|
Retningslinier for opstilling af grundvandsmodeller Appendix B: Erfaringer fra udlandet
Fra USA er der dels de såkaldte ASTM standarder, dels retningslinier udarbejdet på baggrund af United States Geological Survey’s (USGS) erfaringer med såvel kodeudvikling som modelprojekter, og endelig erfaringer formidlet til fagfolk på internationale konferencer og workshops (f.eks. på det teoretiske område "ModelCare" konferencer bl.a. i 1996 og 1998 og på det mere praktiske niveau MODFLOW konferencer i 1999) i de seneste år har rettet særlig fokus på spørgsmål såsom kalibrering, troværdighed, parameter-fastsættelse og usikkerheder forbundet med numeriske grundvandsmodeller. US. Army Corps of Engineering har desuden retningslinier omkring modellering fra midten og slutningen af 90’erne. En række amerikanske stater har udarbejdet egne retningslinier (bl.a. Michigan, California, Alaska, Kansas mm.). Endelig foreligger der et sæt artikler fra en konference afholdt i 1996 i Denver, Colorado der beskriver forskellige trin i modellerings processen: konceptualisering, valg af kode, modelopsætning, kalibrering, verifikation, usikkerhed og post-audit (Ritchey og Rumbaugh, 1996). I de seneste 5 år har der som følge af manglende finansiering fra US-EPA ikke været publiceret nye ASTM retningslinier på modelområdet. Der arbejdes på nye retningslinier for stoftransportmodellering, men disse forventes ikke publiceret indenfor de næste par år (Rumbaugh, 2000). Metoder og retningslinier for effektiv modelkalibrering foreligger fra USGS (Hill, 1998). Rapporten beskriver 14 retningslinier designet med henblik på modelopsætning og kalibrering af komplekse modeller ved anvendelse af invers modellering (automatisk kalibrering). Særlig fokus er i rapporten lagt på problemer med instabilitet og "non-unikness" (problemer med entydighed), og på brugen af avancerede statistiske mål. Rapporten er primært tilegnet erfarne modellører. Fra England er der NRA retningslinier fra 1995 omkring afgrænsning af beskyttelseszoner ved brug af partikelbane modeller: Guide to Groundwater Protection Zones in England & Wales (NRA, 1995). Formålet med dette paradigma var at opnå en ensartet struktur for konsulenternes modelrapportering, således at NRA udfra rapporten og vedlagte datasæt kunne forstå og gentage kalibreringen af modellerne, samt forestå udpegningen af grundvandsbeskyttelseszoner. NRA forlangte at modellen FLOWPATH (Waterloo Hydrologic Software) anvendtes til beregningerne (en 2D strømningsmodel). Der var i NRA’s retningslinier lagt vægt på aftalte kalibreringsmål, journal over kalibreringssimuleringer og usikkerhedsanalyse med vurdering af usikkerheder på de bedste parameter bestemmelser, herunder vedtagne intervaller for infiltration og hydraulisk ledningsevne, som benyttes i usikkerhedsanalysen. Specifikke anbefalinger til ekstra datakrav samt yderligere simuleringer skal identificeres med en klar indikation af prioriteringen af disse ekstra tiltag. Principperne bag NRA retningslinier gælder fortsat i UK, men i dag anvendes i højere grad 3D grundvandsmodeller (f.eks. MODFLOW). Der er nye retningslinier på vej i for England og Wales omkring Model Procedures for the Management of Contaminated Land (CRL11). Endelig er der Strategic Review of Groundwater Modelling under udarbejdelse med fokus på rammer for opstilling af konceptuelle og numeriske modeller for grundvandsressourcen (EA). Også omkring "beslutnings støttesystemer" er der nye retningslinier på vej: Technical Guidance on Assigning Values to Uncertain Parameters in Subsurface Contaminant Fate & Transport Modelling og Guide to good Practice for the Development of Conceptual Models and the Selection and Application of Mathematical Models of Contaminant Fate & Transport Processes in the Subsurface. De nye retningslinier forventes publiceret ultimo 2000. Fra Australien foreligger der udkast til retningslinier for Murray-Darling Basin Commission Draft Modelling Guidelines (Middlemis, 2000). Der har tidligere været afholdt en workshop i 1997 af Murray-Darling Basin Commission som omfattede andre typer modeller end grundvandsmodeller. En række bekymringer blev her beskrevet bl.a. en mangel på almindelig forståelse mellem modellører og rekvirenter. Proceedings fra denne workshop konkluderede at, da alle modeller indeholder eller kan indebære fejl i simuleringerne, så er en streng overvågning med hensyn til validering og forståelse af resultater af vital betydning (Murray-Darling Basin Commission, 1997). I det opfølgende arbejde (Middlemis, 2000) vurderes det at modeller er nødvendige (man kan ikke i det uendelige indsamle nye data, og beslutninger kan ikke fortsat udsættes). Det påpeges, at følsomhedsanalyser og usikkerhedsvurderinger bør spille en væsentlig rolle med hensyn til at reducere usikkerhederne forbundet med de beslutninger der skal tages på grundlag af modelstudier (Middlemis, 2000). En definition på bæredygtig udnyttelig vandressource findes i (Kalaitzis et al., 1999): "Den udnyttelige vandressource er den del af gennemsnitlige grundvandsdannelse (over en lang periode), som kan oppumpes hvert år, uden at påføre uacceptable påvirkninger på "grundvandsbrugerne" eller miljøet". Fra Holland foreligger der nye retningslinier (Waveren et al., 1999). Disse retningslinier er en del af en standard for alle typer modeller (grundvand, overfladevand, etc.) som forskellige hollandske myndigheder følger. De parter der deltager i den fortsatte udvikling af disse retningslinier er bl.a. Rijkswaterstaat, STOWA, DLO Staring Centrum, Agricultural University of Wageningen, NITG-TNO og Delft Hydraulic Water Laboratory. Et spektrum af indgangsvinkler er beskrevet lige fra den felt data orienterede til den proces orienterede (numeriske modeller /deterministiske modeller). De proces orienterede modeller svarer til spektret dækket af screenings-, overslagsberegninger til akvifer simuleringsmodeller (Hi Fi), omtalt i denne rapport. Den hollandske håndbog har primært til formål at supportere modellører (specielt begyndere og end-users), er formentlig af begrænset værdi med henblik på udvikling af retningslinier for opstilling af modeller. Desuden kan fremhæves en række gode "bøger" om emnet:
B.1 ASTM retningslinierAmerican Society for Testing and Materials (ASTM) blev grundlagt i 1898 og er en af de største frivillige organisationer til udvikling af standarder i verden. ASTM udvikler standard test metoder, specifikationer, praksis, retningslinier, klassifikationer og terminologi på 130 forskellige områder for bl.a. metal, maling, plastik, tekstiler, olie, bygning, energi, miljø, forbrugsprodukter, medicinområdet og udstyr, computersystemer, elektronik og mange andre områder. En ASTM standard er et dokument som er udviklet på basis af fuld konsensus i den tekniske komité som ansvaret for det pågældende område (der er i alt 129 forskellige tekniske komitéer). De tekniske komiteer er under inddelt i subkomiteer og arbejdsgrupper, der fokusere på bestemte områder. Standarder kan købes fra ASTM’s hjemmeside: www.astm.org og koster typisk omkring 25 $ pr. standard. Når det gælder retningslinier for grundvandsmodeller er det primært ASTM komité D18 "Soil and rock" som er relevant. D18 blev dannet i 1937. Komiteen har ca. 1000 medlemmer og har ansvaret for 250 standarder indenfor de geotekniske og geomiljømæssige områder. Med særlig relevans i forbindelse med grundvandsmodellering hører standarder udarbejdet af subkomité/arbejdsgruppe D18.21 "Groundwater and Vadose Zone Investigations" bl.a. følgende 13 standard guides: D5447-93e1 Standard Guide for Application of a Ground-Water Flow Model to a Site-Specific Problem D5490-93e1 Standard Guide for Comparing Ground-Water Flow Model Simulations to Site-Specific Information D5609-94e1 Standard Guide for Defining Boundary Conditions in Ground-Water Flow Modeling D5610-94e1 Standard Guide for Defining Initial Conditions in Ground-Water Flow Modeling D5611-94e1 Standard Guide for Conducting a Sensitivity Analysis for a Ground-Water Flow Model Application D5718-95e1 Standard Guide for Documenting a Ground-Water Flow Model Application D5880-95e1 Standard Guide for Subsurface Flow and Transport Modeling D5979-96e1 Standard Guide for Conceptualization and Characterization of Ground-Water Systems D5981-96e1 Standard Guide for Calibrating a Ground-Water Flow Model Application D6025-96e1 Standard Guide for Developing and Evaluating Ground-Water Modeling Codes D6033-96e1 Standard Guide for Describing the Functionality of a Ground-Water Modeling Code D6171-97e1 Standard Guide for Documenting a Ground-Water Modeling Code D6030-96 Standard Guide for Selection of Methods for Assessing Ground Water or Aquifer Sensitivity and Vulnerability D6170-97e1 Standard Guide for Selecting a Ground-Water Modeling Code B.2 USGS, US Army Corps of Engineering og enkelte staters retningslinierFra USGS foreligger en række tekniske noter, som har relevans i forbindelse med projekter der involverer anvendelse af numeriske grundvandsmodeller, www reference: http://water.usgs.gov/admin/memo/GW/auto.html
Paradigma for modelrapportering (gw.96.04) blev lanceret med henblik på en opdatering af et paradigma fra november 1975, som ikke ansås tidssvarende længere på grund af ændringer i modelleringsteknik, og hyppigheden af problemer som konstateres ved review af modelrapporter, således at en fornyet gennemgang af politik på området var formålstjenligt. Paradigmaet fra USGS anbefalede 10 punkter som skulle være indeholdt i en modelrapport og beskrives:
En del amerikanske stater har selv opstillet retningslinier for grundvandsmodellering bl.a. kan nævnes:
De fleste af de statslige retningslinier er mere eller mindre kopier af ASTM og USGS retningslinier når det gælder strømningsmodeller. På stoftransport området indeholder visse statslige retningslinier dog et elemnet af acceptkriterier for stoftransportmodeller og metoder til vurdering af nøjagtighed (f.eks. State of California). Andre er meget korte og har nærmest karakter af tjeklister. Retningslinier fra State of Michigan kan hjemtages fra internettet. B.3 Erfaringer fra internationale workshops og konferencerB.3.1 ModelCare konferencen i 1999ModelCare konferencerne, der afholdes ca. hvert 3. år, har til formål at diskutere aspekter indenfor kalibrering og troværdighed af grundvandsmodellering. I 1999 var der især fokus på modelusikkerhed, som var hovedoverskriften for konferencen. Temaerne for konferencen, der afspejler problemområder indenfor modellering, var: a) modellerings koncepter, b) stokastisk modellering, c) parameter estimering og modelkalibrering, d) troværdighed af modelforudsigelser e) omfattende udnyttelse af feltinformationer og f) ikke lineær og koblet strømning og transport modellering. I det følgende gives på baggrund af bidragene til konferencen en kort oversigt over, i hvilken retning der arbejdes internationalt for at mindske og kvantificere modelusikkerhed. Bidragene kan findes i: Calibration and reliability in groundwater modelling: Coping with uncertainty, (edited by F. Stauffer, W. Kinzelbach, K. Kovar and E. Hohn), IAHS Publication no. 265.
B.3.2 MODFLOW konferencen i 1998 Der er gennem de seneste år afholdt adskillige internationale konferencer og workshops med hovedvægten på grundvandsmodellering. Konferencen MODFLOW’98 blev afholdt i oktober 1998 i Golden, Colorado, USA. Der deltog omkring 250 forskere, konsulenter, ’water management’ personer og modelkode udviklere i konferencen. Det var den første af en sandsynligvis længere række af MODFLOW konferencer arrangeret af bl.a. IGWMC (International Ground Water Modeling Center - http://www.mines.edu/research/igwmc/) og USGS (U.S. Geological Survey - http://www.usgs.gov/). Næste konference, MODFLOW 2001, afholdes i september 2001. Det mest centrale emne på MODFLOW’98 konferencen omhandlede kalibrering og parameterestimering. Der er en hastigt stigende anvendelse af forskellige metoder til automatisk kalibrering af grundvandsmodeller (invers modellering). Fordelene ved den automatiske kalibrering og parameterestimering er (1) at den er mindre subjektiv end den manuelle kalibrering (’trial-and –error’), (2) giver mulighed for en statistisk behandling af de estimerede parametre, og (3) kan være tidsbesparende. Konferencens hovedtaler, Mary C. Hill (USGS) rejste spørgsmålet om grundvandsmodeller er præcise nok til at være brugbare, og understregede vigtigheden af at designe en grundvandsmodel så den kan bruges til at teste hypoteser om det aktuelle grundvandssystem mod tilgængelige observationer af modelberegnede størrelser, f.eks. målte grundvandspotentialemålinger og vandløbsafstrømninger (se f.eks. M.C. Hill: Methods And Guidelines For Effective Model Calibration. U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 98-4005 (http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GW_Subsurf/mchill/pubs/method/index.shtml). På konferencen blev en lang række problemstillinger omkring brugen af MODFLOW-modellen og grundvandsmodellering generelt præsenteret og diskuteret. Det drejede sig bl.a. om stoftransportmodellering og oprensning, GIS og brugerflader, kobling med overfladevandsmodeller, begrænsninger og usikkerhedsvurderinger ved modellering. Konferencens omdrejningspunk er selvfølgelig MODFLOW-model koden (http://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/modflow.html), men anvendelsen af andre modeller og nyudviklede applikationer udgjorde også en væsentlig del af konferencen. |
