01-06.indd 3 2008-09-09 14:56:49 Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 6 (4) 2007, 3 16 WPŁYW PROJEKTOWANEGO ZBIORNIKA MAŁEJ RETENCJI NA STANY WÓD PODZIEMNYCH W JEGO OTOCZENIU Mieczysław Chalfen, 1 Alicja Czamara Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Streszczenie. Analizowano wpływ piętrzenia wód w projektowanym zbiorniku retencyjnym na położenie zwierciadła wód gruntowych w jego otoczeniu. Rozpatrzono cztery warianty piętrzenia. Określono zasięg oddziaływania zbiornika na wody gruntowe w warunkach ruchu ustalonego, zbadano również wpływ krótkotrwałego maksymalnego piętrzenia do rzędnej korony zapory oraz wpływ zwiększonego zasilania ze strefy aeracji w okresie opadowym na poziom wód gruntowych. W badaniach wykorzystano autorski model matematyczny, płaski w planie, oparty na dwuwymiarowym niestacjonarnym równaniu Boussinesqa. Do rozwiązania równania różniczkowego zastosowano metodę elementów skończonych. Stwierdzono, że wysokość piętrzenia wody w zbiorniku istotnie wpływa na zasięg jego oddziaływania na wody gruntowe, natomiast ani krótkotrwałe spiętrzenie w okresie powodziowym, ani zwiększone zasilanie ze strefy aeracji w okresie opadowym nie powoduje istotnego przyrostu stanów wód gruntowych. Dzięki przeprowadzonym symulacjom komputerowym można było na etapie projektowania przyjąć bezpieczny wariant piętrzenia, nie zagrażający obiektom budowlanym znajdującym się w sąsiedztwie zbiornika. Słowa kluczowe: piętrzenie wód, wody gruntowe, model matematyczny, prognoza WSTĘP Stosunki wodne na terenach przyległych do cieków i zbiorników wodnych kształtują się w zależności od warunków zasilania wód podziemnych, budowy geologicznej terenu i stanów wód powierzchniowych. Zbiorniki wodne powodują wzrost i stabilizację stanów wody gruntowej na terenach powyżej budowli piętrzącej oraz spadek stanów wody poniżej budowli. Podnoszenie się stanów wód podziemnych może zagrażać obiektom budowlanym usytuowanym w sąsiedztwie zbiornika. Celem badań było określenie oddziaływania projektowanego zbiornika małej retencji Czerwieńsk na położenie wód podziemnych na terenie do niego przyległym. Brano Adres do korespondencji Corresponding author: dr Mieczysław Chalfen, Katedra Matematyki, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Grunwaldzka 53, 50-357 Wrocław, e-mail: mieczyslaw.chalfen@up.wroc.pl
01-06.indd 4 2008-09-09 14:56:49 4 M. Chalfen, A. Czamara pod uwagę różną wysokość piętrzenia wody w zbiorniku oraz uwzględniano różną wartość zasilania wód podziemnych ze strefy aeracji: średnie roczne zasilanie (W) równe 0,6 mm d -1 i zwiększone zasilanie w okresie letnim roku mokrego, przyjęte jako W = 1,0 mm d -1 przez 90 dni [Opady atmosferyczne 1981]. W zasięgu oddziaływania stopnia znajduje się stacja benzynowa, basen kąpielowy oraz kanalizacja miejska. Na podstawie wykonanej prognozy przyjęto wariant piętrzenia uwzględniający ochronę istniejącej infrastruktury przed podtopieniem. MATERIAŁ I METODY Warunki naturalne i opis obiektu Obszar objęty badaniami znajduje się w województwie lubuskim, na południowy wschód od miejscowości Czerwieńsk (rys. 1). Teren projektowanego zbiornika leży w północnej części Wysoczyzny Czerwieńskiej ograniczonej od południa Wałem Zielonogórskim, a od północy Doliną Środkowej Odry, w obrębie jednostki geologicznej monokliny przedsudeckiej. Rys. 1. Lokalizacja projektowanego zbiornika Czerwieńsk (na podstawie Mapy sytuacyjno- -wysokościowej 1 : 25 000 [1981]); ABCD granica terenu badań Fig. 1. Location of projected reservoir Czerwieńsk (based on: Mapa sytuacyjno-wysokościowa 1 : 25 000 [1981]); ABCD border of study area Acta Sci. Pol.
01-06.indd 5 2008-09-09 14:56:49 Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 5 Główne cieki na tym terenie to Złoty Potok oraz jego dopływy: prawobrzeżny Złota Łącza i lewobrzeżny Strużyna. Zbiornik Czerwieńsk ma zostać zbudowany na Złotym Potoku, w km od 4+083 do 5+500. Wody Złotego Potoku są odprowadzane Kanałem Młyńskim do Zimnego Potoku będącego lewobrzeżnym dopływem Odry. Na Strużynie w pobliżu jej ujścia do Złotego Potoku znajduje się zalew Strużyna, który wpływa stabilizująco na poziom wody gruntowej w przyległych terenach leśnych, a jednocześnie przyczynia się do zmiany stanów wody gruntowej na terenach powyżej i poniżej tego zbiornika. Doliny Złotego Potoku i jego dopływów są przeważnie wąskie, lecz w rejonie planowanego zbiornika dolina Złotego Potoku, w której rzeka lekko meandruje, rozszerza się, osiągając maksymalnie szerokość ok. 180 m. Projektowany zbiornik ma się znaleźć w obrębie rynny erozyjnej, którą płynie Złoty Potok, biegnącej z południa na północ. Dno doliny jest zabagnione, z wodami stagnującymi przy powierzchni terenu. Lustro wody w cieku znajduje się najczęściej ok. 0,3 0,5 m poniżej dna doliny [Czamara i Chalfen 2006]. Rzędne dna doliny Złotego Potoku wynoszą od 52,5 53,0 m n.p.m. w rejonie zapory do 56 57 m n.p.m. w rejonie cofki zbiornika (spadek podłużny 0,002). Deniwelacje na terenie przyległym do zbiornika sięgają 20 30 m. Na badanym obszarze dominują czwartorzędowe plejstoceńskie utwory fluwioglacjalne zlodowacenia północnopolskiego (kompleks piasków i żwirów wodnolodowcowych), których miąższość wynosi od 15 do 20 m. Poniżej zalegają utwory lodowcowe (pyły, mułki, iły) tego samego zlodowacenia, o miąższości ok. 10 m. W ich spągu znajdują się piaski i żwiry wodnolodowcowe zlodowacenia środkowopolskiego, o miąższości ok. 20 m. Lokalnie spotyka się gliny zwałowe [Mapa Geologiczna Polski 1976, Dokumentacja 1980] (rys. 2). Rys. 2. Przekrój geologiczny terenu (na podstawie Dokumentacji hydrogeologicznej [1980]) Fig. 2. Geological cross-section of area (based on: Dokumentacja hydrogeologiczna [1980]) Formatio Circumiectus 6 (4) 2007
01-06.indd 6 2008-09-09 14:56:49 6 M. Chalfen, A. Czamara W dolinach rzek i w obniżeniach terenowych występują utwory holoceńskie reprezentowane przez utwory rzeczno-bagienne, piaski i pospółki z wkładkami torfów i namułów. Tworzą one holoceńskie tarasy: zalewowy i nadzalewowy. W obniżeniach terenowych nagromadziły się holoceńskie namuły organiczne. Zbiornik Czerwieńsk znajdzie się w obrębie głównego zbiornika wód podziemnych (GZWP) nr 150 Pradoliny Warszawsko-Berlińskiej, który charakteryzuje się występowaniem wody o charakterze porowym w utworach kemowo-sandrowych [Mapa Głównych Zbiorników 2001]. Zwierciadło wody jest tu najczęściej swobodne, tylko lokalnie napięte przez pakiety torfów i namułów. Miąższość utworów wodonośnych wynosi od ok. 15 do ok. 20 m (rys. 2). Wody podziemne i powierzchniowe odpływają z południa na północ. Zwierciadło wód gruntowych lokalnie jest nieznacznie nachylone w kierunku Złotego Potoku. Wartości współczynnika filtracji utworów wodonośnych w rejonie projektowanego zbiornika, wyznaczone na podstawie próbnych pompowań, kształtują się w przedziale od 4,06 m d -1 dla piasków drobnych do 63,9 m d -1 dla żwirów. Średnia wartość współczynnika filtracji na terenie projektowanego zbiornika wynosi 40 m d -1 [Dokumentacja 1980]. W przekroju zapory czołowej zbiornika zwierciadło wód podziemnych pierwszego poziomu wodonośnego znajduje się na rzędnej od ok. 53,00 do ok. 54,00 m n.p.m., a na terenach otaczających zbiornik na rzędnych od ok. 54,50 do 60,00 m n.p.m. Wody piętrzone w zbiorniku będą pozostawały w ścisłym związku hydraulicznym z wodami gruntowymi terenów przyległych do zbiornika. W miejscach występowania gruntów organicznych kontakt wód zbiornika z wodami podziemnymi będzie nieco utrudniony. Podstawowe parametry techniczne projektowanego zbiornika Zbiornik małej retencji Czerwieńsk jest projektowany jako zalew powstały w km 4+083 Złotego Potoku przez spiętrzenie wody zaporą ziemną przegradzającą dolinę cieku. Podstawowe parametry techniczne zbiornika są następujące [Czamara i Chalfen 2006]: normalny poziom piętrzenia (NPP) 55,65 m n.p.m., maksymalny poziom piętrzenia (max PP) 55,95 m n.p.m., maksymalna wysokość piętrzenia przy max PP 4,1 m, objętość zbiornika przy max PP 139 tys. m 3, objętość zbiornika przy NPP 118 tys. m 3, objętość użyteczna zbiornika 40 tys. m 3, powierzchnia zbiornika przy max PP 12,9 ha, powierzchnia zbiornika przy NPP 11,8 ha, średnia głębokość zbiornika przy NPP 1,45 m, długość zbiornika 1,48 km, szerokość zbiornika w lustrze wody 50 180 m. Acta Sci. Pol.
Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 7 OBLICZENIA SYMULACYJNE FILTRACJI HORYZONTALNEJ Z WYKORZYSTANIEM MODELU MATEMATYCZNEGO Model matematyczny W badaniach symulacyjnych zastosowano autorski model matematyczny szczegółowo przedstawiony we wcześniejszej pracy [Chalfen 2003]. Model opisuje przepływ wód gruntowych w strefie saturacji w przekroju płaskim w planie, przy swobodnym bądź napiętym reżimie przepływu. Jest to model dynamiczny w czasie, w układzie dwóch zmiennych przestrzennych (x-y). Dopuszcza on niejednorodność i anizotropię ośrodka gruntowego oraz zmienność w czasie i przestrzeni warunków brzegowych, pozwala również uwzględnić zasilanie infiltracyjne ze strefy aeracji. Podstawą modelu jest równanie Boussinesqa [Kinzelbach 1986]: µ h t = (T 1 h x ) x + (T 2 h y ) y + W gdzie: µ odsączalność ( ), h t pochodna wysokości piezometrycznej względem czasu (m d -1 ), T 1 wodoprzewodność warstwy wodonośnej wzdłuż osi Ox (m 2 d -1 ), h x pochodna wysokości piezometrycznej względem zmiennej x ( ), T 2 wodoprzewodność warstwy wodonośnej wzdłuż osi Oy (m 2 d -1 ), h y pochodna wysokości piezometrycznej względem zmiennej y ( ), W funkcja źródłowa (m d -1 ). Równanie wraz z przyjętymi warunkami początkowo-brzegowymi rozwiązano metodą elementów skończonych. Cieki dogłębione zamodelowano warunkiem Dirichleta, przyjmując wysokość piezometryczną równą stanom wody w cieku. Cieki niedogłebione znajdujące się w obszarze filtracji opisano warunkiem brzegowym typu Dirichleta z jedoczesną modyfikacją współczynnika filtracji w najbliższym sąsiedztwie cieku. Współczynnik filtracji w tych rejonach zmniejszono proporcjonalnie do stopnia niedogłębienia cieku. Obszar filtracji, zewnętrzne warunki brzegowe Obliczenia symulacyjne przeprowadzono w obszarze ABCD (rys. 1) wytyczonym wokół projektowanego zbiornika i wokół miasta Czerwieńsk. Odcinek AB od południa poprowadzono wzdłuż hydroizohipsy 60,50 m. Brzeg wschodni BC stanowią cieki Łączna i Kanał Młyński. Od północy (CD) obszar ograniczono ciekiem Zimny Potok. Odcinek DA