Po utworzeniu zapory w Cardiff Bay w latach 1999/2000 nastąpił wzrost poziomu wód gruntowych na półwyspie znajdującym si w zatoce zamkniętej przez zaporę . Wzrost poziomu wód w gruncie spowodował liczne problemy dla miejskiej infrastruktury, na przykład zalewanie piwnic, fundamentów, studzienek z aparaturą elektryczną i inne. Jako odpowiedzialna za wszelkie szkody związane z podniesieniem poziomu wód gruntowych, Rada Miejska Cardiff poleciła zainstalować studnie poziome (horizontal collectors) w celu odwodnienia obszaru i obniżenia poziomu wody w gruncie. Poziome studnie odwadniające zainstalowano w miejscach, gdzie warstwa wodonośna miała bezpośredni kontakt z powierzchnią terenu, tam gdzie brakowało naturalnej gliniastej warstwy stanowiącej izolację dla żwirowej warstwy wodonośnej znajdującej się w podłożu. Poziome studnie początkowo spełniały swoje zadanie, jednak ze względu na skład chemiczny wód, okazało się, że ich żywotność jest niska ze wzgl du na korozj filtrów. Kiedy przyszedł czas na wymianę poziomych studni odwadniających, stwierdzono, ze tańszym rozwiązaniem będzie rozmieszczenie kilku standardowych pionowych studni odwadniających zamiast dwóch kosztownych poziomych studni. Niniejszy artykuł przedstawia proces zbierania i opracowywania danych na potrzeby wykonania modelu hydrogeologicznego, na podstawie kt6 rego określone zostały optymalne lokalizacje pionowych studni odwadniających jako zamienników studni poziomych, dotychczas funkcjonujcfcych. Opracowanie zostało wykonane przez Michała Hojnowskiego w roku 2008. Wszelkie prawa autorskie co do kopiowania i cytowania treści umieszczonej w tym artykule są zastrzeżone.

 Hydrogeologiczny model numeryczny to jeden ze sposobów na przedstawienie rzeczywistych warunków gruntowych w formie dwu- (20) lub trzywymiarowej (30), a więc jako model jest reprezentacją systemu fizycznego służącą do przewidywania zachowania owego systemu pod wpływem działania zmiennych warunków wewnątrz tego systemu lub działających z zewnątrz..

 Modelowanie ma na celu, mówiąc wprost, wytworzenie cyfrowego obrazu warunków hydrogeologicznych terenu, maksymalnie odpowiadającego warunkom rzeczywistym. W omawianym przypadku, dzięki skonstruowaniu numerycznego modelu hydrogeologicznego, można, relatywnie niskim kosztem, przewidzieć reakcję warstwy wodonośnej np. na odwadnianie, obliczyć obniżenie zwierciadła wody, zasięg leja depresji przy różnych schematach lokalizacji studni odwadniających pompujących z zadaną wydajnością.

Część danych z próbnych pompowań nie jest wprowadzana do modelu i jest zachowana jako dane weryfikacyjne po to, by po wykonaniu modelu sprawdzić czy odpowiedź wirtualnej warstwy wodonośnej jest zbliżona do realnego obniżenia poziomów warstwy wodonośnej zmierzonej przy rzeczywistym pompowaniu.

Przykład wykonania modelowania numerycznego na potrzeby testowania schematów odwodnieniowych na półwyspie w zatoce Cardiff.

Poniżej przedstawiono przykład podejścia do zbierania i opracowania danych jaki zastosował Michał Hojnowski, do zbudowania hydrogeologicznego modelu numerycznego w 3 wymiarach (3D). Modelowany obszar zajmuje około 1,5 km2 i obejmuje tereny znajdujące się na lądzie półwyspu nadbrzeżnej części Cardiff w dystrykcie South Butetown, jak również dno zatoki Cardiff. Zatoka znajduje si w ujsciu rzek Taff i Ely. Obie rzeki wpływają do Severn Estuary - ujścia rzeki Severn (Fig. 1.2.1). Zatoka jest zamknięta sztuczną zaporą (Cardiff Bay Barrage) mającą na celu ograniczenie pływów morskich przy brzegu.

 Celem projektu było zbudowanie hydrogeologicznego modelu przepływu w celu przetestowania efektywności odwadniania terenu w zależności od rozmieszczenia studni w terenie.

Fig.1.2.1 Obszar terenu objęty modelowaniem numerycznym

Zastosowane etapy działania:

  ZEBRANIE I OPRACOWANIE DANYCH

 Przegląd dostępnych publikacji na temat historii użytkowania terenu

• Przegląd dostępnych publikacji na temat hydrogeologii obszaru
• Zebranie dost pnych danych na temat litologii z dostępnych baz danych geologicznych
• Analiza dost pnych hydrogramów i porównanie z danymi meteorologicznymi i danymi dotyczącymi poziomu morza w celu znalezienia wpływu zewn trznego na poziom wód gruntowych

ANALIZA WYNIKÓW PRÓBNYCH POMPOWAŃ

• Analiza dostępnych wyników testu pompowania w celu oceny właściwości hydraulicznych warstwy wodonośnej

BUDOWA MODELU KONCEPCYJNEGO

• Wykorzystanie wniosków z powyższej analizy do budowy Modelu Koncepcyjnego

BUDOWA I WERYFIKACJA MODELU NUMERYCZNEGO

• Stworzenie numerycznego modelu przepływu opartego na modelu koncepcyjnym
• Weryfikacja modelu w odniesieniu do dost pnych rzeczywistych poziomów wód gruntowych i lejów depresji z pompowań próbnych
  

WYKORZYSTANIE MODELU NUMERYCZNEGO DO WYZNACZENIA OPTYMALNEJ LOKALIZACJI STUDNI ODWODNIENIOWYCH

• Sprawdzenie potencjału odwadniania istniejącej infrastruktury czyli istniejących poziomych studni odwadniających.
• Wyznaczenie teoretyczne lokalizacji dodatkowych studni odwodnieniowych w celu teoretycznego przetestowania efektywności odwadniania terenu w zależności od rozmieszczenia studni w terenie.
• Znalezienie optymalnej lokalizacji dla pionowych studni odwadniających, w przypadku gdy na podstawie modelowania istniejącej infrastruktura okaze się: niewystarczająca

Zarys historii użytkowania terenu

Obszar półwyspu w dzielnicy South Butetown był początkowo używany jako pastwisko z rowami melioracyjnymi (reens) i groblami (Entec, 1996). Dopiero w pod koniec XVIII wieku w poczqtkach rewolucji przemysłowej rowy melioracyjne zaczęto zasypywać materiałami pochodzenia antropogenicznego (Edwards, 1997). Zasypywanie przebiegało równolegle z miejscowych usuwaniem warstwy aluwiów przy konstruowaniu kana+6w i dok6w i kanałów w obrębie zatoki (Fig. 2.1.1, Fig. 2.1.3) Większość z tych wyrobisk została już zasypana w XX wieku używając przypadkowych materiałów o zróżnicowanych własnościach (Entec, 1996). W pierwszej połowie XX wieku wokół zatoki rozwinął się ruchliwy port w około 2 km od centrum miasta, aby obsługiwać przemysł wydobycia węgla i wytwarzania stali w Walii. Branże te upadły w drugiej połowie XX wieku i okolice zatoki stały się ponownie równinami błotnymi (Heathcote i in.,2004). W 1987 r. rząd Wielkiej Brytanii postanowił założyć Cardiff Bay Development Corporation, aby zrewitalizować okolicę. Przy zadaniu tym, miasto Cardiff musiało zmierzyć się z negatywnym aspektem pływów morskich. Wybrzeże Cardiff przez większą część roku nawiedzały jedne z najwiekszych na swiecie, pływy o amplitudzie do 11 m. Błotniska były odsłonięte przez 12-18 godzin każdego dnia co sprawiało nieestetyczne wrażenie i uniemożliwiało zagospodarowanie wybrzeża. By nastąpił rozwój obszaru, należało doprowadzić do ograniczenia wielkości pływów przy nabrzeżu. Zdecydowano by oddzielić wody zatoki Cardiff od ujścia rzeki Severn, a przez to ograniczyć pływy.  Wybudowano Cardiff Bay Barrage, zaporę na zatoce Cardiff (Fig.1.2.1). W efekcie spiętrzono wodę: z rzek Taff i Ely przebywających przez Cardiff i w rezultacie powstał rezerwuar wody na obszarze 200 ha, rodzaj jeziora, w którym, dzięki zaporze, można kontrolować poziom wody i utrzymywać go na stałym poziomie (Crompton, 2002).

