VPLIV NIVOJA GLADINE DRAVE NA TOK PODZEMNE VODE

- 92- AKTUALNI Jure RAVNIK* VPLIV NIVOJA GLADINE DRAVE NA TOK PODZEMNE VODE POVZETEK Ob gradnji centralne čistilne naprave Maribor se izvaja monitoring podzemne vode. Vpliv reke Drave na gladino podzemne vode v bližini je izredno velik. Nemalo področij vzdolž Drave je ob visokih vodah poplavljeno tudi s podzemno vodo. Na podlagi stalnega spremljanja gladine podzemne vode smo ovrednotili vpliv reke na podzemno vodo na območju gradbišča CČN. Reka dominantno vpliva na tok podzemne vode, zato smo v začetku leta 2002 izgradili postajo za merjenje nivoja gladine Drave. Postavili smo jo na mostu regionalne ceste Dogoše - Duplek in jo opremili z merilno sondo s samodejnim delovanjem. Podatek o nivoju reke Drave na tem mestu pomembno dopolnjuje republiški monitoring, ki meri nivo Drave samo na eni točki pri Borlu. Gradbišče čistilne naprave se nahaja v neposredni bližini reke. Stalno samodejno merjenje nivoja gladine reke in nivoja podzemne vode pod gradbiščem daje odlično izhodišče za študij tokovnih razmer. S tako izmerjenimi nivoji umerjen matematični model toka podzemne vode omogoča napoved nivoja gladine, smeri in hitrosti toka na širšem območju CČN. UVOD V Dogošah pri Mariboru se gradi centralna čistilna naprava Maribor. Na podlagi vodnogospodarskega soglasja, presoje vplivov na okolje in gradbenega dovoljenja se ob gradnji izvaja monitoring podzemne vode. Nadzoruje se kakovost in hidrološko stanje podzemne vode. V okolici gradbišča so razporejeni trije piezometri (VP1-3) namenjeni odvzemu vzorcev vode in meritvam nivoja. Nivo merimo 1x na uro s samodejnimi merilci. Od januarja 2002 stalno samodejno merimo tudi višino gladine reke Drave v ) i KOl. 241m. 'f. \ zatetek dravske stari strugi. Meritev izvajamo na mostu regionalne ceste Dogoše - Duplek, približno 400m gorvodno od gradbišča čistilne naprave. \... -,. JI = &. I \ 1 I j..._""""" ::.:-,,---"- VP3.t. D d"'" CCN I.t., N01 oo VP2.t. \ Slika 1 Lokacijo čistilne naprave omejuje nepropustna zavesa. V piezometrih VP1, VP2 in VP3 merimo nivo gladine podzemne vode 1x na uro. Nivo Drave (ND1) merimo na mostu regionalne ceste. Čistilna naprava leži v Dogošah na desnem bregu Drave, le nekaj deset metrov oddaljena od brežine. Gradnja se izvaja pod nivojem podzemne vode, zato je gradbišče zaščiteno z nepropustno zaveso. Izvajalec s stalnim črpanjem skrbi, da nivo podzemne vode ostaja dovolj nizek, in s tem omogoča nemoten potek gradnje. Geološka zgradba širšega območja je podrobno opisana v [1]. Za vodo nepropustna podlaga je miocenski peščen lapor. Ta je prekrit s slojem kvartarnih dravskih zasipov, ki so zgrajeni iz dobro in slabo graduiranih meljasto peščenih prodov. Prod prekriva tanek vrhni sloj meljastih peskov. Podzemna voda se ob suhem vremenu izceja v Dravo. Priteka iz zahoda oziroma severozahoda. Po Dravi v teh razmerah teče le biološko minimalni pretok (1 Om3/s pozimi oz. 20m3/s poleti). Vsa ostala voda teče po hidroenergetskem kanalu HE ZlatoliČje. Kanal je vodotesen in ne omogoča komunikacije rečne vode s podzemno vodo. Ju re RAVNIK, univ dipl. fiz, Institut za ekološki inženiring, d.o.o., Ljubljanska ulica 9 Maribor, jure.ravnik@ iei.si

PODZEMNA VODA OB VISOKI DRAVI - 93- AKTUALNI Glede na to, da ostaja pretok v kanalu HE Zlatoličje več ali manj stalen, se ob povečanih pretokih Drave poveča predvsem pretok v stari strugi reke Drave. Večkrat letno se za premostitev povečanega pretoka reke za nekaj dni pretok v stari strugi Drave hitro in močno poveča. Ob ekstremnih hidroloških razmerah pa na območju gradbišča čistilne naprave prihaja do poplav, tako rečne kot tudi podzemne vode. Zaradi povečanega pretoka Drave se hidrološka slika toka podzemne vode spremeni. Gladina Drave je povišana, zato se podzemna voda ne preceja več v Dravo, temveč se vrši obraten proces; Drava napaja podzemno vodo. Ker je v neposredni bližini teren dobro propusten (kvartarni zasipi proda in peska z velikim koeficientom propustnosti), se nivo podzemne vode na celotnem območju gradbišča hitro poviša. 23850 23825 238 OO I 23775 Q) }J750 > 2372S o. 237 OO 23675 o > 236 ">0 OJ c 21625 E VP3 23600 DJ2Na U 8. 23575 '6' 23550 > Z 23525 23500 -------==- VP2 234 75 234 50 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 :? 1 n Dnevi v juniju 2002 Slika 2 Gladina reke Drave se je trikrat v juniju 2002 hitro povišala. Pretok na jezu v Melju je 7.6. ob 15:00 znašal 572 m3/s. Vidimo kako hitro se je povišala tudi gladina podzemne vode v piezometrih. Piezometer VP2 je 60m oddaljen od Drave, VP1 240m in VP3 370m. Prve ugotovitve hidrološkega monitoringa v letu 2001 so jasno pokazale, da so nivo gladine podzemne vode, smer in hitrost toka odvisni praktično povsem samo od pretoka v Dravi. Pritok podzemne vode iz zahoda in severozahoda je stalen v primerjavi z vplivom Dravske vode. Ves čas, ko po stari strugi Drave teče le biološki minimum, je gladina podzemne vode stalna. Ob povišanem pretoku Drave se zelo hitro poviša tudi gladina podzemne vode (slika 2) [6]. Te ugotovitve so nas, v sodelovanju z vodnogospodarskim nadzorom gradnje, ki ga izvaja podjetje VGB,d.d., napeljale na odločitev, da je za kakovosten hidrološki monitoring podzemne vode nujno potrebna izgradnja merilne postaje za meritev nivoja gladine Drave. POSTAVITEV MERILNE POSTAJE ZA NIVO DRAVE s stališča matematičnega modeliranja toka bi bilo dobro, če bi nivo Drave merili na dveh mestih: gor in dol vodno od gradbišča. Razlika med nivojema bi, v kombinaciji z geodetsko posnetimi profili struge (4), odlično definirala reko kot robni pogoj v modelu. Slabše, vendar še dovolj dobro, opredelimo robni pogoj z eno meritvijo in z geodetskimi posnetki profilov. Gradnja merilne postaje na bregu Drave ob čistilni napravi bi zahtevala postavitev jaška s povezavo do reke. Ker proizvajalec opreme za samodejno merjenje nivoja ne priporoča potapljanja celotne naprave pod vodo, bi moral biti jašek zelo visok. Tako rešitev smo zaradi ekonomskih razlogov opustili. Približno 400m gorvodno od gradbišča čistilne naprave prečka Dravo regionalna cesta Dogoše - Zgornji Duplek. Postavitev merilne postaje ob mostni opornik močno poceni izvedbo. Končen odločitev, kompromis med investitorjem, izvajalcem gradnje in vodnogospodarskim nadzorom je bila da se izgradi ena merilna postaja za nivo Drave ob mostnem oporniku. Most je dovolj blizu gradbišča, da bodo meritve nivoja Drave ob mostu reprezentativne tudi za širše območje gradbišča. Širok je 140m, podprt z dvema vrstama opornikov. V vodo so stalno potopljeni štirje oporniki. Merilno postajo smo postavili na dolvodno stran dolvodnega opornika. MiŠiČEV VaDARSKI DAN 2002

- 94- AKTUALNI Na opornik smo pritrdili jekleno cev 0 100mm. Spodnji del cevi je perforiran z luknjami 0 10mm, ki zagotavljajo izenačeno višino Drave in vode v cevi. Za ograjo na mostu je majhna omarica, ki je z alkaten cevjo povezana z jekleno cevjo ob oporniku. V zaščitno jekleno cev smo vstavili samodejni merilnik nivoja gladine in temperature podjetja DMS tip MEMO. Merilnik sestavljajo tlačno tipalo, tipalo temperature in priključek za prenos podatkov na prenosni računalnik. Tipala sta potopljena v perforirani del zaščitne cevi. Z nosilnim kablom, ki hkrati omogoča tudi prenos podatkov, sta pritrjena na vrh zaščitne cevi v omarici za ograjo. V omarici je tudi priključek za prenos podatkov. Izvedli smo geodetski posnetek nivoja Drave ob biološko minimal nem pretoku in tako nastavili merilnik na absolutno višino. Meritve izvaja 1 x urno. Vgradnjo celotne merilne postaje je izvedlo podjetje DMS s precejšnim znanjem alpinizma. OGRAJA CESTILE PLOCNIK MERILNA OMARICA ALKATEN CEV 0100 PRITRJEVANJE Z 08JEMKAMIIN HIL TY VIJll<KI JEKLENA CEV 01 OOx4mm PERFORIRANJE CEVl20 x 010mm -'---.----'--------- lika 3: Skica postavitve merilne postaje. Slika 4: Alpinist pritrjuje zaščitno jekleno cev na mostni opornik. (Foto: avtor prispevka) Merilna postaja na meritev nivoja Drave je začela obratovati 2901.2002. Meritve nivoja Drave imajo poleg odločilnega pomena za hidrološki monitoring na gradbišču tudi regionalni pomen. Republiški monitoring nivoja Drave obsega le eno točko pri Borlu. S stalnim samodejnim merjenjem tudi v Dogošah, smo republiški monitoring dopolnili. MAT EMATiČNI MODELA TOKA PODZEMNE VODE Poglejmo si kako zapisati enačbe, ki opisujejo tok podzemne vode [4]. Imamo anizotropen vodonosnik. Naj bo koeficient prepustnosti vektor K, čigar komponente po oseh koordinatnega sistema so K r' K I in Ko' Koordinatna os z kaže vertikalno stran od Zemljinega središča, osi x in y pa ležita v horizontalni ravnini. Zamislimo si majhen košček vodonosnika v obliki paralepipeda s središčem v točki (x, y,z). Dolžine robov naj bodo b\-, OJ' in!5z, kot je pokazano v sliki 1.

, I i - 95 - AKTUALNI Vektor hitrosti toka podzemne vode naj ima komponente " x ' v, in " z. Hitrost toka se s krajem spreminja, zato je Vx pri x - &/2 različna hitrosti toka zapišemo od hitrosti vr pri x + &/2. Razliko ov v. =_.\ 5v. Zaradi.\ ox X spremenjene hitrosti element vodonosnika pridobi oziroma izgubi V\ 5y& vode na enoto časa. Enak razmislek velja tudi za smeri y in z. Naj bo V,. prostornina, ki jo zavzema voda. Zapišimo spreminjanje prostornine vode zaradi sprememb hitrosti toka omenjenih zgoraj : Slika 5 Tok vode v in iz kockastega elementa vodonosnika (1 ) V enačbo smo dodali negativen predznak, ker povečanje hitrosti toka pomeni zmanjšanje količine vode s časom. Vpeljimo brezdimenzijsko količino vlažnost 9, ki naj bo razmerje med prostornino vode V" in prostornino vodonosnika Vz v kateri je ta voda zajeta B = Vv /Vz. Za zgoraj opisani primer seveda velja V = 5x&&. Vstavimo v enačbo (1) in izpišemo še spremembe hitrosti na desni strani, izpostavimo : 09 (Dv Dv) Dv J -oxoyoz = - _ x + _. + _ z OxOyoz. ol OX oy oz Vidimo, da prostornina elementa vodonosnika v zgornji enačbi odpade. Da bi izrazili še hitrosti toka, zapišimo hitrosti po Darcy-jevem zakonu v = -l0let>. Izpisano po komponentah oet> oet> oet> V" = - Kv-, vr = - K) -, v_ = - K_-, 'Ox oy - -oz Tu je et> hidravlični potencial. To je delo, ki ga porabimo za počasen premik vode iz poljubne točke v sistemu do točke, v kateri je potencial izmerjen. Koeficient prepustnosti K naj ima enoto hitrosti. Takrat je hidravlični potencial et> = H + z kar vsota višine z točke v kateri ga merimo in višine H stolpca v meniskusu manometra, ki meri hidravlični tlak. Vstavimo (3) v (2) in okrajšamo : (2) (3) 09 = ( K\ oet» +(K \ oet>j+ ( K : oet». o, OX OX oy. oy oz oz (4) Vpeljimo še specifično hrambo S, [11m], ki opisuje prostornino vode, ki se sprosti na enoto prostornine vodonosnika na enoto spremembe hidravličnega potenciala et>. Velja torej 9 = S, et>. To relacijo uporabimo v (4) in dobimo končno kontinuitetno enačbo za hidravlični potencial : S, oed = ( K \ OeD)+ ( K \ OeD J+( K _ OeD). o, OX. OX oy. oy oz - oz To enačbo rešujemo za vodonosnik, ki se razteza v vse tri dimenzije. Zato so specifična hramba in vektor koeficienta prepustnosti odvisni od kraja. Krajevno odvisnost parametrov rešujemo z diskretizacijo vodonosnika na celice. Celicam pripišemo vrednosti krajevno odvisnih koeficientov. Sistemu moramo pripisati še začetne in robne pogoje. Enačba (5) skupaj z navedenimi pogoji predstavlja matematičen opis toka podzemne vode v vodonosniku. Reševanje parcialne diferencialne enačbe (5) poteka z metodo končnih razlik. Pri ameriški agenciji za varstvo okolja (www.epa.gov) smo dobili računalniški program MODFLOW, ki rešuje enačbo (5). Program je bil napisan v osemdesetih in predstavlja preverjen industrijski standard za modeliranje toka (5)

