UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · Podzemna voda je v Sloveniji najpomembnejši vir...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Matevž VREMEC

Modeliranje toka podzemne vode na območju vodonosnika Vrbanski plato s programom FREEWAT

Diplomsko delo

Univerzitetni študijski program

Tehniško varstvo okolja

Maribor, avgust 2016

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

II

Modeliranje toka podzemne vode na območju

vodonosnika Vrbanski plato s programom

FREEWAT

Diplomsko delo

Študent: Matevž VREMEC

Študijski program: Univerzitetni program

Smer: Tehniško varstvo okolja

Mentor: izr. prof. dr. Jure RAVNIK

Somentorica: mag. Irena KOPAČ

Maribor, avgust 2016


III


IV

I Z J A V A

Podpisani Matevž VREMEC, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr. prof. dr.

Jureta RAVNIKA in somentorstvom mag. Irene KOPAČ,

diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe

po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

rezultati korektno navedeni,

nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,___________________________ Podpis: _________________________


V

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Juretu

RAVNIKU, univ. dipl. fiz., in somentorici mag. Irena

KOPAČ, univ. dipl. inž. grad., za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi

zaposlenim na Inštitutu za ekološki inženiring d.o.o.

za njihovo pomoč pri izdelavi diplomskega dela.

Posebna zahvala velja mojim staršem, ki so mi

omogočili študij ter mi ves čas študija stali ob strani.


VI

MODELIRANJE TOKA PODZEMNE VODE NA OBMOČJU

VODONOSNIKA VRBANSKI PLATO S PROGRAMOM FREEWAT

Ključne besede: podzemna voda, črpališče Vrbanski plato, modeliranje toka podzemne vode,

FREEWAT, matematični model podzemne vode, vodonosnik.

UDK klasifikacija: 519.6:532.57(043.2)

POVZETEK

Črpališče Vrbanski plato je najizdatnejši vodni vir Mariborskega vodovoda. Napaja se iz reke

Drave in je tako neodvisen od sušnih obdobij in klimatskih sprememb, kar je ključnega pomena

za nemoteno oskrbo prebivalstva s pitno vodo. Pomembnost črpališča zato zahteva učinkovito

upravljanje, za katerega je potreben kvaliteten hidrogeološki informacijski sistem, ki je

zasnovan na podlagi simulacij matematičnega modela toka podzemne vode. Diplomsko delo

tako obravnava modeliranje podzemne vode na območju vodonosnika Vrbanski plato. Za

izdelavo, kalibracijo ter simulacijo modela so bili uporabljeni podatki iz arhivov podjetja IEI

(Inštitut za ekološki inženiring d.o.o.) ter druge literature.


VII

GROUNDWATER FLOW MODELLING OF THE AREA OF THE

AQUIFER VRBANSKI PLATO WITH THE PROGRAM FREEWAT

Key words: groundwater, pumping station of Vrbanski plato, groundwater flow modelling,

FREEWAT, mathematical groundwater model, aquifer.

UDK classification: 519.6:532.57(043.2)

POVZETEK

The groundwater pumping station at Vrbanski plato is the most substantial water source of the

Maribor water system. The aquifer is recharged from the river Drava and is conseguently

independent of droughts and climate changes, therefore it is significant for the undisturbed

supply of drinking water to the residents of Maribor. The importance of the groundwater

pumping station demands highly effective management, for which it is crucial to design a valid

mathematical groundwater flow model. The present diploma thesis covers the groundwater

flow modelling in the area of the aquifer Vrbanski plato. The data used for the development,

calibration and simulation of the model was obtained from the archives of the company IEI –

Ecological engineering institute d.o.o., and from other literature.


VIII

Kazalo

1 Uvod ............................................................................................................................................ - 1 -

1.1 Opredelitev problema .......................................................................................................... - 2 -

1.2 Cilji in teze diplomskega dela ............................................................................................. - 2 -

1.3 Predpostavke diplomskega dela .......................................................................................... - 2 -

1.4 Omejitve .............................................................................................................................. - 2 -

1.5 Metode diplomskega dela .................................................................................................... - 3 -

1.6 Metodologija ....................................................................................................................... - 3 -

2 Vodonosnik vrbanski plato .......................................................................................................... - 4 -

2.1 Aktivna zaščita .................................................................................................................... - 8 -

2.2 Uredba o vodovarstvenem območju za vodno telo Ruš, Vrbanskega platoja, Limbuške

dobrave in Dravskega polja ............................................................................................................. - 9 -

3 Računalniški modelni program ................................................................................................. - 11 -

3.1 Opis numeričnega orodja FREEWAT ............................................................................... - 12 -

3.2 Matematično ozadje .......................................................................................................... - 12 -

3.3 Uporabljeni vtičniki za robne pogoje ................................................................................ - 15 -

4 Modeliranje toka podzemne vode na Vrbanskem platoju ......................................................... - 18 -

4.1 Konceptualni model .......................................................................................................... - 18 -

4.2 Območje modela ............................................................................................................... - 18 -

4.3 Robni pogoji modela ......................................................................................................... - 22 -

4.4 Kalibracija (umerjanje) in validacija (vrednotenje) model ............................................... - 26 -

4.5 Simulacije črpanja ............................................................................................................. - 28 -

5 Diskusija rezultatov ................................................................................................................... - 32 -

6 Sklep .......................................................................................................................................... - 34 -

7 Literatura ................................................................................................................................... - 35 -


IX

Kazalo slik

Slika 2.1: Območje vodnega telesa Dravska kotlina [11] ....................................................... - 4 -

Slika 2.2: Območje črpališča Vrbanski plato (Vir: Atlas okolja, ARSO). .................................. - 5 -

Slika 2.3: Pretok reke Drave na lokaciji Mariborskega otoka (Vir: DEM, Mariborski otok) ... - 5 -

Slika 2.4: Vodna bilanca – primerjava zime in poletja (Vir: meteorološka postaja Maribor

Tabor) ..................................................................................................................................... - 6 -

Slika 2.5: Vodna bilanca - primerjava pomladi in jeseni (Vir: meteorološka postaja Maribor

Tabor) ..................................................................................................................................... - 6 -

Slika 2.6: Deleži načrpanih količin pitne vode v posameznih črpališčih mariborskega

vodovodnega sistema v letu 2014 [1] .................................................................................... - 7 -

Slika 2.7: Območja črpanja Mariborskega vodovoda (Vir: Atlas okolja, ARSO). .................... - 7 -

Slika 2.8: Načrtovana zasnova II. faze aktivne zaščite Vrbanskega platoja [2]....................... - 8 -

Slika 2.9: Vodovarstveno območje za vodno telo vodonosnikov Ruš, Vrbanskega platoja,

Limbuške dobra in Dravskega polja [5]. ................................................................................. - 9 -

Slika 2.10: Prikazane meje Vodovarstvenega območja za vodno telo vodonosnikov Ruš,

Vrbanskega plato, Limbuške dobrave in Dravskega polja na območju črpališča Vrbanski plato

(Vir: Atlas okolja, ARSO)........................................................................................................ - 10 -

Slika 3.1: Zasnova konceptualnega modela [2] .................................................................... - 11 -

Slika 3.2: Grafični prikaz modelne celice .............................................................................. - 12 -

Slika 3.3: Prikaz lijakaste oblike višine podzemne vode ob črpanju ..................................... - 15 -

Slika 3.4: Shematsko prikaz delovanje GHB paketa [9] ........................................................ - 16 -

Slika 3.5: Slikovna ponazoritev delovanja RIVER paketa [9] ................................................. - 17 -

Slika 3.6: Geometrija rečnega dna [9] .................................................................................. - 17 -

Slika 4.1: Vodonosnik Vrbanskega plato z območjem modeliranja ter mejo aktivnega

območja ................................................................................................................................ - 18 -

Slika 4.2: Mreža modela Vodonosnika Vrbanski plato z aktivnimi(neobarvanimi) in neaktivni

(zelenomodrimi) celicami ter upoštevanim območjem reke Drave (modre celice) ............ - 19 -

Slika 4.3: Cone različnih koeficientov propustnosti K [m/s] ................................................. - 20 -

Slika 4.4: Upoštevana višina [m] nepropustne podlage na območju modela ...................... - 21 -

Slika 4.5: Reliefni model območja Vrbanskega plato ........................................................... - 21 -


X

Slika 4.6: Robni pogoji modela z napajanjem reke Drave (modre celice), drenažo v območju

Melja (rjave celice) ter dotok Pohorskih voda (roza celice). ................................................ - 22 -

Slika 4.7: Upoštevani črpalno/nalivalni vodnjaki .................................................................. - 24 -

Slika 4.8: Vhodni podatki geometrije reke Drave – gladina reke Drave na n. v. 266.5 m ter dno

reke na n. v. nepropustne podlage (modre celice), gladina na n. v. 253 m ter interpolirano dno

rečne struge na podlagi prečnih profilov , smer toka infiltrirane rečne vode .................. - 25 -

Slika 4.9: Območja padavinskega napajanja podzemne vode (intenzivno urbano območje –

belo; manj intenzivno urbano območje z zelenimi površinami – zeleno) ............................ - 26 -

