Numerical modelling of the southeastern Vombsänkan. Groundwater levels, water budget and changed groundwater recharge.

Abstract

Vombsänkan is one of the largest groundwater aquifers in Sweden, it can be divided into a
southeastern part with a limestone aquifer and a northwestern part with an aquifer in soil. The
limestone aquifer is confined, since it’s overlain by low-permeability soils. All wells for irrigation and
municipal purposes are drilled into the limestone rock. The goal is to establish a hydraulic
groundwater model for the southeastern Vombsänkan. The aquifer faces challenges related to climate
change and population growth. A decrease in groundwater recharge is anticipated, accompanied by a
potential increase in irrigation demand. A future climate is expected to lead to increased competition
for freshwater resources. Permitted groundwater extractions will need to be re-evaluated, and
additional permits may be required to address emerging challenges. The purpose of the groundwater
model is to evaluate water balances and groundwater levels under present condition, and to project
potential changes under future climate conditions. Climate scenarios RCP8.5 is used to consider the
effect of changed groundwater recharge. The groundwater model is established based on a
hydrogeological conceptual model, which serves as the foundation for the numerical model developed
in GMS MODFLOW. The numerical model will be calibrated and verified to ensure an accurate
representation of the actual aquifer.

The limestone rock aquifer is bounded by the coastline, a ridge and fault zones. These establish the
model's boundary conditions, with the coastline serving as a constant head boundary, and the ridge and
fault zones functioning as impermeable boundaries. The soil profile is simplified into an upper
permeable layer overlying a less permeable layer. Additionally, the limestone rock is simplified to be
represented by a single layer. A cell system is adapted to these three material layers, additional zones
are used to account for deviations within each layer.

The model is calibrated and verified under steady-state conditions using observed groundwater levels
from April 2018. The calibration involves an iterative procedure in which various parameter values are
adjusted in the model until the calibration criteria are satisfied. The model is also verified under
steady-state conditions against disturbed scenarios during the mid-season of 2016. Calibration results
exhibit a high level of agreement between observed and simulated groundwater levels. The overall
error within the model remains well below the calibration target of approximately one meter. The
calibration reveals a pronounced sensitivity towards assigned value on the limestone rock. Minor
adjustments in hydraulic conductivity have a significant impact on the calibration results. Both
verifications result in small errors, well within the verification target.

Three steady-state simulations have been conducted with groundwater withdrawals for municipal use
and irrigation activities. What sets these simulations apart are the recharge conditions. Reduced
groundwater recharge results in lowered groundwater levels and a redistribution of groundwater
balances. The simulations indicate that climate scenarios have a substantial impact on the aquifer,
potentially resulting in decreased groundwater availability. The model relies on multiple
simplifications and assumptions, as a result, precise determination of groundwater levels under future
climate scenarios remains uncertain. A less sensitive model could be achieved by subdividing the
limestone into more layers. A more precise model could be developed by using a transient approach to
capture demand driven extractions and other seasonal variations.

Popular Abstract (Swedish)

Vombsänkan är en av Sveriges största grundvattenförekomster, den sträcker sig från utkanten av Lunds kommun i norr till kusträckan längs med Ystad kommun i söder. Med anledning av att grundvattentillgången är god i Vombsänkan, utgör detta magasin en samhällsviktig resurs i syfte att förse stora delar av Skånes befolkning med dricksvatten. Grundvattnet förser även jordbrukare med bevattningsmöjligheter, i synnerhet i de sydöstra delarna av Vombsänkan där det finns mycket jordbruksmark. Vombsänkan kan delas upp i en nordvästlig och en sydöstlig del med avseende på geologiska karaktärsdrag. Den nordvästliga delen domineras av mäktiga grusavlagringar som står i kontakt med markytan. Dessa vattenförande lager bildar en öppen akvifer. Den sydöstra delen domineras av mäktig kalkberggrund som inte är i kontakt med markytan, eftersom berget överlagras av täta jordlager. Dessa bromsar upp grundvattenbildningen och hindrar infiltrerande vatten att nå berggrunden, kalkbergsakviferen är därmed sluten. Det finns tillståndsgivna grundvattenuttag i den sydöstra delen av Vombsänkan, brunnarna är borrade ner i kalkberget i syfte att leverera färskvatten till kommunala ändamål liksom till jordbruksverksamhet.

Grundvattenförekomsten i den sydöstra delen av Vombsänkan står inför flera utmaningar. Klimatförändringar riskerar att minska grundvattenbildningen samtidigt som efterfrågan på färskvatten ökar till följd av en prognostiserad befolkningstillväxt och ett klimat som förväntas att bli varmare. Nuvarande uttag kommer att behöva omprövas samtidigt som det finns ett behov av att söka fler uttag för att möta de framtida utmaningarna. Risken finns därmed för en ökad konkurrens om grundvattnet.

Genom att upprätta en hydraulisk grundvattenmodell över den sydöstra Vombsänkan kan nuvarande liksom framtida förutsättningar undersökas. Modelleringen syftar till att studera grundvattennivåer och vattenbalanser inom ramen för nuvarande förutsättningar samt hur de kan påverkas av ett förändrat klimat genom att nyttja klimatscenario RCP8,5. Klimatscenariot tar hänsyn till ökad medeltemperatur samt förändrad nederbörd. Scenariot tar dock inte hänsyn till hur färskvattenbehovet förväntas att öka till följd av en befolkningstillväxt samt ett förändrat klimat.

En hydraulisk grundvattenmodell utformas genom att ta fram en konceptuell modell som redogör för olika förutsättningar kring geologiska lagers utbredning och egenskaper. Detta omvandlas till en numerisk modell i programpaketet GMS MODFLOW. Modellen skall köras i ”steady-state”, det vill säga vid stationära förhållanden. Detta är representativt för genomsnittsvärden vid en lång tidshorisont och innebär att modellen ställer in sig efter en jämvikt. I syfte att skapa en tillförlitlig modell kalibreras och verifieras modellen mot observerade grundvattennivåer i området. Kalkbergsakviferen begränsas av kustlinjen i söder, en ås i norr samt flera förkastningszoner, detta skapar randvillkoren i den numeriska modellen. Om grundvattenytan stiger högre än havsnivån dräneras vatten ut i havet, utöver detta dräneras även vatten ur modellen genom en ytavrinning. Kalkberget gränsar för det mesta mot impermeabla bergarter längs med förkastningszonerna, inget grundvattenflöde kan därmed ske över dessa gränser.

Den numeriska modellen byggs med tre olika lager, detta överensstämmer med tre olika geologiska lager. Två tunnare lager av jord samt ett mäktigt för kalkberget. Stora förenklingar görs i modellens geologiska uppbyggnad, eftersom man inte kan ta hänsyn till lokala avvikelser i en regional modell. Generella avvikelser kan dock ha en stor påverkan på grundvattenbildningen och grundvattenrörelserna i kalkberget. För att ta hänsyn till dessa avvikelser, delas vardera lager upp i ytterligare zoner.

Vardera lager och zon utgör ett område i modellen, detta nyttjas i kalibreringen genom att ansätta ett hydrauliskt värde på respektive område. Detta görs iterativt tills att man uppfyller ett kalibreringsmål som anger hur stort fel som accepteras mellan simulerade och observerade värden på grundvattennivå. Tre simuleringar utförs med samma grundvattenuttag, det som skiljer dessa simuleringar åt är grundvattenbildningen. En under normala förutsättningar och två som avser ett förändrat klimat. Simuleringarna visar på att grundvattenytan sjunker till följd av minskad grundvattenbildning.

• author: Täcklind, Johan
• supervisor: Gerhard Barmen
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Numerisk modellering av sydöstra Vombsänkan. Grundvattennivåer, vattenbalans och förändrad grundvattenbildning.
• course: VTGM05 20251
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Vombsänkan, groundwater recharge, MODFLOW, climate scenario
• publication/series: ISRN LUTVDG(TVTG-5191)/1-90/(2025)
• report number: ISRN LUTVDG(TVTG-5191)/1-90/(2025)
• language: English
• additional info: Examiner: Jan-Erik Rosberg
• id: 9200827
• date added to LUP: 2025-06-23 11:09:23
• date last changed: 2025-06-23 11:09:23