| Forside | | Indhold | | Forrige |

BAM's skæbne i grundvand

Bilag H. Parameterisering og kalibrering af simuleringsmodeller

H.1 Indledning og formål

Formålet med dette bilag er, at beskrive de anvendte opsætninger og kalibreringen af modellerne MACRO og FRAC3Dvs til simulering af den modelbaserede massebalance for Søndersø (lerjord) og Bedsted (sandjord) værkstedsområder.

Til modellernes grundopsætning er anvendt skønnede repræsentative værdier for jordfysiske og hydrologiske modelparametre for ler og sandjord. Disse grundopsætninger er forsøgt kalibreret overfor målte data for bromidudvaskning (konservativ tracer) fra tilsvarende jordtyper fra GEUS’ pesticidvarsling (VAP) (GEUS, 2004).

Modelsimuleringerne forventes på dette grundlag at give tilnærmede gennemsnitlige beskrivelser af transportegenskaber for jordtyperne i værkstedsområderne.

H.2 Søndersø værkstedsområde (Lerlokalitet)

Til simuleringerne i værkstedsområdet er anvendt kortlagte data fra for lertykkelsen og vandbalancen opdelt på 125 x 125 grids (Fyns Amt, 2003b). Endvidere er anvendt data for sorption og nedbrydning af DCB og BAM, der delvist er baseret på prøver fra værkstedsområdet (kapitel 4). Figur H.1 viser de enkelte trin i opsætningen og kalibreringen af modellerne.

H.2.1 Modelkoder og opsætning

Strømningen og pesticidtransporten i umættet zone er beskrevet med modelkoden MACRO version 5.0 (Larsbo et al., 2003). Umættet zone er i hele værkstedsområdet defineret som de øverste 3 meter af det geologiske profil, svarende til den karakteristiske tykkelse af denne zone i dansk moræneler (Jørgensen et al., 1998a; PEGASE, 2004; Jørgensen et al. 2004; Jørgensen et al., 2002).

Transporten af DCB og BAM i `sekundært grundvand/dæklag' er beregnet vha. modelkoden FRAC3Dvs (Therrien, 1996). Modellen er en 3D grundvandsmodel, der ligesom MACRO beskriver stoftransport i makroporer og matrix i lerlaget. Koblingen mellem MACRO og FRAC3Dvs sker som en såkaldt løs modelkobling, hvor flux-værdierne af DCB og BAM fra nedre rand af MACRO (bunden af `umættet zone', konstant i 3 mu.t.) indlæses semi-automatisk i grundvandsmodellen FRAC3Dvs (Stenemo et al., i review). I det følgende beskrives den anvendte opsætning og kalibreringsprocedure for MACRO og FRAC3Dvs, figur H.1.

Figur H.1 Opsætning og kalibreringsprocedure for MACRO og FRAC3Dvs til modelsimuleret massebalance for Søndersø værkstedsområde. /1/: GEUS, 2004; /3/: Larsbo et al., 2003; /5/: PEGASE, 2004; /6/: Jørgensen et al., 2004a; /7/: Jørgensen et al., 2002; /14/: Jørgensen et al., 1998b

H.2.1.1 MACRO (umættet zone, 0 - 3 mu.t.)

Den jordfysiske og hydrauliske grundopsætning af MACRO er baseret på data fra en lerlokalitet ved Havdrup på Sjælland (figur 2). Denne vurderes at være generelt repræsentativ for en dansk makroporøs lerjord (Jørgensen et al., 2003). I nærværende projekt er modellens beskrivelse af konservativ stoftransport efterfølgende kalibreret overfor udvaskningsdata fra en lignende lerjord (Fårdrup) fra GEUS’ pesticid varslingsprogram (VAP) (GEUS, 2004).

Diskretisering: Ud fra jordprofilet i Havdrup er MACRO opdelt i 60 lag, der dækker i alt 8 jord horisonter (A-C) (Miljøstyrelsen, 1990b). Tykkelsen af lagene varierer fra 0,3 til 4,85 cm i A horisonten og tykkelsen af lagene i B1 horisonten er 7,5 cm. I de øvrige horisonter B2 til C4 har hvert lag en tykkelse på 5 cm. Der er anvendt 1 time som tidsskridt, hvilket svarer til standardopsætningen af modellen i Larsbo et al. (2003).

Klimatiske data: De dynamiske variable i modellen er daglig nedbør, daglig lufttemperatur og daglig referencefordampning. Der er anvendt data for temperatur samt nedbørsdata på dagsbasis fra Havdrup (PEGASE, 2004). Referencefordampningen er beregnet med Makkink's formel og er defineret som evapotranspirationen fra en tætklippet græsplæne, der tilføres rigeligt vand.

Figur H.2. Beliggenhed af lokaliteter samt årlig nedbør, 1961 – 1990, (Frich et al., 1996).

1. Havdrup,
2. Fårdrup,
3. Søndersø
4. Bedsted
5. St. Jyndevad

Initial tilstand og randbetingelser: Initial tilstanden for jordens vandindhold og temperatur er beskrevet med data fra (PEGASE, 2004). Modellen er kørt med en indsvingningperiode på 3 år, hvorved usikkerhederne forbundet med initial tilstanden minimeres.

Den nedre grænse i MACRO er givet ved en empirisk konstant BGRAD, hvor den dybe perkolation er givet som funktion af vandspejlets højde i profilet. BGRAD er sat til 0,00004 og der er ikke ændret på denne parameter fra opsætningen i (PEGASE, 2004).

Jordfysiske parametre og simulering af perkolation: MACRO opdeler jordens totale porøsitet i en mikro- og makroporedel. Opdelingen finder sted, når vandindholdet overstiger en given tærskelværdi for vandindholdet. Bestemmelse af værdien for vandindholdet og dertil svarende potentiale og hydraulisk konduktivitet er baseret på data fra (PEGASE, 2004). Udfra denne opsætning beregner MACRO perkolationen gennem bunden af umættet zone (modellens nedre rand). Denne opsætning er anvendt som grundlag for den videre kalibrering af modellen.

H.2.1.2 FRAC3Dvs; lerdæklag, mættet zone (varierende tykkelse)

Massebalancen for DCB og BAM og stoftransporten i `sekundært grundvand/lerdæklag' er beregnet med modelkoden FRAC3Dvs (Therrien et al., 1996).

FRAC3Dvs er en 3D grundvandsmodel, der ligesom MACRO beskriver stoftransport i makroporer og matrix i lerlaget. I den aktuelle opsætning regner modellen med stationær strømning og beskriver den sekundære afstrømning via et sandlag i 5 meters dybde (Jørgensen et al., 2004a). Mængden af sekundær afstrømning i sandlaget er bestemt, som forskellen mellem nettonedbøren og grundvandsdannelsen (vandbalancen) til det primære magasin (Jørgensen et al., 2004a; Frederiksborg Amt, 2002). Vandbalancen varierer ligesom lertykkelsen mellem de enkelte celler og svarer som nævnt til de kortlagte tykkelser og modellerede værdier for værkstedsområdet i (Fyns Amt, 2003b).

Simulering af stoftransport (herunder af pesticider) med FRAC3Dvs’ giver god overensstemmelse med målte data i kontrollerede forsøg og modelundersøgelser på en række danske morænelokaliteter f.eks. (Jørgensen et al., 2004a; Jørgensen et al., 2002; Jørgensen et al., 1998b; Jørgensen et al., 2004b).

Den anvendte opsætning af modellen er endelig kalibreret overfor feltdata fra Havdrup og grundvandsaldre (CFC-aldre) i et større indvindingsopland med morænedæklag i Jægerspris/Landerslev indsatsområde på Hornsherred (Jørgensen et al., 2004a; Frederiksborg Amt, 2002). De kalibrerede modelparametre for FRAC3Dvs er vist i Tabel H.1.

Opsætningen og kalibrering af FRAC3Dvs er detaljeret beskrevet i (Jørgensen et al., 2004a; Frederiksborg Amt, 2002) og antages at give en realistisk beskrivelse, som generelt niveau til scenariebeskrivelse, af pesticidtransporten i lerdæklaget i Søndersø værkstedsområde.

Tabel H.1 Anvendte modelparametre i FRAc3Dvs.

1): Ved grundvandstemperatur på 8 C (Fetter, 1994)
2): Jørgensen et al., 2004a; Jørgensen et al., 2002

H.2.2 Kalibrering af MACRO overfor pesticidvarslingsdata (VAP)

Stoftransportbeskrivelsen i MACRO er kalibreret overfor fluxen af bromid (konservativ tracer) i drænvand, samt bromidkoncentrationer i 1, 2 og 3 meters dybde på pesticidvarslingslokaliteten Fårdrup (GEUS, 2004). I modelopsætningen benyttes den opgivede drænafstand og dybde på hhv. 1,5 m og 1,2 mu.t.. Oplysninger om tidspunkt og størrelse af bromidtilsætningen samt afgrødedata er fra (GEUS, 2004). Anvendte nedbørsdata er fra Havdrup opsætningen af MACRO. Dette begrundes med at nedbøren i Fårdrup og Søndersø (se figur H.2), svarer til nedbøren i Havdrup (600 mm/år), figur H.2.

Med dette udgangspunkt er MACRO kalibreret ved at ændre parametrene ASCALE og KSM manuelt indtil modellens beskrivelse af transport og koncentrationer af bromid så vidt muligt stemmer overens med de tilsvarende målte data for dræn og boringer fra Fårdrup. ASCALE og KSM beskriver hhv. udvekslingen af vand og stof mellem makroporer og matrix, samt hydrauliske ledningsevne af matrix. De kalibrerede værdier fremgår af tabel H.2.

Tabel H.2. MACRO parametre efter kalibrering overfor bromid udvaskning ved Fårdrup (Jørgensen et al., 2002).

H.2.3 Simuleringsresultater

H.2.3.1 .Markdræn

For udvaskningen i drænene simulerer MACRO en samlet udvaskning på 3,8 kg/ha bromid i perioden 1999-2003, hvor der er målt 4,2 kg/ha i drænene. MACRO underestimerer således den målte drænudvaskning med 9,5 %.

H.2.3.2 Moniteringsboringer

I figur H.3 er endvidere vist målte og simulerede bromid koncentrationer i hhv. 1, 2, og 3,5 m u.t. i Fårdrup.

Det fremgår af figur H.3 at de simulerede værdier overestimerer udvaskningen af bromid fra sugecellerne målt i 1 mu.t. Måleværdierne fra sugecellerne skal dog tages med det forbehold, at de er punktmålinger, der er påvirket af lokal heterogenitet i jorden, og derfor kun i begrænset omfang repræsentere den gennemsnitlige udvaskning fra hele forsøgsmarken (Jørgensen et al., 2003).

Figur H.3. Målte og MACRO simulerede udvaskningsdata for bromid i Fårdrup.

Det fremgår af figur H.3, at den simulerede bromidudvaskning er i rimelig overensstemmelse med de målte værdier fra sugeceller i 2 m u.t og horisontale boringer i 3.5 m u.t.

Sammenlignes bromidudvaskningen i Fårdrup med udvaskningen på VAP lerjordsmarkerne i Silstrup og Estrup, ses der at være relativ lille forskel på udvaskningens størrelse (GEUS, 2004). Dette taler for at de anvendte data til modelkalibrering give en realistisk tilnærmet beskrivelse af udvaskningen i umættet zone på lerjord.

H.3 Bedsted værkstedsområde (sandlokalitet)

Til opsætning af modellen for Bedsted værkstedsområde er anvendt data fra selve værkstedsområdet vedr. nedbør, tykkelse af umættet zone og vandbalance (Scarling, 2000). Data for sorption og nedbrydning af DCB og BAM er bestemt på jordprøver fra en lignende sandlokalitet ved Eskærhøj (kapitel 4). Derudover er modellernes opsætning baseret på jordfysiske og hydrauliske data fra pesticidvarslingslokaliteten St. Jyndevad (GEUS, 2004). Figur H.4 viser de enkelte trin i opsætningen og kalibreringen af modellen.

Figur H.4 Opsætning og kalibreringsprocedure for MACRO til modelsimuleret massebalance for Bedsted værkstedsområde. /1/: GEUS, 2004; /19/: Larsen et al., 1996; /20/: Scarling et al., 2000

H.3.1 Modelkode og opsætning

Strømningen og pesticidtransporten i umættet og mættet zone i Bedsted er beskrevet med modelkoden MACRO version 5.0 (Larsbo et al., 2003). Umættet og mættet zone er defineret som hhv. de øverste og nederste 1,5 meter af det modellerede profil (3 m) i værkstedsområdet (Larsen et al., 1996). I det følgende beskrives den anvendte opsætning og kalibreringsprocedure for MACRO, figur H.4.

H.3.2 Modelkode og opsætning

H3.2.1 Diskretisering og jordfysiske parametre

Jordprofilet er opdelt i 60 lag, der beskriver de 8 horisonter fra Bedsted profilet (Larsen et al., 1996). Tykkelsen af lagene varierer fra 0,3 cm i det øverste lag til 7,5 cm.

På baggrund af jordens tekstur, volumenvægt og organisk indhold er vha. af modellens pedotransfer-funktioner beregnet jordfysiske parametre for hver modelhorisont. I tabel H.3 ses teksturfordelingen, det organiske indhold og volumenvægten for jordprofilet opstillet i modellen.

Tabel H.3. Teksturfordelingen, organisk indhold og volumenvægten for Bedsted jordprofil (Larsen et al., 1996).

H.3.2.2 Klimatiske data, initialtilstand og randbetingelser

Der foreligger nedbørsdata på dagsbasis fra Bedsted for perioden 1990 – 2003 fra (Larsen et al., 1996). Som tilnærmelse for nedbøren i hele simuleringsperioden 1963 - 2003 er 1990 – 2003 nedbørsserien gentaget således at data udfylder den samlede periode. Denne tilnærmelse begrundes med at nedbøren i perioden 1990 –2003 svarer til normalnedbøren for 30 års gennemsnittet. Herudover er i modellen anvendt samme data for initial tilstand, temperatur og fordampning samt nedre rand som i Søndersø simuleringerne (PEGASE, 2004).

Med udgangspunkt i denne opsætning er modellen efterfølgende søgt kalibreret overfor bromid tracer data fra sandjordlokaliteten St. Jyndevad i GEUS’ pesticid varsling (GEUS, 2004). Det fremgår af figur H.2 at nedbøren er tilnærmelsesvis ens på de to lokaliteter.

H.4 Kalibrering af MACRO til sandlokaliteten

Kalibreringen af MACRO er baseret på den målte udvaskning af bromid i 1 og 2 meters dybde ved St. Jyndevad, figur H.5.

Modellen kørt med vinterrug, svarende til dyrkningen det år, hvor traceren tilsættes. Der bliver tilført 20,2 kg bromid per hektar den 12-11-1999. Traceren bliver tilført som en koncentration på 2,02*109 µg/m³ i 1 mm vand til kunstvanding (GEUS, 2004).

Kalibreringen af modellen er foretaget ved at ændre på KSM indtil dynamikken i bromidkoncentrationerne såvidt muligt stemmer overens med de målte data. I tabel H.4 ses de kalibrerede KSM værdier for hver horisont i profilet.

Tabel H.4. Kalibrerede parametre for sandjord, St. Jyndevad.

Figur H.5. Målte og simulerede bromidkoncentrationer i 1 mu.t. (øverst) og 2 mu.t (nederst) i St. Jyndevad.

Det fremgår af figur H.5 at modellen overestimerer de målt koncentrationer i 1 mu.t. Herudover er gennembruddet forsinket, svarende til at modellen overestimerer opholdstiden i den øverste del af profilet. Måleværdierne er dog punktmålinger fra sugeceller og giver derved usikker beskrivelse af udvaskning fra forsøgsmarken som helhed. Under hensyntagen til denne usikkerhed antages det at den kalibrerede model giver en realistisk tilnærmet transportbeskrivelse af udvaskningen på sandjord.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Top |

Version 1.0 April 2005, © Miljøstyrelsen.