UDFORDRINGER I PARTIKELBANESIMULERING

Transkript

1 UDFORDRINGER I PARTIKELBANESIMULERING Chefkonsulent Kristian Bitsch Civilingeniør, ph.d. Flemming Damgaard Christensen Rambøll Danmark A/S ATV JORD OG GRUNDVAND GRUNDVANDSMODELLER FOR MODELFOLK SCHÆFFERGÅRDEN 8. november 2007

2

3 RESUME På baggrund modelsetup for Gummersmarke Kildeplads, er der lavet er serie af partikelbanesimuleringer til belysning af betydningen af anvendelsen af en stationær strømningssituation kontra en dynamisk strømningssituation i et aktuelt case studie. Desuden er der kigget på, om det har nogen betydning, hvornår partiklerne i partikelbanesimuleringen initialiseres sæsonmæssig og klimatisk betydning. INDLEDNING Grundvandsmodeller opstilles i stigende grad med det formål at belyse strømningsvejene og opholdstiderne i grundvandsmagasinet, og en effektiv måde at gøre dette på er ved at anvende partikelbanesimulering. Med partikelbanesimulering er man i stand til at fastlægge indvindingsoplande og grundvandsdannende områder, samt lave vurderinger af de gennemsnitlige transporttider. Dette redskab er ofte brugt til kildeopsporing og i forbindelse med sårbarhedskortlægning og vil komme til at danne grundlag for udfærdigelsen af fremtidens indsatsplaner. Derfor siger det også sig selv, at rigtigheden af disse beregninger er vigtig, ligesom det er vigtigt, at resultatet tolkes korrekt, og at resultatets begrænsninger erkendes. Grundvandsmodellerne er en simplificering af det fysiske system, og de vil derfor altid være forbundet med en usikkerhed. De væsentligste usikkerhedsbidrag er usikkerheden på de data, som modellen opstilles på baggrund af, parameterusikkerheden og ikke mindst usikkerheden på den konceptuelle model. Den konceptuelle model er ofte knyttet til den geologiske model, som selvsagt er et dominerende bidrag. Hertil kommer selvfølgelig usikkerheden på modelkoden, men den anses i det følgende for at være ubetydelig. FORMÅL Ud over de almindeligt kendte modelusikkerheder knytter der sig en usikkerhed til resultatet, som skyldes den praktiske håndtering af modelværktøjet. F.eks. i forbindelse med partikelbanesimulering skal man foretage en række aktive valg om antal partikler, placering, forward eller backward tracking, strømningssituation osv. Disse valg er måske ikke direkte en usikkerhedsparameter, men vil i høj grad kunne påvirke resulatet. Dette studie forsøger at belyse netop nogle af disse usikkerheder. Det er ikke et forsøg på at kvantificere usikkerheden, men mere et forsøg på at påpege nogle udfordringer i de valg, man skal foretage. Problemstillingen tager udgangspunkt i en model case beliggende ved Gummersmarke kildeplads, tæt på Køge Å. METODE Der er opstillet tre forskellige strømningsmodeller; en stationær, en kvasistationær og en dynamisk model. På baggrund af disse strømningsmodeller er der udført partikelbane-

4 simulering til udpegning af indvindingsoplande og grundvandsdannende områder, samt til vurdering af alder på det indvundne grundvand. CASE Det er valgt at udføre dette studie med udgangspunkt i Gummersmarke Kildeplads, som er en af Københavns Energis (KE s) kildepladser, der indgår i den daglige produktion af drikkevand og leverer råvand til Værket ved Regnemark. Kildepladsen blev sat i drift i 1968 og består af otte indvindingsboringer, der er etableret mellem 1958 og 1965 og fordelt på en ca. 830 m lang hævertstrækning. Indvindingen på Gummersmarke Kildeplads har de seneste år ligget på ca. 0,7 mio. m 3 /år. Indvinding sker udelukkende fra de prækvartære kalklag. MODEL SETUP Den anvendte model er opstillet som en detailmodel på baggrund af en regional grundvandsmodel, der tidligere er opstillet for Københavns Energi /1/. Modellen er opstillet med en horisontal diskretisering på 50 x 50 m. Vertikalt er modellen opbygget af ni lag, der følger de geologiske enheder. De øverste seks modellag repræsenterer den kvartære lagserie, mens de nederste tre modellag repræsenterer de prækvartære kalkaflejringer. De kvartære lag består af et forholdsvis sammenhængende lag af moræneler, der fungerer som dæklag. Tykkelsen heraf er i den centrale del ca m, men kan nå op til 30 m i den sydlige del. Detailmodellen anvender en nettonedbør som er beregnet i den regionale model /1/, som både regner på umættet og mættet zone. Modellen er i stand til at udveksle vand med vandløbene og tage højde for drænafstrømning. Randbetingelser er genereret af den regionale model. Til at udføre partikelbanesimuleringer på, er der opstillet tre forskellige strømningsmodeller; en stationær model, en kvasistationær model og en dynamisk model. I alle tre strømningsmodeller anvendes der den samme indvindingsmængde på 0,7 mio. m 3 /år. Den stationære model er opstillet med en nettonedbør, defineret ved en middelnettonedbør for den 10-årige periode Den kvasistationære model er opstillet for perioden og simulerer et stationært strømningsbillede for hvert af de 10 år i simuleringsperioden. Nettonedbøren er årlige middelværdier for de respektive år. Den dynamiske model er ligeledes opstillet for den 10-årige periode Modellen anvender daglig nettonedbør beregnet i den regionale model. Indvindingen er konstant og den samme som i den stationære og den kvasistationære model. INDVINDINGSOPLANDE Indvindingsoplande er i dette studie defineret som det område i det primære kalkmagasin, hvorfra Gummersmarke Kildeplads indvinder sit vand. Indvindingsoplandene er bestemt ved

5 partikelbanesimulering. I partikelbanesimuleringen placeres initialt 10 partikler i hver modelcelle i modellag nr. 7, som repræsenterer den øverste del af det primære kalkmagasin. Der er kørt i alt 33 partikelbanesimuleringer; 1 med den stationære model, 10 med den kvasistationære model og 22 med den dynamiske model. Med den kvasistationære model er der kørt en partikelbanesimulering for hvert af de 10 år i simuleringsperioden. Disse simuleringer viser reelt betydningen af nettonedbøren ved anvendelse af en stationær model. Med den dynamiske model er der kørt 22 partikelbanesimuleringer. Formålet med disse er, at belyse om det har nogen betydning hvornår partiklerne placeres i den 10-årige simuleringsperiode. De første 10 partikelbanesimuleringer er kørt for, at belyse om det har betydning, hvilket år partiklerne initialiseres i ( ). Partiklerne initialiseres i maj måned. Efterfølgende er der kørt 12 partikelbanesimuleringer for, at belyse om det har nogen betydning, hvornår på året partiklerne initialiseres. Der er taget udgangspunkt i 1992 og med start i hver af årets 12 måneder, er der kørt en partikelbanesimulering. Figur 1. Indvindingsoplande med stationær/kvasistationær model På figur 1 er vist indvindingsoplande beregnet med den stationære/kvasistationære model. På figuren er fremhævet indvindingsoplandet fra den stationære model, den kvasistationære model for årene 1996 og Oplandene fra de øvrige år i den kvasistationære simulering er

6 kun svagt antydet på figuren og er generelt sammenfaldende med indvindingsoplandet fra den stationære model. Arealerne for hvert af de beregnede oplande er vist i tabel viser et relativt stort indvindingsopland, og det hænger sammen med at nettonedbøren kun udgør 6 % af middelnettonedbøren for perioden må betegnes som en ekstrem situation, som ikke vurderes aktuel viser et mindre opland i forhold til den stationære model. Dette hænger ikke umiddelbart sammen med at nettonedbøren faktisk er mindre end middelnettonedbøren, som anvendes i den stationære model. Forklaringen ligger formentlig i forhold omkring randbetingelser og forhold mellem grundvandsdannelse og drænafstrømning. Model Areal (km 2 ) Model Areal (km 2 ) Stationær 7,536 Kvasistationær ,026 Kvasistationær ,013 Kvasistationær ,34 Kvasistationær ,041 Kvasistationær ,663 Kvasistationær ,984 Kvasistationær ,143 Kvasistationær ,071 Kvasistationær ,15 Kvasistationær ,056 Kvasistationær middel 8,05 Tabel 1. Beregnede oplandsarealer for forskellige strømningssituationer Figur 2. Indvindingsoplande med dynamisk model, betydning af klimaår På figur 2 er vist indvindingsoplande beregnet med den dynamiske model. De viste opland, som er beregnet med den dynamiske model, repræsenterer partikelbanesimuleringer, hvor

