BIULETYN PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO 442: 69 78, 2010 R. ZASTOSOWANIE NUMERYCZNEGO MODELU FILTRACJI I SYSTEMÓW GEOINFORMATYCZNYCH GIS JAKO NARZĘDZI WSPOMAGAJĄCYCH WYZNACZANIE STREF OCHRONNYCH GZWP APPLICATION OF NUMERICAL MODELLING AND GEOINFORMATIC SYSTEMS GIS AS SUPPORT TOOLS IN ASSESSMENTS OF MGWB PROTECTION ZONES JACEK GURWIN 1, RAFAŁ SERAFIN 2 Abstrakt. Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi geoinformatycznych, zwłaszcza oprogramowania GIS, w opracowaniu konceptualnych modeli, a następnie rozwiązań numerycznych przy użyciu zaawansowanych pakietów obliczeniowych bazujących na MODFLOW, jest skuteczną metodą analizy regionalnych systemów wodonośnych w skomplikowanych warunkach hydrogeologicznych. Dotychczasowe doświadczenia w badaniach prowadzonych pod kątem oceny układu krążenia, składników bilansu wodnego, zasobów i stref ochronnych wybranych GZWP w utworach kenozoicznych dały autorom możliwość integracji i pełnej kontroli modelu z poziomu GIS. Prace te pozwoliły między innymi przetestować i wypracować skuteczną metodykę wyznaczania strefy ochronnej na podstawie obliczeń linii prądu i rzeczywistych prędkości przepływu w przestrzeni 3D metodą śledzenia cząstek MODPATH w powiązaniu z analizą średniego tempa przepływu w strefie aeracji. Schemat oparto na zbiorach danych geoprzestrzennych uzyskanych w GIS, jak numeryczny model terenu i wilgotność gruntu, oraz na modelu w postaci wynikowych danych macierzowych infiltracji efektywnej. Słowa kluczowe: numeryczny model filtracji, przepływ w strefie aeracji, GIS, MODFLOW/MODPATH, strefa ochronna GZWP. Abstract. The use of advanced geoinformatic systems, especially considering GIS as a pre-processor integrated with numerical models like MODFLOW, is the most effective method in analysis of complex regional groundwater systems. So far investigations carried out for establishing water balance components, groundwater resources and protection zones in several Major Groundwater Basins (MGWBs) have proved that full model control from a GIS platform is necessary to fulfill all these tasks. During the work the method of protection zone evaluation was tested as well combining simplified GIS analysis of average flow time in unsaturated zone with semi-analytical particle tracking MODPATH modelling in saturated zone. The scheme of calculation is based on GIS layers such as DEM and soil moisture together with resultant matrix of effective infiltration being achieved from MODFLOW model. Key words: numerical flow model, unsaturated flow, GIS, MODFLOW/MODPATH, protection zone of MGWB. WSTĘP Praca ma na celu przedstawienie metodycznych wskazań na temat możliwości oceny czasu przepływu wód przez strefę aeracji w obszarach GZWP w systemach pradolinnych i kopalnych. Wykorzystanie środowiska Modflow pozwala interpretować wyniki wraz z obliczeniami czasu filtracji wód podziemnych w strefie saturacji. W pierwszej części scharakteryzowano krótko możliwości rozwiązań numerycznych, w tym MODFLOW/MODPATH w obliczeniach filtracji, a w drugiej zawarto uwagi metodyczne wraz z wynikami uzyskanymi dla fragmentu wybranego GZWP. Z prac 1 Uniwersytet Wrocławski, Wydział Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska, Instytut Nauk Geologicznych, pl. Maxa Borna 9, 50-205 Wrocław; e-mail: jacek.gurwin@ing.uni.wroc.pl 2 Państwowy Instytut Geologiczny-Państwowy Instytut Badawczy, Oddział Dolnośląski, al. Jaworowa 19, 53-122 Wrocław; e-mail: rafal.serafin@pgi.gov.pl
