Angewandte Reaktive Transportmodellierung

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1 Angewandte Reaktive Transportmodellierung Christof Beyer Geohydromodellierung Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität zu Kiel CAU 1

2 Hydraulisches Standortmodell Standortmodell Linz Aufgabe: Berechnen Sie instationär die Pumpversuche an den Brunnen P2-1 und P2-2 anhand eines numerischen Modells sowie die maximale Isochrone zum Ende der Pumpzeit. CAU 2

3 Hydraulisches Standortmodell Vorhandene Daten: Vorbereitet Großteil der Arbeit bei der Modellerstellung steckt in der Beschaffung, Evaluation und Bewertung der Daten für das Modell. Zwischenschritte: 1) Erstellen eines stationären Standortmodells 2) Kalibrierung auf eine Stichtagsmessung 3) Umwandeln in ein instationäres Strömungsmodell 4) Nachrechnen der Pumpversuche 5) Berechnung der max. Isochronen der Pumpversuche CAU 3

4 Luftbild CAU 4

5 Topographie CAU 5

6 Randbedingungen m CAU 6

7 Modellerstellung Starten von PMWIN Erzeugen Sie einen neuen Ordner für das Modell Erzeugen Sie ein neues PMWIN-Modell in diesem Ordner Schauen Sie sich das Modellgebiet an, insbesondere die Abmessungen. Die Abbildung liegt auch als *.dxf File vor, die als Hintergrundbild importiert werden kann. Koordinaten des Files modellgebiet.dxf: links unten: ( , ) rechts oben: ( , ) Überlegen Sie sich, mit welcher Diskretisierung Sie beginnen möchten. Unter Grid -> Mesh Size Müssen Sie das erste Gitter angeben. (1 Layer). CAU 7

8 Hintergrundkarte Anschließend können Sie unter Options->Environment->Coordinate System die Modellkoordinaten eingeben. Damit verschieben Sie das Gitter in die echte Welt. Angegeben wird die linke obere Ecke des Modellgebiets und der Winkel, um den das Gitter gegenüber den Echt-Koordinaten (hier: Gauss-Krüger) verschoben ist. Ebenso müssen Sie den Bildschirmausschnitt angeben, in dem Sie arbeiten wollen (links unten und rechts oben). Anschliessend können Sie die Hintergrundkarte modellgebiet.dxf laden. Options->Maps Rechter Mausklick in das oberste leere Fenster Filename und die Datei auswählen. Häkchen setzen, X=Y=0, Factor =1. Das Modellgebiet muss den zu modellierenden Ausschnitt komplett abdecken. CAU 8

9 Randbedingungen Übertragen Sie nun die Randbedingungen aus der mitgelieferten Karte in das Modell. 1) Dazu setzen sie am linken Modellrand den Zufluss aus den Bergen (Grundwasserneubildung in den Hügeln). Zusätzlich zum Regen muss hier der Hangzufluss an den Randzellen eingegeben werden. Nehmen sie dazu an, dass die Hügel ca m aus dem Modellgebiet herausragen und die GWN ca. 20% des Niederschlags beträgt. Sie können den Hangzufluss entweder als Injektionsbrunnen oder als zusätzliche GWN angeben (siehe 2) Hangzufluss Donau Grundgebirge Quartäre Talfüllung CAU 9

10 Randbedingungen 2) Die langjährige mittlere Grundwasserneubildung im Standgebiet beträgt ca. 750 mm/a. Aufgrund der Bebauung und der Hanglagen kann angenommen werden, dass ca. 20% davon als Grundwasserneubildung zur Verfügung stehen. 3) rechte Randbedingung: Diese ist aus einem großräumigen Modell übernommen und markiert eine Piezometerhöhe. Die Piezometerhöhe ist m NN. Setzen Sie diese zunächst als Festpotential, später als GHB Randbedingung (Hilfe für PMWIN, was das ist) CAU 10

11 Randbedingungen 4) untere Randbedingung: Donau Die Donau markiert einen wesentlichen Modellrand. Sie ist gut an den Aquifer angeschlossen. Der Wasserstand in der Donau beträgt zum Zeitpunkt der Stichtagsmessung m an der Niebelungenbrücke (roter Punkt), sie ist im Schnitt 6.5 m tief. Die Mächtigkeit der Flusssedimente (Kolmationsschicht) beträgt ca. 50 cm, der grob geschätzte K F -Wert der Kolmationsschicht ca. 85 cm/d. Das mittlere Gefälle der Donau beträgt ca. 10-4, ist jedoch hier sehr klein, da eine unterstromige Staustufe für ein Kraftwerk den Wasserstand reguliert. Daher kann der Wasserstand der Donau als näherungsweise konstant im Modellgebiet angenommen werden. CAU 11

12 Geometrie Die Aquifergeometrie ist durch das Ausstreichen der quartären Talfüllung im Norden, und der Donau beschränkt. Nach Einfügen der RB können die außen liegenden Zellen deaktiviert werden. Der Aquifer ist ungespannt. Die Aquiferbasis ist außer an den Brunnen nicht bekannt. Sie fällt von ca. 244 m NN am südwestlichen Modellrand auf ca. 240 m NN am östlichen Modellrand ab. Im Norden steigt sie innerhalb ca. 200 m auf 246 m an. Die gemessenen Aquiferunterkanten (Stauer) sind bei den Daten angegeben. CAU 12

13 Geometrie Im Tabellenblatt Pegeldaten_Komplett können Sie die Pegel sehen, für die der Stauer bekannt ist. Aus diesen Daten können Sie ein sogenanntes XYZ-File machen (Format: Hilfe-PMWIN). Damit kann man unter Tools->Field-Interpolator das XYZ-File einlesen und auf das gesamte Modellgebiet interpolieren. Ausgabe ist eine Matrix, die dann unter Grid->Bottom of Layers importiert werden kann. Bei solchen Interpolationsschritten immer unbedingt prüfen, ob die Interpolation sinnvoll ist insbesondere bei so wenigen werden wie hier vorgegeben kann ziemlicher Unsinn herauskommen. Zum Schluss setzen Sie alle Zellen ausserhalb des Modellgebiets inaktiv (Zone-Input Method, Grid->Boundary Condition -> IBOUND) CAU 13

14 KF-Werte Die KF-Werte sind im Prinzip unbekannt. Es ist nur die Verteilung der KF Werte aus den Karten (siehe unten) bekannt und die Ergebnisse der Pumpversuche (siehe Excel-Tabelle). Für die Eingabe der KF-Werte (Horizontal Hydraulic Conductivity) verwenden Sie die Option Zonal input Method. Die Ergebnisse der einzelnen Pumpversuche sollten an den Zielbrunnen P2-1 und P2-2 als Zone um den Brunnen herum angegeben werden. An den anderen Brunnen ist eventuell eine Regionalisierung möglich. CAU 14

15 Bohrpläne CAU 15

16 Werte in mm/s KF-Werte CAU 16

17 Werte in cm/100/s KF-Werte CAU 17

18 Brunnen Unter Parameters -> Boreholes and Observations können die Lage von Brunnen im Modellgebiet sowie gemessene Grundwasserstände eingegeben werden. Dazu muss aus der Excel-Tabelle umformatiert werden. Tragen Sie dazu zunächst zwei Bohrungen in die Boreholes Tabelle ein und speichern Sie diese. Versuchen Sie dann, dieses Format durch Export aus Excel nachzumachen (Speichern unter Textdatei). Verfahren Sie ebenso mit den Observations (Achtung: Anderes Format) Hinweis: Tabulatoren sind keine Leerzeichen. Verwenden Sie nicht alle Observations, sondern nur die mit * bezeichneten CAU 18

19 Brunnen Auch im stationären Modell müssen Sie schon zwei Brunnen eingeben. Dies sind die beiden dauerhaft laufenden Brunnen der Stadtbetriebe, d.h. Brunnen Br_I und Br_VI. Im stationären Modell müssen Sie die mittleren Pumpraten für diese Brunnen eingeben. Diese können Sie der Datentabelle Daten.xls entnehmen (Blatt Pumpraten Br 1 Br 6) CAU 19

20 Gitterverfeinerung Die komplette Ersteingabe des Modells sollte auf einem vergleichsweise groben Gitter ablaufen. Verfeierns Sie nun das Gitter an Stellen, an denen Sie es für notwendig erachten. (Wo könnte das sein?) CAU 20

21 Modellkalibrierung Nachdem die Dateneingabe komplett ist, rechnen Sei das Modell durch und vergleichen Sie die berechneten und die gemessenen Grundwasserstände. Dazu: Tools -> Graphs -> Head-Time -> Scatter diagram anschauen. Kalibrierung: Verändern Sie Modellparameter so, dass die Piezometerhöhen der Stichtagsmessung reproduziert werden. Welche Parameter sind das? Welche sind unsicher? Testen Sie, welche Änderungen ihr Modellergebnis wesentlich beeinflussen, und welche nicht. Wo haben Sie Freiheiten, wo haben Sie Möglichkeiten? CAU 21

22 Automatische Modellkalibrierung Wenn (!) Sie die Zonierung der KF-Werte und die anderen Sensitiven Parameter haben, und (!) sie eine ungefähre Kalibrierung des Modells erreicht haben, dann (!) können Sie das Modell automatisch kalibrieren. Unter Modell -> Pest -> Parameter List können Sie die Parameter bestimmen, die für die Kalibrierung verwendet werden sollen. Dazu muss der Startwert und eine untere und Obere Grenze eingegeben werden, sowie eine Gewichtung der Parameter gegeneinander. Die Parameternummer selber wird bei der Eingabe der KF-Verteilung über die Zone-Input-Method mit festgelegt. Lassen Sie dann PEST (ParameterESTimation) laufen. Im Ausgabefile steht das Ergebnis, das noch von Hand auf die Zonen übertragen werden muss. CAU 22