Modelleerimine

1. Ala ja võrk

Mudel katab Lääne- ja Ida-Viru maakondi hõlmates Pandivere kõrgustikku kui regionaalset põhjavee toiteala ning väljavoolusid Soome lahe ja Peipsi järvede suundades. Mudeliala kaetakse 100-200 meetrise võrguga ning mudel sisaldab eraldi kihtidena kõiki piirkonnas levivaid põhjaveekogumeid ning nende vahelisi veepidemeid.

2. Kalibreerimine seireandmetega

Mudeli kalibreerimisel ehk kihtide filtratsiooniomaduste määramisel lähtutakse põhjavee „tänasest seisust“ ehk Keskkonnaagentuuri hallatavatest põhjavee tasemete ja jõgede vooluhulkade seireandmetest ning vee erikasutuslubasid omavate veehaarete tegelikest pumpamismahtudest. Samuti võetakse arvesse piirkonnas asuvate kaevanduste ja karjääride praeguseid mõõtmeid.

3. Regionaalse mudeli seos lokaalsete alammudelitega

Regionaalse hüdrogeoloogilise mudeliga arvutatud veekihtide survetasemed ja vooluhulgad on sisendiks projektis kavandatud virtuaalsete fosforiidi ja põlevkivi kaevanduste hüdrogeoloogilistele mudelitele. Tihedama võrguga lokaalsete mudelite eesmärk on detailselt modelleerida vee liikumist kaevanduste vahetus läheduses erinevate stsenaariumite korral ning seeläbi tuvastada erinevate tegurite rolli veerežiimi kujunemisel, mis omakorda on aluseks leevendusmeetmete kavandamiseks. Projekti käigus pöördutakse lokaalsete mudelite koostamisel tagasi regionaalse mudeli juurde ja täiendatakse seda vastavalt vajadustele. Luuakse eeldused edaspidiseks võimaluseks detailsemalt teha juurde lokaalseid mudeleid praeguste ja tulevaste kaevanduste ning mäeeraldiste kohta.

4. Võimalikud tarkvaralahendused

Modelleerimistarkvara lõplikku valikut ei ole veel tehtud. Lõplike elementide (finite element) triangulatsioonil põhinev võrgustik võimaldab nii alguses kui ka hiljem kergemini mudelit lokaalselt tihendada ja vastavalt vajadusele detailsemaks muuta. Samas on selliste programmide hulk väiksem ning hind ei pruugi olla vastuvõetav mudeli hilisematele haldajatele ja kasutajatele. Suurem osa põhjavee mudeleid on Eestis koostatud programmidega, mis kasutavad Modflow tuuma (ortogonaalne võrk, lõplike vahede meetod / finite difference). Modflow-l põhineva tarkvara eelisteks on, et (i) USA geoloogiateenistus jätkuvalt arendab tarkvara, (ii) saadaval on mitmeid lisaprogramme, ning (iii) on olemas vabavaralisi programme andmete eel- ja järeltöötluseks (FreeWAT, ModelMuse), mis (iv) omakorda võimaldavad kerget andmete kandmist GIS programmidesse.

5. Mudelite areng maailmas

Hetkel on  TÜ kaasatud Horizon 2020 projekti, mille raames töötatakse välja vabavaraline GIS süsteemidega seotud põhjavee modelleerimise keskkond Freewat (http://www.freewat.eu). Freewat baseerub USGS poolt toodetud Modflow tuumal. Välja töötatava keskkonna eelis on, et kõik modelleerimiseks vajalikud eel- ja järeltoimingud toimuvad juba GIS (QGIS) keskkonnas, mistõttu on ka näiteks tulemuste eksport oluliselt lihtsam. Sellisel juhul ei ole mudeli tulemuseks enam vaid aruanne ja pildifailid, vaid tulemusi on võimalik siduda juba olemasolevate muude geoinfosüsteemidega. Kuna Freewat programm valmib alles 2017. aasta lõpuks, siis alustatakse käesoleva programmi raames tegevusi ModelMuse programmiga, mis on arendatud USGS poolt ning on vabavaraline. ModelMuse programm kasutab andmete eeltöötluseks ja tulemuste väljastamiseks ArcGIS shape-faile, mis on samuti kergesti ühilduvad enamuste GIS andmeprogrammidega.

6. Hilisem sidustamine seireandmetega

Valminud mudeli hilisem täiendamine Keskkonnaagentuuri seireandmetega peaks toimuma regulaarselt (näiteks 1-2 korda aastas). Uute andmete sisestamine mudelisse peaks toimuma eelnevalt väljaõppe saanud inimese poolt, kes hindab kriitiliselt andmete kvaliteeti ning jätab välja juhuslike mõõtmisvigadega ja vastuolulised tulemused. Andmete sisestaja ülesanne on kontrollida uute mõõtmisandmete sobivust mudeli poolt arvutatud väärtustega ning vajadusel teostama mudeli uue kalibreerimise. Spetsialistide koolitamine hüdrogeoloogilise modelleerimise alal Freewati näitel on kavas 2016-2017.

7. Mudeli üleandmine Keskkonnaministeeriumi haldusalasse

Projekti käigus valmiv regionaalne hüdrogeoloogiline mudel antakse üle digitaalselt ja lisaks kirjeldatakse aruandes. Mudeli otseseks väljundiks on survetasemed põhjaveekihtide kaupa ja nende muutused ajas. Järeltöötlus programmiga tulemusi näiteks shp-failidena eksportides saab andmeid visualiseerida mitmetes GIS rakendustes nii rastrina kui ka isojoontena. Valminud numbriline mudel võimaldab arvutada põhjavee liikumissuundi ja kiirust (particle tracking), mis omab suurt tähtsust nii avastatud reostuse põhjuste otsimisel kui ka prognoosida reostuse edasist levikut, hajumist ja mõningatel juhtudel ka hääbumist. Seejuures võtavad arvutused arvesse reostuse kandumist ühest veekihist teise. Mudelisse uute veehaarete lisamine võimaldab hinnata mõju olemasolevatele veehaaretele.

8. Kokkuvõte: väljund ja tulemus

Loodud on Lääne- ja Ida-Virumaa regionaalne hüdrogeoloogiline numbriline mudel, mis arvestab põhjavee loodusliku toitumisega ja voolamisega ning olemasolevate inimtekkeliste mõjuritega (veetarbimine, kaevandused jne). Regionaalne mudel annab sisendi virtuaalsete kaevanduste hüdrogeoloogiliste mudelite rajatingimuste osas.