| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |
Hydraulisk frakturering udført ved vandret boreteknik - Design og anlæg
Bilag D:
1. Modelopsætning (MODFLOW)
1.1 Indledning
Med baggrund i en undersøgelse af afværgemuligheder overfor jord- og
grundvandsforurening på Slagelsevej 190 /ref.1/, er det valgt at
benytte en drænløsning, hvis formål er at vende den nedadrettede strømningsgradient
omkring hot-spot og at opsamle den grundvandsforurening der måtte udvaskes med nedbøren.
Til overordnet vurdering af afværgemulighederne blev der opstillet en lokal 3D
grundvandsmodel /Ref. 1/, der beskrev strømningsforholdene fra de
terrænnære jordlag til og med det primære grundvandsmagasin. Modelberegningerne viste,
at en afsænkning af vandspejlet i den øvre moræneler omkring et område ved hot-spot
både kunne fiksere jordforureningen og samtidig oprense/dræne det underliggende
grundvand.
Modellen viste således, at en "effektiv drænløsning" ville kunne opfylde
det opstillede formål. Derfra og til detaildimensioneringen af en "effektiv
drænløsning" er der imidlertid et stykke vej, hvor en mængde forhold, som en
grundvandsmodel ikke kan tage højde for, skal overvejes.
Forhold som inhomogeniteter i form af varierende hydrauliske parametre, sprækker,
varierende nedsivningsforhold, søer, andre dræn, trærødder mv. kan ikke umiddelbart
behandles i modellen. Derfor vil dimensionering af dræn ofte baseres på erfaringer og
skøn med en hvis sikkerhedsmargen.
På baggrund af de aktuelle forhold på lokaliteten og kendskab til forureningens
udbredelse blev det derfor vurderet, at 3-5 horisontale dræn gennem det forurenede
område vil kunne bevirke en tilstrækkelig afsænkning af grundvandsspejlet.
1.2 Erfaringer med frakturerede dræn
En relativ ny metode til effektivisering af dræn i lavpermeable aflejringer, er
hydraulisk frakturering. Princippet i metoden har i olieindvindingsindustrien været kendt
i omkring 50 år, men er først indenfor de seneste godt 10 år taget i anvendelse ved
miljøoprensning af forurenet jord/grundvand. Metoden har ikke tidligere været anvendt i
Danmark. Erfaringerne fra Amerika viser, at drænenes effektivitet øges betydeligt i
forhold til almindelige underborede dræn.
De erfaringer, der ligger til grund for det efterfølgende er derfor hentet fra USA og
Canada /ref.2/ og /ref.3/.
Metoden består i at generere horisontale sprækker udfra underskudte dræn i en
lavpermeabel formation. Ved fraktureringen fyldes sprækkerne (apertur 3-50 mm) med groft
sand (middel korndiameter 0,3-0,8 mm). Sprækkerne når ifølge Amerikanske erfaringer
typisk 4-8 m ud fra drænet /ref.3/. Fraktureringen har ved
etableringen overvejende tendens til at søge mod terræn.
De generelle erfaringer viser, at der med frakturerede dræn opnås en øgning af
effektiviteten (målt som tilstrømningen) på mellem 5 og 100 gange i forhold til
almindelige dræn. Størrelsen af den øgede effektivitet er afhængig af de lokale
forhold hvor den største effekt typisk vil kunne opnås i lavpermeable og
overkonsoliderede jordarter, som tilfældet i denne sag.
1.3 Forudsætninger for opsætning af model
For at belyse om de amerikanske erfaringer også kan underbygges ved modellering og for
at opnå en hydrologisk forståelse for princippet i fraktureringen er der opstillet en
grundvandsmodel hvormed effekten af frakturering kan belyses. Modellen og resultaterne er
præsenteret og diskuteret i dette afsnit.
Det kræver ifølge /ref.3/ så detaljerede og omfattende
oplysninger om geologi, hydrauliske parametre, inhomogeniteter, vandindhold osv. at
opstilling af modelværktøj for detaildimensionering af dræn i praksis er særdeles
svært. Den her opstillede model kan da heller ikke umiddelbart benyttes til
dimensionering, men kan illustrere den relative forskel mellem almindelige underborede
dræn og horisontalt frakturerede dræn.
Formålet med dette notat er således, at vurdere en evt. øget effekt af hydraulisk
frakturerede dræn i forhold til almindelige underborede dræn og i nogen grad, at vurdere
størrelsen af forskellen.
Dette er gjort ved at opstille en idealiseret grundvandsmodel og beregne den relative
effektforskel på indskudte dræn med og uden frakturering. Vurderingen af effektiviteten
bliver således en relativ vurdering af frakturenes betydning.
De her udførte beregninger er udført under en lang række antagelser om geologi,
hydrogeologiske parametre potentialeforhold m.v. der ikke er baseret på en enkelt
lokalitets faktiske forhold. Det er derfor kun muligt at vurdere drænenes effekt relativt
i forhold til hinanden.
1.4 Modelopsætning
Den benyttede grundvandsmodel er Visual Modflow, version 2.8.2. Beregningerne er
"steady-state" beregninger.
Beregningerne foretages på 2 identiske modeller med den ene forskel, at der i den ene
er indlagt et 2,5 cm tyndt sandlag omkring drænene, jf figur 1. Dette sandlag skal
simulere fraktureringen.
Diskretisering
Modellerne er beregningsteknisk 3D-modeller, der horisontalt dækker et areal på
100 x 10 m og vertikalt beskriver en dybde fra terræn til 5 m.u.t. (x, y, z) = (100, 10,
5). Idet modellernes parametre ikke varierer i y-retningen er de i princippet 2D-modeller.
Resultaterne kan derfor vises grafisk med 2d vertikale snit i xz-planen.
Modellerne har 15 beregningslag (z), 52 kolonner (x) og 5 rækker (y). Diskretiseringen
varierer således at cellestørrelsen i området omkring drænet er lille og tiltager mod
randene af modelområdet. De mindste cellestørrelser er 10 cm horisontalt og 2,5 cm
vertikalt. Figur 1 viser celleinddelingen i et vertikalt snit i xz-planen gennem modellen.
Infiltration
I modellen anvendes en infiltration på ca. 150 mm/år.
Hydrogeologisk model
Som udgangspunkt er der kun et geologisk lag i modellerne, der hydraulisk svarer
til homogent lavpermeabelt moræneler. Den hydrauliske ledningsevne i modellen er sat til
5e-8 m/s.
Der er i modellerne indlagt et dræn i dybden 1,2 til 1,3 m (ø10 cm) regnet fra bund
af model. Det svarer til ca. 3,2 m under vandspejlet. I drænet fastholdes et trykniveau
på 1,25 m over bund af model. Drænet går gennem hele modellen i y-aksens retning.
Drænet er vist på figur 1, der er et vertikalt snit gennem modellen.
I den model, der skal simulere det frakturerede dræn, er der indlagt et højpermeabelt
lag på 2,5 cm fra drænet og 4 m til hver side. Det er valgt, at benytte en frakturradius
på 4 m selvom der ofte ses en betydeligt større udbredelse. Frakturen er vist på figur
1.
Der er udført beregninger med to forskellige hydrauliske ledningsevner i sandlaget
(1e-4 m/s og 1e-5 m/s). Dette er gjort dels for at afspejle variationer i den hydrauliske
ledningsevne dels for at afspejle variationer i lagets tykkelse, idet en reduktion af
ledningsevnen hydraulisk set svarer til en tilsvarende reduktion af lagtykkelsen.
Størrelsen af infiltration og den valgte hydrauliske ledningsevne for det lavpermeable
lerlag har ikke betydende indflydelse på resultatet, da vurderingen er baseret på den
relative forskel mellem de to dræntyper.
Randbetingelser
I modellen er der indlagt randbetingelser i det øverste lag (z = 0) langs
"enderne" af modellen (x = -40 og x = 60). Disse består af fastholdt tryk på
4,5 m over bund af model. Hertil kommer at der er fastholdt tryk i hele det nederste lag
på 4,0 m over bund af model. Der er således en nedadrettet trykforskel i modellen på
ca. 0,5 m svarende til en nedadrettet gradient på ca. 0,1 m/m.
1.5 Resultater
På baggrund af modelberegningerne med de to modeller er der optegnet tværsnit i
xz-planen, der illustrerer potentialerne ved steady-state for de to drænløsninger. Disse
er vedlagt som figur 2. Figur 2 viser potentialet med almindeligt horisontalt dræn og
potentialet med fraktureret horisontalt dræn med hydraulisk ledningsevne i frakturen på
henholdsvis 10-4 m/s og 10-5 m/s.
Til sammenligning er startpotentialebilledet inden ilægning af dræn udtegnet og vist
på figur 1.
Af figurerne fremgår det, at fraktureringen tydeligt påvirker strømningsbilledet
omkring drænet. For detaljeret beskrivelse af modelresultaterne henvises til afsn. 3.5.
Af modelberegningerne fremgår desuden, at det almindelige dræn vil opsamle ca. 15
l/døgn/lbm dræn og at det frakturerede dræn vil opsamle mellem 45 og 100 l/døgn/lbm
dræn primært afhængigt af tykkelse af og ledningsevne i frakturen. Relativt set er det
frakturerede dræn således 3-7 gange så effektivt som et almindeligt dræn, målt på
ydelsen.
Det er værd at bemærke, at 80-90 % af det opsamlede vand i det frakturerede dræn
kommer nedefra og at 85-95 % opsamles via det tynde sandlag. I det almindelige dræn
kommer omkring 50 % af vandet nedefra.
1.6 Referencer