70 Jacek Gurwin, Rafał Serafin dotyczących tej problematyki zaproponowano uproszczone metody, które mogłyby być wykorzystane w badaniach GZWP, realizowanych w ramach prac dotyczących programów i dokumentacji geologicznych określających warunki hydrogeologiczne w związku z ustanawianiem obszarów ochronnych GZWP (Herbich i in., 2009). Jako przykład rozwiązania wykorzystano opracowany wcześniej regionalny model GZWP nr 302. NUMERYCZNY MODEL FILTRACJI MODFLOW STANDARDOWE NARZĘDZIE W OPRACOWANIU REGIONALNYCH MODELI GZWP Rozwój technik geoinformatycznych w zadaniach dotyczących filtracji wód podziemnych nieustannie wpływa na sposób przygotowania danych i budowę modeli z ich skomplikowaną, wielowarstwową strukturą. Zwłaszcza w odniesieniu do dużych systemów wodonośnych, w których operowanie tysiącami zgromadzonych danych byłoby bez tych narzędzi niemożliwe. Od kilkunastu lat hydrogeolodzy zajmujący się modelowaniem dysponują profesjonalnym oprogramowaniem, w większości opartym na modułach MODFLOW (McDonald, Harbaugh, 1988) w integracji z narzędziami GIS. Najbardziej zaawansowanymi pakietami są GMS (Groundwater Modelling System) firmy EMS-i Inc. (ECGL, 2000) oraz GROUNDWATER VISTAS firmy ESI Inc., ale wykorzystywane są też Processing Modflow PMWin (Chiang, Kinzelbach, 2005) czy VisualModflow VM (Guiger, Franz, 1997), które nie spełniają jednak oczekiwań jako kompleksowy system zintegrowany z GIS. Między innymi współdziałanie z najnowszymi wersjami ArcGIS powoduje, że zarówno GMS, jak też VISTAS w równym stopniu można zarekomendować jako optymalne i najlepsze narzędzia do opracowania regionalnych modeli GZWP (Gurwin, Serafin, 2008). Moduł obliczeniowy programu MODFLOW bazuje na metodzie różnic skończonych (MRS) i do obliczeń wykorzystuje szereg metod iteracyjnych. Algorytm oparty jest na numerycznym przybliżonym rozwiązaniu układu równań filtracji w przestrzeni trójwymiarowej. Program służy do modelowania ustalonych i nieustalonych warunków przepływu wód podziemnych w układzie wielowarstwowym. Odwzorowanie rzeczywistego systemu może się odbywać zarówno na drodze wykonania w pełni trójwymiarowego modelu (3D), jak też tzw. modelu pseudoprzestrzennego. Moduł obliczeniowy MODFLOW wspomagany jest przez MOD- PATH (Pollock, 1988, 1994), w którym na drodze semianalitycznych obliczeń prędkości adwekcyjnego przepływu cząstek w strumieniu wód podziemnych uzyskujemy możliwość precyzyjnej przestrzennej analizy linii prądów i czasu dopływu wód podziemnych. Symulacje te są wykorzystywane w opracowaniu stref ochronnych GZWP poprzez analizę izochrony 25-letniego dopływu strumienia do granic zbiornika. Wykorzystanie wymienionych programów pozwala na przestrzenną interpretację układu krążenia i czasu przepływu wód podziemnych dla strefy saturacji, gdy tymczasem w wyznaczaniu strefy ochronnej decydujące znaczenie ma również tempo przepływu w strefie aeracji. MODEL FILTRACJI W STREFIE AERACJI Do przeprowadzenia obliczeń przepływu w strefie aeracji można wykorzystać modele o różnym stopniu złożoności, zależnie od jakości wykorzystywanych danych wejściowych, takie jak: EARTH (van der Lee, Gehrels, 1990), HYDRUS 1-D, 2-D (Šimunek i in., 1999), SWAP (Feddes i in., 1978), UNSATH (Fayer, 2000) i inne. Deterministyczne numeryczne modele przepływu w strefie aeracji wykorzystują jako podstawę obliczeń równanie Richardsa (1931) (van Genuchten, 1980; Lerner i in., 1990): θ q = + S t z q dla przepływu jednoosiowego, pionowego zgodnie z prawem Darcy jest równe: H ( h + z) q = k( θ) = k( θ) z z gdzie: θ wilgotność, (L 3 L 3 ), z głębokość, (L), S parametr uwzględniający straty wody w gruncie poprzez ewapotranspirację (L 3 L 3 T 1 ), t czas, (T), H wysokość hydrauliczna, (L), h wysokość ciśnienia w gruncie, (L), k(θ) współczynnik filtracji przy określonej wilgotności θ, (LT 1 ). Pełne rozwiązanie numerycznego modelu nieustalonej filtracji w strefie aeracji jest najbardziej zaawansowaną i najpewniejszą metodą obliczeń czasu przepływu. Jednak liczba koniecznych danych i parametrów wejściowych jest tak duża, a sam model na tyle złożony, że przekracza możliwości standardowych rozwiązań dla ustalania stref ochronnych GZWP. Należy jednak dążyć do takiego rozwinięcia sieci obserwacyjnych, zwłaszcza stacji hydrogeologicznych, aby dostarczały niezbędnej wiedzy także w zakresie rozpoznania strefy aeracji w wybranym GZWP. [1] [2]
Zastosowanie numerycznego modelu filtracji i systemów geoinformatycznych GIS... 71 WYZNACZANIE CZASU PRZEPŁYWU PIONOWEGO DO UŻYTKOWYCH WARSTW WODONOŚNYCH W celu uproszczenia rozważań w określaniu czasu przepływu pionowego w strefie aeracji można bazować na uśrednionych dla roku wartościach infiltracji efektywnej obliczonych na modelu w MODFLOW oraz metodyce zgodnej z założeniami zaproponowanymi do oznaczania wrażliwości na zanieczyszczenie pierwszego poziomu wodonośnego (Witczak, red., 2005; Herbich i in., 2008). Ponieważ zdolność infiltracyjna utworów przypowierzchniowych, a tym samym współczynnik filtracji w strefie aeracji, wzrasta funkcyjnie wraz z wilgotnością k(θ), to największą wartość osiąga w warunkach saturacji przy wilgotności maksymalnej, gdy k θ = k s. Czas przesączania przez strefę aeracji można szacować, wykorzystując obliczone na modelu wartości infiltracji, zgodnie ze znanymi wzorami (Kleczkowski, red., 1984; Witczak, Żurek, 1994): t = m / V a a a 1 Va = n gdzie: t a czas przesączania, (T), m a miąższość strefy aeracji, (L), 3 ω 2 k e [3] V a prędkość przesiąkania, (LT 1 ), n e porowatość efektywna, ( ), k współczynnik filtracji strefy aeracji, (LT 1 ), ω średnia roczna infiltracja, (LT 1 ). t m i ( ω ) I = n o a 1 gdzie: t a czas przesączania, (T), m i miąższość kolejnych warstw strefy aeracji, (L), ω o przeciętna wilgotność objętościowa warstw strefy aeracji, ( ), I infiltracja efektywna poniżej gleby, (LT 1 ). Infiltracja zależy od intensywności i czasu trwania opadu, a potencjalne zanieczyszczenie będzie się przemieszczać wraz z frontem zwilżania. Zasilanie warstwy wodonośnej jest zatem procesem incydentalnym, często nawet w długich okresach zanikającym. Dla celów praktycznych należy więc przyjąć, że w średniorocznym cyklu hydrologicznym wartości poddane optymalizacji na regionalnym modelu numerycznym są wystarczające. [4] AUTOMATYCZNY MONITORING HYDROGEOLOGICZNY I WSPOMAGAJĄCE BADANIA TERENOWE W ANALIZIE PRZEPŁYWU W STREFIE AERACJI Szczegółowe badania modelowe związane z przepływem w strefie aeracji są możliwe jedynie wówczas, gdy dysponujemy pomiarami wszystkich niezbędnych parametrów rządzących tym procesem. Dlatego ważne jest rozwijanie automatycznych systemów monitoringu (Gurwin i in., 2001), zwłaszcza stacji hydrogeologicznych z urządzeniami do pomiaru parametrów meteorologicznych zintegrowanych z instrumentami do pomiaru w strefie aeracji. Zmiany zasilania wód podziemnych w czasie zależą od rzeczywistej ewapotranspiracji występującej na badanym obszarze. Ewapotranspiracja jest jednym z najważniejszych składników bilansu wodnego i tym samym podstawowym parametrem uwzględnianym w numerycznym modelu zasilania. Jest to różnica pomiędzy wielkością opadów atmosferycznych a odpływem z badanego obszaru i zależy od szeregu czynników meteorologicznych, właściwości gruntów i rodzaju roślinności. System monitoringu do obliczeń ewapotranspiracji, a następnie modelowania przepływu w strefie aeracji powinien być wyposażony