Grundvands- og hydrologiske modeller udarbejdet under grundvandskortlægningen (samt i andre sammenhænge) indeholder en lang række informationer om kortlægningsområdets data og opbygning, og det bør derfor undersøges, om modellen kan genanvendes på et senere tidspunkt i forbindelse med modellering af vandkredsløbet. Før en ”gammel” model genanvendes er der imidlertid en række forhold, der skal afklares. F.eks. skal det undersøges, om formålet med den oprindelige model var det samme som formålet med den foreliggende opgave. Udgangspunktet i dette afsnit er, at en kortlægningsmodel hentes frem fra eksempelvis modeldatabasen, og at denne model skal bruges til at opnå en revideret opgørelse af grundvandsbeskyttelsen i det pågældende område. Formålet med modellen er med andre ord det samme som i den oprindelige opgave, om end der sidst i afsnittet gives nogle anbefalinger i tilfælde af, at formålet er ændret. Normalt kan en ældre model ikke umiddelbart anvendes, men i reglen vil den kunne danne udgangspunkt for den efterfølgende modellering, hvor det må påregnes, at der skal laves opdatering og nuancering af geologisk model, kalibreringsdata, rumlig opløsning, mm. Desuden skal det undersøges, om modellen er nøjagtig nok til den foreliggende opgave. Stort set alle modeller udarbejdet under grundvandskortlægningen er evalueret mod kvantitative nøjagtighedskrav (se afsnit 5.5), så oplysninger om modellens evne til at reproducere de observerede data er let tilgængelige jf. modelrapporter. Dog er der en del andre kalibreringskriterer, som bør være opfyldt alt efter modellens formål. Hvis modellen klarede sig relativt dårligt i kalibrerings- og eventuelle validerings-tests, kan det give anledning til at stille spørgsmålstegn ved at genanvende modellen. Alternativt kan kravene til nøjagtighed have ændret sig, så der til den nye opgave stilles skrappere (eller mildere) krav til nøjagtighed. Endelig kan man vælge at gennemføre en såkaldt post-audit (se senere), hvor modellens forudsigelser af fremtiden evalueres, fx år efter at en ændring i vandbalance forhold er implementeret.

Det kan i det konkrete tilfælde være vanskeligt at vurdere, om en ældre model kan genanvendes, og hvor meget der i givet fald skal laves på modellen, før den er køreklar. Generelt anbefales det, at man beskriver fordele og ulemper ved at genanvende en gammel model. Denne analyse inkluderer en præcision af, hvad modellen er testet til og navnlig, hvad den ikke er testet på. En sådan analyse vil kunne danne udgangspunkt for en opdatering af modellen.

5.15.1 Begrundelser for opdatering af kortlægningsmodeleksisterende modeller

Der kan være mange begrundelser for at genberegne sænkninger, indvindingsoplande og grundvandsdannende oplande i et kortlægningsområde. En vigtig motivation vil være, hvis der er sket fysiske og/eller strukturelle ændringer indenfor kortlægningsområdet. En af de mest dynamiske størrelser i en kortlægningsmodel udgøres af den rumlige og tidslige fordeling af grundvandsindvindingen. I nogle tilfælde vil indvindingsfordelingen mellem indtag på en kildeplads have ændret sig eller der kan være sket en omfordeling af indvindingen mellem forskellige kildepladser. Forurenings- og ressourceproblemstillinger kan give anledning til, at indvindingen på specifikke kildepladser ændres signifikant eller eventuelt helt lukkes, hvilket typisk vil resultere i, at der etableres en ny kildeplads på en anden lokalitet.

En anden ændring, som kan give anledning til signifikante effekter for grundvandsbeskyttelsen, er arealanvendelsen. På landbrugsarealer vil omlægning fra en afgrøde til en anden normalt kun give anledning til moderate ændringer i fordampning og dermed grundvandsdannelse. Til gengæld kan omlægning fra landbrug til skov (eller omvendt) resultere i markante ændringer i grundvandsdannelsen (Christiansen et al., 2015). Det samme er tilfældet, hvis der sker en urbanisering af et område, hvilket vil påvirke både fordampning, afstrømningsdynamik og grundvandsdannelse (Kidmose et al., 2015).

