Výpočet modelu zraniteľnosti podzemných vôd

Zraniteľnosť podzemných vôd vyjadruje ich ochranu pred priesakom povrchovej vody spolu so znečistením do podzemia. Takýto výpočet môže slúžiť pre stanovenie pásma ochrany vodných zdrojov, pri posudzovaní skládkovania odpadov, pri ochrane životného prostredia... Zraniteľnosť podzemných vôd je možné vypočítať viacerými metódami. Aj keď sa tieto postupy veľmi podobajú, niektoré z nich majú svoje špecifické postupy, ktoré je vždy potrebné individuálne zvážiť pre konkrétne študované územie. Samotný výsledok tvorí bezrozmerná/nemerateľná veličina možnej/potenciálnej kontaminácie.

Výber z niekoľkých dostupných metód počítania zraniteľnosti podzemných vôd:

Metóda AVI (Van Stempvoort a kol., 1993)
Metóda DRASTIC (Aller a kol., 1987)
Metóda EPIK (Doerfliger, 1996)
Metóda GLA (Hölting a kol., 1995)
Metóda GOD (Foster, 1987)
Metóda PI (Goldscheider a kol., 2000)
Metóda ISIS (Civita a De Regibus, 1995)
Metóda SEEPAGE (Moore, 1989)
Metóda SINTACS (Civita a De Maio, 2000)
A ďalšie...

V tomto článku popíšem metódu DRASTIC, ktorá aj napriek vzniku v roku 1987 autormi Aller a kolektív patrí k najpoužívanejším metódam hodnotenia zraniteľnosti podzemných vôd vo svete. Táto metodika patrí k jednoduchým, ľahko použiteľným a čo je najdôležitejšie – všeobecne aplikovateľným metódam na ktorúkoľvek lokalitu. Pri tejto metóde je zohľadnené aj intenzívne poľnohospodárske využívanie krajiny a to vyššou váhou pri zvolených vstupoch.

Do výpočtu idú viaceré vstupné parametre, ktoré sú rozdelené na 7 základných faktorov.

D - Hĺbka hladiny podzemnej vody (Depth to ground water)
R - Infiltrácia / doplňovanie množstiev podzemnej vody (Recharge)
A - Litologický charakter zvodnenca (Aquifer media)
S - Charakter pôdy (Soil media)
T- Topografia / sklonitosť terénu (Slope)
I - Vplyv pásma prevzdušnenia / litológia nenasýtenej zóny (Saturated / Vados zone)
C - Priepustnosť/koeficient filtrácie (Conductivity)

Bližšia charakteristika vstupných parametrov.

 

D - Hĺbka hladiny podzemnej vody (Depth to ground water)

Vstupný parameter vyjadruje vzdialenosť hladiny podzemnej vody od povrchu v metroch. Je možné získať ho interpoláciou bodových meraní z vrtov a následne klasifikovať v zmysle tabuľky 1. Čím je hladina podzemnej vody hlbšie, tým je nižšia šanca na jej znečistenie z povrchu.

Váha (Weight) 5
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 5

Tabuľka 1: Hĺbka hladiny podzemnej vody / DRASTIC parameter D

Hĺbka hladiny podzemnej vody v metroch Hodnotenie (rating) Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
>30 1 5
22.5 - 30 2 10
15 - 22.5 3 15
9 - 15 5 25
4.5 - 9 7 35
1.5 - 4.5 9 45
0 - 1.5 10 50

Taktiež je možné tento údaj získať z dostupných portálov, serverov a databáz. Pre územie Slovenska napríklad: http://apl.geology.sk/gibges, pre územie Česka napríklad: http://portal.chmi.cz/aktualni-situace/hydrologicka-situace/stav-podzemnich-vod

 

R - Infiltrácia / doplňovanie množstiev podzemnej vody (Recharge)

Parameter vyjadruje množstvo infiltrovanej vody, ktorá preniká z povrchu až k spodnej vode. Ak údaj nie je dostupný môže sa parametricky použiť aj hodnota priemerného úhrnu ročných zrážok.

