Problem zasobów wód podziemnych

Problem zasobów wód podziemnych

Andrzej Sadurski

, Lech Œmietañski

A problem of groundwater resources. Prz. Geol., 63: 1047–1052.

A b s t r a c t. The term of groundwater resources was introduced to hydrogeology from economic geology similarly to the resources of ore bodies almost hundred years ago. It results years ago from the needs of physical planning, investment in new water intakes and water management. Discussion on the groundwater resources was started in the past after new method of their evaluation, e.g. analyti-cal approaches, physianalyti-cal and then numerianalyti-cal modeling techniques implementation. The ecologianalyti-cal aspects of water demands obliges to introduce new idea of quantities of groundwater resources estimation. This idea is also presented in the Water Framework Directive and in the water management planes in the water catchment areas.

Keywords: groundwater resources, water resources estimation, groundwater flow modeling

Wody podziemne, bêd¹c w ruchu, wyró¿niaj¹ siê cech¹ odnawialnoœci. Do obliczania zasobów tych wód stosuje siê przewa¿nie inne metody ni¿ te, które znajduj¹ zastoso-wanie w dokumentowaniu iloœciowym nieodnawialnych zasobów kopalin sta³ych, ciek³ych typu ropy naftowej lub gazowych – gaz ziemny.

Wed³ug s³ownika hydrogeologicznego (2002) termin „zasoby wód podziemnych” to iloœæ wód podziemnych traktowanych jako surowiec, wyra¿ana najczêœciej w jed-nostkach objêtoœciowych na jednostkê czasu, zawarta w zbiorniku wód podziemnych, zlewni podziemnej lub innej jednostce hydrogeologicznej. Ocena iloœciowa i jakoœcio-wa tych zasobów jest dokonyjakoœcio-wana dla okreœlonego czasu i na podstawie danych z okresu wieloletniego.

Ocena zasobów wód podziemnych jest t¹ czêœci¹ dzia³alnoœci praktycznej, z któr¹ hydrogeolog spotyka siê najczêœciej i której dokonanie jest zwykle efektem przepro-wadzonych badañ i rozpoznania hydrogeologicznego.

W ustawie Prawo geologiczne i górnicze (2011, z póŸn. zm.) okreœlono jako obowi¹zuj¹ce w kraju dwa rodzaje zasobów wód podziemnych: dyspozycyjne, ustalane dla danego obszaru, oraz eksploatacyjne, ustalane dla ujêæ wód podziemnych. Zgodnie z t¹ ustaw¹ zasoby dyspozycyjne wód podziemnych to iloœæ wody podziemnej mo¿liwej do zagospodarowania w okreœlonych warunkach œrodowis-kowych i hydrogeologicznych, bez wskazywania lokali-zacji i warunków techniczno-ekonomicznych ujêæ, stano-wi¹cej czêœæ dyspozycyjnych ogólnych zasobów wodnych obszaru.

Ramowa dyrektywa wodna UE, nazywana tak¿e poli-tyk¹ wspólnotow¹ w zakresie gospodarki wodnej, której g³ównym celem jest utrzymanie i ewentualna poprawa sta-nu wód w jednolitych czêœciach wód podziemnych (JCWPd), zawiera termin „zasoby dostêpne do zagospoda-rowania”. Odpowiadaj¹ one definicji zasobów dyspozy-cyjnych. W Ramowej dyrektywie wodnej przyjêto jako naczeln¹ zasadê, ¿e zarz¹dzanie zasobami wodnymi jest realizowane w granicach obszarów hydrograficznych (do-rzecza, zlewnie rzeczne). Rejony wyznaczonych w latach 2001–2004 zintegrowanych JCWPd pokrywaj¹ siê ze zlewniami rzek. Mo¿na przyj¹æ za³o¿enie, ¿e du¿a zlewnia

rzeczna jest w przybli¿eniu zgodna ze zlewni¹ podziemn¹. Dla obszaru zlewni istniej¹ bowiem dane meteorologiczne i hydrologiczne z okresów wieloletnich, ponadto dla wiêk-szoœci zlewni i rejonów wodno-gospodarczych istniej¹ dokumentacje hydrogeologiczne, zawieraj¹ce oceny zaso-bów dyspozycyjnych wód podziemnych. Ocena zasozaso-bów wód podziemnych w zlewni rzeki wymaga rozwi¹zania kilku podstawowych kwestii:

– w jaki sposób powi¹zaæ bezpoœrednio na modelu matematycznym wartoœæ odp³ywu podziemnego z roz-k³adem zasobów odnawialnych?

– jak¹ czêœæ zasobów odnawialnych zlewni rzeki prze-znaczyæ na zasoby dyspozycyjne?

– jak obliczyæ rozk³ad zasobów dyspozycyjnych, ¿eby w wyniku ich poboru nie nast¹pi³ spadek przep³ywu w rze-ce poni¿ej tzw. przep³ywu nienaruszalnego?

– jak w procesie generowania rozk³adu zasobów dys-pozycyjnych uwzglêdniæ obszary perspektywiczne dla lokalizacji ujêæ, takie jak g³ówne zbiorniki wód podziem-nych (GZWP), a jednoczeœnie wyeliminowaæ na modelu pobór tych zasobów z terenów o niekorzystnych warun-kach hydrogeologicznych?

W³aœciwe oszacowanie zasobów dyspozycyjnych jest punktem wyjœcia dla pozosta³ych rodzajów hydrogeolo-gicznych ocen zasobowych, nie tylko wód zwyk³ych lecz równie¿ zasobów odnawialnych wód leczniczych i termal-nych.

Obowi¹zuj¹ce aktualnie dwa rodzaje zasobów wód pod-ziemnych: dyspozycyjne, które ustala siê w toku badañ regionalnych, oraz eksploatacyjne, dokumentowane dla poszczególnych ujêæ, zosta³y wprowadzone ustaw¹ Prawo geologiczne i górnicze z dnia 9 czerwca 2011 r.

RODZAJE ZASOBÓW WÓD PODZIEMNYCH

Podobnie jak w innych dziedzinach naukowych, które systematyzuj¹ zbiór swoich podstawowych pojêæ, równie¿ w hydrogeologii zaistnia³a potrzeba stworzenia, niezale¿-nie od prawnych uregulowañ, klasyfikacji zasobów wód podziemnych.

1

Pañstwowy Instytut Geologiczny – Pañstwowy Instytut Badawczy, ul. Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa; andrzej.sadurski@ pgi.gov.pl, lech.smietanski@pgi.gov.pl.

2

W ujêciu historycznym œwiatowe klasyfikacje zasobów wód podziemnych s¹ oparte na podziale trójdzielnym, któ-ry, jak zauwa¿a Szymanko (1980), na ogó³ pokrywa siê ze stosowanym w Polsce podzia³em na zasoby: statyczne, dynamiczne i eksploatacyjne. Taki podzia³ stosuj¹ np.: Tolman (1937), Todd (1959), Bindeman & Jazwin (1970), Castany (1972), Pleczyñski & Przyby³ek (1974), Szyman-ko (1980), Wieczysty (1982), Pazdro (1983), Pazdro & Kozerski (1990), Paczyñski i in. (1996), a tak¿e D¹browski & Przyby³ek (2012).

Trzy wymienione wy¿ej rodzaje zasobów nie wyczer-puj¹ inwentarza pojêciowego w zakresie hydrogeologicz-nej terminologii zasobowej. W ujêciu podrêcznikowym – Pazdro (1964, 1983), Wieczysty (1982), Pazdro & Kozer-ski (1990), w Poradniku hydrogeologa (1971) i w S³owniku hydrogeologicznym (Dowgia³³o i in., 2002) wystêpuj¹ w od-niesieniu do wód podziemnych tak¿e definicje zasobów: naturalnych, sztucznych, sprê¿ystych, sta³ych, zmiennych, regionalnych i wzbudzonych. S¹ one powszechnie znane, dlatego nie bêd¹ cytowane w tym artykule.

W ostatnim okresie pojawi³o siê jeszcze dodatkowo pojêcie „perspektywicznych zasobów wód podziemnych”, rozumianych jako zasoby ustalane orientacyjnie dla dane-go obszaru, dla któredane-go nie przeprowadzono jeszcze for-malnej oceny zasobów dyspozycyjnych (Herbich, 2005).

Burzyñski i Sadurski (1995) uwa¿aj¹, ¿e istniej¹ca w kraju klasyfikacja zasobów wód podziemnych jest bardzo rozbudowana pod wzglêdem formalnym i jest ma³o precy-zyjna. Termin „zasoby” obejmuje zarówno objêtoœci wód naturalnie powsta³ych bêd¹cych w spoczynku, jak i w sta-nie przep³ywu sztuczsta-nie zwiêkszonych, np. przez wymu-szon¹ infiltracjê, i dop³ywaj¹cych do ujêæ z obszarów zde-presjonowanych wskutek eksploatacji. Ci sami autorzy wyra¿aj¹ pogl¹d, ¿e do zasobów dyspozycyjnych, czyli wód tzw. strefy aktywnej wymiany, jest w³aœciwe u¿ycie nazw: zasoby przewidywane, szacunkowe i gwarantowa-ne. Ostatni termin by³by zastrze¿ony dla jednostek, w któ-rych rozpoznanie i bie¿¹ce obserwacje pozwalaj¹ zasto-sowaæ modele symulacyjne, deterministyczne o sta³ym dzia³aniu. Je¿eli parametry systemu wodonoœnego s¹ jedy-nie przybli¿one lub znane tylko w czêœci systemu, to obli-czenia mo¿na uwa¿aæ jedynie za szacunkowe. Zasoby przewidywane, pojêciowo odpowiadaj¹ce perspektywicz-nym zasobom wg Herbicha (2005), wynika³yby z przybli-¿onych obliczeñ analitycznych, zak³adaj¹cych izotropowe oœrodki wodonoœne o uœrednionych parametrach i œrednie z wielolecia wskaŸniki hydrologiczne.

Najwa¿niejsz¹ z punktu widzenia ocen zasobów dys-pozycyjnych cech¹ zbiorników wód podziemnych jest odnawialnoœæ ich zasobów. W S³owniku hydrogeologicznym (Dowgia³³o i in., 2002) wyjaœniono, ¿e odnawialnoœæ to warunki uzupe³niania zasobów wód podziemnych okreœlo-nego zbiornika drog¹ naturalnej infiltracji w miejsce ich ubytku na skutek drena¿u naturalnego i sztucznego. Naszym zdaniem odnawialnoœæ to raczej proces uzupe³nia-nia ubytków w zasobach danego zbiornika wód podziem-nych. Z odnawialnoœci¹ jest wprost zwi¹zana wielkoœæ zasobów odnawialnych, które mo¿na rozumieæ jako odp³yw ze stref drena¿owych dla œredniego stanu wód w systemie wodonoœnym (Szymanko, 1980; Pleczyñski, 1981). Ter-min „system wodonoœny” jest tu synonimem terTer-minu „zbiornik wód podziemnych”.