Fig 2.1.1 Naniesienie elementów topografii z map historycznych (1885. Glamongansh.i.re. Edition 1 source: Edina Historic Map) na obecną ortofotomapę (Mapy Google)

Wzajemne relacje poziomu wód powierzchniowych i gruntowych

Półwysep Butetown (Fig.1.2.1) otoczony jest zatoką Cardiff Bay oraz rzeką Taff. Do zatoki od strony południowo zachodniej wpływają wody rzeki Ely. Śluza pływowa Cardiff Bay Barrage utrzymuje stały poziom wody na poziomie 4.5 m npm przy ujściu
obu rzekach i zatoce. Na zewnątrz śluzy pływy są w zakresie około 11 m ze średnim poziomem p+ywu 0.5 m npm. Zagospodarowanie terenu w południowej części Cardiff to głównie wiktoriańskie budynki mieszkalne, przemysłowe i handlowe z drugiej połowy XIX wieku. Teren jest płaski i nisko położony; poziomy terenu mieszczą si w zakresie od 6 do 9 metrów nad poziom morza. Należy tu nadmienić że tzw. poziom morza to tak naprawdę poziom Ordnance Datum czyli stały, umowny poziom do którego odnoszą się wysokości terenu w Wielkiej Brytanii. Modelowany obszar zawiera w swej części tzw. “obszar chroniony” (Protected Areas) czyli części obszaru miasta monitorowane z powodu zagrożenia wpływem wzrostu wód gruntowych na infrastrukturę (Fig. 2.1.2). Obszar chroniony jest odwadniany za pomocą poziomych studni odwodnieniowych (horizontal collectors), które odwadniają żwirową warstwę wodonośną w miejscach, w których aluwialna powierzchnia pokrywa gliniasta jest usunięta wskutek działań człowieka w przeszłości. Brak pokrywy aluwialnej i bezpośredni kontakt żwirowej warstwy wodonośnej może powodować potencjalne zagrożenie podniesienia się wód gruntowych do poziomu obecnego w wodach zatoki.

Fig.2.1.2 Obszary chronione ze względu na zagrożenie nieporządanym wzrostem poziomu wód gruntowych (Heathcote et al., 2003)

Warunki geologiczne

W uproszczeniu warunki geologiczne przedstawiają się następująco, od najpłytszych do najgłębszych:

Made Ground - nasyp niebudowlany (miejscami budowlany), o miąższości zwykle 0- 12m (najcz sciej do Sm), zbudowany z różnego typu materia 6w, od odpadów z kamieniołomu do utworów nieprzepuszczalnych, (Edwards,1997), wspókzynnik filtracji szacowany na 1-2m/d (Entec, 1996)

Alluvium - aluwia i osady między pływowe - Holocen, muf estuaryjny, miejscami przewarstwiony żwirem i torfem. o miąższości 0-12m (zwykle 3-Sm) (Sutton et al.,2004), pionowy współczynnik filtracji od 4.2x10-6 do 5.6x10-5m/d with ze średnią 1.74x10-5m/d (na podstawie 10 prób granulometrycznych) (Heathcote et al..,1997)

Gravel - żwiry fluwioglacjalne - Holocen, żwir średni do gruby żwir (Crompton and Heathcote,1993; Waters and Lawrance,1987), z domieszką frakcji kamienistej (Anderson and Blundell, 1965), miąższość 0-1Om (przeważnie 3-6m) (Sutton et al.,2004), współczynnik filtracji od 4,8 do 123 m/d (mediana 33m/d) (na podstawie pomiarów podczas pływów) (Heathcote et al.,1997;Entec,1997) (Appendix B) badanie reakcji warstwy wodonośnej na pływy wykazało k=50m/d (Sutton et.al.,2004)

Mercia Mudstone - "Trias", skały podłoża, mułowce z domieszką piaskowców i ewaporatów częściowo zwietrzałe (Crompton and Heathcote,1993; Waters and Lawrance,1987), miąższość >50m (Sutton et al.,2004), nieprzepuszczalne utwory - na podstawie analizy odkrywek lokalnych (Edwards,1997),

W północnej części omawianego obszaru, żwiry (Gravels) tworzą warstw wodonośną o zwierciadle swobodnym, z uwagi na brak Alluwium (Fig.2.2.2 Gravel unconfined). Kanał rzeki Taff (Taff River) wyerodowane Alluvium w ten sposób, że rzeka jest w kontakcie ze żwirami (Sutton et.al.,2004;Edwards,1997). Również w miejscach gdzie Alluvium zostało usunięte dla wykonania sztucznego kanału a następnie zasypane, nasyp ma bezpośredni kontakt ze żwirami (Edwards,1997).

Fig.2.2.1 Mapy geologiczne i przekroje obszaru południowego Cardiff.