poprowadzono wzdłuż lokalnej linii prądu wyznaczonej na podstawie archiwalnych badań hydrogeologicznych. W kierunku N-S obszar rozciąga się na 4,5 km, a w kierunku W-E na 3,5 km wokół Czerwieńska, zajmując powierzchnię 12,56 km 2. Na odcinku AB przyjęto w modelu warunek brzegowy typu Dirichleta z wysokością piezometryczną 60,50 m. Na odcinkach BC i CD również założono warunki brzegowe typu Dirichleta, przyjmując, że wysokości piezometryczne są zgodne ze średnimi stanami wód w ciekach Łączna, Kanał Młyński i Zimny Potok. Odcinek DA zamodelowano warunkiem brzegowym typu Neumana, przyjmując natężenie przepływu (q) równe 0 m 2 d -1. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 01-06.indd 7 2008-09-09 14:56:49
01-06.indd 8 2008-09-09 14:56:50 8 M. Chalfen, A. Czamara Wewnętrzne warunki brzegowe Występujące w południowej części badanego obszaru cieki Strużyna wraz z zalewem Strużyna oraz Złoty Potok wraz z projektowanym zbiornikiem Czerwieńsk opisano w modelu jako cieki niedogłębione. W przypadku zbiornika Strużyna przyjęto stałą wysokość piętrzenia 58,0 m n.p.m. Stany wód w cieku Złoty Potok przed wybudowaniem zbiornika przyjęto według wartości podanych na mapie hydrogeologicznej. W obliczeniach symulujących istnienie zbiornika na Złotym Potoku przyjęto dwa warianty piętrzenia wody powyżej stopnia piętrzącego: do rzędnej 55,65 i 55,00 m n.p.m. zgodnie z wariantami rozważanymi na wstępnym etapie projektowania zbiornika [Czamara i Chalfen 2006]; poniżej stopnia zachowano stany cieku jak przed piętrzeniem. Na podstawie rozpoznania hydrogeologicznego [Dokumentacja 1980] przyjęto, że średni współczynnik filtracji warstwy wodonośnej dla całego badanego obszaru wynosi 40 m d -1. Tam, gdzie dysponowano dokładnymi danymi z odwiertów wzdłuż projektowanego zbiornika Czerwieńsk, współczynnik filtracji obliczano jako średnią ważoną ze współczynników opisujących poszczególne warstwy geologiczne [Kowalski 1987] (rys. 2). Poziom zalegania spągu warstwy wodonośnej określono na podstawie przekrojów hydrogeologicznych w przedziale 40 42 m n.p.m. [Dokumentacja 1980] (rys. 2). Rzędne terenu przyjęto na podstawie map topograficznych. Zasilanie zewnętrzne ze strefy aeracji Średnia roczna suma opadów na badanym terenie wynosi 600 mm. W modelu przyjęto (na drodze tarowania modelu z zastosowaniem archiwalnych danych dotyczących poziomu wód gruntowych w rejonie zbiornika), że ok. 35% opadów zasila strefę saturacji, co daje zasilanie ze strefy aeracji (W) równe 0,6 mm d -1. Przeprowadzono również obliczenia, zakładając, że w przypadku lat mokrych (opad powyżej 800 mm rok -1 ) zasilanie strefy saturacji w okresie letnim wynosi 1 mm d -1 [Kowalski 1987]. Siatka dyskretyzacyjna Dla zdefiniowanego obszaru filtracji (rys. 1) wygenerowano siatkę liczącą 4478 węzłów i 8781 trójkątów. Średni bok trójkąta wynosił od 50 do 100 m. Siatkę zagęszczono lokalnie wokół wewnętrznych cieków do 25 m. Średni maksymalny kąt w trójkątach wynosił 64 (jest to o tyle ważne, że im bardziej trójkąty są podobne do równobocznych, tym dokładniejsze są wyniki dalszych obliczeń) [Zienkiewicz i in. 2005]. OBLICZENIA SYMULACYJNE Obliczenia symulacyjne wykonano w czterech wariantach: I. Stan istniejący przed piętrzeniem; IIa. Piętrzenie do rzędnej 55,65 m n.p.m., W = 0,6 mm d -1 ; IIb. Piętrzenie do rzędnej 55,00 m n.p.m., W = 0,6 mm d -1 ; Acta Sci. Pol.
Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 9 III. 2-dniowe piętrzenie do rzędnej 55,95 m n.p.m., W = 0,6 mm d -1 ; IV. Piętrzenie do rzędnej 55,65 m n.p.m., W = 0,6 1,0 mm d -1. W wariancie I wyznaczono układ hydroizohips opisujących stan istniejący przed wybudowaniem stopnia piętrzącego. W wariantach IIa i IIb wykonano obliczenia dla dwóch wartości normalnego poziomu piętrzenia wody w projektowanym zbiorniku: NPP = 55,65 m n.p.m. oraz NPP = 55,00 m n.p.m. W wariancie III obliczenia przeprowadzono dla krótkotrwałego, dwudniowego piętrzenia do PP max = 55,95 m n.p.m. (poziomu powodziowego, określonego na podstawie danych historycznych). W wariancie IV przyjęto w okresie letnim zwiększone zasilanie strefy saturacji z opadów atmosferycznych (do 1,0 mm d -1 ). Wyniki obliczeń pozwoliły na porównanie map hydroizohips przed spiętrzeniem i po spiętrzeniu. Na tej podstawie oszacowano wpływ piętrzenia na poziom zalegania zwierciadła wód gruntowych na terenie przyległym do zbiornika. Wszystkie symulacje komputerowe przeprowadzono z krokiem czasowym dt = 1 doba. W wariantach I i II obliczenia prowadzono aż do uzyskania stanu ustalonego. W wariantach IIa i IIb końcowe wyniki obliczeń porównano ze stanem obecnym, a w wariantach III i IV z wynikami otrzymanymi dla wariantu IIa. Stan przed piętrzeniem Wariant I Na rysunku 3 przedstawiono siatkę hydrodynamiczną uzyskaną z modelu dla stanu przed piętrzeniem. Zaznaczono tu również schematycznie granicę miasta Czerwieńsk, basen, stację paliw oraz lokalne drogi. Hydroizohipsy oznaczono co 0,1 m. Prostopadle do nich wykreślono główne linie spływu. Obraz uzyskany z modelu jest zgodny ze średnim obserwowanym stanem wód gruntowych w terenie. Spływ wód gruntowych jest skierowany głównie na północ, w stronę cieku Zimny Potok. Dominuje charakterystyczny równoleżnikowy układ hydroizohips. Uwidacznia się drenujący charakter cieku Złoty Potok i lokalnie zasilający charakter zbiornika Strużyna. W połowie drogi dojazdowej do zapory (rys. 4) rzędna zwierciadła wody gruntowej (ZWG) wynosi 53,85 m n.p.m., w studni SW-2 przy południowej krawędzi basenu 54,60 m n.p.m., a na stacji paliw średnio 55,70 m n.p.m. Układ hydroizohips uzyskany w modelu odpowiada rzędnym obserwowanym w terenie, np. różnica wysokości ZWG obserwowanej w studni SW-2 i obliczonej z modelu wynosi 0,13 m. Duże zagęszczenie hydroizohips i większe spadki hydrauliczne w najbliższym otoczeniu cieku są wynikiem uwzględnienia niezupełności cieku. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 01-06.indd 9 2008-09-09 14:56:50
01-06.indd 10 2008-09-09 14:56:50 10 M. Chalfen, A. Czamara Rys. 3. Siatka hydrodynamiczna przed piętrzeniem wody Fig. 3. Hydrodynamic grid before damming up water Rys. 4. Hydroizohipsy przed piętrzeniem najbliższe otoczenie zbiornika Fig. 4. Hydroisohypses before damming immediate vicinity of reservoir Acta Sci. Pol.
