Før modelopgaven påbegyndes, skal Vandressourceforvalteren beslutte, hvad formålene med modelstudiet er. I forbindelse med grundvandskortlægningen er grundvandsmodeller fx velegnet til at beregne indvindingsoplande, indvindings- og klimascenarier, grundvandsdannelse, grundvandets alder og grundvandets strømningsveje. Udover disse formål findes der eksempler på modellering som har fokus på vandløbspåvirkning, og påvirkning af vådområder (som følge af vandindvinding) samt stoftransport (fx punktkilder). Som en introduktion til den lidt bredere vifte af formål, er i Tabel 6 foretaget en opdeling i en række mulige opgavetyper. For hver opgavetype og tilhørende valg af ambitionsniveau angiver tabellen hvilke modeltyper, der typisk vil være passende. Der er mange forskelligartede typer af opgaver, hvor hydrologisk modellering kan være formålstjenlig. Det er derfor vigtigt at fremhæve, at listen over typer af modelopgaver i Tabel 6 langt fra er udtømmende.

I tabellen opereres der med følgende modeltyper til beregning af vandstrømninger og trykniveauer:

• Analytisk: Analytisk ligning.
• Stationær grundvandsmodel : Numerisk grundvandsmodel som kalibreres stationært.
• Dynamisk integreret model : Numerisk overfladevands-grundvandsmodel, som kalibreres og anvendes dynamisk, dvs. med tidsvarierende input for bl.a. klima og indvindinger. En Dynamisk urban hydrologisk model er en numerisk overfladevands-grundvandsmodel, som er opstillet med særlig fokus på geologi og afstrømningsforhold i byer til at vurdere effekten af LAR og af afværge oppumpninger på grundvandsforhold (se afsnit 5.12).
• PT : Particle tracking model
• AD : Reaktiv stoftransport model, der beregner advektion, dispersion og kemiske/mikrobiologiske reaktioner.
• Koblet hydrologisk-afløbs model: Kobling af overfladevands-grundvandmodel og model til beregning af afstrømning i regnvandssystemer i byer, som fx en koblet MIKE SHE/MIKE URBAN.

De første tre modeltyper, som kan anvendes til beregning af vandstrømninger og trykniveauer, er anført i en rækkefølge af stigende kompleksitet (som specialiserede former for den dynamisk integrerede model, for beskrivelse af vandbalance forhold og grundvand i byer, kan fremhæves den dynamiske urbane hydrologisk model, der kan benyttes, mens koblede hydrologiske-afløbsmodeller kan benyttes til design af afløbssystemer og real-tids kontrol i bymæssige områder, hvor der er betydelig interaktion mellem det øvre grundvand og rørsystemerne). Den fjerde modeltype, PT benyttes typisk til beregning af indvindings- og grundvandsdannende oplande (se afsnit 5.13 og 5.14), men kan også benyttes til beregning af grundvandets alder og, i specielle tilfælde, stofkoncentrationer i grundvandet. AD benyttes til beregning af transport, sorption og nedbrydning af opløste stoffer i grundvandet. PT og AD kræver en forudgående anvendelse af enten en stationær eller en dynamisk integreret model.

5.1.1 Valg af ambitionsniveau

Ambitionsniveauet skal vælges så den svarer til opgavens formål. I denne Geo-Vejledning omtales fire forskellige ambitionsniveauer med følgende begreber:

• Forskningsbaseret modellering . En sådan modellering benyttes i situationer, hvor der ønskes udviklet nye modelleringsmetoder og/eller udnyttelse af nye datatyper. Her er der behov for en eksperimenterende tilgang samt ekstra grundig dokumentation af resultaterne. Forskningsbaseret modellering har et potentiale til, men ikke på forhånd nogen garanti for, at opnå mere nøjagtige resultater end eksisterende metoder. Eftersom tingene skal foregå på nye måder er en grundig peer review process samt involvering af slutbrugere (fx kommuner eller vandselskaber) ekstra vigtig.
• Detailmodellering . En sådan modellering benyttes i situationer, hvor der skal implementeres nye tiltag af stor samfundsmæssig betydning, samt i planlægningssituationer, hvor meget betydelige samfundsmæssige og/eller private interesser står på spil for en eller flere interessenter. Her benyttes state-of-the-art metoder som muliggør bedst mulig udnyttelse af eksisterende data. Ofte indsamles nye feltdata, for at sikre en ønsket høj nøjagtighed af model simuleringer.
• Overslagsberegning . En sådan modellering benyttes i situationer, hvor der skal planlægges nye mulige tiltag af samfundsmæssig betydning. Her benyttes simplere state-of-the-art metoder, som sikrer hurtige og relativt billigere beregninger på baggrund af eksisterende data. Nøjagtighedskravene er lempeligere end ved detailmodellering.
• Screening . Det er det laveste ambitionsniveau, som benyttes i situationer, hvor der ønskes en grov vurdering af i hvilke tilfælde det er nødvendigt at lave mere nøjagtige beregninger.

Begreberne screening, overslagsberegning og detailmodellering svarer til ambitionsniveauerne i de projektfaser, der i anlægs- og udviklingsprojekter ofte benævnes præ-feasibility, feasibility og projektering. I grundvandskortlægningen benyttes som regel et ambitionsniveau svarende til detailmodellering.

5.1.2 Ambitionsniveau og datatilgængelighed

Tabel 6 indeholder de to mellemste ambitionsniveauer for nogle af de angivne opgavetyper. Valg af højere ambitionsniveau indebærer mere komplekse og derfor som regel også mere datakrævende modeller. Før starten af en modelleringsopgave er det derfor nødvendigt at vurdere, hvorvidt der er et tilstrækkeligt datagrundlag til at opfylde det ønskede ambitionsniveau. I modsat fald skal der enten indsamles flere data eller slækkes på ambitionsniveauet. En sådan vurdering bør foretages i et samarbejde mellem modelløren, vandressourceforvalteren og de vigtigste interessenter.

Tabel 6: Vejledning i valg af modeltype afhængig af formålet med modelstudiet. Modeltyperne er beskrevet i teksten.

Ved vurderingen af, om der er tilstrækkelige data, er det vigtigt at være opmærksom på, at datatilgængeligheden ikke sætter nogen begrænsning på valget af modeltype, men kun på ambitionen om nøjagtighed. Desuden vil en mere kompleks modeltype i nogle situationer kunne give mere nøjagtige resultater, selv om der er et mangelfuldt datagrundlag. Et eksempel herpå er anvendelsen af en dynamiske model i områder uden vandføringsdata (fx Rambøll, 2014). Her var det ikke muligt at kalibrere modeller mod vandføringsdata, men ved at benytte tidsserier af pejlinger, og andre data fx kloriddata, blev modellerne alligevel testet dynamisk, hvilket øgede troværdigheden af den beregnede grundvandsdannelse, som har en afgørende indvirkning på de beregnede indvindings- og grundvandsdannende oplande.

5.1.3 Stationær eller dynamisk model?

Spørgsmålet om hvorvidt, der skal vælges en stationær eller en dynamisk model er vanskeligt at besvare generelt. Såfremt en opgaves formål inkluderer bestemmelse af tidsvarierende vandføringer og trykniveauer, er en dynamisk model selvfølgelig nødvendig, fordi en stationær model ikke kan levere sådanne resultater. Spørgsmålet er, hvorvidt en dynamisk modeller giver mere nøjagtige estimater af forhold, som en stationær model også kan beregne, som fx placeringen af et indvindingsopland. Det findes der meget få undersøgelser om. De tre væsentligste aspekter, som skal vurderes, er:

1. Simulering af indvindingsoplande, når der benyttes samme hydrauliske parameterværdier i stationære hhv. dynamiske modeller. Iversen et al. (2010) gennemgik den internationale litteratur og lavede sammenligninger af partikelbanesimuleringer af tre oplande med stationært hhv. dynamisk trykniveaubilleder. De konkluderede, at afvigelserne i oplandsareal typisk udgør mindre end 10%, men i enkelte tilfælde op til 20%, og at det derfor i de fleste tilfælde er rimeligt at benytte stationære partikelbanemodeller. De store afvigelser opstod ved komplekse geologiske forhold.
2. Bestemmelse af hydrauliske parametre i stationære, hhv. dynamiske modeller . Sonnenborg et al. (2003) opstillede og kalibrerede en dynamisk og flere stationære modeller for Sønderjylland. De benyttede samme konceptualiseringer af geologi, vandløb og dræn (fra DK-modellen) for alle modellerne, så forskellene mellem de stationære modeller var alene, om de var kalibreret mod lave, gennemsnits eller høje vandføringer og trykniveauer. De sammenlignede resultaterne fra de stationære model med den dynamiske model og konkluderede, at i) en stationær model der kun kalibreres mod trykniveauer, men ikke vandføringer, giver markant forskellige resultater med hensyn til grundvandstrømninger; ii) en stationær model kan kun give realistiske resultater, såfremt den anvender gennemsnitlige nedsivningsdata og kalibreres mod gennemsnitlige trykniveauer og vandføringer; og iii) stationære modeller kan ikke benyttes til simulering af minimums- og maksimumsvandføringer.
3. Konceptualisering af geologi, vandløb og dræn . Stationære modeller indeholder ofte simplere konceptualiseringer af dræn og vandløb end dynamiske modeller, fordi der ikke er behov for simuleringer af tidsserier af vandføringer. Det kan medføre betydelige forskelle i kalibrerede parameterværdier, specielt i moræneoplande hvor dræn og små vandløb her ofte er tørlagte i flere måneder om året. Tørlægningen, som sker når det øvre grundvandsspejl falder under niveauet for dræn/vandløbsbund, medfører ikke-lineære effekter i relationen mellem grundvandsspejl og vandløbsafstrømning. Det medfører (forsimplet sagt) et sæt parameterværdier for en ”stationær” vintersituation og et andet sæt parameterværdier for en ”stationær” sommersituation.

Dynamiske modeller er i stand til at udnytte flere af de eksisterende data som fx tidsserier med årstidsvariationer af pejlinger og vandføringer, end stationære modeller er. Det betyder også, at der findes flere data(typer) til model validering. En dynamisk model kan forekomme mere gennemskuelig, fordi den laver direkte beregninger i stedet for kritiske forudsætninger om konceptualisering af tidsvarierende forhold, som kan være vanskelige at vurdere. En stationær model kan eksempelvis ikke, i modsætning til en dynamisk model, tage hensyn til at omfordelinger af nedbør på terrænoverfladen (overfladeafstrømning) kan påvirke grundvandsdannelsen. Det betyder alt i alt, at dynamisk model kan være mere nøjagtig end en stationær model, samt at det er nemmere at dokumentere dens gyldighedsområde ved hjælp at passende valideringstest (se afsnit 5.8). Hvis følgende tre forhold er opfyldt, vil det dog til nogle formål være tilstrækkeligt at anvende en stationær model:

1. Linearitet. Middelsituationen i den dynamiske model skal være den samme som situationen i den stationære model, hvilket vil være tilfældet såfremt det simulerede grundvandssystem er lineært. Hvis systemet derimod indeholder tærskelværdier eller anden ikke-linearitet vil den stationære model give et afvigende resultat (være biased) end middelsituationen i den dynamiske model. Drænrør og vandløb, der løber tørre, er eksempler på forhold, der giver anledning til ikke-linearitet, hvilket betyder, at det er problematisk at anvende stationære modeller i sådanne områder (fx moræneområder der typisk er kunstigt drænede).
2. Prædiktions tidsskala >> system dynamik. Dvs. at tidsskalaen for det modellen skal prædikere skal være så stor, at de dynamiske variationer i systemet midles over hele tidsrummet. Det er fx tilfældet ved beregninger af indvindings- og grundvandsdannende oplande. Et eksempel på den modsatte situation er beregning af markvandingens indflydelse på åernes sommervandføringer eller indvindingsoplande, i områder hvor udprægede år til år variationer i vandindvindingen medfører ikke stationære forhold i såvel trykniveau som vandløbspåvirkning.
3. Stationære forhold i oplandet. Dvs. at væsentlige forhold som fx klimatiske forhold, grundvandsindvinding og arealanvendelse ikke må udvise signifikante ændringer.

En partikelbanemodel til bestemmelse af indvindings/grundvandsdannende oplande kan således som regel godt køres som en stationær model, dvs. baseret på et stationært trykniveaubillede. Det mest kritiske er, hvorvidt den stationære partikelbanemodel er baseret på en underliggende model, der er kalibreret dynamisk. Såfremt modelparametrene er kalibreret med en stationær model, er der betydelig risiko for at de opnåede resultater er behæftet med stor usikkerhed. Som beskrevet i afsnit 5.11 er det vigtigt, at nedsivningen til den stationære model (grundvandsdannelsen) bestemmes ved hjælp af en dynamisk model (fx DK-modellen) og ikke indgår som en parameter i en kalibrering.

5.1.4 Andre forhold

Tabel 6 skal kun opfattes som retningsgivende for hvilke modeltyper, der typisk vil være fordelagtige til de forskellige formål. I konkrete opgaver vil der nogle gange være forhold, der retfærdiggør andre valg. Det kan eksempelvis være mere avancerede modeller med beskrivelse af sprækkestrømning eller densitetsstrømning. Men der kan også være situationer, hvor mere avancerede anvendelser af en simpel model, fx til usikkerhedsanalyser, kan være mere formålstjenlig end en simpel anvendelse af en kompleks model.

Såfremt en opgave har flere formål vil det ofte være muligt at løse noget af opgaven med en relativ simpel model og en anden del med en relativ mere kompleks og dermed mere tidskrævende model. For at sikre den faglige konsistens vil det dog være fordelagtigt at benytte den samme model til alle del-formålene. Anvendelse af kun en model vil som regel være økonomisk fordelagtig. Såfremt en modelopgave eksempelvis har til formål at fastlægge et grundvandsdannende opland og vurdere vandløbspåvirkninger i et moræneområde, vil der være behov for en dynamisk integreret model, som så bør benyttes til begge formål. Hvis der tilmed er en stærk urbaniseringsgrad, kan det være påkrævet at vælge en model der adresserer den særlige urbane kompleksitet fx LAR systemer og anthropogen geologi (se 5.12).

5.1.5 Anbefalinger

• Før modelleringsopgaven påbegyndes bør modellør, vandressourceforvalter og interessenter i fællesskab afklare om der er tilstrækkelig data til det ønskede ambitionsniveau.
• Ved valg af modeltype bør den simplest mulige model vælges, forstået som den modeltype der, for færrest mulige ressourcer med acceptabelt fagligt niveau, kan give svar på de givne spørgsmål. Tabel 6 kan bruges som retningsgivende for hvilke modeltyper, der typisk kræves til forskellige formål. Såfremt der er tvivl om anvendelse af en stationær model er tilstrækkelig for problemstillingerne anbefales det at teste, om de to krav til linearitet og tidsskala kan opfyldes.
• Den samme modeltype bør anvendes til alle delformål i en opgave. Det vil være en fordel både økonomisk og for at sikre en god faglig sammenhæng i opgaveløsningen. Det vil i praksis sige at det formål der kræver den mest omfattende modeltype vil være specifikationssættende for en given opgave.
• I kalibreringsprocessen kan det evt. være nødvendigt at arbejde med en grovere version af modellen (fx 200x200 m i stedet for 100x100 m der anvendes til produktionskørsler), med henblik på at optimere afviklingshastighed i forhold til det nødvendige antal modelkørsler (fx automatisk kalibrering og usikkerhedsanalyser).

5.1.6 Referencer

Iversen CH, Troldborg L, Møller RR, Christensen S (2010) Dynamiske og stationære oplandsberegninger udført med tre semi-syntetiske modeler (Delprojekt 2 om oplande). GEUS

Rambøll (2014) Hydrologisk model for Hindsholm kortlægningsområde. Udarbejdet for Naturstyrelsens grundvandskortlægning.

Sonnenborg TO, Christensen BSB, Nyegaard P, Henriksen HJ, Refsgaard JC (2003) Transient modelling of regional groundwater flow using parameter estimates from steady-state automatic calibration. Journal of Hydrology, 273, 188-204

5.1.7 Baggrundsliteratur

Refsgaard JC, Henriksen HJ (2004) Modelling guidelines – terminology and guiding principles. Advances in Water Resources, 27(1), 71-82.