- 96- AKTUALNI podzemne vode. Uporabili smo tudi računalniški program Visual Modflow podjetja Waterloo Hydrogeologic, ki služi vnosu in izpisu podatkov in rezultatov ter poganja MODFLOW. Modeliranje toka podzemne vode pod gradbiščem čistilne naprave smo omejili na območje veliko 1,6 x 1,4 km. Metoda končnih razlik, po kateri Modflow rešuje enačbo (5) zahteva razdelitev območja na celice. Razdelili smo ga na celice s površino 10m x 10m. Celice so segajo od nivoja terena do miocenske neprepustne podlage. Za vertikalno delitev celic se nismo odločili, ker je geološka strukture od terena do podlage pretežno homogena. Digitalni model višin 100m x 100m smo združili z geodetskim posnetkom terena na ožji lokaciji CČN in s pomočjo interpoliranja ovrednotili višino za vsako celico znotraj modela. Višino nepropustne podlage smo za to območje ovrednotili s pomočjo interpoliranja podatkov iz geoloških vrtin [1], [2] in [3]. Rezultat je zanesljiv na območju CČN, kjer so vrtine. Izven ožjega območja CČN smo za nepropustno podlago predpostavili enake vrednosti. Napaka ni prehuda, saj nas zanima tok na ožjem območju CČN, kjer pa imamo vrtin dovolj. Na podlagi geoloških raziskav [1] - [3] smo za koeficient propustnosti K za celotno območje modela privzeli K = II 0-3 ml s,1 0-3 ml s,1 0-4 ml sj. Model je horizontalno izotropen, zato sta prvi vrednosti enaki. V vertikalni smeri smo privzeli deset krat manjšo vrednost koeficienta propustnosti. Za specifično hrambo smo vzeli S, = 10-4 Im, efektivna poroznost naj bo 0.2, totalna poroznost pa 0.25. Drava teče na zahodni strani gradbišča in predstavlja zahodni robni pogoj. Iz geodetskega posnetka Drave [5] smo določili naklon struge od mosta Dogoše - Duplek dolvodno. Geodetska meritev je bila izvedena on sušnih razmerah, ko je po Dravi tekel samo biološki minimum. Na podlagi tako pridobljenih naklonov smo iz meritev nivoja Drave pod mostom izračunali nivo Drave dolvodno za celotno območje modela. Za robni pogoj na vzhodu smo izbrali teraso v Miklavžu. Na zahodni strani naselja Miklavž na Dravskem polju nivo terena pade iz 260m na 240m. Pod teraso je več mest, kjer podzemna voda privre na dan. (slika 1) Na meji terase smo nivo podzemne vode v modelu podali. Robni pogoj na severu in jugu smo pustili odprt. 2.3031) 23810 37 90 1377U 237 JU E i l.li' 11\ 236 Ql). ; 23670 " g 23b50 1303(1 _' _"").g 1J610 o 139(, > Z 13570 23530 DQ,I.v,", 2 _5 1(+ \/P) _ 23"0 -_..... _-"-'--/ 23<l70..,......---/ -------.- _._._-._--- '-. --'-"-- " " n 1.. Ili ; l 1)2 7 t, o: 1 f, Ol. Il} F\ m & ti O} 8 (, nl <} b Cl.? 13)0' 00(10 llfiqfl LOO 1.;100 01.,1]0 'Y.OO IOO ISr)) OHIO Slika 6 V začetku junija se je nivo Drave hitro povišal. Meritve tega dogodka smo uporabili za umeritev modela. Za umeritev modela smo uporabili hitro povečanje pretoka Drave med 7. in 8. junijem 2002 (slika 6). Dne 7.6. ob 15:00 je po stari strugi Drave teklo 572m3/s, 8.9. ob 9:00 pa spet 20 m3/s. Višino podzemne vode na zahodnem robnem pogoju ob vznožju Dravske terase smo določili z umeritvijo modela pri sušnih razmerah. Za zagotovitev ujemanja modelne napovedi višine podzemne vode z meritvami pri visoki Dravi, smo popravili geološko izmerjeno vrednost koeficienta prepustnosti. REZULTATI MODELA Želimo nazorno prikazati kako povišan pretok Drave povzroči hitro povišanje gladine podzemne vode na območju gradbišča. Za povišan pretok v začetku junija (slika 6) prikazujemo razliko med povišano gladino podzemne vode in gladino ob sušnih razmerah. Na slikah 7a - 7e je razlika podana v centi metrih skupaj s časom in pretokom v Dravi.

