Česká zemědělská univerzita v Praze

Česká zemědělská univerzita v Praze Fakulta lesnická a environmentální Katedra ekologie a životního prostředí VYUŽITÍ MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ PŘI HODNOCENÍ EKOLOGICKÝCH ŠKOD NA PODZEMNÍCH VODÁCH (na příkladu vybrané rafinérské společnosti) DIPLOMOVÁ PRÁCE Vedoucí diplomové práce: Doc. Ing. RNDr. Ivana Landa, DrSc. Diplomant: Jan Baier 2007 1

Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Využití matematického modelování při hodnocení ekologických škod na podzemních vodách (na příkladu vybrané rafinérské společnosti) vypracoval samostatně pod vedením Doc. Ing. RNDr. Ivana Landy, DrSc. a s použitím uvedené literatury. V Praze dne.. Podpis diplomanta 2

Poděkování Děkuji rodině za podporu, Ivanu Landovi za poskytnutí podkladových materiálů, odborné vedení a jeho čas strávený při dlouhých konzultacích. 3

OBSAH Seznam obrázků...5 Seznam grafů...8 Seznam tabulek...9 1. Úvod...10 2. Cíle diplomové práce...11 3. Rozdělení a popis modelů...11 3.1 Fyzikální (měřítkové)...11 3.2 Analogové...11 3.3 Matematické principy...12 3.3.1 Popis matematických modelů...12 3.3.2 Rozdělení matematických modelů...12 3.3.3 Popis a druhy jednotlivých modelů...13 3. 4 Popis programu Processing Modflow Pro...14 3.4.1 Historie a popis Processing Modflow Pro...14 3.4.2 Součásti Processing Modflow Pro...15 4. Numerické metody...16 4.1 Metoda konečných diferencí...17 4.2 Metoda konečných prvků...20 5. Základní rovnice a děje popisující proudění podzemní vody a transportu znečištění...21 5.2 Darcyho zákon...21 5.3 Rovnice kontinuity a třírozměrného proudění...22 5.4 Šíření znečištění...23 5.4.1 Rovnice popisující šíření znečištění...24 5. 5 Okrajové a počáteční podmínky...25 5.5.1 Hranice s předepsanou hodnotou hydraulické výšky...25 5.5.2 Hranice s předepsaným tokem...25 5.5.3 Polopropustná hranice...25 5.5.3 Počáteční podmínky...26 6. Testování použitelnosti programu. Lokalita Kralupy...26 6. 1 Ekologie petrochemických podniků...26 6.2 Podmínky provozu podniku...28 4

6. 3 Ekologické a přírodní poměry areálu Kaučuk Group a.s., Kralupy nad Vltavou a v širším okolí...28 6.3.1 Vymezení areálu Kaučuk Group a.s...28 6.3.2 Topologické poměry...30 6.3.3 Klimatické a hydrologické poměry...30 6.3.4 Geomorfologické a geologické poměry...30 6.3.5 Proudění podzemních vod...31 6.3.7 Využití vodních zdrojů...32 6.3.8 Zdroje a druhy kontaminace...32 7. Modelové řešení...33 7.1 Informační zabezpečení modelu a vyhodnocení dat...33 7.2 Problémy při sestavování modelu...34 7.3 Vymezení modelovaného území...35 7.4 Sestavení rámcového modelu...35 7.5 Stanovení okrajových a počátečních podmínek...37 7.6 Diskretizace parametrů prostředí...38 7.7 Modelování stávajícího stavu...38 7.8 Kalibrace a optimalizace modelu...39 7.9 Modelování šíření znečištění...43 7.9.1 Popis Modelu...43 7.9.2 Definované vlastnosti modelu...43 7.9.3 Výsledky modelu MT3DMS...44 8. Modelované situace...45 8.1 Zobrazení a popis modelovaných situací...46 9. Závěr...70 10. Seznam literatury...73 11. Seznam Příloh...75 5

Seznam obrázků Obr.1 Darcyho pokus Obr.2 Areál Kaučuk Group a.s.,kralupy nad Vltavou Obr.3 Modelované území Obr 4. Dialogové okno definování výpočetní sítě modelu Obr 5. Modelované území (obrázek je ukázkou jednoho z výstupu modelování) Obr. 6 Izolinie hladiny podzemní vody Obr. 7 Hladina podzemní vody ovlivněná HOPV Obr. 8 Znečištění po ročním kontinuálním úniku Obr.9 hydroizohypsy bez čerpání z HOPV Obr.10 Izolinie šíření kontaminantů bez čerpání HOPV po 1 měsíci Obr.11 Izolinie šíření kontaminantů bez čerpání HOPV po 6 měsících Obr.12 Izolinie šíření kontaminantů bez čerpání HOPV po 12 měsících Obr.13 Izolinie šíření kontaminantů bez čerpání HOPV po 36 měsících Obr.14 hydroizohypsy při 100 % čerpání z HOPV Obr.15 Izolinie šíření kontaminantů při 100 % čerpání HOPV po 1 měsíci Obr.16 Izolinie šíření kontaminantů při 100 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.17 Izolinie šíření kontaminantů při 100 % čerpání HOPV po 12 Obr.18 Izolinie šíření kontaminantů při 100 % čerpání HOPV po 24 měsících Obr.19 hydroizohypsy při 80 % čerpání z HOPV Obr.20 Izolinie šíření kontaminantů při 80 % čerpání HOPV po 1 měsíci Obr.21 Izolinie šíření kontaminantů při 80 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.22 Izolinie šíření kontaminantů při 80 % čerpání HOPV Obr.23 Izolinie šíření kontaminantů při 80 % čerpání HOPV Obr.24 Hydroizohypsy při 50 % čerpání z HOPV Obr.25 Izolinie šíření kontaminantů při 50 % čerpání HOPV po 1 měsíci Obr.26 Izolinie šíření kontaminantů při 50 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.27 Izolinie šíření kontaminantů při 50 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.28 Izolinie šíření kontaminantů při 50 % čerpání HOPV Obr.29 Hydroizohypsy při 20 % čerpání z HOPV Obr.30 Izolinie šíření kontaminantů při 20 % čerpání HOPV po 1 měsíci Obr.31 Izolinie šíření kontaminantů při 20 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.32 Izolinie šíření kontaminantů při 20 % čerpání HOPV po 12 měsících Obr.33 Izolinie šíření kontaminantů při 20 % čerpání HOPV po 24 měsících Obr.34 hydroizohypsy při 150 % čerpání z HOPV Obr.35 Izolinie šíření kontaminantů při 150 % čerpání HOPV po1 měsíci Obr.36 Izolinie šíření kontaminantů při 150 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.37 Izolinie šíření kontaminantů při 20 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.38 Izolinie šíření kontaminantů při 150 % čerpání HOPV po 6 měsících Obr.39 Hydroizohypsy při čerpání pouze z kralupské větve HOPV Obr.40 Izolinie šíření kontaminantů čerpání kralupské větve HOPV po1 měsíci 6

