Markvann med fuzzy logikk smakebiter fra Gardermoen-prosjektet

Transkript

1 Markvann med fuzzy logikk smakebiter fra Gardermoen-prosjektet Nils-Otto Kitterød, Universitetet i Oslo, Institutt for geofysikk Et 9 årig forskningsprosjekt - Gardermoen-prosjektet 1 har nylig blitt avsluttet. Hydrologisk månedsoversikt ville gjerne ha en kort oppsummering av resultatene fra dette prosjektet. I og for seg en takknemlig oppgave fordi vi allerede har skrevet en rapport hvor de viktigste sidene ved dette prosjektet blir presentert i en populærvitenskapelig form. Rapporten som vi har kalt Spredning av forurensning i grunnen, kan lastes ned fra nettstedet til Institutt for geologi 2. Leserne av Hydrologisk månedsoversikt vil kanskje innvende at det er lite håndfaste resultat som beskrives i det følgende. Da er det viktig å være klar over at grunnforskning først og fremst produserer idéer. Gardermoen-prosjektet har imidlertid vært nær knyttet til praktiske problemer. Derfor har enkelte av idéene også blitt realisert i praktiske metoder. I den komprimerte oppsummering som blir gitt her, kan ikke alle forskningsresultatene presenteres. Jeg har gjort et fritt utvalg ut fra mitt ståsted. Dersom resultatene slik de er presentert her, har en liten slagside i retning av hydrologi og strømning i umettet sone, så har det sin naturlige forklaring. Her i Hydrologisk månedsoversikt kan det kanskje være på sin plass å nevne at NVE og særlig Hydrologisk avdeling, har spilt en sentral rolle i Gardermoen-prosjektet. Spesielt i startfasen. Ikke alle vet at Gardermoen-prosjektet egentlig startet på Haslemoen. Lars Gottschalk på Universitetet i Oslo og nå avdøde Jens-Olav Englund, på Landbrukshøgskolen, ble enige om å forene krefter om et stort prosjekt. I første omgang skjedde dette på Haslemoen. Samarbeidet ble for alvor startet opp på et nordisk grunnvannsseminar på Randsvangen, på Ringerike i Forøvrig et seminar arrangert i regi av Hydrologisk avdeling med Øystein Aars i spissen. Allerede den gang, lenge før flyplassen på Gardermoen ble et aktuelt politisk tema, forstod man at det ville bli stort behov for hydrogeologisk kompetanse i Norge. Denne antagelsen har vist seg å holde stikk. Gjennom Gardermoenprosjektet har omlag tretti hovedfagskandidater blitt uteksaminert. Ti doktorgrader er forsvart, og fem til er i emning. De aller fleste av disse kandidatene har til nå ikke hatt store problemer med å skaffe seg jobb. Etter alt å dømme vil behovet for nye kandidater bare øke i tiden som kommer. Før vi tar for oss noen harde forskningsresultater, er det viktig å understreke det tverrvitenskapelige aspektet ved Gardermoen-prosjektet. En av de aller største utfordringene har vært å få flere ulike fagtradisjoner til å samvirke. Første fase gikk mye ut på å lytte til hverandre, men etter hvert har vi også lykkes med å gå dypt inn i hverandres spesialområder. Dette har ikke alltid bare vært moro, men til gjengjeld svært nyttig. Særlig når resultatene skal kommuniseres inn i en hverdag hvor våre problemer ikke bare har akademisk interesse, men hvor man er tvunget til å finne praktiske løsninger. Gardermoen prosjektet som i mesteparten av tiden har blitt ledet av professor Per Aagaard, kan deles inn i tre hovedsektorer, nemlig den mikrobiologiske, den geologiske og den hydrologiske forskningen. Disse tre fagsektorene har blitt ledet av Lars Bakken, Per Aagaard og Lars Gottschalk, professorer ved henholdsvis Institutt for jord og vannfag, Norges 1 I denne artikkelen er Gardermoen-prosjektet en samlebetegnelse for to grunnforskningsprosjekt, Fane-prosjekt Gardermoen ( ) og det strategiske Universitetsprosjektet Spredning av forurensning i grunnen. 2

2 Landbrukshøgskole, Institutt for geologi og Institutt for geofysikk begge ved Universitetet i Oslo. Fra begynnelsen av var det som nevnt, meningen at forskningen skulle være tverrvitenskapelig. Derfor har også temaene etter hvert også overlappet hverandre i stor grad. I tillegg til disse tre hovedsektorene har det deltatt forskere som dekker temaer som paleontologi, limnologi, fysikk og kjemi. De fleste av disse fra Universitetet i Oslo. Viktige bidrag har også kommet fra Norges Teknisk Naturvitenskapelige Universitet i Trondheim, spesielt innen anvendt geofysikk, geoteknikk og geokjemi. Jordprofilet et effektivt biologisk renseverk Forsøk i felt og i laboratorium har gjentatte ganger dokumentert jordas formidable evne til å nedbryte forurensning. Dette gjelder også de spesielle kjemikaliene som er særlig aktuelle på Gardermoen, nemlig flydrivstoff og avisningskjemikalier som glykol, urea, acetat og formiat. Undergrunnen byr på en enorm mengde mikroorganismer. I toppsjiktet kan et gram jord innholde mer enn antall bakterier. Diversiteten er også imponerende. Man regner med at det kan eksistere 4000 ulike arter bare i et gram jord. En viktig oppdagelse har også vært hvor mye raskere avisningskjemikalier nedbrytes i jorda etter andre gangs forurensning (fig. 1). Årsaken er at mikroorganismer som lever på slik næring, våkner opp og er klare til å spise mer når neste porsjon er på vei. Mye av den mikrobiologiske forskningen som er gjennomført i Gardermoen-prosjektet, ligger til grunn for OSLs implementering av jordrenseanlegg. Figur 1. Forurensningen nedbrytes raskere i jord som er forurenset tidligere! Figuren viser målt (punkter) og simulert (kurve) restmengder av acetat ved to gjentatte tilførsler (temperatur 20 C). Tilførsel av fosfor (0.25 og > 1 mm) ga en viss økning i nedbrytningen av første dose. (Bakken m. fl., 2001) Det er fristende å trekke fram et lite mikrobiologisk kuriosum. Bakken og hans medarbeidere oppdaget metanreduserende bakterier i dypere jordlag enn man skulle forvente. I følge Bakken sitter disse bakteriene på overflaten av mineralpartikler og konsumerer den lille mengden metan som frigjøres når mineralene forvitrer. Disse bakteriene vekker interesse, ikke bare fordi de lever på så tynn diett, men også fordi de i likhet med andre ammoniakkoksiderende bakterier er i stand til å nedbryte en rekke naturfremmede toksiske stoffer. Med andre ord meget velkomne individer under bakken på en flyplass hvor litt av hvert kan hende. Langsom rensning i grunnvannet Det har også blitt gjort forsøk med nedbrytning av flydrivstoff i grunnvannet. Der er tilgangen på oksygen mye mindre enn i umettet sone. Etter at oksygenet er brukt opp vil 2

3 mikroorganismene benytte nitrat i nedbrytningsreaksjonene, deretter sulfat, metan og jern. I jernrike masser slik vi finner i avsetningen på Gardermoen, er jernreduksjon den viktigste reaksjonen etter at oksygenet er brukt opp. Forsøk som er gjort på toluen den viktigste bestanddelen av flydrivstoff, viser at med relativ konsentrasjon på 80% vil jernreduksjon ta omlag 15 ganger så lang tid sammenlignet med reduksjon under aerobe forhold. Det er derfor et viktig poeng at forurensning i så stor grad som mulig, nedbrytes i umettet sone hvor tilgangen på oksygen er god. Geologiske forutsetninger Forutsetningen for å forstå hydrologiske og biokjemiske prosesser på Gardermoen ligger i geologien. Det er kanskje også årsaken til at forskningen som har blitt gjort på Institutt for geologi dekker hele spekteret fra sedimentologi, paleontologi, biokjemi samt strømning både i mettet og umettet sone. Her tillater jeg meg å rette oppmerksomheten mot to temaer, nemlig