Grundvandskøling ved Højmarksvej Data- og modelgrundlag for simulering af grundvandskøleanlæg ved Højmarksvej - Revideret

Transkript

1 Grundvandskøling ved Højmarksvej Data- og modelgrundlag for simulering af grundvandskøleanlæg ved Højmarksvej - Revideret Rapport nr. 2, Sammenfatning KIRKBI A/S ønsker at etablere et grundvandskøleanlæg, som skal levere køling til den kommende kølecentral beliggende på Højmarksvej. Som en del af konsekvensanalysen af et sådant anlæg er der udført en modellering af anlæggets påvirkning af grundvandets bevægelse og temperatur. Datagrundlaget og opbygningen af modellen er beskrevet i nærværende Rapport 2, mens resultaterne og konsekvensanalysen er givet i Rapport 1 (1). Konsekvensanalysen beskrevet i Rapport 1 (1) viser, at der kan etableres et grundvandskøleanlæg med begrænset påvirkning af det termiske og hydrologiske miljø. Der konstateres kun lokal påvirkning af grundvandspotentiale og grundvandstemperaturforhold. Analysen er baseret på en grundvandsmodel opstillet i Feflow. Resultaterne fra Feflow-modellen er sammenholdt med pejlinger og potentialekort (2) indsamlet og udarbejdet af Ribe Miljøcenter og der er fundet en god overensstemmelse, hvormed modelresultaterne vurderes at være valide. Maglebjergvej 1, DK-2800 Kgs. Lyngby Tlf geo@geo.dk - CVR-nr.:

2 Udarbejdet for KIRBI A/S Koldingvej Billund Indhold Udarbejdet af Theis S. Knudsen tsk@geo.dk Kontrolleret af Mads R. Mølgaard mrm@geo.dk 1 Indledning Lokalitet 4 2 Hydrostratigrafisk model og forhold Hydrostratigrafisk model Geologisk og geofysisk datagrundlag Opbygningen af den hydrostratigrafiske model Hydrostratigrafiske forhold 7 3 Termisk-hydrologisk model Hydrologiske forhold og datagrundlag Potentialekort Grundvandsindvindinger i området Overfladevand 11 4 Model diskretisering Rand- og udgangsbetingelser Hydrologiske modelparametre Hydrauliske ledningsevner Pumpeforsøg Infiltration Kalibrering Termiske modelparametre Simuleret potentiale 28 5 ATES simulering Modelscenariet 30 6 Konklusion 31 7 Bibliografi 32 Maglebjergvej 1, DK-2800 Kgs. Lyngby Tlf geo@geo.dk - CVR-nr.:

3 Bilag Bilag 1 Bilag 2 Bilag 3 Bilag 4 Bilag 5 Tolkning 3-trinsforsøg Tolkning 3-trinsforsøg Tolkning - langtidspumpeforsøg Tolkning - langtidspumpeforsøg Tolkning - langtidspumpeforsøg Rapport nr., /32

4 1 Indledning KIRKBI A/S ønsker at etablere et grundvandskøleanlæg, som skal levere køling til den kommende kølecentral beliggende på Højmarksvej. For at undersøge mulighederne for etablering af grundvandskøleanlægget har KIRKBI A/S entreret Geo til at gennemføre en konsekvensanalyse for det kommende grundvandskøleanlæg. Som en del af konsekvensanalysen har Geo opbygget en termisk-hydrologisk model og anvendt denne til analyse af anlæggets indvirkning på de hydrologiske og termiske forhold i nærområdet. Nærværende rapport beskriver modellens opbygning og validitet, mens resultaterne af modelkørslerne er givet sammen med den samlede konsekvensanalyse i Rapport 1 (1). 1.1 Lokalitet Det kommende grundvandskøleanlæg ligger i et område med blandet industri og boliger i det nordlige Billund mellem Åstvej og Højmarksvej. På Figur 1 ses et detailkort over området med Grindsted Å, grundvandssænkningen ved kølecentralen og de forskellige typer af boringer og indvindinger. Figur 1. Oversigtskort. Rapport nr., /32

5 2 Hydrostratigrafisk model og forhold 2.1 Hydrostratigrafisk model Som grundlag for en termisk-hydrologiske grundvandsmodel, der opbygges for vurdering af den hydrologiske- og termiske påvirkning grundet grundvandskøleanlæggets drift, er der opstillet en hydrostratigrafisk 1 model, som tager udgangspunkt i allerede eksisterende data og modeller for området samt inkorporere de indsamlede data fra forundersøgelsen. I nedenstående beskrives principperne og datagrundlaget for den hydrostratigrafiske model Geologisk og geofysisk datagrundlag Som primært datagrundlag for den hydrostratigrafiske model er anvendt et udtræk af boringer fra GEUS Jupiter boringsdatabase (3), Geos prøveboringer ved Højmarksvej (4) samt de geofysiske kortlægninger, der er udført inden for det definerede hydrologiske modelområde (5). I alt består datagrundlaget af 591 boringer fra Jupiter databasen, en geofysisk SkyTEM kortlægning i den vestlige del af modelområdet, samt geofysiske MEP data syd og nordvest for Billund by. I øst og nordøst ses ældre Schlumberger sonderinger, der dog har haft en begrænset anvendelse i tolkningen. De geofysiske data er downloadet fra GEUS Gerda database (5). På nedenstående Figur 2 ses afgrænsningen af modelområdet, de tilgængelige boringsdata samt tilgængelige geofysiske data. De to prøveboringer, DGU nr og , ses ligeledes på figuren. Der er endvidere opstillet to større regionale geologiske modeller (6) og (7), der strækker sig ind i det aktuelle modelområde og som er anvendt som hjælpeværktøj ved tolkningen. Der er i forbindelse med den hydrostratigrafiske modellering downloadet en topografisk flade fra Geodatastyrelsen med en opløsning på 10x10 meter, der efterfølgende er konverteret til et 25x25 meter grid, som er benyttet i modellen (8). 1 En hydrostratigrafisk model er en model over dæklag og magasiner i området med fokus på de forskellige lags hydrauliske egenskaber. De geologiske lag med ens hydrauliske egenskaber er derfor slået sammen i hydrostratigrafiske enheder i den hydrostratigrafiske model. Rapport nr., /32

