Grundvattenkontroll vid undermarksanläggningar Bosse Olofsson, prof Mark och vattenteknik, KTH Kursinnehåll Vad är ett mätprogram, ett övervakningsprogram och ett kontrollprogram? Hur många mätpunkter behövs och hur ofta måste man mäta Hur går det att skilja naturliga variationer och påverkan från anläggningen 2016-03-20 SGF 2 Svenska Geotekniska Föreningen 1
Anläggningar under grundvattennivån kräver någon form av undersökning och kontroll av grundvatten Effekter av sättningar i Stockholm Birger Jarlsgaten 1994 2016-03-20 SGF 3 Viktiga frågeställningar Övergripande syfte med undersökningen? I vilket område? Vad ska undersökas? För vem ska undersökningarna göras? Hur ska undersökningarna göras? Hur ofta ska undersökningarna göras? Hur ska undersökningen presenteras? Svenska Geotekniska Föreningen 2
Definitioner Mätprogram Övervakningsprogram (Monitoringprogram), Kontroll program Mätprogram - innehåll Vilka mätningar ska utföras Var ska dessa mätningar utföras Vilken mätteknik ska användas Hur ska mätningarna analyseras och presenteras Svenska Geotekniska Föreningen 3
Exempel på mätprogram för grundvatten Hallandsås. Beräknad grundvattenavsänkning i jordlagren 2002 Tunneln Ormen i Stockholm, mätpunkter Övervakningsprogram (monitoring) Tidsmäsigt upprepade mätningar Analys av tidsmässiga förändringar EU kräver övervakning för analys av miljösituationen Svenska miljömålen (16) kräver övervakningsprogram Kan göras i alla skalor (internationellt, nationellt, regionalt, lokalt, detaljerat) Svenska Geotekniska Föreningen 4
2016 03 16 Övervakningsprogram (exempel) Temperaturförändringar Nederbördsförändringar Bergsspänningar Grundvattennivåer vid tunnelbyggande Inläckage i tunnlar Flödesmätningar i vattendrag... Övervakningsprogram. Generella övervakningsprogram (klimatförändringar) Långtidsövervakning vid specifika object (t.ex vid deponier och vattenförsörjning) Tillfälliga övervakningsprogram vid specifika object, t.ex. byggnadsarbeten Mycket tillfälliga övervakningsprogram vid specifika händelser, t.ex. olyckor Svenska Geotekniska Föreningen 5
Exempel på nationella och regionala databaser för övervakningsprogram Vattendata från Vattenmyndigheten (VISS) Klimatdata vid SMHI Grundvattennätet vid (SGU) Terrängdata från Lantmäteriet Brunnsarkivet (SGU) Stockholms kommun.. Kontrollprogram OBS skilj mellan Mätprogram och Kontrollprogram Mätprogrammet är en liten men viktig del av kontrollprogrammet Svenska Geotekniska Föreningen 6
Innehållet i ett kontrollprogram Klara mål Mätinstruktioner Hantering av mätdata Analysverktyg Presentationsverktyg Jämförelse med gränsvärden (limits etc) Åtgärder om gränsvärden överskrids Kontroll av resultatet av åtgärderna Kontrollprogram krävs oftast vid stora infrastrukturprojekt Exempel på innehåll Kontroll av grundvattennivåer Kontroll av grundvattenkemi Kontroll av vibrationer, stomljud mm Kontroll av sättningar... Svenska Geotekniska Föreningen 7
Exempel Citybanan, Stockholm Mätstationer Antal och lokalisering av observationsrör BEROR AV Syftet med undersökningsprogrammet Storlek och form på undermarksanläggningen Värdet av det som ska skyddas Behov av noggrannhet i bestämningen Heterogeniteten och anisotropin i geologi och hydrauliska egenskaper En god regel är att utgå från en bra geologisk och hydraulisk modell över området 2016-03-20 SGF 16 Svenska Geotekniska Föreningen 8
Sprickzoner och jordmäktighet vid Citybanan Begreppen heterogenitet och anisotropi Svenska Geotekniska Föreningen 9
Sand Mycket viktigt att ta hänsyn till markens egenskaper (hydraulisk konduktivitet, heterogenitet, anisotropi). Våra beräkningsmetoder utgår oftast från isotropa och homogena förhållanden. Verkligheten är dock anisotrop och heterogen, vilket bör märkas i våra bedömningar. Morän Infiltrationen Berg i berg är måttlig till liten Hur ska man lokalisera undersökningsrören? Föroreningskälla Svenska Geotekniska Föreningen 10
2016 03 16 Exempel på såväl hög heterogenitet som hög anisotropi Svenska Geotekniska Föreningen 11
2016 03 16 Vad representerar en grundvattennivå? En grundvattennivå är i regel inte en yta utan representerar en trycknivå i just den punkten, dvs där atmosfärstrycket och vattentrycket är lika 2016-03-20 SGF 23 Grundvattennivåer beror på de geologiska förhållandena Berg Sand och grus (mättad/omättad) Svallsand (mättad/omättad) Lera öppna akviferer Morän slutna akviferer Svallsand Sand and gravel Lera Morän Berg Svenska Geotekniska Föreningen 12
Grundvattenflöde Således osäkert att rita isokurvor över grundvattnets strömning bara utifrån nivåmätningar. Måste kopplas samman med geologisk modell 37 m 36 m 35 m Mätpunktssystem piezometer grupp piezometer transekt piezometer nätverk Grupp Transekt Nätverk Svenska Geotekniska Föreningen 13
Interpolationsmetoder Linear triangular Kapacitet l/h Kapacitet i Borrade brunnar, Uppland Kriging Nearest neighbor Berg Sand och grus Sand och silt Sprickzon Lera Morän Svenska Geotekniska Föreningen 14
Exempel på dubbla akviferer i Stockholm Fyllning Övre grundvattennivå Undre grundvattennivå Lera Morän Berg Stockholms fastighetskontor Mätutrustning Plopper Elektrisk mätlina Tryckgivare Svenska Geotekniska Föreningen 15
Hur ofta ska mätningar göras? Beror på: syftet med mätningarna de naturliga fluktuationerna teknik För att kunna analysera säsongsmässiga variationer krävs vanligtvis mätning var 14e dag 20 Analys av grundvattennivåer 19 18 17 16 1968 20 1969 1970 1971 Bogesundslandet 1968 94 19 m.a.s.l. 18 17 16 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 2016-03-20 SGF 32 Svenska Geotekniska Föreningen 16
Antropogena effekter på grundvattennivåerna Undermarkskonstruktioner (tunnlar, bergrum, schakter) Gruvor och stenbrott VA-anordningar Hårdgöring av ytor Uttag och infiltration av grundvatten Upphettning och avkylning Hur kan man skilja antropogena effekter från naturlig variation? Beräkning av grundvatten-påverkan Analytiska lösningar Numeriska metoder Sårbarhetsanalyser Svenska Geotekniska Föreningen 17
1 Difference (m) 0-1 -2-3 -4-5 2004 Mätdata 2004 2012: Har detta rör påverkats? 1.3 m avsänkning 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 1 Difference (m) 0-1 -2-3 -4 2004 2005 Mätdata 3.5 m 2004 2012: avsänkninghar detta rör påverkats? 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Ackumulerad nederbörd (2 veckor) Mätprogrammen är ofta * Icke ekvivalenta * Icke stationära * För korta mätserier * Andra problem m.a.s.l. m.a.s.l. Byggande av tunnel 128 84 128 158 127 83 127 157 82 126 126 81156 125 80 155 1971 1982 1971 1972 1972 1983 1973 1973 1984 1974 1974 Bol122.gwl Bol538.gwl Bol122.gwl Bol18.gwl 1985 1975 1975 1986 1976 1976 *Grw-levels* *Grw-levels* *Grw-levels* 1977 1977 1987 1978 1978 1988 1979 1979 1989 1980 1990 1981 1991 1982 1983 1992 Svenska Geotekniska Föreningen 18
Metoder för analys av grundvattennivådata Tidserieanalys Stegvis regression (SLRA) Modifierad double mass och invers modellering (MDM) Processbaserad modellering Tidserieanalys kräver långa tidsserier och ekvivalenta data Value A =Original curve B = Trend Time C = Periodical part D = Stochastic part 2016-03-20 SGF 38 Svenska Geotekniska Föreningen 19
2016 03 16 Metodik för beräkning av avsänkning MDM och SLRA kräver referensgrundvattenserier (t ex SGUs mätserier eller lokala opåverkade serier) Metodik för beräkning av avsänkningrullande medel r2 värden Automatisk beräkning av r2 värden och avvikelser (m) från naturliga grundvattennivåer genom stegvis regressionsanalys Stepwise regression method 1 v sk (a0 b0 xi ) (ak bk xi ) n i 1 k=m,m+1,m+2,..n sk=drawdown for the k:th value after construction Regressionslinje före a0,b0 =coeff. for the best fitted regr.line prior to construction respektive efter tunnelbygget ak,bk =coeff. for the k:th regr.line after construction N=total number of values NAC=number of measurements after construction v=number om measurements in the regr.analyses M=N NAC+v Xi=1,2,..v=values of the groundwater level at a reference site Svenska Geotekniska Föreningen 20
Modifierad double mass dx j = x j / x dy j = y j / y xi ( dxj 1) i = 1,2,..., n i j 1 Groundwater Control Programme This programme is used for control of groundwater levels. It is built for constructional companies as well as for systematical municipal planning of groundwater levels. Author: Bo Olofsson, Royal Institute of Technology (KTH) Div of Land and Water Resources. tel +46 8 790 8632 fax +46 8 411 0775 email boolof@l.kth.se Calculations were carried out with DOUBLE MASS and STEPWISE LINEAR REGRESSION within the GCP Programme ( Olofsson) Svenska Geotekniska Föreningen 21
Exempel Stockholm 3 1 143 142 m.a.s.l. 141 140 2 139 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 0.0 1 Alarm i augusti 1995 Difference (m) -0.2-0.4-0.6-0.8-1.0 2 Lägsta accepterade grundvattennivå 3 I verkligheten, avsänkning redan i oktober 1994 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Exempel på grundvattennivåmätningar vid ett mycket känsligt objekt avsaknad av kontroll Svenska Geotekniska Föreningen 22
Sammanfattning av kursen Skilj mellan mätprogram och kontrollprogram (kontrollprogram ska innehålla analys och åtgärder) Hydrogeologisk heterogenitet och anisotropi måste beaktas vid val av mätpunkter (ska baseras på god hydrogeologisk modell) En grundvattennivåmätning är oftast lokal och unik (varierar över tid och rum) Grundvattenpåverkan från anläggningen kan ofta beräknas (skiljas från naturliga fluktuationer med någon dm noggrannhet) Viktigt att följa grundvattennivåutvecklingen kontinuerligt (om man väntar tills effekter uppstått kan det vara för sent) 2016-03-20 SGF 45 Svenska Geotekniska Föreningen 23