Áramlási rendszerek hidrodinamikai és hőtranszport modellezése véges elemes módszerrel, a Nyugat-Dunántúli víztartók geotermikus hasznosítása céljából

Beszámoló a 2012. évi doktori kutatásokról Név: Gáspár Emese

Témavezető: Mádlné Dr Szőnyi Judit

Elvégzett feladatok:

1. A kutatási/modellezési terület lehatárolása. A terület lehatárolásakor a felső pannóniai

képződmények (víztartók), valamint az aljzat karsztos, repedezett képződményeinek

(víztartóinak) elterjedését, felszíni vízválasztóit vettem figyelembe (1. ábra).

1. ábra A kutatási és modellezési terület elhelyezkedése (országhatárok zöld színnel)

2. Szakirodalmi eredmények gyűjtése, megismerése, feldolgozása.A terület szakirodalmi

feldolgozása során elsősorban a modellezési irodalmakra, ezen belül is három területre

fókuszáltam. A feldolgozás során több mint 80 numerikus modellezés témájához

É

SK A

HU

SL

CI 0 50 100 km

kapcsolódó hazai és nemzetközi irodalmat ismertem meg (Irodalomjegyzék). Ezen felül a

FEFLOW szoftverrel történt modellezések dokumentációiból több mint 150 áll

rendelkezésre a DHI WASY honlapján, melynek feldolgozása folyamatban van

(http://www.feflow.info/feflowpublications.html?&no_cache=1). Ezeken belül az alábbi

tematika szerint csoportosítva végzem a szakirodalmak feldolgozását:

Az eddigi hazai regionális modell-fejlesztések áttekintése; Fontosabb és újabb regionális hidrogeológiai modellezések áttekintése a nemzetközi irodalom

alapján; A regionális termo-halin, gravitációsan vezérelt, kevert és szabad konvekciós modelljeire

vonatkozó újabb szakirodalmi adatok áttekintése.

A modellezési szakirodalom összegyűjtése és megismerése azért is volt fontos, mivel doktori

munkám során a vizsgált terület áramlási rendszerinek és vízhasznosításainak értékelését

regionális méretű kapcsolt vízáramlás és geotermikus modellel kívánom megtenni.

Eredmények:

2.1. Az eddigi hazai regionális modell-fejlesztések összegyűjtése során áttekintettem az

MFGI által eddig végzett regionális, országos és„Pannon” modelleket. Ezek: Pannon

medence „XL” modellje; a TRANSENERGY projekt szuprarégió modellje;T-JAM modell

(szlovén-magyar modell), Déli-Bakony –Zalai medence hideg és termálkarsztjának modellje,

a Dráva völgye, a Szigetköz térsége, az Alsó-Dunavölgy, a Közép-Tisza vidéke, a Dél-alföldi

mélyszelvény területe, az Alföld ÉK-i része (Szamos hordalékkúp + Nyírség), a Tolnai

dombság Szekszárd környéki része, a Mecsek Ny-i része, a Velencei hegység körzete, Recsk-

Bükkszéki termálrendszer, az Ipoly-völgy, a (szlovákiai részekkel), az Aggtelek-Szlovák karszt,

valamint a Bodrog-régió térsége.

Az ország területére mások által készített regionális hidrogeológiai modellek közül a

következőket tekintettem át:Szamos-Somes hordalékkúp területe (Miskoci Egyetem),

Maros hordalékkúp (Völgyesi I.), Bükk és környéke (Smaragd Kft), Dunántúli középhegység

(Csepegi A.), Bükfürdő körzete (Csepregi A), Dél-Alföld-Bácska vidék, (Szegedi Egyetem), az

Alföld a határon túli területekkel, (Viszkok J, doktori disszertáció).

2.2. A nemzetközi irodalomban elsősorban azokat a regionális hidrogeológiai modell-

eredményeket bemutató szakirodalmakatgyűjtöttem össze, melyek mérete több-tíz – több-

száz kilométeres mérettartományba esik. Itt különösen azokra az irodalmakra

koncentráltam, melyeknél a hazánkban is használt szoftver-típusok (MODFLOW - véges

differencia; FEFLOW - véges elemes) kerültek alkalmazásra. A feldolgozás során

megállapítottam, hogy az általam vizsgált terület mérettartományába csupán 15-20 db

modell esik.

