Using ground-based time-lapse gravity observations for hydrological model calibration

Lars Christiansen

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

117 Downloads (Pure)

Abstract

Vand er livsvigtigt for både mennesker og natur. Et øget forbrug til bl.a. drikkevand, landbrug, industriel produktion og rekreative formål har mange steder i verden sat vandressourcerne under stort pres. De igangværende klimaforandringer forventes at ændre fordelingen af nedbør, hvilket mange steder vil forværre situationen. Hydrologiske modeller er computerprogrammer, der hjælper os med at forstå vandets vej fra det falder som nedbør og til det igen fordamper til atmosfæren. Modellerne bruges ligeledes til at forudse konsekvenserne af ændringer på alle skalaer. Det kan være alt fra placeringen af en enkelt ny drikkevandsbrønd til hvordan dele af et kontinent reagerer på ændringer i nedbøren. For at modellerne bliver pålidelige kalibreres de til feltdata. Dvs. at man tilpasser modellerne så de så vidt muligt viser det samme som hvad man måler ude i virkeligheden. Ændringen i mængden af vand i jorden er svært at måle, men datatypen er samtidig meget virksom når man kalibrerer modeller. Det er information, som vi ikke kan få fra brønde. De giver os blot udbredelsen af og trykket i grundvandet. I mit forskningsprojekt viser jeg, at vi kan måle ændringer i vandmængden i jorden som lokale ændringer i tyngdekraften og bruge dem til at kalibrere hydrologiske modeller med. Når man erstatter luften i jordens porer med vand, så stiger jordens densitet nemlig og dermed også tiltrækningen – eller sagt lidt populært: Du bliver tungere når det regner! I mit forskningsprojekt har jeg undersøgt hvordan vi bedst muligt indsamler og bruger målinger af ændringen i tyngdekraften i til at forbedre hydrologiske modeller med. Jeg startede med at afprøve målemetoden og instrumentet, et såkaldt gravimeter, i et ”laboratorieforsøg” hvor jeg ved at sænke vandspejlet knap trekvart meter i et 20 m gange 30 m indendørs bassin målte en tydelig ændring i tyngdekraften. Herefter gik turen til Okavangodeltaet i det nordlige Botswana. Deltaet er kendt for sit rige dyre- og planteliv. Turisterne valfarter til området for at opleve denne enestående naturperle, men også den lokale befolkning er afhængig af den permanente kilde til vand som Okavangodeltaet udgør i den ellers tørre Kalahariørken. Vandet i deltaet stiger og falder i en årlig cyklus, hvilket får grundvandsspejlet til at variere med adskillige meter tæt ved floderne. Gennem fem måneders studier i Okavangodeltaet samlede jeg data, der blev brugt til at kalibrere en model for hvordan vandet trænger fra floderne og ud i den sandede jord. Det opmagasinerede vand er bagefter til rådighed for planter, dyr og mennesker i de tørre perioder af året. Resultaterne var meget overbevisende. De viste bl.a. at nogle brønde og dyre såkaldte pumpetests kan helt eller delvist erstattes med målinger af tyngdekraften. Tilbage i Danmark blev arbejdet fortsat, men nu med fokus på den umættede zone. Det er den del af jorden der går fra jordens overflade og ned til grundvandsspejlet. Jeg vandede 10 m gange 10 m græsmark kraftigt over to uger og målte ændringen i tyngdekraften undervejs. Det lykkedes at kalibrere en model vha. de nye data, hvilket har været med til at give et nyt indblik i vandets vej ned gennem jorden. Alt i alt har min forskning vist at målinger af ændringer i tyngdekraften kan bruges til at opnå mere pålidelige hydrologiske modeller. Den største begrænsning i metoden er fortsat en begrænset følsomhed i måleinstrumenterne og en manglende kontrol med andre forhold, der giver en ændret tyngdekraft.
Original languageEnglish
Place of PublicationKgs. Lyngby, Denmark
PublisherTechnical University of Denmark
ISBN (Print)978-87-92654-12-0
Publication statusPublished - Dec 2010

Cite this