POHJAVESIALUEIDEN RISKIENKARTOITUS JA VIRTAUSMALLINNUS

Transkriptio

1 POHJAVESIALUEIDEN RISKIENKARTOITUS JA VIRTAUSMALLINNUS Jussi-Pekka Kinnunen Alustus luonnonvarainvaliokunnan kokouksessa to klo Kokouspaikka eduskunnan kokoushuone A116

2 Pohjavesialueiden riskit ja niiden kartoitus Pohjavesialueet on rajattu hydrogeologisen maastotarkastelun perusteella 1: peruskarttalehdille. Pohjavesialuetta koskevat yksityiskohtaiset tiedot, myös pohjavettä vaarantavat kohteet, on esitetty pohjavesialuekortilla. Pohjaveden suurin likaantumisvaara on pohjaveden muodostumisalueella. Lika-aineet voivat päästä pohjaveteen sellaisenaan tai sade- ja sulamisvesien avulla. Myös pohjavesialueiden kunnallisissa suojelusuunnitelmissa on kartoitettu suurimmat riskit ja pohjaveden laatua uhkaavat tekijät. Näiden jo kartoitettujen uhkatekijöiden lisäksi tutkijan täytyy tutkimusalueen paikkatietoprojektin edetessä miettiä mahdollisia lisäuhkia. Pohjavettä likaavia aineita ja likaantumista edistäviä tekijöitä Orgaaniset eliöt -bakteerit, virukset ja muut pieneliöt Öljytuotteet -bensiini, petroli, polttoöljy, bitumi -polttoainekuljetukset, huoltoasemat, öljysäiliöt, kulkuneuvot, pysäköintipaikat -asfaltti-, öljysora- ja murskausasemat Myrkylliset aineet -arseeni, lyijy, elohopea, kadmium, kromi, syanidit, fluoriyhdisteet -kemikaalivarastot, teollisuusalueet Maantie- ja lentokenttäsuolaus -urea, epäorgaaniset suolat Meriveden tai pintavesien imeytyminen -suola, humus Maanviljelys -keinotekoiset lannoitusaineet -eläinten tai ihmisten ulosteet, lietelanta, jätevedet -kasvinsuojeluaineet -AIV-säiliöt, farmarisäiliöt Kemian-, metalli- ja konepajateollisuus Betoni- ja sementtiteollisuus Elintarviketeollisuus Korjaamot, romuttamot, maalaamot Hautausmaat Puuteollisuus, sahat, kyllästämöt, ratapihat -puunkyllästysaineet, kreosootti, (penta)kloorifenolit, arseeni-, kupari- ja kromiyhdisteet Soranotto ja maankaivuu -parantaa aineiden kulkeutumisen mahdollisuutta Kaatopaikat -yleisvaarallinen, useat aineet Radioaktiiviset aineet Veteen väriä tai makua aiheuttavat aineet -väriaineet, fenolit, humus Pinta-aktiiviset aineet (detergentit) -saippua, pesuaineet Jätevedenpuhdistamot, viemärit, ojat -jätevesi Ilman kautta tulevat laskeumat Turkistarhat, kalankasvatuslaitokset -bakteerit, ulosteet

3 Paikkatietoprojekti riskienkartoituksen ja virtausmallinnuksen välineenä Kaiken nykyaikaisen ympäristötutkimuksen pohjana on paikkatietoprojekti. Nykyaikaiset nopeat tietokoneet ja käyttäjäystävälliset paikkatieto-ohjelmistot mahdollistavat tutkijalle paikkaan sidotun tiedon tallentamiseen ja hyväksikäyttämiseen. Kartoitetut riskikohteet tallennetaan paikkatietoohjelmaan kuvioteemoiksi, joihin liittyvät myös tietokantataulut. Tallennetun tutkimustiedon ja karttaaineiston avulla on helppo verrata riskikohteiden suhdetta ympäristöönsä, sekä tuottaa laadukkaita ja korkeatasoisia teemakarttoja ja kuvia. Yleisimmät karttapohjat ovat Maanmittauslaitoksen Perus- CD rasterikarttapohjat ja vektorimuotoinen maastomalli. Näiden lisäksi tutkimusalueen kunnalta on mahdollista saada käyttöön tarkkoja paikallisia aineistoja. Usein aluksi tutkimukseen kuulumattomaltakin tuntuva aineisto kannattaa liittää projektiin, koska ongelmien kohdentuessa kaikella saatavissa olevalla tiedolla tuntuu löytyvän käyttöä. Myös ilma- ja satelliittikuvia voidaan liittää projektiin. Maaperässä tapahtuvan nestevirtauksen kulkeutumisessa pääasiallisena tekijänä on maa-aineksen laatu ja geologinen fasies. Tämän perusteella maaperän tuntemus on tärkein tekijä pohjavesimallinnuksessa. Suomessa maaperän pintaosat on kansainväliseen tasoon nähden erittäin hyvin kartoitettu Geologian tutkimskeskuksen (GTK) toimesta ja tutkimustulokset ovat kaikkien saatavilla joko painettuina maaperäkarttoina tai valmiina paikkatietoaineistoina. Tämä aineisto yhdistettynä muuhun tutkimusalueen paikkatietoaineistoon ja maaperän korkeusmalliin antaa koulutetulle tutkijalle vahvan perustan lähdettäessä selvittämään pohjaveden esiintymistä ja sen kulkeutumista. Lopullisen kolmiulotteisen mallin tekemiseen tarvitaan lisäksi vielä maaperän kairaustietoja, tietoa peruskallion sijainnista ja havaintoja pohjaveden pinnankorkeuksista. Maaperän kolmiulotteista mallinnusta ajatellen parhaiten tunnettu tieto on maanpinnan korkeustieto. Kolmiulotteinen kartoitus on jo nykyään kartoittajan arkipäivää. Maanmittauslaitos on julkaissut koko maan kattavan korkeusaineiston 200 ja 25 metrin pistevälein. Aineistot tunnetaan vastaavasti nimillä korkeusmalli 200 ja korkeusmalli 25. Tekeillä on myös viiden metrin pistevälillä olevaa korkeusmalli. Maaperän maa-ainesten laadun voi selvittää eri typpisillä maaperäkairauksilla. Tyypillinen kaupunkien ja kuntien käyttämä kairausmenetelmä on painokairaus, jonka avulla selvitetään usein maaperän rakennettavuutta. Asutustaajamissa tai niiden lähistöllä tällaisia kairauksia on usein tehty kohtalaisen tiheällä pistevälillä. Maaseudulla ja asumattomilla alueilla tutkimus joudutaan kuitenkin usein aloittamaan kairauksilla aiemman tutkimusaineiston puuttuessa. Hyvä puoli tässä on kuitenkin se, että kairaukset voi tällöin kohdentaa tehtävän tutkimuksen tarpeisiin. Kallioperän sijainti selvitetään joko kairaustietojen tai geofysikaalisten tutkimsmenetelmien, gravimetristen-, seismisten- ja maatutkamittauksien perusteella. Maakairaukset ulottuvat usein peruskallioon saakka, jolloin tätä tietoa voidaan hyödyntää maaperämallinnuksessa.

4 Virtausmallinnus ja aineiden kulkeutumisen mallinnus Pohjaveden virtauksen mallinnuksessa voidaan käyttää erilaisia tietokoneohjelmia, joista USGS:n kehittämä MODFLOW on kaikkein käytetyin. Ohjelman kotisivut ovat osoitteessa: water.usgs.gov/software/modflow.html. Käsittelemme tässä yksinomaan tätä virtausmallinnusohjelmaa. Ohjelma on kirjoitettu FORTRAN-kielellä. Sen ensimmäinen versio ilmestyi vuonna 1983, jonka jälkeen sitä on päivitetty useita kertoja ja perusohjelmaan on tehty monia lisämoduleja, joilla voidaan tarkentaa pohjavesimallia ja lisätä malliin erilaisia mallialueen osia. MODFLOW-ohjelmaa voidaan käyttää sellaisenaan, mutta käytännössä se on liitetty erillaisiin esija jälkikäsittelyohjelmiin. Lopputuloksena ovat kuitenkin joka ohjelmasta samanlaiset ASCII-muotoiset syöttötiedostot, joita MODFLOW käyttää mallilaskennassa. Periaatteessa nämä tekstitiedostot olisi mahdollista tehdä myös millä tahansa tekstieditorilla. Seuraavassa tärkeimmät ja käytetyimmät pohjaveden mallinnuksessa käytetyt ohjelmat, joissa kaikissa on MODFLOW lopullisena virtausmallin laskijana. Visual MODFLOW Processing MODFLOW GMS ArcView GW Modeler ArgusONE EVS/MVS ( ( pmwin_overview.html) ( ( ( ( Yleensä pohjavesimallinnusohjelman kanssa käytetään jotain paikkatieto-ohjelmaa, kuten ArcView tai MapInfo, sekä pintamallinnusohjelmia, kuten mm. Surfer. Suomessa paljon käytetty ohjelmakolmikko on ArcView - Surfer - Processing MODFLOW (mm. Ympäristökeskus). Mitä pohjaveden virtausmallin avulla voidaan selvittää? 1. Vesitase, mistä vettä tulee ja kuinka paljon sitä muodostuu, minne sitä menee 2. Pohjaveden pinnankorkeus jokaisessa mallialueen ruudussa 3. Pohjaveden virtaussuunnat ja virtausnopeus jokaisessa mallialueen ruudussa 4. Pohjaveden virtausreittien simulointi annetusta pisteestä eteen- tai taaksepäin 5. Pohjaveden pinnankorkeuksien ja valuma-alueiden muutokset, kun a) vedenottoa lisätään tai/ja kaivojen määrää lisätään (vettä pois mallista) b) imeytymistä lisätään esim. tekopohjavettä muodostamalla (vettä malliin lisää) 6. Liuenneiden aineiden kulkeutumisen, konsentraation muutosten ja reaktioiden mallinnus Tekstin kuvat on tehty USGS:n raportin, FS , mukaan ( /).

5 Akviferin mallinnettavat ominaisuudet Rajoittamattomat ja rajoitetut akviferit - pohjaveden virtaus ja varastomuutokset Siirrokset ja muut esteet - pohjaveden vaakavirtausta estävät vaikutukset Hienorakeiset rajoitetut kerrokset ja välikerrokset Virtausta rajoittavat kerrokset Joet - veden kulkusuunta Ojat ja lähteet - veden poistuminen akviferista Ajoittaiset vesivirrat, esim. tulvavirrat - veden kulkusuunta Järvet, vesialtaat, patoaltaat - veden kulkusuunta Imeytyminen sadannasta ja keinokastelusta Haihdunta Kaivot - vedenotto tai -syöttö Kuva 1. Akviferin ominaisuudet, joita voidaan simuloida MODFLOW-virtausmallilla.

6 Malligridin luonti Virtausmallinnuksessa pohjavesisysteemi esitetään yksi- tai useampikerroksisena hilaverkkona, jonka pienin yksikkö on solu l. finiitti-differenssi blokki, Kuva 2. Yksittäisen solun keskipiste on noodi, jolle annettu arvo vastaa mallinnuksen laskennassa koko solun keskiarvoa. Jos esim. solun koko vastaa maastossa 50 x 50 x 50 m, niin solun keskipisteelle annettu arvo, esim.vedenjohtavuus, pohjavedenpinnan- tai maanpinnan korkeus, vastaa koko kyseisen alueen keskiarvoa. Tästä johtuen seuraa tietysti se, että mitä tarkempaa tietoa mallinnettavasta alueesta on saatavissa, sen pienempiä soluista voidaan tehdä ja myös malli tarkentuu. Hydrostratigrafiset yksiköt voidaan esittää yhtenä tai useampana kerroksena. Mallin rivien ja sarakkeiden leveys voi vaihdella ja jokainen mallin yksittäinen solu voi olla eripaksuinen. Mallinnus aloitetaan määrittelemällä malligridin ulottuvuudet, solujen ja kerrosten määrä, sekä yksittäisen solun mitat. Solujen koko voi tietyssä rajoissa vaihdella sarakkeittain tai riveittäin. Sen jälkeen joka solulle määritellään mm. sen pinnan ja pohjan korkeus, kerrostyyppi, osallistuuko solu mallilaskentaan vai ei, ajalliset parametrit, pohjavedenpinnan ja vakiovedenpintojen alkukorkeudet, vedenjohtokyky, huokoisuus. Lopuksi malliin lisätään vielä imeytyminen, ojat, lähteet, joet, kaivot ja vesialtaat. Tämän jälkeen malli on valmis ajettavaksi käyttäen erilaisia ratkaisumetodeja. Sarake Rivi Kerros 1 Kerros 2 Kerros 3 Akviferiin kuuluvat solut Akviferiin kuulumattomat solut Noodi Kuva 2. Esimerkki malligridistä, jolla simuloidaan kolmiulotteista pohjaveden virtausta.

7 Mallinnuksen tulokset Mallinnusohjelma käyttää kaikkia annettuja alkutietoja mallin laskemisessa. Tuloksena ohjelma antaa pohjavedenpinnan korkeuden jokaisessa solussa haluttuna aikana, sekä pohjaveden virtausnopeuden ja virtaussuunnan. Saatuja simulaation tuloksia verrataan todelliseen mitattuun pohjavedenpintaan, Kuva 3. ja malli kalibroidaan siten että laskettu ja mitattu pohjavedenpinta vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan. Ohjelma laskee myös mallinnusalueen vesitaseen, kuinka paljon ja missä vettä muodostuu ja mistä sitä poistuu. Lopullisia pohjavedenpinnan arvoja voidaan käyttää apuna esim. tehtäessä erilaisilla jälkiprosessointiohjelmilla samanarvokäyriä. Simuloitu pohjavedenpinta Pohjaveden pinta Mitattu pohjavedenpinta Simulaatioaika Kuva 3. Vertailu mallin laskeman ja mitatun pohjavedenpinnan välillä.

8 Mallin automaattikalibrointi, parametrien estimointi (PEST) ja käänteinen mallinnus Tärkeimmät automaattikalibroinnissa käytettävät ohjelmat ovat PEST, UCODE ja MODFLOWP. Kalibrointiohjelma laskee uudet parametrien arvot, jotka antavat tulokseksi objektiivifunktion minimin. Kalibrointiohjelma vertaa toisiinsa pohjavesimallin (MODFLOW) laskemaa pohjavedenpinnan korkeutta ja todellisia mitattuja pistemäisiä pohjavedenpinnan korkeuden arvoja muuttaen haluttuja parametrejä, kuten esim. vedenjohtavuusarvoja, niin että pinnat tulevat mahdollisimman lähelle toisiaan, Kuva 4. Myös monia muita parametrejä voidaan kalibroida, Taulukko 1. Kalibroinnin käyttö ei rajoitu vain pohjavesimallinnukseen, vaan sitä käytetään yleisesti myös monilla muilla tieteenaloilla, kuten pintavesi- ja ilmastotutkimksissa. Arvioitaessa mallin totuudenmukaisuutta on aina muistettava että kalibroinnin tuloksena saadut arvot eivät ole millään tavoin ainutkertaisia. Niiden avulla vain on saatu mallin joitain osia sopimaan toisiinsa. Mallin laatijalle jää päätettäväksi kuinka hyvin nämä kalibroidut arvot vastaavat todellisuutta. Pohjavesimallin kalibroiminen on pakollinen, sekä usein vaikein, huolellisuutta vaativin ja aikaavievin osuus mallin laatimisessa. Kerrostyyppi 0:rajoitettu 1:rajoittamaton 2:rajoit./rajoittam. 3: rajoit./rajoittam. Parametri T on vakio T vaihtelee Vedenläpäisevyys (Transmissivity) kyllä ei kyllä ei Vedenjohtavuus (Horizontal hydraulic conductance) ei kyllä ei kyllä Kerrosten välinen vuoto (Vertical leakance) kyllä kyllä kyllä kyllä Ominaisantoisuus (Specific yield) ei kyllä kyllä kyllä Varastokerroin (Confined storage coefficient) kyllä ei kyllä kyllä Kaivojen pumppaus- tai syöttömäärät kyllä kyllä kyllä kyllä Ojien johtavuus, jokisolut, GHB kyllä kyllä kyllä kyllä Sadanta (Recharge flux) kyllä kyllä kyllä kyllä Suurin haihduntanopeus (Evapotranspiration) kyllä kyllä kyllä kyllä Taulukko 1. Kalibroitavia parametrejä. Etenevä Pohjaveden pinnan korkeus ja virtaussuunta Mallin parametrit Käänteinen Kuva 4. Etenevä ja käänteinen mallinnus (parametrien estimointi).

9 Objektiivifunktio Kalibrointiohjelman tuottamat objektiivifunktion minimiarvot ovat pohjavesimallin parametriarvot, jotka laskennallisersti sopivat parhaiten malliin niin, että simuloitu ja mitattu pohjavedenpinta ja virtaussuunnat vastaavat parhaiten toisiaan, Kuva 5. Sovitetut arvot parametreille 1 ja 2 objektiivifunktion minimissä Objektiivifunktion laskema pinta Objektiivifunktion arvo Parametrin 2 arvo Parametrin 1 arvo Objektiivifunktion samanarvokäyrät Kuva 5. Esimerkki objektiivifunktiosta ja kahden parametrin sovittamisesta käänteisellä mallinnuksella lineaarisessa ongelmassa.

10 Partikkelien kulkeutumisen mallinnus MODPATH-ohjelmalla MODPATH-ohjelma on MODFLOWn jälkiprosessointiohjelma, jonka avulla voidaan seurata valmiiseen kalibroituun malliin sijoitettujen partikkelien kulkusuuntia asetetuilla aikaväleillä. Hiukkasten kulkusuuntia voidaan mistä tahansa pisteestä simuloida ajallisesti joko eteen- tai taaksepäin, Kuva 6. Tätä voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi selvitettäessä mistä päin mahdollinen pohjavettä likaava aine on saapunut. Kaivot Kuva 6. Esimerkki MODFLOW-mallinnuksen jälkiprosessoinnista. Vesipartikkelien kulkeutuminen kahteen kaivoon. Virtausviivat on laskettu MODPATH-ohjelmalla. Neliöt ovat jokisoluja. Käyrät ovat MODFLOW-ohjelman laskemien pohjavedenpinnan korkeuksien perusteella muodostettuja samanarvokäyriä.

11 Pohjaveden virtausaika Eräs pohjavesimallin käyttömahdollisuuksista on tutkia pohjaveden virtausaika eri alueilla, Kuva 7. Kuva 7. Simuloitu pohjaveden virtausaika jokaisessa mallisolussa. Aika vuosissa.

12 Liuosten ja liuenneiden aineiden kulkeutuminen Virtausmallin ja liuenneiden aineiden kulkeutumisen mallinnusohjelmien, MOC3D, MT3D ja MT3DMS, avulla voidaan simuloida liuenneen aineen kulkeutumista, konsentraation muutoksia, hajoamista ja kemiallisia reaktioita ajan ja paikan suhteen, Kuva 8. Liuosten kulkeutumisen mallinnus on tärkein työkalu tutkittaessa maaperästä löydettyjen aineiden alkuperää ja saastuneiden alueiden kunnostustarpeen laajuutta. Laskut perustuvat mm. kunkin aineen arvioituun alkukonsentraatioon, kullekin aineelle ominaisiin kulkeutumisen, hajoamisen ja jakaantumisen tunnuslukuihin, sekä maaperän tunnuslukuihin, kuten esim.huokoisuuteen, maakerrosten paksuuteen ym. Saastelähde Pohjaveden virtaussuunta Kuva 8. MOC3D-ohjelman laskemat, pohjavedessä kulkeutuneen aineen konsentraation muutokset esitettynä värivaihtelun avulla kolmiulotteisessa mallissa.

13 Kirjallisuutta Heikkinen, Päivi Haitta-aineiden sitoutuminen ja kulkeutuminen maaperässä. Geologian tutkimuskeskus, Tutkimusraportti 150, 74 s ja liite. Korkka-Niemi, Kirsti ja Salonen, Veli-Pekka, Maanalaiset vedet - Pohjavesigeologian perusteet. Turun yliopiston täydennyskoulutuskeskus. Pohjaveden suojelu, Kaupunkiliiton julkaisu B 93, 73 s. + 5 liitettä. Pohjaveden suojelu erityisesti vedenhankintaa silmälläpitäen, Vesi- ja viemärilaitosyhdistys, 134 s. + 2 liitettä. Kirjoittaja ja tutkija on fil.yo Jussi-Pekka Kinnunen. Hän on opiskellut Turun yliopistossa pääaineenaan kallioperägeologia ja sivuaineinaan GIS-paikkatieto, biologia, kemia ja fysiikka. Porin pohjavesialueiden tutkimusten puitteissa tutuksi ovat tulleet myös pohjavesi- ja 3D-mallinnus, sekä animaatioiden valmistus. jupeki@hotmail.com