KAIRAUSDATAN KÄYTTÖ GEOLOGISESSA MALLINTAMISESSA POHJATUTKIMUSPÄIVÄ 19.9.2019, LAHTI Pauli Saksa, TkT, konsultti 17.9.2019 1 www.geosto.fi HELSINKI
MALLINTAMINEN PERUSTEET Mikä on malli? Malli on kuvaus järjestelmästä, joka sisältää osina geometrian, parametrit (ominaisuudet) ja nämä kytkevät prosessit. Geometria: kuvaa sijainnit, muodot, rajapinnat valitulla mallinnustavalla. Geometria voi olla yksi-, kaksi tai kolmiulotteista tai ajan suhteen muuttuvaa mallinnus ei sinänsä rajaa dimensiota tai esitysmuotoa. Parametrit: kuvattuja ominaisuuksia, jotka voivat olla luokkia, fysikaalisia arvoja, kemiallista koostumusta ym. Parametreja voi olla geometriaan liittyen monia. Prosessit: prosessit edustavat mallin osien kytkentää ja toiminnallisuutta, joita käytetään mm. simulointiin ja laskentaan. Geologisessa mallissa prosessit ovat mukana epäsuorasti esimerkiksi geometristen muotojen ja liitäntöjen kautta, jotka kuvaavat geologista kehityshistoriaa. Malliin liittyy keskeisesti mallinnusjärjestelmä, joka mahdollistaa mallin laadinnan, käsittelyn, simuloinnin ja havainnollistuksen. Mallin olemassaolo ei tätä sinänsä edellytä (voi olla vaikka paperilla). Geotieteellisessä maan mallinnuksessa käytetään usein nimityksiä Geotietomalli (Geoscientific Information System) 3D GIS ( GIS = paikkatietojärjestelmä) Geologinen malli (kuvaa geologiaa) Maaperä- tai kalliomalli (kuvaa jo sisältöäkin) 2
GEOTIETOMALLIN ERITYISPIIRTEET Geo(tieto)mallin yksi tärkeä erityispiirre on datapohjaisuus (data driven) verrattuna yleisiin teknisiin esim. suunnittelumalleihin (design driven). Malli muodostetaan datoista (voi olla useita eri tyyppejä: piste, viiva ja alue, voluumihavainnot), joita on yleensä puutteellisesti määrittämään malli tarkasti joka pisteessä ja data sisältää epävarmuutta esim. tulkinnan muodossa. Malli on parhaimmillaan paras arvio (best estimate). Suunnittelumalli sen sijaan laaditaan toteutusta varten, on halutun mukainen ja se on lähtökohtaisesti joka pisteessä tarkka (toleranssien rajoissa). Geomallien muita erityispiirteitä mallin tarkkuus ei ole eksakti vaan estimaatti, voi vaihdella eri mallin kohdissa malli sisältää epävarmuuksia (data voi olla suoria havaintoja, tulkintaa tai vaikka arvausta) mallin luontiprosessi (asiantuntija-arvio, laskenta, tulkinta) ei välity käyttäjälle asti varsinkaan tulosteissa ja havainnollistuksissa taustalla oleva lähtötieto sijainteineen ei tule usein esiin 3
GEOMALLINNUSJÄRJESTELMÄN OMINAISUUKSIA Geo(tieto)mallin laadinta tehdään soveltuvan tietokoneohjelman avulla, jonka toiminnallisuuteen kuuluu: Kyky hallita ja esittää eri tyyppistä geodataa: pistehavainnot, alueet, poikkileikkaukset lähtötietoina ja reikätiedon (=KAIRAUSTEN) hallinta Geodatan valmiit luokat: litologia (kivilajit), maalajit, stratigrafia, erilaiset ominaisuudet (määriteltävissä per malli), akviferit, geofysiikan, hydrologian ja kemian arvot, havainnon ajanhetki, tekniset tiedot esim. reikiin liittyen Geograafisten koordinaattien ymmärtäminen ja käsittely Karttojen ja topografian luonti ja tuonti järjestelmään Interpolointi ja ekstrapolointi eri menetelmin, laskentamenetelmät (deterministinen <> stokastinen) Mallin muodostukseen liittyvät ja ohjaavat säännöt (esimerkiksi laskenta tietyn kivilajiyksikön sisällä) Epäjatkuvuuksien käsittely (mm. siirrokset ja muut domainit) Suunnittelumallien elementtien tuonti geomalliin (esim. louhosgeometria rajaavana tekijänä) Grafiikka: havainnollistus näytöllä, zoomaus, tasot (layerit), voluumien ja poikkileikkausten esitys, asteikot, reikätiedon esitys, koordinaatistot, editointi ja piirtäminen 4
JÄRJESTELMÄN HAVAINNOLLISTUSTA - ROCKWORKS 17 5 Yllä pääikkuna Vas. litologisen mallin laskennan ohjausta, Maalajien laskentaa ohjataan luokkien G-arvojen avulla (yksilöivä lukuarvo per maalajiyksikkö, esim. savi=1.0, siltti 2.0, hiekka=3.0
KAIRAUSDATA JA SEN HAASTEET DATA: Reikäsijainti XYZ, syvyys, reikätunnus Maalajien havainnot ja tulkinta kairauksista, piste- tai intervallihavainto Kallionrajapinta, kallion laatu, RQD, raot, vyöhykkeet Pohjavedenpinnan asema (pv-putkien asennus tai kairaushavainto) Pohjavesiputkissa: sisähalkaisija ja siiviläputken osuus mahdollisia reikämittauksia ja näytteitä varten Kairausmenetelmä (rajoitukset, erityispiirteet) tulee huomioida HAASTEITA: Erilaiset maalajiluokitukset - GEO ja RT-luokat Poikkeavat tulkinnat eri pohjatutkijoiden aineistoissa Eri aikaiset aineistot ja niiden etsintä, lähtötiedon keruu voi olla työlästä Erilaiset kairaukset yhdessä (esim. painokairaus, puristinheijari, porakonekairaukset Erilaiset päättymissyvyydet ja puuttuva tieto Laadun arviointi Digitalisointi datan koostamiseen, yhtenäistämiseen ja tarkistuksiin menee yli 50% mallinnustyön ajasta. 6 6
ONGELMIEN RATKAISU KAIRAUSDATAN MALLINTAMISESSA Tilanne Eri luokittelut (GEO / RT) Eri kairaajien poikkeavat maalajiluokittelut Yksityiskohtaisuus vaihtelee Epävarma kallioon päättyminen Pistetiheys ja kattavuus vaihtelee Eri kairaustekniikoita Kairauksesta arvioitu pohjaveden pinta Hyvin harva data Kallionäytekairaus: vaihtelevat kivilajien määritykset Mallinnustekniikan ja vaihtoehtojen valinta Ratkaisu Uudelleen tulkinta/arviointi, karkeampi luokittelu Arviointi, karkeampi maalajiluokitus ja sen mallinnus, numerodatan käyttö Karkeampi maalajiluokitus (stratigrafia) Tarkasta suhteessa porauksiin, kallionäytekairauksiin ja maatutkaan, käytä vain stratigrafiaan (missing data) Testaa interpoloitavuutta, täydennä muulla datalla, osa kohdealueesta jää mallintamatta Käytä luotettavin ja yhtenäinen data ensin Vertaa pv-putkidataan, älä käytä, jos merkittäviä eroja. Älä mallinna, esitä vain kuvina tai leikkauksissa Tarkista sopiiko yleisgeologiaan, karkeampi luokitus käyttöön, näytteiden uudelleen kartoitus Selvitä geologinen yleisrakenne ja sen vaikutukset mallinnustapaan 7 7
MALLINNUSESIMERKKI 1 MAALAJIMALLI Datan esitys ja tarkastelu 8
TILAVUUSMALLI POIKKILEIKKAUSTEN SARJANA aitadiagrammi Koska malli on tilavuusmalli, ei sinne näe sisään, tosin läpinäkyvyyttä voidaan säätää Voidaan valita näyttöön vain yksittäinen maalaji ja sen esiintyminen, esim. siltti 9
MALLIN TULOSTEET ERI ESITYSTAPOJA Kolmiulotteiset havainnollistukset (KARTAT, KUVAT ja PIIRUSTUKSET) mittakaavaan Tilavuusmallit ja niiden avaukset Profiilit halutuilta kohdin Profiilisarjat (aitadiagrammit) Pintakartat tai kartat maanalaiselta tasolta Louhoksen tai muun tilan ominaisuudet Analyysit halutuilta kohdin maan-kallion laatu ja vyöhykkeet tilavuuksittain tai osuuksittain, voluumit ja massat Raportointi, digitaaliset mallit, animaatiot 10
MALLIN TULOSTEET - POHJAVESI Virtausvyöhykkeet ja vedenjohtavuudet / pitoisuudet Pinnantasot ja suuntavektorit, voimakkuus (vektorin pituus, väri, paksuus jne.) Maalajeille on annettu vedenjohtavuudet ja laskettu vedenjohtavuusmalli (=johdannaismalli) 11
HAITTA-AINEET MAAPERÄSSÄ, MALLI JA MÄÄRÄLASKENTA Pit. Eri pitoisuusluokittain Eri maalajeittain Pohjavedenpinnan ylä- ja alapuolinen osuus 12
KÄYTTÖESIMERKKI PUMPPAUSKAIVOJEN SIJOITUS Suojapumppauskaivojen simulointi mallin pohjalta, kaksi kaivoa sijoitettiin sopivaan maaperään ja virtausreitille (eri vaihtoehtoja). Kaivojen vaikutusta pohjaveden hallintaan simuloitiin eri ajanhetkinä. Kuva A) kaivon sijoitus maaperämallissa, B) pohjavedenpinnan alenema 10 vrk pumppauksen alusta yhdistettynä pv-pintaan. Pumppauskaivon sijoittelu on optimointia: vettäjohtava maaperä, riittävä syvyys, sijainti virtausreitillä, antoisuus (alenema, vaikutusalue, muutosnopeus, pumpun asennussyvyys). A) 13 B)
GEOMALLINTAMISEN HYÖDYT Geomallinnus kokoaa hajanaisen tiedon ymmärrettäväksi ja analysoiduksi kokonaisuudeksi Kairaajalle: maalajien tulkinta on keskeistä mallinnuskäytön kannalta Käyttö suunnitteluun, analyyseihin, toimenpiteisiin, riskienhallintaan, seurantaan, luvitukseen, myyntiin Tiedonhallinta on elinkaariajattelua Havainnollistaminen maanalaisille asioille (suunnittelijat, sidosryhmät) Investointi, jolla on nopea takaisinmaksuaika (esim. pohjaveden virtausmallin lähtötietona) Tietojen säilyvyys varmistuu (kenttätutkimukset ovat arvokkaita, usein ei toistettavia) Seeing is believing Imagovaikutukset uutta tekniikkaa ympäristön hallintaan 14
JÄLKISANAT Tavattavissa esityksen jälkeenkin. Tietokoneavusteista geologista mallinnusta vuodesta 1989! Pauli Saksa / GEOSTO OY www.geosto.fi Kiitos mielenkiinnostanne! 15