Konceptuell och matematisk grundvattenmodell för uppsala - Per-Olof Johansson, Håkan Djurberg, Duncan McConnachie och Philip McCleaf
1. Konceptuell och matematisk
grundvattenmodell för
Uppsalas vattenförsörjning
Presentation vid Grundvattendagarna, 2017-11-07
Per-Olof Johansson, Håkan Djurberg, Duncan McConnachie, Philip McCleaf
2. 27 000 pers. 56 000 pers.
130 000
pers.
170 000
pers.
2050
Uppsala stad
220 000 – 300 000
pers.
Uppsalaåsen som bas för stadens vattenförsörjning
Idag: Uttag ca 650 L/s
Infiltration ca 275 L/s
3. Grundvattenmodellering
Tidigare grundvattenmodeller för Uppsalas vattenförsörjning
VBB, 1979. 2-D finita-element modell.
Golder/Geosystem, 1990 och Golder 1995. 2-D analytiska-element modell.
Målsättning med den nya modelleringen:
Att sätta upp och kalibrera en 3-D grundvattenmodell baserad på uppdaterad
information avseende:
Jordlagerförhållanden
Grundvattenbildning
Grundvattennivåer
Yt- och grundvattenkemi
Infiltration
Uttag
Prognoser för framtida vattenbehov
Att skapa ett verktyg för simulering av grundvattennivåer, upphållstider och
strömningsvägar för olika driftscenarier, framtida utbyggnad av uttags- och
infiltrationsområden och vid riskbedömningar.
Att utbilda Uppsala Vattens personal i att använda modellen.
4. Modellområdesavgränsning:
Avgränsning i huvudsak baserad på
åsens tillrinningsområde
294 km2, ca 42 km långt
Typer av gränser:
Vattendelare
Konstant grundvattennivå
Konstant flöde
Yt- och grundvattennivå-
beroende flöde
(Uttag och infiltration, medelvärde 2008-2015)
Konceptuell modell – matematisk modell
Programkod: Feflow – 3D FEM
5. 3-D jordlagermodell skapad i Subsurface Viewer
Initialt ansatta parametervärden
Material K (m/s) Sy (-)
Ospec. fyllning 1 x 10-6
0,05
Org mtrl 3 x 10-7
0,01
Svall 1 x 10-4
0,15
Lera, silt 3 x 10-7
0,01
Isälvsmtrl 6 x 10
-3
0,18
Morän 1 x 10
-6
0,05
Berg 1 x 10
-7
0,001
Från Subsurface Viewer
Efter överföring till den matematisk
grundvattenmodellen
Jordlagerföljder i drygt 1100 punkter och ett 40-tal geofysiska profiler
Exempel på tvärsektion över åsen i jämnhöjd med Uppsala slott
(samarbete med SGU)
6. Naturlig grundvattenbildning
• Skillnaden mellan kommunens uttag och
infiltration var 2015 410 L/s söder om
vattendelaren till Björklinge-Sandbromagasinet.
• Om inflöde från Ekoln antas motsvara övriga
uttag krävs alltså 410 L/s i form av
grundvattenbildning och nettoinflöde från åarna
för att systemet ska vara i balans.
Principer för uppskattning:
• SGU: indelning i primära, sekundära och tertiära
tillrinningsområden (lila, röda resp gröna
konturer).
• Primära områden utgör 6 % av hela
modellområdet.
• Modellberäkningar för svenska typjordar (147-318
mm/år) (Rodhe et al., 2006).
• Primära områden: Totalt 150 L/s,varav 75 L/s i
Läby- och Björklinge-Sandbromagasinen.
• Grundvattenbildning+nettoinflöde från åarna 410-
75=335 L/s söder om vattendelaren till Björklinge-
Sandbromagasiet.
• Om nettoinflödet från åarna är noll så motsvarar
335 L/s i genomsnitt 23 % av
grundvattenbildningen enl Rodhe et al i de
tertiära områdena.
• Denna preliminära vattenbalans utgjorde
startpunkten för kalibreringen.
Björklinge-
Sandbromagasinet
Läbymagasinet
Grundvattendelare i
åsen
7. Grundvattenbildning, forts
Yt-grundvattenkontakt:
Förhållande mellan yt- och grundvattennivå (varierar
naturligt över tid och påverkas av kommunens infiltration
och uttag)
Kontaktzonens genomsläpplighet kan bero av
ytvattennivån och påverkas av igensättning/erosion
Områden där åsmaterialet har direktkontakt med yt-
vatten har identifierats och vissa fältundersökningar har
genomförts (fältbesiktning, nivå- och temperaturmätning,
kemi- och isotopanalyser.
