Microsoft PowerPoint - Hokr-bedrichov

Vodárenský tunel
v Bedřichově jako
zdroj dat pro modely
Wassertunnel in
Bedřichov als
Datenquelle für
Modelle
Milan Hokr
Technická univerzita v Liberci / Technische Universität in Reichenberg
Liberec, 14. ledna/Januar 2013
2
Obsah / Inhalt
• Podmínky lokality Bedřichov,
přehled aktivit
• Měřená data přítoku do tunelu
a přirozených stopovačů
• Simulační software
• Numerické modely
• Určení hydraulických
parametrů, rychlosti pohybu
• Bedingungen der Örtlichkeit
Bedřichov, Übersicht der
Aktivitäten
• Gemessene Daten des
Zuflusses in den Tunnel und
von natürlichen Spuren
• Simulationssoftware
• Numerische Modelle
• Bestimmung der
hydraulischen Parameter, der
Bewegungsgeschwindigkeit
3
Úvod / Einleitung
•
Lokalita Bedřichov
–
–
–
•
Model a data
–
–
•
Jizerské hory, 10km od
Liberce
Vodárenský přivaděč – štola
2600m dlouhá
Žulový masiv
–
–
Koncepční model kombinace
pukliny-kontinuum
Měřená data „uvnitř masivu“
(tunel)
Kombinace objemu vody a
rychlosti
Örtlichkeit Bedřichov
–
–
–
•
–
•
Isergebirge, 10km von Liberec
Trinkwasserzubringer –
Stollen 2600m lang
Granitmassiv
Modell und Daten
–
Model jako nástroj
porozumění jevům v
horninovém prostředí (s
využitím dat)
Měřená data jako prostředek
kalibrace a verifikace modelu
Prezentovaná studie
–
•
das Modell als Werkzeug des
Verständnisses von
Erscheinungen im
Gebirgsumfeld (unter Nutzung
von Daten)
die gemessenen Daten als
Mittel der Kalibrierung und
Verifizierung eines Modells
Präsentierte Studie
–
–
–
Konzeptionsmodell
Kombination Spalte Kontinuum
gemessene Daten „innerhalb
des Massivs“ (Tunnel)
Kombination von Volumen des
Wassers und Geschwindigkeit
4
5
Obsah - konkrétněji / Inhalt - konkreter
•
•
Kontext: komplexní výzkumný projekt
– geologische Erforschung
– technische Lösung der Sammlung und
Übertragung von Daten
– Überwachung von Wasser, Wärme,
Mechanik, Chemie
– Geologický výzkum
– Technické řešení sběru a přenosu dat
– Monitoring voda, teplo, mechanika,
chemie
•
Model proudění podzemní vody a
transportu látky
– Data průsaků vody z masivu do tunelu
– Data transportu přirozených stopovačů
Kontext: komplexes
Forschungsprogramm
•
Strömungsmodell des Grundwassers
und des Stofftransports
– Einsickerungsdaten des Wassers aus
dem Massiv in den Tunnel
– Transportdaten von natürlichen Tracern
6
Studované jevy a vlastnosti /Studierte
Erscheinungen und Eigenschaften
• Nehomogenní rozložení
toku
•
– pukliny/matrice (1m škála)
– Zlomové zóny / kompaktní
hornina (100m škála)
• Množství vody / rychlost
pohybu
•
– Model proudění
(hydraulika)
– Model transportu
• Význam dat (přesnost,
jednoznačnost)
– Na lokalitě
– Pro jevy obecně
– V nejistoty modelu / určení
parametrů
•
Inhomogene Verteilung des
Flusses
– Spalten/Platten (1m
Maßstab)
– Bruchzonen/ Kompaktgestein
(100m Maßstab)
Möglichkeiten des Wassers /
Bewegungsgeschwindigkeit
– Strömungsmodell (Hydraulik)
– Transportmodell
Bedeutung von Daten
(Genauigkeit, Eindeutigkeit)
– In der Örtlichkeit
– Für Erscheinungen allgemein
– V Unsicherheiten des
Modells / Bestimmung der
Parameter
7
Koncept modelu /Konzept des Modells
• Použitá data
– Jevy na povrchu terénu
– Jevy v tunelu
• Modelované jevy
– Tok/rychlost v celém
objemu masivu
Large in flow
pe
e
rm
ac e
f
r
Su p erme ab
ility
h
g
i
H
p erm e a
w
b ility
Lo
h
Hig
Large
inflow
• Verwendete Daten
– Erscheinungen auf der
Geländeoberfläche
– Erscheinungen im Tunnel
• Modellierte Erscheinungen
– Fluss/Geschwindigkeit im
gesamten Volumen des
Massivs
Reservoir
ab
Tunnel
885m
Medium
inflow
ility
150m
1995m 2424m
2600m
8
Modely/popis jevů / Modelle/Beschreibung der
Erscheinungen
• Stacionární stav s
nerovnoměrným rozložením
toku (masiv/zlomy
• Transport přirozených
stopovačů
• Dynamika vlivu
srážek/infiltrace na průsak
Large inflow
pe
e
rm
ac e
f
r
Su p erm e a b
ility
gh
i
H
w p erm e a b
o
ility
L
h
Hig
Large
inflow
• Stationärer Zustand mit
ungleichmäßiger Verteilung
des Flusses (Massiv/Brüche)
• Transport von natürlichen
Tracern
• Dynamik des Einflusses von
Niederschlägen/Infiltrierungen
auf die Einsickerung
Reservoir
ab
Tunnel
885m
Medium
inflow
ility
150m
1995m 2424m
2600m
9
Použitá měření / Verwendete Messungen
•
V tunelu
– Průtok v bodech
průsaku (prameny),
celkový průtok ve
sběrném kanále v
profilech, izotopy
2H, 18O
– 14 denní intervaly /
kontinuálně
•
•
– Durchfluss in den
Einsickerungspunkten
(Quellen),
Gesamtdurchfluss im
Sammelkanal in den
Profilen, Isotope 2H,
18O
– 14-tägiges
Intervall/kontinuierlich
Na povrchu
– Srážky, teplota,
vlhkost půdy,
infiltrace
– Vlastní, ČHMU,
Povodí Labe
– Izotopy 2H, 18O
lokalita Uhlířská
ČVUT
Im Tunnel
•
Auf der Oberfläche
– Niederschläge,
Temperatur,
Bodenfeuchtigkeit,
Infiltrierung
– eigene, ČHMU, Povodí
Labe
– Izotope 2H, 18O
Örtlichkeit Uhlířská
ČVUT
10
Pozorování z dat toku / Beobachtung aus den Daten
des Flusses
•
•
•
•
Dominuje přítok v
mělkých částech
tunelu
V hlubší části přítok
ze zlomových zón
nebo jednotlivých
puklin
Průtok v hlubších
částech a pod
přehradou málo
proměnný (nebo roční
cyklus)
Průtok v úseku u
portálu roční cyklus
nebo reakce na
jednotlivé události
infiltrace (srážky, tání)
•
•
•
•
Es dominiert ein Zufluss
in den seichten Teilen
des Tunnels
In den tieferen Teilen
Zufluss aus den
Bruchzonen oder
einzelnen Spalten
Durchfluss in den
tieferen Teilen und unter
dem Stausee wenig
veränderlich (oder
jährlicher Zyklus)
Durchfluss im Bereich
beim Portal jährlicher
Zyklus oder Reaktion auf
einzelne Ereignisse der
Infiltrierung
(Niederschläge,
Tauwetter)
11
Pozorování z dat toku / Beobachtung aus den Daten des Flusses
10000
1000
100
flowrate (ml/s)
10
1
0.1
0.01
0.001
V1 125m
V2/1 798m
V3 1375m
V4/1 1728m
V4/2 1727m
V5 226m
V7 76m
V8 outflow
W-1565
W-2210
W-2313
W-2470
V6 142m
0.0001
0.00001
1-07
9-07
5-08
12-08
8-09
5-10
12-10
8-11
4-12
12-12
12
Pozorování z dat toku / Beobachtung aus den Daten des Flusses
160
10
9
surface stream flowrate [m3/s]
8
V7 flowrate (tunnel)
140
80
5
4
60
3
tunnel spring [ml/s]
100
6
40
2
20
1
0
16.2.2011
17.4.2011
16.6.2011
15.8.2011
14.10.2011
13.12.2011
0
11.4.2012
11.2.2012
V1 drops per minute
35
V6 ml/s
30
drop/min, tipping/hour, ml/s
stream flowrate [m3/s]
120
7
V7 ml/s
lyzimeter water level [cm]
25
20
15
10
5
0
22.1
21.2
23.3
22.4
22.5
21.6
21.7
20.8
19.9
19.10
13
18.11
Pozorování z dat stopovačů / Beobachtung aus den
Daten der Tracern
–
–
–
•
•
Srážky
jährlicher Zyklus der Konzentration von 2H
und 18O im Molekül des Wassers (+
Einfluss des Wettercharakters)
Einfluss der Schneeablagerung, selektive
Infiltrierung
Örtlichkeit Uhlířská
–
Tunel
–
–
–
Niederschläge
–
roční cyklus koncentrací 2H a 18O v
molekule vody (+ vliv charakteru počasí)
Vliv depozice sněhu, selektivní infiltrace
Lokalita Uhlířská
–
Téměř konstantní hodnoty koncentrací
Změny roční + delší trendy
Rozdíly mezi prameny v různé hloubce
•
Tunnel
–
–
–
fast konstante Werte der Konzentration
jährliche Änderungen + weitere Trends
Unterschiede zwischen den Quellen in
unterschiedlicher Tiefe
-62
V1 125m
V4/1 1728m
V6 142m
canal 2400m
W2313
-64
V2/1 798m
V4/2 1727m
V7 76m
W1565
W2470
V3 1375m
V5 226m
V8 outflow
W2210
-66
δ2H (permil V-SMOW)
•
-68
-70
-72
-74
1.2.10
2.6.10
2.10.10
1.2.11
3.6.11
2.10.11
1.2.12
2.6.12
2.10.12
14
Modely vs. data / Modelle vs. Daten
•
Data pro
–
–
–
•
•
•
•
–
–
•
•
Ekvivalent čerpací zkoušku vrtu (tunel =
atmosférický tlak) v jiné škále-geometrii
Stopovače: čas pohybu vody mezi
povrchem a tunelem V rychlost /
mobilní objem vody (pórovitost)
Validace:
externí vlivy na změny průtoku (počasí,
přehrada V)
Referenční data hydraulické vodivosti a
pórovitosti
Daten für
–
–
–
Sestavení modelu
Ověření (kalibraci) modelu
Zjištění vlastností prostředí
Vstup: geometrie + koncept rozmístění
vodivých zón
Průtok V určení (kalibrace) ekvivalentní
hydraulické vodivosti masivu
–
•
Eingang: Geometrie + Konzept der
Aufteilung der leitenden Zonen
Durchfluss V Bestimmung
(Kalibrierung) der äquivalenten
hydraulischen Leitfähigkeit des Massivs
–
•
•
Aufbau des Modells
Überprüfung (Kalibrierung des Modells)
Feststellung der
Umgebungseigenschaften
Äquivalent Pumptest einer Bohrung
(Tunnel = atmosphärischer Druck) in
einem anderen Maßstab - Geometrie
Tracer: Bewegungszeit des Wassers
zwischen Oberfläche und Tunnel V
Geschwindigkeit / mobiles Volumen des
Wassers (Porosität)
Validierung:
–
–
externe Einflüsse auf die Änderung des
Durchflusses (Wetter, Stausee V)
Referenzdaten der hydraulischen
Leitfähigkeit und Porosität
15
Varianty modelu toku / Varianten des Flussmodells
•
2D model
–
–
–
•
•
–
Svislý řez kolmo k tunelu
Homogenní prostředí bez vlivu tvaru terénu
Konkrétní hloubka
–
3D model
–
–
–
–
Digitální model terénu (varianty 5km2,
20km2)
Svislé vodivé plochy detekované z
geofyziky
Hydraulická vodivost mělké zvětralé vrstvy
a kompaktního masivu
Zjednodušený / přesný tvar tunelu
2D Modell
–
•
Senkrechter Schnitt im rechten Winkel zum
Tunnel
Homogene Umgebung ohne Einfluss der
Geländeform
Konkrete Tiefe
3D Modell
–
–
–
–
Digitales Geländemodell (Varianten 5km2,
20km2)
Senkrechte leitende Flächen, erfasst durch
Geophysik
Hydraulische Leitfähigkeit seichter
verwitterter Schichten und des kompakten
Massives
Vereinfachte / genaue Form des Tunnels
16
Multidimensional
dual porosity model
•
•
–
–
–
•
–
–
•
•
–
–
Network of sm all frac tures
and rock m atrix
Vyvíjený na TUL od 2005
Různé fyzikální interpretace
Puklina – horninová matrice
Ekvivalentní kontinuum z „malých“ puklin
„puklina“ (diskrétní prvek) jako obecná plošná
nehomogenita
„Multidimenzionální“, „kombinovaný“ model
3D kontinuum, 2D plochy, 1D linie - propojené
vyžaduje doplňující informace (geometrie,
interakce mezi doménami)
Kompatibilní a nekompatibilní propojení
Smíšená hybridní MKP
Maryška et al 2008 (J. Comp Apl Math)
Jiné programy - FEFLOW, FRAC3DVS –
standard FEM, Connectflow – DFN/EC
subdomains
Zon
e
of s
p ec
Do m
ific
p rop
e
ina n
t fra
rties
in/a
lo
c tu
re
Vliv geometrie a diskretizace v modelu přítoku vody z horninového masivu do tunelu | 13. listopadu 2012
Disc
re
ng
fra c
ture
(fill,
a lte
ra
tio n
,
etc
Continuum imm obile
Software Flow123D
Continuum mobile
“Real” system
te f
ra c
ture
mo
Disc
b ile
re te
fra c
ture
im
.)
mo
b ile
1 pressure
value
Pressure 2D
1D
e
r
ssu
e
r
P
Pressure 2D
2D model geometrie / 2D-Modell Geometrie
•
•
•
•
•
Obdélník
500x300m
Hladina podzemní •
vody u povrchu
Vliv diskretizační
sítě a tvaru tunelu
Rechteck 500x300m
Pegel des
Grundwassers bei der
Oberfläche
Einfluss des
Diskretisierungsnetzes und der
Tunnelform
18
2D model geometrie / 2D-Modell Geometrie
•
•
•
•
Obdélník
500x300m
•
Hladina podzemní
vody u povrchu
•
Vliv diskretizační
sítě a tvaru tunelu
Rechteck 500x300m
Pegel des
Grundwassers bei der
Oberfläche
Einfluss des
Diskretisierungsnetzes und der
Tunnelform
“průměr” tunelu [m]
“Durchmesser” des Tunnels [m]
počet stěn tunelu
Anzahl der Tunnelwände
mesh rozlišení [m]
Mesh-Auflösung [m]
počet bodů
Anzahl der Punkte
počet elementů
Anzahl der Elemente
hostota toku [m3/day/m]
Flussdichte [m3/day/m]
% odchylka
% Abweichung
Referenční
Referenz
Hrubší
grober
Větší
größer
větší a ještě hrubý
Größer und noch grob
3.6
3.6
10
10
24
4
4
4
0.01
1
1
7.1
18368
3458
3721
649
35543
6788
7294
1215
0.971
0.921
1.156
1.083
100%
94%
119%
111%
19
Vyhodnocení 2D modelu/Auswertung des 2D-Modells
20
Vyhodnocení 2D modelu/Auswertung des 2DModells
•
•
•
Hydraulická vodivost pro hlubší část
masivu a pro zvětralou zónu odpovídá
hodnotám v literatuře
Použit korekční faktor vliv geometrie
tunelu na 3D model
Rozdíly přítoku během roku lze
interpretovat jako změnu výšku hladiny
podzemní vody
•
•
•
Hydraulische Leitfähigkeit für den tieferen Teil
des Massivs und für die Verwitterungszone
entspricht den Werten in der Literatur
Korrekturfaktor des Einflusses der
Tunnelgeometrie auf 3D-Modell anwenden
Unterschiede des Zuflusses während des
Jahres lassen sich als Änderung der
Pegelhöhe des Grundwassers interpretieren
21
Geometrie 3D modelu / Geometrie des 3D-Modells /
•
Hranice: údolnice, rozvodnice
(nulový tok)
20 km2, 5000 × 6000 m
Reálný povrch – 100 m rozlišení,
terénní struktury, 550-900 m.n.m.,
podstava 400m.n.m.
Vertikální vodivé zóny – pukliny
(Klom.2005) reprezentovány 2D
plochami
•
•
•
–
•
cross-section
Tunnel
diameter 5 m
Tunnel 2600 m
150 m
šířka = 1m, K2D = transmisivita
Tunel aproximován dutým hranolem
•
•
•
•
Grenze: Tallinie, Wasserscheide
(Nullfluss)
20 km2, 5000 × 6000 m
Reale Oberfläche – 100 m
Auflösung, Geländestrukturen, 550900 m.n.m., Basis 400m.n.m.
Vertikale leitende Zonen – Spalten
(Klom.2005) repräsentiert durch 2D
Flächen
–
•
450 m
Breite = 1m, K2D = Transmissivität
Tunnel durch hohlen Vierkant
angenähert
22
Okrajové podmínky / Randbedingungen
• Nulový tlak – povrch terénu
a stěna tunelu
• Nulový tok – strany a
spodek modelu
• Hydrostatický tlak – dno
přehrady
• Nulldruck – Oberfläche des
Geländes und Tunnelwand
• Nullfluss – Seiten und
Unterseite des Modells
• Hydrostatischer Druck –
Boden des Stausees
23
Hrubší/jemnější 3D model/
Gröberes/feineres 3D-Modell
Umfang des Modells
Fläche
Tunnelradius
Anzahl der Schichten
Auflösung im Tunnel
Punkte
Dreiecke
Tetraeder
Software für die
Netzwerkbildung
Annäherung des
Tunnels
rozsah modelu
plocha
poloměr tunelu
počet vrstev
rozlišení u tunelu
bodů
trojúhelníků
Tetraedrů
software pro tvorbu
sítě
aproximace tunelu
5000 × 6000 m 2700m x 1700m
20 km2
4,59 km2
10 m
3.6 m
2
5
7m
43 142
6 125
102 291
227 213
1 074 660
GMSH
SALOME
hranol
osmistěn
Vierkant
achtwandig
24
Hrubší 3D model/
Gröberes 3D-Modell
25
Tunnel 2600 m
cross-section
section
jemnější 3D model/
feineres 3D-Modell
50 m
Tunnel
diameter 5 m
450 m
26
Vyhodnocení 3D modelu / Auswertung des 3D-Modells
27
Vyhodnocení 3D modelu / Auswertung des 3D-Modells
Puklinové zóny
Největší průsak oproti masivu
28
Kalibrace – určení parametrů
Parametry
Model
Kalibrace / inverzní model
Výsledky/Ergebnise
Data měření / messung
• Parametry
– Hydraulická vodivost zvětralé
vrstvy pod povrchem
– Hydraulická vodivost
kompaktní části masivu
– Transmisivita puklin/zlomů
• Data
– Přítoky z odpovídajících tří
částí horninového masivu do
tunely
29
Vyhodnocení 3D modelu / Auswertung des 3D-Modells
Různé hypotézy rozložení přítoku mezi
kompaktní masiv a pukliny/zlomy
(nepodloženo dostatečně přesným
měřením)
hydraulic conductivity [m/day]
•
F
f
=
m
ratio
fracture massif
20
1
3
1
1
1
1
3
1E-6
1E-7
1E-8
weirs 2004
dilution 2012
2D model
1E-9
K2Dfaults
K3Dup
1E-10
K3Dbotto
1E-11
o ck ro ck ro ck ro ck
o ck ro ck ro ck rock
r
r
>> lts > lts = lts <
>> lts > lts = lts <
s
s
t
t
l
l
fau fau fau
fau fau fau
fau
fau
2
o de
m
D
l
30
Hrubší/jemnější 3D model /Gröberes/feineres 3D-Modell
Větší přítok masivem/Größerer
Zufluss durch das Massiv
Větší přítok puklinami/Größerer
Zufluss durch die Spalten
