POHJAVEDEN VIRTAUSMALLINTAMINEN KOHDEALUEILLA

Transkriptio

1 POHJAVEDEN VIRTAUSMALLINTAMINEN KOHDEALUEILLA Passiivinäytteenotto pilaantuneiden pohjavesialueiden tutkimisessa ja seurannassa - Seminaari 9. huhtikuuta 2019 Riku Hakoniemi

2 YLEISTÄ: MIKÄ ON POHJAVEDEN (NUMEERINEN) VIRTAUSMALLI Tietyn rajatun alueen pohjavesiolosuhteita kuvaava numeerinen malli. ( Pohjavesimalli -termiä käytetään usein synonyyminä) Virtausmallin rakenteen muodostavat solut solut muodostavat hilaverkon Soluille ja hilaverkolle annetaan dimensiot hilaverkon sijainti ja dimensiot vastaavat usein todellisia luonnonolosuhteita (esim. Irtomaapeitteen päällekkäiset kerrokset kuvataan erillisinä päällekäisinä hilaverkkoina). Soluille annetaan kohteen todellisia ominaisuuksia kuvaavia lukuarvoja (parametreja) esim. tehokas huokoisuus ja hydraulinen johtavuus (K-arvo). Lisäksi soluille voidaan antaa tiettyjä malliteknisiä erityisominaisuuksia esim. asetetaan pohjaveden pinnan +taso solussa vakioksi, tai asetetaan pohjavesi poistumaan solusta tietyllä +tasolla. RIKU HAKONIEMI 2

3 Todelliset olosuhteet Virtausmallin hilaverkko Virtausmallin rakennekerrokset Yksittäinen mallisolu 4 kerrosta RIKU HAKONIEMI 3

4 YLEISTÄ: HAITTA-AINEEN KULKEUTUMISEN MALLINTAMINEN Haitta-aineen kulkeutumisen mallintamisen alustana toimii pohjaveden numeerinen virtausmalli ( pohjavesimalli ), johon haitta-aineet lisätään. Numeerinen virtausmalli voidaan räätälöidä nimenomaan haitta-aineiden kulkeutumisen mallintamista varten, toisaalta myös olemassaolevia (muita käyttötarkoituksia varten laadittuja) virtausmalleja voidaan käyttää haittaaineiden kulkeutumisen mallintamiseen. Haitta-aineen kulkeutumisen mallintamisen alustana pohjaveden numeerinen virtausmalli Virtausmallia koskevat epävarmuudet heijastuvat suoraan haitta-aineiden kulkeutumismalliin. Tästä syystä on ensiarvoisen tärkeätä, että alustana toimiva virtausmalli on mahdollisimman luotettava (ts. kuvaa kohteen todellisia olosuhteita parhaalla mahdollisella tarkkuudella). RIKU HAKONIEMI 4

5 POHJANKORPI, KOUVOLA Klooratuilla liuottimilla pilaantuneen maaperän ja pohjaveden riskienhallinta (Pirkanmaan ELY-keskuksen toimeenpanema demonstraatiohanke). Demonstraatiohankkeeseen sisältyi PIMA-kohteen maaperän ja pohjaveden tutkiminen, riskienhallinnan suunnittelu sekä kunnostaminen. Pöyry toimi urakoitsijan (Nordic Envicon Oy) asiantuntijana pohjavesikysymyksissä. Pohjankorven pohjavesialueelle sijoittuvassa PIMA-kohteessa entinen pesula, jonka maaperässä ja pohjavedessä kloorattuja liuottimia. Kohteesta laadittiin 3D geologinen rakennemalli (ohjelmat: ArcGIS ja Surfer). Pohjaveden virtausmalliohjelmistona: Processing Modflow PCE:n (tetrakloorieteeni) kulkeutumista simuloitiin Modular Three-dimensional Multispecies Transport Model-ohjelmalla (MT3DMS). Kulkeutumismalli huomioi advektion, dispersion ja sorption. RIKU HAKONIEMI 5

6 CASE: POHJANKORPI, KOUVOLA RIKU HAKONIEMI 6

7 VIRTAUSMALLIN RAKENNE (POHJANKORPI, KOUVOLA) Kalliopinta ja sen päällä sijaitseva moreenikerros. RIKU HAKONIEMI 7

8 VIRTAUSMALLIN RAKENNE (POHJANKORPI, KOUVOLA) Kalliopinta ja sen päällä sijaitseva moreenikerros. + pohjaveden havaintoputket RIKU HAKONIEMI 8

9 VIRTAUSMALLIN RAKENNE (POHJANKORPI, KOUVOLA) Kalliopinta ja sen päällä sijaitseva moreenikerros. + pohjaveden havaintoputket + interpoloitu pohjaveden pinnan taso RIKU HAKONIEMI 9

10 VIRTAUSMALLIN RAKENNE (POHJANKORPI, KOUVOLA) Kalliopinta ja sen päällä sijaitseva moreenikerros. + pohjaveden havaintoputket + interpoloitu pohjaveden pinnan taso + hiekkakerros RIKU HAKONIEMI 10

11 VIRTAUSMALLIN RAKENNE (POHJANKORPI, KOUVOLA) Kalliopinta ja sen päällä sijaitseva moreenikerros. + pohjaveden havaintoputket + interpoloitu pohjaveden pinnan taso + hiekkakerros + savi / silttikerros RIKU HAKONIEMI 11

12 VIRTAUSMALLIN RAKENNE VALMIS (POHJANKORPI, KOUVOLA) Pesularakennus RIKU HAKONIEMI 12

13 VIRTAUSMALLIN KALIBROINTI - POHJAVEDEN PINNAN TASO (POHJANKORPI, KOUVOLA) Residuaalit -2 cm +2 cm RIKU HAKONIEMI 13

14 KULKEUTUMISMALLIN KALIBROINTI (POHJANKORPI - KOUVOLA) Ensimmäisessä vaiheessa kulkeutumismalli yritettiin kalibroida vuosina 2008 ja 2017 pohjavedestä mitattujen PCE-pitoisuuksien avulla. kulkeutumismallille annettiin PCE:n lähtöpitoisuudeksi pohjaveden havaintoputkista vuonna 2008 mitatut pitoisuudet (interpoloidut arvot mallisoluihin). suoritettiin 9 vuoden mittainen simulaatio, jonka jälkeen verrattiin kulkeutumismallin laskennallisia PCE-pitoisuuksia havaintoputkista vuonna 2017 mitattuihin pitoisuuksiin. Korrelaatio vuonna 2017 mitattujen pitoisuuksien ja kulkeutumismallin laskennallisten pitoisuuksien välillä heikko (PCE-bluumi olisi poistunut alueelta). Tämän perusteella kyseessä ei ollut yksittäinen päästö, vaan pohjaveteen kulkeutuu edelleen PCE:tä esim. vajovesivyöhykkeestä. Toisessa vaiheessa kohteeseen asetettiin pysyvä päästölähde pesularakennuksen pohjoisen ulko-oven läheisyyteen. laskennalliset pitoisuudet vastasivat hyvin todettuja pitoisuuksia, lukuun ottamatta pistettä PF2, jossa laskennallinen pitoisuus oli huomattavasti todettua pitoisuutta pienempi. Virtausmallilla tarkasteltiin, miltä alueelta pohjavesi virtaa pisteeseen PF2 (mikäli advektio määräävä tekijä kulkeutumisessa). Kun tälle virtausreitille rakennuksen pohjoisreunalle asetettiin toinen päästölähde, kalibrointi onnistui hyvin. alueella on siten hyvin todennäköisesti kaksi päästölähdettä. RIKU HAKONIEMI 14

15 KULKEUTUMISMALLIN KALIBROINTI (POHJANKORPI - KOUVOLA) RIKU HAKONIEMI 15

16 KULKEUTUMISMALLIN KALIBROINTI (POHJANKORPI - KOUVOLA) Jukin skitsi bluumista RIKU HAKONIEMI 16

17 PCE:N KULKEUTUMINEN PÄÄSTÖLÄHTEISTÄ RIKU HAKONIEMI 17

18 MASSAVIRRAT (MASS FLUX - MASS DISCHARGE) Kokonaismassavirta (Mass discharge, M d ) = yksittäisten massavirtojen (Mass flux) summa. Massavirta (Mass flux) µg mg g/m 2 /d kokonaismassavirta tietyssä poikkileikkauksessa = µg mg g/d Pohjaveden virtaussuunta Pohjaveden virtaussuuntaan nähden kohtisuora leikkaus RIKU HAKONIEMI 18

19 MASSAVIRRAT (MASS FLUX - MASS DISCHARGE) Kokonaismassavirta (M d ) = Virtaama (Q) x Pitoisuus (C). Virtausmalli laskee pohjaveden virtaaman (Q) mallialueen jokaiseen soluun ja kulkeutumismalli laskee haitta-aineen pitoisuuden (C) jokaiseen mallialueen soluun voidaan määrittää kokonaismassavirta (M d ) missä tahansa kohdin mallialuetta. Virtausmallinnuksen laskennalisia massavirtaamia voidaan hyödyntää esim. reaktiivisen seinämän sijoittamisessa. RIKU HAKONIEMI 19

20 KOKONAISMASSAVIRTA (MASS DISCHARGE) RIKU HAKONIEMI 20

21 NIKRO, YLÖJÄRVI Klooratuilla liuottimilla pilaantuneen maaperän ja pohjaveden riskienhallinta (Pirkanmaan ELY-keskuksen toimeenpanema demonstraatiohanke). Demonstraatiohankkeeseen sisältyi PIMA-kohteen maaperän ja pohjaveden tutkiminen, riskienhallinnan suunnittelu sekä kunnostaminen. Pöyry toimi urakoitsijan (Nordic Envicon Oy) asiantuntijana pohjavesikysymyksissä. Kohteesta laadittiin 3D geologinen rakennemalli (ohjelmat: ArcGIS ja Surfer). Pohjaveden virtausmalliohjelmistona: Processing Modflow PCE:n (tetrakloorieteeni) kulkeutumista simuloitiin Moludar Three-dimensional Multispecies Transport Model-ohjelmalla (MT3DMS). Tutkittiin reaktiivisen seinämän sijoittamisen vaikutuksia PCE-pitoisuuksiin ja bluumiin. RIKU HAKONIEMI 21

22 NIKRO, YLÖJÄRVI REAKTIIVINEN SEINÄMÄ RIKU HAKONIEMI 22

23 NIKRO, YLÖJÄRVI REAKTIIVINEN SEINÄMÄ REAKTIIVINEN SEINÄMÄ RIKU HAKONIEMI 23

24 MASSAVIRRAT: VIRTAUSMALLI VS. IFLUX Virtausmallisimulaatioiden suorittamisen jälkeen alueella on tutkittu pohjaveden virtausta ja PCE:n kulkeutumista passiivinäytteenottimien (iflux) avulla. Lisäksi alueelle on asennettu uusia pohjaveden havaintoputkia / otettu pohjavesinäytteitä. Virtausmallin rakennetta päivitään uusien kairaustietojen ja passiivinäytteenottomien sijainnin perusteella (maalajit, kalliopinnan taso, mallikerroksien sijainti suhteessa passiivinäytteenottimien sijaintiin). PCE-bluumin sijaintia tarkennetaan uusimpien pohjavesinäytetuloksien avulla = uusi PCE:n lähtökonsentraatio mallisoluihin. Suoritetaan simulaatioita, joissa tutkitaan PCE-bluumin kulkeutumista ja määritetään laskennalliset massavirrat. Virtaus- / kulkeutumismallin laskennallisia massavirtoja verrataan passiivinäytteenottimien avulla määritettyihin massavirtoihin. RIKU HAKONIEMI 24

25 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ, AJATUKSIA JA ONGELMOINTIA Mikäli numeerinen pohjaveden virtausmalli on epäluotettava, haitta-aineen kulkeutumisen mallintamista ei välttämättä kannata suorittaa (riippuu siitä, miten virtausmalli toimii sillä alueella, jolla haitta-aineiden kulkeutumista mallinnettaan). Kulkeutumismallin kalibroinnin edellytyksenä on, että päästön luonne, sekä haittaaineen pitoisuudet ja spatiaalinen jakautuminen tunnetaan mahdollisimman hyvin (kertaluonteinen päästö / jatkuva päästö, yksi päästölähde / useita päästölähteitä, bluumin sijainti ja rajautuminen). Mihin kulkeutumismallin parametrit (dispersio, K d ) perustuvat (trial and error / automaattinen estimointi, taulukkoarvot / kirjallisuudesta, kenttäkokeet tai labrakokeet)? Miten numeerisen virtausmallin rakenteessa otetaan huomioon kulkeutumismallin tarpeet (solukoko, kerrosten lukumäärä, havaintoputkien siivilän sijainti jne.)? Mikäli numeerinen virtausmalli monimutkainen (esim. useita kerroksia), miten parametrisointi tapahtuu (mistä esim. eri kerroksien parametrit)? Virtausmallin / kulkeutumismallin pohjaksi tarvitaan tutkimustietoja (kairaukset, havaintoputket, pohjaveden laatu), toisaalta mallinnuksen tulokset saattavat osoittaa, että tutkimukset tulisi kohdentaa tietylle alueelle (olisiko järkevää laatia virtausmalli tutkimuksien alkuvaiheessa ja käyttää tutkimuksien kohdentamiseen?). RIKU HAKONIEMI 25

26 Kiitoksia yleisölle! Consulting. Engineering. Projects. Operations.