BADANIA MODELOWE JAKO NARZĘDZIE W ROZWIĄZYWANIU PROBLEMÓW ZAGOSPODAROWANIA PRZESTRZENNEGO

Transkrypt

1 BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: , 2010 R. BADANIA MODELOWE JAKO NARZĘDZIE W ROZWIĄZYWANIU PROBLEMÓW ZAGOSPODAROWANIA PRZESTRZENNEGO HYDROGEOLOGICAL MODELS AS A HELPFUL TOOL IN SPATIAL DEVELOPEMENT ISSUES ZBIGNIEW KORDALSKI 1, MIROSŁAW LIDZBARSKI 1 Abstrakt. Od kilku lat wśród mieszkańców i władz Gdańska dyskutowane są kierunki dalszego rozwoju miasta w dzielnicach nadmorskich. Preferowany jest rozwój funkcji turystycznych, mieszkaniowych i usługowych. Na etapie konsultacji społecznych zwracano uwagę na możliwy negatywny wpływ planowanych obiektów na środowisko gruntowo-wodne. Wiarygodna odpowiedź na pojawiające się wątpliwości jest możliwa tylko przy wykorzystaniu możliwości, jakie niesie modelowanie przepływu wód podziemnych i transportu zanieczyszczeń. W artykule przedstawiono konstrukcję matematycznego modelu filtracji wód podziemnych, który pozwolił na sformułowanie warunków lokalizowania inwestycji budowlanych w strefie brzegowej Bałtyku. Słowa kluczowe: badania modelowe, hydrodynamika, ingresja wód morskich, strefa brzegowa Bałtyku. Abstract. The possible ways of spatial development within the seaside districts of Gdańsk have been discussed for the last several years. Stakeholders and inhabitants prefer tourism, housing and service functions, but planned objects can affect groundwater. The authors used a numerical modelling approach to acquire reliable information about the possible impact on groundwater. This paper describes construction of a mathematical model of groundwater flow and transport of contaminants, which helped to formulate the conditions for locating construction projects in the coastal zone of the Baltic Sea. Key words: hydrogeological models, hydrodynamics, saltwater intrusion, Baltic coastal zone. WSTĘP Od kilku lat wśród mieszkańców Gdańska prowadzone są konsultacje w sprawie kierunków dalszego rozwoju miasta w dzielnicach nadmorskich. Urząd Miasta wraz z Biurem Rozwoju Gdańska preferuje rozwój funkcji mieszkaniowych, turystycznych i usługowych, w tym lokalizowanie obiektów wysokościowych OW (Praca zbiorowa, 2008). Na etapie konsultacji społecznych zwracano jednak uwagę na możliwy negatywny wpływ planowanych obiektów na środowisko gruntowo-wodne. Obawiano się zwłaszcza skutków prowadzenia odwodnień budowlanych i drenaży w fazie budowy i eksploatacji potencjalnych inwestycji. Prace budowlane mogły spowodować uszczuplenie zasobów wodnych dużych ujęć komunalnych lub degradację jakości wód podziemnych w wyniku ingresji wód morskich do ujmowanych warstw wodonośnych. Wiarygodna odpowiedź na pojawiające się wątpliwości jest możliwa tylko przy wykorzystaniu możliwości, jakie niesie modelowanie przepływu wód podziemnych i transportu zanieczyszczeń. Numeryczny model warunków hydrogeologicznych nadmorskiej strefy Gdańska opracowano przy użyciu programu Groundwater Modeling System GMS, wykorzystującego do obliczeń pola hydrodynamicznego kod MODFLOW 1 Państwowy Instytut Geologiczny Państwowy Instytut Badawczy, Oddział Geologii Morza, ul. Kościerska 5, Gdańsk; zbigniew.kordalski@pgi.gov.pl, miroslaw.lidzbarski@pgi.gov.pl

2 110 Zbigniew Kordalski, Mirosław Lidzbarski (McDonald, Harbaugh, 1988, 1996). Realizowane prognozy miały na celu symulowanie stanu dynamiki systemu wodonośnego i ingresji wód morskich do warstwy wodonośnej przy różnych wariantach lokalizowania obiektów budowla- nych i warunkach ich posadowienia. Uwzględniono sąsiedztwo Zatoki Gdańskiej oraz eksploatację wód podziemnych na największych ujęciach komunalnych Gdańska zlokalizowanych w strefie nadmorskiej. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ Obszar badań obejmuje północną część Gdańska w obrębie tarasu nadmorskiego. Jednostka ta o powierzchni ok. 15 km2 należy do Pobrzeża Kaszubskiego i położona jest pomiędzy wysoczyzną Pojezierza Kaszubskiego a Zatoką Gdańską. Stanowi płaską równinę akumulacyjną wzniesioną na wysokość od 1 2 m n.p.m. bezpośrednio nad brzegiem morza do 30 m n.p.m. przy zachodniej granicy tarasu. Wzdłuż brzegu morskiego wyróżnia się pas wydm nadmorskich, a na ich zapleczu obniżenia terenu przecięte rowami odwadniającymi. Z płaską powierzchnią tarasu nadmorskiego kontrastują wysoczyzny morenowe Pojezierza Kaszubskiego, rozprzestrzeniającego się w kierunku zachodnim. Obszar badań stanowią tereny o różnych funkcjach. Obejmują one wiele dzielnic Gdańska: Zaspę, Przymorze, Jelitkowo, Żabiankę oraz częściowo Wrzeszcz, Oliwę i Brzeźno. Największą powierzchnię zajmuje zabudowa mieszkaniowo-usługowa. W kierunku wschodnim przeważają tereny przemysłowe: stocznie oraz inne zakłady, zlokalizowane głównie przy korycie Martwej Wisły. Wzdłuż brzegu morskiego rozciągają się plaże, z którymi sąsiadują tereny zielone i lasy. Na terenach zielonych od Jelitkowa poprzez Przymorze, Zaspę do Brzeźna rozmieszczone są studnie dwóch największych ujęć wód podziemnych dla Gdańska Czarny Dwór i Zaspa (fig. 1). Fig. 1. Położenie obszaru badań The study area location

3 Badania modelowe jako narzędzie w rozwiązywaniu problemów zagospodarowania przestrzennego 111 WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE I EKSPLOATACJA WÓD PODZIEMNYCH Na kształtowanie się warunków hydrogeologicznych w rejonie Gdańska zasadniczy wpływ mają wodonośne utwory czwartorzędu (plejstocenu i holocenu), miocenu, oligocenu eocenu i kredy górnej. Stanowią one podstawę gdańskiego systemu wodonośnego (Kozerski, 1988, 2007). Najpłycej występuje plejstoceńsko-holoceński poziom wodonośny, stanowiący główne źródło zaopatrzenia miasta w wodę pitną. Wody podziemne występują tutaj najczęściej we fluwioglacjalnych piaskach i żwirach plejstocenu. Lokalnie w skład tego poziomu wchodzą również akumulowane w holocenie piaszczyste osady serii deltowej oraz piaski eoliczne i morskie. Miejscami utwory wodonośne są przykryte holoceńskimi półprzepuszczalnymi utworami organiczno-mineralnymi: torfy, namuły (fig. 2). W profilu pionowym w plejstoceńsko-holoceńskim poziomie wodonośnym występuje wyraźne zróżnicowanie. W stropie przeważają piaski drobnoziarniste i średnioziarniste, chociaż miejscami występują też piaski różnoziarniste ze żwirami i otoczakami. Współczynnik filtracji zawiera się w przedziale od 2 do ponad 30 m/d, a miąższość tej części warstwy wodonośnej najczęściej nie przekracza kilkunastu metrów. W spągu dominują piaski różnoziarniste ze żwirami i otoczakami. Wartości współczynnika filtracji zawierają się w szerokich granicach m/d. Najwyższe wartości obejmują centralną część tarasu nadmorskiego w rejonie ujęć komunalnych. Efektem dobrze wykształconego poziomu wodonośnego są także wyjątkowo wysokie wartości przewodnictwa wodnego, które na przeważającym obszarze ujęć komunalnych: Czarny Dwór, Zaspa i Kołobrzeska znacznie przekraczają 1000 m 2 /d, a nawet 3000 m 2 /d. Na podstawie bardzo korzystnych parametrów hydraulicznych poziomu czwartorzędowego został wyodrębniony główny zbiornik wód podziemnych nr 112 (GZWP 112). Lokalnie, w rejonie strefy krawędziowej oraz nad samą Zatoką Gdańską, czwartorzędowy poziom wodonośny jest rozdzielony kompleksem osadów słabo przepuszczalnych. Niezmiernie istotnym parametrem warunkującym możliwości posadowienia obiektów budowlanych, zwłaszcza z systemami kondygnacji podziemnych, jest miąższość strefy aeracji. Jej przestrzenny rozkład został precyzyjnie określony w trakcie prac kameralnych poprzedzających badania modelowe. Najniższe wartości, poniżej 2 m, odnotowano w pasie nadmorskim (rejon ujęć komunalnych) oraz w pobliżu Martwej Wisły. Tylko w miejscu występowania wydm nadmorskich miąższość strefy jest nieco większa do 5 m. W miarę oddalania się od brzegu morskiego analizowany Fig. 2. Przekrój hydrogeologiczny Hydrogeological cross-section