Zdaniem Szczepañskiego (2004) wiêŸ hydrauliczna wód podziemnych i powierzchniowych wskazuje na koniecznoœæ wprowadzenia „nienaruszalnych zasobów wód podziemnych” przez analogiê do przep³ywu nienaru-szalnego rzeki. W hydrogeologii oznacza to dopuszczalne zdepresjonowanie zwierciad³a wód gruntowych, ograni-czenia zmian dynamiki wód podziemnych i utrzymanie sta³oœci chemizmu wód, w nastêpstwie ascenzji wód s³onych z pod³o¿a, a tak¿e ingresji wód na wybrze¿ach morskich. Celem oszacowania zasobów nienaruszalnych jest zarówno ochrona ekosystemów wodnych i terenów podmok³ych objêtych ochron¹ prawn¹, jak i utrzymanie wielkoœci zasobów eksploatacyjnych ujêæ (D¹browski & Przyby³ek, 1981).

POGL¥DY NA TEMAT ZASOBÓW DYSPOZYCYJNYCH WÓD PODZIEMNYCH

W polskiej literaturze hydrogeologicznej termin „zaso-by dyspozycyjne” zosta³ u¿yty po raz pierwszy przez Tusz-kê, który ju¿ w 1967 r. okreœli³ je jako te iloœci wody, które mog¹ byæ eksploatowane ze zbiorników podziemnych lub warstw wodonoœnych przez nieograniczony czas bez naru-szenia ich równowagi dynamicznej. Pod pojêciem równo-wagi dynamicznej Tuszko rozumia³ zapewne stan ustalony, w którym eksploatacja wód podziemnych w obrêbie dane-go zbiornika jest równowa¿ona dop³ywem do tedane-go zbiorni-ka wód z jego otoczenia.

Castany (1972) odnosi siê poœrednio do zasobów wód podziemnych w rozumieniu zasobów dyspozycyjnych, zwracaj¹c uwagê na œcis³y zwi¹zek hydrologiczny wód powierzchniowych i podziemnych. Stwierdza on, ¿e celem ka¿dego programu badañ i zagospodarowania wód powin-no byæ zharmonizowanie i skoordypowin-nowanie eksploatacji wód powierzchniowych i podziemnych.

W 1979 r. swoj¹ definicjê zasobów dyspozycyjnych opublikowa³ Szczepañski, rozumiej¹c je jako iloœci wody w skali lokalnej lub regionalnej, mo¿liwe do wykorzysta-nia w okreœlonym czasie, a których pobór nie wp³ynie ujemnie na iloœæ i jakoœæ ogólnych, sta³ych zasobów wody podziemnej. Zdaniem tego autora wielkoœæ zasobów dys-pozycyjnych nie mo¿e byæ uto¿samiana z zasobami eks-ploatacyjnymi, poniewa¿ eksploatacja powoduje zmiany w naturalnych warunkach hydrodynamicznych.

Szymanko w publikacjach z 1977 i 1980 r. oraz w pracy z £odziñskim (1980) zastanawia siê nad relacj¹ pomiêdzy zasobami dyspozycyjnymi a zasobami eksploatacyjnymi ujêæ, widz¹c powa¿ny problem w jej sprecyzowaniu. Trak-tuje ocenê zasobów eksploatacyjnych w skali regionalnej jako zadanie maksymalizacji regionalnego poboru wody, zak³adaj¹c optymalne rozmieszczenie ujêæ. Szymanko (1980) stwierdza, ¿e po zdefiniowaniu rozk³adu maksy-malnej dopuszczalnej depresji, maksymalne pobory uzy-ska siê przy rozmieszczeniu ujêæ w regularnej siatce, np. kwadratowej na ca³ej powierzchni systemu wodonoœnego. Wed³ug Krajewskiego (1980) przez zasoby dyspozycyjne poziomów wodonoœnych znajduj¹cych siê w zwi¹zku hydraulicznym z wodami powierzchniowymi nale¿y rozu-mieæ zasoby odnawialne pomniejszone o odp³yw podziem-ny, zapewniaj¹cy przep³yw nienaruszalny rzeki, który zabezpiecza w niej ¿ycie biologiczne i inne walory œrodo-wiska. Autor ten dodaje, ¿e powy¿sza definicja nie dotyczy

niecek artezyjskich i innych form g³êbokiego wystêpowa-nia wód podziemnych, gdzie nie ma ich zwi¹zku z wodami powierzchniowymi. Tak¹ sam¹ definicjê zasobów dyspozy-cyjnych podaje Bieniaszewska (1980).

Macioszczyk i Kazimierski (1990) widz¹ ocenê zaso-bów wód podziemnych jako proces optymalizacji bilansu wód podziemnych jednostki hydrogeologicznej z maksy-malizacj¹ poboru tych wód, z zachowaniem ograniczeñ technicznych i przyrodniczo-ekologicznych. Gdy struktura poboru wód podziemnych nie jest rozpoznana, procedurê optymalizacyjn¹ nale¿y opieraæ wed³ug nich tylko na zaproponowanej wariantowo strukturze poboru, a zasoby tak okreœlone traktowaæ mo¿na jako zasoby dyspozycyjne regionalnego systemu wodonoœnego.

Paczyñski (1995) podkreœla œcis³y zwi¹zek pomiêdzy zasobami odnawialnymi a zasobami dyspozycyjnymi wód podziemnych, uwa¿aj¹c, ¿e te pierwsze stanowi¹ o wiary-godnoœci oraz trwa³oœci zasobów dyspozycyjnych, ich pozycji w bilansie wodnym, a poœrednio œrodowiskowych skutkach ich poboru. Iloœciowa charakterystyka zasilania wód podziemnych integralnie wi¹¿e siê wed³ug niego z sy-mulacj¹ modelow¹ zasobów dyspozycyjnych i eksploata-cyjnych. Stwierdza tak¿e, ¿e wiarygodnoœæ ocen wynika ze stopnia rozpoznania warunków hydrogeologicznych, metod interpretacji, prawid³owoœci przyjêtych za³o¿eñ i popraw-noœci ca³ego procesu obliczeniowego.

Witczak i in. (2001) traktuj¹ zasoby dyspozycyjne wód podziemnych w zlewniach rzek o przep³ywie limitowanym przez odp³yw podziemny jako czêœæ ca³kowitych zasobów dyspozycyjnych w obszarze bilansowym, tj. ³¹cznych zasobów wód powierzchniowych i podziemnych. Dla takich zlewni podstawowym kryterium oceny zasobów wód podziemnych jest wed³ug nich kryterium hydrologicz-ne, zgodnie z którym dyspozycyjn¹ czêœæ zasobów wód podziemnych w obszarze stanowi ró¿nica pomiêdzy ich zasobami odnawialnymi a przep³ywem nienaruszalnym rzeki w profilu kontrolnym oraz kryterium intensywnoœci wymiany wód podziemnych. Ustalone zasoby dyspozycyj-ne wód podziemnych wymagaj¹ wed³ug nich okresowej weryfikacji.

Zdaniem Pra¿aka (2001) hydrogeologiczne uwarunko-wania mo¿liwoœci poboru wód podziemnych i zapotrzebo-wanie na wodê w obszarach bilansowych s¹ najczêœciej zró¿nicowane. Obok terenów zasobnych w wodê mog¹ wystêpowaæ równie¿ rejony pozbawione jakichkolwiek u¿ytkowych poziomów wodonoœnych. Ró¿na jest te¿ jakoœæ wody i stopieñ jej zagro¿enia. W czêœci obszarów wystêpuj¹ ponadto tereny prawnie chronione przed zmia-nami warunków wodnych. To wszystko powoduje, ¿e zasoby dyspozycyjne wód podziemnych s¹ roz³o¿one naj-czêœciej bardzo nierównomiernie. Zadaniem hydrogeologa jest wiêc wykazanie zró¿nicowania w mo¿liwoœci korzy-stania z nich w mniejszych rejonach, wydzielonych wewn¹trz obszaru bilansowego.

Istot¹ zró¿nicowania zasobów dyspozycyjnych w ob-szarach bilansowych powinna byæ szczegó³owa analiza, najlepiej na modelu hydrogeologicznym, mo¿liwoœci ich zagospodarowania, uwzglêdniaj¹ca zmienne warunki hydrodynamiczne oraz istniej¹cy stan eksploatacji wód podziemnych, stan chemiczny i iloœciowy wód oraz prze-widywane zapotrzebowanie na wodê. Wed³ug Pra¿aka

(2001) wszelkie inne szacunki oderwane od potrzeb gospo-darczych danego terenu mog¹ byæ jedynie wskaŸnikiem okreœlaj¹cym œrednie roz³o¿enie omawianych zasobów w obszarze bilansowym.

Kleczkowski (2002) wyra¿a pogl¹d, ¿e pojêcie zaso-bów dyspozycyjnych u¿ytkowych wód powierzchniowych i podziemnych ³¹czy siê bezpoœrednio z odp³ywem. Odp³yw dzieli on na powierzchniowy i podpowierzchnio-wy, w którego obrêbie wyró¿nia jeszcze przypowierzch-niowy i podziemny. Odp³yw rzeczny, którego stabilnoœæ jest zwi¹zana z odp³ywem podziemnym, to wed³ug niego wyznacznik tych zasobów.

Herbich (2002) proponuje ustalanie zasobów dyspozy-cyjnych gwarantowanych z uwzglêdnieniem zasilania œred-niego w sekwencji lat o przewadze warunków posusznych oraz zasobów dyspozycyjnych prognozowanych z uwzglê-dnieniem zasilania œredniego dla wielolecia hydrologicz-nie normalnego.

W hydrogeologicznej literaturze anglojêzycznej odpo-wiednikiem polskiego terminu „zasoby dyspozycyjne” jest termin safe yield lub basin safe yield, co oznacza bezpiecz-ny wydatek z jednostki hydrogeologicznej lub zlewni, ale równie¿ mo¿e siê odnosiæ do zasobów eksploatacyjnych ujêæ. Zamieszczone ni¿ej pogl¹dy cytuj¹ Domenico i Schwartz (1997).

Termin safe yield zosta³ zdefiniowany w Stanach Zjed-noczonych ju¿ w 1915 r. przez Lee jako „graniczna iloœæ wody, która mo¿e byæ eksploatowana jednostajnie i nie-przerwanie bez niebezpiecznego umniejszenia zgromadzo-nych rezerw”. Conkling (1946) próbowa³ uczyniæ tê definicjê bardziej jednoznaczn¹, wyznaczaj¹c warunki, jakie wed³ug niego powinien spe³niaæ safe yield. Okreœli³ on ten termin jako roczny pobór wody podziemnej, który:

– nie przekracza œredniego rocznego zasilania; – nie obni¿a zwierciad³a wody podziemnej do g³êboko-œci, przy której koszty pompowania s¹ zbyt du¿e;

– nie obni¿a zwierciad³a wody podziemnej do g³êboko-œci umo¿liwiaj¹cej intruzjê wody o niepo¿¹danej jakog³êboko-œci.