6 Figur 2. Oversigtskort, der viser det hydrostratigrafiske modelområde, boringer og geofysiske data i området Opbygningen af den hydrostratigrafiske model Den hydrostratigrafiske model for Billundområdet er opbygget af 7 hydrostratigrafiske modellag, navngivet som det fremgår af Tabel 1. De hydrostratigrafiske lag er afgrænset af bundflader, som generelt er navngivet efter det overliggende lag. Toppen af det øverste hydrostratigrafiske lag udgøres af en terrænflade. Til at udarbejde den hydrostratigrafiske model er modelleringsværktøjet GeoScene3D anvendt. Til hver flade er der tolket et antal modelpunkter med fokus især på geologien i boringerne. Fladerne er efterfølgende interpoleret på baggrund af modelpunkterne til et grid med en gridstørrelse på 25x25 meter. Alle fladerne i modellen er justeret således at der ikke er krydsende lagflader. Rapport nr., /32

7 Kvartær Kvartær/ Prækvartær Prækvartær Tabel 1. Oversigt over enhederne i den opstillede hydrostratigrafiske model. De tolkede flader repræsenterer bunden af modellagene Farve Alder Enhed Datagrundlag Beskrivelse x10 meter grid Terrænflade hentet fra Geodatastyrelsen DS Jupiter og geofysiske Overfladenære lag og smeltevandssand. data DL Jupiter og geofysiske Øvre lerlag, der primært udgøres af smel- data tevandsler. Laget har en tykkelse på ca. 2 m i området ved prøveboringerne. Odderup sand, DS, KS Jupiter og geofysiske data Sandmagasin, der udgøres af smeltevandssand og kvartssand. Arnum ler Bastrup sand Klintinghoved ler Billund sand Jupiter og geofysiske data Jupiter og geofysiske data Jupiter og geofysiske data Jupiter og geofysiske data Sammenhængende lerenhed. Sammenhængende sandenhed, Billund Vand indvinder fra denne sandenhed. Sammenhængende lerenhed. Sammenhængende sandenhed over Vejle Fjord Fm Hydrostratigrafiske forhold Med fokus på de ca. 50 øverste m af lagserien ses der, som det er vist i Figur 3, et udbredt øvre sandet grundvandsmagasin, som er mellem m tykt. Det øvre magasin adskilles fra det underliggende sandede grundvandsmagasin ved et tyndt smeltevandslerlag, som er meget lavpermeabelt og har en maksimal tykkelse på omkring 4-5 m. Tykkelsen af det lavpermeable smeltevandslerlag varierer og tynder stedvist ud, således der forekommer lokale hydrologiske vinduer mellem det øvre og nedre magasin. Under det lavpermeable smeltevandslerlag findes endnu et sandet grundvandsmagasin (udgøres af Odderup sand), som varierer i tykkelse fra ca. 35 m mod syd til m mod nord. Det nederste magasin underlejeres af en tykkere lerenhed, som udgøres af den lavpermeable Arnum ler, der samtidig danner en hydraulisk spærre mod de dybereliggende sandede grundvandsmagasiner, som udgøres af dels Bastrup sand og dels Billund sand. Rapport nr., /32

8 De to prøveboringer DGU og DGU ses på nedenstående Figur 3. Tværsnitsprofilet har en sydvest-nordøstlig retning gående igennem området ved Højmarksvej. Figur 3. Sydøst-nordvestligt tværsnitsprofilet gennem den hydrostratigrafiske model. Prøveboringer er beliggende ved ca. 700 og m. Rapport nr., /32

9 3 Termisk-hydrologisk model Til vurdering af den hydrologiske- og termiske påvirkning af de naturlige forhold på grund af driften af grundvandskøleanlægget, er der opstillet en termisk-hydrologisk model 2, som dels bygger på den opstillede hydrostratigrafiske model, eksisterende hydrologiske data samt indsamlede data fra forundersøgelsen. I nedenstående beskrives principperne og datagrundlaget for den termisk-hydrologiske model. 3.1 Hydrologiske forhold og datagrundlag Data anvendt til belysning af de hydrologiske forhold i området og som input til den termiskhydrologiske model stammer fra pejlinger, et potentialekort udarbejdet af Miljøcenter Ribe (2), et langtidspumpeforsøg udført i 2014 (4) samt GEUS Jupiter boringsdatabase (3) Potentialekort Ribe Miljøcenter har i perioden udført grundvandspejlinger i det primære magasin, som i nærværende modelområde er defineret som et magasin bestående af Odderup Sand. For at udsortere pejlinger, der er påvirket af markvanding, har Ribe Miljøcenter baseret potentialekortet for Odderup Sand magasinet på pejlinger foretaget i perioden fra 1. november til 1. maj, men dog kun for data indsamlet i perioden Det resulterende potentialekort er vist i Figur 4. Potentialekortet viser, at det hydrauliske trykniveau i det øvre primære magasin, bestående af Odderup Sand, i området har en øst-vest retning med en hydraulisk gradient på ca promille. Der ses ikke de store påvirkninger af det hydrauliske trykniveau på grund af indvindinger. Ifølge potentialekortet ligger det hydrauliske trykniveau ved Højmarksvej i ca. kote 61 m DVR90, hvilket er i god overensstemmelse med pejlingerne foretaget i forbindelse med forundersøgelserne (4). 2 Modelkoden Feflow er anvendt til opstilling af den termisk-hydrologiske model. Denne er valgt grundet muligheden for både at simulere hydrologiske og termiske ændringer i grundvandsmagasinet. Rapport nr., /32