w odpowiedni zestaw urządzeń do pomiaru: (1) temperatury powietrza, (2) wilgotności względnej powietrza, (3) prędkości wiatru na wysokości 2 m, (4) promieniowania słonecznego, (5) opadu atmosferycznego, (6) temperatury gruntu na dwóch głębokościach, (7) wilgotności / ciśnienia ssącego gruntu w profilu, (8) wahań zwierciadła wód podziemnych. Jako optymalny model obliczeniowy ewapotranspiracji dla większości regionów i klimatów, także dla Polski, wskazywany jest model FAO Penman-Monteith, który jest rozwinięciem podstawowego wzoru Penmana opartego na bilansie energii i transportu masy. Na podstawie zgromadzonych danych dla przyjętej powierzchni referencyjnej obliczana jest potencjalna ewapotranspiracja ET o (Allen i in., 1989). Następnie w modelach typu EARTH lub HYDRUS można analizować przepływy w strefie aeracji i zmiany zasilania w czasie. W ocenie prędkości filtracji w strefie aeracji bardzo przydatne może być wykonanie badań infiltracyjnych z wykorzystaniem dwupierścieniowych infiltrometrów polowych. W tym celu w obszarze GZWP należy wytypować przynajmniej pojedyncze punkty badawcze w obrębie głównych wydzieleń litologicznych utworów przypowierzchniowych, a następnie w ramach prac terenowych wykonać pomiary infiltrometryczne. Pomiar prowadzony jest do osiągnięcia tzw. bazowej infiltracji w warunkach saturacji, po czym zostaje oznaczony współczynnik filtracji w stanie nasycenia. A zatem ostatecznie w wyniku tego eksperymentu otrzymujemy prędkość pionowej filtracji. Uwzględniając miąższość strefy aeracji, można oszacować czas przepływu do zwierciadła wód podziemnych.
72 Jacek Gurwin, Rafał Serafin ZASTOSOWANIE METOD INTEGRACJI MODELU MODFLOW W ŚRODOWISKU GIS DO OBLICZEŃ CZASU PRZEPŁYWU W STREFIE AERACJI Opracowanie numerycznego modelu terenu (DEM) należy uznać za niezbędny etap w przygotowaniu przestrzennego modelu układu hydrostrukturalnego badanego GZWP (Gurwin, 2001, 2003). DEM stanowi bowiem powierzchnię bazową geometrii zbiornika i pomaga w jednoznacznym odwzorowaniu kontaktu wód powierzchniowych z wodami podziemnymi (fig. 1). Ponadto pozwala w trakcie symulacji i kalibracji modelu kontrolować położenie obliczonego zwierciadła wód podziemnych w stosunku do powierzchni terenu. W opracowaniach regionalnych, jak dla GZWP w skali 1:50 000, bardzo dobre rezultaty można osiągnąć wykorzystując wektorową mapę poziomu 2VmapL2, uzupełnioną dodatkowo o warstwice w cięciu np. 2,5 m, zwłaszcza dla obszarów płaskich, które często występują w czwartorzędowych strukturach pradolinnych czy kopalnych. Mapa miąższości strefy aeracji. Po wprowadzeniu DEM do modelu MODFLOW, odejmując w każdym bloku obliczeniowym od rzędnej wysokości terenu rzędną zwierciadła wód podziemnych uzyskuje się obliczeniową miąższość stre- Fig. 1. Numeryczny model terenu, fragment GZWP 302 Digital terrain model (DEM) on a part of the MGWB 302 model
Zastosowanie numerycznego modelu filtracji i systemów geoinformatycznych GIS... 73 fy aeracji (fig. 2). Obliczenia wykonuje się w programie GIS poprzez odjęcie wynikowych danych rastrowych z zapisanymi wartościami DEM i otrzymanej wysokości hydraulicznej dla I warstwy modelu (w przypadku jej braku wartości należy odnosić do kolejnych warstw modelu, licząc od góry). W tym celu można również wykorzystać Mapę głębokości PPW GIS MhP PPW 1:50 000. Jest to zatem głębokość występowania zwierciadła swobodnego lub stropu pierwszego poziomu wodonośnego o zwierciadle napiętym. Mapa infiltracji efektywnej. Wielkość infiltracji efektywnej (R) określana jest na etapie przygotowania danych na podstawie klasyfikacji utworów przypowierzchniowych pod