Wieloletnie wahania zwierciadła wód podziemnych a projektowanie instalacji ATES

Anna Mikołajczyk, Jolanta Cabalska, Agnieszka Felter, Dorota Palak-Mazur, Anna Kuczyńska, publ. grudzień 2024

Analiza wykresów danych pomiarowych pokazuje, że na wahania o charakterze rocznym czy sezonowym nakładają się wahania wieloletnie. W wodach o zwierciadle swobodnym należy spodziewać się różnych położeń wód podziemnych, a w wodach o zwierciadle napiętym różnych ciśnień w poziomie wodonośnym – w zależności od momentu cyklu, w którym pomiar jest wykonywany. Informacje te powinny być brane pod uwagę na etapie projektowania instalacji ATES. Wartości archiwalne nie muszą w pełni odpowiadać wartościom z przyszłości, szczególnie w świetle zachodzących zmian klimatycznych lub zmian związanych z antropopresją (m.in. leje depresji spowodowane dużymi ujęciami wód podziemnych, odwodnienia na potrzeby eksploatacji górniczej w tym piaskowni, żwirowni itp.). Przy długookresowych ekstremalnych warunkach pogodowych wahania sezonowe przestają być widoczne.

Monitoring wód podziemnych w zakresie obserwacji wahań zwierciadła i wydajności źródeł prowadzony jest w Państwowym Instytucie Geologicznym – Państwowym Instytucie Badawczym (PIG-PIB) od lat 70. XX wieku, a w niektórych punktach dane pomiarowe dostępne są od lat 60. XX wieku (Przytuła E., Mikołajczyk A. i in., 2019).

Analiza wykresów danych pomiarowych pokazuje, że na wahania o charakterze rocznym czy sezonowym nakładają się wahania wieloletnie. W przeprowadzonej analizie, uwzględniono cały okres obserwacji (Zał. 1). W pokazanych poniżej przykładowych wykresach wahań zwierciadła wody w punktach sieci obserwacyjno-badawczej wód podziemnych zachowano numerację punktów wg monitoringu stanu ilościowego JCWPd. Przy długookresowych ekstremalnych warunkach pogodowych wahania sezonowe przestają być widoczne (Rys. 1).

W wodach o zwierciadle swobodnym należy spodziewać się różnych położeń wód podziemnych, a w wodach o zwierciadle napiętym różnych ciśnień w poziomie wodonośnym – w zależności od momentu cyklu, w którym pomiar jest wykonywany. Informacje te powinny być brane pod uwagę na etapie projektowania instalacji ATES. Wartości archiwalne nie muszą w pełni odpowiadać wartościom z przyszłości, szczególnie w świetle zachodzących zmian klimatycznych lub zmian związanych z antropopresją (m.in. leje depresji spowodowane dużymi ujęciami wód podziemnych, odwodnienia na potrzeby eksploatacji górniczej w tym piaskowni, żwirowni itp.).

Ocena stanu jednolitych części wód podziemnych w dorzeczach – stan na rok 2022 w części poświęconej analizie położenia zwierciadła wody podziemnej wykazała, że w wielu rejonach kraju ostatnie najwyższe stany wód podziemnych notowano, po okresie suszy z lat 2015–2016, w 2018 roku (Palak-Mazur i in., 2023). W Polsce północnej i północno-zachodniej od tego momentu notowano obniżanie się zwierciadła wód podziemnych, które zostało lekko zahamowane w 2024 roku.

Po uwzględnieniu dwóch warunków brzegowych przyjętych dla ATES przy ocenie możliwości magazynowania energii cieplnej w poziomach wodonośnych, tj. porowy charakter warstw wodonośnych i głębokość nawierconego zwierciadła wody nie mniejsza niż 10 m, z aktualnie obserwowanych punktów monitoringowych PIG-PIB wybrano 407 spełniających powyższe warunki. Spośród nich 75 punktów monitoringowych ujmuje wody o zwierciadle swobodnym (Rys. 2).

O tym, w którym momencie cyklu dany punkt się aktualnie znajduje informacji może dostarczyć strefa stanów, którą określa się na podstawie wartości statystycznych z danego wielolecia dla konkretnego punktu (Rys. 3):

  • strefa stanów wysokich obejmuje najwyższe zaobserwowane stany w przyjętym reprezentatywnym wieloleciu (tu: 1991–2020); dolną granicę tej strefy stanów wyznacza się według wzoru: (WGW + SGW)/2 (górna czerwona linia na przykładowym wykresie), przy czym stan równy tej dolnej granicy stanów należy również do strefy stanów wysokich;
  • strefa stanów średnich obejmuje stany w zakresie między dolną granicą stanów wysokich i górną granicą stanów niskich;
  • strefa stanów niskich obejmuje najniższe zaobserwowane stany w przyjętym reprezentatywnym wieloleciu (tu: 1991–2020); górną granicę tej strefy stanów wyznacza się według wzoru: (SGW + NGW)/2 (dolna czerwona linia na przykładowym wykresie), przy czym stan równy tej górnej granicy stanów należy również do strefy stanów niskich.

