Grundvattenflöde i större skala, kopplat till anläggningsprojekt. Lars O. Ericsson. SBUF-seminarium Vatten i anläggningsprojekt, , Göteborg

Transkript

1 Grundvattenflöde i större skala, kopplat till anläggningsprojekt Lars O. Ericsson SBUF-seminarium Vatten i anläggningsprojekt, , Göteborg

2 Innehåll: Problemställningen Hydrogeologiska sammanhanget Hydrogeologiska egenskaper En storregional modellerings villkor/upplägg En storregional modellerings resultat/slutsatser Undermarksbygge - avsänkning och återhämtning Inläckaget & Dräneringen

3 PROBLEMEN Sättningar Arbetsmiljön Dränering Täthet Vegetation/Is

4 HYDROGEOLOGISKA SAMMANHANGET

5 En föråldrad hydrogeologisk modell Johannes Herbinius (1678): Dissertationes de admirandis mundi cataractis supra et subterraneis Athanasius Kircher (1664): Mundus Subterraneus

6 Varför är det på detta viset?

7 Hydrologiska budgeten: P E = R S + R G ± M P = Nederbörd E = Totala avdunstningen (evapotranspirationen)? R S = Ytavrinning R G = Grundvattenavrinning?? M = Magasinsförändringarna av yt- eller grundvatten samt av bundet eller fritt markvatten

8 Regionalt och sett över långa tidsrymder motsvaras grundvattenbildningen av specifik avrinning! P med - E med = R S,med Humid klimattyp Årlig avrinning i l/km 2,s Medel = ca 14 l/km 2,s!

9 Skillnad i avrinning?

10 Terräng i norra Tyskland 1 km

11 Terräng i södra Sverige 1 km

12 Geologins betydelse för in- och utströmning

13 Grundvattenbildning Nederbörd Avdunstning Transpiration Markyta Fältkapacitet Vissningsgr äns Fältkapacitet Grundvattenbildning Kapillär zon Markvattenzon Grundvattennivå Grundvattenzon jord Grundvattenzon berg Grundvattenflöde Jord Grundvattenflöde Berg 98% 2%

14 HYDROGEOLOGISKA EGENSKAPER

15 Bohuslän berggrund

16 Pegmatit Bohusgranit

17 Exampel brunnsarkivet SGU

18 1 Fördelning, transmissivitet, log T 0,9 0,8 0,7 P(T<T n ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1E-08 0, , , ,0001 0,001 0,01 0,1 1 Transmissivitet från Specifik kapacitet, T i m 2 /s

19 K (m/s) Exampel: Nivå (m) Konduktivitet vs. Djup, Mätintervall 100m Inga RVS zoner, skala 100 m Simpevarp Laxemar Äspö Ävrö K= Z e ( Z) K= Medel K Medel K - 1 std Medel K + 1 std Konf gräns 95% låg Konf gräns 95% hög K vs depth plot 200b Version 2 svensk.grf

20 0 TRANSMISSIVITET (m2/s) Exampel: NIVÅ (m) ZSMEW002A ZSMEW007A ZSMEW009A ZSMEW013A ZSMEW014A ZSMEW038A ZSMEW900A ZSMNE004A ZSMNE005A ZSMNE006A ZSMNE012A ZSMNE015A ZSMNE016A ZSMNE024A ZSMNE031A ZSMNE040A ZSMNS017B ZSMNW025A ZSMNW028A ZSMNW042A ZSMNW048A ZSMNW928A ZSMNW929A ZSMNW932A Geometriskt medel T Std låg T Std hög Konf gräns låg 95% Konf gräns hög 95% T=0.219 Z ( Z) T= e T vs elevation plot 106 d2 Version 2 svensk.grf Transmissivitet vs. Djup Deformationszoner

21 Geologin och det humida klimatet innebär att grundvattenytan följer topografin!

22 Topografins och reliefens betydelse? Vilken effekt ger Sveriges strukturella relief? lokala eller regionala?

23 STORREGIONAL MODELLERINGS VILLKOR/UPPLÄGG

24 Storregional grundvattenmodellering - fördjupad analys av flödesförhållanden i östra Småland. Jämförelse av olika konceptuella beskrivningar , Lars O. Ericsson, Johan Holmén, Ingvar Rhén, Niklas Blomquist

25 Storregional modellering, mål: - utvärdera konceptuella förenklingar och modellosäkerheter vid regional grundvattenmodellering. - genomföra en fördjupad och förutsättningslös analys av regionala flödesförhållanden i östra Småland.

26 Avrinningsområden för Emån, Virån, Marströmmen samt kustnära områden Nässjö Eksjö Vetlanda Hultsfred Virån Marströmmen Site investigations Emån Oskarshamn Kilometers 366 High m: 366, Low m : -102,350021

27 Databaser, underlagsmaterial Hydrologi Avrinningsområden (SMHI) Sjöar och vattendrag (SMHI) Topografi LMV 50 m grid Batymetri 50 m modell Sjökort 1: Detaljmodell (Simpevarp) Kvartära avlagringar SGU nationell databas (1: ) SGU Hydrogeologiska kartblad Berggrund SGU nationell databas (1: ) Strukturer och gångbergarter SKB Regional studie av SGU SGU länskarta Kalmar Smålandsprojektet, SGU Hydraulisk kondukivitet och transm. Brunnsdatabas (SGU regional studie) Djupa hål, litteratur Diabasgångar, Gideå samt int. litt. Div Platsundersökn., Äspö, Typomr. Salinitet Övre berggrund (SGU regional studie) Djupare bergnivåer div SKB, int. litt.

28 Berggrund

29 Deformationszoner - Modellering Deform.zoner som 2dim DT30 objekt

30 Randvillkor Randvillkor vid modellens övre yta: Specificerat tryck (atmosfäriskt) längs med den undulerande topografin, sjöar och vattendrag. Vid åsar baseras trycket på den topografiska nivån på omgivande tätare avlagringar. Randvillkor vid modellens sidor: Täta sidor. Kvartärgeologiska avlagringar Förenklad bild av grundvattnets flödsmönster Ås Randvillkor vid modellens botten: Tät botten. Sjö Skjuvzon Under havet: Specificerat tryck längs med havsbotten, som ges av havsbottens nivå, vattennivån och vattnets vikt. Randvillkor vid modellens sidor: Täta sidor.

31 Numerisk modellering, frågeställningar Parameters studied q t och salthaltsutveckling L Analys av flödesvägar inklusive osäkerheter Hydrogeol. koncept (Heterogenitet/Anisotropi) Topografisk influens Tidsskalor Hur kan man föreskriva randvillkor för mer lokala modeller?

32 Statistisk bearbetning av resultat från av 6026 förvar (1 km2 på 500 m)

33 STORREGIONAL MODELLERING RESULTAT/SLUTSATSER

34 Referensfall, (nr 5) Basfall 1-5 Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande K Vertikala zoner med djupavtagande K Diabasgångar med anisotropi K tvärs = 0.01*K Sötvatten, Stationär

35 Ett 30-tal variationsfall! Här kommer några exempel

36 Homogen K Sötvatten, Stationär Basfall 0-A

37 Basfall 0-B Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande K Vertikala zoner med djupavtagande K Diabasgångar med anisotropi K tvärs = 0.01*K Sötvatten, Stationär

38 Homogen K Sötvatten, Stationär Basfall 1

39 Homogen K Saltvatten, Transient Basfall 1s1

40 Homogen K Anisotropi ( Kv>Kh) Sötvatten, Stationär Basfall 2

41 Homogen K Anisotropi ( Kh>Kv) Sötvatten, Stationär Basfall 3

42 Homogen K Djupavtagande K Sötvatten, Stationär Basfall 4

43 Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande K Vertikala zoner med djupavtagande K Diabasgångar med anisotropi K tvärs = 0.001*K Sötvatten, Stationär Basfall 5B

44 Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande K Vertikala zoner med djupavtagande K Diabasgångar med anisotropi K tvärs = *K Sötvatten, Stationär Basfall 5C

45 Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande Anisotropi med Kh > Kv Vertikala zoner med djupavtagande K Diabasgångar med anisotropi K tvärs = 0.01*K Sötvatten, Stationär Basfall 5D