Obr.41 Izolinie šíření kontaminantů čerpání kralupské é větve HOPV po 6 měsících Obr.42 Izolinie šíření kontaminantů čerpání kralupské větve HOPV po12 měsících Obr.43 Izolinie šíření kontaminantů čerpání kralupské větve HOPV po 24 měsících Obr.44 Hydroizohypsy při čerpání pouze z veltruské větve HOPV Obr.45 Izolinie šíření kontaminantů čerpání veltruské větve HOPV po1 měsíci Obr.46 Izolinie šíření kontaminantů čerpání veltruské větve HOPV po 6 měsících Obr.47 Izolinie šíření kontaminantů čerpání veltruské větve HOPV po12 měsících Obr.48 Izolinie šíření kontaminantů čerpání veltruské větve HOPV po 24 měsících Obr.49 Hydroizohypsy při čerpání 150 % z veltruské větve HOPV Obr.50 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 150 % z veltruské větve HOPV po 1 měsíci Obr.51 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 150 % z veltruské větve HOPV po 6 měsících Obr.52 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 150 % z veltruské větve HOPV po 12 měsících Obr.53 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 150 % z veltruské větve HOPV po 24 měsících Obr.54 Hydroizohypsy při čerpání 100 % z kladrubské a 80 % z veltruské větve HOPV Obr.55 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 100 % z kladrubské a 80 % veltruské větvehopv po1 měsíci Obr.56 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 100 % z kladrubské a 80 % veltruské větve HOPV po 6 měsících Obr.57 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 100 % z kladrubské a 80 % veltruské větve HOPV po 12 měsících Obr.58 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 100 % z kladrubské a 80 % veltruské větve HOPV po 24 měsících Obr.59 Hydroizohypsy při čerpání 100 % z veltruské a 80 % z kladrubské větve HOPV Obr.60 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 80 % z kladrubské a 100 % veltruské větve HOPV po1 měsíci Obr.61 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 80 % z kladrubské a 100 % veltruské větve HOPV po 6 měsících Obr.62 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 80 % z kladrubské a 100 % veltruské větve HOPV po 12 měsících Obr.63 Izolinie šíření kontaminantů čerpání 80 % z kladrubské a 100 % veltruské větve HOPV po 24 měsících Obr.64 Hydroizohypsy při simulaci zvýšené hladiny podzemní vody Obr.65 Izolinie šíření kontaminantů po 1 měsíci při simulaci zvýšeni HPV Obr.66 Izolinie šíření kontaminantů po 6 měsících při simulaci zvýšeni HPV Obr.67 Izolinie šíření kontaminantů po 12 měsících při simulaci zvýšeni HPV Obr.68 Izolinie šíření kontaminantů po 24 měsících při simulaci zvýšeni HPV 7

Seznam grafů Graf 1. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot v při zadání odhadovaných hodnot parametrů. Graf 2. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot při C bot = 0.000001 m.s -1 Graf 3. Porovnání vypočítaných a vypočítaných hodnot při zadání nakalibrovaných parametrů Graf 4. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot k 17.2. 2006 Graf 5. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech bez čerpání z HOPV Graf 6. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 100 % z objektů HOPV Graf 7. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 80 % z objektů HOPV Graf 8. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 50 % z objektů HOPV Graf 9. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 20 % z objektů HOPV Graf 10. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 150 % z objektů HOPV Graf 11. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání pouze z kralupské větve HOPV Graf 12. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání pouze z veltruské větve HOPV Graf 13. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 150 % z veltruské větve HOPV Graf 14. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 100 % z kladrubské a 80 % z veltruské větve HOPV Graf 15. Porovnání pozorovaných a vypočítaných hodnot piezometrické výšky v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 100 % z veltruské a 80 %z kladrubské větve HOPV Graf 16. Změny hladin v pozorovacích vrtech při zvýšení hladiny podzemní vody 8

Seznam tabulek Tab. 1 Průměrné měsíční úhrny srážek (1931 1960) Tab. 2 Definované parametry řeky Tab. 3 Definované parametry GBH Tab. 4 Parametry prostředí Tab. 5 Pozorované a spočítané hodnoty při C bot = 0.000001 m.s -1 Tab. 6 Odhadované parametry pomocí PEST Tab. 7 Vypočítané a naměřené hodnoty Tab. 8 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech bez čerpání z HOPV Tab. 9 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 100 % z objektů HOPV Tab. 10 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 80 % z objektů HOPV Tab. 11 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 50 % z objektů HOPV Tab. 12 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 20 % z objektů HOPV Tab. 13 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech pří čerpání 150 % z objektů HOPV Tab. 14 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání pouze z kralupské větve HOPV Tab. 15 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání pouze z veltruské větve HOPV Tab. 16 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech při čerpání 150 % z veltruské větve HOPV Tab. 17 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech 100 % z kladrubské a 80 % z veltruské větve HOPV Tab. 18 Vypočítané a naměřené hodnoty piezometrických výšek v domovních studnách ve Veltrusech 100 % z veltruské a 80 % z kladrubské větve HOPV 9

1. Úvod Vlivem růstu počtu obyvatel dochází k rozsáhlému antropogennímu ovlivnění a nepříznivým změnám v životním prostředí. S tím souvisí i nadměrné využívání přírodních zdrojů, které vede k poklesu zásob až k jejich vyčerpání. Mezi ekologicky nevýznamnější a tudíž i nejvyužívanější přírodní zdroj patří voda. Její nadměrné využívání vede na mnoha místech planety nejen k jejímu nedostatku, ale také k rozsáhlému znečištění vodních zdrojů. Z ekologického a ekonomického hlediska patří k nejvyužívanějším zdrojům pitné vody, voda podzemní, neboť se vyznačuje relativně stabilní kvalitou. Proto je důležité regulovat její využívání a zvýšit spolehlivost její ochrany. Mezi největší znečišťovatele podzemních vod v průmyslových zemích patří průmysl, a to jak na úrovni lokální (chemický), subregionální (těžba nerostných surovin), tak i regionální (zemědělství). Jedním z největších znečišťovatelů povrchových i podzemních vod je chemický průmysl, kdy dochází jak k produkci značného množství odpadních vod, tak k nekontrolovatelným únikům znečišťujících látek do podpovrchových vod. Chemický průmysl působí nejen jako jeden z největších znečišťovatelů, ale také odběratelů povrchových i podzemních vod. Existuje mnoho prognózních metod pro posuzování vlivu úniků znečištění na jakost vod. Mezi nejdůležitější patří metody matematického modelování. Existuje mnoho matematických programů, lišících se svými algoritmy a použitými výpočetními metodami (postupy), uživatelským prostředím, možnostmi a podmínkami jejich použití. Často se stává rozhodující jejich cena. Výhodné je, že kromě relativně drahých programů, které jsou z finančního hlediska pro řadu pracovišť téměř nedostupné, existují i takzvané free programy 1, mezi které patří také Processing modflow Pro, který je od verze 5.3 na stránkách www.pmwin.net volně ke stažení. Program vychází z verze MODFLOW vyvíjené od sedmdesátých let v programovacím jazyce Fortran. K řešení úlohy ovšem používám školní verzi Processing modflow Pro 7.0.0 z roku 2002, a 3D nadstavbu 3D Master jež dohromady stojí 1595.00 $ 2. 1 Programy volně šířené, volně dostupné, např. na internetu 2 Což odpovídá ceně cca 30 000 Kč 10