- 97- AKTUALNI 7. 6.:':0)2 -;. no. rj,) F tt<:'k: 81.1l7. " Dvi g [cml 220 200 180 160 140 120 100 BO 60 40 20 O VP3 500 m Pretok v Dravi hitro pade, nivo v piezometrih VP1 ak.

- 98 - AKTUALNI J. RAVNIK Zgornje slike in rezultati modela kažejo, da se vpliv povišanega pretoka Drave zelo hitro širi. Nivo podzemne voda se na celotnem območju gradbišča začne dvigovati le nekaj ur po povečanem pretoku (slika 7b). Tok podzemne vode se obrne. Nivo v piezometru VP2 preseže nivo v VP1 samo tri ure po nastopu povišanega pretoka. Pri napredovanju vpliva deluje nepropustna zavesa kot ovira. Za zaveso se nivo začne dvigovati najkasneje (slika 7c). Skoraj hkrati z maksimalnim pretokom Drave je nivo v Dravi najbližjem priezometru (VP2) najvišji (slika 7č). Maksimuma gladine v ostalih dveh piezometrih nastopita kasneje. Pretok Drave je po najvišji vrednosti zelo hitro upadel, zato kmalu pride do razmer, ko se gladina podzemne vode izravna. Na sliki 7d je nivo v VP1 in VP2 enak. Ko v Dravi spet teče samo biološki pretok je podzemna voda še povišana, vendar se že teče nazaj proti reki (slika 7e). ZAKLJUČKI Nova merilna postaja za merjenje nivoja Drave v stari strugi je pomembna pridobitev tako za monitoring podzemne vode na gradbišču čistilne naprave kot tudi kot dopolnitev republiškega monitoringa reke. Z oporo postaje na mostno konstrukcijo in z ročno, alpin i stično vgradnjo smo uspeli močno znižati stroške izgradnje. Model toka podzemne vode je pokazal kako hitro povišan pretok Drave povzroči dvig gladine podzemne vode na območju. S stališča poplavne varnosti gradbišča, strojev in ljudi, je pomembno, da je izvajalec del obveščen pred izpustom visoke vode v reko. LITERATURA [1] Poročilo o izvedbi geotehničnih raziskav in vgradnji piezometrov na lokaciji objekta "Centralna čistilna naprava za odpadno vodo mesta Maribor, Februar 1994, ZMRK [2] The Conclusive Geotechnics Report about Physical Properties of Soil in the Region of the Main Collector and Treatment Plant in Maribor, Marec 1995, GOP, d.o.o. [3] Final Geotechnical Report on Site and Laboratory Investigations of Soils and Analyses of Foundation Conditions for the Waste Water Treatment Plant Dogoše by Maribor, Januar 1999, GOP, d.o.o. [4] An Introduction to the Physical Basis of Soil Water Phenomena; E. C. Childs, John Wiley & Sons, 1969. [5] Profili stare struge reke Drave Melje - Ptuj, Geodetski biro, 1999 [6] Hydrological Groundwater Monitoring at WWTP Maribor, lei, d.o.o., project no.: 6hi28, 2000-2002 Mi Š ičev VaDARSKI DAN 2002