Podstawowy wymóg schematyzacji – warstwowość modelu

Odwzorowanie na modelu warstwowości systemu wodonośnego jest jednym z głównych zadań schematyzacji. Generalna zasada mówi, że wła-ściwie skonstruowany model nie może zastępować systemu warstwowego

170 Metodyka określania zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych

odpowiednikiem jednowarstwowym [Dąbrowski i in., 2011]. Sposób two-rzenia modeli wielowarstwowych musi uwzględniać rzeczywistą rolę, jaką warstwy słabo przepuszczalne (izolujące) odgrywają w układzie krążenia. Na rysunku 6.5-1 pokazano schemat działania takiej warstwy. Na granicy ośrodków o różnym współczynniku filtracji kąt załamania linii prądu jest zbliżony do 45° i można przyjmować, że w warstwie słabo przepuszczalnej przepływ poziomy praktycznie nie ma miejsca [Szymanko, 1980]. Wynika to także z analizy spadków hydraulicznych mierzonych w poziomie i pionie [Kulma, Zdechlik, 2009]. W poziomie spadek jest znikomy i może on być niewystarczający do przekroczenia spadku krytycznego umożliwiającego filtrację [Macioszczyk, Szestakow, 1983]. W pionie spadek wynika z róż-nicy ciśnień panujących w obu warstwach wodonośnych i z tego względu osiąga on większe wartości, które umożliwiają filtrację o dominującej skła-dowej pionowej.

Kierunek załamania linii prądu na granicy ośrodków o różnych warto-ściach współczynników filtracji zależy od stosunku tych wartości i opisany jest zależnością [Rogoż, 2007]:

Sposoby odwzorowywania na modelu działania warstwy słabo przepusz-czalnej mogą być różne. W historii modelowania w Polsce spotyka się dwa podstawowe sposoby (rys. 6.5-2).

Rys. 6.5‑1. Działanie warstwy słabo przepuszczalnej [za: Szymanko, 1980] a) model hydrodynamiczny

171 Metodyka ustalania zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych

Rysunek 6.5-2a obrazuje sytuację, w której przewodność wodną przypi-sano do warstw wodonośnych, natomiast opór na drodze przepływu między nimi modeluje się poprzez wprowadzenie parametru oporności. W tym sche-macie zakłada się, że w warstwach wodonośnych ma miejsce tylko przepływ poziomy (brak składowej pionowej ruchu wody), natomiast w warstwach izolujących – tylko przepływ pionowy (brak składowej poziomej). Algorytm obliczeniowy uwzględnia opór hydrauliczny niezwiązany z rzeczywistymi pa-rametrami hydrogeologicznymi. W wyniku obliczeń wysokość hydrauliczna otrzymywana jest tylko dla utworów przepuszczalnych. Taki rodzaj odwzo-rowywania warstwowości na modelu opisany jest w licznych publikacjach dotyczących głównie biblioteki HYDRYLIB [Szymanko, 1980; Szymanko i in., 1980, 1982].

W drugim przykładzie (rys. 6.5-2b) zakłada się, że przepływy poziome mają miejsce zarówno w warstwach wodonośnych, jak i izolujących. Dla obu tych typów warstw podaje się parametry hydrogeologiczne, tj. rzędne stropu i spą-gu warstw oraz rozkład współczynnika filtracji. Zakłada się tym samym, że przepływ w utworach słabo przepuszczalnych opisany jest tym samym równa-niem filtracji Darcy, co w utworach przepuszczalnych. Algorytm obliczeniowy nie różnicuje tych warstw, a wysokość hydrauliczna otrzymywana jest zarów-no dla utworów przepuszczalnych, jak i izolujących (słabo przepuszczalnych). Tego typu rozwiązanie stosowane jest często przez hydrogeologów posługu-jących sie pakietem programowym ModFlow, chociaż program ten umożliwia także odwzorowywanie warstw izolujących w sposób opisany powyżej [Kulma, Zdechlik, 2009].

Podkreślić trzeba, że oba opisane wyżej schematy odwzorowują rzeczywistość w sposób przybliżony. Oba stosowane są równie często, jednak drugi z nich wyni-ka nierzadko z używania najprostszego rozwiązania oferowanego przez program ModFlow. I chociaż nie jest on najbardziej odpowiednim oprogramowaniem do zadań związanych z wyznaczaniem zasobów wód podziemnych [Michalak, No-Rys. 6.5‑2. Schematy odwzorowania na modelu warstwy słabo przepuszczalnej

a) w postaci oporów filtracyjnych

172 Metodyka określania zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych

wicki (red.), 2009], to jednak jest obecnie najbardziej rozpowszechniony i można założyć, że w najbliższych latach będzie to nadal podstawowe narzędzie oblicze-niowe stosowane we wszelkiego rodzaju prognozach hydrodynamicznych.

