Kurzbeschreibung
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Grundwasserwerke in der Nähe von Industriegebieten oder anderen potentiellen Verschmutzungsquellen sowie in der Nähe von Flüssen müssen ihr Förderregime der zeitlich variablen hydrologischen Situation anpassen, wenn sie nicht Gefahr laufen wollen, unerwünschtes, verschmutztes Wasser anzuziehen. Die Grundwasserströmung bei beliebiger Fördersituation kann durch ein Grundwassermodell berechnet werden. Daran kann die Steuerung des Brunnenbetriebs in Echtzeit gekoppelt werden, so dass eine optimale Trinkwasserqualität gesichert werden kann.
Dieses Projekt wird ebenfalls von der KTI mit einem Betrag von 356'000.- CHF unterstützt (KTI Nr. 7608).
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Beschreibung der Resultate
(Deutsch)
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Die Erwartungen wurden erfüllt. Realisiert wurde ein 3D-Echtzeitmodell für Strömung und Wärmetransport. Der Transport von gelösten Substanzen wird im 3D-Modell über Bahnlinien beschrieben. Eine 3D-Modellierung des Stofftransports in Echtzeit konnte nicht realisiert werden.
Die ursprüngliche Zielsetzung für die Steuerung des Brunnenfeldes wurde wesentlich erweitert. Zusätzlich zur Erarbeitung der geplanten Grundlagen für die Steuerung wurde ein Echtzeit-Steuermodul entwickelt, das in der Betriebszentrale der Wasserversorgung Zürich täglich optimale Betriebsparameter berechnet.
Das Echtzeitmodell für die Strömung und das Steuerungsmodul sind bei der Wasserversorgung Zürich in Betrieb. Die Applikation für den Wärmetransport wird im ersten Quartal 2009 aufgeschaltet.
Abgesehen von einer zeitlichen Verzögerung des Projektabschlusses wurden die geplanten Meilensteine eingehalten.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Ein 3D Grundwasserströmungsmodell für den Limmattal Grundwasserstrom auf dem Gebiet der Stadt Zürich und das Grundwasserwerk Hardhof wurde entwickelt. Das Modell ist im Südosten durch die Sihl im Osten und Norden durch die Limmat, im Westen durch die Stadtgrenze Zürich-Schlieren und im Süden durch den Zuflussrand vom Uetliberg her begrenzt. Für dieses Strömungsmodell stehen Daten seit 1992 zur Verfügung. Die Wasserpegel in Limmat und Sihl wurden mit der hydraulischen Software FLORIS simuliert. Die Grundwasserneubildung und die Randzuflüsse wurden für die Periode 1992-2008 aus meteorologischen Daten und einem Wasserbilanzmodell für die Bodenzone berechnet. Die hydraulischen Leitfähigkeiten wurden mit den Messungen aus Pumpversuchen bestimmt und mit Hilfe von Kriging und Upscaling interpoliert. Das Grundwassermodell benötigt zusätzlich die täglichen Pump- und Versickerungsraten im Gebiet Hardhof. Mit Hilfe von inverser Modellierung wurde das 3D Grundwassermodell für vier Monate (Mai-Juni 2004 und Juli-August 2005) kalibriert. Die mittlere Abweichung im Modellgebiet beträgt 0.25m. Kalibriert wurden die räumlich variable hydraulische Leitfähigkeit und die Leakagekoeffizienten. Das kalibrierte 3D-Strömungsmodell wurde mit Hilfe umfangreicher Daten der WVZ (1992-2008) verifiziert. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Leakagekoeffizient nicht konstant, sondern zeitabhängig ist. Der Leakagekoeffizient wird nach Hochwasser (Mai 1999, August 2005) größer und erhöht die Infiltration vom Fluss ins Grundwasser. Auch die Temperaturabhängigkeit der Leakagekoeffizienten ist von Bedeutung für die Simulation der Grundwasserströmung. Es wurden 3D Modelle für Stofftransport und Wärmetransport entwickelt. Die Simulation des Wärmetransports im Hardhofgebiet ergab Temperaturabweichungen von den gemessenen Werten von kleiner 2 Grad. Die notwendigen Inputdaten für die Wärmetransportberechnungen sind die Limmat- und Sihltemperaturen, die Temperatur des Anreicherungswassers und die Bodentemperatur. Der Stofftransport wird kleinräumlich schlechter abgebildet als die Grundwasserströmung und der Wärmetransport. Daher wurde für den Stofftransport eine Lösung mit Hilfe des Konzepts der Bahnlinien realisiert.