WGw - stan najwyższy w reprezentatywnym wieloleciu (najmniejsza w ww. wieloleciu wartość głębokości położenia zwierciadła wody podziemnej);

SGW - stan średni w reprezentatywnym wieloleciu – średnia arytmetyczna z wszystkich cotygodniowych pomiarów głębokości zwierciadła wody w reprezentatywnym wieloleciu;

NGW - stan najniższy w reprezentatywnym wieloleciu (największa w ww. wieloleciu wartość głębokości położenia zwierciadła wody podziemnej.

                                            

 rys1 wahania wykresy male

 

Rys. 1. Przykładowe wykresy zmian położenia
zwierciadła wody podziemnej w czasie,
punkty monitoringowe ujmujące wody
o zwierciadle swobodnym linia granatowa –
pomiary manualne; linia fioletowa pomiary automatyczne

 

Podstawowe informacje statystyczne, dotyczące punktów monitoringowych, znaleźć można w wydawanych od 2003 roku Rocznikach Hydrogeologicznych (Kazimierski B. (red), 2003–2014; Sadurski A. (red), 2015–2018; Woźnicka M. (red), 2018–2024) oraz Kwartalnych Biuletynach Informacyjnych Wód Podziemnych (Kazimierski B. (red), 2003–2014; Sadurski A. (red), 2015–2018; Woźnicka M. (red), 2018–2024), które dostępne są na stronie www PIG-PIB w zakładce materiały informacyjne: https://www.pgi.gov.pl/psh/materialy-informacyjne-psh.html .
 
Załącznik  tabelaryczny Punkty monitoringu stanu ilościowego JCWPd do pobrania.
 
W załączeniu zestawienie z 407 punktami aktualnie obserwowanymi w monitoringu stanu ilościowego JCWPd (stan na listopad 2024 r.) i spełniającymi wyżej wymienione warunki. Załącznik zawiera:
  • podstawowe informacje o punktach monitoringowych wraz z przyporządkowaniem do jednostek administracyjnych, jednolitych części wód podziemnych (JCWPd) i mezoregionów fizycznogeograficznych – podział według Regionalnej geografii fizycznej Polski (Richling i inni, 2021);
  • strefy stanów z lat hydrologicznych 2014–2024 obliczane na podstawie wielolecia 1991–2020;
  • informacje o maksymalnych i minimalnych odczytach głębokości zwierciadła wody podziemnej, mierzonych od powierzchni terenu [m] dla poszczególnych 407 punktów monitoringowych z całego okresu obserwacji wraz informacją, w których miesiącach i latach dane wartości zostały zaobserwowane.
Należy podkreślić, że najbardziej wiarygodne, przy analizie stref stanów wód podziemnych, są punkty, które mają pomiary z całego okresu, w stosunku do którego są liczone strefy stanów (tu: wielolecie 1991–2020). W tabeli widać suszę z lat 2015–2017, zwiększone zasilanie poziomów wodonośnych w 2018 oraz suszę z lat 2020–2023.
 
Przy projektowaniu instalacji ATES trzeba uwzględnić, że w przypadku zwierciadła swobodnego woda razem z ciepłem może uciec. Punkty monitoringu wód podziemnych, zamieszczone w tabeli mają amplitudę wahań z całego okresu obserwacji od 0,34 do 8,52 m i wartości te mogą zostać przekroczone. Z tego powodu sugerowane zafiltrowanie otworów ATES powinno być realizowane w niższych partiach poziomu wodonośnego, tak aby zmiany wieloletnie nie odsłoniły strefy zafiltrowania.
 
W przypadku zwierciadła napiętego przy wyższym ciśnieniu w poziomie wodonośnym potrzebna będzie większa energia do zatłaczania wody, za to wydajność będzie większa. – Punkty monitoringu wód podziemnych, zamieszczone w tabeli mają amplitudę wahań z całego okresu obserwacji od 0,33 do 52,05 m i wartości te mogą zostać przekroczone. Należy jednak podkreślić, że maksymalne wartości notowane są w punktach pod wpływem antropopresji lub jej ustaniem. Bez wartości ekstremalnych związanych z antropopresją notowano zakres wahań w przedziale 0,33–9,97 m.
 
Stąd tak ważne jest na etapie projektowania rozpoznanie czy w rejonie branym pod uwagę przy instalacji ATES nie znajdują się czynne ujęcia wód podziemnych lub obszary górnicze, aktualnie eksploatowane lub projektowane.
 
Opracowano na podstawie danych uzyskanych w ramach zadań państwowej służby geologicznej realizującej zadania określone w ustawie Prawo wodne (do 2023 r państwowej służby hydrogeologicznej).

 rys2 wahania mapka mala

 

Rys. 2. Położenie punktów monitoringu stanu ilościowego JCWPd, spełniających wybrane warunki, na tle obszarów uwzględnionych na mapie waloryzacji ATES (Konieczyńska i in., 2024)

  rys3 wahania strefy stanow male1

Rys. 3.   Przykładowy wykres zmian położenia głębokości zwierciadła wody podziemnej w czasie z naniesionymi czerwonym kolorem granicami stref stanów wahań wód na przykładzie jednego z punktów monitoringowych sieci obserwacyjno-badawczej PIG-PIB; strefa stanów niskich – kolor tła pomarańczowy; strefa stanów średnich – kolor tła zielony; strefa stanów wysokich – kolor tła niebieski; objaśnienia symboli w tekście.