Slika 4.10: Prikaz višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre hidroizohipse),

položajev piezometrov uporabljenih za kalibracijo (zeleni petkotniki) ter piezometrov

uporabljenih za validacijo (modri kvadrati) .......................................................................... - 28 -

Slika 4.11: Primerjava višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre

hidroizohipse) ter pri simulaciji s povprečno količino črpanja brez nalivanja (rdeče

hidroizohipse) ....................................................................................................................... - 29 -


hidroizohipse) ter pri simulaciji z maksimalno količino črpanja brez nalivanja (zelene

hidroizohipse) ....................................................................................................................... - 30 -


hidroizohipse) ter pri simulaciji z maksimalno količino črpanja brez nalivanja (oranžne

hidroizohipse) ....................................................................................................................... - 31 -


XI

Kazalo preglednic

Preglednica 4.1: Koeficienti propustnosti odvisni od vrste zemljine [21] ............................ - 20 -

Preglednica 4.2: Preglednica vodnjakov z X in Y koordinatami ter srednjo in maksimalno

črpalno količino za leto 2015 (Vir: arhivi Inštituta za ekološki inženiring d.o.o.) ................. - 23 -

Preglednica 4.3: Preglednica piezometrov, uporabljenih za kalibracijo z X in Y koordinatami,

ter srednjo in maksimalno merjeno višino podzemne vode (2015) (Vir: arhivi Inštituta za

ekološki inženiring d.o.o.) ..................................................................................................... - 27 -

Preglednica 4.4: Preglednica piezometrov, uporabljenih za validacijo z X in Y koordinatami, ter

srednjo in maksimalno merjeno višino podzemne vode (2015) (Vir: arhivi Inštituta za ekološki

inženiring d.o.o.) ................................................................................................................... - 27 -


- 1 -

1 UVOD

Mariborski vodovodni sistem potrebuje za nemoteno oskrbo prebivalcev mestne občine

Maribor v normalnih razmerah cca 410 L/s. Od tega se približno 60 % vode načrpa na črpališču

Vrbanski plato, ki velja za najizdatnejše črpališče severo-vzhodne Slovenije. Skupna izdatnost

vodnjakov na črpališču Vrbanski plato znaša cca 760 L/s. Zaradi neposredne bližine mestnega

središča ter regionalne ceste Maribor – Dravograd je črpališče v stalni ogroženosti onesnaženja.

Na Območju črpališča Vrbanski plato se je tako v letu 1990 zgradila I. faza aktivne zaščite, ki

vključuje sistem umetnega bogatenja podzemne vode z uporabo nalivalnih vodnjakov [1].

Zaradi prenehanja črpanja na območju Bohova, ki je neposredno izpostavljeno onesnaženju iz

bližnje avtoceste, se kot nadomestilo namerava povečati kapacitete črpanja na črpališču

Vrbanski plato. Povečanje kapacitet sistema ter dograditev in izboljšava umetnega bogatenja

podzemne vode bo potekala v fazi izgradnje II. faze aktivne zaščite, ki prav tako načrtuje delno

preprečitev onesnaženja črpane pitne vode z onesnaženo podzemno vodo s strani mesta ter iz

območja regionalne ceste Maribor – Dravograd [2].

V prihodnosti se načrtuje tudi III. faza aktivne zaščite, ki je mišljena za dolgoročne potrebe

upravljanja ter koriščenja črpališča Vrbanski plato. III. faza aktivne zaščite predvideva dodatno

povečanje zmogljivosti črpališča in umetno bogatenje z vodo obrežnega filtrata ter neposredno

dravsko vodo. V primeru onesnaženja s strani centra mesta bi se tako popolnoma preprečilo

dotok s te strani, ter se za črpanje uporabljalo le podzemno vodo iz smeri Mariborskega otoka

ter prečiščeno Dravsko vodo [3].

Za izgradnjo in obratovanje II. ter III. faze aktivne zaščite je potrebna obširna analiza območja,

pred izgradnjo je treba simulirati tok podzemne vode z matematičnim modelom in preveriti

morebitne vplive na podzemno vodo. Matematično modeliranje podzemne vode postaja temelj

raziskav toka podzemne vode ter pomemben del pri upravljanju črpališča s hidrogeološkim

informacijskim sistemom za umetno bogatenje podzemne vode [2].


- 2 -

1.1 Opredelitev problema

Podzemna voda je v Sloveniji najpomembnejši vir pitne vode in jo moramo zato nujno zaščiti

pred onesnaženjem. Poleg izgrajene I. faze aktivne zaščite Vrbanskega platoja sta za zaščito

vodonosnika še predvidevani II. in III. faza aktivne zaščite, kjer se predvideva povečanje

zmogljivosti črpališča ter preprečevanja možnega onesnaženja s strani mesta. Za dobro

načrtovano II. in III. fazo aktivne zaščite so tako nujne predhodne analize in simulacije toka,

katere se opravijo s programi za modeliranje toka podzemne vode

1.2 Cilji in teze diplomskega dela

Cilji in teze diplomskega dela so:

pripraviti poenostavljen prikaz toka podzemne vode na območju vodonosnika Vrbanski

plato;

izvesti numerično modeliranje toka podzemne vode.

izdelati stacionaren model toka podzemne vode.

1.3 Predpostavke diplomskega dela

Predpostavke diplomskega dela:

Modelni program je namenjen simulacijam podzemne vode in onesnaževal.

Konceptualna zasnova vodonosnika: predviden dotok z dveh strani do črpališča po stari

geološki strugi reke Drave.

Interpolacia višin nepropustne podlage in višine terena.

1.4 Omejitve

Omejitve diplomskega dela:

omejitev na območje vodonosnika Vrbanskega plato,

natančnost razpoložljivih podatkov.


- 3 -

1.5 Metode diplomskega dela

Pri diplomskem delu se je uporabljalo naslednje metode:

študijo matematičnega, fizikalnega ter ekološkega ozadja problema,

študija numeričnega preračuna

uporaba računalniških orodij:

o uporaba GIS orodja(QGIS)

o uporaba FREEWAT programa za numerično modeliranje toka podzemne vode,

primerjavo in vrednotenje rezultatov.

1.6 Metodologija

Metodologija zajema:

zbiranje in obdelava podatkov,

izdelavo konceptualnega modela,

izdelavo hidrološkega modela,

kalibracijo in validacijo modela,

izvedbo simulacij modela za pri različnih scenarijih.


- 4 -

2 VODONOSNIK VRBANSKI PLATO

Za oskrbo prebivalstva s pitno vodo je v Mariborski mestni občini zadolžen Mariborski

vodovod, ki za glavno črpališče pitne uporablja črpališče Vrbanski plato na levem bregu Drave.

Črpanje se izvaja iz vodonosnika Vrbanski plato, ki je del vodnega telesa podzemne vode

Dravske kotline, ki se razprostira aluvialnem prodnem zasipu med Selniško dobravo in

Ormožem.

Površina vodnega telesa Dravske kotline je cca. 429,0 km2, pri čemer je najdaljša dolžina telesa

približno 67 km, širina pa približno 13,8 km. Povprečna vrednost omočene vodonosne plasti je

v Dravski kotlini približno 12 m. Med kamninsko sestavo Dravske kotline prevladujejo

predvsem sedimenti aluvialnih prodov, peskov, grušča, meljev in glin kvartarne starosti. Na

površju prevladujejo plasti karbonatne in silikatne sestave z medzrnsko poroznostjo. Meja

Dravske kotline poteka na stiku aluvialnega nanosa s predkvartarnim obrobjem, kjer pride

nepropustna plast do površja. Najpomembnejša površinska voda v Dravski kotlini je reka

Drava, ki v večjem delu območja deluje kot drenažna meja vodonosniku [4].

Slika 2.1: Območje vodnega telesa Dravska kotlina [11]


- 5 -

Prvi večji vodnjak se je na današnjem črpališču zgradil med leti 1956–1959, ko so morale

oblasti zaradi pomanjkanja vode zgraditi poskusni vodnjak. Pred izgradnjo HE Zlatoličje ter

jeza v Melju je bila predvidena kapaciteta izkoriščanja pitne vode ocenjena na cca 100 L/s.

Predvsem zaradi izgradnje jezu v Melju se je gladina reke Drave dvignila ter tako povečala

izdatnost vodonosnika, kjer je sedaj možno brez posebnih ukrepov črpati do 400 L/s podzemne

vode [2].

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Vre

dn

ost

pre

toka

v m

3 /s

Datum

Mariborski otok: pretok reke Drave 2001 - 2015 [m3/s]

Slika 2.3: Pretok reke Drave na lokaciji Mariborskega otoka (Vir: DEM, Mariborski otok)

Slika 2.2: Območje črpališča Vrbanski plato (Vir: Atlas okolja, ARSO).


- 6 -

Trend vodne bilance izračunane na podlagi podatkov meteorološke postaje Maribor-Tabor

kaže trend upadanja vodne bilance, kar je lahko posledica povečanja ekstremnih dogodkov,

kljub temu pa imamo zaradi zajezitve med HE Mariborskim otokom in jezom v Melju dovolj

stabilen pretok reke Drave, ki zagotavlja zadostne količine vode za napajanje vodonosnika

Vrbanskega platoja tudi v sušnih pogojih in ga tako dela neodvisnega od sušnih obdobij ali

klimatskih sprememb. Pretok reke Drave na območju Mariborskega otoka kaže celo trend

rahlega povečevanja pretoka, kar kaže na večjo pomembnost črpališča v prihodnosti v

primerjavi z drugimi črpališči na Dravskem polju, ki so pretežno odvisni od količine padavin.