Svårt att kvantifiera yt-grundvattenutbytet
kalibrering
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
DOC,mg/L
Brunn 1 Brunn 2 Brunn 3 Brunn 4 Brunn 5
Ytvattenpåverkan
Sunnersta
Förhöjd DOC
Påverkas av uttag
8. Kalibrering för stationära förhållanden, situationer med drastiska förändringar i
infiltration/uttag och mot uppehållstider bestämda med 18O och 2H
y = 0,9921x + 0,0571
R² = 0,9978
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Simuleradgrundvattennivå
(m,RH2000)
Mätt grundvattennivå (m, RH2000)
Totalt 95 punkter
Medelfel -0,06 m, absolut medelfel 0,26 m
10 000 partiklar
Kinematisk porositet: 15 %
Longitudinell dispersivitet: 2,0 m
Transversell dispersivitet: 0,1 m
Tunaåsen
Galgbacken
Stationärt, medel 2008-15
Avstängn infilt Tunåsen o Vallskog, dec -15
Uppehållstider Tunåsen-Galgbacken, particle-tracking
9. Några utvalda vattenbalans-
komponenter från den
kalibrerade modellen för
medeluttag och infiltration 2008-15
Naturlig grundvattenbildning
(exkl Läby- och Björklinge-Sandbro-
magasinen och ner till Sunnersta): 370 L/s
Nettoutflöde till åarna: 40 L/s
10. Grundvattennivåer LMW-MW-HMW enligt miljökonsekvensbeskrivningen i gällande vattendom
”10-årstorka” resp halverad infiltration, 2 år Ingen infiltration och ingen grundvattenbildn, 6 mån
Exempel på modellsimuleringar
11. Simuleringar av infiltrations- och uttagsscenarier
för den framtida vattenförsörjningen
Tre infiltrations- och uttagsscenarier för en i stort sett fördubblad
dricksvattenproduktion (uttag 1200 L/s, infiltration 900 L/s)
I Scenario 1 förutsattes hela åssträckan ned till Sunnersta utnyttjas
I Scenario 2 förutsattes inget uttag ske längre söderut än Galgbacken
I Scenario 3 inkluderades infiltration av mälarvatten i Sunnersta
Krav på scenarierna att:
Grundvattennivåerna ingenstans skulle ändras mer än 1 m jämfört med medel
2008--15
Nivåerna i de punkter där ett intervall anges i vattendomen från 2004 skulle ligga
inom det angivna intervallet för LMW och HMW
Ca 50 L/s skulle flöda söderut vid Sunnersta och ut i Mälaren
Infiltrationsvatten förutsattes finnas i tillräcklig mängd
12. Exempel: Scenario 2 – framlänges partikelspårning 1 år från Tunåsen
Medel 2008-20015 Tunåsen, Forward 1 år Scenario 2 Tunåsen, Forward 1 år
Startpunkt för partikelspårning
Storvad
400 L/s, nivåsänkn 0,5 m
Drygt 100 L/s från Tunåsen
Galgbacken
150 L/s, nivåsänkn 0,3 m
Tunåsen
350 L/s, nivåhöjn 0,1 m
Tunåsen
153 L/s
Galgbacken
94 L/s
Galgbacken
Ökad andel infiltrationsvatten från 80-85 till >95 %, förkortad uppehållstid från 8 till 6-7 mån
13. Scenariosimuleringarna indikerar att:
Det är möjligt att i alla tre scenarierna hydrauliskt hantera de antagna
uttagen 1200 L/s och infiltration av drygt 900 L/s och uppfylla de ställda
kraven på grundvattennivåer och förbiflöde i Sunnersta.
Ökningen av uttag och infiltration kräver etablering av nya uttags- och
infiltrationsområden.
En koncentration av vattenförsörjningen till områdena norr om Uppsala
(Scenario 2) medför en ökad känslighet för störningar pga begränsade
möjlighet att fördela om infiltration och uttag.
Vatten med infiltrationsursprung kommer att helt dominera i Storvad,
Galgbacken, Fullerö och Svista (80 - >95 %), där huvuddelen av uttagen
kommer att ske. Uppehållstiderna blir något kortare än idag.
Den ökande andelen infiltrationsvatten innebär att med oförändrad
råvattenkvalitet (idag ca 15 mg/L DOC) så kommer halterna organiskt
material i uttaget vatten att stiga.