01-06.indd 11 2008-09-09 14:56:50 Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 11 Prognoza stanów po spiętrzeniu wody w zbiorniku Wariant IIa Rysunek 5 pokazuje ustalony stan wód gruntowych po spiętrzeniu wody w zbiorniku Czerwieńsk do rzędnej 55,65 m n.p.m. W rejonie drogi dojazdowej do stopnia piętrzącego zwierciadło wód gruntowych (ZWG) podniosło się do rzędnej 54,5 54,6 m n.p.m., w rejonie basenu do rzędnej 55,1 55,4 m n.p.m., a w sąsiedztwie stacji paliw do rzędnej 55,8 56,1 m n.p.m. W otoczeniu basenu (rys. 6) wody gruntowe podniosły się o 0,70 do 1,00 m, co stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa budowli. Po stronie zachodniej wody ze zbiornika będą zasilały poziom wodonośny na odcinku 350 m powyżej zapory, a po stronie wschodniej zasilanie ze zbiornika będzie występowało na odcinku 150 m na tym terenie zbiornik ma charakter infiltrujący. Na pozostałym obszarze wody zbiornika będą zasilane przez wody gruntowe zbiornik ma charakter drenujący (rys. 5). Podwyższony o 0,1 m poziom ZWG występuje w odległości 900 m na zachód, 600 m na północ i 700 m na wschód od stopnia piętrzącego. Linia przyrostu 0,5 m przebiega w odległości 350 m na zachód, 100 m na północ i 200 m na wschód od stopnia. Linia przyrostu 1 m (grubsza linia na rys. 6) pojawia się jedynie po stronie zachodniej projektowanego zbiornika i sięga wschodniej krawędzi basenu. Na rysunku 7 pokazano położenie zwierciadła wód gruntowych w przekroju po przecz - nym x-x (patrz rys. 5) na wysokości basenu. W przekroju tym uwidacznia się zasilający charakter projektowanego zbiornika po stronie zachodniej i drenujący po stronie wschodniej. Rys. 5. Poziom zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do NPP = 55,65 m n.p.m. rejon zbiornika Fig. 5. Groundwater level after damming up water to NPP = 55.65 m a.s.l. reservoir area Formatio Circumiectus 6 (4) 2007
01-06.indd 12 2008-09-09 14:56:51 12 M. Chalfen, A. Czamara Rys. 6. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do NPP = 55,65 m n.p.m. Fig. 6. Increase in groundwater level after damming up water to NPP = 55.65 m a.s.l. Rys. 7. Przekrój pionowy (x-x); ZWG zwierciadło wód gruntowych, NPP normalny poziom piętrzenia Fig. 7. Vertical section (x-x); ZWG groundwater level, NPP normal level of damming Wariant IIb W kolejnym wariancie obliczeniowym przyjęto rzędną piętrzenia równą 55.00 m n.p.m. Mapę przyrostów poziomu ZWG pokazuje rysunek 8. W rejonie drogi dojazdowej do stopnia piętrzącego zwierciadło wód gruntowych podwyższyło się do rzędnej 54,2 m n.p.m., w rejonie basenu do rzędnej 54,7 54,9 m n.p.m., a w strefie stacji paliw do rzędnej 55,5 55,8 m n.p.m. W otoczeniu basenu przyrosty poziomu ZWG kształtują w granicach od 0,30 do 0,50 m. Po stronie zachodniej wody ze zbiornika będą zasilały poziom wodonośny na odcinku ok. 250 m powyżej zapory, po stronie wschodniej na odcinku 100 m. Na pozostałym obszarze wody gruntowe zasilać będą wody zbiornika (zbiornik ma charakter drenujący). Acta Sci. Pol.
