Håndbog i grundvandsmodellering, Sonnenborg & Henriksen (eds) 2005/80 GEUS. Indholdsfortegnelse

Transkript

1 Indholdsfortegnelse 1 Indledning Baggrund og formål Baggrund Formål og målgruppe Terminologi og modelcyklus Modelprotokol Parter og rollefordeling Referencer Formålet med opstilling af model Hvordan kan modeller anvendes i forbindelse med zonering? Brug af model som fortolkningsværktøj Brug af model som prognoseværktøj Hvilke spørgsmål skal modellen give svar på definition af formål Er valg af en numerisk grundvandsmodel det rigtige værktøj til besvarelse af disse spørgsmål? Referencer Opstilling af geologisk model Indledning Jordoverfladens topografi og geomorfologi Prækvartærets højdeforhold Sediment/bjergarts enheder Datatyper Modeltyper To- og tre-dimensionelle modeller (traditionelle deterministiske modeller) Overflade modeller (konturerede modeller) Geostatistiske modeller (stokastiske modeller) Korrelation af lagfølgeoplysninger fra boringer Forbedring af geologisk model ud fra overfladegeofysik Detaljer i en geologisk model Usikkerheder på geologisk model Praktiske eksempler på tolkning af hydrogeologiske modeller Referencer Opstilling af hydrogeologisk tolkningsmodel Definition Afgrænsning af område Hvilke hydrologiske processer og geologiske strukturelle forhold skal indrages? Fastlæggelse af hydrostratigrafiske enheder Fastsættelse af tidsperioder Parameterfastsættelse ud fra geologiske informationer og hydrologiske data Skaleringseffekter Usikkerhed på konceptuel model Referencer Matematisk og numerisk grundlag for grundvandsmodellering Tre-dimensionale strømningsligning To-dimensional strømningsligning Forudsætninger for løsning af partielle differentialligninger i

2 5.4 Numerisk diskretisering Formulering og løsning af differensligninger Supplerende litteratur Fra hydrogeologisk tolkningsmodel til numerisk grundvandsmodel Valg af kode Procesbeskrivelsen Mulighed for partikelbanesimuleringer Mulighed for automatisk at indbygge hydrogeologiske egenskaber ud fra en rumlig opfattelse af hydrogeologien Mulighed for invers modellering samt anden form for automatiseret parameterestimering Kvalitet af dokumentation, herunder verifikation af koden, manualer og lignende Mulighed for erfaringsudveksling med andre brugere, support fra kodeudvikleren Fremtidsudsigter for koden, herunder hvilken mulighed der er for at skifte til andre koder uden alt for stort tab af arbejdsindsats Hvordan er den at arbejde med, hvordan er mulighederne for at automatisere trivielle opgaver, såsom opdatering af hydrogeologien, plotning af indvindingsoplande, mulighed for integration i gis systemer osv Udbuddet Verificering af kode Præprocessering - overførsel af hydrogeologiske parametre til modellen Beskrivelse af databehovet i forhold til valgte model og inkluderede procesbeskrivelser Referencer Fastlæggelse af randbetingelser Randbetingelsestyper Betydning af valget af randbetingelser Konstante kontra tidsvarierende randbetingelser Implementering af ydre randbetingelser Implementering af indre randbetingelser( infiltration/ grundvandsdannelse, vandløb, dræn søer/overfladisk afstrømning, oppumpninger) Infiltration Vandløb Dræn Søer, damme og overfladeafstrømning Oppumpninger Referencer Diskretisering af modelområdet i tid og sted Diskretiseringstyper FD og FE Ækvidistante eller varierende grid Tidsskridt Valg af diskretisering Diskretisering i sted Diskretisering i tid Diskretiseringsfejl Numeriske fejl Skalaeffekter Hvordan tester man sin diskretisering Referencer ii

3 9 Processering af tidsseriedata Nedbør, potentiel fordampning og temperatur Arealanvendelse, jordtyper, jordfugtighed og aktuel fordampning Vandindvinding Trykniveau i form af tidsserier og potentialebilleder Afstrømningsdata ved målestationer og synkronmålinger Referencer Dynamisk model Indledning Kategorisering af modeltyper Inputdata til beregning af grundvandsdannelse Integreret modellering Overvejelser om valg af stationær og/eller dynamisk model Initialbetingelser og tidsskridt tidslig diskretisering Referencer Skalaforhold og heterogenitet Indledning Geostatistisk karakterisering af geologiske heterogenitet Observationer af geologiske heterogenitet Skala-forhold i hydraulisk ledningsevne Effektiv hydraulisk ledningsevne Effekten af geologisk heterogenitet på trykniveau Diskussion og opsummering Referencer Nøjagtighedskriterier Indledning Indledende fastlæggelse af nøjagtighedskriterier i udbudsfase Modelopstilling og observationsdata Typer af observationsdata Målinger af grundvandets trykniveau Datakontrol og processering Usikkerhed på observationsdata Observationer af hydraulisk trykniveau Observationer af vandløbsvandføring Anvendelse af usikkerhedsestimater Performance kriterier Typer af kriterier Valg af nøjagtighedskriterier Testkørsel og fastlæggelse af kvantitative og kvalitative nøjagtighedskriterier forud for kalibrering Referencer Kalibrering af strømningsmodel Indledning Kalibreringsparametre A-priori viden om parametre Valg af kalibreringsparametre Estimationsteknik Entydighed iii

4 Manuel kalibrering ( trial-and-error estimation) Automatisk kalibrering (invers modellering) Præsentation af kalibreringsresultat Beskrivelse af kalibreringsprocessen (kalibreringsjournal) Parameterestimater samt deres usikkerhed Overensstemmelse mellem observationer og simulering Referencer Invers modellering Indledning Kalibreringskriterium (objektiv funktion) Vægtning indenfor datatyper Vægtning mellem forskellige datatyper Brug af a priori information Optimeringsalgoritmer Suffle complex evolution method (sce-metoden) Gradientbaserede metoder Entydighedsproblemer Parameterusikkerhed Eksempel Analyse af output fra invers model Urealistiske parameterestimater Evaluering af kalibreringsresultat Referencer Validering Indledning Definition og formål med modelvalidering Forskellige typer af valideringstest Praktiske aspekter i forbindelse med modelvalidering Overparameterisering antal frie parametre Valideringstest ved stationær grundvandsmodel Begrænsninger i valideret models gyldighedsområde Er kravene til modelvalidering urealistiske i praksis? Referencer Modellens repræsentativitet Indledning Modelantagelser Procesbeskrivelser Geometriske og geologiske forsimplinger Randbetingelser Modellens troværdighed Modelanvendelse Typer af tilstandsvariable, der kan simuleres Skala hvorpå modellen arbejder Hvilken type modellering kan modellen anvendes til? Referencer Anvendelse af modellen: vandbalance, grundvandsdannelse og indvindingsoplande Indledning Grundvandsressourcevurdering og vandbalanceforhold Afgrænsning af områder med opadrettede- eller nedadrettede gradienter iv

5 17.4 Grundvandsdannelse til øvre magasiner Grundvandsdannelse til dybere magasiner Grundvandsdannende oplande og indvindingsoplande til magasiner og/eller kildepladser/boringer Transporttider og opholdstider i forskellige grundvandsmiljøer Følsomheds- og usikkerhedsanalyser Referencer Partikelbanemodellering og alderssimulering Indledning Infiltrationsområder og indvindingsoplande Infiltrationsområde Påvirkningsområdet og grundvandsdannende områder Karakterisering af infiltrationsområdet Indvindingsopland Beregning af partikelbaner Hastighedsinterpolation Algoritmer til flytning af partikler Partikelbanemodeller Mike she partikelbanemodul Modpath partikelbanemodul Begrænsninger ved numeriske modeller Diskussion af partikelbanesimuleringer Grundvandsalder og opholdstidsfordelinger Metoder til bestemmelse af grundvandets alder Eksempler Diskussion af aldersdateringsmetoder Referencer Metoder til usikkerhedsvurdering Indledning Definition af usikkerhed Karakterisering af usikkerheden Usikkerhedskilde Niveau af usikkerhed Usikkerhedens natur Usikkerhedskilder Konceptuel model Model (sted-specifik model) Data Management scenarier Håndtering af usikkerhed Elementer i en usikkerhedsvurdering Identificering og prioritering af usikkerhed Kvantificering af usikkerhed Usikkerhedsstrategi Metoder til vurdering af usikkerhedens betydning Fejlophobning Monte Carlo Generalized likelihood uncertainty estimation methodology, GLUE MODFLOW PEST T-PROGS v

6 Følsomhedsanalyse Multiple model simulation Ekspertvurdering Faldgruber og kritiske problemstillinger Referencer Rapportering af model og resultater Indledning Disposition for standardiseret modelrapport Referencer Vedligeholdelse, opdatering og udbygning af modeller. forfining af model Kvalitetsdokument, modelrapport og digital kopi af færdige setupfiler mm. til modeldatabasen (fx cd rom) Modelarkiv. hvilke grunddata og setupfiler bør man gemme digitalt, med henblik på senere opdatering og udbygning af model? Opdatering og udbygning af geologisk model, konceptuel model og numerisk modelopsætning Forfining af model (topografi, indre randbetingelser, arealdata, konceptuel model ) Regional model lokal model Referencer Modelprogrammer på markedet Valg af de 3D modelkoder (motorer) og grafiske bruger interfaces (skaller) der indgår i sammenligningen Kvalitetssikring i forbindelse med modelopgaver Indledning Mekanismer til at opnå bedre kvalitet i modellering Udbudsbetingelser Milepæle Gennemførelse af reviews Kvalitetssikringsværktøjet most Omkostninger ved kvalitetssikring Referencer Appendix A Esbjerg modellen et eksempel...1 A.1 Formålet med opstilling af model...1 A.2 Geologisk model...2 A.3 Konceptuel hydrogeologisk model...3 A.4 Valg af kode...6 A.5 Modelopsætning...7 A.6 Kalibrering af model...9 A.7 Simuleringer...13 A.8 Konklusion...19 A.9 Referencer...19 Appendix B Invers kalibrering af dk-model sønderjylland...1 B.1 Indledning...1 B.2 Observationsdata...2 B.3 Kalibreringskriterier...5 B.4 Udvælgelse af kalibreringsparametre...6 B.5 Kalibreringsprocedure...8 vi

7 B.6 Kalibreringsresultat...9 B.7 Konklusion...15 B.8 Referencer...16 vii