Prezentacja [pdf], Egzaminy z Transport

Pobierz Prezentacja [pdf] i więcej Egzaminy w PDF z Transport tylko na Docsity! Zintegrowane modelowanie przepływu wody i transportu zanieczyszczeń w strefach aeracji i saturacji Adam Szymkiewicz Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Wstęp Ochrona ilości i jakości zasobów wód podziemnych 2 czas migracji w strefie saturacji ??? czas migracji w strefie aeracji ??? zasilanie??? infiltracja pobór wód podziemnych ogniska zanieczyszczeń podsiąkanie kapilarne ??? ewapotranspiracja strefa aeracji (nienasycona) strefa saturacji (nasycona) Strefy aeracji i saturacji Profil pionowy 5 strefa kapilarna strefa ewapotranspiracji strefa przejściowa strefa saturacji infiltracja zasilanie zwierciadło swobodne głębokość zaniku parowania ewapo- transpiracja ▪ strefa ewapotranspiracji ▪ duża zmienność wilgotności ▪ silny wpływ warunków atmosferycznych ▪ strefa przejściowa ▪ przesączanie w dół ▪ przepływ bardziej ustabilizowany ▪ nie występuje w przypadku płytkiego zwierciadła ▪ strefa kapilarna ▪ stan quasi nasycony ▪ ciągłość ze strefą saturacji Strefy aeracji i saturacji ▪ zależność nieliniowa, trudna do wyznaczenia eksperymentalnie ▪ może być określona w sposób przybliżony na podstawie krzywej uziarnienia gruntu Krzywa retencji gruntu / skały 6 ujemne ciśnienie wody (ssanie) wilgotność objętościowa q [-] Strefy aeracji i saturacji ▪ prawo Darcy można rozszerzyć na przepływ w strefie aeracji ▪ w ośrodku nienasyconym współczynnik filtracji zależy od stopnia nasycenia Współczynnik filtracji i prawo Darcy 7 ▪ w ośrodku nasyconym współczynnik filtracji jest wielkością stałą (w danym punkcie) 𝐯𝑤 = −𝐤𝑠𝑘𝑟 𝑆𝑤 ∇ ℎ + 𝑧 𝐯𝑤 = −𝐤𝑠∇𝐻 zwierciadło swobodne strefa aeracji strefa saturacji gradient wysokości hydraulicznejprędkość filtracji współczynnik filtracji w warunkach pełnego nasycenia współczynnik przewodności względnej (0 do 1, zależnie od stopnia nasycenia) Przegląd modeli zintegrowanych ▪ model przepływu/transportu 3D zastosowany dla całego obszaru podziemnego (strefy aeracji i saturacji) ▪ model przepływu/transportu 3D w strefie saturacji sprzężony z modelami 1D, opisującymi pionowy przepływ i transport w strefie aeracji ▪ model przepływu/transportu 3D w strefie saturacji sprzężony z uproszczonymi modelami (agro)hydrologicznymi, opisującymi procesy w strefie aeracji Podział modeli 10 Przegląd modeli zintegrowanych 3D równanie Richardsa 11 ▪ najbardziej ogólne i spójne podejście do modelowania ▪ nie ma potrzeby zadawania warunków brzegowych na zwierciadle oraz określania współczynnika odsączalności ▪ przepływ poziomy w strefie aeracji, zwierciadła zawieszone ▪ warunki brzegowe zadawane na powierzchni terenu muszą uwzględniać zmienną w czasie infiltrację, ewaporację i transpirację Przegląd modeli zintegrowanych 3D równanie Richardsa 12 ▪ wymaga dużej mocy obliczeniowej ▪ gęsta siatka numeryczna w pobliżu powierzchni terenu ▪ nieliniowość równania Richardsa + zmienność warunków brzegowych = problemy ze zbieżnością ▪ trudności w określeniu parametrów hydraulicznych strefy aeracji ▪ podejście stosowane głównie w skali lokalnej, np. w sąsiedztwie składowiska odpadów warunki brzegowe na powierzchni terenu ?? parametry strefy aeracji ?? Przegląd modeli zintegrowanych 3D strefa saturacji + 1D Richards 15 ▪ stosunkowo dokładne odwzorowanie procesów w strefie aeracji w poszczególnych profilach, w tym podsiąkania kapilarnego ▪ możliwość wykorzystania zaawansowanych programów 1D dla strefy aeracji ▪ HYDRUS-1D (Simunek et al. 1998) ▪ SWAP (Kroes et al. 2009) ▪ znaczące zmniejszenie czasu obliczeń w porównaniu z pełnym modelem 3D ▪ możliwa paralelizacja obliczeń MODFLOW + HYDRUS-1D ▪ pierwotna wersja dla MODFLOW-2000 (Seo et al. 2007), obecnie dostosowany do MODFLOW-2005 (Beeghum et al. 2018) ▪ współpraca zespołów z University of California - Riverside, Belgian Center for Nuclear Research (SCK•CEN) i Politechniki Gdańskiej ▪ częściowo rozwijany w ramach projektu NCN 2015/17/B/ST10/03233 “Zasilanie infiltracyjne na obszarze sandrowym” HYDRUS Package for MODFLOW 16 MODFLOW + HYDRUS-1D Przykład obliczeniowy 17 20 profiles 10 profiles 5 profiles 1 profile MODFLOW + HYDRUS-1D Ograniczenia 20 ▪ czas obliczeń wielokrotnie dłuższy niż w przypadku typowego modelu ograniczonego do strefy saturacji ▪ konieczność zapewnienia zgodności położenia zwierciadła wody w modelu 3D i 1D ▪ problemy z rozwiązaniem numerycznym równań Richardsa 1D (nieliniowość, zmienność warunków brzegowych na powierzchni i na dole profilu) ▪ współczynnik odsączalności w strefie saturacji nie jest powiązany z warunkami w strefie aeracji Przegląd modeli zintegrowanych 3D strefa saturacji + modele uproszczone 21 ▪ w modelach uproszczonych zamiast równania Richardsa rozwiązywane są prostsze równania różniczkowe lub algebraiczne, co pozwala znacznie skrócić czas obliczeń ▪ niektóre modele zawierają bardzo szczegółowy opis oddziaływań gleba-roślina- atmosfera, co ma istotne znaczenie dla migracji biogenów i pestycydów ▪ przykłady programów: ▪ HELP (EPA, Schroeder et al. 1994) ▪ WETSPASS (Batelaan & De Smedt 2001) ▪ SWAT (Neitsch et al. 2011) ▪ MODFLOW UZF (Niswonger et al. 2006) MODFLOW + SWAT ▪ kompleksowe modelowanie obiegu wody, biogenów i pestycydów, wzrostu roślin oraz erozji i akumulacji osadów w skali zlewni ▪ obliczenia z krokiem dobowym ▪ własny, uproszczony model przepływu podziemnego SWAT (Soil Water Assessment Tool) 22 Amatya et al. 2013 MODFLOW + SWAT Projekt WaterPuck 25 dane meteo numeryczny model terenu SWAT zasilanie ładunek zanieczyszczeń MODFLOW MT3D / RT3D / PHT3D 3D CEMBS (model hydrodynamiczny i ekologiczny Zatoki użytkowanie powierzchni gleby / utwory przypowierzchniowe MODFLOW + SWAT Projekt WaterPuck 26 Użytkowanie terenu Utwory przypowierzchniowe MODFLOW + SWAT Projekt WaterPuck 27 Użytkowanie terenu Utwory przypowierzchniowe Podsumowanie ▪ kompleksowa ocena zagrożeń dla ilości i jakości zasobów wód podziemnych wymaga integracji modeli opisujących procesy zachodzące w strefach aeracji i saturacji ▪ dostępne są modele zintegrowane o różnym stopniu złożoności ▪ wybór modelu stanowi kompromis uwzględniający: ▪ wymaganą dokładność opisu zjawisk w strefie aeracji ▪ możliwość pozyskania danych do kalibracji i walidacji modelu ▪ moc obliczeniową i czas obliczeń Wnioski 30 Podsumowanie ▪ zwiększone wykorzystanie modeli 3D (wzrost mocy obliczeniowej komputerów) ▪ zwiększone wykorzystanie GIS i teledetekcji ▪ powiązanie z innymi elementami cyklu hydrologicznego ▪ spływ powierzchniowy ▪ przepływ w ciekach i zbiornikach wodnych ▪ powiązanie z obiegiem innych substancji (węgiel, biogeny, energia) Perspektywy 31 l ZJ [IN rl YT A GDAŃSK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY HISTORY IS WISDOM FUTURE IS CHALLENGE