7 partiklerne initialt er placeret i forskellige år. Resultaterne viser, at det i dette studie ikke har nogen reel betydning for oplandenes størrelse og form. På figuren vises også indvindingsoplandet beregnet med den stationære model. I dette tilfælde er der god overensstemmelse mellem anvendelse af stationært og dynamisk strømningsbillede. Figur 3 viser indvindingsoplande beregnet med den dynamiske model i en situation, hvor partiklerne i partikelbanesimuleringen placeres initialt i hver af årets 12 måneder for at vise betydningen af sæsonen. De 12 partikelbanesimuleringer resulterer i indvindingsoplande med stort set identiske arealer og udbredelse. Figur 3. Indvindingsoplande med dynamisk model, betydning af årstid GRUNDVANDSDANNENDE OPLANDE Samme øvelse, som er lavet for indvindingsoplandene, er der lavet for de grundvandsdannende oplande. Det grundvandsdannende opland defineres her, som det område på terræn, hvor det grundvand som Gummersmarke Kildeplads indvinder, dannes. De grundvandsdannende oplande er bestemt ved partikelbanesimulering med placering af initialt 10 partikler i hver modelcelle i det øverste modellag nr. 1. Der er kørt i alt 23 partikelbanesimuleringer; 1 med den stationære model, 10 med den kvasistationære model og 12 med den dynamiske model.

8 Med den kvasistationære model er der kørt en partikelbanesimulering for hvert af de 10 år i simuleringsperioden. Med den dynamiske model er der kørt 12 partikelbanesimuleringer, én med start i hver måned, for at belyse om det har nogen betydning hvornår på året partiklerne initialiseres. Figur 4. Grundvandsdannende oplande med stationær/kvasistationær model På figur 4 er vist de grundvandsdannende oplande beregnet med den stationære/ kvasistationære model. Arealerne for hvert af de beregnede oplande er samlet vist i tabel 2. På figuren er fremhævet oplandene fra den stationære model og den kvasistationære model for årene 1996 og De to simuleringer 1996 og 1997 giver ydergrænser, som det også var tilfældet for indvindingsoplande. Disse må betragtes som specialtilfælde og vurderes ikke realistiske, men viser samtidigt at man skal være opmærksom om hvilken nettonedbøren man ligger til grund for sine modelsimuleringer. De grundvandsdannende oplande fra de øvrige år i den kvasistationære simulering dækker stort set det samme bruttoområde som den stationære model. Oplandene er karakteriseret ved at bestå af en række mere eller mindre sammenhængende områder og der er stor variation mellem simuleringerne, men arealmæssigt er de enslydende. Når oplandende ikke er sammenhængende skyldes det at en stor del af nettonedbøren går direkte til dræn. Vandbalancerne

9 viser, at gennemsnitligt 55 % af nettonedbøren går til dræn, men at det selvfølgelig varierer både i tid og sted. På figur 5 er vist, hvordan nettonedbør og drænafstrømning fordeler sig i den 10-årige simuleringsperiode. Model Areal (km 2 ) Model Areal (km 2 ) Stationær 7,536 Kvasistationær ,026 Kvasistationær ,013 Kvasistationær ,34 Kvasistationær ,041 Kvasistationær ,663 Kvasistationær ,984 Kvasistationær ,143 Kvasistationær ,071 Kvasistationær ,15 Kvasistationær ,056 Kvasistationær middel 8,05 Tabel 2. Beregnede arealer for grundvandsdannende oplande i forskellige strømningssituationer På figur 6 er vist, hvordan den dynamiske model beregner de grundvandsdannende oplande afhængig af, på hvilket tidspunkt af året partiklerne initialiseres i partikelbanesimuleringen. På figuren er simuleringen, hvor partiklerne initialiseres i september måned, fremhævet. De øvrige simuleringer viser overordnet det samme bruttoopland. Som simuleringerne med den stationære er oplandene karakteriseret ved at bestå af en række mere eller mindre sammenhængende områder, og der er stor lokal variation mellem simuleringerne Nettonedbør/dræn (mm) Nettonedbør Dræn/vandløb Forhold Forhold (%) 10 0 Figur 5. Fordeling af nettonedbør og dræn/vandløbsafstrømning som funktion af tiden

