De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Energi-, Forsynings- og Klimaministeriet

Vingsted 2017

Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i forhold til

grundvandsmodellering

Torben O. Sonnenborg

• Jens Christian Refsgaard

• Anker Lajer Højberg

• Dorte Seifert

• Xiulan He

Tak til:

Studier af effekten af geologisk usikkerhed

1. Bording (400 km2)

• Begravet dal i Miocene sedimenter

• 2 konceptuelle modeller

• MODFLOW + PEST

• Opland, alder

• Seifert et al. (2008)

4. Ølgod (125 km2)

• Kvartære sedimenter

• Multi-point statistik

• MODFLOW + PEST + SGeMS

• Trykniveau, alder

• He et al. (2013)

3. Lejre (465 km2)

• Kvartær moræne over kalk

• 5 konceptuelle modeller

• 11 klimamodeller

• MIKE SHE + PEST

• Seifert et al. (2012)

2. København Vest (300 km2)

• Multi-aquifer, kværtær moræne, kalk

• 3 konceptuelle modeller

• MODFLOW + PEST + Monte Carlo

• Recharge, stoftransport

• Højberg and Refsgaard (2005)

Sweden

Germany

Denmark

En knap så simpel geologisk model

Kc3

Ks2

Ks1

Ks3

Ks4

Ks5

Kc2

Kc1

Kc4

Kc5

– med effektive parametre

En knap så simpel geologisk model

10

30

20

50 40

30

10

5

50 70 60

- med lokal heterogenitet

1. Opstil flere konceptuelle modeller • Manuel geologisk tolkning (forskellige geologer) • 2-5 alternative geologiske modeller per studie • Mange stokastiske modeller (TPRoGS/SGeMS)

2. Opstil numerisk model • En numerisk model for hver geologisk model • Kalibrer (invers modelling) mod observeret trykniveau og

vandløbsafstrømning

3. Brug numerisk model til at simulere forhold som rækker ud over kalibrerings-situation • Indvindingsopland (lille ekstrapolation) • Grundvandsdannelse (medium ekstrapolation) • Grundvandsaldre/stofkoncentrationer (stor ekstrapolation)

4. Special-analyser • Sammenlign effekt af parameter-usikkerhed (Monte

Carlo) med konceptuel (geologisk) usikkerhed • Effekt af klimaændringer vs effekt af geologisk usikkerhed

Generel metode

1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)

– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau, hvis det er muligt at kalibrere

– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)

Hovedkonklusioner

Eksempel 1: Effekt af geologisk model for strømning og transport (Seifert et al., 2008)

1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)

– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere

– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)

2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)

Hovedkonklusioner

Usikkerhed på parameter

vs. konceptuel geologisk

model

Eksempel 2: Konceptuelle geologiske modeller – geologisk usikkerhed (Højberg and Refsgaard, 2005)

West East

Model C

Model A

Model B

Fractured clay/

Toplayer

Sand Clayey till Limestone SelandienLimestone

Usikkerhed på parameter værdier vs konceptuel geologisk model

- Effekt på strømningsveje/gennembrudskurver

West East

Model C

Model A

Model B

Fractured clay/

Toplayer

Sand Clayey till Limestone SelandienLimestone

0 20 40 60

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Norm

alis

ed c

on

cen

trat

ion

0 20 40 60 80 100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 40 80 120 160 200

Time in years

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Norm

alis

ed c

on

cen

trat

ion

0 100 200 300

Time in years

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Model A Model B Model C

Simulated breakthrough

in 4 abstraction

wells Parameter

usikkerhed

Konceptuel

geologisk

usikkerhed

1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)

– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere

– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)

2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)

3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller

– Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer

– Geologisk usikkerhed > klima-usikkerhed (oplande)

Hovedkonklusioner

Eksempel 3: Konceptuel geologisk usikkerhed (Seifert et al., 2012)

Geologiske modeller

Usikkerhed på geologi: indvindingsændringer

Indvindingsstop på kildepladser:

Usikkerhed på oplandsberegninger

11 klimamodeller – én geologi 6 geologiske modeller – ét klima

1. Effekt af geologisk tolkning (geologisk model)

– Ikke så vigtigt for bestemmelse af trykniveau hvis det er muligt at kalibrere

– Afgørende når der ekstrapoleres ud over kalibreringssituation (f.eks. transport modellering)

2. Usikkerhed på geologisk model er ofte dominerende i forhold til parameter usikkerhed – Resultater som afhænger af strømningsveje (transport)

3. En håndfuld konceptuelle geologiske modeller vil typisk ikke udfylde rummet af plausible modeller

– Usikkerhedsbånd inkluderer ikke observationer

– Geologisk usikkerhed > parameterusikkerhed (oplande)

4. Geologisk usikkerhed vs parameterusikkerhed

– Sammenlignelig effekt på trykniveau

– Markant større effekt fra geologi på transporttider

Hovedkonklusioner

Eksempel 4: Geologisk vs parameter usikkerhed (He et al., 2013)

Geologisk usikkerhed

CF baseret træningsbillede SGeMS realisation

90 realisationer af geologi

• Usikkerhed forårsaget af geologisk usikkerhed

Usikkerhed

Hydraulisk trykniveau Transporttid

Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4

Geologi (90 real.)

Stand. dev. (m) 0.3 0.4 0.2 0.3

Parametre (216 real.)

Stand. dev. (m) 0.5 0.6 0.2 0.2

Total (90 x 216 real)

Stand. dev. (m) 0.55 0.8 0.55 0.35

Geologisk vs. parameter sikkerhed

Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde:

Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4

Geologi (90 real.)

Stand. dev. (m) 0.3 0.4 0.2 0.3

Parametre (216 real.)

Stand. dev. (m) 0.5 0.6 0.2 0.2

Total (90 x 216 real)

Stand. dev. (m) 0.55 0.8 0.55 0.35

Geologisk vs. parameter sikkerhed

Kilde Usikkerhed W1 W2 W3 W4

Geologi (90 real.)

Stand. dev. (yr) 8 10 70 9

Parametre (216 real.)

Stand. dev. (yr) 1.5 1.2 5.2 1.2

Total (90 x 216 real)

Stand. dev. (yr) 8 10 49 5

Usikkerhed på hydraulisk trykniveau i fire tilfældige brønde:

Usikkerhed på transporttider til fire tilfældige brønde:

Effekt af geologi og parametre sammenlignelig

Effekt af geologi meget vigtigere end parametre

• Konsekvenser af usikkerhed på geologisk tolkning:

– Trykniveau:

• Fejl kan kompenseres via kalibrering

• Effekt af geologisk usikkerhed sammenlignelig med parameterusikkerhed

– Strømningsveje/transport:

• Effekt af geologisk usikkerhed dominerende

• Kalibrering kan øge usikkerhed (kompensation) Vigtigt med realistisk geologisk model

Konklusioner

• Harrar WG, Sonnenborg TO, Henriksen HJ (2003) Capture zone, travel time, and solute transport model predictions using inverse modeling and different geological models. Hydrogeology Journal 11(5): 536-547.

• Højberg AL, Refsgaard JC (2005) Model Uncertainty - Parameter uncertainty versus conceptual models. Water Science and Technology, 52(6): 177-186.

• Refsgaard JC, van der Sluijs JP, Brown J, van der Keur P(2006) A framework for dealing with uncertainty due to model structure error. Advances in Water Resources, 29(11): 1586-1597.

• Troldborg L, Refsgaard JC, Jensen KH, Engesgaard P (2007) The importance of alternative conceptual models for simulation of concentrations in multi-aquifer system. Hydrogeology Journal, 15: 843-860.

• Seifert D, Sonnenborg TO, Scharling P, Hinsby K (2008) Use of alternative conceptual models to assess the impact of a buried valley on groundwater vulnerability. Hydrogeology Journal, 16: 659-674.

• Seifert, D., T.O. Sonnenborg, J.C. Refsgaard, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Assessment of hydrological model predictive ability given multiple conceptual geological models, Water Resources Research., 48, doi:10.1029/2011WR011149.

• Refsgaard, J.C., S. Christensen, T.O. Sonnenborg, D. Seifert, A.L. Højberg, and L. Troldborg (2012), Review of strategies for handling geological uncertainty in groundwater flow and transport modelling, Advances of Water Resources, 36, 36-50, doi: 10.1016/j.advwatres.2011.04.006

• He, X.L., K.H. Jensen, T.O. Sonnenborg, F. Jørgensen, A-S. Høyer, and R.R. Møller (2013), Analyzing the effects of geological and parameter uncertainty on groundwater head and travel time, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 3245-3260, doi:10.5194/hess-17-3245-2013.

• Sonnenborg, T.O., D. Seifert, and J.C. Refsgaard (2015) Climate model uncertainty versus conceptual geological uncertainty in hydrological modeling, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 3891-3901, doi:10.5194/hess-19-3891-2015.

Mere information