Makett 209

Väljavõte

1 Veerežiimi muutuste modelleerimine füüsilise ja arvutimudeli abil Karin Robam, Veiko Karu, Ingo Valgma, Helena Lind. TTÜ mäeinstituut Abstrakt Tänapäeval on mitmete keskkonnaprobleemide lahendamiseks ja paremaks ettekujutamiseks otstarbekas koostada nii käegakatsutavaid kui ka arvutimudeleid. Modelleerimise ja visuaalse projekteerimise teevad võimalikuks kolm peamist tingimust: vajadus, insenerioskus ja modelleerimissüsteemi olemasolu. Simuleerimaks ja piltlikult selgeks tegemiseks on Tallinna Tehnikaülikooli mäeinstituudis valmistatud reaalne karjääri veekõrvaldamise füüsiline mudel. Veekõrvalduse füüsilise mudeli järgi koostati mudel ka arvutipõhiselt, et analüüsida reaalse olukorra modelleerimist arvutil. Arvutimudeli koostamiseks kasutati tarkvara ModFlow Professional. Arvutimudel kalibreeriti füüsilise vee liikumise alusel liivas. Töö jätkub analoogsete eksperimentidega. Sissejuhatus Aktuaalseks probleemiks tänapäeva kaevandamistegevuse juures on veekõrvaldamisega seotud probleemid. Sageli kerkivad päevakorrale küsimused, kas maavarade kaevandamisega kaasneb veetaseme alandamine, kui palju veetaset alandatakse, kas on võimalik vee sissevoolu karjääri vähendada nii, et veetaset karjääriäärsel alal kõrgemal hoida? Eestis toimub enamike maavarade kaevandamine allpool põhjaveetaset, mistõttu karjääridest tuleb teostada veekõrvaldamist. Vee juurdevoolu iseloom ning karjääri kuivendamise tehnoloogia sõltuvad maardla geoloogilishüdrogeoloogilistest tingimustest ja maavara lasumisssügavusest [1]. Reaalse olukorra tekitamiseks on otstarbekas kasutada modelleerimistarkvarasid ning teha geoloogilisi, hüdrogeoloogilisi modelleerimisi, mille tulemusel saab teha päringuid uute tulemite saamiseks juba eelnevalt koostatud mudeli põhjal kui olukord peaks muutuma. Mudeli järgi on võimalik hinnata objekti tegelikku olukorda ning kujutada olukorda tulevikus. Modelleerimise ja visuaalse projekteerimise teevad võimalikuks kolm peamist tingimust: vajadus, insenerioskus ja modelleerimissüsteemi olemasolu [2]. Loodud mudelite põhjal on võimalik teha mitmeid otsuseid (näiteks: teades kui suur on karjääridest väljapumbatav veekogus ja keskkonnatasu vee-erikasutuse eest on võimalik prognoosida ettevõtte poolt tehtavaid kulutusi veekõrvaldamisele ning keskkonnatasude maksmisele). Mudelite koostamisel kasutatakse kohandatud valemeid või teooriaid. Loodus meie ümber on ehtne füüsiline mudel ning tihtipeale tekib küsimus, kas seda on võimalik simuleerida ka arvutimudelina. Meetodid Füüsilise mudeli koostamine Simuleerimaks ja piltlikult selgeks tegemiseks on Tallinna Tehnikaülikooli mäeinstituudis valmistatud reaalne karjääri veekõrvalduse füüsiline mudel. See kujutab endast olukorda, kus maavara kaevandatakse allpool veetaset, mistõttu maavara ammutamiseks on veetaset karjääris vaja alandada ja karjäärist vett välja pumbata. Karjääripõhja on rajatud veekogur suurusega 12X16 cm, karjääri sügavuseks on 17 cm. Karjääri põhja rajatud veekogurist pumbatakse karjäärivesi karjääri kõrval olevasse jõkke (jõe põhja absoluutkõrgus 25 cm), kust edasi suubub vesi lähedal asuvasse järve (järvepõhja absoluutkõrgus 18 cm). Järve ja karjääri vahele on rajatud vaatluspuurkaevud, nendest

2 on võimalik jälgida alanduslehtri kujunemist karjääri ümbruses veekõrvaldamisel karjäärist. Füüsiline mudel on valmistatud liivast, mis on pärit AS Kiiu Soone Kuusalu karjäärist ning killustikust, mis on pärit OÜ Väo Paas lubjakivikarjäärist, lisaks on kasutatud traadist võrku erinevate elementide valmistamiseks ja püsivuse tagamiseks, nagu järv, veekogur, jõgi ning karjäärinõlv. Vee väljapumpamiseks karjäärist kasutatakse pumpa tootlikkusega kuni 200 l/s. Joonis 1 Füüsiline karjääri veekõrvaldusmudel (pealtvaade) Mudeli tööpõhimõte seisneb selles, et esiteks määratakse esialgne veetase, seejärel hakatakse lubjakivi kaevandamiseks ja karjääripõhja kuival hoidmiseks karjäärist vett välja pumpama. Jälgitakse veekogu kujunemist ja veetaseme muutuseid vaatluspuurkaevudes. Kui veekõrvaldusmudel on piisavalt kaua töötanud, tekib olukord, kus on välja kujunenud stabiilne veekõrvaldusrežiim ja alanduslehter, mille abil on võimalik reaalselt ja piltlikult karjääri veekõrvaldussüsteemist aru saada. Arvutimudeli koostamine ModFlow tarkvaraga Veekõrvalduse füüsilise mudeli järgi koostati karjääri veekõrvaldusmudel ka arvutipõhiselt, et teha selgeks kas reaalselt olukorda looduses on võimalik ka arvutil modelleerida. Arvutimudeli koostamiseks valiti tarkvara ModFlow Professional, mida kasutataksegi põhjavee ning pinnavee liikumise ruumiliseks arvutamiseks. Esmalt määrati mudeli parameetrid ehk reaalse mudeli valmistamiseks kasutatud akvaariumi mõõtmed, seejärel mõõdeti erinevad kõrgused kõrgusmudeli loomiseks (Joonised Joonis 1 ja Joonis 2). Arvutimudelisse sisestati vaatluspuurkaevude andmed (andmed saadi füüsilise mudeli mõõdistamise käigus) ja pumba tootlikkus ning määrati vee liikumine pärast pumba läbimist. Määrati veejuhtivusparameetrid ning esialgne veetase enne mudeli käivitamist (pumba tööle panemist).

3 Joonis 2 ModFlow kõrgusmudel (suurused on meetrites) Püstitati eesmärk: luua arvutimudeli näol identne mudel võrreldes füüsilise veekõrvaldamise mudeliga. Tulemused Nii füüsilise kui arvutimudeli koostamise tulemusena saadi karjääri veekõrvaldamise olukorda kirjeldav tulemus, kus karjääri rajatud pumplast pumbati vesi settebasseini, mis settis ja seejärel suunati vesi mööda jõge suurema veekoguni. Veekõrvaldamise käigus infiltreerus vesi tagasi karjääri ning vesi tuli seejärel karjäärist välja pumbata. Arvutusmudeli alusel saadi veeliikumise joonis (Joonis 3) ning mahtude graafik. Joonis 3 Vee liikumine mudelis (suurused on meetrites) Arutelu Arvutimudeli ning füüsilise mudeli tulemuste põhjal loodi dünaamiline vee liikumise visuaalne mudel (Joonis 4). Füüsilise mudeli ning arvutimudeli ühtlustamine on tihtipeale problemaatiline, sest ei ole täpselt teada kui hästi ja ühtlaselt on füüsilises mudelis tihendatud liiv, et terve mudeli piires oleks võimalik rakendada samasuguseid veejuhtivusparameetreid. See on aga analoogiline reaalse situatsiooniga ja lahenduseks on mudelite kalibreerimine vaatlusandmete alusel.

4 Joonis 4 Veepind koostatud mudelis Füüsilise mudeli kontrolliks koostati mudeli nõlvade püsivuse kontrollarvutused tarkvaraga Plaxis. Kontrolltulemused tõestasid, et kui ei oleks füüsilise mudeli ehitamise käigus kasutatud traadist võrku, siis ei oleks mudel vastu pidanud ning oleksid toimunud maalihked (Joonis 5). Joonis 5 Plaxise abil arvutatud pingete olukord mudelis Kokkuvõte Antud eksperimendi koostamine oli õpetlik nii teadustöötajatele kui ka õpilastele. Sageli on reaalseid olukordi looduses raske ette kujutada, mistõttu on väga kasulik reaalse olukorra simuleerimine laboritingimustes ning arvutimudelitena. TTÜ mäeinstituut jätkab analoogsete eksperimentide

5 koostamisega ning võimalike lahenduste otsimisega erinevates geoloogilistes ning kaevandamistingimustes [4]. Mudelite abil simuleeritakse veetõkete rajamist, settebasseinide täiustamist ja pumpamise optimeerimist. Tänusõnad Soovime tänada Jüri Gümnaasiumi õpilasi, kes aitasid kaasa veekõrvaldusmudeli valmimisele. Õpilased läbisid kevadsemestri alguses TTÜ mäeinstituudi poolt läbiviidava Geodisaini lühikursuse [3]. Tänud kuuluvad ka TTÜ mäeinstituudile, kes aitas muretseda vajalikke materjale mudeli valmistamiseks. Mudeli koostamine ja tulemused on seotud TTÜ mäeinstituudi teadusuuringuga ETF grandiprojekt 7499 Säästliku kaevandamise tingimused. Toetav kirjandus 1. Leonid Savitski, Kaevandustest ja karjääridest väljapumbatava vee päritolu. Eesti Geoloogiakeskus. Hüdrogeoloogia osakond, Tallinn Mäeõpik. [ ] 3. Geodisaini kursuse info: [ ] 4. Hüdrogeoloogia ja kaevandusvee labori info: [ ]