G1 Ammattikorkeakoulututkinnon opinnäytetyö, kandidaatintyö
Pohjaveden kolmiulotteinen virtausmallinnus MODFLOW-ohjelmalla - esimerkkinä Virttaankankaan tekopohjavesihanke
Tekijät: Tammelin Mira
Kustantaja: University of Turku
Kustannuspaikka: Department of Information Technology
Julkaisuvuosi: 2012
Tiivistelmä
Pohjavesi on tärkeä luonnonvara, jonka käyttöä ja suojelua voidaan tehostaa mallintamalla pohjavesiesiintymän käyttäytymistä tietokonepohjaisilla mallinnusmenetelmillä. Päivittyvä tutkimustieto ja toimivat tiedonhallintajärjestelmät mahdollistavat pohjaveden virtauksen dynaamisen kolmiulotteisen mallinnuksen, joka tuottaa parasta tiettynä ajanhetkenä tietystä paikasta saatavilla olevaa geologista ja hydrogeologista tietoa. Tutkielmassa tarkastellaan Artimon et al. vuonna 2007 kattavasti kuvailemaa Virttaankankaan tekopohjavesihanketta onnistuneena esimerkkinä tällaisesta mallinnustavasta.
Pohjaveden virtausmallinnus vaatii huomattavan määrän huolellista pohjatyötä näytteenotosta kolmiulotteisen hydrogeologisen rakennemallin luomiseen. Mallinnettavan alueen koko, haluttu resoluutio ja tapa, jolla alue jaetaan yksittäisiksi soluiksi määrittävät virtausmallin rakenteen. Virtauksen simuloimiseksi on tunnettava myös pohjaveden pinnan korkeudet mallinnuksen alkuhetkellä, pohjavesimuodostuman ominaisuuksia kuvaavat arvot sekä mallia rajoittavat reunaehdot.
Yleisin pohjaveden virtauksen mallinnukseen käytetty ohjelma on United States Geological Surveyn Fortran-kielinen MODFLOW, jonka toimintaa Harbaugh ja McDonald kuvasivat tarkoin ohjelman dokumentaatioissa muun muassa vuosina 1988 sekä 2005. Ohjelma kehitettiin 1980-luvun alussa, minkä jälkeen siihen on tehty neljä versiopäivitystä. MODFLOW simuloi pohjaveden virtausta luomalla jokaiselle mallin aktiiviselle solulle differenssiyhtälön ja ratkaisemalla näin syntyneen yhtälöryhmän iteratiivisesti.
MODFLOW’n rakenne ja toiminta perustuvat helppokäyttöisyyteen, muokattavuuteen ja ylläpidettävyyteen, tehokkaaseen muistin ja suoritusajan käyttöön sekä syötteiden ja tulosteiden joustavuuteen. Ohjelman luokkahierarkia koostuu pääohjelman lisäksi aliohjelmista (moduuleista), jotka muodostavat sekä ohjelmassa suoritettavia proseduureja että tiettyä hydrologista ongelmaa ja sen ratkaisemista kuvaavia pakkauksia. Ylimmällä luokkahierarkian tasolla ovat prosessit, jotka keräävät yhteen tiettyä yhtälöryhmää käsittelevät pakkaukset.
Pohjavesi on tärkeä luonnonvara, jonka käyttöä ja suojelua voidaan tehostaa mallintamalla pohjavesiesiintymän käyttäytymistä tietokonepohjaisilla mallinnusmenetelmillä. Päivittyvä tutkimustieto ja toimivat tiedonhallintajärjestelmät mahdollistavat pohjaveden virtauksen dynaamisen kolmiulotteisen mallinnuksen, joka tuottaa parasta tiettynä ajanhetkenä tietystä paikasta saatavilla olevaa geologista ja hydrogeologista tietoa. Tutkielmassa tarkastellaan Artimon et al. vuonna 2007 kattavasti kuvailemaa Virttaankankaan tekopohjavesihanketta onnistuneena esimerkkinä tällaisesta mallinnustavasta.
Pohjaveden virtausmallinnus vaatii huomattavan määrän huolellista pohjatyötä näytteenotosta kolmiulotteisen hydrogeologisen rakennemallin luomiseen. Mallinnettavan alueen koko, haluttu resoluutio ja tapa, jolla alue jaetaan yksittäisiksi soluiksi määrittävät virtausmallin rakenteen. Virtauksen simuloimiseksi on tunnettava myös pohjaveden pinnan korkeudet mallinnuksen alkuhetkellä, pohjavesimuodostuman ominaisuuksia kuvaavat arvot sekä mallia rajoittavat reunaehdot.
Yleisin pohjaveden virtauksen mallinnukseen käytetty ohjelma on United States Geological Surveyn Fortran-kielinen MODFLOW, jonka toimintaa Harbaugh ja McDonald kuvasivat tarkoin ohjelman dokumentaatioissa muun muassa vuosina 1988 sekä 2005. Ohjelma kehitettiin 1980-luvun alussa, minkä jälkeen siihen on tehty neljä versiopäivitystä. MODFLOW simuloi pohjaveden virtausta luomalla jokaiselle mallin aktiiviselle solulle differenssiyhtälön ja ratkaisemalla näin syntyneen yhtälöryhmän iteratiivisesti.
MODFLOW’n rakenne ja toiminta perustuvat helppokäyttöisyyteen, muokattavuuteen ja ylläpidettävyyteen, tehokkaaseen muistin ja suoritusajan käyttöön sekä syötteiden ja tulosteiden joustavuuteen. Ohjelman luokkahierarkia koostuu pääohjelman lisäksi aliohjelmista (moduuleista), jotka muodostavat sekä ohjelmassa suoritettavia proseduureja että tiettyä hydrologista ongelmaa ja sen ratkaisemista kuvaavia pakkauksia. Ylimmällä luokkahierarkian tasolla ovat prosessit, jotka keräävät yhteen tiettyä yhtälöryhmää käsittelevät pakkaukset.
Turun yliopiston Tutkimustietojärjestelmän portaali