1. Szakirodalmi áttekintés harmadik szempontja szerint azon értékelésekre koncentráltam,

ahol a hőkonvekcióbefolyásolja a terület vízáramlását. Olyan irodalmakat kerestem, ahol a

hőmérsékleti hatásra lefelé csökkenő sűrűségű vizek esetében a felhajtó erő szerepét

sűrűség-függő, összekapcsolt vízáramlási és hőtranszport modellekkel vizsgálták. Sajnos az

ezzel kapcsolatos szakirodalmi munkák meglehetősen ritkák. A begyűjtött irodalmak a

következő országokból állnak rendelkezésre: Németország (Rajna-völgy, ÉK-Német-

medence), Izrael (Holt-tenger környéke), Új-Zéland (Wairekei vidéke), Kanada (Alberta

körzete), Ausztrália (Perth körzete és a Nagy Ausztrál-medence térsége).

Adatgyűjtés, feldolgozás, (újra)értelmezés.3.A területre itthon, illetve szomszédos országokban

(Ausztria, Szlovákia, Szlovénia, Horvátország) elérhető,hozzáférhető archív adatok begyűjtése,

rendszerezése és újraértelmezése folyamatban van. Az adatgyűjtés során figyelembe vettem a

vízföldtani értékelés és modellezés adatigényét és adatszerkezetét. Ez alapján a begyűjtött (és

még begyűjteni kívánt) adatok külön rendezésre kerültek földtani, vízföldtani és geotermikus

szempontból.

3.1. Mind az öt országból - földtani térképeket (aljzat-, fedőtérképek, vastagságtérképek),

földtani szelvényeket, fúrásokat és azok rétegsorátgyűjtöttem be (Földtani térképek és

szelvények: >50 térkép; Nyers fúrási adatbázis: ~1600 fúrás). Geofizikai szelvények a már

leválogatott és reprezentatív (mély) fúrásokra és kutakra, valamint aszeizmikus szelvények a

továbbiakban kerülnek begyűjtésre.

1. 3.2. A vízföldtani adatok közül a fúrásokhoz és kutakhoz tartozó vízföldtani adatokat

(vízszint, vízhozamok, fajlagos vízhozamok, porozitás viszonyok,permeabilitás, stb.) és

vízgeokémiai adatokat (vízösszetétel, korra vonatkozó adatok) gyűjtöttem be. (Fúrások és

kutak nyers adatbázisa: >1500fúrás/kút).A terület meteorológiai adatai közül vízjárási és

csapadékeloszlási adatok kerülnek begyűjtésre még a továbbiakban.

3.3. A kifolyó víz- és talphőmérsékleti adatokat, hővezető képesség adatokat gyűjtöttem a

területre eső kutak és fúrások esetén.(Fúrások és kutak nyers adatbázisa: >1200 fúrás/kút).

Levegő középhőmérséklet adatok begyűjtése még nem történt meg.

Az adatgyűjtés során áttekintettem az MFGI-ben korábban készített (hazai és határon átnyúló)

modellezések és projektek adatait, eredményeit (lásd fentebb), melyeket kiegészítettem más

kutatóhelyeken összeállított adatsorokkal és modellezési eredményekkel (pl.: Csepregi András,

Lenkey László), valamint külföldi, szlovák, szlovén és horvát adatokkal.

Az adatok begyűjtése még folyamatban van, az adatbázis még bővül, azonban a munka további

szakaszában a begyűjtött adatokat majd leszűrni szükséges a szerint, hogy a terület vízföldtani

értelmezése és a modellezés szempontjából mely adatokat kívánom felhasználni.