względem litologicznym, z uwzględnieniem spadków terenu i innych czynników warunkujących infiltrację. Zgodnie z wytycznymi Herbicha i in. (2009), w obszarach o znacznych spadkach terenu lub zwartej zabudowie miejskiej, możliwych do zidentyfikowania na mapie w skali 1:50 000, niezbędne jest uwzględnienie redukcji infiltracji efektywnej, spowodowanej dominacją spływu powierzchniowego. Na podstawie mapy topograficznej należy wówczas wyznaczyć stosowne obszary zgodnie z zaproponowaną metodyką. Ostatecznie, po wprowadzeniu tak ustalonych wejściowych danych do modelu, średnie roczne wartości infiltracji efektywnej (R) są obliczane w toku kalibracji regionalnego modelu w MODFLOW. W efekcie otrzymuje się ostateczny rozkład uśrednionej infiltracji efektywnej w każdym bloku modelu (fig. 3). Wartości te należy następnie wykorzystać w obliczeniach średniego czasu przesączania przez strefę aeracji. Fig. 2. Rozkład miąższości strefy aeracji, fragment modelu GZWP 302 Distribution of unsaturated zone thickness on a part of the MGWB 302 model
74 Jacek Gurwin, Rafał Serafin Fig. 3. Rozkład infiltracji efektywnej, fragment modelu GZWP 302 Distribution of effective infiltration on a part of the MGWB 302 model Mapa wilgotności objętościowej. Wykorzystując mapy geologiczne (SMGP) należy zestawić cyfrową warstwę litologii utworów przypowierzchniowych, a następnie przypisać stosowne wartości przeciętnej wilgotności objętościowej w strefie aeracji (fig. 4). W tym celu można wykorzystać metodykę z opracowania Mapy hydrogeologicznej PPW 1:50 000 wrażliwość na zanieczyszczenia i jakość. Wynikowa warstwa numeryczna czasu przesączania przez strefę aeracji. Na podstawie wyników modelu z powyższymi danymi dla każdego bloku siatki dyskretyzacyjnej obliczany jest uśredniony czas przesączania przez strefę aeracji w oparciu o zaproponowany schemat obliczeniowy. Uzyskane wyniki należy zestawić ze zbiorem danych modelu MODFLOW/MODPATH, zawierającym prędkości przepływu w strefie saturacji, stanowiącym podstawę interpretacji czasu 25-letniego dopływu do zbiornika (fig. 5). Analizując izochrony czasu przepływu w zestawieniu z polami przedziałów czasu przesączania przez strefę aeracji, należy interpretować ostateczny zasięg strefy ochronnej zbiornika z uwzględnieniem innych aspektów środowiskowych występujących na danym obszarze.
Zastosowanie numerycznego modelu filtracji i systemów geoinformatycznych GIS... 75 Fig. 4. Rozkład wilgotności objętościowej, fragment modelu GZWP 302 Distribution of soil moisture on a part of the MGWB 302 model PODSUMOWANIE Dzięki kompleksowej integracji modułów obliczeniowych MODFLOW z pakietów VISTAS lub GMS z systemem informacji geograficznej (GIS) możliwa jest interaktywna wymiana warstw numerycznych w wymienionych środowiskach z zachowaniem wyjściowego układu odwzorowania i skali właściwej dla regionalnych opracowań GZWP, co zostało przetestowane w wykonanych dotychczas opracowaniach (Dokumentacja..., 2007, 2008; Gurwin, 2008; Gurwin, Serafin, 2008). Deterministyczne numeryczne modele przepływu w strefie aeracji są skomplikowane i wymagają dużej liczby danych z pomiarów, opartych na automatycznych systemach monitoringu. Dlatego dla potrzeb regionalnych modeli GZWP i wyznaczania ich stref ochronnych proponuje się wykorzystanie uproszczonych schematów obliczenio- wych, które w połączeniu z wynikami modelu MODFLOW i systemami GIS są bardzo skutecznym narzędziem w tym zakresie. Obliczenia czasu przesączania przez strefę aeracji oparto na znanych schematach, wykorzystujących takie uśrednione parametry, jak: miąższość strefy aeracji obliczona na podstawie numerycznego modelu terenu (DEM) i rzędnej zwierciadła wód podziemnych, przeciętna wilgotność objętościowa, infiltracja efektywna jako wynik kalibracji modelu MODFLOW. Wykonanie dobrego modelu terenu pomaga m.in. w kalibracji modelu, zwłaszcza w obszarach o dużej zmienności konfiguracji terenu i mniejszej liczbie punktów obserwacyjnych. Niezwykle ważny jest zintegrowany z MODFLOW program MODPATH (Pollock, 1988, 1994), w którym na dro-