• Časové a
paměťové nároky
– 2 minut/ 2 GB
– 15 minut/ 9 GB
• Zeit- und
Speicheransprüche
– 2 Minuten/ 2 GB
– 15 Minuten/ 9 GB
31
Modely přirozených stopovačů /Modelle von
natürlichen Tracern
•
•
Princip
– Definovaná koncentrace na vstupu (proměnná
v čase)
– Sledovaná koncentrace na výstupu
Příklady
– Stabilní izotopy 2H (deuterium), 18O,
koncentrace ve srážkách sezónně proměnná
• Škála měsíce-roky
– Tritium 3H – v atmosféře vlivem nukleárních
testů, max. v 60.letech, poločas rozpadu 12,5
roku
• Škála 10-50 let
– Tritium/Helium rozpadová řada
•
Modely
– Se sdruženými parametry (0D/1D) – doba
zdržení+rozptyl
– Numerické řešení 2D/3D advekce
32
Transport sdružený model
Kalibrace na kratší interval
Validace na delším intervalu
(„slepá“ predikce)
33
Tritium – nestabilní stopovač / Tracer
10000
1000
100
10
1
25.3.1960
1.2.1970
11.12.1979
19.10.1989
28.8.1999
6.7.2009
34
Transport 3D
35
Určení parametrů proudění+transport
o Hydraulická vodivost V množství vody
o Objem pórů/puklin V rychlost vody
pórovitost (mobilní voda)
Porosität (mobiles Volumen des
Wassers)
0.01
0.001
hydraulická
vodivost
Hydraulische
Leitfähigkeit
1.00E-07
0.818
0.0818
1.00E-08
8.18
0.818
1.00E-09
81.8
8.18
[m/s]
1.00E-10
818
81.8
Doba pohybu (roky)/ Bewegungszeit (Jahre)
36
Závěr / Schlussfolgerung
o Úspěšně nafitovaný konceptuální a
numerický model na měřená data
• Hodnoty hydraulické vodivosti
korespondují s literaturou
o Mixed-hybrid / multidimensionální
přístup ověřen na velkých úlohách
o Porovnání různé kvality
diskretizace
• Vyřešeny problémy tvorby
geometrie – zjednodušení
? Nejistoty a otevřené otázky
• Implementovány nehomogenity
• Jednotlivé prameny (kapající)
• Data proudění/transport
o Erfolgreich angepasstes konzeptionelles
numerisches Modell auf gemessenen
Daten
• Werte der hydraulischen Leitfähigkeit
korrespondieren mit der Literatur
o Mix-hybrider / multidimensionaler Zugang
an großen Partien überprüft
o Vergleich der verschiedenen
Diskretisierungsqualitäten
• Gelöste Probleme der
Geometriebildung - Vereinfachung
? Unsicherheiten und offene Fragen
• Implementierte Inhomogenitäten
• Einzelne Quellen (tropfend)
• Data Strömung/Transport
37
Poděkování
o Spolupracovníci TU Liberec
o P. Rálek, I. Škarydová, A. Balvín,
D. Frydrych, M. Hernych, L. Slavík
o Partnerské instituce
o Česká geologická služba, Ústav
struktury a mechaniky hornin,
Geofyzikální ústav, České
vysoké účení technické
o Financování výzkumu – projekty
o Ministerstvo průmyslu a
obchodu, Správa úložišť
radioaktivních odpadů,
Mezinárodní atomová agentura
o Severočeské vodovody a
kanalizace
38
http://bedrichov.tul.cz
39