11.1983 1.11.1985 1.11.1987 1.11.1989 1.11.1991 1.11.1993 1.11.1995 1.11.1997 1.11.1999 1.11.2001 1.11.2003 1.11.2005 1.11.2007 1.11.2009 1.11.2011 1.11.2013 1.11.2015 11.69 11.71 11.73 11.75 11.77 11.79 11.81 11.83 11.85 11.87 11.89 11.91 11.93 11.95 11.97 11.99 11.01 11.03 11.05 11.07 11.09 11.11 11.13 11.15-30000 -32000-34000 -36000-38000 -40000-42000 -44000-46000 -48000-50000 -52000-54000 -56000 Hj4a-Ho W21 Vitín Hv1-2-Brz W31 Hj1-Drh Hv7-BCh Ck6-8 Ševětín Hj1-Sev Sudoměřice Ck2a-5 B12 Hodětín Ck9-10 Hv50-53-B B16 B4 B10 B11 Hartmanice V1 Hor.Bukovsko Dol.Bukovsko Hv1-Nep BS1-2 B1 V18 Hv1-Sud Neplachov Klečaty B5 Hv1-Har Hv2-2a Ch9-10 DB1 H5 H7 B2 V17ab Komárov B6 Zálší Vyhnanice VH2 VH3 VH1B B15 Mažice Hv3 H8 H10 Dynín Mazelov HV1,2 MIS1,2 MIS4MIS5,6 MIS7 MIS3 Hv1-Mazl R6 B18 Hv1-Hla Svinky Hlavatce Mažická blata ZA-ZT B14 B17 V20 V20b Blatská stoka Ch1-3,Ck1 Hv1b-Svi H9a Hv1g-Svi Sviny H2 H4 Hv11 H3 V16abc DIS6 DIS7 W28 DIS5 V11 DIS1,2,3,4 Hj1-Dyn Hv1-Dyn Bošilec R5 Hv1 B13 Hv9 W36 H1 MIS9,10MIS11a MIS12 Hv10 MIS8 Krčín Ch7-8 Debrník VlastibořB8 Ch4-5 B9 JZD-Bor B22 BP4 BH2 Borkovice BH1 Hv6 Hj1-Hla Hv1-Vls B23 B8a Hv1-Lho B7a Ch11-12 BH3 Hj1-Zel Želeč Záluží Horusice Žíšov Ponědrážka H6 Ponědraž W14 Záblatský r. HP25 Záblatí R1 R2 Z1-2 Borkovická blata Hv5 Bošilecký r. R3 Hv4 B3 Hv7 Hv8 W18 V24 V3 V6-8,11 HP26 Bechyňský p. Horusický r. Hv1-Lom1 Hv2-3-Ves R4 Hj1-Ned Hv1-Vsc Hj1-Vsc Hv11-Pon S1 V12-13 V21 V1 Hv1_3-Lom Lomnice.n.L. Hj1-4-Dra Lužnice Ponědražský r. Lužnice Soběslav Veselí.n.L. Hj2-Vlk Vlkov W16 Lužnice 91-Dra V1015 Hj1-5-Ves Frahelž Hv1-Dra Hj1-Ves VS1-4 Nežárka Hv1-Fra toky S hranice krystalinika zájmové území pro modelové řešení mažický zlom rybníky blata lesy Horusice obce Hv1 silnice hydrogeologické objekty Oblasti kontaminace oblast základní kontaminace oblast zvětšené kontaminace Dynín obl. 7 obl. 8 obl. 9 obl. 10 Mazelov obl. 11 obl. 12 proudnice a doby zdržení ( vzdálenost po čáře mezi šipkami = 10 let zdržení ) 0 1000 2000 3000 4000 10 m 0 Model proudění podzemní vody stanovení doby dotoku z kontaminovaných oblastí k jímací linii šipky 10 let zdržení Porovnání modelové koncentrace (ve 4 vrstvách) s měřenou koncentrací dusičnanů (1977-2017) 30 25 20 15 10 80 70 60 50 40 30 20 5 0 H3 Horusice H7 Pelejovice ; Jímací vrt H3-58000 r. Dvořiště -48000-46000 -44000-42000 -40000-38000 -36000

DĚKUJI ZA POZORNOST