46 Jordlager, Litologiska domäner med djupavtagande K Inga vertikala zoner Inga diabasgångar Sötvatten, Stationär Basfall 5F

47 a) Uniformt K b) Djupberoende K c) Anisotropi ( Kh>Kv, Kh<Kv) Basfall 1-2

48 Jordlager och Litologiska domainer (HRD) a)uniforma K för varje HRD b) Djupberoende K Basfall 1-3

49 Jordlager, Litologiska domäner, vertikala zoner, diabasgångar Uniforma K Basfall 1-4

50 Jordlager, Litologiska domäner, vertikala zoner, diabasgångar Djupavtagande K Basfall 1-5

51 Jordlager, Litologiska domäner, vertikala zoner, diabasgångar Horisontella zoner stokastiskt placerade Djupavtagande K Basfall 1-6

52 Stokastisk beräkning Jordlager, Litologiska domäner, vertikala zoner, diabasgångar Djupavtagande K Basfall 1-7

53 Utjämnad trycknivå vid ytan Jordlager, Litologiska domäner, vertikala zoner, diabasgångar Djupavtagande K Basfall 1-8

54 Case 5. Reference case. Depth dependent conductivity. Amount of flow paths with Lengths > 10 Km = 0.6% (analyses of all paths in model) Case 2. Conductivity constant with depth. Anisotropy: K horizontal 10 times larger than K vertical Amount of flow paths with Lengths > 10 Km = 25% (analyses of all paths in model)

55 Studiens slutsatser: Störst betydelse för regionala flödesmönstret har topografin. Den topografiska undulationen är av större betydelse än konduktivitetsfältets egenskaper. Grundvattnets flödesmönster kan beskrivas som en huvudsakligen lokal flödesprocess. Medianlängden på flödesvägarna från ett tänkt förvar är i studien av storleksordningen 2 km och andelen storregionala flödesvägar (längre än 10 km) är mycket liten.

56 Studiens slutsatser, forts: Om den hydrauliska konduktiviteten avtar mot djupet erhålls flödesceller med mer begränsad utsträckning än om så inte vore fallet. Anisotropi i konduktivitetsfältet med större horisontell hydraulisk konduktivitet än vertikal ger relativt sett större flödesceller och långa flödesvägar förlängs. Deformationszoner och diabasgångar har betydelse för det lokala flödesmönstret men liten betydelse för det regionala.

57 Studiens slutsatser, forts: Ökad konceptuell komplexitet ger ökad tendens till att mer lokala flödesceller utvecklas.

58 EFFEKTER AV UNDERMARKSBYGGE, -AVSÄNKNING OCH ÅTERHÄMTNING

59

60 Grundvattennivåer i jordlager och berggrund i samband med uttag från experimentytan F3 m a.s.l GGF GGF GGF Snabb återhämtning!? m a.s.l HGF31 HGF32 HGF33 HGF34 HGF Diagram från Mossmark, 2013

61 Avrinningsvärden mm/månad före, under och efter uttag - Återhämtningsvärden plottade per år Hur modellerar vi vattenflöden efter störning av ett tunnelbygge? Diagram från Mossmark, 2013

62 INLÄCKAGET & DRÄNERINGEN

63 Beskrivning av inflöde till tunnlar? Foto: Lars O. Ericsson

64 Konceptuell idé av EDZ runt en tunnel Modifierad från Rutqvist och Stephansson, 2003

65 Kan vi lära av analogier? - Varför drunknar inte backsvalan när det regnar? från Wikipedia

66 Skillnad mellan strukturer med hög och låg effektiv porositet? Rel. hydraulisk konduktivitet Vattenhalt Modifierad från Ward, 1975

67 I Sverige kostar inklädnader och dräner ca 500 miljoner kronor per år! Från Ansell et al, 2006 Foton från Tyréns

68 Droppet flyttade sig. Foto från Tyréns Hur modellerar vi mättade och omättade flöden i berg för design av ingenjörsbarriärer?

69 SAMMANFATTNING Grundvattnets flödesmönster är mera lokala än vi tror i den svenska terrängen Snabba återhämtningar i bergborrhål behöver inte innebära att hydrologisk balans råder Kan vi fysiken bakom dräners funktion?