Mapa na Fig. 2.2.2 ukazuje “przerwy” w izolującej warstwie aluwialnej: (A) zerodowane aluwium na dnie rzeki Taff umożliwiające zasilanie żwirów wodami z rzeki, (B) dawny kanał Glamorgan znajdujący się w środkowej części półwyspu. Kanał jest obecnie wypełniony osadami antropogenicznymi (Rys. 2.2.3). Prawdopodobne są napływy wody z opadów deszczu przez wspomniane “przerwy” w Alluvium znajdujące się na lądzie i wypełnione porowatym materiałem pochodzenia antropogenicznego. Niektóre z pogłębianych kanałów znajdują się teraz poza zbiornikiem utworzonym przez zaporę co oznacza że są pod wpływem pływów w Ujsciu rzeki Severn (D). Obszar (E) odpowiada kolejnym dawnym dokom portowym a obszar (C) to pogłębienia umożliwiające statkom przedostanie się do doków portowych. Obszar (F) to miejsce dawnych zbiorników “Timber Ponds”, obecnie wypełnionych (Chappell., 1939; Williams, 2008). Nie znaleziono informacji w literaturze dotyczącej problemu wzrostu wód gruntowych związanego z obszarami dawnych Timber Ponds (F) ani też doków (E). Problem wzrostu wód gruntowych jest związany tylko z kanałem (B) który został wypełniony materiałem antropogenicznym (Entec, 1996; Edwards, 1997; Sutton i in., 2004; Williams, 2008). Przed spiętrzeniem zapory, poziom wody wahał się  od -6,0 mAOD do - 5,12mAOD (czyli -6.0 do -5.12 m npm) dla średnich pływów wiosennych (Heathcote et al.,2003). 

Na dużej półwyspu w części południowej części Butetown poziomy wody gruntowej w żwirowej warstwie wodonośnej byty poniżej proponowanego poziomu retencji 4,5mAOD przez cały czas i wynosiły około 2,5mAOD (Entec, 1996). Wzrost poziomu wód gruntowych po spiętrzeniu wód zatoki który nastąpił w momencie ukończenia zapory Cardiff Bay Barrage, mógł negatywnie oddziaływać na konstrukcje podziemne i fundamenty. Pompowanie rozpocz to badania sprawdzające, czy możliwe jest obniżenie poziomu wód gruntowych w Żwirze, gdzie jest zasilany przez wody rzeczne przez przerwy w gliniastym Alluvium (Sutton i in., 2004). Analiza wykonanych próbnych pompowań i interpretacja wyników pompowań były utrudnione w niektórych miejscach, przez wahania poziomu wód gruntowych wywołane pływami (Heathcote i wsp., 1997).

Próbne pompowania wykazały, że wartości przewodności hydraulicznej fluwioglacjalnego żwiru są stosunkowo spójne (Załącznik B). Stwierdzono korelację między obfitymi opadami, a szczytem wiosennych pływów i niskim ciśnieniem atmosferycznym (Entec, 1996).

Fig.2.2.2 Mapa geologiczna utworów przypowierzchniowych (based on: Edwards, 1997; Waters and Lawrance, 1987; Anderson and Blundell 1965; Edina Geology
Digital Maps; Google Aerial View Map, Williams, 2008). Dane mapowe (poza podkładem z Map Google) pochodzą z okresu przed utworzeniem zapory w Cardiff. 

Opracowanie danych dotyczących geologii badanego obszaru

Analizy danych wiertniczych, geologii, batymetrii i map powierzchniowych (Załączniki D,H,I) wraz z danymi z istniejących publikacji naukowych na temat badanego terenu pozwoliły uzyskać wystarczającą ilość danych wgłębnych i spatialnych by uzyskać spójny obraz warunków lokalnych w powiązaniu w warunkami regionalnymi..

Mapy topografii powierzchni terenu wraz z mapami topografii dna zatoki wykonano z wykorzystaniem Oprogramowanie Surfer (Scientific Software). W tym samym programie wykonano mapy stropu głównych warstw geologicznych.

Wspomniane mapy użyto zarówno w modelu koncepcyjnym jak i w numerycznym modelu MODFLOW.

Dane wiertnicze uzyskano dzięki uprzejmości hrabstwa Cardiff Council oraz Entec a także wykorzystując publicznie dostępne dane z bazy otworów British Geological Survey.Mapa batymetryczna zatoki Cardiff (Coastal Surveys Ltd.,2008) została udostępniona przez Miasto Cardiff.

 Na Fig 4.3.1 zaprezentowano map stropu Alluvium. Wykonano równiez mapy powierzchni terenu, stropu żwirowej warstwy wodonośnej oraz stropu nieprzepuszczalnego podłoża Mercia Mudstone.

Your content goes here. Edit or remove this text inline or in the module Content settings. You can also style every aspect of this content in the module Design settings and even apply custom CSS to this text in the module Advanced settings.