2. Cíle diplomové práce V rámci diplomové práce se soustředím na možnost využití metodiky matematického modelování hydraulických a ekologických úloh na příkladu provozu reálného systému ochrany podzemních vod pomocí hydraulické bariéry. Jde o areál petrochemického areálu Kaučuk Group a.s., Kralupy nad Vltavou. K tomuto úkolu jsem využít program Processing modflow Pro a na základě výsledků modelování navrhnout a doporučit režim provozu hydraulické bariéry. Ze zadání též vyplývá, že cílem je i zhodnocení vlivu klimatických podmínek a dále optimalizace čerpaná množství v závislosti na úniku znečištění z rafinérie. Práce je zaměřena na zhodnocení čerpaných množství vody z hydraulické bariéry v závislosti na již zjištěném poklesu využitelného množství podzemních vod v objektech využívaných pro individuální zásobování pitnou vodou. V rámci řešení této úlohy aplikovaného výzkumu jsem měl za cíl dokonale ovládnout program Processing modflow Pro a popsat jeho výhody a nedostatky při tvorbě modelu. 3. Rozdělení a popis modelů 3.1 Fyzikální (měřítkové) Fyzikální modely simulují části přirozeného světa v laboratorních podmínkách. Používají se například pro simulaci srážko odtokových vztahů, nebo v říční hydraulice při simulaci zatížení vodních staveb. (Dingman, 1998) 3.2 Analogové Analogové modely jsou fyzikální simulace studovaného systému. Pomocí analogového modelu se například může simulovat tok kapaliny nahrazený elektřinou nebo teplem. Možnost simulace vychází z podobnosti Darcyho a Ohmova a Furierova zákona pro šíření fyzikálních polí a to pole piezometrického, elektrického a tepelného. Tato analogie umožňuje využít i jednotlivých polí pro simulaci polí analogických, např. elektrického a tepelného pole pro řešeni hydrodynamických úloh. 11

3.3 Matematické principy 3.3.1 Popis matematických modelů V posledních desetiletích došlo ve většině inženýrských disciplin k rychlému rozvoji moderních vědních oborů založených na počítačové technice. V souhlase se současnými trendy se využívají jako moderní prostředky k popisu vodní bilance v hydrologii simulační modely. Na rozdíl od klasických metod umožňují komplexní přístup k řešené problematice, podrobnou analýzu působení všech důležitých faktorů a vyzkoušení mnoha variant řešení včetně očekávaných dlouhodobých výsledků. Simulační modely transportních procesů na tyto modely navazují a je jimi možno simulovat migraci znečištění, jeho rozpad a posuzovat mnoho variant ekologických scénářů. (Vogel, Císlerová, 1998) Matematické modely jsou explicitní sekvence souboru na sebe navazujících rovnic, numerických a logických kroků, které transformují numerické vstupy do numerických výstupů (rovnice, veličiny, parametry, algoritmus). (Dingman, 1998) 3.3.2 Rozdělení matematických modelů Matematické modely jak popisují (Hrádek, Kuřík 2002, Kovář 1990, Beven 2001), se dělí na modely stochastické, deterministické a smíšené. Stochastické modely představují skupinu modelů, které se dají charakterizovat absencí vazebnosti mezi příčinou a následkem popisovaného jevu v rámci charakterizovaného systému. Deterministické modely mají za úkol popisovat pomocí matematických vztahů fyzikální systém. Přesnost popisu fyzikálního systému modelem se může zvyšovat s ohledem na kvalitu vstupních dat, protože se stoupající přesností popisu stoupají i nároky na vstupní data. Podle kvantity a kvality pozorovaných proměnných a odvozených parametrů se ustálilo základní rozdělení deterministických modelů do dvou skupin: a) hydrologické modely (také označovány jako parametrické nebo srážkoodtokové) b) hydrodynamické modely (Deterministic, hydrodynamic Laws - DL modely, 12

White Box) fyzikálně popisují realitu nejvěrněji. Respektují principy zachování hmoty, hybnosti a energie. Jsou to modely s geometricky rozdělenými parametry, které popisují řešené procesy pomocí diferenciálních rovnic. Struktura systému je u hydrodynamických modelů vložena přímo do základních rovnic. Modely mohou popisovat vybrané dílčí hydrologické procesy (komponentní modely) nebo všechny hydrologické procesy v povodí (komplexní modely). Do této skupiny modelů patří i mnou požívaný program Processing modflow Pro. Mezi stochastickými a deterministickými modely dochází k jistému překrývání a dostáváme tím modely smíšené. Tyto modely pak obsahují submodely stochastické i deterministické povahy a sestavují se pro zdokonalení výstupů deterministického modelu. 3.3.3 Popis a druhy jednotlivých modelů AQUA3D Řeší trojrozměrné proudění podzemní vody a šíření kontaminantů pomocí metody konečných prvků GFEM. Řeší systém rovnic popisující proudění podzemní vody a šíření pro homogenní izotropní zvodnělé vrstvy i pro nehomogenní a anizotropní. Model šíření kontaminantů je plně integrován s modelem proudění - používá stejné datové vstupní a výstupní formáty. GMS Groundwater Modeling Systém GMS představuje sadu nástrojů pro každou fázi simulace proudění podzemní vody. Model umožňuje charakterizovat lokalitu, kalibraci parametrů, následné zpracování a vizualizaci výsledků. GMS podporuje, jak metodu konečných diferencí, tak metodu konečných prvků v 2D i 3D zobrazení, zahrnující MODFLOW 2000, MODPATH, MT3DMS/RT3D, SEAM 3D, ART3D, UTCHEM, FEMWATER, PEST, MODAEMA a SEEP2D. FEFLOW Představuje jeden z nejpropracovanějších souborů programů pro modelování proudění podzemní vody a transportních procesů v porézním prostředí za nasycených a nenasycených podmínek. FEFLOW je simulační systém založený na metodě konečných prvků, který obsahuje interaktivní grafické rozhraní, nástroje pro regionalizaci a vizualizaci dat a účinné numerické techniky. 13

Poskytuje nástroje pro tvorbu sítě konečných prvků, přiřazení modelových parametrů a okrajových podmínek, průběh simulace a vizualizaci výsledků. SWMS_3D SWMS_3D je počítačový program pro simulaci pohybu vody a rozpuštěných látek v trojrozměrném proměnném saturovaném prostředí. Program řeší proudění podzemní vody v nasyceném, nenasyceném prostředí pomocí Richardsonovy rovnice a šíření rozpuštěných látek pomocí konvekčně-disperzní rovnice. Řídící rovnice pro transport a proudění jsou numericky řešeny pomocí Galerkinovy metody lineárních konečných prvků. Modflow surfact Modflow Surfact je souhrnný nástroj pro 3D modelování na základě metody konečných diferencí, založených na USGS modflow kódu, který představuje nejvíce používaný kód pro proudění podzemní vody. Do tohoto nástroje byly dále zpracovány další výpočetní moduly, což výrazně zvyšuje možnosti simulací. Modflow Surfact v sobě integruje moduly proudění i šíření u kontaminantů. Je podporován ve dvou grafických rozhraních: Visual Modflow Pro a Groundwater Vistas. Visual Modflow Pro Visual Modflow představuje ověřený standart pro profesionální 3D modelování proudění podzemní vody a transportu kontaminantů za použití komponent Modflow-2000, Modpath, MT3MS, RT3D. Groundwater Vistas Groundwater Vistas představuje propracované Windows grafické rozhraní pro 3D modelování podzemní vody a transportu kontaminantů, které v sobě spojuje účinný nástroj pro design s obsáhlými grafickými analytickými nástroji. Rozšířená (stochastická) verze představuje nástroj pro vyhodnocení rizik. 3. 4 Popis programu Processing Modflow Pro 3.4.1 Historie a popis Processing Modflow Pro Program Processing Modflow Pro (dále PMWIN Pro) byl původně vyvinutý pro sanační projekt skládky odpadů v severním Německu v roce 1989, pouze jeden rok po prvním oficiálním vydání modelu řešícího proudění podzemních 14

vod MODFLOW. První verze s vlastním prostředím běžící v systému MS-DOS, napsaly Chiang a Kinzelbach v roce 1991. Ačkoli tato verze podporovala pouze programy MODFLOW 88 a MODPATH a grafický výstup byl omezený na hydrogramy a izolinie piezometrických výšek, reprezentoval technický průlom v rámci grafických výstupů z modelů popisujících proudění podzemní vody. S rozvojem výpočetní techniky se vyvíjel i PMWIN Pro. Poslední verze již podporuje výpočetní modul MODFLOW 2000 a mnoho výpočetních i grafických podprogramů (MODFLOW, PEST, UCODE, MODPATH,. 3D MASTER) 3.4.2 Součásti Processing Modflow Pro Model MODFLOW jak uvádí McDonald (1998) a Vlnas (2003) je založen na konceptu zvodní s napjatou hladinou a zvodní s volnou hladinou, to znamená, že řeší vodorovné proudění podzemní vody v jednotlivých zvodních zvlášť. Vzájemná interakce vrstev je vyjádřena vertikálním přetokem z jedné vrstvy do druhé, který je buď přímo zadán, nebo je vyčíslen z vertikálních hydraulických vodivostí sousedních vrstev. Dalšími fyzikálními a hydraulickými parametry prostředí vstupujícími do modelu jsou horizontální hydraulické vodivosti, storativita nebo pórovitost. Pro řešení základní diferenciální rovnice popisující proudění podzemní vody je užita metoda konečných diferencí (kapitola 4.1) s uzly umístěnými do středů bloků pravoúhlé sítě. Oblast proudění je jednoznačně vymezena polohou spodního a horního okraje každé zvodně a hranicí zájmové oblasti. V každém uzlu sítě je možné zadat okrajovou podmínku 1.-3. typu. Pro uživatele programu jsou připraveny tyto moduly: název studny, drenáž, evapotranspirace, infiltrace, tok bez kontroly průtoku, tok s kontrolou průtoku, obecná tlaková okrajová podmínka. Je možné si vybrat ze tří možných iteračních způsobů řešení iteračních rovnic: metoda implicitní, metoda konjugovaných gradientů a relaxační metoda. Model simuluje jak stacionární tak i tranzientní proudění podzemní vody. Základními výstupy jsou mapy izolinií hydraulických výšek a mapy izolinií snížení hydraulických výšek pro jednotlivé zvodně, při tranzientním proudění pro jednotlivé tlakové a časové úrovně. Pro daný tlakový stav, časový krok a vymezenou lokalitu lze vyhodnotit vodní bilanci. To znamená, že lze například v 15

případě, kdy podzemní voda přímo komunikuje s vodami povrchovými, zjistit kolik vody je ve vymezeném úseku recipientem drénováno, resp. kolik vody je z něj infiltrováno do podzemních vod. Tyto údaje mají velký význam při kalibraci modelu. Další součástí PMWIN Pro je program PEST (Parameter Estimation), který byl poprvé zveřejněn v roce 1994. Během procesu odhadu parametrů PEST hledá optimální hodnoty parametrů pro které je suma odchylek čtverců mezi pozorovanými a vypočítanými hodnotami minimální. Odhady parametrů jsou řízeny Gauss-Marquardt-Levenberg algoritmem. Modulární program MT3D řešící transport kontaminantů byl vytvořen Zheng v roce 1990, byl dále vyvíjen až do verze MT3DMS vytvořené Zheng and Wang v roce 1998. Simuluje změny koncentrace kontaminantu v podzemních vodách, ke kterým dochází vlivem advekce, disperze, difuse a chemických reakcí. V MT3DMS lze použít mnoho druhů okrajových podmínek, externích zdrojů a propadů. MT3DMS umí řešit transport kontaminatů jak ve zvodních s volnou hladinou, napjatou, tak i variabilní volno/napjatou hladinou podzemní vody. Dále řeší transport kontaminantů z externích zdrojů, vrtů, drénů, vodních toků a plošného znečištění. Výsledky programu MODFLOW je možné využít jako vstupní údaje pro program MODPATH, pomocí kterého je možné vypočítat trajektorie částic v dané oblasti. Program WeTbech 360 3D Master vytvořen v roce 2002 týmem autorů Wen Hsing Chiang, Jeff Chen, Jeff Lin. 3D Master je vizualizační nástroj, který je schopný zobrazovat a animovat vektorová data, letecké snímky a numerické výsledky simulačních modelů. 3D zobrazování dat výrazně ulehčuje simulaci a interpretaci výsledků numerických modelů. 4. Numerické metody Parciální diferenciální rovnice popisující trojrozměrné nestacionární proudění podzemní vody jsou v jejich obecné formě analyticky jen obtížně řešitelné a proto se v praxi používají různá zjednodušení (např. hydraulický přístup zanedbání vertikální složky rychlosti proudění a převedení prostorového proudění na rovinné) umožňující alespoň přibližná řešení konkrétních problémů. Analytické řešení je většinou možné jen v případě, že zájmová oblast má 16

jednoduchý tvar, prostředí je homogenní izotropní, počáteční podmínka je definována konstantní hodnotou v celé oblasti a na hranicích platí jednoduché okrajové podmínky. Pokud charakter úlohy je v souladu s uvedenými zjednodušujícími předpoklady, pak lze nalézt analytické řešení i poměrně složitého problému. S rozvojem numerické matematiky a výpočetní techniky se do popředí v řešení úloh popisovaných parciálními diferenciálními rovnicemi dostaly numerické metody. Pomocí numerických metod, z nichž jsou pro řešení proudění podzemní vody nejčastěji používané metoda konečných diferencí (dále MKD) a metoda konečných prvků dále (MKP), se vytvářejí numerické modely, které umožňují na počítači simulovat požadovaný děj. Výhodou simulačních modelů je, že nevyžadují pravidelný tvar hranice řešené oblasti, prostředí nemusí být homogenní ani izotropní, na různých částech hranice mohou platit různé okrajové podmínky, uvnitř modelované oblasti se mohou vyskytovat zdroje a propady s časově proměnou hodnotou dotace či odběru apod. (Valentová, 1998) 4.1 Metoda konečných diferencí Metoda konečných diferencí je pravděpodobně nejstarší numerickou metodou, kterou našla své využití ještě před zavedením výkonných počítačů. Princip MKD spočívá v nahrazení parciálních derivací vyskytujících se v základních řídících rovnicích algebraickými výrazy vyjadřujícími podíl konečných diferencí závislé a nezávislé proměnné. Jako příklad je uvedena aplikace MKD při časové a prostorové diskretizaci rovnice popisující dvojrozměrné nestacionární tlakové proudění podzemní vody v horizontální rovině v homogenní anizotropní zvodni. Uvedené proudění je popsáno rovnicí: k x 2 2 H H + k y 2 x y 2 = S h p H t (1.1) s okrajovými podmínkami: H(t) = H _ (t), t > 0, na Γ 1 (1.2) H H k x nx + k y ny x y = 0 na Γ 2 (1.3) počáteční podmínkou 17