Freeze (1971) przedstawi³ koncepcjê maksymalnego stabilnego wydatku (maximum stable basin yield) z jed-nostki hydrogeologicznej lub zlewni, okreœlonego na pod-stawie trójwymiarowego numerycznego modelu dla wa-runków o zmiennym nasyceniu, czyli z uwzglêdnieniem strefy aeracji. Domenico i Schwartz (1997), uwa¿aj¹c tê koncepcjê za dobr¹, stwierdzili, ¿e okreœlenie na jej podsta-wie podsta-wielkoœci tego wydatku nie jest prostym zadaniem.

Ramowa Dyrektywa Wodna Unii Europejskiej (2000) podaje ogóln¹ definicjê zasobów dyspozycyjnych jako ró¿-nicê pomiêdzy zasobami odnawialnymi systemu wód podziemnych a wielkoœci¹ nienaruszalnych przep³ywów rzecznych.

PRZEGL¥D METOD OCENY ZASOBÓW DYSPOZYCYJNYCH WÓD PODZIEMNYCH

Wed³ug poradnika metodycznego „Ustalanie dyspozy-cyjnych zasobów wód podziemnych” (Mitrêga, 1996) do metody przybli¿onej, wskaŸnikowej oceny zasobów wód podziemnych, bêd¹cej miar¹ wielkoœci zasobów dyspozy-cyjnych, nale¿¹:

1. Metoda oceny efektywnego zasilania infiltra-cyjnego wód podziemnych, polegaj¹ca na uzale¿nieniu tego zasilania od wskaŸników opadu i infiltracji efektyw-nej. Sposób ten ma co najwy¿ej szacunkowy charakter, gdy¿ wskaŸniki infiltracji s¹ dobierane arbitralnie dla poszczególnych typów litologicznych utworów, z których jest zbudowana strefa przypowierzchniowa.

2. Metoda oceny odp³ywu podziemnego na pod-stawie genetycznego rozdzia³u hydrogramu przep³ywu w przekroju hydrometrycznym. Tak¿e i w tym przypadku ocena odp³ywu podziemnego stanowi tylko wskaŸnikowe okreœlenie wartoœci zasobów dyspozycyjnych, odnosz¹ce siê do powierzchni ca³ej zlewni.

3. Metody wyznaczania wielkoœci zasilania wód podziemnych na podstawie analizy wahañ zwierciad³a wód podziemnych. Sposób ten, opieraj¹cy siê na pomiarach wahañ zwierciad³a wody w studniach reprezentatywnych, pozwala wyznaczyæ jedynie wskaŸnikowe wartoœci zasila-nia. Jedn¹ z takich mo¿liwoœci jest metoda Ros³oñskiego (1948).

4. Metoda oceny odp³ywu podziemnego na pod-stawie analizy krzywych wysychania Ÿróde³ i cieków (Dêbski, 1970; Wieczysty, 1982).

Inne sposoby, nie wymienione w poradniku, a równie¿ stosowane do wskaŸnikowej oceny zasobów wód pod-ziemnych, to metody analizy hydrodynamicznej i bilansu wodnego, np. metoda Wundta. W latach 70. XX w. do oceny regionalnych zasobów wód podziemnych stosowano w by³ym ZSRR metodê Bindemana i Boczewiera (1964), a w Polsce Paczyñskiego (1974) i Malinowskiego (1976). W tej ostat-niej istota schematu obliczeniowego sprowadza³a siê do rozmieszczenia na danym obszarze regularnej o kroku DX i DY, dowolnie gêstej sieci umownych (wirtualnych) stu-dzien, w³¹czonych równoczeœnie ze sta³¹ wydajnoœci¹ do eksploatacji prowadzonej w za³o¿onym okresie czasu t = 25 lat.

Formu³a Bindemana i Boczewiera (1964) jest modelem sczerpywania szczelnego zbiornika o powierzchni Fobez

zasilania. Poniewa¿ model ten nie nadaje siê do oceny regionalnych zasobów wód podziemnych w strefie ich aktywnej wymiany, formu³ê [1] zmodyfikowano (Paczyñ-ski, 1974; Malinow(Paczyñ-ski, 1976), wprowadzaj¹c do niej modu³ zasobów odnawialnych poziomu u¿ytkowego. Wzór zastosowany do oceny regionalnych zasobów wód podziemnych dla obszaru ca³ej Polski to:

Q F Sdop t Mz eks F, = × × + æ èçm öø÷ [1] gdzie:

Qeks,F– zasoby danego poziomu u¿ytkowego,

F – powierzchnia danego poziomu u¿ytkowego, Sdop – depresja dopuszczalna,

Mz – modu³ zasobów odnawialnych danego poziomu

u¿yt-kowego,

m – wspó³czynnik ods¹czalnoœci grawitacyjnej,

t – czas eksploatacji (25 lat).

Model wyra¿ony tym wzorem nie uwzglêdnia zarówno przep³ywów wód w obrêbie danego poziomu u¿ytkowego, jak i pomiêdzy poziomami u¿ytkowymi w

wielopoziomo-wych strukturach hydrogeologicznych. Zak³ada on bowiem, ¿e poziomy u¿ytkowe s¹ od siebie w pe³ni odizolowane.

