| Forside | | Indhold | | Forrige |

Pilotprojekt med stimuleret in situ reduktiv deklorering - Bilagsrapport

7 Modellering

• 7.1 Indledning
• 7.2 Grundvandsmodel
• 7.3 Modelkalibrering
• 7.4 Stoftransport
  • 7.4.1 Forudsætninger
  • 7.4.2 Scenarier
  • 7.4.3 Simulering af tracer
  • 7.4.4 Simulering af Recirkulation
  • 7.4.5 Diskussion af resultater
• 7.5 Figurer og udvalgte tabeller

7.1 Indledning

I nærværende bilag rapporteres resultaterne af stoftransportsimuleringerne i forbindelse med projektet. Første del af bilaget beskriver opstillingen af strømningsmodellen, der danner grundlaget for stoftransportmodellen baseret på tidligere arbejder i 2004 og 2005.

Samtlige figurer og udvalgte tabeller er vedlagt i bilag 7.1.

7.2 Grundvandsmodel

Modelværktøj

Grundvandsmodellen er opstillet i MODFLOW. Der er anvendt applikationen Visual MODFLOW 3.1.0. Yderligere er MODPATH anvendt til partikelbanesimulering.

Modelområde

Grundvandsmodellen dækker et areal på 500 m x 500 m. Grundet problemer med at få MODFLOW til at simulere en korrekt strømningsretning, når grundvandsstrømningen ikke går vinkelret på modellens celler, har det været nødvendigt at benytte transformerede koordinater ved modelopsætningen i MODFLOW. Modelområdet er således blevet roteret 39º mod urets retning omkring punktet (585180,22;6140921,46). Der er efterfølgende foretaget en ”tilbagetransformation”, således at alle afbildninger i denne rapport bygger på de korrekte koordinater. Modelområdet er indtegnet på Figur 1.

Afgrænsning

Der er ikke nogle oplagte naturlige/fysiske grænser i nærområdet, der kan benyttes til afgrænsning af området. Størrelsen af modelområdet er derfor fastlagt på baggrund af sænkningens forventede influensradius.

Ud fra de estimerede hydrauliske parametre fra prøvepumpningstolkninger kan en forventet sænkningsudbredelse under stationære forhold beregnes. Sænkningens udbredelse er vurderet ud fra Theis’ løsningsmodel for et artesisk magasin samt for Hantush-Jacobs løsningsmodel for et artesisk magasin med lækage (se Fyns Amt (2005). Idet der tages højde for at sænkningens udbredelse vil reduceres som følge af reinjektion, er et modelområde på 500m x 500 m vurderet tilstrækkeligt. Ved simulering af oppumpninger uden reinfiltration skal man være meget opmærksom på randeffekter idet modellen ikke vurderes at kunne simulere pumpeforsøg på over 2 L/min, uden at der vil opstå væsentlige sænkninger ved randen.

Randbetingelser

For det sekundære magasin er modellens randbetingelser fastlagt ud fra potentialekortet for det sekundære magasin udarbejdet på baggrund af synkronpejlerunde udført den 27-08-2002, da udstrækningen af dette potentialekort er størst. Der anvendes no-flow randbetingelser langs den nordlige og sydlige modelrand, idet der ved en ekstrapolation af potentialelinjerne ses at disse modelrande følger grundvandets strømningsretning. Mod øst og sydvest er der benyttet fastholdt tryk. Som udgangspunkt er anvendt fastholdt tryk på hhv. 5.85 og 12.75 m DNN. For de øvrige lag anvendes no-flow randbetingelser langs hele modellens rand.

Modelranden ligger således henholdsvis 180 m opstrøms og 170 m nedstrøms fra afværgeboringen AV1. Den nordlige og sydlige grænse er placeret i en afstand af 100-130 m fra AV1.

Modeldiskretisering

Modellen diskretiseres horisontalt med 16 x 16 m i randområder, mens en finere diskretisering ned til 1m x 1m benyttes ved kildeområdet. Dette giver et grid bestående af 121 kolonner og 133 rækker. Vertikalt opdeles modellen i 4 geologiske lag. Dette giver i alt 64372 celler. Modellens grid ses på figur 2.

Geologisk model

På baggrund af den geologiske beskrivelse er der foretaget en inddeling i 4 hydrostratigrafiske enheder. Disse enheder repræsenterer grundvandsmodellens geologiske lag (Se Tabel 1). Øverste lag repræsenterer et 8 - 14 meter tykt sandet morænelerlag, idet lagene FYLD, ML1, ØS og ML2 i den konceptuelle geologiske model (se Fyns Amt, 2005) er slået sammen. Herunder følger et lag bestående af en kombination af silt og smeltevandsler, hvis mægtighed spænder fra 0,5 og op til 5 meter. Det tredje modellag repræsenterer det ca. 1 meter tykke mellemste sekundære magasin (MS). Modellens bund udgøres af endnu en morænelerenhed, som er en sammenlægning af lagene ML2, NS og ML3 fra den konceptuelle geologiske model. Den nedre moræneler antages mindre permeabel end den øvre moræneler. Tværsnit i modellen fremgår af figur 3 og 4.

Via en detaljeret gennemgang af geologiske profiler fra området er topkoten af de forskellige lag bestemt. Disse punkter indlæses i MODFLOW, hvor lagfladerne er genereret ved hjælp af en natural neighbour interpolation. Til generering af lagflader er anvendt alle boringer af tilstrækkelige dybde, dog er der set bort fra et antal boringer af ældre dato, hvor geologien adskiller sig fra nyere boringer. Genereringen af hver lagflade bygger således på geologiske profiler fra 36-60 boringer (Se Tabel 6).

Hydrauliske parametre

I Tabel 1 er angivet forventede intervaller af de horisontale hydrauliske ledningsevner samt initielt anvendte værdier for de enkelte modellag. For silt/smeltevandslaget (lag 2) samt det mellemste sekundære magasin (lag 3) er det grundet heterogenitet fundet nødvendigt at foretage en horisontal zonering af lagene med tildeling af individuelle hydrauliske ledningsevner til hver zone. For alle lag anvendes en anisotropifaktor, K_h/K_v, på 10.

Lag 1

Det øvre morænelerslag er sandet med indslag af sandstriber, og derfor anvendes en forholdsvis høj hydraulisk ledningsevne for dette lag. Den vertikale hydrauliske ledningsevne for morænelerslaget er forsøgt estimeret ved hjælp af en Hantush-Jacob tolkning på prøvepumpning foretaget i det mellemste sekundære magasin. Herudfra er den vertikale hydrauliske ledningsevne (for den ovenliggende akvitard) fundet i intervallet 2 · 10^-8 - 8 · 10^-7 m/s. Idet middelværdien af den vertikale hydrauliske ledningsevne er 2 · 10^-7 m/s, anvendes initielt en horisontal hydrauliske ledningsevne på 2 · 10^-6 m/s.

Zonering af lag 2

Ved gennemgangen af de geologiske profiler er der lige over det mellemste sekundære magasin fundet et gennemgående smeltevandslag af bedre sorteret materiale. I den vestlige del af modelområdet udgøres dette lag af siltaflejringer, mens der i den østlige del ses aflejringer af henholdsvis smeltevandsler og fed ler. Figur 5 viser zoneopdelingen af lag 2. For siltlaget anvendes til at begynde med samme hydrauliske ledningsevne som for det øvre morænelerlag, idet lækagetolkningen er foretaget på baggrund observationsboringer placeret i området med siltaflejringer.

Den vertikale hydrauliske ledningsevne for smeltevandsleret er vurderet til at ligge i intervallet 1 · 10^-10 - 1 · 10^-8 m/s. Initielt anvendes en vertikal hydraulisk ledningsevne på 1 · 10^-9 m/s og en horisontal ledningsevne på 10^-8 m/s.

Zonering af lag 3

Ud fra prøvepumpningsresultater er transmissivitetsværdier for det mellemste sekundære magasin fundet i intervallet 5 - 9 · 10^-5 m²/s. Med en gennemsnitlig magasinmægtighed på 1 m ligger den hydrauliske ledningsevne i samme interval.

I kildeområdet og sydøst herfor (zone 1) antages en transmissivitet af det mellemste sekundære magasin på 6 · 10^-5 m²/s svarende til en hydraulisk ledningsevne på 6 · 10^-5 m/s.