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

19

61

19

65

19

69

19

73

19

77

19

81

19

85

19

89

19

93

19

97

20

01

20

05

20

09

20

13

Vre

dn

ost

tre

nd

a v

mm

Leto

Trend vodne bilance posameznih letnih časov MP

Maribor-Tabor (1961-2014)

Pomlad

Jesen

Slika 2.5: Vodna bilanca - primerjava pomladi in jeseni (Vir: meteorološka postaja Maribor Tabor)

-150,0

-100,0

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

19

61

19

65

19

69

19

73

19

77

19

81

19

85

19

89

19

93

19

97

20

01

20

05

20

09

20

13

Vre

dn

ost

tre

nd

a v

mm

Leto

Trend vodne bilance posameznih letnih časov MP

Maribor-Tabor (1961-2014)

Letno povprečje

Zima

Poletje

Slika 2.4: Vodna bilanca – primerjava zime in poletja (Vir: meteorološka postaja Maribor Tabor)


- 7 -

Črpališče Vrbanski plato je najizdatnejše črpališče v severno-vzhodni Sloveniji ter zadosti kar

70 % potreb Mariborskega vodovodnega sistema. Njegova skupna kapaciteta črpalnih

vodnjakov je 760 L/s. Na območju Mariborskega vodovoda predstavlja črpališče Vrbanski

plato v oskrbi s pitno vodo v letu 2014 60-odstotni delež [2].

Druga črpališča, iz katerih Mariborski vodovod zajema vodo, so še črpališče: črpališče

Betnava, s tremi vodnjaki skupne zmogljivosti 100 L/s, črpališče Bohova z dvema vodnjakoma

s skupno kapaciteto 90 L/s, črpališče Dobravce z dvema manjšima vodnjakoma skupne

kapacitete 80 L/s ter druga manjša črpališča [1].

VRBANSKI PLATO 60%

BETNAVA 13%

BOHOVA 8%

DOBROVCE 11%

CERŠAK(občina ŠENTILJ)3%

RUŠE I. 1% SELNIŠKA DOBRAVA 4%

Črpanje vode v letu 2014

Slika 2.6: Deleži načrpanih količin pitne vode v posameznih črpališčih mariborskega vodovodnega sistema v letu 2014 [1]

Slika 2.7: Območja črpanja Mariborskega vodovoda (Vir: Atlas okolja, ARSO).


- 8 -

2.1 Aktivna zaščita

Zaradi večjega zavedanja pomembnosti črpališča Vrbanski plato se je v letih 1986–1990 začela

graditi I. faza aktivne zaščite. I. faza aktivne zaščite vključuje vodnjake na Mariborskem otoku,

objekt priprave vode ter štiri nalivalne vodnjake v dolini Vinarskega otoka, ki so del sistema

umetnega bogatenja podzemne vode z skupno zmogljivostjo 150 L/s. Sistem deluje tako, da se

črpana inducirana obrežna infiltracija na Mariborskem otoku pripravi v objektu priprave voda

v dolini Vinarskega potoka in se nato uporablja v dveh nalivalnih vodnjakih. Sistem je z

zagotavljanjem dodatnih količin vode v letu 1997 preprečil onesnaženje s trihalometani ter v

letih 2007-2008 onesnaženje zaradi gradnje jame mestne tržnice [2].

Zaradi prenehanja obratovanja črpališča Bohova, ki je v neposredni ogroženosti zaradi bližine

avtoceste, se namerava z II. fazo aktivne zaščite povečati skupno zmogljivost črpališča za 100

L/s. Za povečanje zmogljivosti črpališča se bo zajelo in črpalo dravsko vodo, ki se bo

transportirala do objekta za pripravo vode za čiščenje in se uporabljala v nalivalnih vodnjakih

v dolini Vinarskega potoka ter na vzhodnem in južnem robu črpališča, ter razširitev kapacitet

črpalnih vodnjakov v črpališču Vrbanski plato [2].

Slika 2.8: Načrtovana zasnova II. faze aktivne zaščite Vrbanskega platoja [2]


- 9 -

Dodatno povečanje zmogljivosti črpališča Vrbanski plato predvideva III. faza aktivne zaščite,

kjer je predvidevana zmogljivost aktivne zaščite ter umetnega bogatenje z vodo obrežnega

filtrata ter neposredno dravsko vodo do 1000 L/s. III. faza vključuje iste elementa kot II. faza,

z razliko dodatnega koriščenja dravske vode, ter je mišljena za dolgoročne potrebe mestne

občine po pitni vodi. Zaradi nevarnosti onesnaženja s smeri mesta, je namen povečati kapacitete

črpališča in varovalnih črpalno-nalivalnih vodnjakov, s katerimi se bo lahko ob bodočem

onesnaženju s strani mesta popolnoma preprečilo črpanje onesnažene podzemne vode s tega

področja. [3]

Pred izvedbo projekta v obsegu II. ter III. faze aktivne zaščite je potrebna obširna analiza

območja ter raziskave, ki prav tako vključujejo računalniško modeliranje podzemne vode.

Vsakršno modeliranje zahteva vhodne podatke, ki jih je potrebno pridobiti ali z analizami

obravnavanega področja, ki niso poceni, ali pa jih vzeti iz že narejenih raziskav tega območja.

Pri tem moramo vzeti v zakup, da je pri raziskavah lahko prišlo do napak oziroma slabih ocen,

ki lahko vplivajo na naše delo. Raziskave in elaborati, ki so bili narejeni za to območje in iz

katerih smo pridobili podatke [2][14-19].

2.2 Uredba o vodovarstvenem območju za vodno telo Ruš, Vrbanskega

platoja, Limbuške dobrave in Dravskega polja

Slika 2.9: Vodovarstveno območje za vodno telo vodonosnikov Ruš, Vrbanskega platoja, Limbuške dobra in Dravskega polja [5].


- 10 -

Dejavnosti ter posegi v okolje so na območju Vrbanskega platoja strogo omejeni, saj spada to

območje pod najožji režim vodovarstvenega območja. Dejavnosti, ki jih lahko oziroma ki se jih

ne sme opravljati na tem območju, so zapisane v Uredbi o vodovarstvenem območju za vodno

telo Ruš, Vrbanskega platoja, Limbuške dobrave in Dravskega polja (Ur. l. RS, št. 24/2007).

Uredba je bila pripravljena na podlagi Pravilnika o kriterijih za določitev vodovarstvenih

območij (Ur. l. RS, št. 64/2004) [5]. Nadzor nad izvajanjem te uredbe na območju opravljajo

inšpektorji, pristojni za vode, ki v primeru neupoštevanju zakonodaje izdajo globe. Na

spodnjem zemljevidu vodovarstvenega območja lahko opazimo, da zahodni del mesta Maribor

na območju Koroških vrat še vedno spada pod najožje vodovarstveno območje, kjer so v

preteklosti, kljub uredbi, zgradili trgovino Lidl ter vrtni center Florino. Tudi ob izgradnji

Škofijske gimnazije se je ignoriralo varovanje podzemne vode, še posebno z nedovoljeno

odstranitvijo varovalne glinaste plasti zemljine na območju južno od gimnazije, kjer so teren

poglobili za konje oziroma njihovo športno območje.

Slika 2.10: Prikazane meje Vodovarstvenega območja za vodno telo vodonosnikov Ruš, Vrbanskega plato, Limbuške dobrave in Dravskega polja na območju črpališča Vrbanski

plato (Vir: Atlas okolja, ARSO).


- 11 -

3 RAČUNALNIŠKI MODELNI PROGRAM

Modeliranje toka podzemne vode služi napovedovanju posledic dejavnosti, ki se lahko zgodijo

na obravnavanem območju podzemne vode. Ustvarjen model povzema naravne lastnosti

oziroma stanje modeliranega območja. Delovanje sistema nato rešujemo z računalniškimi

programi, ki delujejo na podlagi matematičnih enačb.

V procesu modeliranja se tako srečujemo s tremi izrazi:

konceptualni model,

računalniški modelni program in

model.

»Konceptualni model je hidrogeološki koncept sistema podzemne vode. Računalniški modelni

program je računalniški program, ki rešuje enačbe za podzemno vodo in omogoča vse namene

za oceno sistema. Model je aplikacija računalniškega modelnega programa na konkretnem

konceptualnem modelu za simulacijo konkretnega sistema. Ob tem je potrebno paziti, da se

vgradi v model najbolj pomembne vidike konceptualnega modela, tako da lahko dobimo

koristne informacije o sistemu.«(KOPAČ Irena, Hidrogeološki model Vrbanski plato, str. 16).

Slika 3.1: Zasnova konceptualnega modela [2]


- 12 -

3.1 Opis numeričnega orodja FREEWAT

Program, ki se je uporabil za numerični model toka podzemne vode, je orodje FREEWAT.