01-06.indd 13 2008-09-09 14:56:51 Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 13 Rys. 8. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do NPP = 55,00 m n.p.m. Fig. 8. Increase in groundwater level after damming up water to NPP = 55.00 m a.s.l. W tym wariancie piętrzenia podwyższony o 0,1 m poziom ZWG występuje w odległości 500 m na zachód, 400 m na północ i 350 m na wschód od stopnia piętrzącego (rys. 8). Linia przyrostu 0,5 m przebiega 100 m na zachód od zbiornika. Linia przyrostu 1,0 m się nie pojawia. Na rysunku 9 przedstawiono wykres zależności pola powierzchni, na której zaobserwowano podwyższone stany wód gruntowych, od przyrostów poziomu ZWG i wysokości piętrzenia wody w zbiorniku. Przyrosty stanów wód gruntowych w zakresie od 0,1 do 0,3 m występują na obszarze od 10 do 150 ha wokół zbiornika, zależnie od poziomu piętrzenia wody w zbiorniku: im wyższy jest ten poziom, tym większy zasięg ma oddziaływanie zbiornika. Znaczące przyrosty poziomu ZWG (powyżej 0,4 m) występują tylko w strefie od 10 do 30 ha wokół projektowanego zbiornika. Wariant III Na podstawie danych historycznych założono w obliczeniach, że podwyższony stan wód w zbiorniku do rzędnej H max = 55,95 m n.p.m. trwa maksymalnie 2 dni. W wyniku takiego piętrzenia nastąpi wzrost stanów wód gruntowych w stosunku do stanu ustalonego przy piętrzeniu do rzędnej 55,65 m n.p.m, który w tym wariancie obliczeniowym przyjęto jako warunek początkowy o 0,10 m w 50-metrowej strefie wokół zbiornika (rys. 10). Wariant IV Obliczenia wykonano przy założeniu, że w latach mokrych (P = 800 mm rok -1 ) zasilanie ze strefy aeracji w miesiącach letnich stanowi 35% opadu. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007
01-06.indd 14 2008-09-09 14:56:51 14 M. Chalfen, A. Czamara Rys. 9. Zależność pola powierzchni o podwyższonym poziomie zwierciadła wód gruntowych (ZWG) od przyrostu poziomu ZWG; NPP normalny poziom piętrzenia Fig. 9. Dependence of surface area with increased groundwater level (ZWG) on ZWG increase; NPP normal level of damming Rys. 10. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po dwudniowym piętrzeniu do H max = 55,95 m n.p.m. Fig. 10. Increase in groundwater level after two-day damming up to H max = 55.95 m a.s.l. Na podstawie archiwalnych danych meteorologicznych przyjęto, że w miesiącach VI VIII opad miesięczny wynosi 100 mm, co odpowiada zasilaniu 1 mm d -1 ; w pozostałym okresie przyjęto zasilanie w wysokości 0,6 mm d -1. W takich warunkach, po spiętrzeniu wody w zbiorniku do rzędnej 55,65 m n.p.m. zwiększy się poziom zalegania wód gruntowych w rejonie zbiornika, a wzrost w stosunku do wariantu podstawowego (piętrzenie do NPP = 55,65 m n.p.m., P = 600 mm rok -1 ) nie przekroczy 0,10 m (rys. 11). Tak niewielkie podniesienie ZWG nie zwiększa ryzyka zagrożenia dla budowli w sąsiedztwie zbiornika. Acta Sci. Pol.