10 Figur 4. Miljøcenter Ribes pejlinger og potentialekort for det primære magasin bestående af Odderup Sand (2) Grundvandsindvindinger i området Billund Vand forsyner Billund by med drikkevand. Indvinding af drikkevand foregår fra 5 aktive indvindingsboringer på to forskellige kildepladser, se Tabel 2. Det skal nævnes at indvindingen fra boring DGU. nr , jf. udtalelser fra Billund Vand, er planlagt at stoppe i Tabel 2. Kildepladser og aktive indvindinger i modelområdet (3). Kildeplads Boring DGU nr. Magasin Bastrup Sand Billund Vandværk (ny) Bastrup Sand Bastrup Sand Billund Vandværk (gl.) Bastrup Sand Odderup Sand Rapport nr., /32

11 Legoland har én indvindingsboring, DGU nr , som er placeret tæt ved det kommende grundvandskøleanlæg, mens der ved Lego House pågår en midlertidig grundvandssænkning, hvis afslutningstidspunkt for nuværende er ukendt. I området forefindes endvidere yderligere to grundvandskøleanlæg, som begge er i drift. Disse befinder sig ved Billund Lufthavn og ved Legos produktionsenhed på Kornmarken. Placeringeren af disse anlæg samt tidligere nævnte indvindinger, fremgår af Figur 5. Figur 5. Oversigt over eksisterende grundvandsindvindinger, eksisterende grundvandskøleanlæg samt det kommende grundvandskøleanlæg Overfladevand Billund Bæk løber fra øst mod vest igennem modelområdet. Denne er over enkelte passager i byen rørført, men er ellers i hydraulisk kontakt med det øverste grundvandsmagasin. Rapport nr., /32

12 4 Model diskretisering Ved simulering af koblet grundvands- og varmetransport er det nødvendigt at benytte en fin diskretisering både horisontalt og vertikalt, hvilke også er tilfældet for nærværende model. I første omgang er der indført modellag svarende til lagfladerne i den hydrostratigrafiske model og lag til beskrivelse af filterniveauer etc. Desuden har modellen fået et større antal beregnings lag for at opnå den nødvendige vertikale diskretisering. Modelcellerne består af triangulære prismer med beregningspunkter i knudepunkterne. Lokalt er der anvendt en høj diskretisering omkring pumpeboringerne ved Højmarksvej, samt en række andre boringsplaceringer. Helt lokalt ved pumpeboringer er punkterne placeret optimalt i henhold til radius af den specifikke boring (9). Et lokalt udsnit af modelgriddet med boring PB1, PB2 og PB3 kan ses på Figur 6. I alt har modellen ca. 2.5 millioner celler og 58 beregningslag, hvor den vertikale fordeling af disse ses på Figur 7. Figur 6. Detailkort af diskretisering ved boringsplaceringer. Rapport nr., /32

13 Figur 7. Lagdelingen i den hydrologiske model. Rapport nr., /32

14 4.1 Rand- og udgangsbetingelser I modellen regnes alle lag for fuldt vandmættede til alle tider. Selvom det teoretisk og teknisk er muligt at regne med en umættet zone i FeFlow, vurderes beregningstiden at være uacceptabelt lang i forhold til den forventede værdi af resultaterne. Derfor er det også normal praksis at anvende fuldt mættede modeller i detailbetragtninger, som denne. Samtidig vurderes de unøjagtigheder, som den fuldt mættede model giver, hovedsagligt at berøre det absolut øverste del af modellen, og altså ikke i væsentlig grad det primære magasin. Det simulerede stationære hydrauliske trykniveau svarende til førnævnte potentialekort (2), er anvendt som det initiale hydrauliske trykniveau i den dynamiske simulering af det kommende grundvandskøleanlæg. Værdierne for nettonedsivning til mættet zone stammer fra Billund-modellen, udarbejdet af GEUS (6). Fra denne er anvendt parameteren Total Recharge to SZ, som svarer til nettonedsivningen til grundvandet. Der benyttes fastholdte trykniveauer som grænsebetingelse langs den vestlige og østlige modelranden i alle sandlag. Disse er inkorporeret i modellen ved hjælp af Hydraulic Head Boundary Conditions. Trykniveauerne svarer overens med potentialet fra Miljøcenter Ribes potentialekort (2). Billund Bæk er inkorporeret i modellen ved hjælp af Fluid Transfer Boundary Condition. Den gennemsnitlige vandoverflade i åen er defineret som værende 1 m under terræn. Rapport nr., /32

15 Figur 8. Placeringen af Fluid Transfer Boundary Condition (grønne) samt Hydraulic Head Boundary Conditions (blå). De farvede lag repræsenterer de hydrostratigrafiske lag. Aktive indvindingsboringer er inkorporeret i modellen ved hjælp af Multi Layer Well boundary conditions. Filterdybder og indvindingsrater er fundet i GEUS Jupiter database (3). Grundvandstemperaturen i området er målt til ca. 10 C i forbindelse med en prøvepumpning i DGU.nr (4). Denne temperatur anvendes som udgangsbetingelse i hele modeldomænet. En vandtemperatur på 10 C er ligeledes anvendt ved infiltration i modellen samt ved aktive randbetingelser. 4.2 Hydrologiske modelparametre Alle hydrostratigrafiske enheder antages at være hydraulisk anisotrope og termisk isotrope. Der er for de hydrauliske ledningsevner benyttet et anisotropi forhold (K xy/k z) på 10 (6). I hele modellen er benyttet initiale hydrauliske parametre, tilsvaret Billund-modellen, opstillet af GEUS (6) Hydrauliske ledningsevner I Tabel 3 ses initalværdierne for den hydrauliske ledningsevne for indeværende model. Værdierne er hentet fra Billund-modellen (6). Det ses, at værdierne ikke er rumligt fordelt inden for lagene, der er kun tildelt én værdi for hvert lag. Rapport nr., /32