Program FREEWAT je s strani Evropske komisije financiran HORIZON 2020 projekt, čigar

namen je ustvariti odprtokodno in GIS-integrirano javno uporabno modelirano okolje za

simulacije vodne količine in kakovosti površinskih in podzemnih vod z integriranim

upravljanjem z vodami ter načrtovalnim modelom. Za GIS ogrodje se je uporabil program

QGIS, ki je uporabniku prijazen odprtokodni geografski informacijski sistem (GIS) z licenco

GNU General Public License. Program je uradno začel delovati maja 2002, ko je z njegovim

razvojem pričel Gary Sherman. Sedaj je QGIS uradni projekt odprtokodne geoprostorske

organizacije (OSGeo). Deluje v vseh operacijskih sistemih in podpira številne vektorske

podatke, rastrske podatke, podatkovne baze in nudi širok spekter funkcionalnosti. Programski

paket FREEWAT se razvija kot eden od vtičnikov (plug-in). Za simuliranje toka podzemnih

vod v nasičeni podlagi sta v FREEWAT implementirana dva hidrološka modela; MODFLOW-

2005 (Harbaugh,2005) in MODFLOW-OWHM (One-Water Hydrologic Flow :odel; Hanson e

tal., 2014) [13].

3.2 Matematično ozadje

Pri modelu je predpostavljen anizotropen vodonosnik s koeficientom propustnosti K. Lastnosti

anizotropnih vodonosnikov se spreminjajo s smerjo, kar pomeni da lahko ob predpostavki da

je K diagonalen zapišemo njegove komponente v vseh smereh koordinatnega sistema (Kx, Ky,

Kz) [m/s] [6].

tok

Slika 3.2: Grafični prikaz modelne celice


- 13 -

Za lažjo predstavo delovanje se bomo osredotočili na eno mrežno celico vodonosnika v obliki

paralepipeda, z dolžinami robov zyx in , [m], ter središčem v točki (x,y,z). Hitrost, ki ima

komponente zyx vvv in , [m/s], se krajevno spreminja, zaradi česar spremembe hitrosti zapišemo

kot

xx

x vx

vv

; y

y

y vy

vv

; z

zz v

z

vv

.

(3.1)

Celica tako dobi oziroma izgubi zyvx v x smeri, zxv y v y smeri, ter yxv z v z

smeri vode na enoto časa. [2]

Prostornina vV , ki jo v celici zavzema voda se tako spreminja s časom po enačbi:

yxvzxvzyvt

Vzyx

v

(3.2)

Negativen predznak v enačbi ponazarja zmanjšanje količine vode s časom pri povečanju

hitrosti. V enačbo sedaj vpeljemo brezdimenzijsko količino vlažnost 𝜗 [-], ki ponazarja

razmerja med prostornino vode vV v celici, ter prostornina celice v kateri se ne nahaja voda Vz.

Prostornina celotne celice je tako zmnožek robov oziroma zyxVz . Zgornjo enačbo (2)

nato pomnožimo z zV , ter izpostavimo:

zyxz

v

y

v

x

vzyx

t

zyx

(3.3)

V enačbi (3.3) prostornina celice izpade iz enačbe. Hitrost toka nato zapišemo po Darcy-jevem

zakonu v = -Kh, kjer je h [m] višina podzemne vode. Komponente hitrosti tako zapišemo:

𝑉𝑥 = −𝐾𝑥𝜕ℎ

𝜕𝑥, 𝑉𝑦 = −𝐾𝑦

𝜕ℎ

𝜕𝑦 𝑉𝑥 = −𝐾𝑧

𝜕ℎ

𝜕𝑧. (3.4)


- 14 -

Enačbo (3.4) nato vstavimo v enačbo (3.3) ter jo okrajšamo in dobimo:

𝜕𝜗

𝜕𝑡=

𝜕

𝜕𝑥(𝐾𝑥

𝜕ℎ

𝜕𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝐾𝑦

𝜕ℎ

𝜕𝑦) +

𝜕

𝜕𝑧(𝐾𝑧

𝜕ℎ

𝜕𝑧)

(3.5)

V enačbo nato vpeljemo še specifično hrambo sS [m-1], ki predstavlja prostornino vode, ki jo

sprosti celica ob spremembi višini vode (h). Iz tega sledi, da je 𝜗 = 𝑆ℎ. Enačbo nato vstavimo

v enačbo (3.5), ter dobimo enačbo za tridimenzionalni tok podzemne vode, pri kateri

predpostavimo konstantno gostoto skozi porozni material [2].

𝑆𝜕ℎ

𝜕𝑡=

𝜕

𝜕𝑥(𝐾𝑥

𝜕ℎ

𝜕𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝐾𝑦

𝜕ℎ

𝜕𝑦) +

𝜕

𝜕𝑧(𝐾𝑧

𝜕ℎ

𝜕𝑧) (3.6)

Ker smo za modeliranje podzemne vode uporabili stacionaren model, ki opisuje samo en

časovni karov je specifična hramba (S) enaka 0. V modelu se je prav tako predpostavilo, da so

komponente propustnostnega koeficienta: Kx = Ky = K, Kz = K/10. Ob teh predpostavkah lahko

zapišemo tridimenzionalni tok podzemne vode:

𝜕

𝜕𝑥(𝐾

𝜕ℎ

𝜕𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝐾

𝜕ℎ

𝜕𝑦) +

𝜕

10 𝜕𝑧(𝐾

𝜕ℎ

𝜕𝑧) = 0 (3.7)

Zgornjo enačbo, ki je parcialno diferencialna enačba, rešujemo z uporabo metode končnih

razlik. V modelu razdelimo območje vodonosnika na mrežo celic, ki jim je pripišemo krajevno

odvisne vrednosti koeficientov propustnosti, sistemu pa podamo začetne in robne pogoje.

Enačba (3.7) nam s podanimi pogoji tako matematično opisuje tok podzemne vode

stacionarnega modela obravnavanega območja.


- 15 -

3.3 Uporabljeni vtičniki za robne pogoje

Programsko orodje FREEWAT deluje kot vtičnik (Plug-in) GIS orodja QGIS. Sestavljen je iz

večih programskih korakov, ki omogočajo hranjenje in obdelavo baz podatkov meritev ali

monitoringa podzemne vode, pripravo vhodnih podatkov in robnih pogojev za vzpostavitev

željenega matematičnega modela podzemne vode ter prikaz dobljenih rezultatov izvedenega

modela. Za vzpostavitev modela sem upošteval naslednje, nekoliko podrobneje opisane,

programske pakete:

Wel paket

Wel paket simulira črpalne vodnjake, ki odvajajo vodo iz vodonosnika, ter nalivalne vodnjake,

ki dovajajo vodo sistemu z določenim volumskim pretokom. Črpanje iz vodnjakov ustvari v

okolici vodnjaka lijakasto obliko hidravlične višine podzemne vode.

DRN paket

DRN paket simulira učinke drenaž, ki drenirajo vodo iz sistema, če je višina reke nad določeno

višino, ki se ji reče drenažna višina. Tok iz vodonosnika izračunamo za celico n z naslednjo

enačbo:

QDRNn =CDRN

n(hn-HDRN

n) if hn>HDRNn; Q

DRNn=0 if hn ≤ HDRN

n, (3.9)

kjer je

CDRNn – hidravični koeficient drenažne propustnosti

HDRNn - nadmorska višina drenaže

hn - višina podzemne vode v celici, ki meji na drenažo

Slika 3.3: Prikaz lijakaste oblike višine podzemne vode ob črpanju


- 16 -

GHB paket

GHB paket simulira tok v ali iz zunanjega vira v mrežno celico, ki je odvisen od razlike v višini

vode v podzemnem sistemu ter zunanjim virom.

Enačba, ki predstavlja tok med zunanjim virom in vodonosnikom v n celici, je:

QBn = CBn(HBn-hn) (3.10)

kjer je

CBn - hidravlična propustnost sloja med zunanjim virom in mrežno celico;

HBn - višina podzemne vode zunanjega vira;

hn - višina vode v celici.

Hidravlična prepustnost med zunanjim virom ter mrežno celico se izračuna s spodnjo enačbo:

CB = KB*A/L (3.11)

kjer je

KB - koeficient propustnosti kamnine med zunanjim virom in mrežno celico

A - površina celice obrnjena proti zunanjem viru

L - dolžina med zunanjim virom ter mrežno celico.

Slika 3.4: Shematsko prikaz delovanje GHB paketa [9]


- 17 -

Slika 3.5: Slikovna ponazoritev delovanja RIVER paketa [9]

Slika 3.6: Geometrija rečnega dna [9]

River paket

River paket simulira pronicanje vode med rečne strugo ter vodonosnikom.

Enačba, ki ponazarja tok med vodonosnikom ter reko pri n celici, je:

Qn = CRIVn(H

RIVn-hi,j,k),

kjer je

CRIVn - koeficient hidravlične propustnosti rečne struge

HRIVn - višina rečna struge

hi,j,k - višina podzemne vode v celici, ki meji rečno strugo.

CRIVn oziroma propustnost rečne struge je odvisna od koeficienta propustnosti rečnega dna ter

od njene geometrije. Izračuna se po naslednji enačbi:

CRIVn = Kn Ln Wn / Mn (3.12)

kjer je

Kn - koeficient propustnosti kamnine dna rečne struge

Ln - dolžina stene rečne struge

Wn - širina rečne struge

Mn - debelina rečnega dna


- 18 -

4 MODELIRANJE TOKA PODZEMNE VODE NA VRBANSKEM

PLATOJU

4.1 Konceptualni model

Konceptualni model podzemne vode na območju črpališča Vrbanski plato se je razvil s pomočjo

zbranih podatkov iz raziskav, ki se jih je pridobilo iz elaboratov [2][14-19].

4.2 Območje modela

Glede na faktorje, ki vplivajo na črpališče Vrbanski plato, se je območje modela omejilo na

področje od Limbuške dobrave do jeza v Melju. Območje modela se začne nad Hidroelektrarno

Mariborski otok, kjer se zajezena Drava infiltrira v območje Limbuške dobrave. Tukaj se

infiltrirana voda reke Drave združi s podzemno vodo, ki priteka iz območja Pohorja. Tok

podzemne vode se nato spremeni proti Mariborskemu otoku, kjer se prav tako nahajajo črpalni

vodnjaki. Na območju Mariborskega otoka se v podzemno vodo ponovno infiltrira reka Drava.

Vodonosnik se pri črpališču spet obrne proti jugo-vzhodni smeri ter poteka južno od Kalvarije

vse do Meljskega jeza. Južni del tega dela vodonosnika je prav tako omejen z nepropustno

podlago, ki se dviguje na območju jugo-vzhodnega dela Limbuške dobrave in se razprostira vse

do Koroškega mostu. Na območju pred jezom je bilo potrebno zaradi poplavljanja zgraditi

nepropustno pregrado z drenažo, ki odvaja podzemno vodo v staro strugo Drave, ki se nahaja

za jezom. Zaradi pomanjkanja podatkov iz pretoka podzemne vode iz desnega brega Drave, se

je ta izključil ter bil upoštevan pri napajanju reke Drave iz mestne strani [2].

Slika 4.1: Vodonosnik Vrbanskega plato z območjem modeliranja ter mejo aktivnega območja


- 19 -

Mreža modela

Območje izdelanega modela se nahaja med naslednjima skrajnima točkama v moduliranem

Gauss-Krügerjevem koordinatnem sistemu:

Koordinate skrajne jugozahodne točke:

o X: 545 325 m

o Y: 157 000 m

Koordinate skrajne severovzhodne točke:

o X: 551 725 m

o Y: 159 225 m

Območje modela pravokotne oblike smo razdelili na mrežo celic velikosti 50 x 50 m. Velikost

celic smo izbrali na podlagi že narejenega modela na tem območju [2]. Iz spodnje slike je

razvidna mreža modela z aktivnimi zelenimi celicami ter neaktivnimi sivimi celicami ter

upoštevano območje reke Drave. Reka Drava napaja vodonosnik na treh območjih, in sicer na

zahodnem delu Limbuške dobrave, ki meji na Dravo, na območju Mariborskega otoka ter na

območju Lenta. Neaktivne celice ponazarjajo območje, kjer podzemna voda ne teče oziroma v

njej ne pride do prenosa snovi. V obravnavanem modelu so to območja, ki neposredno ne

vplivajo na tok podzemne vode. To so predvsem območja, kjer se nepropustna plast dvigne in

ne omogoča toka zaradi višje nadmorske višine od preostalega vodonosnika. Dvig nepropustne

podlage se pojavi na južnem delu Selniške dobrave ter se nadaljuje do območja študentskih

domov pri Koroškem mostu. Podobna situacija se pojavi tudi severno od črpališča, kjer se

nepropustna plast dvigne na območju Rošpoha, Kalvarije, Piramide vse do Meljskega hriba [2].

Slika 4.2: Mreža modela Vodonosnika Vrbanski plato z aktivnimi(neobarvanimi) in neaktivni (zelenomodrimi) celicami ter upoštevanim območjem reke Drave (modre celice)


- 20 -

Koeficienti propustnosti

Okvirne podatke o koeficientih propustnosti K na območju Vrbanskega platoja se je pridobilo

iz elaboratov [2][14-19]. Raziskave, ki so jih naredili so pokazale, da se koeficient propustnosti

po oceni giblje med 1.10-3 m/s do 8.10-3 m/s ter je nižji ob bregovih reke Drave. Za vhodne

vrednosti se je izbralo enake koeficiente propustnosti, kot so bili narejeni v hidrogeološkem

modelu Vrbanski plato [2]. S kalibracijo so se nato ugotovila največja odstopanja sistema ter

ročno popravilo območja ter vrednosti koeficientov, ki so v mejah vrednosti iz drugih literatur

[4][6][20][21]. Na večjem delu območja od Meljskega jezu do črpališča se je izbralo koeficient

propustnosti 3,5.10-3 m/s, ter na območju Limbuške dobrave in Mariborskega otoka 2,5.10-3

m/s. Zaradi zablatenja rečne struge, ki občutno zniža koeficient propustnosti, se je na desnem

obrežnem delu Drave nad HE Mariborski otok, ter na skrajnem desnem ter levem bregu Lenta

določilo koeficient propustnosti 7.10-5 m/s, na območju levega brega Drave ob otoku 1.10-4 m/s,

ter na obrežju Mariborskega otoka 1.10-3 m/s. Zaradi predpostavke o toku podzemne vode s

strani desnega brega Drave, se je na območju Lenta predpostavilo višji propustnostni koeficient

2,5.10-4 m/s. Modelni program FREEWAT upošteva vrednosti koeficienta propustnosti K v x,

y ter z smeri (Kx, Ky, Kz), kjer se predpostavi: Kx = K, Ky = K ter Kz = K/10.

Preglednica 4.1: Koeficienti propustnosti odvisni od vrste zemljine [21] Sestava vodonosnika Koeficient propustnosti K [m/s] Opis:

Čisti prod (5.10-1 – 4.10-2) Zelo dober

Čisti pesek, mešanica peska in proda (5.10-3 – 5.10-5) dober

Zelo fin pesek, melj (5.10-6 – 5.10-9) slab

Mešanica peska, melja in gline, ledeniška

kreda, slojevita glina, nepreperela glina (5.10-10 – 5.10-11) neprepusten

Slika 4.3: Cone različnih koeficientov propustnosti K [m/s]


- 21 -

Geometrija vodonosnika na obravnavanem območju

V sklopu elaboratov ter raziskav [2][14-19], so bile na območju vodonosnika Vrbanski plato

izdelane številne vrtine. Podatke o vrtinah oziroma geometriji vodonosnika hranijo na podjetju

IEI (Inštitut za ekološki inženiring). S podjetja smo pridobili reliefno karto višine površja

območja ter podatke geomehanskih vrtin, raziskovalnih vrtin ter piezometrov, na osnovi katerih

smo izdelali karto nepropustne podlage.

Iz karte nepropustne podlage lahko prepoznamo najgloblje dele vodonosnika oziroma os

vodonosnika, ki se začne na Limbuškem nabrežju pri cca 250 m nadmorske višine, ter se nato

razprostira severno od Damiševega naselja, preko Mariborskega otoka do črpališča Vrbanski

plato na cca 240 m nadmorske višine. Od črpališča os vodonosnika spremeni smer proti Lentu

ter pri 240 m nadmorske višine nadaljuje smer pod Dravo proti Teznu oziroma Dravskem polju.

Na levem bregu Drave pri elektrarni Mariborski otok ter na območju levega brega Drava pri

Koroškem mostu pride nepropustna podlaga na površino [2].

Slika 4.5: Reliefni model območja Vrbanskega plato

Slika 4.4: Upoštevana višina [m] nepropustne podlage na območju modela


- 22 -

4.3 Robni pogoji modela

Upoštevani robni pogoji modela so:

napajanje reke Drave na območjih:

o Limbuške Dobrave,

o Mariborskega otoka ter levega brega Drave na tem območju,

o Levi breg Drave na območju Lenta;

dotok pohorskih voda na južnem delu Limbuške Dobrave;

črpanje iz 4 vodnjakov na Mariborskem otoku ter 14 vodnjakov na črpališču

Vrbanski plato;

umetno bogatenje z 2 nalivalnima vodnjakoma na območju Vinarskega potoka;

površinsko napajanje s padavinami.

Območje modela je na celotnem severnem delu ter jugo-zahodnem delu omejeno z neaktivnimi

celicami, ki predstavljajo dvignjeno nepropustno podlago. Neaktivne celice v modelu

predstavljajo območje modela, kjer ni toka oziroma zanje ne veljajo zakoni prenosa snovi. Na

zahodnem in vzhodnem robu je robni pogoj reka Drava, ki vstopa oziroma izstopa na območje.

Reka Drava prav tako predstavlja robni pogoj na območju Lenta, kjer se je predpostavilo, da

Drava prav tako zajema tok podzemne vode z območja desnega brega reke Drave. Na območju

Melja se je z neaktivnimi celicami ponazorilo nepropustno umetno pregrada, ki preprečuje

poplavljanje območja za pregrado. Na območju za umetno pregrado se je s programskim

paketom DRN ponazorilo robni pogoj dreniranja podzemne vode iz vodonosnika. Na južnem

območju Limbuške dobrave pa se je z GHB ponazorilo tok podzemne vode iz območja Pohorja.