H(x,y,0) = H 0 (x,y) v Ω v čase t = 0, h... mocnost zvodnělé vrstvy [m], H(x,y,t)... piezometrická výška [m], _ H (t) předepsaná piezometrická výška na části hranice Γ 1 [m], H(x,y,0)... piezom. výška v čase t = 0 na náhradní oblasti Ω [m], K x,k y... koeficienty hydraulické vodivosti ve směru os x a y[m.s -1 ], n x,n y... směrové kosiny vnější normály k části hranice Γ 2, S p... koeficient pružné zásobnosti (storativity), t... čas [s], x, y... prostorové proměnné [m], Γ 1... část hranice oblasti se zadanou hodnotou piezometrické výšky, Γ 2... nepropustná hranice, Ω... obast řešení. Pro přibližné řešení rovnice (1.1) se použije metoda konečných diferencí pro pravoúhlou síť se stejným krokem x a y. Její podstata záleží v tom, že se: operátory parciálních derivací nahradí diferenčními operátory; úloha převede na řešení soustavy lineárních algebraických rovnic pro diskrétní body na časové ose. Prostorové parciální derivace ve směru os x a y z rovnice (1.1) je pak možné vyjádřit následovně: H i, j x a H i+ 1, j H 2 x i 1, j, H i, j y H i+ 1, j H 2 y i 1, j (1.5) 2 H x 2 H i+ 1, j 2 H x i, j 2 + H i 1, j 2 H Hi+ 1, j 2 Hi, j +, 2 2 y y H i 1, j (1.6) Levou stranu rovnice (1.1) je pak možné zapsat následovně: k x H i+ 1, j 2 Hi, j + Hi 1, j Hi+ 1, j 2 + k 2 y x H y i, j + 2 H i 1, j. (1.7) Derivaci v čase na pravé straně rovnice lze zapsat s použitím konečných diferencí následovně: S h Hi, j S Hi, j ( t + t) Hi, j ( t). (1.8) t h t Vztah (1.8) obsahuje v uzlu (i,j) hodnoty piezometrické výšky v časech t a t+ t. Zaveďme značení t1 = t0 + t, t2 = to+2* t,, tn = to+n*n t, kde t0 je 18

čas odpovídající t = 0. Existuje několik možností, která z těchto časových úrovní bude pro aproximaci v prostoru. Nejjednodušší způsob je explicitní metoda. Předpokládá, že všechny hodnoty piezometrické výšky při prostorové aproximaci ve výrazu (1.7) uvažovány od začátku časového intervalu. Po dosazení pravé strany (1.7) a (1.8) do rovnice (1.1) obdržíme: H t1 i, j S h H t1 t0 t0 t0 t0 t0 t0 t0 i, j Hi, j Hi 1, j 2 Hi, j + Hi+ 1, j H1, j 1 2 Hi, j + Hi, j+ 1 = kx + k 2 y 2 t x řešení nedává spojitou funkci. Další nepřesnosti vznikají při derivacích 19 y (1.9) V rovnici (1.9) je pouze jedna neznámá hodnota piezometrické výšky, kterou lze snadno vyjádřit a vypočítat tak pro všechny uzly oblasti nové hodnoty piezometrické výšky v čase t1. Postup se opakuje pro časovou úroveň t2 s použitím výsledků řešení t1. Tento postup může být aplikován jak při jednorozměrné schematizaci, tak při obecně trojrozměrných úlohách. Explicitní metoda je vhodná pouze pro velmi krátké časové kroky, což pro většinu úloh hydrodynamiky není vhodné. Omezení týkající se velikosti časového kroku vede ke značnému zvýšení jejich počtu. Implicitní metoda řeší problém nestability vzniklé při použití explicitního řešení. Využívá aproximace hodnot na konci časového intervalu, nebo obecně ve vhodném mezilehlém bodě daného časového intervalu: t0 t1 H = ε H + (1 ε ) H, 0; 1 (1.10) i, j i, j i, j ε kde ε je interpolační parametr. Pro ε = 1 vede vztah (1.1) na explicitní schéma, pro ε = 0 vede na plně implicitní schéma. Velmi často se používá tzv. Crank-Nicholsonovo schéma s hodnotou ε = 0,5. Pro plně implicitní schéma má výsledná rovnice tvar: S h H t1 t 0 t1 t1 t1 t1 t1 t1 i, j Hi, j Hi 1, j 2 Hi, j + Hi+ 1, j H1, j 1 2 Hi, j + Hi, j + 1 = kx + k 2 y 2 t x y (1.11) Ve vztahu (1.11) se objevuje pět neznámých hodnot piezometrické výšky v čase t1 = t0 + t v pěti uzlech (i-1, j), (i, j), (i+1, j),(i, j-1), (i, j+1). Tyto hodnoty závisejí pouze na jedné známé hodnotě piezometrické výšky v čase t0. Proto je třeba v rovnici (1.11) sestavit pro všechny uzly oblasti a tím získat uzavřenou soustavu rovnic, kterou je možno řešit přímou (finitní) metodou, nebo nepřímou (iterační) metodou. (Říha, 1997) Mezi hlavní výhody této metody patří její snadná algoritmizace a nevznikají problémy při konvergenci úloh. Hlavní nevýhodou MKD je, že její aproximativní

diskrétních hodnot (např. určení tlakového gradientu) a nemožnosti přesně vystihnout tvar oblasti. 4.2 Metoda konečných prvků Ve srovnání s metodou konečných diferencí představuje metoda konečných prvků (dále MKP) novější numerickou metodu, která pro svou výhodnost doznala v modelování proudění podzemní vody velkého rozšíření. Zatímco v MTD hledáme řešení pouze v izolovaných bodech (uzlech sítě). V MKP je hledaným řešením spojitý nebo po částech spojitý průběh neznámé veličiny v celé řešené oblasti, která je předem rozdělena na konečné prvky. Na rozdíl od MKD, která vyžaduje ortogonální síť, není při tvorbě sítě konečných prvků nutno dodržovat žádnou pevnou strukturu, síť je možno přizpůsobit složitým tvarům řešené oblasti a je možné ji lokálně zahušťovat. Konečné prvky mohou mít tvar obecného trojúhelníku nebo čtyřúhelníku s různým počtem uzlů (ve vrcholech i na stranách), je dokonce možné použít i prvky s křivočarými stranami. (Valentová, 1998) Výhodou MKP oproti MKD je, že každý konečný prvek může mít obecně různé fyzikální vlastnosti, které je během výpočtu možné měnit na základě získaných mezivýsledků. Výsledná matice soustavy algebraických lineárních rovnic je symetrická a pásová s dominantní diagonálou. Dále je v MKP výrazně snazší realizace okrajových podmínek (Říha, 1997) Při aplikaci metody konečných prvků se nejčastěji vychází ze dvou principů: a)variační princip b)princip vážených reziduí Při použití variačního principu se řešená úloha nejprve převádí na variační problém, tj. na problém nalezení funkce, která udílí extrémní hodnotu určitému funkcionálu. Metoda vážených reziduí spadá mezi tzv. přímé variační metody, které vycházejí přímo z diferenciálních rovnic popisující řešený problém. Metodu lze použít i pro problémy, pro které není klasická variační formulace známa. Při řešení těchto rovnic se používá např. Galerkinova metoda. (Valentová, 1998) 20