Rozpatrując warstwowość modelu, należy zwrócić uwagę na konieczność uwzględniania pierwszego od powierzchni poziomu wodonośnego, który de-cyduje o funkcjonowaniu ekosystemów uzależnionych od położenia zwier-ciadła wód podziemnych. W dotychczasowych badaniach poziom ten często był pomijany lub agregowany z poziomami leżącymi głębiej. Spowodowane było to brakiem wystarczającego rozpoznania hydrogeologicznego, zwłasz-cza jeśli chodzi o parametry filtracji. Z reguły poziom przypowierzchniowy, jeśli nie posiada rangi głównego poziomu użytkowego, ujmowany jest przez studnie kopane, które nie dostarczają informacji o jego parametrach. Obec-nie, gdy tak dużą wagę przywiązuje się do funkcjonowania ekosystemów za-leżnych od wód podziemnych, trzeba na to zagadnienie spojrzeć nieco ina-czej. Prawdopodobnie mniejszy błąd przy konstrukcji modelu popełnimy, modelując poziom przypowierzchniowy jako warstwę jednorodną, niż gdy pominiemy go całkowicie lub zagregujemy z poziomami niższymi. Wobec braku wystarczającego rozpoznania parametrycznego poziom pierwszy może być z reguły modelowany jako warstwa o stałej wartości przewodnic-twa wodnego, które nie zmienia się wraz ze zmianami położenia zwierciadła wody. Zamodelowanie pierwszego poziomu wodonośnego wymaga przepro-wadzenia w dokumentacji dyskusji wyników, ale co do zasady nie powinno budzić wątpliwości, jeśli chcemy ustalić zasoby dyspozycyjne z uwzględnie-niem wszystkich ich cech wskazanych w definicji i wymogach prawa.

Istotnym problemem związanym z modelowaniem przypowierzchniowego poziomu wodonośnego może być odwzorowanie znacznych deniwelacji jego powierzchni piezometrycznej. Na modelu płaskim, gdzie odpowiednikiem poziomu przypowierzchniowego jest pojedyncza warstwa modelu, może to być zadanie praktycznie niewykonalne, z uwagi na to, że algorytm oblicze-niowy nie uwzględnia składowej pionowej ruchu wody, która decyduje o po-wstaniu znacznych spadków hydraulicznych [Kapuściński, Śmietański, 2010]. W takich sytuacjach łatwo doprowadzić do zawyżenia wielkości zasilania infil-tracyjnego, na który model wykazuje największą czułość, jeśli chodzi o stany wód podziemnych. Rozwiązaniem tego problemu może być odwzorowanie poziomu przypowierzchniowego w postaci kilku warstw na modelu. I choć model nadal pozostanie płaski, to jednak łatwiej można będzie uzyskać skła-dową pionową, ponieważ generowany będzie przepływ wody (przesiąkanie) pomiędzy tymi warstwami. Sposób przejścia, w ramach schematyzacji, po-między modelem hydrogeologicznym a modelem matematycznym wygodnie jest udokumentować w postaci szkicu graficznego lub w sposób tabelaryczny, jak to przedstawiono poniżej (rys. 6.5-3, tab. 6.5-1).

173 Metodyka ustalania zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych

Tab. 6.5‑1. Schemat struktury modelu matematycznego wykonanego w rejonie Wyszkowa [Kubiczek i in., 2013]

Wydzielenie geologiczne

(poziom wodonośny/ warstwa izolująca) ^{Warstwa na modelu} Nazwa,

stratygrafia ^{Charakterystyka Ozna‑}czenie ^Nazwa

czwartorzędowy przypowierzch-niowy poziom wodonośny

Występuje w strefach dolin rzecznych (gł. doliny Bugu) oraz na wysoczy-znach. Posiada swobodne zwierciadło wody i słabo rozpoznane parametry hydrogeologiczne. Poziom ten nie występuje wzdłuż północno-zachod-niej i południowo-zachodpółnocno-zachod-niej granicy obszaru badań

I ^pierwszawarstwa wodonośna Rys. 6.5‑3. Schemat struktury modelu matematycznego wykonanego w rejonie Raduni i Motławy [Rodzoch i in., 2007]

174 Metodyka określania zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych

osady rozdzielające

Gliny zwałowe o małej miąższości i nierozpoznanych parametrach

hy-drogeologicznych, miejscami nieciągłe ^II

pierwsza warstwa izolująca (słabo przepuszczalna) czwartorzędowy górny między-glinowy, poziom wodonośny

Ciągły na prawie całym obszarze GZWP, na znacznym obszarze tworzy główny poziom użytkowy. W wielu rejonach połączony z poziomem niżej leżącym poprzez okna hydrogeolo-giczne, zwłaszcza w dolinie Bugu

III ^{druga warstwa} _wodonośna

osady rozdzielające

Gliny zwałowe o dość znacznej miąższości i dobrych właściwościach izolujących. Nierozpoznane parametry filtracyjne, w wielu miejscach wyero-dowane (okna hydrogeologiczne)

IV ^{druga warstwa} izolująca (słabo przepuszczalna)

czwartorzędowy dolny między-glinowy, poziom wodonośny

Poziom miejscami dwudzielny, rozdzielony warstwą osadów mułow-cowych o niewielkiej miąższości. W rejonach łączności hydraulicznej z poziomem międzyglinowym górnym tworzy rozległy kompleks wodonośny

o znacznej miąższości _V trzecia warstwa wodonośna czwartorzędowy

poziom spągowy

Słabo rozpoznany, występuje tylko lokalnie w postaci soczewek. Tylko w rejonie Wyszkowa posiada łączność hydrauliczną z poziomem międzymo-renowym dolnym i tu został włączony do warstwy III modelu

6.5.2. Parametry hydrogeologiczne a parametry modelu