Ny viden om kortlægningsområdets fysiske opbygning (f.eks. geologi) kan også give anledning til et ønske om en opdatering af modellen. Der vil typisk være tale om, at der er indsamlet nye data (f.eks. om klima eller geologi) og/eller at der er sket en retolkning af eksisterende og/eller nye data. Hvis dette resulterer i inputs til modellen, som er signifikant forskellige fra det tidligere input, kan det give anledning til en genberegning. Et eksempel kan findes i Seifert et al. (2008), hvor der for et område omkring Bording i Midtjylland først blev opstillet en model, hvor den geologiske lagserie var beskrevet som mere eller mindre horisontale Miocene lag (model A). En geologisk kortlægning viste imidlertid, at området blev gennemskåret af en begravet dal. Der blev derfor også lavet en geologisk model, som inkluderede dalen (model B). Til trods for, at begge modeller kunne kalibreres tilnærmelsesvis lige godt mod data for trykniveau og vandløbsafstrømning, var der stor forskel på de grundvandsdannende oplande i de to modeller, se Figur 14. Så i dette tilfælde ville fremkomsten af nye geologiske data (eller ny tolkning) være et argument for at gennemføre en opdatering af den oprindelige model.

 

Figur 14: Grundvandsdannende oplande og transporttider til boringer placeret i de Miocene magasiner (lag 6 og 10). Model A er uden den begravede dal mens model B er med den begravede dal.

Der kan også opstå det problem, at de inputs der er givet til den oprindelige model, ikke længere er troværdige. Den situation kan opstå, hvis der er fremkommet ny viden på området. F.eks. har korrektion af nedbørsdata (aerodynamiske effekter) ændret sig gentagne gange de sidste 30-40 år, og hvis der er benyttet en anden metode, end den der anbefales på opdateringstidspunktet, er der behov for at ajourføre modellen.

5.15.2 Praktiske problemstillinger

Forudsætningen for at kunne genanvende en ældre kortlægningsmodel er, at modellen er tilgængelig. Det kræver normalt, at modellen kan findes i modeldatabasen (gerda.geus.dk/Modeldb/). Tilsvarende skal man sikre sig, at de klimadata (nedbør, fordampning, temperatur), der blev leveret af DMI og anvendt til opgaven, kan bruges til den foreliggende opgave uden yderligere afregning.

Inden man beslutter sig for at genanvende en kortlægningsmodel, skal det afklares, om modellen kan indlæses og give tilfredsstillende resultater i det modelsystem, som man har valgt at arbejde med. I de fleste modelsystemer sker der en løbende udvikling af både modelkoden (dvs. den måde vandkredsløbet bliver beskrevet på) og af brugerfladen. Opdateringer af brugerfladen kan resultere i, at det er vanskeligt eller direkte umuligt at importere den gamle modelopsætning til det nye modelsystem. Det kan derfor være forbundet med en betydelig arbejdsbelastning at skulle opdatere modellen, og der vil være en risiko for, at den reetablerede model utilsigtet afviger fra den oprindelige model mht. opsætning og inputs. Ligeledes kan opdateringer af modelkoden give anledning til, at der genereres resultater, som er forskellige fra de resultater, som modellen tidligere kom frem til.

Det anbefales derfor, at der gennemføres en test, hvor resultaterne fra den gamle model sammenlignes med resultaterne fra den nye model. Det er vigtigt at kvantificere disse afvigelser, og her vil det være mest optimalt, hvis det er muligt at sammenligne resultater for trykniveauet i modelområdet. Det gøres mest hensigtsmæssigt ved at trække trykniveauresultater i et specifikt modellag fra hinanden (celle for celle, til samme tidspunkt). Ideelt set bør de to modelversioner give identiske resultater, men i praksis vil der pga. faktorerne nævnt ovenfor tit være afvigelser. Analysen forudsætter, at der er resultater til rådighed fra den gamle model, hvilket ikke altid er tilfældet, og i mange tilfælde vil det ikke være muligt at genetablere dem. I de tilfælde kan man udnytte afrapporterede statistiske størrelser såsom middelfejl (ME) og kvadratafvigelsessummen (RMS), som kan sammenlignes mellem modellerne. Alternativt kan afgrænsning af indvindingsoplande, som normalt er gemt i GIS format, sammenlignes.