det sedimentologiske forskningen som Kevin Tuttle har stått i spissen for, og de paleontologiske studiene til Bjørg Stabell og hennes studenter. Sedimentologiske simuleringer Et av de aller viktigste resultatene i dette prosjektet har vært den hydrodynamiske simuleringen av Gardermoen avsetningen. Sammen med nitidige studier av løsmassene på Gardermoen, har disse simuleringene gitt oss en forståelse av hvorfor løsmassene ligger slik de gjør, og hvorfor de har de strømnings egenskapene vi observerer. De syntetiske kornfordelingsfraksjonene som den numeriske modellen gir, overensstemmer også meget bra med observasjoner. Betydningen av denne kunnskapen kan ikke overvurderes når oppholdstider i mettet og umettet sone skal beregnes. Ravinerings problematikken er et annet eksempel på anvendelse av denne kunnskapen. Sør og vest for flyplassen ligger som kjent aktive raviner. Dette landskapet har blitt vernet fordi det anses som svært interessant i naturgeografisk sammenheng. Ravinene utgjør dermed en av de mange rammebetingelsene OSL må ta hensyn til, i den daglige drift av flyplassen. En liten morsom kuriositet når det gjelder geologien kan også nevnes. Da Tuttle kartla bergrunnstopografien oppdaget han en interessant sammenheng mellom dyp til berggrunn og beliggenheten av grytehullssjøene. Da innlandsisen begynte å smelte, løsnet fra tid til annen deler av brefronten på samme måte som dagens isbreer kalver. Noen av disse isfjellene fløt rundt i Romerriksfjorden mens andre grunnstøttet og ble liggende i forsenkninger i berggrunnen. Etter hvert ble isfjellene begravd av løsmasser som kom strømmende i store mengder. Tilslutt smeltet også dødisen og resultatet ble større eller mindre groper i løsmassene. I dag er disse dødisgropene blitt et annet viktig og verneverdig landskapselement, nemlig grytehullssjøene på Gardermoen. Klimasignaler i grytehullssjøene Disse grytehullssjøene viser seg å gjemme en spennende historie som professor Bjørg Stabell og hennes medarbeidere har studert i detalj. I bunnsedimentene er det nemlig lagret en type mikroorganismer diatoméer, som er glimrende miljøindikatorer. Ved å kartlegge endringer i populasjonssammensetningen kan man rekapitulere klimaendringene i store deler av grytehullssjøenes historie. Den kjemiske sammensetningen i grytehullssjøene blir bestemt av kommunikasjon med grunnvannet. Kommunikasjon med grunnvannet henger igjen sammen med grunnvannsnivået. Hypotesen er at ved høye grunnvannstander strømmer vann inn i grytehullssjøene. Denne kommunikasjonen må skje i overkant av det tette bunnlaget. På lave grunnvannstander hindrer bunnlaget kontakt med grunnvannet. Stabell og hennes medarbeidere har påvist fantastisk god samvariasjon med kjente klimaendringer. Foreløpig er grunnvannstanden rekonstruert i kvalitative trekk tilbake til Atlantisk tid (ca år siden, se 3

4 fig. 2). En spennende idé som gjenstår å realisere, er å bruke disse tidsseriene sammen med en kalibrert grunnvannsmodell for å estimere endringer i effektiv infiltrasjon. Svenskestutjern Bonntjern Water level Chronozones Climate 2000 BARREN - RARE FRAGMENTS FRAGMENTS SUB- ATLANTIC COOL/ HUMID YEARS BP 4000 FRAGMENTS SUB- BOREAL WARM/ DRY 6000 ATLANTIC WARM/ HUMID Figur 2. Relativ utbredelse av planktoniske diatoméer i Svenskestutjern og Bonntjern. Vann-nivåendringene er angitt som: 1= lav vannstand, 2 = middels vannstand og 3 = høy vannstand. (Tuttle m. fl., 2001) Skala problematikk Mye av dagens internasjonale forskning innen hydrologi kan oppsummeres i stikkordet skala. Det samme gjelder vår forskningen i Gardermoen-prosjektet. Fordi målsetningen har vært å forstå de hydrologiske prosessene så godt at vi