4 112 Zbigniew Kordalski, Mirosław Lidzbarski parametr wzrasta, aż do kilkunastu metrów w pobliżu strefy krawędziowej Pojezierza Kaszubskiego. Miąższość strefy aeracji reguluje również zakres wahań zwierciadła płytkich wód gruntowych (Kordalski, Lidzbarski, 2005). Poniżej czwartorzędowego poziomu wodonośnego występuje poziom oligoceński związany z drobnoziarnistymi piaskami kwarcowo-glaukonitowymi oraz szeroko rozprzestrzeniony poziom kredowy związany z piaskami górnokredowego zbiornika wód podziemnych subniecka gdańska (GZWP 111). Głównym czynnikiem kształtującym zasoby wodne na obszarze tarasu nadmorskiego jest dopływ lateralny z obszaru Pojezierza Kaszubskiego. Wysoczyzna morenowa stanowi więc zasadniczy obszar alimentacji, gdzie formowane są główne strumienie wód zasilające poszczególne poziomy wodonośne. Zasobne struktury wodonośne tarasu nadmorskiego, a zwłaszcza czwartorzędowy poziom wodonośny, stanowią główną bazę drenażu wszystkich poziomów i pięter wodonośnych gdańskiego systemu wodonośnego. Czynnikiem determinującym poziom eksploatacji płytkich wód podziemnych w strefie brzegowej Bałtyku jest zagrożenie intruzjami wód słonych do warstw wodonośnych (Kozerski, Kwaterkiewicz, 1993; Kordalski, 2008). W wielu przypadkach czynnik ten ma rozstrzygające znaczenie przy prowadzeniu robót budowlanych i odwodnieniowych. BADANIA MODELOWE CEL I ZAŁOŻENIA BADAŃ MODELOWYCH Głównym celem badań modelowych była ocena wpływu planowanych obiektów wysokościowych na hydrodynamikę i hydrogeochemię wód podziemnych w rejonie ujęć komunalnych. Prognozowano ryzyko pogorszenia jakości wód podziemnych pobieranych przez ujęcie Czarny Dwór i Zaspa w wyniku ingresji wód słonych. W trakcie badań modelowych szczegółowo analizowano pierwszy etap inwestycji związanej z prowadzeniem głębokich wykopów, wierceń i odwodnień oraz lokalizowaniem podziemnych garaży i stałych odwodnień. W ramach tego zagadnienia rozpatrzono możliwość realizacji budynków wysokościowych (OW) przy różnych warunkach posadowienia: bez podpiwniczenia, na palach, z podpiwniczeniem od 2 do 15 m p.p.t. Po wstępnej analizie uznano, że obecność pali w podłożu podtrzymujących infrastrukturę OW w niewielkim stopniu wpływa na dynamikę wód podziemnych i nie będzie stanowiła istotnej ingerencji w dynamikę wód podziemnych. Z tego względu nie jest to przedmiotem dalszej analizy hydrogeologicznej. Niezależnie od głębokości posadowienia planowanych obiektów budowlanych rozważano różne warianty lokalizacji. Najbardziej niebezpieczna sytuacja może wystąpić w przypadku lokalizowania OW między ujęciem a brzegiem morza, z uwagi na groźbę ingresji wód słonych (fig. 3). W przypadku znacznych drenaży budowlanych może powstać zbyt duży lej depresji przechwytujący słone wody z morza. W efekcie, w otoczeniu OW mogą zostać zasolone wody użytkowego poziomu wodonośnego (fig. 3b, d). Strefa wód zasolonych może również przemieścić się w rejon ujęcia. Niezależnie od zmian hydrochemicznych pogłębieniu może ulec depresja rejonowa na terenie ujęcia, co obniży dostępne zasoby wód podziemnych i utrudni warunki ich eksploatacji. Do trójwymiarowego modelowania transportu masy w wodach podziemnych na drodze adwekcji i dyspersji wykorzystano kod MT3DMS (Zheng, Wang, 1999). Przy pomocy modułu MT3DMS obliczono stężenia migrujących w wodzie zanieczyszczeń (chlorków), wykorzystując w tym celu obliczone wcześniej w programie MODFLOW pole hydrodynamiczne. DYSKRETYZACJA I WARUNKI BRZEGOWE MODELU Dla potrzeb modelowania cały kompleks wodonośny obszaru badań został poddany schematyzacji. Uwzględniono przy tym m.in. występowanie, wykształcenie i wzajemne kontakty hydrauliczne warstw i poziomów wodonośnych oraz system krążenia wód podziemnych. Wpływ na sposób schematyzacji miała również przyjęta metoda obliczeń modelowych, zakładająca