2013. május 31.

doktorandusz hallgató

Irodalomjegyzék

Martin O. Saar: Review: Geothermal heat as a tracer of large-scale groundwater flow and as a

means to determine permeability fields, 2010, Hydrogeology Journal

Zoltan Timar-Geng, Andreas Henk, Andreas Wetzel: Convective heat transfer in a steeply dipping

fault zone and its impact on the interpretation of fission-track data – a modelling study, 2009, in

Thermochronological Methods: From Palaeotemperature Constraints to Landscape Evolution

Models

Kevin Kilty and David S. Chapman: Convective Heat Transfer in Selected Geologic Situations,

1980, Groundwater

Richard J. Mandle: Groundwater Modeling Guidance 2002,

http://www.megwrm.aun.edu.eg/sub/workshop4/gwguidance_mandle.pdf

Lars Troldborg, Jens Christian Refsaard, Karsten Hogh Jensen, Peter Engesgaard: The importance

of alternative conceptual models for simulation of concentrations in a multi-aquifer system,

2007, Hydrogeology Journal

Pierre D. Glynn, L. Niel Plummer: Geochemistry and the understanding of ground-water

systems, 2005, Hydrogeology Journal

K. M. Hiscock, M.O. Rivett, R. M. Davison: Sustainable Groundwater Development,

http://books.google.hu/books?id=ScSyOmX2zmAC&pg=PA15&lpg=PA15&dq=regional+thermal+

water+model&source=bl&ots=mFB1j8RQ5f&sig=cM62QRiOVeBV_8pCkoeMQ5k7GDg&hl=hu&ei

=XQ8CTJmaNaShOIHmkdcE&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=10&ved=0CD8Q6AEwCT

gK#v=onepage&q=regional%20thermal%20water%20model&f=true

Rien Habermehl and Irene Pestov: Geothermal Resources of the Great Artesean Basin, Australia,

2002, GHC Bulletin

Murray-Darling Basin Commission: Groundwater flow modelling Guideline, 2000,

http://www.mdba.gov.au/sites/default/files/archived/mdbc-GW-

reports/2175_GW_flow_modelling_guideline.pdf

A Conceptual Hydrogeological Model for the Lake Warden Recovery Catchments, Esperance

WA, Resource Management Technical Report 2000,

http://www.agric.wa.gov.au/objtwr/imported_assets/content/lwe/regions/sar/tr200_part1.pdf

Xiang Zhao, Theresa L. B. Fritzel, Hernán A. M. Quinodoz, Craig M. Bethke, Thomas Torgesen:

Controls on the distribution and isotopic composition of helium in deep ground-water flows,

1998, Geology

Craig M. Bethke, Xiang Zhao, Thomas Torgesen: Groundwater flow and the 4He disribution int

he Great Artesian Basin of Australia, 1999, Journal of Geophysical Research

Craig M. Bethke, Jackie D. Reed, Donald F. Oltz: Long-Range Petroleum Migration int he Illinois

Basin, 1991, The American Assotiation of Petroleum Geologists Bulletin

Irene Pestov: Numerical techniques for simulating groundwater flow in the presence of

temperature gradients, 2000, anziamj.austms.org.au/V42/CTAC99/Pest

Irene Pestov: Thermal Convection int he Great Artesian Basin, Australia, 2000, Water Resources

Management

Irene Pestov: Thermal Convection and Mass Transfer in Sedimentary Basins: Implications for

Management, 2000, in: Hydro 2000: Interactive Hydrology; Proceedings.

Abhijit Mukherjee, Alan E. Fryar, Paul D. Howell: Regional hydrostratigraphy and groundwater

flow modeling in the arsenic-affected areas of the western Bengal basin, West Bengal, India,

2007, Hydrogeological Journal

Thorsten Arnold, Brian Luinstra: FEFLOW for science-based water protection: A watershed

manager perspective, 2009,

http://feflow.info/fileadmin/FEFLOW/content_tagung/TagungsCD/papers/13.pdf

Waterloo Hydrogeologic, Inc. A Schlumberger Company: Six Conservation Authorities FEFLOW

Groundwater Modeling Project Final Report, 2007,

http://www.thamesriver.on.ca/Groundwater/6CA_Groundwater_Modeling/Concept_Model_Re

port_Final.pdf

Peter B. Scharling & Erik S. Rasmussen & Torben O. Sonnenborg & Peter Engesgaard & Klaus