kan lage prognoser som forutsier hva som kan skje i framtiden, må vi vite hvordan prosessene skal beskrives med ulik oppløsningsskala. Uansett med hvilken oppløsning prosessene beskrives (eller på hvilken skala som man ofte sier på fagsjargong), observerer vi en forbløffende stor variasjon. Ofte nøyer man seg med å anslå hva som er mest sannsynlig, men i mange situasjoner er variasjonen mer opplysende. Et eksempel er infiltrasjonshastigheter under snøsmeltningen på Gardermoen. Disse kan være meget intense dels fordi terrenget er modifisert, men også fordi avsetningen oppviser så store variasjoner i hydrauliske egenskaper. I den hydrologiske forskningen har vi forsøkt å integrere sunne matematiske prinsipper i beskrivelsen av prosessene med oppdaterte begrepsmessige geologiske modeller. Observasjoner fra sporstoff-forsøk og kvalitative erfaringer fra forurensingsuhell på flyplassen, brukes for å teste hypotesene. Problemet er igjen knyttet til skala. På liten skala, enten i laboratorium eller i liten feltmålestokk, kan vi gjøre kontrollerte eksperiment. På stor skala derimot som favner større sedimentologisk variasjon og mer ekstreme hendelser, er vi prisgitt mer kvalitative erfaringer. Nettopp dette samspillet av informasjon på ulik skala, har vært meget givende i Gardermoen-prosjektet. Her i denne sammenhengen vil jeg trekke fram tre arbeider som på hver sin måte gjenspeiler skalaproblematikken, nemlig invasjonperkolasjons fysikk ( invasion percolation på engelsk) på poreskala; foretrukne strømningsveier ( preferential flow på engelsk) på feltskala; og fuzzy-logikk modellering som i denne sammenhengen er anvendt på regional skala. 4

5 Poreskala Eirik Grude Flekkøy og hans medarbeidere har arbeidet med strømningsfenomener på liten skala. Man har lenge visst at dersom et lavpermeabelt lag ligger over et høypermeabelt lag vil instabil strøm oppstå. Resultatet er fingring slik det er vist i fig. 3. Årsaken til slike fingre er samspillet mellom overflatespenning mellom sedimentkornene og vannet, viskøse krefter i vannet samt tyngdekraften. På grunn av hystereseeffekten vil alltid disse fingrene være fuktigere i tuppen. Flekkøy har spesielt studert hvilke effekter endringer i vannfilmen som omslutter sedimentkornene, har for strømningshastighetene. En idé som andre har utviklet videre, er å bruke matematiske modeller for slike mikroskala modeller for å beregne syntetiske relasjoner mellom vannmetning og tensjon, så kalte pf-kurver. På den måten kan man knytte sammen modeller på mikro skala med fysiske baserte modeller på større skala. Figur 3. Et gjennomsiktig eksperiment: Her er sanden erstattet av et enkelt lag med glasskuler, som er en millimeter i diameter. De er limt på plass av to lag med kontaktpapir. Området som er vist måler ca. 20 ganger 60 cm. Øverst er kulene mindre, og dermed renner vannet langsomt på toppen, akkurat som der det ligger jord på toppen av et grovere sandlag. Vannet som helles på toppen er farget med svart blekk for å være synlig. Eksperimentet er utført av Finn Løvholt og Unni Oxål. (Kitterød m. fl., 2001) Foretrukne strømningsveier Tidlig i prosjektet registrerte vi ved hjelp av georadar meget klare reflektorer i skrålagene slik det er vist i fig. 4. Seinere fant vi ut at årsaken til disse reflektorene var relativt tynne lag med høyt innhold av silt. Fordi silt har stor evne til å holde på vannet sammenlignet med sanden rundt, gir kontrastene i vanninnholdet gode refleksjoner. Spørsmålet vi stilte oss var: Hvilken betydning har disse tette lagene for strømning i umettet sone på Gardermoen. Ved å kalibrere en strømningsmodell kan vi gjøre enkle syntetiske eksperiment. Slike kalibreringer