Váha (Weight) 4
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 4

Tabuľka 2: Infiltrácia / DRASTIC parameter R

Infiltrácia v mm / rok Hodnotenie (rating) Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
0 - 50 1 4
50 - 103 3 12
103 - 178 6 24
178 - 254 8 32
> 254 9 36

Taktiež je možné tento údaj získať z dostupných portálov, serverov a databáz. Pre územie Slovenska napríklad: http://www.shmu.sk, pre územie Česka napríklad: http://portal.chmi.cz. Množstvo infiltrovanej vody je možné získať ale aj kombináciou množstva spadnutých zrážok v mm, sklonitosti v % a priepustnosti pôdy podľa nasledovného vzorca (Piscopo, 2001) a podľa tabuľky 3.

R - infiltrácia = hodnota faktoru sklon (%) + hodnota faktoru zrážky+ hodnota faktoru priepustnosť pôdy

Tabuľka 3: Hodnoty sklonu, zrážok a priepustnosti a priradenie hodnotenia

Sklon v % Hodnota Zrážky v mm za rok Hodnota Priepustnosť pôdy / zrnitosť pôd Hodnota
< 2 4 > 850 4 Vysoká 5
2 - 10 3 700 - 850 3 Stredne vysoká 4
10 - 33 2 500 - 700 2 Stredná 3
> 33 1 < 500 1 Nízka 2
        Veľmi nízka 1

Maximálna hodnota R – infiltrácie je v zmysle tabuľky vyššie 13, minimálna 3. Výsledné hodnotenie infiltrácie pre modelovanie zraniteľnosti metódou DRASTIC je potom nasledovné:

Tabuľka 4: Výsledné hodnotenie a stanovanie parametra R

Vypočítaná hodnota R Hodnotenie
11 - 13 10
9 - 11 8
7 - 9 5
5 - 7 3
3 - 5 1

 

A - Litologický charakter zvodnenca (Aquifer media)

Údaje o hornine, ktorá tvorí zvodnenec je možné získať z geologických máp a následne informácie o type podložia klasifikovať v zmysle tabuľky 5. Čím je menšia veľkosť zrnitosti v hornine, tým je vyššia kapacita tlmenia prípadnej kontaminácie a znečistenia z povrchu do podzemnej vody.

Váha (Weight) 3
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 3

Tabuľka 5: Litologický charakter zvodnenca / DRASTIC parameter A

Typ horniny Hodnotenie (rating) Typické hodnotenie Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
Massive Shale 1 - 3 2 6
Metamorphic / Igneous 2 - 5 3 9
Weathered Metamorphic / Igneous, Thin Bedded Sandstone 3 - 5 4 12
Limestone Shale Sequences 5 - 9 6 18
Massive Sandstone 4 - 9 6 18
Massive Limestone 4 - 9 6 18
Sand and Gravel 6 - 9 8 24
Basalt 2 - 10 9 27
Karst Limestone 9 - 10 10 30

Tabuľka je prevzatá z pôvodnej metodiky publikovanej v roku 1987. V podmienkach Slovenska je možné použiť takéto hodnotenie – Tab. 6:

Tabuľka 6: Typ horniny a hodnotenie

Typ horniny Hodnotenie
Íl; hlina ílovitá; spraše 2
Hlinitá; prachovitá; prachovito-hlinitá 4
Hlinito-piesočnatá; piesčito-ílovito-hlinitá 6
Piesčitá; piesčito-hlinitá 8
Bez pôdneho pokryvu; krasový vápenec, čadič 10

Tento údaj sa dá získať z dostupných portálov, serverov a databáz. Pre územie Slovenska napríklad: https://www.geology.sk/geoinfoportal/mapovy-portal/geologicke-mapy, pre územie Česka napríklad portál: http://www.geology.cz/extranet/mapy/mapy-online/mapove-aplikace

 

S - Charakter pôdy (Soil Media)

Údaje pre vstup je možné získať z dostupných datasetov pôdnych máp. Charakteristiku pôdy je potrebné ďalej klasifikovať v zmysle tabuľky 7. Čím nižšia zrnitosť, tým je poskytnutá väčšia ochrana podzemných vôd.

Váha (Weight) 2
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 5

Tabuľka 7: Charakter pôdy / DRASTIC parameter S

Typ pôd Hodnotenie (rating) Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
Thin or Absent 10 20
Gravel 10 20
Sand 9 18
Shrinking and / or Aggregated Clay 7 14
Sandy Loam 6 12
Loam 5 10
Silty Loam 4 8
Clay Loam 3 6
Nonshrinking and Nonaggregated Clay 1 2

Tabuľka je prevzatá z pôvodnej metodiky publikovanej v roku 1987. V podmienkach Slovenska je možné použiť aj takéto hodnotenie – Tab. 8:

Tabuľka 8: Charakter pôdy / DRASTIC parameter S

Typ pôdy Hodnotenie
Ílovitá-hlinitá; prachovito-ílovitá; prachovito-ílovitá-hlinitá 2
Hlinitá; prachovitá; prachovito-hlinitá 4
Hlinito-piesočnatá; piesčito-ílovito-hlinitá 6
Piesčitá; piesčito-hlinitá 8
Bez pôdneho pokryvu 10

Tento údaj sa dá získať z dostupných portálov, serverov a databáz. Pre územie Slovenska napríklad: http://www.podnemapy.sk/default.aspx, pre územie Česka napríklad: https://mapy.vumop.cz

 

T- Topografia / sklonitosť terénu (Slope)

Sklonitosť terénu je možné vypočítať z DMR, pričom je potrebné údaje klasifikovať v zmysle tabuľky 9. Čím nižšia sklonitosť, tým je predpoklad zadržiavania vody na povrchu s možnosťou vsakovania do podzemných vôd vyššia. A opačne, čím je sklon vyšší, tým povrchová voda rýchlejšie odtečie a teda je nižšie riziko kontaminácie podzemnej vody.

Váha (Weight) 1
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 3

Tabuľka 9: Sklon / DRASTIC parameter T

Sklon terénu v % Hodnotenie (rating) Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
0 - 2 10 10
2 - 6 9 9
6 - 12 5 5
12 - 18 3 3
18 + 1 1

Digitálny model reliéfu Slovenska je dostupný na objednanie napríklad aj tu: https://www.geoportal.sk/sk/udaje/lls-dmr. Pre Česko je to napríklad tento portál: https://geoportal.cuzk.cz/(S(cqnuqjtjoeihtwdi015phvmq))/Default.aspx?mode=TextMeta&side=vyskopis&metadataID=CZ-CUZK-DMR5G-V&head_tab=sekce-02-gp&menu=302

DMR sa dá aj vytvoriť vektorizáciou z vrstevnicových máp (starý klasický spôsob, dnes už výnimočne používaný s ohľadom na súčasné možnosti), alebo použitím UAV zariadení a fotogrametriou, prípadne na väčšie plochy by sa dali využiť aj svetové DTM - https://gisgeography.com/free-global-dem-data-sources

 

I - Vplyv pásma prevzdušnenia / litológia nenasýtenej zóny (Saturated / Vados zone)

Údaje pre vstup je možné získať geologickým prieskumom, alebo využitím existujúcich geologických a litologických máp.

Váha (Weight) 5
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 4

Tabuľka 10: Litológia nenasýtenej zóny / DRASTIC parameter I

Litologický typ Hodnotenie(rating) Typické hodnotenie Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
Clay - silt 1 - 2 1 5
Silt 2 2 10
Shale 2 - 5 3 15
Limestone 2 - 7 6 30
Sandstone 4 - 8 6 30
Bedden limestone, Sandstone, Shale sand and Gravel with significant Silt and Clay 4 - 8 6 30
Clay–silt–sand 3 3 15
Silt–gravel 4 4 20
Sand clay 6 6 30
Metamorphic / Igneous 2 - 8 4 20
Sand and Gravel 6 - 9 8 40
Basalt 2 - 10 9 45
Karst Limnestone 8 - 10 10 50

Tabuľka je prevzatá z pôvodnej metodiky publikovanej v roku 1987. V podmienkach Slovenska je možné použiť takéto hodnotenie – Tab. 11:

Tabuľka 11: Litológia nenasýtenej zóny / DRASTIC parameter I

Typ pásma prevzdušnenia Hodnotenie
Íl; ílovitá hlina; spraše 2
Hlina; vulkanický tuf 4
Piesok; pieskovec; vápenec; dolomit 6
Štrk; štrkopiesok 8
Skrasovatený vápenec, kras 10

Tento údaj sa dá získať z dostupných portálov, serverov a databáz. Pre územie Slovenska napríklad: https://www.geology.sk/geoinfoportal/mapovy-portal/geologicke-mapy, pre územie Česka napríklad: http://www.geology.cz/extranet/mapy/mapy-online/mapove-aplikace

 

C - Priepustnosť/koeficient filtrácie (Hydraulic conductivity)

Parameter hovorí o vodopriepustnosti pôdy. Údaje je možné získať z pôdnych máp a je ich potrebné klasifikovať do tried v zmysle tabuľky 12.

Váha (Weight) 3
Váha (Weight) pri poľnohospodárskej činnosti 2

Tabuľka 12: Priepustnosť - koeficient filtrácie / DRASTIC parameter C

Priepustnosť / koeficient filtrácie [meter/deň] Hodnotenie(rating) Celkové skóre - Total weight (rating x weight)
0 - 4 1 3
4 - 12 2 6
12 - 28,5 4 12
28,5 - 40 6 18
40 - 81,5 8 24
81,5 + 10 30

Hodnotu priepustnosti uvádza aj nasledovná príloha, ktorá môže byť pomocná pri prevode typu pôdy na koeficient priepustnosti.

koeficient priepustnosti

Obrázok 1: Koeficient priepustnosti (zdroj: stavebnictvo.sk)

Každý z parametrov má svoju váhu od 1 - 5, podľa významnosti. Jednotlivé parametre s ich váhou nadobúdajú konkrétne hodnoty od 1 -10 (čiastkové zraniteľnosti)podľa významnosti v rámci daného parametru. Vyššie číslo DRASTIC indexu ukazuje väčšiu zraniteľnosť podzemných vôd znečistením z povrchu.

Táto metodika zohľadňuje aj plochy s intenzívnou poľnohospodárskou činnosťou, na ktorých môžu jednotlivé parametre nadobúdať iné hodnoty. Pri takto pripravených vstupoch je výpočet DRASTIC indexu už pomerne jednoduchý. Ide o štandardné sčítanie bodov v súčte vážených hodnôt jednotlivých tried / faktorov. Index DRASTIC nezohľadňuje existujúce kontaminujúce aktivity v skúmanom území.

Výsledná rovnica pre výpočet zraniteľnosti podzemných vôd má tvar:

DI = DW.DR + RW .RR + AW.AR + SW.SR + TW.TR + IW.lR + CW.CR

DI – DRASTIC Index
D, R, A, S, T, I, C – Parametre metódy DRASTIC, popísané vyššie
Dolný index W – váha parametra (Weight)
Dolný index R – hodnotenie parametra (Rating)

Takýto model je možné vytvoriť napríklad v prostredí ArcMap nakladaním jednotlivých vrstiev na seba (overlay). Vrstvy je potrebné mať v rastrovom formáte. Pokiaľ ako vstup máme len bodové hodnoty z rôznych meraní, pomocou interpolačnej metódy Kriging je možné vytvoriť požadovaný raster pre celú plochu skúmaného územia. Schéma výpočtu zraniteľnosti podzemných vôd:

Schéma výpočtu zraniteľnosti podzemných vôd

Obrázok 2: Schéma výpočtu zraniteľnosti podzemných vôd (zdroj: https://file.scirp.org/Html/1-9401389_16396.htm)

 

Výsledná reklasifikácia modelu DRASTIC môže byť stanovená v zmysle nasledovnej tabuľky 13:

 

Tabuľka 13: Výsledná reklasifikácia modelu DRASTIC

DRASTIC index Hodnotenie Farebná schéma
0 - 79 Extremely low Violet
80 - 99 Very low Indigo
100 - 119 Low Blue
120 - 139 Moderate low Dark Green
140 - 159 Moderate high Light Green
160 - 179 High Yellow
180 - 199 Very high Orange
200 - viac Extremely Red

Vyššie uvedená tabuľka 13 vychádza z pôvodnej metodiky. Prípadne je možná aj klasifikácia na 5 tried zraniteľnosti podzemnej vody.

 

Tabuľka 14: Výsledná reklasifikácia modelu DRASTIC na 5 hodnôt

DRASTIC index Hodnotenie
0 - 90 Veľmi nízke
90 - 125 Nízke
125 - 160 Stredné
160 - 195 Vysoké
195 - viac Veľmi vysoké

 

Ukážka spracovania modelu zraniteľnosti podzemných vôd v softvérovom prostredí ArcMap

Vstupné podklady pre výpočet tvoria čiastkové zraniteľnosti v rastrovom formáte, kde každý pixel nesie hodnotu v zmysle DRASTIC metodiky - Celkové skóre, resp. Total weight (rating x weight). Ukážka vstupných rastrov pre zvolené modelové územie je na obrázku 3 nižšie.

Ukážka vstupných rastrov

Obrázok 3: Ukážka vstupných rastrov

Výsledný výpočet je spravený iba sčítaním čiastkových modelov pomocou rastrovej kalkulačky

Výpočet pomocou rastrovej kalkulačky

Obrázok 4: Výpočet pomocou rastrovej kalkulačky

Model DRASTIC, bez reklasifikácie

Obrázok 5: Model DRASTIC, bez reklasifikácie

Na záver je potrebné raster reklasifikovať podľa tabuľky č. 13, alebo 14 v zmysle metodiky.

Reklasifikácia modelu

Obrázok 6: Reklasifikácia modelu

Model DRASTIC, reklasifikovaný

Obrázok 7: Model DRASTIC, reklasifikovaný

Model DRASTIC, reklasifikovaný

Obrázok 8: Model DRASTIC, reklasifikovaný + doplnené kartografické údaje

Pre lepšiu interpretáciu dosiahnutých výsledkov je častokrát vhodné vypočítaný model vizualizovať v 3D zobrazení študovaného územia so zobrazením základných prvkov, ako toky, intravilán, prípadne cesty, kóty a ďalšie polohopisné značky...

V článku vyššie som popísal postup modelovania zraniteľnosti podzemných vôd pre bližšie nešpecifikované územie s použitím reálnych vstupných údajov. Ak riešite podobnú tému a výpočet takéhoto modelu a potrebujete konzultácie, alebo priamo spracovateľa, napíšte mi na jeden z kontaktných údajov.

ALLER, L., BENNET, T., LEHR, J.H., PETTY, R.J. 1987: DRASTIC: a standardised system for evaluating groundwater pollution potential using hydrologic settings. U.S. EPA, Robert S. Kerr Environmental Research Laboratory, Ada, OK, EPA/600/2-85/0108, 163 p.

CIVITA, M. & DE MAIO 2000: SINTACS R5, a new parametric system for the assessment and automating mapping of groundwater vulnerability to contamination. Pitagora Editor (Bologna).

CIVITA, M., DE REGIBUS, C. 1995: Sperimentazione di alcune metodologie per la valutazione della vulnerabilità degli acquiferi. Atti 2° Conv. Naz. “Protezione e Gestione delle Acque Sotterranee: Metodologie, Tecnologie e Obiettivi” Modena, 17-19 May, 1995 (Pubbl. n. 1182 GNDCI).

DOERFLIGER, N. 1996: Advances in karst groundwater protection strategy using artifi-cial tracer tests analysis and multiattribute vulnerability mapping (EPIK method). Thesis presented to the Faculty of Sciences of the Neuchâtel Univer-sity for the obtention of the title of Docteur és sciences, University of Neuchâtel (Switzerland) - Faculty of Sciences, 308 p.

FOSTER, S.S.D. 1987: Fundamental concepts in aquifer vulnerability, pollution risk and protection strategy. Vulnerability of Soil and Groundwater Pollutants, W. Van Duije.

GOLDSCHEIDER, N., KLUTE, M., STURM, S., HÖTZL, H. 2000: The PI method – a GIS-based approach to mapping groundwater vulnerability with special consideration of karst aquifers. Z. angew. Geol., 46, 3, pp. 157-166, Hannover.

HÖLTING, B., HAERTLÉ, T., HOHBERGER, K.H., NACHTIGALL, K.H., VILLINGER, E., WEINZIERL, W., WROBEL, J.P. 1995: Konzept zur Ermittlung der Schutzfunktionen der Grundwasserüberdeckung. Geol. Jb., C 63, pp. 5-24, Hannover.

MOORE, J.S. 1989: SEEPAGE: A system for early evaluation of the pollution potential of agricultural ground water environments. U.S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service, Geology Technical Note 5 (revision 1), 23 p.

Piscopo, G. (2001) Ground water vulnerability map, explanatory notes, Castlereagh Catchment, NSW, Department of Land and Water Conservation, Australia, 2001; http://www.water.nsw.gov.au/__data/assets/pdf_file/0008/549377/quality_groundwater_castlereagh_map_notes.pdf

VAN STEMPVOORT, D., EVERT, L., WAAENAAR, I. 1993: Aquifer Vulnerability Index: A GIS compatible method for groundwater vulnerability mapping. Canadian Water Ressources Journal, 18, pp. 25 - 37.

Y. Alwathaf and B. Mansouri, "Assessment of Aquifer Vulnerability Based on GIS and ARCGIS Methods: A Case Study of the Sana’a Basin (Yemen)," Journal of Water Resource and Protection, Vol. 3 No. 12, 2011, pp. 845-855. doi: 10.4236/jwarp.2011.312094 - https://file.scirp.org/Html/1-9401389_16396.htm


Doplnkové internetové zdroje:

http://www.bioline.org.br/pdf?st15273

https://www.researchgate.net/figure/Seven-layers-of-DRASTIC-model-a-Depth-of-Water-b-Recharge-c-Aquifer-media-d-Soil-e_fig2_270569653

https://link.springer.com/article/10.1007/s40808-015-0009-2

https://www.researchgate.net/publication/323919632_Assessment_of_Groundwater_Vulnerability_in_Upper_Betwa_River_Watershed_using_GIS_based_DRASTIC_Model/link/5bf2611692851c6b27c976e9/download

https://www.researchgate.net/publication/323919632_Assessment_of_Groundwater_Vulnerability_in_Upper_Betwa_River_Watershed_using_GIS_based_DRASTIC_Model/link/5bf2611692851c6b27c976e9/download

https://books.google.sk/books?id=UrTEoGnVlkEC&printsec=frontcover&source=gbs_ViewAPI&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false

https://docplayer.net/36262594-Groundwater-resources-the-drastic-method-and-applications-in-jordan-siham-bataineh-christina-curtis-and-ma-in-zaid-alghwazi.html

http://courses.washington.edu/cejordan/SbCcMa_Presentation.pdf

https://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Cave_Kungurskaya_lake_0135.JPG

Pridať komentár k článku