I området ved Rugårdsvej 226-232, centralt i modelområdet, er der ud fra potentialekortet for det mellemste sekundære magasin identificeret en zone med meget lille hydraulisk gradient. Det mellemste sekundære magasin består i denne zone af meget grovkornet materiale og er derfor sandsynligvis særligt vandførende her. Der anvendes derfor initielt en højere hydraulisk ledningsevne på 1 · 10^-4 m/s for magasinet i dette område (zone 2). Zoneopdeling af lag 3 ses af Figur 6.

For den vestlige del af modelområdet (zone 3 i lag 3) anvendes de samme hydrauliske parametre som for zone 1.

Tabel 1 Egenskaber for modellens geologiske lag.

Infiltration

Den gennemsnitlige nettonedbør er angivet til 250 mm/år i delopland 3 i den Nationale Vandressource Model for Fyn. Idet en stor del af modelområdet udgøres af befæstet areal sættes infiltrationen som udgangspunkt til 100 mm/år. Denne værdi vil blive tildelt modellens øverste aktive celler.

Porøsitet

Til partikelbanesimulering i MODPATH anvendes en effektiv porøsitet på 0,1 for lerlag og 0,25 for sandlag.

7.3 Modelkalibrering

Kalibreringsgrundlag

Modelkalibreringen er foretaget ud fra den nyeste foretagne synkronpejlerunde af boringer filtersat i det mellemste sekundære magasin den 27/10-2004.

Kalibreringsparametre

Som kalibreringsparametre er anvendt de hydrauliske ledningsevner, infiltrationsrate, fastholdt tryk randbetingelser samt zoneopdelingen i lag 2 og 3. Disse parametre er varieret indtil en tilfredsstillende overensstemmelse mellem observerede og simulerede trykniveauer er opnået. Desuden er modellen kalibreret således, at den er i stand til at reproducere den strømningsretning som forureningsfanen i området følger.

Nøjagtighedskriterium

Til at vurdere overensstemmelsen mellem data og model er middelværdien af kvadratafvigelsessummen (RMS) i forhold til den maximale trykniveauvariation i området (Dh_max) anvendt som kriterium. Middelværdien for kvadratafvigelsessummen er et mål for afvigelserne på residualerne

ψ_obs,i og ψ_sim,i betegner henholdsvis observeret og simuleret trykniveau.

Det er forsøgt at opnå en nøjagtighed svarende til kriteriet for en konservativ akvifer simulering. Dette kriterium medfører at

Validering

Der er foretaget en validering af den kalibrerede model i forhold til prøvepumpningen foretaget på afværgeboringen AV1. Ved prøvepumpningen på AV1 blev der pumpet med en ydelse på 5 L/min over en periode på 5 timer. Samtidig blev sænkningen observeret i 7 boringer i det mellemste sekundære magasin (vha. tryktransducere og dataloggere) og manuel pejling blev foretaget i yderligere 2 boringer. Validering af modellen foretages således, at der ved en stationær simulering af oppumpningen opnås sænkninger af mindst samme størrelse, som der blev observeret under prøvepumpningen.

Kalibreringsresultat

Kalibreringen af grundvandsmodellen er beskrevet trinvis i Fyns Amt (2005). Grundet den lave trykvariation (Δh_max = 0,585 m) i boringer medtaget i pejlerunden 27/10-2004 fås et meget lavt kalibreringsmål for middelværdien på kvadratafvigelsessummen (RMS) på 0,06. Det var ikke muligt, inden for den givne tidshorisont, at opnå en så lav RMS-værdi ved kalibreringen. I den endelige kalibrering er RMS-værdien på 0,11, hvilket giver en β₃-værdi på 0,19. Dette resultat vurderes dog acceptabelt og svarer til kriteriet for en overslagsberegning.

De hydrauliske ledningsevner, som er anvendt i den endelige model fremgår af Tabel 2. For alle lag svarer de anvendte ledningsevner til de intitielt foreslåede værdier, dog med undtagelse af zone 2 i lag 3, hvor den hydrauliske ledningsevne er sat op til 2^.10^-4 m/s.

Tabel 2 Anvendte hydrauliske parametre

I Tabel 3 ses henholdsvis målt og simuleret vandstand i de 23 boringer filtersat i det mellemste sekundære magasin, som er medtaget i kalibreringen. Som det fremgår, er der en god overensstemmelse mellem målte og simulerede værdier. De største afvigelser i størrelsesordenen 18-25 cm findes for boring F og B111, som begge ligger uden for det ønskede oprensningsområde.

Tabel 3 Målte og simulerede trykniveauer

I Tabel 4 er de målte sænkninger efter 5 timers pumpning på AV1 med ydelsen 5 L/min sammenholdt med de simulerede sænkninger ved en stationær pumpning med samme ydelse. Det skal pointeres, at der under den simulerede stationære pumpning på AV1 blev observeret sænkninger helt ud til den nordlige og sydlige no-flow rand i størrelsesorden 30 cm, og der er derfor usikkerheder på de simulerede sænkninger. For alle boringer bortset fra M3 gælder det, at den simulerede sænkning er af mindst samme størrelse som den målte. Valideringskriteriet er dermed overholdt for alle boringer, bortset fra M3, hvor den simulerede sænkning er 4 cm mindre end den målte. Dette kunne antyde, at der anvendes en for lav hydraulisk ledningsevne lokalt ved M3.

Tabel 4 Målte og simulerede sænkninger ved pumpning på AV1

7.4 Stoftransport

For at undersøge, om der kan uddrages mere information til forståelses af de mekanismer, som styrer udbredelsen af stof i grundvandsmagasinet, er der i forbindelse med denne fase opstillet en stoftransportmodel.

7.4.1 Forudsætninger

Modelværktøj

Som beregningsmodel anvendes MT3D, der er en meget udbredt stoftransport-model, der kan anvende strømningsberegningerne fra MODFLOW direkte som grundlag. MT3d kan simulerer advektion, dispersion og nedbrydning af modelstoffer. Modellen anvendes i nærværende arbejde til at simulere stofspredningen som et resultat af vandbevægelse (advektion) og dispersion, det vil sige stofspredningen som funktion af de varierende strømningshastigheder i grundvandsmagasinet. Der er således ikke medtaget nedbrydning og molekylær diffusion i simuleringerne.

Forudsætninger

De hydrauliske forudsætninger (randbetingelser, geologisk model mm.) er bibeholdt fra strømningsmodellen (der er ikke foretaget rekalibrering), der fungerer som et stationært grundlag. Der er etableret et finere grid omkring interesse området (svarende til 0.25m x 0.25m). Stoftranportsimuleringerne er foretaget dynamiske på et stationært grundvandspejl, hvor oppumpning = nedpumpning svarende til 4,32 m³/dag i perioden.

Bilag

Samtlige figurer til stoftransporten fremgår af bilag 7.1.

7.4.2 Scenarier

Formål

I forbindelse med nærværende udvidelse af modelgrundlaget ønskes følgende belyst/modelleret:

1. Udbredelse af tracer i grundvandet, som følge af en puls injektion.
2. Spredning af tracer som funktion af en dynamisk udvikling i koncentrationen af det vand der nedsives.

Egentlig simulering af koncentrationsniveauer og nøjagtige gennemslag m.v. er således ikke en del af formålet.

Startsimuleringer

Modelsimuleringerne er indledt med en række kørsler med et formål at kunne simulerer tracer forsøget. Resultaterne fra de indledende simuleringer viste, at en justering af porøsiteten i modellen var nødvendig, for at kunne simulere størrelsesorden af de hastigheder, der er beregnet i forbindelse med tracer forsøget (ca. 0,4 m/dag). Porøsiteten i modellen er derfor justeret fra 0,25 til 0,35, hvilket ikke er en urealistisk værdi. Denne værdi giver en gennemsnitlig transporthastighed på ca. 0,4 m/dag i modellen. Hastigheden fastlagt ved den dag, hvor maksimum i koncentrationen indtræder ved gennemløb af første tracer.

Modelboringer

I nedenstående tabel 7 er anført de boringer, der indgår i modelsimuleringerne:

Tabel 7 Boringer anvendt ved simuleringerne

Boringerne B119, M101, M2 og M3 ligger ca. på en strømlinje mellem injektionsfeltet og AV1.

I forbindelse med simulering af tracer forsøgene, er der anvendt puls data som angivet i nedenstående tabel 8.

Tabel 8 Simulering af tracerforsøg

7.4.3 Simulering af tracer

Simuleringen af tracerforsøget er gennemført med følgende gennemsnitlige koncentrationer for de to tracere, beregnet ufra den tilsatte mængde af tracer (6 kg i begge tilfælde, henholdsvis Natriumbromid og Lithiumbromid) og den gennemsnitlige oppumpede mængde i perioden:

• Tracer 1: 99 mg/l
• Tracer 2: 75 mg/l

Denne mængde stof er for begge tracere tilført modellen i de to pulser, i injektionsfeltet ved boringerne I101-I103. Der er ikke medregnet effekt fra recirkulation.

Med baggrund i startsimuleringerne er der udvalgt en række beregningsscenarier, hvor dispersiviteten (såvel den langsgående som den tværgående) i modellen. I nedenstående tabel 9 er de forskellige beregningsscenarier anført:

Tabel 9 Simuleringsscenarier, Tracerforsøg.

Partikelbanesimuleringer fremgår af bilag 7.1, figur 7. På figur 7 er ligeledes koncentrationsniveauet for den simulerede recirkulation (scenarie 0, efter 365 dage) vist.

Dispersion

Formålet med de forskellige scenarier var at undersøge, i hvor høj grad den egentlige dispersion influerer på modelresultaterne kontra betydningen af den numeriske dispersion, som er en følge af afvigelser mellem modellen og det fysiske system, den beskriver.

Resultaterne fra de forskellige scenarier fremgår af figur 8-12.

De faktisk observerede koncentrationer i boring M2 fremgår af figur 13, hvor også de modelsimulerede fra scenaie 0 er vist.

Bemærk at der i alle tilfælde simuleres klart gennemslag i AV1.

7.4.4 Simulering af Recirkulation

Recirkulation

Simuleringen af recirkulation er foretaget i to trin:

1. Ved en kontinuert tilsætning af modeltracer, i koncentrationer på 400- 450 mg/l (svarende til laktattilsætningen) og simulering af koncentrationsopbygning i AV1 (modeltraceren er regnet som inert).
    
2. Opbygning af en dynamisk koncentrationsudvikling med de modelsimulerede koncentrationer fra punkt 1 og tilsat tracer koncentrationsniveau 400-450 mg/l. Denne tidsserie er så tilført modellen i de 3 injektiosnboringer I101-I103.

Input funktionen til recirkulationen fremgår af figur 14.

Der er her ligeledes foretaget simulering med samme Dispersivitets-kombinationer som ved tracerforsøget. resultaterne fremgår af figur 15-19. Det er illustreret, hvorledes udviklingen i de forskellige obsevationeboringer og pumpeboringen udvikles over en periode på ca. 1 år.

Af figur 15 fremgår det, at simulerede koncentrationsniveauer i AV1 vil udvikle sig tilnærmelsesvis stykvist linært inden for de første ca 200 dage, hvorefter niveauet falder en smule, og stabilisere sig på et niveau svarende til ca. 700 mg/l (case 0) ca. et års tid efter gennemslaget er konstateret.

7.4.5 Diskussion af resultater

Simulering af tracer

Ved simulering af tracer forsøget er der opnået et grundlag for at evaluere de målte data. Modellen er i stand til at simulere tracer forsøgene ganske fornuftigt. Simuleringerne viser tydeligt de to toppe fra tracer inputtet, og passage af toppunkter passer nogenlunde med de observerede data.

Maks. koncentrationer

Simulerede maksimumsværdier (illustreret ved boring M2) indtræder på dag 36 og dag 105, medens samme værdier (bestemt ved massemidtpunktsbetragtninger) for de observerede data i M2 er dag 35 og dag 108.

Fortynding

Det målte forhold mellem koncentrationer i boring M2 og M3 er, udtrykt ved maksimums koncentrationerne ved passage af første tracer ca. 1:4, medens det samme modelsimulerede forhold er 1:1,3. Dette forhold skyldes formentligt, at der faktuelt er geologiske forhold, som ikke er repræsenteret i modellen og at dispersionen er for stor i modellen på grund af diskretiseringen..

Dispersiviteter

Sammenligning af modelkørsler med varierende dispersivitetsværdier har vist, at der ikke er store variationer ved lave værdier; dette skyldes formentligt, at den numeriske dispersion (det vil sige den spredning der sker som følge af afvigelser mellem model og virkelighed) er styrende for den simulerede spredning, selv om celle størrelsen i interesseområdet er 0.25m x 0.25m. Først ved høje dispersivitetsværdier ses en effekt (for eksempel scenarie 6).

Af de observerede data fremgår det, at koncentrationsniveauerne ikke falder til 0 mellem tracerforsøgene (se for eksempel boring M2), medens de modelsimulerede niveauer ved scenarie 0 gør det. Modelsimulerede niveauer skal op i meget høje langsgående dispersiviteter for at opnå denne effekt (scenarie 6). .

Recirkulation

Ved simulering af recirkulation er det vist, at den stigende koncentration af tracer i det vand der oppumpes ved AV1 ved nedpumpning i injektionsfeltet, efter tilsætning af yderligere tracer, vil give anledning til en stykvis lineær udvikling i koncentrationer indenfor de første ca. 200 dage , hvorefter niveauet instiller sig på ca. 700 mg/l efter et års recrikulation. Dette forhold er fomentligt et udtryk for, at der simuleres en total udbredelse (stationær) af forureningen i cirkulationsområdet.

Numerisk dispersion

Optegning af simulerede koncentrationsnnivauer (se figur 7), sammenlignet med partikelbaner viser, at den numeriske spredning i modellen er til stede, fordi de koncentrationsniveauer fra scenarie0 er bredere end partiklebanearealet. Partikelbanerne viser, at der med den nuværende boringskonfiguration opnås en god dækning af indsatsområdet.

Ved simulering af recirkulation opnås en (tilnærmelsesvis) stykvis linær udvikling i den simulerede koncentration i det oppumpede vand indenfor de første ca. 200 dage, hvorefter udviklingen stabiliseres. Derfor antages det, at der på et tidspunkt vil optræde et maksimum i koncntrationsændring/dag (sandsynligvis indenfor det 1. år), hvorefter ændringerne gradvist vil nærme sig nul, fordi der opnås stationære forhold.

Det skal påpeges, at der i ovennævnte vurderinger ikke er taget hensyn til nedbrydningen/forbruget af traceren, men at vurderingerne alene baseres på simulering af advektion og dispersion.

Stoftransportsimuleringerne har været med til at øge forståelsen af moniteringsdata, de geologiske forhold, og hvilke forhold der har størst betydning for de observerede data. Modellen vurderes at være et godt grundlag for at øge forståelsen for systemresponset ved ændringer i for eksempel recirkulationen.

7.5 Figurer og udvalgte tabeller.

Figur 1 Modelområde

Figur 2 Modelgrid

Figur 3

Figur 4

Tabel 6

Figur 5

Figur 6

Figur 7: Scenarie 0 Oppumpning og injektion med 3 l/min.

Klik her for at se Figur 7

Figur 8 simulering af tracer Scenarie 0

Klik her for at se Figur 8

Figur 9 simulering af tracer Scenarie 9

Klik her for at se Figur 9

Figur 10 simulering af tracer Scenarie 6

Klik her for at se Figur 10

Figur 11 simulering af tracer Scenarie 7

Klik her for at se Figur 11

Figur 12 simulering af tracer Scenarie 8

Klik her for at se Figur 12

Figur 13 observerede tracer forløb i boring M2 og modelsimulerede.

Figur 14 Tidsserie for nedpumpet vand

Klik her for at se Figur 14

Figur 15 simulering af recirkuation, scenarie 0

Klik her for at se Figur 15

Figur 16 simulering af recirkulation, scenarie 5

Klik her for at se Figur 16

Figur 17 simulering af recirkulation, scenarie 6

Klik her for at se Figur 17

Figur 18 simulering af recirkulation, scenarie 7

Klik her for at se Figur 18

Figur 19 simulering af recirkulation, scenarie 8

Klik her for at se Figur 19

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

Version 1.0 Februar 2007, © Miljøstyrelsen.