16 Tabel 3. Initialværdier for hydrauliske ledningsevner (K) og specifikt magasintal (Ss) (6) Lag Enhed Geologi K xy K z Ss [x 10-4 m/s] [x 10-4 m/s] [x /m] 1 Sand DS 5,33 0,533 0,5 2 Ler DL 0, , ,5 3 Sand Odderup Sand 5,33 0,533 0,5 4 Ler Arnum Ler 0, , ,5 5 Sand Bastrup Sand 5,33 0,533 0,5 6 Ler Klintinghoved Ler 0, , ,5 7 Sand Billund Sand 5,33 0,533 0, Pumpeforsøg For at opnå en mere område-specifik viden om de hydrauliske parametre, er der i boring DGU nr ved Højmarksvej udført en 3 trins prøvepumpning samt et langtidspumpeforsøg. 3 trins prøvepumpningen blev udført d.05/09/2014 og langtidspumpeforsøget i perioden 15/09/ /09/2014. Pumpeboringen er filtersat i Odderup Sandet med fuld filtersætning. Se (4) for afrapportering af forsøgene. Optegningerne af begge forsøg er vedlagt denne rapport, se bilag 7 og 8. I perioden for pumpeforsøgene foregik der samtidig oppumpning fra tre andre lokaliteter i nærområdet som påvirkede det hydrauliske trykniveau. Det drejer sig om følgende oppumpninger: Igangværende grundvandssænkning ved LEGO House. Placeringen af denne ses på bilag 1. Denne grundvandssænkning påvirkede det hydrauliske trykniveau ganske stærkt, se bilag 8. Periodevis oppumpning fra indvindingsboringen DGU nr , som er filtersat i Odderup Sandet. Periodevis oppumpning ved Legoland i boring DGU nr Disse oppumpninger bevirker, at det er ganske vanskeligt at isolere pumpeforsøgets påvirkning på det hydrauliske trykniveau i observationsboringerne, da disse er tydeligt påvirket af ovenstående eksterne oppumpninger. Det er dog muligt at se en tydelig påvirkning af det hydrauliske trykniveau i en enkelt observationsboring, DGU nr I det efterfølgende præsenteres de mulige tolkninger for pumpeboringen samt en enkelt observationsboring. Rapport nr., /32

17 3-trinsforsøg Til tolkningen af 3-trinsforsøget er der både anvendt sænknings- og stigningsdata. Ved sænkningsdata er der anvendt Jacobs relation, som tager højde for filtertab i boringen (10). Fittet mellem flow [m 3 /t] og specifik ydelse [m 2 /t], som anvendes til tolkningen, er vist i Figur 9, samt på bilag 1. Figur 9. Fittet mellem flow [m 3 /t] og specifik ydelse [m 2 /t], som anvendes til tolkningen af sænkningsdata i 3-trinsforsøg (10). Til stigningsdata er der til tolkningen anvendt en Theis Recovery tolkningsmodel. Denne kan anvendes på et spændt magasin uden lækage. I tilfælde af lækage vil parameteren S/S give en værdi > 1.0 (11). En Hantusch-Jacob tolkningsmodel tager højde for lækage til magasinet. Der kan på grund af de geologiske forhold forventes lækage i det primære magasin i det givne område. På Figur 10, samt bilag 2, ses fittet af Theis Recovery tolkningsmodellen til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Dette er et fint fit med stigningsdata liggende på en næsten ret linje. Det Rapport nr., /32

18 ses dog, at parameteren S/S har en værdi på 34,1. Dette indikerer, at der foregår lækage til magasinet. I henhold til geologien stammer denne lækage højst sandsynlig fra det overliggende sandmagasin. Det er valgt ikke at tolke videre på 3-trinsforsøget. Dette skyldes indikationer på at det hydrauliske trykniveau til en vis grad er forstyrret af ekstern aktivitet, og at stigningsdata ikke finder den forventede rovandsstand til den forventede tid, se Figur 10. Der ses, at residual drawdown (tilbageværende sænkning) falder til -0,4 m til tiden 1 t/t, som svarer til ca. 155 timer efter pumpestop. Det hydrauliske trykniveau stiger altså til +0.4 m over forventet rovandsstand. Forstyrrelserne kan ligeledes ses på optegningen af forsøget på bilag 7. Her ses ændringer af det hydrauliske trykniveau i observationsboringerne, som ikke stemmer overens med pumpetiderne i 3-trinsforsøget Obs. Wells Aquifer Model Confined Solution Theis (Recovery) Parameters T = m 2 /sec S/S' = 34.1 Residual Drawdown (m) Time, t/t' Figur 10. Fit af Theis Recovey tolkningsmodel til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Der er udregnet en virkningsgrad på 80 % for pumpeboringen på baggrund af Tage Sørensens metode (12). Rapport nr., /32