Det er vanskeligt at definere krav til, hvor tæt resultaterne fra den opdaterede model skal være på de resultater, som den oprindelige model producerede. Det vil afhænge af formålet og nøjagtighedskriterierne for den aktuelle opgave. Men det bør undersøges, hvad der er årsag til en eventuel afvigelse, og hvis der er tale om en saglig begrundelse, kan der efterfølgende være behov for at rekalibrere modellen.

5.15.3 Post-audit

Det kan være hensigtsmæssigt at foretage en såkaldt post-audit af en ”gammel” grundvandsmodel. I en post-audit re-eksamineres modellens resultater mod nye data, som er indsamlet efter modelprojektet er afsluttet (Barnett et al., 2012). Herved kan det demonstreres, om modellen er i stand til at forudsige fremtiden. Anderson og Woessner (1992a) definerer en postaudit som en undersøgelse af, hvor nøjagtige forudsigelser en model lavet mindst 10 år før en postaudit gennemføres, er. Årsagen til at de anbefaler, at der skal gå mindst 10 år før analysen gennemføres er, at det tillader tilstrækkeligt med tid til, at modellen kan bevæge sig væk fra kalibreringstilstanden. Normalt vil en post-audit analyse altså inkludere, at der sker en vis ændring (f.eks. etablering af en ny kildeplads eller etablering af permanent grundvandssænkning i forbindelse med tunnelprojekter) og at modellens forudsigelser af denne ændring sammenlignes med målinger fra perioden efter, at ændringen er sat i værk. Hvis der er gået tilstrækkelig lang tid siden kortlægningsopgaven blev afsluttet, vil det være muligt at teste modellen mod data (f.eks. trykniveau), der er indsamlet efterfølgende.

I forbindelse med grundvandskortlægning vil der kun i sjældne tilfælde være tale om, at modellen blev anvendt til at prediktere effekten af en given ændring. Typiske ændringer med relevans for grundvandsstrømningerne inkluderer ændringer i indvindingsmængde, f.eks. pga. installation af en ny kildeplads eller en ændret fordeling af indvindingen på de eksisterende kildepladser, ændring i klimatiske forhold såsom nedbørsmængde, som vil give anledning til ændringer i grundvandsdannelsen, eller ændringer i arealanvendelsen, f.eks. urbanisering eller skovrejsning, som påvirker grundvandsdannelsen lokalt. Ofte vil en kortlægningsmodel antage, at den historiske situation fortsætter ind i fremtiden, og i dette tilfælde kan man argumentere for, at der ikke er tale om en stringent post-audit men måske snarere tale om en traditionel validering. Forskellen til den velkendte validering består i, at modellen konfronteres med data, som er indsamlet i perioden efter at modelprojektet er afsluttet, hvilket ofte kan resultere i uventede forløb.

Et eksempel på en modeltest med ændrede påvirkninger (stress-faktorer) kan findes i Seifert et al. (2012). Her blev seks forskellige geologiske modeller indbygget i en hydrologisk model for Lejre-området beliggende syd for Roskilde fjord. De seks modeller blev kalibreret mod tilgængelige historiske data for trykniveau og vandløbsafstrømning. Efterfølgende blev der lavet et pumpestop på Lejre kildeplads, som resulterede i stigende grundvandsstand i nærliggende observationsboringer, se figur 16. I dette tilfælde er der ingen usikkerhed mht. påvirkningen af modellen (både indvinding og klimaforhold kendes), og hele fejlen skal derfor findes på den hydrostratigrafiske model med tilhørende hydrauliske parametre. Det ses, at for boring 206.125 rammer alle modellerne det observerede forløb relativt dårligt, mens der for boring 206.105 er en bedre overensstemmelse mellem virkelighed og model.

 

Figur 15: Forløb af hhv. observeret og beregnet grundvandsstand i pejleboringer tæt på Lejre kildeplads efter pumpestop (fra Seifert et al., 2012).

Normalt vil effekten af en given ændring i stress-faktorer give anledning til, at systemet ændrer sig over en periode, som er betydeligt længere end i ovenstående eksempel. En post-audit kan i det tilfælde gennemføres ved at sammenligne resultater fra den oprindelige model med observationer indsamlet for den periode (eller dele af), som modellen predikterede, typisk en ny stationær tilstand. Som beskrevet i Anderson og Woessner (1992b), hvor fem post-audits præsenteres, vil dette resultere i, at forskellen mellem model og data vil være et resultat af flere faktorer. Dels vil fejl i den konceptuelle model (f.eks. geologisk model) resultere i unøjagtige resultater, dels vil fejlagtige estimater for fremtidige stress-faktorer (grundvandsdannelse, grundvandsindvinding, etc.) give anledning til unøjagtigheder. Derfor anbefaler Anderson og Woessner (1992a,b), at prediktioner af hydrologiske størrelser påhæftes en usikkerhedsanalyse, hvor sandsynlige udfald af stress-faktorer gennemregnes. Eksempelvis kan der defineres et antal scenarier for, hvordan indvindingen på kortlægningsområdets kildepladser vil udvikle sig fremover. Herved er der en vis sandsynlighed for, at mindst ét scenarium ligger tæt på, hvordan det i praksis udvikler sig. Analysen giver imidlertid også information om, hvor meget realistiske variationer i stress-faktorerne kan påvirke modelresultaterne, dvs. hvor følsom modellen er overfor ændringer i eksempelvis grundvandsindvinding. Det er imidlertid sjældent, at der er gennemført en sådan usikkerhedsanalyse i forbindelse med modelprojekter i Danmark. For at opnå viden om, hvor godt selve modellen (geologi, parameterværdier, mm) repræsenterer virkeligheden, kan det i forbindelse med post-audit overvejes, at køre modellen igen, hvor alle ”fremtidige” forhold er kendt. Herved kan man eliminere effekten af usikkerheden om fremtiden, og eventuelle forskelle mellem model og data vil være et udtryk for fejl i den konceptuelle model eller parameterværdier.

Fokus for kortlægningsmodeller er rettet mod afgrænsning af indvindingsoplande. Det er imidlertid vanskeligt at måle beliggenheden af et indvindingsopland, og derfor er det i praksis ikke muligt at gennemføre en stringent post-audit af en kortlægningsmodel. Man må derfor ty til indirekte tests af modellen, som kan fortælle noget om modellens evne til at forudsige grundvandets bevægelse. Modellen kan holdes op mod eventuelle nye målinger af eksempelvis grundvandstrykniveau, som er den datatype, der oftest indsamles Det kan imidlertid også være hensigtsmæssigt at udnytte viden om hydrauliske gradienter, både i horisontal og vertikal retning. Gradienterne giver information om, i hvilke retninger grundvandets strømmer (under isotrope forhold), og kan derfor være nyttige til at teste modellen. En anden datatype, som er blevet mere almindeligt anvendt de senere år, er alderdateringer baseret på miljøtracere (f.eks. ¹⁴C eller ³⁹Ar, se Sonnenborg et al., 2016). En tracer giver information om, hvilke veje grundvandet strømmer og er derfor højst relevant at anvende i forbindelse med evaluering af en kortlægningsmodel.

5.15.4 Anvendelse af kortlægningsmodel til alternative formål

Modeller opstillet under grundvandskortlægningen er typisk udviklet til at give en god beskrivelse af grundvandsstanden i de primære magasiner, sænkning i forbindelse med grundvandsindvinding og tilhørende indvindingsoplande. Til gengæld er der ofte lagt mindre vægt på forhold såsom vandløbsafstrømning eller grundvandsstandens variation i de terrænnære sekundære magasiner, hvor en nøjagtighed svarende til overslagsberegning typisk er blevet accepteret. Hvis formålet med modelarbejdet er et andet, end da modellen blev opstillet, kan modellen som udgangspunkt ikke anvendes direkte. Hvis det er hensigten at anvende en kortlægningsmodel til eksempelvis vandløbspåvirkning, klimatilpasning eller forureningstransport vil der derfor typisk være behov for opdateringer af modellen.