76 Jacek Gurwin, Rafał Serafin Fig. 5. Rozkład czasu przesączania przez strefę aeracji wraz z prędkością przepływu strumieni wód podziemnych, fragment modelu GZWP 302 Distribution map of flow time through unsaturated zone in combination with groundwater flow velocity on a part of the MGWB 302 model dze semianalitycznych obliczeń prędkości adwekcyjnego przepływu cząstek w strumieniu wód podziemnych uzyskujemy możliwość przestrzennej analizy linii prądów i czasu dopływu wód podziemnych. Obliczenia MODFLOW/MODPATH w zestawieniu z uproszczonymi obliczeniami dla strefy aeracji należy wy- korzystywać w opracowaniu strefy ochronnej wybranego GZWP, analizując izochrony 25-letniego dopływu strumienia do granic zbiornika łącznie z obliczonym dla każdego bloku czasem przesączania w strefie aeracji. Ostateczne granice obszaru ochronnego ustala się po wnikliwej analizie wszystkich elementów środowiskowych.
Zastosowanie numerycznego modelu filtracji i systemów geoinformatycznych GIS... 77 LITERATURA ALLEN R.G., JENSEN M.E., WRIGHT J.L., BURMAN R.D., 1989 Operational estimates of evapotranspiration. Agron. J., 81: 650 662. CHIANG W.H., KINZELBACH W., 2005 3D-groundwater modeling with PMWIN, SPIN 10774334. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York. DOKUMENTACJA hydrogeologiczna określająca warunki hydrogeologiczne dla ustanowienia obszaru ochronnego zbiornika wód podziemnych Oleśnica (GZWP nr 322), 2006. J. Krawczyk, J. Gurwin, A. Jednoróg, R. Serafin, R. Śliwka. Arch. PG Proxima SA, Wrocław. DOKUMENTACJA hydrogeologiczna określająca warunki hydrogeologiczne dla ustanowienia obszaru ochronnego zbiornika wód podziemnych PRADOLINA BARYCZ GŁOGÓW (W) (GZWP nr 302), 2007. J. Kapuściński, A. Bentkowski, R. Wojciechowska, J. Gurwin, R. Serafin, R. Śliwka, G. Firlit. Arch. POLGEOL SA, Warszawa. ECGL, 2000 Groundwater modeling system. Engineering Computer Graphics Laboratory, Brigham Young University, Utah. FAYER M.J., 2000 UNSATH version 3.0: unsaturated soil water and heat flow model, theory, user manual and examples. Rep. 13249. Battelle Pacific Northwest Laboratory, Hanford, Washington. FEDDES R.A., KOWALIK P.J., ZARADNY H., 1978 Simulation of field water use and cropyield. Simulation Monograph. Pudoc-DLO, Wageningen, The Netherlands. van GENUCHTEN M.Th., 1980 A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sc. Soc. Am. J., 44: 892. GUIGER N., FRANZ T., 1997 Visual MODFLOW for Windows. Waterloo, Hydrogeologic Inc. Ontario, Canada. GURWIN J., 2001 The methods of regional to local scale model conversion placing emphasis on multi-layered aquifer systems. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 10, cz. 2: 333 340. Wyd. SUDETY, Wrocław. GURWIN J., 2003 Dane wejściowe a kalibracja numerycznego modelu filtracji. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 11, cz. 1: 301 308. WBWiIŚ, Gdańsk. GURWIN J., 2008 Numeryczny model filtracji systemu wodonośnego wschodniej części GZWP nr 321. W: Modelowanie procesów hydrologicznych CMPH 2008 (red. B. Namysłowska- Wilczyńska): 293 314. Oficyna Wyd. PWroc., Wrocław. GURWIN J., KAZIMIERSKI B., LUBCZYŃSKI M., 2001 Automatyzacja systemów monitoringu hydrogeologicznego na przykładzie projektu rozwoju stacji hydrogeologicznej w Zebrzydowie koło Świdnicy. W: Współczesne problemy hydrogeologii, t. 10, cz. 2: 35 46. Wyd. SUDETY, Wrocław. GURWIN J., SERAFIN R., 2008 Budowa przestrzennych modeli koncepcyjnych GZWP w systemach GIS zintegrowanych z MODFLOW. Biul. Państw. Inst. Geol., 431, Hydrogeologia: 49 59. HERBICH P. i in., 2008 Wskazania metodyczne do opracowania warstw informacyjnych bazy danych GIS Mapy hydrogeologicznej Polski 1:50 000 Pierwszy poziom wodonośny wrażliwość na zanieczyszczenie i jakość wód. Państw. Inst. Geol., Warszawa. HERBICH P., KAPUŚCIŃSKI J., NOWICKI K., PRAŻAK J., SKRZYPCZYK L., 2009 Metodyka wyznaczania obszarów ochronnych głównych zbiorników wód podziemnych dla potrzeb planowania i gospodarowania wodami w obszarach dorzeczy. Min. Środ., Warszawa. KLECZKOWSKI A.S. (red.), 1984 Ochrona wód podziemnych. Wyd. Geol., Warszawa. van der LEE J., GEHRELS J., 1990 Modelling aquifer recharge introduction to the lumped parameter model EARTH. Free University of Amsterdam. LERNER D.N., ISSAR A.S., SIMMERS I., 1990 Groundwater recharge. A guide to understanding and estimating natural recharge. Int. Contributions to Hydrogeology (IAH), vol. 8. Verlag Heinz Heise, Germany. McDONALD M.G., HARBAUGH A.W., 1988 A modular threedimensional finite-difference ground-water flow model. U.S. Geological Survey Open-File Report, Washington. POLLOCK D.W., 1988 Semi-analytical computation of path lines for finite difference models. Ground Water, 26, 6: 743 750. POLLOCK D.W., 1994 User s guide for MODPATH, version 3: A particle tracking post-processing package for MODFLOW the U.S. Geological Survey finite-difference groundwater flow model. Reston, VA. U.S. Geological Survey. RICHARDS L.A. 1931 Capillary conduction of liquids through porous mediums. Physics, 1, 5: 318 333. ŠIMUNEK J., ŠEJNA M., van GENUCHTEN M.TH., 1999 The HYDRUS-2D software package for simulating the two-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably-saturated media. Version 2.0. U.S. Dept. of Agriculture, Riverside, California. WITCZAK S. (red.), 2005 Mapa wrażliwości wód podziemnych na zanieczyszczenie 1:500 000. Plansza 1 Wody podziemne związane z wodami powierzchniowymi oraz ekosystemami lądowymi zależnymi od wód podziemnych. Plansza 2 Podatność na zanieczyszczenie Głównych Zbiorników Wód Podziemnych (GZWP). Arcadis Ekokonrem Sp. z o.o., Warszawa. WITCZAK S., ŻUREK A., 1994 Wykorzystanie map gleboworolniczych w ocenie ochronnej roli gleb dla wód podziemnych. W: Metodyczne podstawy ochrony wód podziemnych (red. A.S. Kleczkowski): 155 180. AGH, Kraków.
78 Jacek Gurwin, Rafał Serafin SUMMARY Due to integration of MODFLOW modules from VISTAS and GMS packages with advanced GIS tools an interactive exchange of numerical layers between both environments is available that is a crucial aspect for evaluation of complex hydrogeological conditions of MGWB. Deterministic numerical models for unsaturated zone are too complicated and data demanding to be applied that s why for protection zone evaluation of MGWBs it is suggested to use some simplified calculation scheme incorporating MODFLOW/MODPATH results with GIS analysis. The GIS layers of DEM, unsaturated zone thickness and relative soil moisture after importing to a grid are recalculated developing a resultant map of flow time through unsaturated zone. The isochrones of 25-year inflow to the basin boundaries in combination with GIS calculation of flow time in every cell of the grid, gives opportunity of determining a protection zone taking into account also additional environmental aspects.