er ikke helt trivielle først og fremst fordi observasjonene som vi hadde, ikke var særlig sensitive til endringer i strømningsparametrene. Også her spiller heterogeniteten og usikkerheten en stor rolle. Ved inversmodellering har vi likevel utarbeidet en modell som gjenskaper hovedtrekkene i våre observasjoner. Dermed kan vi konstruere modeller som tilsvarer ulike sedimentære forhold. Resultatet av simuleringene viser at strømningshastighetene er høyest i det tilfelle hvor det er barriærelag i skrålagene. Tilsynelatende et oppsiktsvekkende resultat, men forklaringen ligger i den sterke ikke-lineære relasjonen mellom hydraulisk ledningsevne og fuktighetsgrad i sedimentet. Fordi en relativt begrenset del av den grove sanden over det tette siltlaget blir fuktet opp, blir gjennombruddstiden fra overflaten ned til grunnvannet systematisk kortere dersom det er tette lag i skrålagene. Oppholdstiden i det grove laget øker 5

6 dersom det kun er horisontale grove lag tilstede. Med relativt beskjeden økning i fuktighet kan hydraulisk ledningsevne øke svært dramatisk. Slike foretrukne strømningsveier kan redusere den mikrobiologiske renseeffekten i jordrenseanleggene rundt flyplassen. Alle tiltak som kan øke den hydrauliske homogeniteten i jorda og dermed forhindre instabil strøm på poreskala og foretrukne strømningsveier på feltskala, vil øke den naturlige jordrensningen. 0 0 dyp [m] vest-øst [m] Figur 3. Georadarprofil fra forskningsstasjonen Moreppen som ligger rett vest for flyplassen. Grenseflatene er refleksjoner av elektromagnetiske bølger som er registrert i to veis gangtid (tvgt) i nanosekunder [ns] slik det er vist på høyre akse. Etterpå er signalene konvertert til dyp slik det er vist på venstre akse. Utfordringen er å utnytte denne informasjonen når vannets strømningshastigheter skal beregnes. (Kitterød m. fl., 2001) tvgt [ns] Regional skala Kanskje den aller mest anvendelige nyvinningen i Gardermoen-prosjektet er implementert fuzzy-logikk (Wong m.fl., 2001). Med slik modellering kan resultatene fra feltforsøk og numeriske simuleringer ekstrapoleres til regional skala, f.eks. i form av risikokart. Idéen er basert på det faktum vi i svært mange hverdagslige situasjoner må foreta kompliserte reaksjonsmønstre basert på uklare forestillinger og upresise observasjoner. Nettopp det uklare og upresise er det som ligger i begrepet fuzzy. Nøkkelen til suksess ligger i riktige og raske tilbakekoblingsmekanismer. På Gardermoen har vi (heldigvis!) ikke mange virkelige forurensningsuhell å kalibrere en fuzzy-modell opp etter. Foreløpig må vi nøye oss med å la fuzzy-modellen lære seg riktig oppførsel ut fra syntetiske data. I vårt prosjekt har vi benyttet enkle strømningsberegninger som opplæringsgrunnlag. Prinsippet blir imidlertid det samme enten oppæringsdataene stammer fra virkeligheten eller numeriske simuleringer. I neste omgang kan resultatene fra fuzzy beregningene oppdateres på annen type tilleggsinformasjon. Referanser 3 Bakken, L., Frostegård, Å., Gomes, N. C., Mørkved, P. T., Søvik, A. K., og Swensen, B., 2001, Jordprofilet - et effektivt biologisk renseverk, s Kitterød, N.-O., Alfnes, E., Flekkøy, E. G., Wong, W. K., French, H. og Langsholt, E., 2001, Vannets uransakelige vei i undergrunnen, s Tuttle, K., Stabell, B., Hongve, D., og Aagaard, P., 2001, Klimaendringer - nøkkelen til å forstå Gardermoenavsetningen og miljøet i grytehullsjøene, s 3 14 Wong, W. K., Kitterød, N.-O. og Gottschalk, L. 2001, Usikkerheten vi må leve med, s Alle artiklene er hentet fra Kitterød, N.-O. (red.) Spredning av forurensning i grunnen, ISSN , Universitetet i Oslo, Inst for geologi. Publikasjonen kan lastes ned fra : 6