I forbindelse med både vandløbspåvirkning og klimatilpasning vil der til forskel fra grundvandskortlægningen være fokus på det terrænære grundvand og afstrømningshydrografen, og det vil typisk være ekstremsituationer, der er relevante at karakterisere. Mht. vandløbspåvirkningen vil det være sommersituationen med lille (ingen) grundvandsdannelse, høj fordampning og eventuel oppumpning til markvanding, som er interessant at undersøge. For klimatilpasningen vil det typisk være den våde situation med høj grundvandsstand, som indtræder i vinter- og eller forårssæsonen, der er kritisk. I begge tilfælde stiller det krav til, at der anvendes en model, som kan beskrive ekstremsituationen, hvilket normalt indebærer, at der anvendes en dynamisk model, dvs. en ikke stationær model. Problemstillingen med det terrænnære grundvand vil kræve, at der foreligger en relativ detaljeret beskrivelse af den terrænære geologi (de øverste 20 – 30 m), se f.eks. Sonnenborg og Kidmose (2012), da grundvandsspejlets rumlige variationer er stærkt afhængigt af heterogeniteter i den terrænære geologi. Endelig vil det være vigtigt, at modellerne er kalibreret mod data fra det terrænnære grundvand, typisk det øverste magasin og afstrømninger i opstrøms dele af vandløbet. Her vil det være vigtigt at have adgang til forholdsvis mange terrænnære observationer med lille usikkerhed, og da de terrænnære forhold ikke har været i fokus i forbindelse med grundvandskortlægningen, vil der typisk være behov for at indsamle yderligere data. Specielt i forbindelse med vandløbsafstrømning kan der også være behov for modellen kalibreres og valideres mod andre kalibrerings-mål, eksempelvis R²-NS, Fbal, Fbal-sommer og BFI.

Skalaen, hvorpå der skal simuleres, kan være en anden årsag til ændringer i modellen. I klimatilpasningsprojekter kan der, specielt i urbane områder, være behov for at bruge en finere opløsning end de 100 x 100 m, som der er anvendt i grundvandskortlægningen. En eventuel reduktion af modelområdet og celle-størrelse vil give anledning til, at modellen (selv med samme parameterværdier) giver resultater, som afviger fra den oprindelige model.

En ændring af formålet med modellen vil, som det kort er beskrevet ovenfor, altså resultere i ændringer af, på hvilke områder den skal præstere godt, hvilket vil give anledning til ændringer i modelopbygning. Der vil derfor skulle gennemføres en rekalibrering af modellen, hvor den holdes op mod kalibreringskriterier, som er relevante for den pågældende problemstilling.

5.15.5 Anbefalinger

• Check at den oprindelige model kan indlæses i det aktuelle modelsystem
• Gennemfør test af den oprindelige model mod den opdaterede model
• Gennemfør en post-audit mod data indsamlet efter model blev lavet
• Hvis formålet med modellen er ændret bør der ske en genkalibrering

5.15.6 Referencer

Anderson, MP, Woessner WW (1992a) Applied groundwater modeling: simulation of flow and advective transport. Academic Press, Inc., San Diego, California.

Anderson, MP, Woessner WW (1992b) The role of postaudit in model validation. Adv. Water Resources, 15, 167-173.

Barnett B, Townley LR, Post V, Evans RE, Hunt RJ, Peeters L, Richardson S, Werner AD, Knapton A, Boronkay A., 2012. Australian groundwater modelling guidelines, Waterlines Series Report No. 82, National Water Commission, Canberra. June 203pp.

Christiansen JR, Gundersen P, Sonnenborg TO (2015) Får vi mere vand når nåleskov bliver til løvskov?, Vand&Jord, 2, 44-47.

Elga S, Bronders J, Batelaan O (2015) Hydrological modelling of urbanized catchments: A review and future direktions. Journal of Hydrology 529. 62-81.

Kidmose J, Troldborg L, Refsgaard JC, Bischoff N (2015) Coupling of a distributed hydrological model with an urban storm water model for impact analysis of forced infiltration, Journal of Hydrology, 525, 506-520, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2015.04.007.

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, Hydro-geology Journal, 16(4), 659-674.

Seifert D, Sonnenborg, TO, Refsgaard JC, Højberg AL, Troldborg L (2012) Assessment of hydrological model predictive ability given multiple conceptual geological models, Water Resources Research., 48, doi:10.1029/2011WR011149.

Sonnenborg TO, Kidmose J (2012) Undersøgelse af klimabetingede grundvandsstigninger i pilotområde Kolding, pp. 28, GEUS.

Sonnenborg TO, Scharling P, Hinsby K, Rasmussen ES, Engesgaard P (2016) Aquifer vulnerability assessment based on sequence stratigraphic and 39Ar transport modeling, Groundwater, 54(2), 214-230, DOI: 10.1111/gwat.12345.