trójwymiarową parametryzację przestrzeni filtracyjnej. W procesie agregacji warstw wodonośnych uwzględniano kierunki przepływu wód podziemnych oraz różnice ciśnień hydrostatycznych. W efekcie przyjętej procedury wyodrębniono pięć warstw modelowych obejmujących: Warstwa I przestrzeń między powierzchnią terenu a spągiem czwartorzędowego poziomu wodonośnego (GZWP 112); Warstwa II utwory półprzepuszczalne rozdzielające pierwszą (czwartorzędową) i trzecią (oligoceńską) warstwę wodonośną stanowią je najczęściej słabo przepuszczalne kompleksy mułków i iłów mioceńskich; Warstwa III wodonośne osady oligocenu (miejscami również eocenu); Warstwa IV utwory półprzepuszczalne Warstwa V rozdzielające trzecią (oligoceńską) i piątą (kredową) warstwę wodonośną stanowią je najczęściej słabo przepuszczalne kompleksy osadów paleogeńskich oraz węglanowe osady kredy górnej; piaszczyste, wodonośne utwory subniecki gdańskiej GZWP 111. Przygotowany obszar badań modelowych objął fragment Gdańska i Sopotu o powierzchni 65,6 km 2 i został podzielony na bloki obliczeniowe o wymiarach 50x50 m, zawierające się w 162 kolumnach i 162 wierszach ( bloki na jednej warstwie, bloków ogółem). W proces obliczeniowy było zaangażowanych bloków, po bloków w każdej z 5 warstw modelowych. Pozostałe nieaktywne bloki zostały wykorzystane w procedurze wprowadzania danych. W rezultacie bezpośrednie badania mode-

5 Badania modelowe jako narzędzie w rozwiązywaniu problemów zagospodarowania przestrzennego 113 Fig. 3. Schemat hydrogeologiczny analizowany w toku badań modelowych pobór wód podziemnych w strefie brzegowej oraz drenaż między ujęciem a brzegiem morza a, c bezpieczne depresje, b, d nadmierne obniżenie zwierciadła wód podziemnych Hydrogeological diagram investigated during numerical modelling exploitation of groundwater and dewatering in coastal zone a, c harmless drawdown, b, d overexploitation of groundwater lowe objęły obszar 29 km 2. Przyjęty podział obszaru filtracji okazał się wystarczający do schematycznego odwzorowania budowy geologicznej, warunków hydrogeologicznych oraz przyjętych granic. PARAMETRY WEJŚCIOWE I WERYFIKACJA MODELU Zakres wprowadzonych danych do programu modelującego obejmował: a) rzędną stropu, współczynnik filtracji poziomej i pionowej każdej modelowej warstwy wodonośnej, b) rzędną spągu V warstwy modelowej, c) rzędną zwierciadła wód podziemnych I, III i V warstwy modelowej (warunki początkowe), d) zasilanie infiltracyjne I warstwy modelowej, e) pozostałe warunki brzegowe wewnętrzne i zewnętrzne (w tym m.in.: pobór wód podziemnych, warunki graniczne modelu, inne wymuszenia). Wartość zasilania infiltracyjnego obliczono z uwzględnieniem wysokości opadów atmosferycznych, wskaźnika infiltracji i stopnia utrudnienia infiltracji (stopień zabudowy terenu). Przyjęto natężenie opadów atmosferycznych w wysokości 517 mm/rok, korygując je o poprawkę na deszczomierzu (ok. 20%). Pozostałe parametry hydrogeologiczne (w szczególności wartości współczynnika filtracji poziomej i pionowej) wprowadzono w oparciu o skonstruowany model hydrogeologiczny. W rezultacie powstał zespół tablic danych wejściowych obejmujących wyszczególnione zagadnienia dla wszystkich warstw modelowych (fig. 4). Granice modelu (warunki brzegowe zewnętrzne) zostały oparte o strefę krawędziową wysoczyzny morenowej, linię brzegową Bałtyku oraz linie prądu strumienia wód podziemnych płynących z wysoczyzny w kierunku morza. Warunki brzegowe I rodzaju (constant head boundary) przypisano w warstwie I na brzegu Martwej Wisły. Odcinki granic modelu wyznaczone wzdłuż linii prądu (działy wód podziemnych) opisano jako warunek brzegowy II rodzaju z brakiem przepływu wód (no fl ux boundary). Pozostałym granicom warstw I V przypisano warunki brzegowe III rodzaju, jako odsunięte granice modelu (general head boundary) warunki brzegowe III rodzaju zostały wyznaczone na tych od-