19 I Tabel 4 ses en oversigt over de tolkede værdier udregnet på baggrund af 3-trinsforsøget. Tabel 4. Tolkede transmissivitetsværdier for 3-trinsforsøget ved Højmarksvej. Boringer Transmissivitet [x 10-3 m 2 /s] Pumpeboring, Jacobs relation 9,1 Pumpeboring, Theis Recovery 8,6 Langtidspumpeforsøg Til tolkningen af langtidspumpeforsøget i pumpeboringen DGU nr , er der anvendt data fra stigningsperioden. Til tolkningen af data fra observationsboringen DGU nr , er der anvendt data både fra sænkning og stigning. Ved tolkningen af stigningsdata fra pumpeboringen er der anvendt både en Theis Recovery tolkningsmodel samt en Hantusch-Jacob tolkningsmodel. Theis Recovery tolkningsmodellen kan anvendes på et spændt magasin uden lækage. I tilfælde af lækage vil parameteren S/S give en værdi > 1.0 (11). En Hantusch-Jacob tolkningsmodel tager højde for lækage til magasinet. Der kan forventes lækage i det primære magasin i det givne område. I Figur 11 ses fittet af Theis Recovery tolkningsmodellen til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Der er fittet til stigningsdata, når disse ligger på en ret linje. Det ses, at S/S -værdien ligger langt over 1, som indikerer lækage til magasinet. Tolkningen ses ligeledes på bilag 3. Validitet af pumpeforsøg Trods forstyrrelser fra den nærliggende grundvandssænkning og vandindvinding hos både Legoland og Billund Vand, så vurderes de tolkede data at være af en god kvalitet og valide som inputparametre i grundvandsmodellen. Rapport nr., /32

20 Obs. Wells Aquifer Model Confined Solution Theis (Recovery) Parameters T = m 2 /sec S/S' = Residual Drawdown (m) E+4 1.0E+5 Time, t/t' Figur 11. Fit af Theis Recovery tolkningsmodel til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Figur 12. Fit af Hantusch-Jacob tolkningsmodel til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Rapport nr., /32

21 I Figur 12 ses fittet af Hantusch-Jacob tolkningsmodellen til stigningsdata fra pumpeboringen DGU nr Dette fit vurderes at være tilfredsstillende og tolkningsresultaterne vurderes at være valide. Tolkningen ses ligeledes på bilag Obs. Wells Aquifer Model Leaky Solution Hantush-Jacob Parameters T = m 2 /sec S = r/b = Kz/Kr = 1. b = 16. m Displacement (m) E+4 1.0E+5 Time (min) Figur 13. Fit af Hantusch-Jacob tolkningsmodel til sænknings- og stigningsdata fra observationsboringen DGU nr I Figur 13 ses fittet af Hantusch-Jacob tolkningsmodellen til sænknings- og stigningsdata fra observationsboringen DGU nr Dette fit vurderes at være tilfredsstillende og tolkningsresultaterne vurderes at være valide. Tolkningen ses ligeledes på bilag 5. I Tabel 5 ses en oversigt over de tolkede værdier udregnet på baggrund af langtidspumpeforsøget. Tabel 5. Tolkede transmissivitetsværdier for langtidspumpeforsøget ved Højmarksvej. Boringer Transmissivitet [x 10-3 m 2 /s] Magasintal [x 10-4 ] Pumpeboring, Theis Recovery 9,1 - Pumpeboring, Hantusch-Jacob 8,6 - Observationsboring, Hantusch-Jacob 10,6 5,5 Rapport nr., /32

22 4.2.3 Infiltration De tildelte infiltrationsværdier stammer fra Billund-modellen (6) og er ikke anvendt som kalibreringsparameter. Dette uddybes i afsnit Kalibrering Modellen blev kalibreret vha. invers-kalibrerings softwaren PEST, som er inkorporeret i Feflow brugerinterfacet. Observationspunkterne anvendt i den inverse kalibrering stammer fra Miljøcenter Ribe (2). En mere detaljeret beskrivelse af observationspunkterne ses i afsnit Ved den inverse kalibrering blev der benyttet 10 forskellige parametre. Parametrene anvendt i den inverse kalibrering blev bestemt på baggrund af en subjektiv vurdering af modelløren samt udførte følsomhedsanalyser på forskellige parametre. En følsomhedsanalyse af de udvalgte parametre viste at parameteren in/outflow on top/bottom, som angiver mængden af netto-recharge til grundvandet, havde en ganske betydelig effekt på det hydrauliske trykniveau i modellen. Effekten var en faktor større end de øvrige parametre. Da denne parameter er påvirket af mange klimatiske og hydrologiske processer, som ikke er beskrevet i den aktuelle hydrologiske model, er denne ganske svær at vurdere. Derfor blev det bestemt at holde fast i værdierne fundet på baggrund Billund-modellen, da denne kvantificerer alle disse processer. Den efterfølgende kalibrering koncentrerede sig om de hydrauliske ledningsevner, K, for de geologiske lag vist i Tabel 6 samt om transferrates for Billund Bæk. I Tabel 6 ses ligeledes følsomhederne for de anvendte parametre. Tabel 6. Geologiske lag hvori de hydrauliske ledningsevner blev anvendt i den inverse kalibrering samt følsomheden af disse. Lag Enhed Geologi Parameter Følsomhed 1 Sand DS Kxy 0,18 2 Ler DL Kxy 0,00 3 Sand Odderup Sand Kxy 0,24 4 Ler Arnum Ler Kxy 0,03 1 Grindsted Å - In Transfer rate 0, Grindsted Å - Out Transfer rate 0,02 Rapport nr., /32

23 I Tabel 7 ses de kalibrede værdier for de hydrauliske ledningsevner, K, samt de anvendte magasintal. Den anvendte anisotropi er 10. Denne værdi beror på en invers kalibreringskørsel, hvor der kun blev beregnet på skiftende anisotropier. Denne kørsel viste at en generel anisotropi på 10 var at foretrække på alle lag. Tabel 7. Hydrauliske ledningsevner (K) og specifikt magasintal (Ss) benyttet i forbindelse med den hydrologiske simulering. De hydrauliske ledningsevner-værdier er efter kalibrering. Lag Enhed Geologi K xy K z Ss [x 10-4 m/s] [x 10-4 m/s] [x /m] 1 Sand DS 2,1-10 0,21-1,0 3 2 Ler DL 0,0019 0, Sand Odderup Sand 2-5,98 0,2 0, Ler Arnum Ler 0,01 0, Sand Bastrup Sand 5,33 0, Ler Klintinghoved Ler 0, , Sand Billund Sand 5,33 0,533 3 I Figur 14 ses den rumlige fordeling af de hydrauliske ledningsevner for henholdsvis det øvre sand og Odderup Sandet. Figur 14. Rumlig fordeling af hydrauliske ledningsevner for det øvre sand (til venstre) og Odde Sand (til højre). I Figur 14 ses transmissiviteten for et tværsnit gående fra boring DGU nr til boring DGU nr Placeringerne af disse boringer ses på Figur 1. Transmissiviteten for tværsnittet ligger imellem ca. 8.8 og 9.7 x 10-3 m 2 /s, som svarer godt overens med de tolkede transmissiviteter nævnt i Rapport nr., /32

24 Figur 15. Transmissivitetsprofil løbende fra DGU nr imod DGU nr In/Out Transfer Rates er styrende for interaktionen mellem grundvandet og overfladevandet, som i dette tilfælde er Billund Bæk. De anvendte værdier i Tabel 8 er kalibrerede værdier. Tabel 8. Kalibrerede In/Out Transfer Rates. In Transfer Rates [x10-4 /s] Out Transfer Rates [x10-4 /s] 0,004 0,05 I nedenstående Figur 16 ses et scatterplot af observerede hydrauliske trykniveauer og simulerede hydrauliske trykniveauer. Det ses, at modellen både over- og underestimerer og at disse foregår i hele modellen. Rapport nr., /32

25 Figur 16. Scatterplot af observerede hydrauliske trykniveauer og simulerede hydrauliske trykniveauer. I Tabel 9 ses de beregnede performancekriterier for den indeværende model samt de simulerede ME (mean error) og RMS (root mean square). Ud fra tabellen ses det, at modellen er en overslags-model i.h.t. ME og en konservativ-model i.h.t. RMS. Dette vurderes, at være tilfredsstillende med henblik på de tilgængelige observationspunkter. Observationspunkterne indeholder bl.a. usikkerheder på grund af det store tidsrum de er indhentet fra. Der kan forekomme store variationer af det hydrauliske trykniveau i en periode på 31 år. Dette ses ved en nærmere granskning af pejlingerne, da visse af pejlingerne liggende ganske nært, men varierer med op til flere meter. Dette vil aldrig kunne simuleres og modellens ME og RMS vil derfor være påvirket af dette. Tabel 9. Performancekriterier samt resulterende ME og RMS for modellen (13). β Performancekriterie for ME β Performancekriterie for RMS Overslagsberegning 0,05 0,88 0,15 2,63 Konservativ 0,025 0,44 0,10 1,75 High-fidelity 0,01 0,18 0,05 0,88 Højmarksvej 0,83 1,06 Modellen vurderes til at være repræsentativ for de hydrologiske forhold i Billund området og modellen kan anvendes til simulering af det kommende grundvandskøleanlæg. Rapport nr., /32

26 4.4 Termiske modelparametre De termiske parametre for de 7 hydrostratigrafiske lag er angivet i Tabel 10. Tabel 10. Værdier for effektiv porøsitet(neffektiv), varmekapacitet (C) og varmeledningsevne ( m) benyttet i forbindelse med den termiske simulering (14). Lag Enhed Geologi n effektiv C m [-] [J/(K*m 3 ) [W/m/K] 1 Umættet Sand DS 0,3 0,1 0,58 1 Sand DS 0,3 2,3 2,86 2 Ler DL 0,2 2,2 3,21 3 Sand Odderup Sand 0,3 2,34 2,86 4 Ler Arnum Ler 0,2 2,2 3,21 5 Sand Bastrup Sand 0,3 2,34 2,86 6 Ler Klinting Hoved 0,2 2,2 3,21 7 Sand Billund Sand 0,3 2,34 2,86 Den termiske ledningsevne (λ v) af porevæsken er sat lig 0,65 W/m/K, mens den volumetriske varmekapacitet (C v) af porevæsken er sat lig 4,2 x 10 6 J/m 3 /K. Parameterværdierne for de geologiske materialer er fundet på baggrund af laboratorieforsøg udført af Porsvig, M., (14). De anvendte effektive porøsiteter er taget fra Wiedermaier, 1996 (15). For den langs- og tværgående termiske dispersivitet er benyttet default værdier på henholdsvis 5 m og 0,5 m. For ekspansionskoefficenten er anvendt en default værdi på 0 K -1. For at simulere grundvandets termiske interaktion med atmosfæren er følgende tilpasninger inkorporeret i modellen: Termisk håndtering af den øverste del af modellen Toppen af det øverste sandlag er defineret med termiske egenskaber svarende til bulk-værdierne for umættet sand. Dette er vanskeliggjort, da modellen regnes som værende en fuldt mættet model. At benytte en mættet model er standard, da dette sparer ganske meget beregningstid samt sandsynliggøre en tilfredsstillende konvergering. I modellen er værdierne for de termiske parametre for det øverste beregningslag valgt således, at en mættet model vil anvende bulk-værdier svarende til umættede termiske parameter-værdier (14). I nedenstående ses de udførte tilpasninger af parameterværdierne for henholdsvis den termiske ledningsevne og volumetriske varmekapacitet. Se ligeledes de anvendte parameterværdier i Tabel 10. Rapport nr., /32

27 Varmeledningsevne [W/m/K] δ bulk = (δ materiale 1 porositet) + (δ væske porositet) 0,6 groft tørt sand = (0,58 1 0,3) + (0,65 0.3) Varmekapacitet [J/(K*m 3 )] C bulk = (C materiale 1 porositet) + (C væske porositet) 1,33 groft tørt sand = (0,1 1 0,3) + (4,2 0,3) Det ses at de korrekte værdier for væske (vand) er bibeholdt. Det er kun værdierne for materialerne der er tilpasset Heat Transfer Rate grænsebetingelse Inkorporering af en Heat Transfer Rate grænsebetingelse, som simulerer fluxen af energi over det klimatiske boundary layer. Det klimatiske boundary layer svarer til det luftlag nær terræn, som er påvirket af overfladens ruhed. Heat Transfer Rate grænsebetingelsen anvender en reference temperatur samt en transfer rate. Denne transfer rate repræsenterer modstanden, som findes imellem referencetemperaturen (lufttemperatur) og grundvandets temperatur, og defineres som δ = varmeledningsevne d = tykkelse af klimatisk boundary layer φ = δ/d Tykkelsen svarer til den estimerede tykkelse af det klimatiske boundary layer beliggende fra jordoverflade og op mod atmosfæren. Det er antaget, at det klimatiske boundary layer er 1 m i gennemsnit, som er en simpel antagelse (16). I Figur 17 ses klimanormalen for Midt- og Vestjylland for årene Den gennemsnitlige årstemperatur er 7.3 C. Hvis inkorporeret i modellen vil dette indebære en netto-påvirkning af grundvandets temperatur i negativ retning og en temperaturgradient med faldende grader vil over tid forekomme ned gennem jordsøjlen. Rapport nr., /32

28 Dette er ikke korrekt. Forskellen mellem grundvandets temperatur og luftens temperatur skyldes forsimplede antagelser, som er nødvendig i denne grundvandsmodel. For at imødekomme dette er lufttemperaturerne justeret således at de har en gennemsnitlig årstemperatur på 10 C. Figur 17. Klimanormalen for perioden for Midt- og Vestjylland (17). Ud fra ovenstående udregnes energi fluxen mellem grundvandet og atmosfæren med nedenstående relation 4.5 Simuleret potentiale Q heat = A φ (T luft T model ) (9) I Figur 18, samt på bilag 14, ses det simulerede hydrauliske trykniveau for Odderup Sandet. Dette svarer godt overens med potentialekortet udarbejdet af Ribe Miljøcenter, se Figur 4. Det ses, at potentialet i Odderup Sandet kun i ringe grad er påvirket af oppumpninger foretaget af Billund Vand og af vandløbet Billund Bæk. Det hydrauliske trykniveau ved det kommende grundvandskøleanlæg ligger ca. i 61 m DVR90. Rapport nr., /32

29 Figur 18. Simuleret hydraulisk trykniveau for Odderup Sandet. Rapport nr., /32

30 5 ATES simulering Det kommende grundvandskøleanlæg skal anvende det kolde grundvand til bl.a. at nedkøle en kølecentral ved Højmarksvej. Under drift vil anlægget oppumpe det ca. 10 C kolde grundvand og opvarme det til en temperatur på 14 C ved hjælp af overskudsvarme/energi fra de ovennævnte bygninger. Vandmængden, og derved energimængden, vil variere over året svarende til variationerne i lufttemperatur. 5.1 Modelscenariet Med henblik på at etablere initialbetingelserne for den dynamiske simulation, er den termiskhydrologiske model kørt i ligevægtstilstand (stationær). Det resulterende grundvandsspejl er blevet anvendt som udgangsniveau for den dynamiske simulering samt til beregning af sænkninger og stigninger. I det dynamiske scenarie simuleres 10 års drift fra januar til januar af grundvandskøleanlægget efterfulgt af 10 år uden drift. Det er ikke muligt at simulere en daglig variation i driften af køleanlægget, hvorfor pumperater og temperaturforskel angives på månedsbasis. Energimængder og pumperater for et drifts år ses i Tabel 11. Tabel 11. Energimængder, pumperater og temperaturforskel gældende for et enkelt drifts år. Måned Månedlig last [MWh] Flow [m 3 /måned] Delta T [ C] Jan. 148, Feb. 151, Mar 204, Apr. 225, Maj 347, Jun 450, Jul 502, Aug. 483, Sep. 441, Okt. 297, Nov. 198, Dec. 186, Rapport nr., /32

31 Der vil lokalt under drift forekomme en sænknings- og en stigningskegle som følge af oppumpning og injektion af vand. Der vil ligeledes, som følge af driften, opbygges et varmelager i grundvandsmagasinet. Resultaterne af modelscenariet kan ses i Rapport 1 (1). 6 Konklusion Den termisk-hydrologiske model bygger på et solidt datagrundlag, som udgøres af indsamlede data ifm. forundersøgelserne samt fra øvrige verificerede undersøgelser. Således vurderes data grundlaget at være fyldestgørende og brugbare som valide inputdata til den termisk-hydrologiske model. Modellen vurderes tillige at være valid og godt kalibreret. På baggrund heraf vurderes modelresultaterne, der er opnået på baggrund af modellen og danner grundlag for ansøgningen, også at være fuldt ud valide og troværdige. Rapport nr., /32

32 7 Bibliografi 1. Geo. Rapport 1. Konsekvensanalyse for grundvandskøleanlæg ved LEGO, Højmarksvej. s.l. : Geo, Ribe, Miljøcenter. Grundvandspotentialekort. s.l. : Miljøcenter Ribe, GEUS. Jupiter Database. [Online] Geo. Grundvandskøling - forundersøgelser, LEGO, Højmarksvej. Kgs. Lyngby : Geo, GEUS. Gerda Databse. [Online] Karan, Sachin. Sonnenborg, Torben O., Kidmose, Jacob. Undersøgelse af klimabetingede grundvandsstigninger i pilotområde Billund COWI. Vandel. Geologisk og Hydrostratigrafisk Model. s.l. : Naturstyrelsen, Kortforsyningen, Geodatastyrelsen. [Online] WASY. www. feflow.com. Help. [Online] G.P. Kruseman, N.A.Ridder. Analysis and Evaluation of Pumping Test Data. Wageningen : International Institute for Land Reclamation and Improvement, HydroSolve. Help. [Online] Boringers Virkningsgrad. Sørensen, Tage. Kalundborg : s.n. 13. Sonnenborg, T.O. & Henriksen, H.J. Håndbog i grundvandsmodellering. s.l. : GEUS. Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse., Porsvig, M. Varmeovergangsforhold omkring jordslanger. Kgs. Lyngby : s.n., Wiedermeier, T.H. et al. Technical protocol for evaluating natural attenuation of chlorinated solvents in groundwater. s.l. : Air Force Center for Environmental Excellence, Oke, T.R. Boundary Layer Climate. Cornwall : Routledge, DMI. [Online] Rapport nr., /32