Hinsby: Three-dimensional regional-scale hydrostratigraphic modeling based on sequence

stratigraphic methods: a case study of the Miocene succession in Denmark, 2009, Hydrogeology

Journal

W. Rühaak, A. Renz, P. Schätzl, H.-J.G. Diersch: Numerical Modeling of Geothermal Applications,

2010, Proceedings World Geothermal Congress 2010 Bali, Indonesia, 2010

Alain Pascal Francés: Spatio-temporal groundwater recharge assessment, a data-integration and

modelling approach, 2008, http://www.itc.nl/library/papers_2008/msc/wrem/frances.pdf

Ashok Kumar, Kumar A. Narayan: 3D Numerical groundwater modelling of weathered aquifer

system – a case study in Lapsiya watershed, Hazarigbagh, India,

http://www.vikramshilasociety.org/groundwater/Research/lap-model_final_narain.pdf

Grímur Björnsson, Sigvaldi Thordarson and Benedikt Steingrímsson: Temperature distribution

and conceptual reservoir model for geothermal fields in and around the city of Reykjavík,

Iceland, 2000, PROCEEDINGS, Twenty-fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering

Stanford University, Stanford, California 2000

Haim Gvirtzman, Grant Garven, Gdaliahu Gvirtzman: Thermal anomalies associated with forced

and free ground-water convection in the Dead Sea rift valley, 1997, GSA Bulletin

Haim Gvirtzman, Grant Garven, Gdaliahu Gvirtzman: Hydrogeological modeling of the saline hot

springs at the Sea of Galilee, Israel, 1997, Water Resources Research

Alon Rimmer, Shaul Hurwitz and Haim Gvirtzman: Spatial and temporal vharacteristics of Saline

Springs: Sea of Galilee, Israel, 1999, http://business.highbeam.com/4215/article-1G1-

59136379/spatial-and-temporal-characteristics-saline-springs

Gerald M. Friedman: Thermal anomalies associated with forced and free ground-water

convection in the Dead Sea rift valley: Discussion and reply, 1999, GSA Bulletin

Eyal Stanislavsky, Haim Gvitzman: Basin-scale migration of continental-rift brines:

Paleohydrologic modeling of the Dead Sea basin, 1999, Geology

Shaul Hurwitz, Vladimir Lyakhovsky, and Haim Gvirtzman: Transient salt transport modeling of

shallow brine beneath a freshwater lake, the Sea of Galilee, Israel, 2000, Water Resources

Research

Shaul Hurwitz, Eyal Stanislavsky, Vladimir Lyakhovsky, Haim Gvirtzman: Transient groundwater-

lake interactions in a continental rift: Sea of Galilee, Israel, 2000, GSA Bulletin

H. Gvirtzman, E. Stanislavsky: Large-scale flow of geofluids at the Dead Sea Rift, 2000, Journal of

Geochemical Exploration

USGS: Regional Groundwater-Flow Model of the Redwall-Muav, Coconino, and Alluvial Basin

Aquifer Systems of Northern and Central Arizona, 2010, Scientific Investigations Report,

http://pubs.usgs.gov/sir/2010/5180/sir2010-5180.pdf

Sandra M. Eberts and Lori L. George: Regional Ground-Water Flow and Geochemistry in the

Midwestern Basins and Arches Aquifer System in Parts of Indiana, Ohio, Michigan, and Illinois,

2000, U.S. Geological Survey Professional Paper 1423–C

USGS: Simulation of Ground-Water Flow in the Shenandoah Valley, Virginia and West Virginia,

Using Variable-Direction Anisotropy in Hydraulic Conductivity to Represent Bedrock Structure,

2008, Scientific Investigations Report, http://pubs.usgs.gov/sir/2008/5002/pdf/SIR2008-

5002.pdf

Robert E. Mace, Ali H. Chodwdhury, Roberto Anaya, Shao-Chih (Ted) Way: Groundwater

Availability of the Trinity Aquifer, hill Country Area, Texas: Numerical Simulations through 2050,

