Tidsligt opløste tyngdemålinger som data i modeller for den umættede zone en ny geofysisk metode i hydrologisk modellering? Lars Christiansen, Allan B. Hansen, Majken C. Looms, Eline B. Haarder, Philip J. Binning, Dan Rosbjerg, Ole B. Andersen and Peter Bauer-Gottwein
HYDROGRAV-projektet Mål: Kalibrering af hydrologiske modeller vha. tyngdedata Finansiering: FTP og DTU DTU Miljø, DTU Space, DHI, COWI Kører 2007 2010 (september) Ansøgning om fortsættelse indsendt (WaterSpace) 2
HYDROGRAVs to dele Tyngdemålinger fra rummet Tyngdemålinger på jorden Skala: > 400 km (regional) Studieområde: Sydlige Afrika Pernille Krogh, DTU Space Data downloades fra hjemmeside Skala: 10-100 meter (lokalt) Studieområde: DK og Botswana Mættet og umættet zone Data indsamles selv http://op.gfz-potsdam.de/grace/index_grace.html 3
Hvad skal I høre h om? Hvorfor bruge tyngdemålinger? Målemetoder: Tyngde og jordradar (GPR) Feltlokalitet: Arrenæs ved Arresø Data & tolkning Følsomhedsanalyse - hvad kan vi få ud af data? Konklusioner Perspektiver 4
Mål l & Motivation Problem Modelparametre for den umættede zone er svære at fastslå Prøver fra borehuller: lokal, invasiv og forstyrrer prøven Resistivitets- og radarmetoder giver proxy-data. Petrofysisk sammenhæng nødvendig Tyngde Direkte måling af masseændring Ikke-invasiv (ikke-destruktiv og mindre udgift) Større volumen = mere repræsentativ 5
Metode Forceret infiltration: 10.3 m x 10.3 m 86 mm pr dag over 14 dage Måle ændring i tyngde Tyngde ikke-unikt problem: kombiner borehul-borehul jordradar (ground penetrating radar, GPR) koblet hydrogeofysisk inversion 6
Koblet hydrogeofysisk inversion Eksempel 1 søjle 100 lag i modellen 20 måletider 6 hydrologiske parametre Traditionel inversion for densitet 1 x 100 x 20 = 2000 parametre Koblet hydrogeofysisk inversion 1 x 6 = 6 parametre Den hydrologiske model lægger bånd på løsningsmulighederne! 7
Opstilling 10.3 m Tyngdestation (oppe ad bakken) Referencestation 50 m væk 10.3 m GPR-huller 11 m dybe Tyngdestation (central) 8 Tyngdestation (nede ad bakken)
Tværsnit 30 m 11 m 25 30 m Direct-push borehulsprøver (tidl. projekt) Geologi: - Glaciale aflejringer - Domineret af sand og grus - Indlejret ler - Detaljeret geologi ikke kendt 9
10
11
Tyngdeændringer ndringer 25 Før vanding Under vanding 20 Change Tyngdeændring gravity [µgal] 15 10 5 0-5 Central station Station oppe ad bakken Station nede ad bakken 5-Sep 10-Sep 15-Sep 20-Sep 25-Sep 30-Sep 12
Jordradar (GPR) Mean Middelvandindhold moisture content under (irrigation vanding phase) [µgal] [-] 0.05 0.10 0.15 0.20 1 2 3 4 Dag 4 Dag 6 Dag 3 Depth Dybde [m] [m] 5 6 7 Dag 15 Dag 9 8 9 10 13 11
Tyngde og GPR Før vanding 25 Under vanding Efter vanding Tyngdeændring Change gravity [µgal] 20 15 10 5 0 Central station Andet GPRinstrument GPR-data omregnet til tyngdeændringer -5 5-Sep 10-Sep 15-Sep 20-Sep 25-Sep 30-Sep 14
UZ-model og tyngderespons Før vanding 25 Under vanding Efter vanding Tyngdeændring Change gravity [µgal] 20 15 10 5 0 Central station Hydrologisk model (1D) GPR-data omregnet til tyngdeændringer -5 5-Sep 10-Sep 15-Sep 20-Sep 25-Sep 30-Sep 15
Følsomhedsanalyse Skaleret følsomhed 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0-0.05 Resterende vandindhold Mættet vandindhold α (van Genuchten) n (van Genuchten) Mættet hydraulisk ledningsevne l (Mike SHE parameter) Skaleret følsomhed 16
Diskussion Fordele Ulemper Eneste metode til direkte måling af ændring i vandmængden Spare borehuller => spare penge Meget velegnet ved store kontraster: sandet jord, meget nedbør, høj evapotranspiration Ikke-unikt problem Kræver en hvis specialviden Dyr instrumentering: købspris ½ mio. eller mere (kan evt. lejes) Signal-støjforholdet lavt i Danmark (kun små ændringer i jordens vandindhold) Svært at adskille mættet/umættet bidrag 17
Konklusioner Vandbevægelser i den umættede zone kan måles som tyngdeændring (ved relativt store ændringer) Tyngde- og GRP-data stemmer overens Tyngde er mest følsom over for mættet vandindhold som modelparameter Metoden ikke moden til egentlig industriel brug endnu! 18
Perspektiver Forbedre grundvandsmodeller (mættet/umættet) Mulig dansk (industriel) anvendelse: Ændring i opmagasineret vand på oplandsskala Bestemme UZ modelparametre på feltskala Kortlægge udbredelse af vand ved lagring i jorden (injektion) 19
20 Tak til: