Zdeněk Herrmann1), Robert Michek1), Petr Martínek2)
1)AQUATEST a.s., Geologická 4, 152 00 Praha 5
E-mail: Aquatesthk@wo.cz
2)Povodí Labe s.p., Víta Nejedlého 951, 500 03 Hradec Králové
Decision support system (DSS) for instant information about groundwater yield, its recent depletion and remaining resources for additional use was build using the MapInfo GIS platform. Such a DSS gives up-to-date information for decision-making about planned groundwater use and its impact on the surroundings.
The DSS is adjusted in such a way that it analyses all of the geological units and aquifers present for a cursor chosen point locality. It calculates the sum of recent groundwater pumping in the relevant aquifer bloc and correlates this sum with the aquifer yield. Difference between the pumping volume and the safe yield is the amount of groundwater available for additional withdrawal.
To work in this way the DSS has a structure of layers very similar to arrangement of geological layers in nature, and represents kind of a virtual model of geological structure. This unique solution gives the opportunity to visualise not only common geological map, but also any type of revealed geological map on PC monitor.
Pro zjištění informací o stavu zásob podzemních vod a úrovni jejich stávajícího využití v povodích Horního Labe a Orlice (OBR.1) byl sestaven a v podniku Povodí Labe Hradec Králové implementován geografický informační systém na platformě MapInfo, propojený s účelovými databázemi. Systém umožňuje zpracování aktuálních informací pro rozhodování o povolení nových odběrů podzemní vody a jejich vazeb na okolí. Tato nadstavba nad geografický informační systém, ve které jsou shromážděny relevantní informace k provedení potřebných analýz (bilancí) je označována jako DSS (Decision Support Systém) - nástroj na podporu rozhodování (Krejčík - Vaněček 1999).
Systém je nastaven tak, aby pro zvolenou lokalitu analyzoval základní geologické jednotky a přítomnost kolektorů podzemních vod. Ve zvoleném kolektoru pak porovná velikost zásob podzemních vod s velikostí dosud realizovaných odběrů. Rozdíl vyjadřuje velikost nevyužitých disponibilních zásob podzemních vod v relevantním dílčím bloku kolektoru.
OBR.1 Mapové schéma povodí Horního Labe 1-01 a Orlice 1-02
Pomineme-li technickou problematiku HW a SW vybavení a problematiku digitálního topografického podkladu, spadá sestavení DSS do tří základních problémových okruhů. První krok představuje definování existence propustných geologických těles a jejich rozsah. V druhém kroku jsou v kolektoru či jeho dílčí části stanoveny dynamické zásoby podzemní vody na základě výměrů KKZ a výsledků hydraulických modelů. Třetím krokem je sestavení lokální bilance podzemních vod na základě databázového dotazu.
Digitalizované podklady o rozsahu a strukturních poměrech hlavních kolektorů byly převzaty z hydrogeologických map archivu společnosti Aquatest a. s. v měřítku 1:50 000. Jednotlivé informační vrstvy GIS s geologickou tematikou jsou sestaveny unikátním způsobem, který je obdobou geologické stratigrafie - časové a prostorové sekvence vrstev. Geologická mapa na monitoru PC není mapou polygonů výchozů jednotlivých vrstev, ale výsledkem vzájemného překrývání vrstev od nejstarších krystalických hornin, přes permské a křídové sedimenty po kvartérní fluviální náplavy.
Obraz na monitoru je obdobný geologické mapě, ale má vyšší informační hodnotu, neboť při kliknutí kursoru zobrazí v příslušné lokalitě celou sekvenci přítomných geologických vrstev. Uspořádání informačních vrstev se tedy dá chápat jako virtuální model geologické stavby. Vypínáním geologických informačních vrstev od vrchu se postupně odhalují zakryté, níže ležící geologické vrstvy a zobrazená geologická mapa přechází do mapy odkryté (viz OBR.2).
Propustnost a zvodnění geologických vrstev jsou v informačním systému vyjádřeny přítomností či absencí kolektorů. Výskyt podzemní vody v málo propustných až nepropustných horninách, tedy krystaliniku, permských sedimentech a křídových izolátorech, je vázán na mělkou přípovrchovou zónu periglaciálně rozvolněných puklin a zvětralinového pláště. Tato zóna v geologickém prostředí, tvořícím tzv. "hydrogeologický masiv", je v GIS vyjádřena jako kolektor přípovrchové zóny PZ. Základními vlastnostmi přípovrchové zóny jsou - malá statická zásoba a směr proudění podzemní vody konformní s povrchem terénu. Množství podzemních vod charakterizuje specifikum podzemního odtoku (q - l/s.km2).
Dobře propustné horniny se vyskytují jednak ve vrstevním sledu křídových sedimentů a jednak jako říční kvartérní náplavy podél vodních toků. Oba typy hornin skládají vrstevní kolektory, které pokud jsou nasyceny podzemní vodou, tvoří hydraulicky spojitou nádrž podzemní vody. Pro označování křídových kolektorů byl využit užívaný systém, kdy jsou kolektory značeny odspoda písmeny A, B, C (příp. Ca - Cb) a D (Herčík - Herrmann - Valečka 1999). Kvartérní fluviální sedimenty, kterými jsou jak štěrkopísky údolní terasy, tak i vyšších terasových stupňů, tvoří kolektor Q. V závislosti na místních hydrogeologických podmínkách může být v lokalitě přítomen pouze jeden, nebo i více kolektorů.
V ukloněných dobře propustných křídových kolektorech jsou rozlišeny dva odlišné úseky zvodnění. Úseky stoku podzemních vod s časově variabilními proudy podzemních vod ve strukturně vyzdvižených (antiklinálních) částech. Úseky nádrže s hydraulicky spojitým zvodněním jsou lokalizovány ve strukturně zakleslých částech kolektorů - podél os synklinál.
OBR.2 Kolektor B (bělohorské souvrství)
Kvartérní kolektory složené z fluviálních náplavů jsou rozčleněny na údolní terasu a vyšší terasové stupně. Údolní aluviální terasa je obvykle zvodněna v hydraulické spojitosti s povrchovou vodou v řece. Vyšší terasové stupně jsou uspořádány schodovitě a vytvářejí mozaiku jednotlivých drobných nádrží. Informační systém je neúměrně zkomplikován dělením kvartérních kolektorů do hydrogeologických rajonů SVP 1985, kdy ve snaze nepřipustit překryv kvartérních a křídových rajonů byly kvartérní rajony vymezeny bez ohledu na rozsah kvartérních kolektorů a jejich systémy proudění podzemní vody.
Pro bilancování zásob podzemních vod je nezbytné v jednotlivých kolektorech stanovit dynamické množství podzemní vody - přírodní zdroje a dále z přírodních zdrojů odvodit množství vody které je možné bez velkých negativních vlivů na přírodní prostředí odebírat - využitelné zásoby.
Velikost přírodních zdrojů a využitelného množství podzemních vod byla ve většině kolektorů stanovena "regionálním hydrogeologickým průzkumem". Výsledky průzkumu byly oponovány státní komisí pro zásoby nerostných surovin (dříve KKZ - Komise pro klasifikaci zásob při vládě ČSR, nyní odbor geologie na MŽP ČR).
Bilancování množství podzemních vod v jednotlivých blocích kolektoru bylo provedeno na základě dokumentace hydraulických modelů AQUIFEM sestavených v rámci hydrogeologických syntéz. Jako dominantní informace byly využity simulované odtoky do jednotlivých recipientů, jako vedlejší parametr byla využita plocha bloku. Bloky vrstevních kolektorů křídy a kvartérních náplavů mají takto stanovené (rozpočítané) přírodní zdroje a využitelné zásoby. Množství podzemních vod v přípovrchové zóně PZ je vyjádřeno velikostí podzemního odtoku z 1 km2.
Velikost odběrů podzemní vody v jednotlivých lokalitách je součástí již existujícího informačního systému podniku Povodí Labe Hradec Králové.
Bilanci zásob podzemních vod provede GIS automaticky zpracováním dotazu (query) v rámci jednotlivých bloků vrstevních kolektorů. Dotazem na konkrétní blok virtuálního kolektoru je aktivována databáze zásob podzemních vod a databáze registrovaných odběrů. Porovnáním zjištěných dat je stanovena velikost volných (disponibilních) zásob podzemních vod.
Základní architektura informačního systému a propojení databází a informačních vrstev bylo popsáno výše. Po kliknutí kursorem na vybrané lokalitě se v dialogovém okně otevře ovladač vrstev, kde jsou znázorněny všechny zastižené informační vrstvy. Vrstvy s geologickým obsahem jsou řazeny stratigraficky, jako virtuální model geologické stavby. Po následném kliknutí na vybranou vrstvu se v dialogovém okně otevře popis objektů a jejich atributů.
Pro bilanci podzemních vod v bilančním bloku vrstevního kolektoru je pro každý bilanční blok sestaven dotaz (query). Název dotazu je identický s kódem nádrže bilancovaného bloku. Po vyvolání dotazu se otevře dialogové okno, ve kterém se zobrazí celkové přírodní zdroje, využitelné zásoby, celkové odběry a volné zdroje pro vybraný blok nádrže podzemní vody (OBR.3).
OBR.3 Struktura informačního systému
Předdefinovaná editace vrstev - workspace a dotazů není konečná. Sestavený GIS dovoluje tvorbu vlastních dotazů, definování workspace i případné propojení s dalšími databázemi uživatele. Samozřejmostí je možnost editace, exportu a importu různých vrstev tak, aby jejich syntéza a následná analýza plně sloužily jako DSS pro racionální rozhodování ve vodohospodářské problematice. V tomto prostředí je též možné propojení evidence odběrů v GIS/DSS s účelovou databází odběrů podzemních vod podniku Povodí Labe. Toto propojení umožňuje využít při SQL dotazech i položky, které nejsou standardně importovány v GIS/DSS, ale mohou být propojeny pomocí ODBC.
Presentovaný GIS / DSS bilance podzemních vod v povodí horního Labe a Orlice úspěšně využívá podnik Povodí Labe pro racionální správu a využívání podzemních vod. Celý systém se účelně doplňuje a rozšiřuje dle přání uživatele. Sestavený systém přináší mnoho dalších informací a uživateli umožňuje: