Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i forhold til grundvandsmodellering

Transkript

1 Vingsted 2017 Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i forhold til grundvandsmodellering Torben O. Sonnenborg De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Energi-, Forsynings- og Klimaministeriet

2 Tak til: Jens Christian Refsgaard Anker Lajer Højberg Dorte Seifert Xiulan He

3 Studier af effekten af geologisk usikkerhed 1. Bording (400 km 2 ) Begravet dal i Miocene sedimenter 2 konceptuelle modeller MODFLOW + PEST Opland, alder Seifert et al. (2008) 2. København Vest (300 km 2 ) Multi-aquifer, kværtær moræne, kalk 3 konceptuelle modeller MODFLOW + PEST + Monte Carlo Recharge, stoftransport Højberg and Refsgaard (2005) Denmark Sweden 4. Ølgod (125 km 2 ) Kvartære sedimenter Multi-point statistik MODFLOW + PEST + SGeMS Trykniveau, alder He et al. (2013) Germany 3. Lejre (465 km 2 ) Kvartær moræne over kalk 5 konceptuelle modeller 11 klimamodeller MIKE SHE + PEST Seifert et al. (2012)

4 En knap så simpel geologisk model med effektive parametre K s3 K c5 K s1 K s5 K c4 K s4 K c1 K s2 K c2 K c3

5 En knap så simpel geologisk model - med lokal heterogenitet

6 Generel metode 1. Opstil flere konceptuelle modeller Manuel geologisk tolkning (forskellige geologer) 2-5 alternative geologiske modeller per studie Mange stokastiske modeller (TPRoGS/SGeMS) 2. Opstil numerisk model En numerisk model for hver geologisk model Kalibrer (invers modelling) mod observeret trykniveau og vandløbsafstrømning 3. Brug numerisk model til at simulere forhold som rækker ud over kalibrerings-situation Indvindingsopland (lille ekstrapolation) Grundvandsdannelse (medium ekstrapolation) Grundvandsaldre/stofkoncentrationer (stor ekstrapolation) 4. Special-analyser Sammenlign effekt af parameter-usikkerhed (Monte Carlo) med konceptuel (geologisk) usikkerhed Effekt af klimaændringer vs effekt af geologisk usikkerhed

7 Hovedkonklusioner 1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model) Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau, hvis det er muligt at kalibrere Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)

8 Eksempel 1: Effekt af geologisk model for strømning og transport (Seifert et al., 2008)

9 Hovedkonklusioner 1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model) Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering) 2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)

10 West Eksempel 2: Konceptuelle geologiske modeller geologisk usikkerhed (Højberg and Refsgaard, 2005) Model A East Model B Usikkerhed på parameter vs. konceptuel geologisk model Model C Fractured clay/ Toplayer Sand Clayey till Limestone Limestone Selandien

11 Normalised concentration Normalised concentration Model A Model B Model C West Model A East Model B Model C 1 Usikkerhed på parameter værdier vs konceptuel geologisk model - Effekt på strømningsveje/gennembrudskurver Fractured clay/ Toplayer 0.6 Sand Clayey till Limestone Limestone Selandien Simulated breakthrough in 4 abstraction wells Konceptuel 1 geologisk 0.8 usikkerhed Parameter usikkerhed Time in years Time in years

12 Hovedkonklusioner 1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model) Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering) 2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed Resultater som afhænger af strømningsveje (transport) 3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer Geologisk usikkerhed > klima-usikkerhed (oplande)

13 Eksempel 3: Konceptuel geologisk usikkerhed (Seifert et al., 2012)

14 Geologiske modeller

15 Usikkerhed på geologi: indvindingsændringer Indvindingsstop på kildepladser:

16 Usikkerhed på oplandsberegninger 6 geologiske modeller ét klima 11 klimamodeller én geologi

17 Hovedkonklusioner 1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model) Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering) 2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed Resultater som afhænger af strømningsveje (transport) 3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer Geologisk usikkerhed > parameterusikkerhed (oplande) 4. Geologisk usikkerhed vs parameterusikkerhed Sammenlignelig effekt på trykniveau Markant større effekt fra geologi på transporttider

18 Eksempel 4: Geologisk vs parameter usikkerhed (He et al., 2013)

19 Geologisk usikkerhed CF baseret træningsbillede SGeMS realisation 90 realisationer af geologi

20 Usikkerhed Usikkerhed forårsaget af geologisk usikkerhed Hydraulisk trykniveau Transporttid

21 Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4 Geologi (90 real.) Parametre (216 real.) Total (90 x 216 real) Geologisk vs. parameter sikkerhed Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde: Stand. dev. (m) Stand. dev. (m) Stand. dev. (m)

22 Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4 Geologi (90 real.) Parametre (216 real.) Total (90 x 216 real) Geologisk vs. parameter sikkerhed Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde: Stand. dev. (m) Effekt af geologi og parametre sammenlignelig Stand. dev. (m) Stand. dev. (m) Usikkerhed på transporttider til fire tilfældige brønde: Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4 Geologi (90 real.) Parametre (216 real.) Total (90 x 216 real) Stand. dev. (yr) Effekt af geologi meget vigtigere end parametre Stand. dev. (yr) Stand. dev. (yr)

23 Konsekvenser af usikkerhed på geologisk tolkning: Trykniveau: Konklusioner Fejl kan kompenseres via kalibrering Effekt af geologisk usikkerhed sammenlignelig med parameterusikkerhed Strømningsveje/transport: Effekt af geologisk usikkerhed dominerende Kalibrering kan øge usikkerhed (kompensation) Vigtigt med realistisk geologisk model

24 Mere information Harrar WG, Sonnenborg TO, Henriksen HJ (2003) Capture zone, travel time, and solute transport model predictions using inverse modeling and different geological models. Hydrogeology Journal 11(5): Højberg AL, Refsgaard JC (2005) Model Uncertainty - Parameter uncertainty versus conceptual models. Water Science and Technology, 52(6): Refsgaard JC, van der Sluijs JP, Brown J, van der Keur P(2006) A framework for dealing with uncertainty due to model structure error. Advances in Water Resources, 29(11): Troldborg L, Refsgaard JC, Jensen KH, Engesgaard P (2007) The importance of alternative conceptual models for simulation of concentrations in multi-aquifer system. Hydrogeology Journal, 15: Seifert D, Sonnenborg TO, Scharling P, Hinsby K (2008) Use of alternative conceptual models to assess the impact of a buried valley on groundwater vulnerability. Hydrogeology Journal, 16: Seifert, D., T.O. Sonnenborg, J.C. Refsgaard, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Assessment of hydrological model predictive ability given multiple conceptual geological models, Water Resources Research., 48, doi: /2011wr Refsgaard, J.C., S. Christensen, T.O. Sonnenborg, D. Seifert, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Review of strategies for handling geological uncertainty in groundwater flow and transport modelling, Advances of Water Resources, 36, 36-50, doi: /j.advwatres He, X.L., K.H. Jensen, T.O. Sonnenborg, F. Jørgensen, A-S. Høyer, and R.R. Møller (2013), Analyzing the effects of geological and parameter uncertainty on groundwater head and travel time, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, , doi: /hess Sonnenborg, T.O., D. Seifert, and J.C. Refsgaard (2015) Climate model uncertainty versus conceptual geological uncertainty in hydrological modeling, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, , doi: /hess