¯adna z wy¿ej przedstawionych metod, mimo i¿ daje wyobra¿enie o odnawialnoœci zasobów, nie stwarza pod-staw do oceny zasobów dyspozycyjnych wód podziem-nych wprost, gdy¿ nie pozwala oceniæ skutków hydro-geologiczno-œrodowiskowych poboru wody na poziomie w³aœnie zasobów dyspozycyjnych.

METODY MODELOWANIA PRZEP£YWU WÓD PODZIEMNYCH

Mo¿liwoœæ oceny zasobów dyspozycyjnych wód pod-ziemnych, ³¹cznie ze skutkami hydrogeologiczno-œrodo-wiskowymi ich poboru, daje wy³¹cznie zastosowanie metod modelowania matematycznego procesu filtracji wód podziemnych, co ze szczególnym natê¿eniem jest widoczne w Polsce w ostatnich latach. Najczêœciej stoso-wanym na œwiecie narzêdziem programowym do modelo-wania hydrogeologicznego jest amerykañski program MODFLOW w licznych swoich odmianach, jak np. Visual Modflow, Groundwater Vistas, Processing Modflow czy Groundwater Modeling System.

Na Wydziale Geologii Uniwersytetu Warszawskiego zosta³y opracowane w latach 70. i 80. XX w. pakiety pro-gramów ANPLA i HYDRYLIB do modelowania regional-nych systemów hydrogeologiczregional-nych.

Programy wy¿ej wymienione, stosowane z powodze-niem do budowy modeli systemów kr¹¿enia wód podziem-nych i oceny zasobów eksploatacyjpodziem-nych, nie zosta³y wypo-sa¿one w procedury do obliczania wielkoœci i rozk³adu zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych.

Pierwsz¹ próbê opracowania metodyki oceny zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych podj¹³ Michalak (2002). Przygotowana przez tego autora metodyka PDE (Prze-strzeñ Dopuszczalnych Eksploatacji), zrealizowana w napisanym przez niego obiektowym systemie ASPAR (Michalak, 1984), przeznaczonym do budowy modeli hydrodynamicznych w hydrogeologii, zosta³a oparta na procedurze optymalizacyjnej. Dawa³a ona dla modelu jed-nowarstwowego wielkoœæ i rozk³ad zasobów dyspozycyj-nych na podstawie zdefiniowanego, dopuszczalnego obni-¿enia zwierciad³a wody podziemnej. W metodyce PDE zasoby odnawialne nie s¹ punktem wyjœcia do oceny zaso-bów dyspozycyjnych. Ocena zasozaso-bów odnawialnych ma tu znaczenie podstawowe i na niej powinny siê opieraæ wszel-kie szacunki zasobów dyspozycyjnych.

Bezpoœrednie powi¹zanie w procesie obliczeniowym oceny zasobów dyspozycyjnych z zasobami odnawialnymi przedstawia metoda przekszta³cenia sta³oobjêtoœciowego (Œmietañski, 2006, 2014).

W sensie matematycznym przekszta³cenie sta³oobjêtoœ-ciowe zmienia kszta³t danej powierzchni, bêd¹cej na przyk³ad geometrycznym obrazem rozk³adu okreœlonej wielkoœci fizycznej, nie zmieniaj¹c objêtoœci bry³y ograni-czonej t¹ powierzchni¹. Objêtoœæ jest niezmiennikiem tego przekszta³cenia. Sterowanie modyfikacj¹ kszta³tu tej powierzchni jest realizowane z u¿yciem czynników wago-wych. Ogólna postaæ przekszta³cenia sta³oobjêtoœciowego wyra¿a formu³a [2]:

( )

( )

( )

( )

( )

-Õ

ò

Õ

ò

H(x,y) – powierzchnia przekszta³cona, M(x,y) – powierzchnia do przekszta³cenia,

Wi(x,y) – i-ty czynnik wagowy,

N – liczba czynników wagowych,

W – obszar przekszta³cenia,

(x, y) – wspó³rzêdne punktu, nale¿¹cego doW , w którym

jest obliczane przekszta³cenie.

Pierwszym etapem procesu ustalania zasobów dyspo-zycyjnych w obszarze bilansowym przy u¿yciu tej metody jest ocena odnawialnoœci zasobów wód podziemnych. Wielkoœæ tej odnawialnoœci jest okreœlona wartoœci¹ œred-niego z wielolecia odp³ywu podziemnego do rzek, który jest przyjmowany jako równy œredniemu z wielolecia przep³ywowi niskiemu (SNQ) w rzekach (Jokiel, 1994). Wartoœæ SNQ, bêd¹ca wynikiem pomiarów hydrologicz-nych, jest punktem wyjœciowym w procesie oceny zaso-bów dyspozycyjnych wód podziemnych z zastosowaniem tej metody. Uto¿samiaj¹c odnawialnoœæ z efektywnym zasilaniem infiltracyjnym, sposób przekszta³cenia sta³oob-jêtoœciowego pozwala oszacowaæ rozk³ad tego zasilania w granicach danego obszaru bilansowego. Czynnikami wago-wymi steruj¹cymi rozk³adem zasilania s¹ tu g³ównie litolo-gia utworów powierzchniowych i rozk³ad œredniej z wielo-lecia wysokoœci opadów.

Drugim etapem ustalania zasobów dyspozycyjnych jest budowa modelu matematycznego przep³ywu wód pod-ziemnych, w którym oszacowany rozk³ad zasilania, równy odp³ywowi podziemnemu do rzek, jest warunkiem brzego-wym. Na tym etapie s¹ definiowane kryteria oceny zaso-bów dyspozycyjnych oraz czynniki wagowe steruj¹ce ich rozk³adem. Takimi czynnikami wagowymi s¹ na przyk³ad obszary Natura 2000 czy rejony o korzystnych warunkach do budowy nowych ujêæ. Metod¹ kolejnych przybli¿eñ ustala siê, jak¹ czêœæ zasobów odnawialnych stanowi¹ zasoby dyspozycyjne oraz w jakiej proporcji te ostatnie s¹ rozdzielone pomiêdzy modelowane warstwy wodonoœne. Rozk³ad zasobów dyspozycyjnych w poszczególnych warstwach wodonoœnych modelu jest obliczany algoryt-mem przekszta³cenia sta³oobjêtoœciowego.

PODSUMOWANIE

W podsumowaniu mo¿na wyraziæ przekonanie, ¿e jedynie metoda numerycznego modelowania przep³ywu wód podziemnych pozwala na ocenê wielkoœci i rozk³adu zasobów dyspozycyjnych wielowarstwowych systemów wodonoœnych, na podstawie znajomoœci ich zasobów odnawialnych. Jest metodyk¹, która umo¿liwia dokonywa-nie wiarygodnych ocen zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych w zlewniach rzecznych. Osadzona jest na fundamencie kryterium hydrologicznego w sensie powi¹-zania zasobów odnawialnych i dyspozycyjnych z odp³y-wem podziemnym oraz kryterium hydrogeologicznego,

rozumianego za Witczakiem i in. (2001) jako ca³okszta³t warunków hydrogeologicznych z uwzglêdnieniem zró¿ni-cowania zagospodarowania wód podziemnych i zapotrze-bowania na te wody.

Metoda przekszta³cenia sta³oobjêtoœciowego (Œmietañ-ski, 2006, 2010) wi¹¿e bezpoœrednio w procesie oblicze-niowym zasoby dyspozycyjne z odp³ywem podziemnym do rzek, który jest okreœlany na drodze pomiarów hydrolo-gicznych.

LITERATURA

BIENIASZEWSKA H. 1980 – Ocena zasobów dyspozycyjnych metod¹ hydrodynamiczn¹ w wielopoziomowych seriach czwartorzêdowych. Sympozjum Wspó³czesne Problemy Hydrogeologii Regionalnej, Jachranka.

BINDEMAN N.N. & BOCZEWIER F.M. 1964 – Regionalna ocenka eksp³uatacjonnych zapasow presnych podziemnych wod. Sov. Geo³., No 1.

BINDEMAN N.N. & JAZWIN. L.S. 1970 – Ocenka eksp³uatacjonnych zapasow podziemnych wod. Izd. Niedra. Moskwa.

BURZYÑSKI K. & SADURSKI A. 1995 – Problem zasobów wód podziemnych na przyk³adzie Pó³wyspu Helskiego. Prz. Geol., 43 (3): 198–202.

CASTANY G. 1972 – Poszukiwanie i eksploatacja wód podziemnych. Wyd. Geol., Warszawa.

CONKLING H. 1946 – Utilization of groundwater storage in stream system development. Trans. Amer. Soc. Civil Engrs., 111: 275–305. D¥BROWSKI B. & PRZYBY£EK J. 2012 – Ocena prognoz zasobów eksploatacyjnych poprzez porównanie szacunków zasobowych z wyni-kami d³ugotrwa³ej eksploatacji ujêæ wód podziemnych (stadium meto-dyczne). Rozdz. 4 – Rozwój metodyki obliczania i prognozowania zasobów wód podziemnych. Bogucki Wyd. Nauk., Poznañ: 32–45. DÊBSKI K. 1970 – Hydrologia. Wyd. Arkady, Warszawa.

DOMENICO P.A. & SCHWARTZ F.W. 1997 – Physical and Chemical Hydrogeology. John Wiley & Sons, Inc.

DOWGIA££O J., KLECZKOWSKI A.S., MACIOSZCZYK T. & RÓ¯KOWSKI A. (red.) – 2002 – S³ownik hydrogeologiczny. Wyd. II. Min. Œrod. Pañstw. Inst. Geol., Warszawa

FREEZE R.A. 1971 – Three-dimensional, transient, saturated-unsatura-ted flow In a groundwater basin. Water Resources Res., 7: 347–366. HERBICH P. 2002 – Dokumentowanie i bilansowania zasobów wód podziemnych w gospodarowaniu wodami. XIV Konferencja: Problemy wykorzystywania wód podziemnych w gospodarce komunalnej – gospodarowanie zasobami wód podziemnych. Wyd. PZITS, Czêstochowa: 58–67.

HERBICH P. 2005 – Zasoby perspektywiczne wód podziemnych – cel ustalania i metodyka obliczeñ dla zlewniowych systemów wodono-œnych. Wspó³czesne problemy hydrogeologii. Wyd. UMK, Toruñ: 261–268.

JOKIEL P. 1994 – Zasoby, odnawialnoœæ i odp³yw wód podziemnych strefy aktywnej wymiany w Polsce. Acta Geogr. Lodz., 66–67. KLECZKOWSKI A.S. 2002 – Zasoby wód podziemnych w systemie obiegu hydrologicznego. XIV Konferencja: Problemy wykorzystywa-nia wód podziemnych w gospodarce komunalnej – gospodarowanie zasobami wód podziemnych, Czêstochowa: 1–7.

KRAJEWSKI S. 1980 – Odnawialnoœæ a dyspozycyjnoœæ zasobów wód podziemnych kredy lubelskiej. Mat. Symp. Wspó³cz. Probl. Hydrogeol. Region. Jachranka.

LEE C.H. 1915 – The determination of safe field of underground rese-rvoirs of the closed basin type. Trans. Amer. Soc. Civil Engrs., 78: 148–151.

MACIOSZCZYK T. & KAZIMIERSKI B. 1990 – Zasady budowy modeli systemów hydrogeologicznych dla oceny zasobów dyspozycyj-nych i symulacji regionalnego ich zagospodarowania. SGGW-AR, Warszawa.

MALINOWSKI J. (red). 1976 – Atlas zasobów zwyk³ych wód pod-ziemnych Polski, 1 : 500 000. Cz. I. Wyd. Inst. Geol. Warszawa. MICHALAK J. 1984 – Pakiet programowy ANPLA – Przeznaczenie i ogólna organizacja. Mat. V Konf. Modelowanie zagadnieñ brzego-wych. Prace Inst. Biocyber. i In¿., Warszawa.

MICHALAK J. 1997 – Obiektowe modele w hydrogeologii, system ASPAR. Wyd. UW Warszawa.

MICHALAK J. 2002 – Wyznaczanie zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych oparte na metodyce PDE. Prz. Geol., 50 (10): 846–851. PACZYÑSKI B. 1974 – Zasoby u¿ytkowych wód podziemnych na obszarze Polski. Arch. Geol. Inst. Geol., Warszawa.

PACZYÑSKI B. (red.) 1995 – Atlas hydrogeologiczny Polski, 1 : 500 000. Cz. II, Zasoby, jakoœæ i ochrona zwyk³ych wód podziemnych. Pañstw. Inst. Geol., Warszawa.

PACZYÑSKI B., MACIOSZCZYK T., KAZIMIERSKI B. & MITRÊGA J. 1996 – Ustalanie dyspozycyjnych zasobów wód pod-ziemnych – poradnik metodyczny. Wyd. Geol. Pañstw. Inst. Geol., Warszawa.

PAZDRO Z. 1964, 1983 – Hydrogeologia ogólna. Wyd. Geol., Warszawa.

PAZDRO Z. & KOZERSKI B. 1990 – Hydrogeologia ogólna. Wyd. Geol., Warszawa.

PLECZYÑSKI J. & PRZYBY£EK J. 1974 – Problematyka dokumen-towania zasobów wód podziemnych w dolinach rzek. Wyd. Geol., War-szawa.

PLECZYÑSKI J. 1981 – Odnawialnoœæ zasobów wód podziemnych. Wyd. Geol., Warszawa.

PRAWO geologiczne i górnicze, Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Dz. U. Nr 163, poz. 981.

PRAWO wodne, Ustawa z dnia 2001 r. Jednolity tekst w Dz. U. z dnia 9 lutego 2012, poz. 145.

PRA¯AK J. 2001 – Uwagi w sprawie zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych. Prz. Geol., 49: 219.

RAMOWA dyrektywa wodna – Dyrektywa 2000/60/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Wspólnoty Europejskiej z dnia 23 paŸdziernika 2000 r.

ROS£OÑSKI R. 1948 – Kurs hydrogeologii. Wyd. AGH, Kraków.

SZCZEPAÑSKI A. 1979 – Eksploatacyjne zasoby z³ó¿ wód podziem-nych na tle schematyzacji warunków obliczeñ. Zesz. Nauk. AGH, seria Geologia, 5 (1): 5–69.

SZCZEPAÑSKI A., (red.), D¥BROWSKI S., GÓRSKI J., KAPUŒCIÑSKI J. & PRZYBY£EK J. 2004 – Metodyka okreœlania zasobów eksploatacyjnych ujêæ zwyk³ych wód podziemnych. Poradnik metodyczny. Wyd. Borgis, Warszawa.

SZYMANKO J. 1980 – Koncepcje systemu wodonoœnego i metod jego modelowania. Wyd. Geol., Warzawa.

SZYMANKO J. & £ODZIÑSKI S. 1980 – Hydrogeologiczne proble-my projektowania systemów wodno-gospodarczych. Prz. Geol. 28 (9): 501–511.

ŒMIETAÑSKI L. 2006 – Studium zasobów dyspozycyjnych wód pod-ziemnych zlewni £eby w œwietle badañ modelowych. Praca Dokt. Nie-publ. Centr. Arch. Geol. PIG, Warszawa.

ŒMIETAÑSKI L. 2010 – The quantitative evaluation of the catchment available groundwater resources – the case study. Biul. Pañstw. Inst. Geol., 441: 183–192.

TODD D.K. 1959 – Ground Water Hydrology. John Wiley & Sons, New York.

TOLMAN C.F. 1937 – Ground Water. New York.

TUREK S. (red.) 1971 – Poradnik hydrogeologa. Wyd. Geol., Warsza-wa.

TUSZKO A. 1967 – Gospodarka wodna, Wyd. Arkady, Warszawa. WIECZYSTY A. 1982 – Hydrogeologia in¿ynierska. Wyd. II. PWN. Warszawa-Kraków.

WITCZAK S., PRA¯AK J. & ¯UREK A. 2001 – Problemy zwi¹zane z ocen¹ zasobów dyspozycyjnych wód podziemnych w zlewniach rzek o przep³ywie limitowanym przez odp³yw podziemny. Wspó³czesne problemy hydrogeologii. Wyd. WIND, Wroc³aw.