33 Bilag 1

34 s/q [m 2 /t] 3 trinsforsøg. Pumpeforsøg Tolkning y = x R² = Q [m 3 /t] Borehul karakteristik, transmissivitet (T) og virkningsgrad Sænkning Jacobs relation [s = BQ + CQ2] Q Q 2 Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] 9.21 S maks [m] 2.45 Q maks [m 3 /t] Specifik kapacitet [m 3 /t/m] Stigning Beregnet S 6min, efter pumpestop [m] - Beregnet S 60min, efter pumpestop [m] - Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] - Virkningsgrad [%] - Kommentarer Sags Nr.: LEGO. Højmarksvej Udført: TSK Dato: 05/10/2014 Emne: 3 trinsforsøg Kontrol: CNH Dato: 06/10/2014 Rapport nr.: 2 Godkendt: JJF Dato: 06/10/2014 Bilag: 9 Side:

35 Bilag 2

36 3 trinsforsøg. Pumpeboring Obs. Wells Aquifer Model Confined Solution Theis (Recovery) Parameters T = m 2 /sec S/S' = 34.1 Tolkning Residual Drawdown (m) Time, t/t' Borehul karakteristik, transmissivitet (T) og virkningsgrad Sænkning Jacobs relation [s = BQ + CQ2] - Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] - S maks [m] - Q maks [m 3 /t] - Specifik kapacitet [m 3 /t/m] - Stigning Beregnet S 6min, efter pumpestop [m] - Beregnet S 60min, efter pumpestop [m] - Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] 7.8 Virkningsgrad [%] 80 Kommentarer Sags Nr.: LEGO. Højmarksvej Udført: TSK Dato: 05/10/2014 Emne: 3 trinsforsøg Kontrol: CNH Dato: 06/10/2014 Rapport nr.: 2 Godkendt: JJF Dato: 06/10/2014 Bilag: 10 Side:

37 Bilag 3

38 Langtidspumpeforsøg. Pumpeboring Tolkning Obs. Wells Aquifer Model Confined Solution Theis (Recovery) Parameters T = m 2 /sec S/S' = Residual Drawdown (m) Sænkning Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] - Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] - S maks [m] 2.61 Q maks [m 3 /t] 39.5 Specifik kapacitet [m 3 /t/m] Varighed [min] Stigning E+4 1.0E+5 Time, t/t' Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] 9.1 Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] 5.7 Magasintal, S [x 10-5 ] - Lækage Koefficient [m -1 ] - Anisotropi [-] - Specikationer Magasintykkelse [m] 16 Filterlængde [m] 8 Borehul diameter [m] Filter diameter [m] Sags Nr.: LEGO. Højmarksvej. Udført: TSK Dato: 01/12/2014 Emne: Langtidspumpeforsøg Kontrol: CNH Dato: 01/12/2014 Rapport nr.: 2 Godkendt: JJF Dato: 01/12/2014 Bilag: 11 Side:

39 Bilag 4

40 Langtidspumpeforsøg. Pumpeboring Tolkning Residual Drawdown (m) Obs. Wells Aquifer Model Leaky Solution Hantush-Jacob Parameters T = m 2 /sec S = r/b = Kz/Kr = 1. b = 16. m E+4 1.0E+5 Time, t/t' Sænkning Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] - Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] - S maks [m] 2.61 Q maks [m 3 /t] Specifik kapacitet [m 3 /t/m] Varighed [min] Stigning Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] 8.6 Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] 5.4 Magasintal, S [x 10-5 ] - Lækage coefficient [m -1 ] - Anisotropi [-] - Specikationer Magasintykkelse [m] 16 Filterlængde [m] 8 Borehul diameter [m] Filter diameter [m] Sags Nr.: LEGO. Højmarksvej. Udført: TSK Dato: 01/12/2014 Emne: Langtidspumpeforsøg Kontrol: CNH Dato: 01/12/2014 Rapport nr.: 2 Godkendt: JJF Dato: 01/12/2014 Bilag: 12 Side:

41 Bilag 5

42 Langtidspumpeforsøg. Observationsboring Tolkning Obs. Wells Aquifer Model Leaky Solution Hantush-Jacob Parameters T = m 2 /sec S = r/b = Kz/Kr = 1. b = 16. m Displacement (m) Sænkning Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] 10.6 Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] 6.6 S maks [m] - Q maks [m 3 /t] - Specifik kapacitet [m 3 /t/m] - Varighed [min] Stigning E+4 1.0E+5 Time (min) Transmissivitet, T [x 10-3 m 2 /s] - Hydraulisk ledningsevne, k [x 10-4 m/s] - Magasintal, S [x 10-4 ] 5.6 Lækage coefficient [m -1 ] 0.11 Anisotropi [-] - Specikationer Magasintykkelse [m] 16 Filterlængde [m] 8 Borehul diameter [m] Filter diameter [m] Sags Nr.: LEGO. Højmarksvej. Udført: TSK Dato: 01/12/2014 Emne: Langtidspumpeforsøg Kontrol: CNH Dato: 01/12/2014 Rapport nr.: 2 Godkendt: JJF Dato: 01/12/2014 Bilag: 13 Side: