View
220
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
Bepalen van de impact van grondwaterwinningen
Andy Louwyck
Dienst Grondwaterbeheer
23/01/2012
2
Inhoud
• Situering• Grondwaterstromingsmodellen• Axiaal symmetrische modellen• MAxSym• Besluit
Situering
4
Grondwaterwinning
= hinderlijke inrichting• lokale impact
• verdroging• verstoring grondwaterstromingspatroon• kwaliteitsverandering• zettingen
• regionale impact • gecumuleerd effect• regionale peildaling• regionale kwaliteitsverandering
5
Dienst Grondwaterbeheer
• adviesverlening bij vergunningen• modellering: lokale + regionale impact kwantificeren
6
Vlaams Grondwatermodel
VGM Concept
HCOV
3D HCOVkartering
Axiaal symmetrisch
model
Dichth. afh.ax. symm.
model
Regionale3D modellen
GWvoedingmodel
Subregionaleen lokale
3D modellen
Dichth. afh.3D model
= gebiedsdekkende datasets en modellen
Databeheer
7
8
https://dov.vlaanderen.be/dovweb/html/3grondwaterachtergrondinfo.htmlwww.vmm.be/publicaties/grondwaterbeheer-in-vlaanderen/
Grondwaterstromingsmodellen
10
Hydrologische cyclus
irrigatie
runoff
drainage of voeding
neerslagtranspiratie
evaporatieplas
vorming
infilratie
verticalestroming
horizontale stroming
onttrekking door wortels
onverzadigde zone
freatische aquifer
aquitard
winningen
waterloop
watertafel
verticale stroming
gespannen aquifer horizontale stroming
gro
nd
wat
er
10
11
Grondwaterstromingsmodel
drainage of voeding horizontale stroming
freatische aquifer
aquitard
winningen
waterloop
verticale stroming
gespannen aquifer
horizontale stroming
infiltratie
watertafel
gro
nd
wat
er
• vereenvoudigde weergave• wiskundige formulering: differentiaalvergelijking• o.b.v fundamentele fysische wetten
11
Wet van Darcy
12
Q: debiet (m³/d)
K: doorlatendheid (m/d)
A: oppervlakte (m²)
h: stijghoogte (m)
Δl: afstand (m)
Beschrijft stroming van vloeistof in poreuze media
𝑄=−𝐾𝐴h2−h1∆ 𝑙
Continuïteitswet
• Waterbalans: hoeveelheid in = hoeveelheid uit• Winning in freatische aquifer haalt water uit:
• berging van de aquifer• lek vanuit onderliggende laag• infiltratie voeding• voedende waterlopen
• Winning in gespannen aquifer haalt water uit:• berging van de aquifer• lek vanuit aangrenzende lagen (voeding)
13
∑𝑄𝑖𝑛=∑𝑄𝑜𝑢𝑡
14
Wiskundige formulering
• tijd?• stationair: constante grondwaterstroming (evenwicht)• niet-stationair: tijdsafhankelijke grondwaterstroming
• coördinatenstelsel?• cilindrische coördinaten (1D of 2D)• cartesische coördinaten (2D of 3D)
• oplossingsmethode?• analytisch: exacte oplossing, formule• numeriek: benaderde oplossing, geen formule
15
Stationair vs. niet-stationair
• stationair model: • geen bergingsverandering• constante pompdebieten• constante lek• constante infiltratie• constante voeding en drainage van waterlopen
• niet-stationair model: • bergingsverandering• tijdsafhankelijke pompdebieten• tijdsafhankelijke lek• tijdsafhankelijke infiltratie• tijdsafhankelijke voeding en drainage van waterlopen
16
Coördinatenstelsel
• Cartesisch: • 1D: x• 2D: (x,y) of (x,z)• 3D: (x,y,z)
• Polair: (r,θ)• Cilindrisch: (r,θ,z)
• Axiaal symmetrisch:• 1D: r• 2D: (r,z) θ dimensie valt weg
= + +
++
regionale stroming waterlopen
infiltratie ondiepe winning diepe winning
17
Superpositie
totale effect = som van effecten
Axiaal symmetrisch of cartesisch?
regionale stroming waterlopen
infiltratie ondiepe winning diepe winning
cartesisch
axiaal symmetrisch
19
Cartesisch 3D grid
Lagen
Rijen
Kolommen
z
x
y
20
Axiaal symmetrisch 2D grid
Ringen
Lagen
As pompput
z
r
21
Axiaal symmetrisch ofcartesisch?
• axiaal symmetrisch:• één winning• horizontale, homogene lagen met constante dikte• infiltratie is ruimtelijk constant• geen regionale stroming, geen waterlopen
• cartesisch:• meerdere winningen• lagen met variabele dikte en laterale heterogeniteit• infiltratie is ruimtelijk gedistribueerd• regionale stroming + waterlopen
22
Axi-symmetrisch model of 3D model?
• Axi-symmetrisch model:• eenvoudig • snel• effect van één winning• stroming naar pompput
lokaal
• 3D model:• complex• tijdrovend• totale effect• ‘werkelijke’ stroming
lokaal + regionaal
Axiaal symmetrische modellen
Effect van één winning
= simuleren van afpompingskegel
• freatische aquifer: verlaging van de watertafel
• gespannen aquifer: verlaging van het stijghoogteoppervlak
24
s(r,t)
h(r,t)
Q(t)
r
rwh
0
L
Afpompingskegel
25
h0: initiële stijghoogte (m)
h: stijghoogte (m)
s: verlaging (m)
r: radiale afstand (m)
t: tijd (d)
rw: pompputstraal (m)
L: filterlengte (m)
Q: pompdebiet (m³/d)axiale symmetrie rond as van pompput
• debiet Q• afstand r (en z) • tijd t• hydraulische parameters
verlaging s is functie van:
26
Schematisatie grondwaterreservoir
D1, Kh
1, Kv
1, Ss
1D
2, Kh
2, Kv
2, Ss
2
D2, Kh
2, Kv
2, Ss
2
D1, Kh
1, Kv
1, Ss
1
D1, Kh
1, Kv
1, Ss
1
D3, Kh
3, Kv
3, Ss
3
D3, Kh
3, Kv
3, Ss
3
D3, Kh
3, Kv
3, Ss
3
D2, Kh
2, Kv
2, Ss
2
D4, Kh
4, Kv
4, Ss
4
N
Sy
FREATISCHAFGESLOTEN HALF-AFGESLOTEN
s = 0
diepe winning ondiepe winning
aquiclude
aquitard
aquifer
vaste stijghoogte
watertafel
infiltratie
27
Parameters
• D: laagdikte (m)• Kh: horizontale doorlatendheid (m/d)• Kv: verticale doorlatendheid (m/d)• Ss: specifiek elastische bergingscoëfficiënt (m-1)• Sy: bergingscoëfficiënt nabij watertafel (-)• N: infiltratiesnelheid (m/d)
• T = Kh.D: doorlaatvermogen (m2/d)• S = Ss.D: elastische bergingscoëfficient (-)• Cv = D/Kv: verticale weerstand (d)
Infiltratiegebied
Q
N = 0
R
R²N = Q
• Freatische aquifer
• Axiaal-symmetrisch:• cirkelvormig• middelpunt = pompput• straal R?
• Continuïteitswet:• Qout = pompdebiet• Qin = πR² x N
= oppervlakte x flux
28
𝑅=√𝑄 /𝜋 𝑁
29
Eénlagige modellen• geen effect in aangrenzende lagen• pompputfilter over volledige dikte laag (D = L)• geen verticale stroming in laag• specifiek: één type aquifer
• voorbeelden analytische modellen:• Thiem: stationair, afgesloten aquifer• Dupuit: stationair, freatische aquifer• De Glee: stationair, half-afgesloten aquifer• Theis: niet-stationair, afgesloten aquifer• Hantush-Jacob: niet-stationair, half-afgesloten• Sichardt: empirisch, geen oplossing van diff vgl
30
Meerlagige modellen
• ook effect in aangrenzende lagen• pompputfilter hoeft niet over volledige dikte laag (D ≥ L)• verticale stroming tussen lagen• generiek: alle mogelijke schematisaties
• voorbeelden:• MLU: analytisch (www.microfem.com/products/mlu.html)• TTim: analytisch (ttim.googlecode.com)• RADMOD: numeriek (water.usgs.gov/software/RADMOD)• AS2D: numeriek (L. Lebbe, UGent)• MAxSym: numeriek (maxsym.googlecode.com)
MAxSym
32
MAxSym
• MATLAB tool• open-source (UGent)• stand-alone versie (VMM)
• mathematisch model:• tijd?
stationair en niet-stationair• coördinatenstelsel?
2D axiaal-symmetrisch• oplossingsmethode?
numeriek (eindigverschil)
33
MAxSym input
• stationair of niet-stationair• aantal perioden• pompputstraal rw
• type grondwaterreservoir• aantal lagen• parameters
D, Kh, Kv, Ss, N, Sy
• tijdsduur dt• debieten Q
34
MAxSym simulatie
• simulatie gelukt?fout mogelijk bij verkeerde input
• valt toplaag droog?enkel mogelijk als freatisch
• fout op balans?ok als kleiner dan 0,1% totaal debiet
• max. aantal iteratiesok als kleiner dan 5000
35
MAxSym output
geïnterpoleerde waarden:• gegeven r en t: wat is s?
bv. verlaging in pompput na gegeven tijd t? • gegeven r en s: wat is t?
bv. nodige tijd om gegeven s te bereiken in pompput?
• gegeven t en s: wat is r?
bv. invloedstraal voor s = 5 cm na gegeven tijd t?
36
MAxSym figuur
• verlaging s i.f.v. tijd t• verschillende lagen• verschillende afstanden r
• verlaging s i.f.v. afstand r• verschillende lagen• verschillende tijden t
• grafiek in apart venster met opmaakfuncties:• schaal van assen• datacursor• …
37
MAxSym figuur
Besluit
39
Besluit
• Grondwaterwinning = hinderlijke inrichting• Impact van winning afhankelijk van:
• debiet + duur winning• hydraulische eigenschappen grondwaterreservoir• voeding en drainage: infiltratie, waterlopen, andere
winningen, …• grondwaterkwaliteit• aanwezigheid natuurgebied, landbouw, ...
locatiespecifiek
40
Besluit
• Berekenen impact m.b.v. mathematisch model:• Axi-symmetrisch model: lokaal effect (afpompingskegel)• 3D model: lokaal + regionaal effect
• MAxSym:• generiek axi-symmetrisch model
• meerlagig• stationair of transiënt• constant of variabel debiet
• zegt meer dan inschatting invloedstraal en/of 1D formule• eenvoudig in gebruik: geen formules, GUI
41
Praktisch
• Contact Dienst Grondwaterbeheer• Algemeen: Didier D’hont (d.dhont@vmm.be)• Adviesverlening: Ywan De Jonghe (y.dejonghe@vmm.be)• DOV: Tinneke De Rouck (t.derouck@vmm.be)• VGM, MAxSym: Andy Louwyck (a.louwyck@vmm.be)
• MAxSym• MATLAB versie (UGent): maxsym.googlecode.com• stand-alone versie (VMM): binnenkort beschikbaar
Recommended