Hlavní nevýhody MKP problémy s divergencí v případě smíšených problémů. jsou složité algoritmizace popisovaných úloh a 5. Základní rovnice a děje popisující proudění podzemní vody a transportu znečištění 5.2 Darcyho zákon Mezi základní zákony popisující proudění podzemní vody patří Darcyho zákon, který je založen na principu proudění vody ve válci naplněném pískem. Písek je zcela nasycen vodou a množství vody vtékající do válce za jednotku času se rovná množství vody z válce vytékajícímu. Obr. 1 Darcyho pokus Závěry mohou být vyjádřeny pomocí rovnice označené jako Darcyho zákon: Q = ( H 1 H ) K S 2 L (2.1) kde Q proleklé množství vody [m 3.s -1 ], S průřezová plocha [m 2 ] L délka válce [m] H 1 H 2 ztráta hydraulické výšky [m] 21

H 1 hodnota hydraulické výšky na začátku vzorku [m] H 2 hodnota hydraulické výšky na začátku vzorku [m] K koeficient hydraulické vodivosti [m.s -1 ]. Zobecněný Darcyho zákon zapsaný v diferenciální formě Darcyho rychlost: v H1 H H K = K, (2.2) L l = 2 nebo v diferenciální formě: dh v = K (2.3) dl kde dh/dl = gradient hydraulické výšky. Pro trojrozměrné proudění v homogenním prostředí, kdy je hydraulická vodivost konstantní, platí rovnice: v = KJ = KgradH (2.4) kde v je vektor rychlosti se složkami v x, v y, v z ve směru souřadnicových os x, y, z ( v x H = K, x v y H = K, y v z H = K,), J je hydraulický gradient se z složkami J x, J y, J z ( J x H =, x J y H =, y J z H = ). z 5.3 Rovnice kontinuity a třírozměrného proudění Rovnici třírozměrného proudění podzemní vody (3.2) vychází ze spojení zobecněného tvaru Darcyho zákona pohybové rovnice a rovnice kontinuity ( 3.1 ). Rovnice kontinuity vyjadřuje poměr množství vody akumulované v objemu za čas t. Množství vody do objemu přiteklé je rovno množství vody vyteklé za stejný čas. V nestlačitelném prostředí je S = 0, což nám vykrátí pravou stranu rovnice a dostáváme Laplaceovu rovnici (3. 3); konstanta hydraulické vodivosti je v homogenním izotropním prostředí konstantní. (Valentová, 1998) ρv x x ρv + y y ρv + z z H = ρ S, ( 3.1 ) t 22

2 H K 2 x 2 H + 2 y 2 H + 2 z = S H t ( 3.2) 2 x H 2 + 2 y H 2 + 2 z H 2 = 0 ( 3.3) S specifická storativita 5.4 Šíření znečištění Některé látky vstupující do pórovitého prostředí jsou s vodou nemísitelné, nebo jen částečně mísitelné (např. nafta neb oleje). Souběžný pohyb vody a těchto látek se označuje jako vícefázové proudění. Pokud se naopak jedná o rozpustné látky, které se mísí s vodou, nazývá se jejich pohyb v půdních a horninových vrstvách šíření rozpuštěných látek. Složitý komplex procesů ovlivňujících pohyb rozpuštěných látek pod povrchem je možno rozdělit na ty, které jsou určující pro pohyb látek a ty, které způsobují jejich transformace. V této souvislosti mluvíme u látek a látkové přeměně. Pokud dochází pouze k šíření nereagujících nebo málo reagujících látek, jedná se o konzervativní transport. O látkovou přeměnu jde v případech, kdy jsou chemické reakce rozpuštěných látek nezanedbatelné, nebo dokonce dominantní, a je nutné je do popisu zahrnout. V tomto případě se jedná o nekonzervativní transport. Matematický popis transportních procesů vychází stejně jako v případě proudění fází z makroskopického popisu založeného na mechanice kontinua. Soubor tekutých fází je nahrazen sérií fiktivních fázových makrokontinuí, jednotlivé rozpuštěné látky (složky směsí) jsou nahrazeny složkovými makrokontinui. (Vogel, Císlerová, 1998) 23

5.4.1 Rovnice popisující šíření znečištění a) Konzervativní transport Jednorozměrná migrace nesorbující se látky v 1-D filtračním poli je definována obecnou diferenciální rovnicí ( 4.1). D x 2 C v 2 x x p C C = (4.1) x t I II III Jednotlivé členy této rovnice vyjadřují : I. Disperzivní transport, II. Advektivní transport, III. Nestacionaritu procesu v čase b) Nekonzervativní transport 3-D migrace sorbující a reagující látky v 3 - D filtračním poli je definována obecnou diferenciální rovnicí (4.2). C 2 C 2 C 2 C ( v v C n o = n D + n D + n D ± x C) ( y ) ( v C t o hx 2 o hy 2 o hz + + z ) ± x y z 2 x y z I II III ± n C s C o t + ± n o ± Q C Q C t i i (4.2) IV V VI n o... efektivní pórovitost C... koncentrace rozpuštěné látky [mg.l -1 ] D h... koeficient hydrodynamické disperze [m 2.s -1 ] v... rychlost [m.s -1 ] C s koncentrace látky sorbovaná na povrchu pevné fáze[mg.l -1 ] Q i... průtok [m 3.s -1 ] I) Změna koncentrace rozpuštěné látky v bodě [x,y,z]. II) Rychlost šíření látky z nebo do bodu [x,y,z] vlivem advekce. III) Rychlost šíření látky z nebo do bodu [x,y,z] vlivem disperze. IV) Rychlost sorbce rozpuštěnné látky v bodě [x,y,z]. V) Rychlost změn koncentrace rozpuštěné látky vyvolané reakcemi. VI) Přítok / odběr rozpuštěné látky z vnějšího zdroje / propadu. (www.fle.czu.cz) 24

5. 5 Okrajové a počáteční podmínky Při řešení hydrogeologických úloh šíření znečištění, jak uvádí Valentová (1998) rozlišujeme následující okrajové a počáteční podmínky: 5.5.1 Hranice s předepsanou hodnotou hydraulické výšky Jestliže ve všech bodech hranice řešené oblasti nebo na její části známe hodnotu hydraulické výšky po celou dobu zkoumaného procesu, jedná se o hranici s předepsanou hodnotou hydraulické výšky okrajová podmínka prvního typu, nazývaná také Dirichletova. Tuto podmínku lze vyjádřit pomocí zápisu: H = f 1 (x,y,z) nebo H = f 2 (x,y,z,t) na S, (5.1) kde f 1 a f 2 jsou známe funkce. První případ vyjadřuje stacionární podmínku, zatímco ve druhém případě je okrajová podmínka závislá na čase. Okrajové podmínky tohoto typu se vyskytují vždy tam, kde je oblast proudění ve styku s otevřenou volnou hladinou řekou, jezerem apod. 5.5.2 Hranice s předepsaným tokem Jestliže ve všech bodech hranice je známa hodnota toku ve směru kolmém na hranici, jedná se o hranici s předepsaným tokem v n = f (x,y,z,t) na S, (5.2) kde v n je složka rychlosti kolmá k hranici oblasti a f (x, y, z, t) je známá funkce. Tato okrajová podmínka se nazývá také jako okrajová podmínka druhého typu, nebo Neumannova okrajová podmínka. Speciálním případem této okrajové podmínky je nepropustná hranice. V případě nepropustné hranice je složka hustoty toku kolmá k hranici rovna nule v n = 0. 5.5.3 Polopropustná hranice Tento typ okrajové podmínky se vyskytuje tam, kde oblast proudění je v kontaktu s otevřeným vodním zdrojem (nebo jiným porézním prostředím), ale je oddělena polopropustnou vrstvou. Pro tento typ okrajové podmínky se používá 25

označení třetího typu nebo smíšená okrajová podmínka, Cauchyho okrajová podmínka, nebo okrajová podmínka třetího typu. Předpokládejme, že H je hodnota hydraulické výšky uvnitř řešené oblasti a H 0 hodnota hydraulické výšky vně oblasti. Velikost toku kolmo k hranici řešené oblasti lze vyjádřit pomocí vztahu : v n = (H 0 H ) / c, kde c = B / K, (5.3) kde B je šířka polopropustné vrstvy, K je její hydraulická vodivost, c je odpor vrstvy. 5.5.3 Počáteční podmínky Počátečními podmínkami rozumíme stav charakterizující proudění v čase t 0 = 0. Stanovení těchto podmínek nám umožňuje řešit nestacionární proudění. Schematicky lze podmínku vyjádřit jako funkci f () souřadnic x, y, z v prostoru v čase t 0, kdy známe hydraulickou výšku H. Průběh hydraulické výšky se s časem mění. (Mucha, Šestakov, 1987) H = f x, y, z, t ) (5.4) ( 0 6. Testování použitelnosti programu. Lokalita Kralupy V rámci ověření použitelnosti programu PMWIN pro jsem se zaměřil na využití metody matematického modelování na podmínky firmy Kaučuk Group, kde jsou dlouhodobě vytvářeny hydrodynamické podmínky zamezující šíření znečištění. Jako hlavní ochranná metoda je použito čerpání podzemních vod na tzv. hydraulické bariéře (dále HOPV). Firma Kaučuk patří k nejvýznamnějším petrochemickým podnikům v České republice. 6. 1 Ekologie petrochemických podniků Petrochemie patří k jednomu z hlavních zdrojů znečištění životního prostředí. K úniku nežádoucích organických sloučenin dochází při jejich přepravě, manipulaci a zpracování a následně při nakládání s odpady a odpadními vodami. Do skupiny tzv. ropných produktů jsou zařazovány a) nafta, b) benzin c) mazací oleje, d) topné oleje, e) speciální chemické výrobky a meziprodukty, 26

které se používají v chemickém průmyslu. Ke znečišťujícím látkám patří: a) uhlovodíky (nasycené i nenasycené, alifatické i aromatické), b)organické sloučeniny síry (thioalkoholy, thiofenoly, sulfidy), c)organické sloučeniny kyslíku (alkoholy, fenoly, kresoly, furfurol, aldehydy, ketony, naftenové kyseliny, estery), d) organické sloučeniny dusíku (aminy, deriváty pyridinu), e) chlorované uhlovodíky (dichlorethan, etylendichlorid), f) další látky (oleje, tenzory, oxidy kovu, NAOH, H2S, NH+4. Při řešení znečištění v areálu Česká Rafinérská A. S., Kralupy nad Vltavou, se budu zabývat hlavně znečištěním nesorbujících se látek. Protože se v rafineriích spotřebovává obrovské množství vody, leží tyto závody zpravidla v blízkosti velkých řek (Obr. 2). Díky velkému množství spotřebované vody, vzniká velké množství vod odpadních, což může mít za následek řadu ekologických problémů. Proto většina rafinérských podniků má ve svém areálu vlastní čistírnu odpadních vod včetně laboratoří na jejich rozbor. Obr.2 Areál Kaučuk Group a.s.,kralupy nad Vltavou (www.mapy.cz) 27

6.2 Podmínky provozu podniku Výroba syntetického styren-butadienového kaučuku (SBR) byla zahájena v roce 1963. Na základě monomerů butadienu a styrenu, které se oba připravují také v podniku, se vyrábí i druhý základní výrobek polystyrenové plasty (PS) v různých variantách jako houževnatý, krystalový, zpěňovatelný PS a kopolymer ABS. Součástí podniku je vlastní energetika, ve které se vyrábí potřebná pára a elektrický proud zejména pro vlastní spotřebu, ale i pro prodej. V roce 1975 byl podnik rozšířen o rafinerii, ve které se na palivářské výrobky (topné plyny, benziny, nafta, petrolej a topný olej) zpracovává ropa. Od 1. 1. 1996 byla rafinerie v rámci restruktualizace petrochemického a rafinérského průmyslu oddělena a začlenila se do nové společnosti ČESKÁ RAFINÉRSKÁ, a.s., Od 1. 7. 1997 je KAUČUK, a.s., součástí skupiny UNIPETROL, a.s. (Zpráva o vlivu, 2000) 6. 3 Ekologické a přírodní poměry areálu Kaučuk Group a.s., Kralupy nad Vltavou a v širším okolí 6. 3. 1 Vymezení areálu Kaučuk Group a.s. Zájmový areál Kaučuku se nachází 20 km severně od Prahy, na pravém břehu řeky Vltavy, která je od rafinérie vzdálena 0,8 km. Areál tvoří severovýchodní okraj města Kralupy nad Vltavou. Při svém severním okraji vlastní areál téměř navazuje na další město Veltrusy. Pozemek Kaučuku je protáhlého tvaru severojižní orientace s rozměry cca 2,0 x 1,0 km a rozlohou 1,62 km 2. Ze správního hlediska se základní areál Kaučuk Group a.s. nachází v jihozápadním výběžku okresu Mělník na několika katastrálních územích: k.ú. Lobeček k.ú. Chvatěruby k.ú. Veltrusy Přehled měst a obcí v blízkém okolí areálu Kaučuk Group a.s. : Kralupy nad Vltavou, navazují na areál směrem na jihozápad Nelahozeves, 1,5 km směrem na západ (dále Z) Hleďsebe, 1,3 km směrem na severozápad (dále SZ) 28

Veltrusy, 0,5 km směrem na sever (dále S) Úžice, 3,0 km směrem na východ (dále V) Kozonoh, 2,7 km směrem na jihovýchod (dále JV) Chvatěruby, 1,5 km směrem na jihojihovýchod (dále JJV) Přehled Území se zvláštní ochranou: NPR Kopeč stepní porosty vzácné Lipnice Bádenské, rozloha 2 ha nachází se cca 6,5 km směrem na V PP Otrokovická skála stepní společenstva na algonkických břidlicích, nachází cca 5 km na JV PP Minická skála krajinná dominanta, skála s teplomilnou květenou, rozloha 0,37 ha, nachází se cca 3,5 km na jihozápad (dále JZ) PP Sprašovská rokle u Zeměch teplomilná květena, rozloha 1,49 ha, nachází se cca 4 km směrem na JZ PP Netřeská slaniska zbytek slanomilných společenstev, rozloha 1,01ha, nachází se cca 7 km směrem na V (Závěrečná zpráva, 1997) Obr.3 Modelované území (www.mapy.cz) 29

6. 3. 2 Topologické poměry Vlastní lokalita areálu se nachází na okraji rovné údolní terasy a zaujímá i výrazný terénní stupeň vysoký cca 12 m na východní hranici areálu. Směrem k západu od tohoto stupně je terén mírně zvlněný. Nadmořská výška areálu je 175 až 176 m n.m., oblast nad terénním stupněm pak 187 m n.m. Samotný terénní stupeň má úklon 15-19 k západu. (Závěrečná zpráva, 1997) Od hranic areálu až k řece se terén mírně svažuje až na 170 m n.m. Významné je, že celá oblast je zjednodušeně ze tří stran omezena řekou Vltavou a z východní pak sedimenty křídového a permokarbonského stáří. 6.3.3 Klimatické a hydrologické poměry Z hlediska klimatických charakteristik se jedná o teplou oblast, suchou s mírnou zimou. Průměrná roční teplota je 8 9 C. Průměrné roční srážky na základě pozorování ve srážkoměrných stanicích Kralupy nad Vltavou a Všetudy z období 1931-1960 jsou 477-493 mm. Zájmová oblast spadá do povodí řeky Vltavy s číslem hydrologického pořadí 1-12-02. Průměrný průtok z údajů limnigrafické stanice ve Vesňanech (cca 7 km po proudu od Kralup je 149,91 m 3.s -1 a Q 355 je 26,39 m 3.s -1. Do Vltavy se v zájmovém území vlévá Mlýnský potok. Srážkoměrá měsíc Stanice I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Kralupy nad Vltavou 23 22 23 31 55 67 75 59 35 37 25 25 477 Celkem Za rok [mm] Tab.1 Průměrné měsíční úhrny srážek (1931 1960) 6.3.4 Geomorfologické a geologické poměry Zájmové území je zařazeno do Středolabské tabule a jejího podcelku Mělnické kotliny. Jedná se o erozně denudační sníženinu v širší oblasti soutoku Vltavy s Labem a při dolním toku Vltavy. Ploché dno je charakterizováno akumulačním reliéfem údolních niv, mladopleistocenních a středopleistocenních 30

říčních teras. Vzácněji se vyskytuje denudační reliéf zarovnaného slínovcového povrchu kryopediment. Na řešeném území byla vrtnými pracemi prokázána přítomnost písků a štěrkových písků pod terénním skokem. Ty náleží terase spodního wurmu s mocností, která se plynule ubývá ve směru od severozápadního k jihozápadnímu (směrem k terénnímu skoku) s maximem 15 m a vykliňuje na bázi terénního skoku. Tyto písčité sedimenty jsou místně překryty tenkou vrstvou půdy nebo navážek nicméně často vycházejí až napovrch. Písčité nebo štěrko-písčité sedimenty, které jsou relikty riiské terasy, se nacházejí v území nad terénním skokem. Jejich mocnost je podstatně nižší a rychle ubývají směrem od terénního skoku. (Závěrečná zpráva, 1997) 6.3.5 Proudění podzemních vod Proudění podzemních vod je ovlivněno tokem Vltavy, kdy v přirozeném stavu je směr proudění souhlasný s řekou, tj. cca k severu. (Závěrečná zpráva, 1997) V období před provozem hydraulické ochrany podzemních vod (dále HOPV) byl celý proud podzemní vody ve směru k Veltrusům, tvořený infiltrací z nadjezí Miřejovického jezu do údolní nivy a přítokem z vyšších teras, odvodňováno do úseku Vltavy v podjezí. Po zapojení HOPV, a to již od samého počátku, je tento proud ochuzen o čerpání vody z jejích objektů (minimálně o cca 40 l.s -1, maximálně až o více než 80 l.s -1 ) což má za následek ovlivnění úrovní hladin vody i ve studnách ve Veltrusech. Občany je ovlivnění registrováno vždy až v souběhu se sucho periodou (Kliner, 2000). Vrtný průzkum provedený v cenomanských sedimentech prokázal, že hladina podzemní vody je volná a že nedochází k proudění směrem do centra křídové pánve, ale naopak směrem k Vltavě a čerpané hydraulické cloně. V dané oblasti se nachází jedna hlavní aluviální zvodeň, další zvodně se nacházejí ve větších hloubkách a nemají vliv na aluviální zvodeň a ani nejsou zvodní ovlivňovány. Výjimku tvoří kontakt aluviální struktury na východním okraji oblasti, kde dochází s velkou pravděpodobností k příronu. Mocnost zvodnění terasy je do značné míry ovlivněna morfologií karbonského podloží terasy. Vyskytují se mocnosti od 0 m (pod terénním stupněm) až do 10 m. Při východním okraji rafinerie se nachází výrazná elevace karbonských sedimentů, která způsobuje výrazné snížení mocnosti kvartérní 31

zvodně. V několika monitorovacích vrtech hladina podzemní vody nedosáhla báze kvartérních sedimentů a zůstala zakleslá do permokarbonských hornin. (Závěrečná zpráva, 1997) 6.3.7 Využití vodních zdrojů Povrchové vody jsou využívány ve velkém rozsahu jako chladící vody. Ty jsou jako surovina odebírány z toku Vltavy proti směru proudění. Odběrné místo se nachází při vtoku Vltavy do Kralup nad Vltavou ve vodárně u potrubního mostu. Použité vody (odpadní) jsou zpětně vypouštěny otevřeným kanálem zpět do Vltavy poblíž Městské čistírny odpadních vod. Podzemní vody se v areálu Kaučuk Group.a.s. nevyužívají. Výjimkou je čerpání podzemních vod na HOPV, které však nelze považovat za využívání podzemních vod, ale za jejich ochranu. K jímání a odběrům podzemní vody ovšem dochází v domovních studnách v Kralupech nad Vltavou a ve Veltrusech. (Závěrečná zpráva, 1997) 6.3.8 Zdroje a druhy kontaminace V celém areálu Kaučuk lze očekávat kontaminaci prostředí následujícími polutanty: ropnými látkami (NEL), polyaromatickými uhlovodíky (PAU), skupinou BTEX (benzen, toluen, etylbenzen, xylen), styrenem, methyltercbutyletherem (MTBE), chloridy, těžkými kovy a polychlorovanými bifenyly (PCB). Nejvíce znečištěné plochy byly identifikovány v oblasti uvnitř kolejiště a západně od něj, kde jsou umístěny stáčecí a plnící plochy. V těchto místech byly zjištěny vysoké koncentrace NEL v zeminách a to jak v přípovrchových partiích nesaturované zóny, tak i v hloubkovém intervalu 0,5 m nad hladinou podzemní vody. Navíc byla v této oblasti zjištěna volná fáze ropných uhlovodíků (dále NAPL) o maximální mocnosti 1,17 m. Oblast silničního distribučního střediska je zdrojem kontaminace podzemních vod BTEX. Mezi prokázané zdroje znečištění patří : a)nádržové dvory a záchytné jímky, které byly v minulosti zpevněny pouze asfaltem, b)čerpací stanice topných olejů, c) etylazice benzínů, d) netěsnící kanalizace na Silničním distribučním středisku, e) celý areál rafinerie zaolejovaná kanalizace. (Závěrečná zpráva, 1997) 32