Slika 4.6: Robni pogoji modela z napajanjem reke Drave (modre celice), drenažo v območju Melja (rjave celice) ter dotok Pohorskih voda (roza celice).


- 23 -

Črpanje ter umetno bogatenje podzemne vode na območju Vrbanskega platoja

Na območju modela se je upoštevalo 4 vodnjake na Mariborskem otoku ter 14 vodnjakov na

črpališču Vrbanski plato iz katerih se črpa pitna voda za potrebe vodovodnega sistema Maribor.

Količina načrpane vode ni konstantna, temveč se prilagaja potrebam vodovodnega sistema. Na

območju vodarne v dolini Vinarskega potoka se je upoštevalo 2 nalivalna vodnjaka, ki z

načrpano vodo iz Mariborskega otoka bogatita podzemno vodo Vrbanskega platoja. Podatke o

povprečni letni ter maksimalni količini črpanja za leto 2015 se je pridobilo na IEI (Inštitut za

Ekološki inženiring d.o.o.).

Preglednica 4.2: Preglednica vodnjakov z X in Y koordinatami ter srednjo in maksimalno črpalno količino za leto 2015 (Vir: arhivi Inštituta za ekološki inženiring d.o.o.)

Ime

vodnjaka

X -

koordinata

Y -

koordinata

Srednje črpalne količine -

2015 [m3/dan]

Maksimalne črpalne

količine – 2015 [m3/dan]

IX 548431 158615 -4449 -5480

X 548400 158517 -2363 -3991

XI 548478 158710 -51 -136

XII 548420 158563 -2213 -4154

XIII 548496 158757 -974 -1512

XIV 548385 158470 -2009 -3618

XV 548426 158480 -2722 -4018

XVI 548446 158525 -3934 -4285

XVII 548466 158571 -738 -2655

XVIII 548485 158624 -1505 -4030

XIX 548508 158675 -2074 -3561

XX 548400 158538 -2858 -4351

XXI 548382 158496 -2960 -4595

XXII 548451 158504 -3106 -4401

XXIII 548469 158549 -2266 -4139

Vv1 547423 158254 -6630 -6961

Vv2 547449 158240 -4042 -5184

Vv3 547476 158224 -3557 -4320

N-1 548275 158700 7114 8232

N-2 548275 158650 7114 8232


- 24 -

Napajanje reke Drave

Reka Drava teče skozi območje celotnega modela ter ima največji vpliv na stanje vodonosnika

Vrbanski plato. Reka Drava je na območju modela dvakrat zajezena in sicer na območju

hidroelektrarne Mariborski otok na koti normalne zajezitve cca 266.5 m, ter na območju

Meljskega jezu na koti normalne zajezitve cca 253 m. Karakterno lahko napajanje Drave

razdelimo na 3 območja, in sicer:

1. zahodni del območja Limbuške dobrave,

2. območje Mariborskega otoka,

3. območje Lenta.

Na območju obravnavanega modela začne Drava prvič napajati vodonosnik na zahodnem

območju reke Drave, kjer se na desnem bregu reka Drava infiltrira na območje Limbuške

dobrave. V desni rokav reke Drave na območju Mariborskega otoka se del podzemne vode

infiltrira nazaj v reko, del pa nadaljuje pot pod Mariborskim otokom proti Vrbanskem platoju,

kjer se v podzemno vodo prav tako infiltrira rečna voda levega rokava Drave. Reka Drava

ponovno napaja Vodonosnik na območju Lenta, v katerega je prav tako vštet tudi pritok

podzemne vode z območja mesta na desnem bregu Drave.

Slika 4.7: Upoštevani črpalno/nalivalni vodnjaki


- 25 -

RIVER paket potrebuje za vhodne podatke geometrijo vodonosnika ter koeficient propustnosti

rečnega dna. Za izdelavo geometrije rečne struge reke se je uporabilo meritve prečnih profilov

akumulacijskega bazena od Meljskega jezu do hidroelektrarne Maribor, ki nam jih je

posredovalo podjetje Dravske elektrarne Maribor d.o.o. Ker v literaturi ni bilo podatka o

propustnosti rečnega dna, se je izbral koeficient propustnosti 1. 10-5 m/s, ki je bil predlagan v

navodilih o uporabi RIVER paketa [13]. Program je nato preko enačb opisanih v poglavju 3.3.

izračunal hidravlično propustnost rečne struge.

Dreniranje podzemne vode v Melju

Na vzhodnem območju modela se podzemna voda drenira v staro strugo reke Drave. Dreniranje

se je ponazorilo z DRN paketom, ki na podlagi višine drenaže ter koeficienta propustnosti dna

drenaže z enačbami opisanimi v poglavju 3.3. izračuna koeficient hidravlične propustnosti

drenaže. Ker v literaturi ni bilo podatka o koeficientu propustnosti dna drenaže, se je izbral

koeficient propustnosti 1. 10-5 m/s, ki je bil predlagan v navodilih o uporabi DRN paketa [13].

Višina drenaže pa se je na osnovi predhodnih raziskav [2] ocenila na cca 257 m.

Dotok pohorskih vda

Na območju Limbuške dobrave vstopajo v vodonosnik Vrbanski plato podzemne ter površinske

vode s Pohorja. Tok zalednih vod s Pohorja se je ponazorilo z GHB paketom opisanim, v

poglavju 3.3. Vhodni podatki, potrebni za zagon paketa, so konstantna višina podzemne vode

zunanjega vira na tem območju ter koeficient propustnosti kamnine med vodonosnikom ter

Slika 4.8: Vhodni podatki geometrije reke Drave – gladina reke Drave na n. v. 266.5 m ter dno reke na n. v. nepropustne podlage (modre celice), gladina na n. v. 253 m ter interpolirano

dno rečne struge na podlagi prečnih profilov , smer toka infiltrirane rečne vode


- 26 -

območjem pohorskih voda. Konstantno višino podzemne vode z območja Pohorja se je določilo

na osnovi predhodnih raziskav [2], prav tako tudi koeficient propustnosti, ki se je na tem

območju predpostavil na 2,5.10-3 m/s.

Napajanje s padavinami

V model se je prav tako vključilo napajanje s padavinami z že upoštevano evapotranspiracijo z

dvema upoštevanima conama. Območje modela se je tako razdelilo na intenzivno urbano

območje z napajanjem 110 mm/leto, ter na manj intenzivno območje oziroma območje z

zelenimi površinami z napajanjem 250 mm/leto [2].

4.4 Kalibracija (umerjanje) in validacija (vrednotenje) model

Za kalibracijo hidrogeološkega modela se je na obravnavanem območju uporabilo programski

paket FREEWAT-a Calibration/Sensitivity. Za kalibracijo modela se je uporabilo podatke o

merjeni gladini podzemne vode 6 piezometrov na tem območju iz leta 2015. S pomočjo

omenjenega programskega paketa se je opravilo teste občutljivosti ter ugotovilo, da je

najobčutljivejši parameter v modelu koeficient propustnosti geoloških plasti. S spreminjanjem

oziroma kalibracijo teh vrednosti se je poskušalo zagotoviti primerljivost meritev in rezultatov

modela. Pri določanju koeficienta propustnosti geoloških plasti se je opiralo na predhodne

raziskave [9], predlagane vrednosti iz literature [20][21], predhodno narejen model [2] ter

konceptualno razumevanje hidrogeoloških razmer.

Slika 4.9: Območja padavinskega napajanja podzemne vode (intenzivno urbano območje – belo; manj intenzivno urbano območje z zelenimi površinami – zeleno)


- 27 -

Konceptualno razumevanje predvideva slabšo propustnost obrežja reke Drave na območjih

zahodnega dela Limbuškega dobrave, levem bregu Drave na območju Mariborskega otoka ter

obrežje na levem bregu Drave na območju Lenta. Nižji koeficienti so posledica zablatenja

struge z mivko in s peskom, ki občutno znižata propustnost geoloških plasti [21]. Pri ročnem

umerjanju se je spreminjalo koeficiente propustnosti obrežij Drave in preostalega območja

vodonosnika ter iskalo najboljšo kombinacijo, pri kateri bi se simulirane višine podzemne vode

čim bolj približale meritvam uporabljenih piezometrov. Pri umerjanju se je upoštevalo

maksimalni odstopek med merjeno višino podzemne vode in izračunano višine podzemne vode

15 cm.

Preglednica 4.3: Preglednica piezometrov, uporabljenih za kalibracijo z X in Y koordinatami, ter srednjo in maksimalno merjeno višino podzemne vode (2015) (Vir: arhivi Inštituta za

ekološki inženiring d.o.o.)

Validacijo modela se je nato opravilo z oceno zanesljivosti v 5 piezometrih, ki jih nismo

upoštevali pri kalibraciji. Izračunana višina podzemne vode odstopa od uporabljenega

maksimalnega odstopka 15 cm le pri piezometru KP-18. Po pregledu hidroizohips simulirane

podzemne vode lahko sklepamo, da pride do prevelikih odstopanj zaradi hitrega padca višine

podzemne vode, ki pa se zaradi nenatančnosti modela začne predaleč od obrežja Drave.

