Modeliranje toka podzemnih voda u krškim vodonosnicima

Groundwater flow modelling in karst aquifers

Krški vodonosnici su izrazito važni vodni resursi u svijetu, kao i u obalnom dijelu Hrvatske. Oni sadrže kompleksnu strukturu koja se sastoji od tri faze: spore porozne matrice, fraktura-pukotina u kojima je pretežno laminarno tečenje i provodnika-kanala u kojima je pretežno turbulentno tečenje. Obično se krški vodonosnici analiziraju s globalnim hidrološkim „black box“ modelima koji zanemaruju njihovu veliku heterogenost i analiziraju samo odnos ulaza (oborine) i izlaza (protoka na izvoru) pretežno zbog nedostatka mjerenja i nepoznavanja arhitekture krškog sustava. Posljednja dva desetljeća sve se više razvijaju puni hidraulički krški modeli, pretežno s konvencionalnom metodom konačnih elemenata uzimajući u obzir prirodnu heterogenost krškog sustava čime se znatno povećava razumijevanje kompleksnih procesa tečenja u kršu. Zbog toga je u ovom projektu glavni cilj razvoj 3-D punog hidrauličkog krškog modela koji će se zasnivati na više-rezolucijskom adaptivnom pristupu originalno razvijenom u Splitu (Gotovac i ostali, 2007-2013) na 1-D i 2-D problemima toka i pronosa u podzemlju. Ovaj pristup je baziran na Fup baznim funkcijama i bezmrežnom modeliranju uzimajući u obzir više-rezolucijski opis heterogenosti i ostalih varijabli tečenja (piezometarske visine i brzine) što je usko vezano za fizikalnu interpretaciju tečenja u krškim sustavima. Nadalje, proširenje metodologije na 3-D simulacije tečenja i opis svih triju krških faza će omogućiti modeliranje tečenja u kršu koje će u usporedbi s konvencionalnim metodama imati slijedeća svojstva: tražena točnost u prostoru i vremenu, modularnu strukturu modela, adaptivnost i računalnu efikasnost, opis svih prostornih i vremenskih skala na kojima djeluje heterogenost u sve tri krške faze, izračun polja brzina koje će omogućiti traser analize čime se znatno može povećati razumijevanje ponašanja krških sustava, rješavanje raznih inženjerskih problema kao što su na primjer zaštita krških izvora ili analiza pronosa zagađenja u kršu. Razvijeni krški model tečenja će se verificirati s obzirom na poznate numeričke primjere u literaturi, laboratorijska mjerenja te realne primjere tečenja na slivovima Jadra i Omble.

Karst aquifers are very important groundwater resources around the world as well as in coastal part of Croatia. They consist of extremely complex structure defining by triple phases: slow porous medium, mostly laminar fractures and usually fast turbulent conduits/karst channels. Usually, karst aquifers have been analyzed by lumped hydrological models which ignore high heterogeneity of karst and consider only input (precipitation) and output (spring discharge) due to lack of extensive other input data and knowledge regarding the karst system. Last two decades full hydraulic (distributive) models have been developed exclusively by conventional finite elements considering karst heterogeneity structure that improves our understanding of complex processes in karst. Therefore, in this project we will develop novel “unique” flow model based on multi-resolution approach originally designed by Gotovac et al. (2007-2013) for 1-D and 2-D groundwater flow and transport simulations. Proposed approach is based on Fup basis functions with compact support and meshless collocation procedure enabling multi-scale representation of heterogeneity and other flow variables, closely related to the karst flow physical interpretation. Moreover, extending existing procedure to 3-D and constructing separate multi-scale solution for all three karst phases, proposed approach will enable the following impacts in comparison to conventional methods: desired spatial and temporal accuracy and high computational efficiency, modular model structure, incorporation of different heterogeneity scales related to existing measurements, enabling of transport and tracer test analysis and better understanding of karst aquifers due to solving of different engineering problems such as water usage and protection or contaminant pollution. Flow model will be verified by laboratory experiments and numerical synthetic benchmarks as well as real examples such as Jadro catchment and Ombla underground accumulation.

karst aquifers, groundwater flow modeling, multiresolution and multiscale approach, karst heterogeneity, distributive karst models