2000, http://www.edwardsaquifer.net/pdf/Report_353.pdf

M. Ahola, B. Sagar: Regional Groundwater Modeling of the Saturated Zone in the Vicinity of

Yucca Mountain, Nevada, Iterative Performance Assessment - Phase 2, 1992,

http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML0406/ML040630369.pdf

Ward E. Sanford, L. Niel Plummer, Douglas P. McAda, Laura M. Bexfield, Scott K. Anderholm:

Hydrochemical tracers in the middle Rio Grande Basin, USA: 2. Calibration of a groundwater-

flow model, 2004, Hydrogeology Journal

L. Niel Plummer, Laura M. Bexfield,·Scott K. Anderholm, Ward E. Sanford, Eurybiades

Busenberg: Hydrochemical tracers in the middle Rio Grande Basin, USA: 1. Conceptualization of

groundwater flow, 2004, Hydrogeology Journal

YANG JianWen, FENG ZuoHai, LUO XianRong and CHEN YuanRong: Numerically quantifying the

relative importance of topography and buoyancy in driving groundwater flow, 2010, Science

China

Björn Onno Kaiser, Mauro Cacace, Magdalena Scheck-Wenderoth and Björn Lewerenz: The role

of different heat drivers within the Northeast German Basin - Results from 3D numerical

modelling of the coupled fluid and heat transfer, 2011, Geophysical Research Abstracts

C. Clauser, and H. Villinger: Analysis of conductive and convective heat transfer in a sedimentary

basin, demonstrated for the Rheingraben, 1990, Geophysical journal

T A T Thermische Auswirkungen von Thermalwassernutzungen im oberösterreichisch-

niederbayerischen Innviertel, Endbericht, 2007,

O. Vollhofer and M. Samek: Austrian-German Cooperation in Modelling and Managing a

Transboundary Deep Groundwater Body., 2010, International Conference “Transboundary

Aquifers: Challenges and New Direktions” (ISARM2010)

J. Jagelke and R. Barthel: Conceptualization and implementation of a regional groundwater

model for the Neckar catchment in the framework of an integrated regional model, 2005,

Advances in Geosciences

D. Werner, K. D. Balke: Geothermal model for the rise of deeper groundwater along fault sin

unconsolidated rocks, 51 MÁFI Évkönyv

Eva Wegerer, Lorenz Scheucher, Godfrid Wessely, Gregor Götzl and Rudolf Ramberger: Analyses

of the thermal parameters of Calcalpine basement rocks of the Vienna Basin for a hydrothermal

reservoir assessment, 2011, Geophysical Research Abstracts

Albert Folch i Sancho: Geological and human influences on groundwater flow systems in range

and basin areas: the case of Selva Basin (Catalonia, NE Spain) Ph.D. Dissertation 2010.

José Ángel Sánchez Navarro, Pablo Coloma López,·Antonio Perez-Garcia: Evaluation of

geothermal flow at the springs in Arag_n (Spain), and its relation to geologic structure, 2004,

Hydrogeology Journal

Dr. M. Erdélyi: Hydrodynamics of the Hungarian Basin, 11 MÁFI Évkönyv

Tóth György, Rotárné Szalkai Ágnes, Horváth István: A Kárpát-medence magyarországi részének

hidrogeológiai modellezése, MÁFI jelentés

Tóth György: Regionális hidrogeológiai értékelés és modell kialakítása, kézirat

Tóth György et al.: A Pannon-medence termálvíz földtani modellje, 2005, MÁFI jelentés

MÁFI: A fürdőfejlesztésekkel kapcsolatban a hazai termálvíz-készlet fenntartható

hasznosításáról és a használt víz kezeléséről szóló hidrogeológiai kutatás, 2005, MÁFI Jelentés

Hantken Miksa Alapítvány: Déli-Bakony - Zala-medence regionális hidrogeológiai modell és

felszín alatti áramlás szimuláció Karsztvíz kutatási projekt ZÁRÓJELENTÉS, 2009

János Viszkok: Subsurface fluid flow simulation with finite element method int he east

Pannonian Basin, Ph.D. Dissertation, 2000