01-06.indd 15 2008-09-09 14:56:51 Wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych... 15 Rys. 11. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych przy zasilaniu zewnętrznym wynoszącym 1,0 mm d -1 Fig. 11. Increase in groundwater level at external inflow of 1.0 mm d -1 PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie obliczeń symulacyjnych sformułowano prognozy dotyczące zmian stanu wód gruntowych w otoczeniu projektowanego zbiornika małej retencji po spiętrzeniu wód w zbiorniku. Spiętrzenie wód w zbiorniku do rzędnej 55,65 m n.p.m. spowoduje podniesienie stanu wód gruntowych (co najmniej o 0,10 m) na obszarze o powierzchni bliskiej 1,5 km 2, przy czym większe przyrosty stanów wystąpią po zachodniej stronie zbiornika. Na odcinku o długości 250 350 m na zachodnim brzegu i 100 150 m na wschodnim brzegu powyżej budowli piętrzącej, wody ze zbiornika zasilą warstwę wodonośną, a na pozostałym obszarze (w południowej części) zbiornik będzie miał charakter drenujący. Obniżenie zakładanej rzędnej piętrzenia z 55,65 do 55,00 m n.p.m. będzie skutkowało obniżeniem zwierciadła wód gruntowych (ZWG) o 0,40 0,60 m. Największe przyrosty poziomu ZWG wystąpią w strefie rozciągającej się na 10 do 30 ha wokół projektowanego zbiornika. Krótkotrwałe, dwudniowe, spiętrzenie wód w zbiorniku do rzędnej 55,95 m n.p.m. nie będzie miało istotnego wpływu na poziom ZWG w rejonie zbiornika. Zwiększone w latach mokrych zasilanie wód gruntowych ze strefy aeracji pociągnie za sobą podniesienie ZWG o 0,10 0,20 m w stosunku do poziomu ZWG przy zasilaniu przeciętnym. Wyniki symulacji komputerowych pozwoliły przyjąć na etapie projektowania wariant z piętrzeniem na rzędnej 55,00 m n.p.m., jako bezpieczny, nie zagrażający obiektom budowlanym znajdującym się w sąsiedztwie zbiornika. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007
01-06.indd 16 2008-09-09 14:56:51 16 M. Chalfen, A. Czamara PIŚMIENNICTWO Chalfen M., 2003. Opis programu FIZ (Filtracja i Zanieczyszczenia). XXXIII Seminarium Zastosowań Matematyki, Kobyla Góra, 37 40. Czamara A., Chalfen M., 2006. Prognoza spiętrzenia wód gruntowych w rejonie projektowanego zbiornika małej retencji Czerwieńsk. Wrocław (maszynopis). Dokumentacja hydrogeologiczna w kat. B ujęcia wody z utworów czwartorzędowych dla PWiK Basen Kąpielowy w Czerwieńsku, 1980. Geoprojekt, O.T. w Zielonej Górze. Kinzelbach W., 1986. Groundwater modelling. Elsevier Amsterdam. Kowalski J., 1987. Hydrogeologia z podstawami geologii. PWN Warszawa. Mapa Geologiczna Polski 1 : 200 000, arkusz Świebodzin, 1976. Red. A. Szewczyk. PIG Warszawa. Mapa Głównych Zbiorników Wód Podziemnych Polski 1 : 500 000, 2001. Red. A. Kleczkowski. PIG Warszawa. Mapa sytuacyjno-wysokościowa 1 : 25 000, 1981. PPG-K Warszawa. Opady atmosferyczne, 1981. IMGW, WKiŁ Warszawa. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L, Nithiarasu P., 2005. Finite element method for fluid dynamics. Elsevier New York. EFFECT OF PROJECTED SMALL STORAGE RESERVOIR ON GROUNDWATER LEVELS IN ITS VICINITY Abstract. Four variants of damming water in a projected storage reservoir were examined for their effects on groundwater levels in the surrounding area. The extent of reservoir s influence on the ground waters under stable motion conditions was determined, and the effects of a short-term damming up to the crest level and of increased seepage from the aeration zone were assessed. An author s mathematical model based on a two-dimensional non-stationary Boussinesq equation was used. The differential equation was solved by finite element method. It was found that the level to which water is dammed has a significant impact on the extent of the reservoir s influence on ground waters, while neither a short-term damming in a flood period nor higher seepage from the aeration zone during a wet summer results in a significant increase in groundwater levels. The computer simulations made it possible to adopt a safe variant of damming, posing no threat to the structures in the reservoir s surrounding, already at the planning stage. Key words: damming water, ground waters, mathematical model, prognosis Zaakceptowano do druku Accepted for print: 7.11.2006 Acta Sci. Pol.