Preglednica 4.4: Preglednica piezometrov, uporabljenih za validacijo z X in Y koordinatami, ter srednjo in maksimalno merjeno višino podzemne vode (2015) (Vir: arhivi Inštituta za

ekološki inženiring d.o.o.)

Piezometer X-

koordinata

Y-

koordinata

Povprečna merjena višina

podzemne vode [m] [ (2015)

Izračunana višina

podzemne vode [m]

K-26 547507,0 158431,0 251,57 251,47

K-30 547548,0 158042,0 253,02 253,17

K-32 547125,0 158471,0 253,11 252,99

KP-8 549313,8 157625,0 250,97 250,86

KP-12 549486,9 157367,5 251,23 251,20

P1 548414,0 158496,0 249,17 249,06

Piezometer X-

koordinata

Y-

koordinata

Povprečna merjena višina

podzemne vode [m] [ (2015)

Izračunana višina

podzemne vode [m]

V-21 547222,0 158346,0 252,82 252,82

KP-13 549531,6 157672,6 251,01 250,94

KP-18 549587,8 157168,9 251,39 251,63

IEI LD2 546938,0 157834,0 255,28 255,39

P2 548456,0 158604,0 249,14 249,11


- 28 -

Primerljiva zanesljivost modela (ujemanje meritev in rezultatov modela) na piezometrih

uporabljenih za kalibracijo, ter piezometrih uporabljenih za validacijo, zagotavlja ustreznost

modela za simulacijo predvidenih scenarijev.

4.5 Simulacije črpanja

Izdelan model, ki je bil kalibriran na povprečne količine črpanja vodnjakov ter nalivanja v letu

2015 in meritve piezometrov v enakem obdobju, se je uporabilo pri napovedi spremembe

dinamike podzemne vode v primeru različnih dodatnih scenarijev črpanja in nalivanja. Z

modelom se je izvedlo 3 dodatne scenarije različnega črpanja in nalivanja vodnjakov, kjer se je

predpostavilo:

Scenarij 1. Srednje črpalne količine vodnjakov brez nalivanja v dolini Vinarskega

otoka.

Scenarij 2. Maksimalne črpalne količine vodnjakov z nalivanjem v dolini Vinarskega

otoka.

Scenarij 3. Maksimalne črpalne količine vodnjakov brez nalivanja v dolini Vinarskega

otoka.

Slika 4.10: Prikaz višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre hidroizohipse), položajev piezometrov uporabljenih za kalibracijo (zeleni petkotniki) ter

piezometrov uporabljenih za validacijo (modri kvadrati)

Vododelnica


- 29 -

V scenarijih, kjer ne pride do nalivanja v dolini Vinarskega otoka, se črpalni vodnjaki na

območju Mariborskega otoka prav tako ne upoštevajo, saj se načrpana voda iz njih uporablja

za nalivanje. V 1. ter 3. scenariju se tako ne upoštevajo črpalni vodnjaki Vv1, Vv2, Vv3 ter

nalivalna vodnjaka N-1 ter N-2. Do maksimalnih količin črpanja na črpališču Vrbanski plato

pride predvsem v poletnih mesecih, ko se izdatnost drugih črpališč Mariborskega vodovoda

občutno zniža, potreba uporabnikov javnega vodovoda po pitni vodi pa poveča.

Scenarij 1

Scenarij 1 predvideva povprečno črpanje brez nalivanja načrpane vode iz vodnjakov na

območju Mariborskega otoka. Iz rezultatov modeliranja (slika 4.11) je razvidno, da ostane

višina podzemne vode na območju Limbuške dobrave skoraj nespremenjena. Zaradi

neobratovanja vodnjakov na območju otoka tam ne pride do padca podzemne vode. Na območju

vodnjakov višina podzemne vode upade za skoraj 2 metra, spremenijo pa se tudi linije

hidroizohips, ki potekajo od reke Drave do vodnjakov veliko bolj enakomerno. Na območju

mestnega središča lahko opazimo upad višine podzemne vode za cca pol (0.5) metra ter pomik

vododelnice v smeri proti Melju.

Slika 4.11: Primerjava višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre hidroizohipse) ter pri simulaciji s povprečno količino črpanja brez nalivanja (rdeče

hidroizohipse)


- 30 -

Scenarij 2

Scenarij 2 predvideva maksimalno črpanje vodnjakov z nalivanjem načrpane vode iz

vodnjakov na območju Mariborskega otoka. Večje količine črpanja pa prav tako pomenijo večje

količine nalivanja na območju Vinarskega potoka. Višina podzemne voda na območju

Limbuške dobrave oziroma Mariborskega otoka ostaja skoraj nespremenjena. Simulacije

kažejo na skoraj 3-metrski upad višine podzemne vode na območju vodnjakov, na območju

mestnega središča pride do upada višine podzemne vode za skoraj 1 meter ter pomik

vododelnice v smeri proti Melju.

Scenarij 3

Scenarij 3 predvideva maksimalno črpanje vodnjakov brez nalivanja načrpane vode iz

vodnjakov na območju Mariborskega otoka. Iz rezultatov modeliranja (slika 4.13) je razvidno,

da ostane višina podzemne vode na območju Limbuške dobrave nespremenjena. Na območju

Mariborskega otoka zaradi neobratovanja vodnjakov ne pride do padca podzemne vode. Na

območju vodnjakov višina podzemne vode upade za skoraj 5 metrov, spremenijo pa se tudi

linije hidroizohips, ki potekajo od reke Drave do vodnjakov veliko bolj enakomerno. Na

območju mestnega središča lahko opazimo upad višine podzemne vode za cca 1.5 metra ter

občuten pomik vododelnice v smeri proti Melju.

Slika 4.12: Primerjava višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre hidroizohipse) ter pri simulaciji z maksimalno količino črpanja brez nalivanja (zelene

hidroizohipse)


- 31 -

Slika 4.13: Primerjava višine podzemne vode pri osnovni modelni simulaciji (modre hidroizohipse) ter pri simulaciji z maksimalno količino črpanja brez nalivanja (oranžne

hidroizohipse)


- 32 -

5 DISKUSIJA REZULTATOV

Rezultati umerjanja s programom FREEWAT kažejo precejšnje ujemanje izračunanih in

umerjenih višin podzemne vode. Dobro ujemanje je posledica nizkega maksimalnega odstopka

pri kalibraciji modela, ki je znašal 15 cm. Največje odstopanje med izmerjenimi in izračunanimi

gladinami podzemne vode se pojavi v piezometru, lociranem na obrežju Drave (KP-18). Iz

prikaza hidroizohips tega območja lahko sklepamo, da pride do večjega odstopka zaradi hitrega

padca podzemne vode na tem območju, ki pa je zaradi nenatančnosti modela lociran predaleč

od nabrežja reka Drave oziroma omenjenega piezometra. Težavo bi se rešilo z zmanjšanjem

velikosti celic, ki bi natančnejše opisale tok podzemne vode na tem območju, ter bi tako do

padca višine prišlo bližje nabrežju Drave oziroma omenjenemu piezometru.

Rezultati validacije so pokazali dovolj dobro natančnost modela, s katerim smo nato izvedli 3

različne simulacije. V 1. scenariju smo upoštevali povprečne vrednosti črpanja brez nalivanja

v območju Vinarskega potoka, v 2. ter 3. scenariju pa maksimalne vrednosti črpanja, kjer smo

pri 2. scenariju upoštevali nalivanje, pri 3. scenarija pa izvedli simulacijo brez nalivanja.

Rezultati simulacij so pokazali, da se podzemna voda na območju Limbuške dobrave med

vsemi simulacijami skoraj ne spreminja. Konstantna višina podzemne vode tega območja je

posledica konstantnega napajanja tega območja s strani zajezene reke Drave nad HE Mariborski

otok ter konstantnim infiltriranjem podzemne vode z območja Limbuške dobrave v desni rokav

reke Drave na območju Mariborskega otoka, ter konstantnim infiltriranjem pohorskih voda.

Višina podzemne vode na območju Limbuške dobrave ostane torej skoraj nespremenjena, saj

je območje omejeno s celicami s skoraj konstantno višino podzemne vode.

Nedelovanje črpalnih vodnjakov na območju Mariborskega otoka v scenariju 1 in 3 se kaže v

konstantni gladini podzemne vode na celotnem območju Mariborskega otoka, saj se višina

podzemne vode enači s konstantno gladino reke Drave na tem območju. V scenariju 2 smo na

območju vodnjakov na Mariborskem otoku dobili nižje vrednosti višine podzemne vode, kar

smo pričakovali zaradi večje količine prečrpane vode.


- 33 -

V vseh scenarijih smo na območju vodnjakov Vrbanskega platoja dobili nižje vrednosti višine

podzemne vode. V scenariji 1 je bila nižja višina podzemne vode posledica predpostavke

neobratovanja nalivalnega sistema, v scenariju 2 posledica večje količine črpanja, v scenariju 3

pa posledica tako neobratovanja nalivalnega sistema kot tudi večje količine črpanja, kar je

doprineslo k najnižji višini podzemne vode izmed vseh simulacij.