Ein umfangreiches Literaturstudium hat ergeben, dass die Methode “Ensemble Kalman Filtering (EnKF)“ für die Echtzeitmodellierung von Strömung und Transport im Hardhof am besten geeignet ist. Zur Implementierung des Ensemble Kalman Filtering ist eine C-Software entwickelt worden. Die Algorithmen wurden ausgiebig an einem synthetischen Modell (Brunnenfeld an einem Fluss) mit einer 2D gesättigten Grundwasserströmung getestet. Die Strömung wurde in diesem synthetischen Fall über eine Zeitspanne von zwei Jahren simuliert. Falls in diesem synthetischen Modell nur die Neubildung unsicher war, ergab EnKF auch mit nur wenigen stochastischen Realisierungen befriedigende Resultate. Falls die Neubildung deterministisch war, aber die Transmissivität unsicher (und sehr stark räumlich variabel, wie das auch im Hardhofgebiet der Fall ist), waren die Resultate ebenfalls gut, wenn viele stochastische Realisierungen (bis 500) durchgerechnet wurden. Dabei konnten gleichzeitig das hydraulische Potential in Echtzeit erfolgreich simuliert und die Transmissivitäten kalibriert werden. Falls Neubildung und Transmissivität unsicher waren, gab es ebenfalls gute Resultate, wenn viele stochastische Realisierungen (bis 500) durchgerechnet wurden. EnKF wurde für diesen Testfall und Vorhersagen von Grundwasserströmung und Stofftransport in einer neuen Periode auch verglichen mit sequential self-calibration (SSC), einer Methode für stochastische inverse Modellierung. EnKF schnitt dabei gut ab im Vergleich zu SSC, mit ähnlich guten Resultaten, aber einem Faktor 80 Reduktion der CPU Zeit. Damit hat sich gezeigt dass EnKF auch grosses Potential hat als Methode für die inverse Modellierung von Grundwasserströmungen. Falls weniger Realisierungen durchgerechnet werden, sind die Resultate weniger gut: die Varianz über die Zeit wird zunehmend unterschätzt, was in der Literatur auch „filter inbreeding“ genannt wird. Das „filter inbreeding“ wurde genau untersucht. Neben der Zahl der Realisierungen hat auch die Transmissivitätskalibrierung einen Einfluss. Die Experimente mit dem synthetischen Modell haben eine verbesserte Methode zur Reduzierung des Filter Inbreeding Problems ergeben.
Es wurde auch eine Schnittstelle zwischen dem Echtzeitprogramm und SPRING entwickelt. Es konnte für einen 4 jährigen Modellauf (Januar 2004- Dezember 2007), gezeigt werden, dass die 1 Tagesvorhersagen der Piezometerhöhen mit EnKF genauer sind (mittlerer Fehler 15 cm) als im deterministisch kalibrierten Modell (mittlerer Fehler 25 cm). Auch 10-Tagesvorhersagen gestützt auf EnKF ergeben immer noch bessere Resultate als Vorhersagen mit dem deterministischen Modell. Dutzende von Testläufen mit EnKF wurden durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass es sinnvoll ist, neben den Piezometerhöhen auch die Leakagekoeffizienten in Echtzeit zu aktualisieren.
Steuerungsmodul:
Die automatische Steuerung ist als mehrstufiges Programm Modul in der Lage, im off-line und on-line Betrieb eingesetzt zu werden und liefert der Steuerzentrale sowohl optimale Vorschläge für die künstliche Anreicherung in Becken und Schluckbrunnen, als auch optimale Pumpmengen, sofern der Pumpbetrieb nicht fest vorgegeben wird. Differenzen piezometrischer Höhen im Schutzzonengebiet (hydraulische Barriere) oder die numerische Simulation von Bahnlinien virtueller Teilchen, die sich im Geschwindigkeitsfeld der Grundwasserströmung bewegen (Methode des particle tracking), dienen als Qualitätskriterien, die durch adaptive Anreicherung in einen optimalen Sollzustand überführt werden können.
Applikationen bei der Wasserversorgung Zürich:
Echtzeitmodell und Steuerungsmodul werden momentan schon operationell verwendet. Sie sind über ein benutzerfreundliches Interface mit dem Datenarchiv der online Messdaten verknüpft. Es wurden Module entwickelt, welche neben Messdaten auch alle anderen zeitabhängigen Modellinputs in Echtzeit bereitstellen. Vorprogrammierte Auswertungen und Visualisierungen in Form von horizontalen und vertikalen Schnitten durch den Grundwasserleiter stehen allen Intranet Usern zur Verfügung. Sie erlauben einen raschen Überblick über die aktuelle Situation im Grundwasserwerk Hardhof.
Die Auswirkungen von Chemieunfällen im Zuströmbereich zum Grundwasserwerk können mittels Bahnlinien in einem dreidimensionalen offline Modell ermittelt werden. Diese erlauben die Bestimmung der Strömungsrichtung der Schadstofffahne und der Zeitdauer bis zum Eintreffen in den Brunnen.
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