Reliability of travel times to groundwater abstraction wells: Application of the Netherlands Groundwater Model - LGM

Abstract

Dit rapport beschrijft de ontwikkeling en een pilot-toepassing van een modelleringsmethode ten behoeve van de bepaling van betrouwbaarheid van verblijftijden van grondwater dat naar grondwateronttrekkingen stroomt. De methode, die van de eindige-elemententechniek gebruik maakt, is opgenomen in het rekenmodule LGMLUC, een aanvullende module van het Landelijk Grondwatermodel LGM, van het RIVM. De betrouwbaarheid wordt voorgesteld als een band (zone) rondom de verwachtingswaarde van een verblijftijd-isochrone, bijvoorbeeld 25 jaar. De breedte van deze band voor een zekere waarschijnlijkheid van voorkomen (bijvoorbeeld tussen de 97,5 en 2,5 percentielwaarden) neemt toe met een toenemende onzekerheid van modelinvoer parameters. Gebruik is gemaakt van de First-Order Second-Moment (FOSM) methode voor de analyse van de voortplanting van fouten. De resultaten van de FOSM methode zijn vergeleken met die van de Monte Carlo aanpak voor een LGM-model en als een onafhankelijke test een TRIWACO-model. Uit deze vergelijking is geconcludeerd dat de FOSM-methode adekwaat en rekentechnisch effectief is voor het analyseren van de betrouwbaarheid van verblijftijden. Aangenomen is dat de kansdichtheidsverdeling van verblijftijden lognormaal verdeeld is. De methode houdt rekening met de onzekerheid in een aantal modelinvoer parameters, zijnde de factoren die de onzekerheid in verblijftijden tot gevolg hebben. De onzekerheid van de parameters is bepaald door middel van calibratie (invers model) en expert-judgement. De toepasbaarheid van de ontwikkelde methode is aan de hand van een pilot-studie getoond, gebruikmakend van het binnen het LGM bestaande deelmodel Utrecht. De methode kan bij verschillende dichtheid van eindige-elementengrid worden gebruikt, zowel voor problemen op lokale schaal (hoge griddichtheid) als op regionale schaal. De informatie over de betrouwbaarheid van verblijftijden kan worden benut voor beleidsmatige beslissingen, zoals bij onderzoek naar risico's binnen de bestaande grondwaterbeschermingsgebieden.

A modelling approach was developed, incorporated in the finite-element method based program LGMLUC, making it possible to determine the reliability of travel times of groundwater flowing to groundwater abstraction sites. The reliability is seen here as a band (zone) around the expected travel-time isochrone, with the width of this probability occurrence zone (e.g. between 97.5 and 2.5 percentile values) increasing with increasing uncertainty in the model-input parameters. The modelling approach is based on the First-Order Second-Moment (FOSM) method for uncertainty propagation analysis. The FOSM results have been compared with a Monte Carlo analysis for an LGM model and another, LGM-independent model. From the match between FOSM and Monte Carlo results it was concluded that the FOSM approach is an adequate and computationally effective method to analyse the uncertainty of travel times. The travel time was assumed to be log-normally distributed. The uncertainty in several model-input parameters was accounted for as a factor influencing the reliability of travel times. These are aquifer transmissivity, hydraulic resistance of aquitards, drainage and infiltration resistance defining the head-flux relation between the top aquifer and surface waters, effective porosity of aquifers and aquitards, and groundwater recharge rate. All these model-input parameters are assumed to be log-normally distributed. The uncertainty in these parame-ters was derived using inverse-method calibration and expert judgement. The applicability of the modelling approach was demonstrated for a pilot study area in the central part of the Netherlands. The approach can be used for problems with various spatial resolutions of the finite-element grid, problems ranging from local (high grid density) to regional. The information on the travel-time reliability can be used for policy-related decision-making, such as the examination of risks within the existing groundwater protection zones.