Finska forskare har byggt en tredimensionell grundvattenmodell för att simulera flödet från den omättade zonen genom akvifären ut till ytvatten och Östersjön. Grundvattenmodellen har byggts med hjälp av olika publikt tillgängliga verktyg.
Av: Kenneth M Persson
Grundvattnet är en central färskvattenresurs för mänskligheten. Hur grundvatten bildas är en viktig process för att upprätthålla grundvattennivåer och hållbara grundvattenresurser. Framtida klimatförändringar (t.ex. vad gäller genomsnittlig årlig temperatur och nederbörd) kan komma att påverka de hydrologiska systemen, grundvattenbildning och grundvattenresurser. Men vad kommer att hända? Hur kommer klimatförändringen att påverka tillgången på grundvatten om knappt hundra år?
Denna fråga har undersökts av Luoma och Okkonen (2014) avseende halvön Hangö i sydvästra Finland för perioden fram till 2100. Forskarna byggde upp en tredimensionell grundvattenmodell i MODFLOW för att simulera flödet från den omättade zonen genom akvifären ut till ytvatten och Östersjön. De använde UZF1-modulen (unsaturated zone flow, flödet i den omättade zonen) tillsammans med MODFLOW till att simulera flödet samt modeller för snösmältning och potentiell evapotransporation för att beräkna tillgänglig mängd vatten som kan infiltrera till grundvattenmagasinet. De olika modulerna och modellerna lades samman för hela Hangö och olika scenarier med olika temperatur- och nederbördsförhållanden beräknades för tiden fram till 2100.
Förändringar i havsvattennivån importerades som tidsberoende konstant i randvillkoren till MODFLOW. Effekterna av tjäle ansågs vara minimal, eftersom infiltration i Hangöakvifären kan ske även vid en yttemperatur på -2°C. I kalla, snödominerade områden har tjälen stor effekt på grundvattenbildningen, medan genomsläppliga sandiga akvifärer kan ha grundvattenbildning också vintertid.
De simulerade värdena kalibrerades mot data för nuvarande förhållanden. MODFLOW-modellen bestod av ett lager med storlek 71 km2 där ett rektangulärt rutnät med 186 rader och 269 kolumner lades ut. Cellstorleken (griden) var 50 m × 50 m, men minskades till 5 m × 5 m för celler i närheten av produktionsbrunnar. Den övre delen av modellen begränsades av markytan medan den undre gränsen definierades av berggrunden vilket gjorde att modelltjockleken varierade mellan 1-75 m (med ett genomsnitt om 25 m). Berggrunden har mycket låg hydraulisk konduktivitet och betraktades som ett ogenomträngligt lager som bildar den nedre gränsen av modellen.
Resultaten indikerar ändrad grundvattenbildning för 2071-2100, då huvuddelen beräknas ske tidigare på året, under senvintern och tidig vår. De säsongsmässiga effekterna av klimatförändringar för grundvattenbildning verkar resultera i tendens till grundvattentryck högre än marknivån under vintern och våren, vilket resulterar i översvämningar. Sommartid när mindre grundvatten infiltrerar ökar tendens till torka. Om havsnivån stiger snabbare än landhöjningen kan vissa delar av akvifären komma att hamna under havsytan, vilket ökar risken för saltvatten (bräckvatten) –inträngning och försaltning av grundvattnet. Om grundvattnet trycks in i akvifären på grund av inträngande saltvatten höjs också grundvattennivåerna. Det skulle i så fall öka grundvattenutflödet och kunna orsaka översvämningar i låglänta områden.
Detta utläckage av grundvatten måste hanteras på ett klokt sätt. Ett högre utläckage kan bland annat orsaka översvämningar och förorening av brunnar om brunnsfodren är otäta eller om brunnsöverbyggnaden inte tål att stå under vatten. I sådana fall riskerar bakteriehalten i grundvatten att öka på grund av direktkontakt med ytligt beläget grundvatten.
Hangö udd har en yta om ca 117 km2. Befolkningen i Hangö var 9282 under 2013 (www.hanko.fi) men sommartid stiger den eftersom Hangö är en populär semesterort. För perioden 1971-2000 var temperaturen i genomsnitt minimum, medelvärde och högsta temperatur under året -4,2, 5,7 och 16,6°C, respektive. Årsnederbörden under denna tid var i genomsnitt 620 mm. Grundvattenmagasinet ligger i en stor glaciofluvial formation i södra Finland med en höjd mellan 10 och 14 meter över havet längs den norra sidan av Hangö udd och en genomsnittlig höjd av 5-7 meter över havsytan längs den södra. Det viktigaste grundvattenområdet består av kvartära sand- och grusavlagringar ovanför prekambriska kristallina magmatisk och metamorf berggrund. Tjockleken på de kvartära sedimenten varierar från <1,0 till 75 m (genomsnitt ~ 13 m). Grundvattennivån varierar mellan 2 och 10 meter under markytan i inlandet till <2 m under markytan i kustområdet där utströmningen till Östersjön sker. Grundvattenbildningen sker huvudsakligen två gånger om året, på våren (i slutet av mars till början av april) och senhösten (november till början av december), efter infiltration av snösmältning och nederbörd. Grundvatten används för enskild förbrukning, allmän förbrukning och vatten till industrin. För den kommunala försörjningen till Hangö används fem brunnar vars uttag i genomsnitt är ca 4000 m3/d och maxuttag 9620 m3/d.