10 Figur 6. Grundvandsdannende oplande med dynamisk model ALDERSFORDELING På baggrund af samme simuleringer, som er brugt til at vise de grundvandsdannende oplande, er alderen på det indvundne grundvand belyst. Alderen er vurderet ved at kigge på alderen af hver enkelt partikel, der ender på kildepladsen. Den samlede alder på det indvundne grundvand er her illustreret dels ved middelalderen, dels ved medianen af alderen på partikelsværmen. I tabel 3 er vist en samlet oversigt over de beregnede aldre beregnet både på baggrund af den stationære og den dynamiske model. På figur 7 er vist tre eksempler på, hvordan aldersfordelingen ser ud. Alderen beregnet med den dynamiske model varierer meget lidt. Denne del af studiet viser således, at det ikke betyder noget for vurderingen af alder hvornår på året partiklerne placeres initialt, hvilket også måtte forventes. Sammenlignes aldrene fra den dynamiske model og den stationære model ses enslydende størrelser, hvis der ses bort fra de ekstreme år 1996 og 1997.

11 Fraktil (%) Stationær Kvasistationær 1997 Dynamisk År Figur 7. Aldersfordeling på baggrund af forskellige strømningssituationer Dynamisk model Januar Februar Marts April Maj Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dec. Middel 55,2 54,9 54,6 54,0 54,5 54,2 54,4 54,3 54,5 54,6 54,4 54,4 Median 41,5 41,2 41,3 41,0 41,3 40,9 41,2 40,9 40,7 40,7 40,5 40,5 Stationær Kvasistationær model Middel 56,1 54,6 54,7 54,8 54,9 55,0 54,9 78,6 43,7 55,4 55,4 Median 43,9 41,6 41,7 41,8 41,0 40,7 42,3 79,0 34,5 42,0 42,5 Tabel 3. Transporttider givet ved middel- og medianværdi (år) DISKUSSION Indledningsvis skal det nævnes at resultater og konklusioner præsenteret i dette studie kun i nogen grad kan siges at være generelle, men peger på nogle problemstillinger. Indvindingsoplande De udførte partikelbanesimuleringer viser ikke uventet, at når det stationære strømningsbillede anvendes til simulering af indvindingsoplande, skal man være varsom med, hvilken nettonedbør strømningsbilledet repræsenterer. Simuleringerne viser, at det kan være farligt at anvende en nettonedbør beregnet på baggrund af klimadata fra kun ét år.

12 På baggrund af partikelbanesimuleringer med den dynamiske model er det vist for dette studie, at størrelsen og formen af indvindingsoplandet ikke afhænger af hverken hvornår på året og i hvilket år partiklerne initialiseres. Grundvandsdannende oplande For beregningerne af de grundvandsdannende oplande, på baggrund af et stationært strømningsbillede, gælder der lidt de samme forhold som for indvindingsoplandene. Man skal være varsom omkring, hvilken nettonedbør der anvendes. Beregninger med den dynamiske model viser på lokal skala en vis variation i det grundvandsdannende opland afhængig af, på hvilket tidspunkt af året partiklerne initialiseres. Variationen skyldes i høj grad et varierende mønster omkring drænafstrømning i det øverste modellag. Det overordnede bruttoområde varierer ikke meget og er tæt på det samme, som simuleres med den stationære model. Aldersfordeling Resultaterne fra dette studie viser lille forskel mellem beregnede grundvandsaldre. Det er vist, at den beregnede alder ikke afhænger af, på hvilket tidspunkt af året partiklerne initialiseres. Desuden er der meget lille forskel på alderen bestemt på baggrund af hhv. den stationære og den dynamiske model, så længe nettonedbøren anvendt i den stationære model relaterer sig fornuftigt til nettonedbøren i den dynamiske model. REFERENCER /1/ Grundvandsmodel for Ejby Kildeplads. Udarbejdet af Rambøll april 2006 for Københavns Energi.