Vse simulacije so pokazale pričakovan premik vododelnice v smeri proti Melju, kjer je prišlo

do najbolj izrazitega pomika pri scenariju 3. Na območju vododelnice je hitrost toka podzemne

vode najnižja v sistemu oziroma na nekaterih mestih celo miruje. Posledično je podzemna voda

na tem območju veliko bolj onesnažena, saj je dalj časa izpostavljena površinskem izpiranju

onesnaževal. Pomik vododelnice v smeri proti Melju, kot so nam pokazali scenariji 1, 2, in 3,

bi lahko pomenil potencialno onesnaženje črpane vode na Vrbanskem platoju, saj bi prišlo do

hitrejšega odtekanja bolj onesnažene podzemne vode na zahodnem delu vododelnice.

V načrtovani II. in III. fazi aktivne zaščite bi se vpliv onesnažene vode s področja mestnega

središča preprečil, saj bi se zvišale kapacitete nalivalnih vodnjakov, kar bi pomenilo dvig

podzemne vode na območju črpališča s čimer bi se preprečil oziroma zmanjšal tok iz strani

mestnega središča.


- 34 -

6 SKLEP

V diplomskem delu se je za obravnavano območje vodonosnika Vrbanski plato izdelal

stacionaren model toka podzemna vode s programom FREEWAT. Za izdelavo so bili

uporabljeni podatki iz arhivov podjetja IEI (Inštitut za ekološki inženiring d.o.o.) ter druge

literature. Validacija modela je pokazala visoko natančnost rezultatov, ki bi jih lahko še

izboljšali z zmanjšanjem mreže modela. Analiza simulacije toka ob različnih scenarijih je

pokazala pomik vododelnice v smeri proti Melju, kar bi lahko pomenilo potencialno

onesnaženje načrpane pitne vode. Zaradi počasnega toka podzemne vode na območju

vododelnice, je namreč podzemna voda dlje časa izpostavljena površinskemu izpiranju

onesnaževal ter zato bolj onesnažena od preostale podzemne vode v sistemu vodonosnika

Vrbanski plato. Izdelan stacionaren model bi lahko za natančnejše napovedovanje višine

nadgradili v nestacionaren model, s katerim bi lahko z izvedenimi simulacijami pomagali pri

načrtovanju II. in III. faze aktivne zaščite, saj bi lahko na podlagi simulacij določili količine

načrpane vode nalivalnega sistema, ki bi preprečeval tok podzemne vode iz mestnega središča

oziroma zagotovil nepremično lokacijo vododelnice. Preizkušeno orodje FREEWAT, ki je še

v izdelavi in bo na trgu prosto dostopno v začetku leta 2018, se je izkazalo kot zelo uporabno

orodje, še posebno ker deluje znotraj QGIS-a (GIS okolja), kar omogoča dodatne možnosti

obdelave, prikazovanje in hranjenja podatkov. Ker je celotno programsko orodje prosto

dostopno, pa bi bilo tudi zelo primerno za učno orodje fakultete.


- 35 -

7 LITERATURA

1. Mariborski vodovod, javno podjetje, d.d. Letno poročilo Mariborskega vodovoda 2014.

(28.9.2015) Dosegljivo: http://www.selnica.si/scripts/download.php?file=/data/upload/

Letno_porocilo_MB_vodovod.pdf. [Datum dostopa: 3. 8. 2016]

2. I. Kopač. "Črpališče vrbanski plato, II.faza aktivne zaščite, Hidrogeološki model vrbanski

plato." IEI d.o.o., junij 2009.

3. Mariborski vodovod, javno podjetje, d.d. Predlog kohezijskega projekta ureditve oskrbe SV

Slovenije s pitno vodo. (23. 3. 2006) Dosegljivo: http://www.mb-vodovod.si/media/files/

Proj.ur.oskr_SV_Slov._s_pit._vodo.pdf [Datum dostopa: 3. 8. 2016]

4. M. Krajnc, M. Gacin. Poročilo o kakovosti podzemne vode v Sloveniji v letu 2006. ARSO.

(oktober 2008) Dosegljivo: http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%20vode/publikacije%

20in%20poro%C4%8Dila/04B-del.pdf.

5. Uredba o vodovarstvenem območju za vodno telo vodonosnikov Ruš, Vrbanskega platoja,

Limbuške dobrave in Dravskega polja. Uradni list RS, št. 24/07, 32/11, 22/13 in 79/15.

Dosegljivo: http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=URED4242 [Datum dostopa: 3.

8. 2016]

6. M. Gacin, P. Mihorko, M. Krajnc. Poročilo o kakovosti podzemne vode v Sloveniji v letih

2007 in 2008. ARSO. (december 2009) Dosegljivo: http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%

20vode/publikacije%20in%20poro%C4%8Dila/3012.pdf [Datum dostopa: 3. 8. 2016]

7. M. Orešnik, M. Vremec, S. Hajnc, T. Gorenšek, K. Kolar, K. Kuzmič, D. Gošnjak, A. Šutar,

A. Praprotnik, P. Pukšič, Vodonosnika Vrbanski plato in Apaško polje, orodja za trajnostno

zagotavljanje vodnih virov, končno poročilo v okviru projekta PO KREATIVNI POTI DO

PRAKTIČNEGA ZNANJA. Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, 2015.

8. J. Ravnik, Matematično modeliranje pojavov v okolju. Fakulteta za strojništvo, Univerza v

Mariboru, 2013.

http://www.selnica.si/scripts/download.php?file=/data/upload/%20Letno_porocilo_MB_vodovod.pdf

http://www.selnica.si/scripts/download.php?file=/data/upload/%20Letno_porocilo_MB_vodovod.pdf

http://www.mb-vodovod.si/media/files/%20Proj.ur.oskr_SV_Slov._s_pit._vodo.pdf

http://www.mb-vodovod.si/media/files/%20Proj.ur.oskr_SV_Slov._s_pit._vodo.pdf

http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%20vode/publikacije%25%2020in%20poro%C4%8Dila/04B-del.pdf

http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%20vode/publikacije%25%2020in%20poro%C4%8Dila/04B-del.pdf

http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%25%2020vode/publikacije%20in%20poro%C4%8Dila/3012.pdf

http://www.arso.gov.si/vode/podzemne%25%2020vode/publikacije%20in%20poro%C4%8Dila/3012.pdf


- 36 -

9. V. Lapajne, S. Brumen. Javna oskrba s pitno vodo na območju mestne občine Maribor- ocena

stanja (9. 9. 2008) Dosegljivo: www.maribor.si/dokument.aspx?id=8826 [Datum dostopa: 3. 8.

2016]

10. B. Podlipnik, B. Jurič. Ureditev celovite oskrbe prebivalstva s pitno vodo in varovanja

vodnih virov Pomurja (2008) Dosegljivo: http://mvd20.com/LETO2006/R12.pdf [Datum

dostopa: 3. 8. 2016]

11. I. Kopač. Vpliv črpanja za zavarovanje gradbene jame mestne tržnice Maribor na črpališče

Vrbanski plato Dosegljivo: http://www.mvd20. com/LETO2009/R32.pdf (2009) [Datum

dostopa: 3. 8. 2016]

12. K. Špruk. Uporaba odprtokodnega programa Quantum GIS. Diplomska naloga. Ljubljana,

UL FGG, Odd. za geodezijo, prostorska informatika. Samozaložba Špruk, 2014.

13. G. De Filippis, M. Ghetta, R. Rossetto. Free and open source software tools for water

resource management, FREEWAT user manual, Groundwater modeling using MODFLOW-

OWHM (One Water Hydrologic Flow Model), 2016.

14. Tehnološki načrt za umetno bogatenje podtalnice na Vrbanskem platoju I. faza -(1., 2. in 3.

knjiga) - IZH-FGG, maj 1987.

15. Raziskava za sanacijo in bogatenje podtalnice Vrbanskega platoja, IZH-FGG, 27.06.1994.

16. Matematični model podtalnice Vrbanskega platoja s hidrološkimi izračuni variant

bogatenja podtalnice, IEI, junij, 1994.

17. Sanacija kvalitete podtalne vode na Vrbanskem platoju – novelacija varstvenih pasov,

IGGG, december 1994.

18. M. RISMAL. Analiza rezultatov črpalnega preizkusa na preizkusnem vodnjaku MB1 na

levem bregu Drave pri Mariborskem otoku za nadomestitev vodnjakov v Bohovi, januar 2001.

19. M. RISMAL Študija rezultatov preizkusnega črpanja obrežnega filtrata Drave za

bogatenje in aktivno zaščito pitne podtalnice na Vrbanskem platoju v Mariboru, 6.11.2003.

http://www.maribor.si/dokument.aspx?id=8826

http://mvd20.com/LETO2006/R12.pdf


- 37 -

20. R.A. FREEZE in J.A. CHERRY. Groundwater. Prentice-Hall, 1979.

21. F. Steinman. Hidravlika. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Katedra za mehaniko

tekočin z laboratorijem, 1999.

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · Podzemna voda je v Sloveniji najpomembnejši vir...

Documents

Transcript of UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · Podzemna voda je v Sloveniji najpomembnejši vir...