I artikeln beskriv hur historiska data hämtas för att kunna bygga upp grundvattenmodellen. Scenarierna för klimatförändringar hämtades från World Data Center for Climate i Hamburg. Klimatmodelldata från två växthusgasutsläppsscenarier, A1B och B1, för perioden 2001-2100 och en simulering av nuvarande klimat 1971-2000 användes. För Hangö kunde fyra datapunkter vilka ligger inom Hangös område användas varifrån dagliga nederbörds- och temperaturdata togs fram ur medelvärdena för dessa fyra punkter. Dessutom hämtades uppgifter på havsnivåscenarier för perioden fram till 2100. De använde alla tillgängliga data från 240 observationsbrunnar inklusive 12 dagliga övervakningsbrunnar under 2009-2010 och 18 månatliga övervakningsbrunnar under 1972-2010 för att kalibrera grundvattenmodellen. Den hydrauliska konduktiviteten för respektive cell justerades till dess att observerade och simulerade data överensstämde för både våta och torra förhållanden. Modellen validerades därefter med månatliga genomsnittliga grundvattennivådata från 18 observationsbrunnar för åren 1971-2000. Denna kalibrerade och validerade modell användes slutligen vid simulering av de olika framtidsscenarierna, sammanlagt åtta olika, med olika tänkt havsnivåstigning för olika tidsperioder.
Alla scenarier visade en ökning av medeltemperaturen på minst 1,0°C för samtliga perioder jämfört med referensperioden 1971-2000 och ökningen av medeltemperaturen var högre på vintern än på sommaren. Scenarierna indikerade en ökning av medeltemperaturen med i genomsnitt 3-3,4°C år 2071-2100 jämfört med 1971-2000. Under perioden 2021-2050 var den genomsnittliga temperaturökningen 1,0-1,4 ° C på sommaren och 1,3-2,0 ° C på vintern.
Förändringar i genomsnittlig nederbörd varierade mycket med säsongen för alla scenarier. Sammantaget beräknades den årliga nederbörden öka med 5% -12% jämfört med 1971-2000. Nederbörden var generellt sett 2% -26% högre varje månad utom för april-juni, då nederbörden verkade minska eller vara oförändrat jämfört med referensperioden. Simuleringarna indikerade ökad årlig potentiell infiltration för alla scenarier, med 5% -34%. Säsongsmässiga förändringar i infiltrationen varierar beroende på scenarier, men infiltrationen verkar i huvudsak öka för alla månader utom april.
Men grundvattnet omsätts genom evapotranspiration och utläckage till mark och Östersjön. Endast för ett scenario verkade grundvattenmängden i akviferen öka, med 3,8% för perioden 2071-2100 jämfört med perioden 1971 till 2000. För de andra scenarierna indikerade simuleringarna en minskning av vattenlagring av 0,2% till 17,8%.
För svenskt vidkommande är det mycket intressant att läsa om hur en fungerande grundvattenmodell kan växa fram med hjälp av olika publikt tillgängliga verktyg. Det är också klarläggande att se hur mycket information som går att få fram ur välgjorda modeller, även om det krävs mycket arbete och tillgång till indata från observationsrör, brunnar och vattenverk för att veta hur vattnet rör sig i magasinet. Slutligen är det centralt att prova flera olika scenarier för att inte övertolka modellen som deterministisk. Men de data som modellen genererar måste tolkas och kommuniceras till inte minst jordbrukssektorn, statsplanerare och beslutsfattare. Jag ser fram emot minst 4-6 hydrogeologiska modeller med olika scenarier för åren 2015-2100 också för svenskt vidkommande. Samrit Luoma och Jarko Okkonen har helt klart visat vägen.
Källa: Samrit Luoma och Jarko Okkonen. Impacts of Future Climate Change and Baltic Sea Level Rise on Groundwater Recharge, Groundwater Levels, and Surface Leakage in the Hanko Aquifer in Southern Finland, Water, 2014, 6(12), 3671-3700
