Mallinnusohjelmat päästöjen arvioinnissa

Muita Minera-projektin tuotoksia

Minera-mallin sovelluksia	· Luikonlahden tapaustutkimus · Luikonlahden sienitutkimusraportti
Muut	· Metallimalmikaivostoiminnan parhaat ympäristökäytännöt · Minera-hanke · MINERA Loppuseminaari · Kauppila T, Makkonen S, Komulainen H, Tuomisto JT: Metallikaivosalueiden ympäristöriskinarviointiosaamisen kehittäminen: MINERA-hankkeen loppuraportti. · Lehdistötiedote 15.4.2013 · Kohdekohtainen esimerkki · Lyhenteet ja määritelmät · Loppuraportti kokonaismalli · Kaivostoiminnan ympäristöterveysriskien arviointi (suojattu sivu) · Mallinnusohjelmat päästöjen arvioinnissa · Viitearvot · Talvivaaran kaivoksen terveysvaikutukset · Loppuraportti · Raportti · Yaran tapaustutkimus
Muita kaivostoimintaan liittyvää	· Vesijalanjälki · Hyvä kaivos pohjoisessa · Yhteiskuntatieteellinen kaivostutkimus Itä-Suomen yliopistossa · Teemasivu:Kaivostoiminnan vaikutusarviointi

Malline:Method

Mallinnusohjelmat päästöjen arvioinnissa

Nykyisin päästöjen arvioinnissa voidaan hyödyntää erilaisia mallinnusohjelmia. Ohjelmia käyttäessä on tärkeää arvioida saatavilla olevan tiedon laatu ja määrä ja valita tarkoituksenmukaisin ja sopivin laskennallisen mallinnusohjelma/t ja käytettävän koodisto. Maest ja Kuipers (2005) ovat teoksessaan koonneet mallinnuksen onnistumisen kannalta keskeisimpiä seikkoja, joita olisi hyvä pohtia ennen mallinnusohjelman valintaa ja mallinnuksen aloittamista :

• Mitkä ovat tavoitteet ja päämäärä mallinnukselle?
• Mitkä erityisprosessit vaikuttavat kaivoksen vesiin ja mitkä ohjelmistokoodit mahdollistavat näiden tekijöiden parhaan simulaation?
• Onko valitun ohjelmankoodissa parempi esittää kineettisinä vai tasapainoreaktiona vai molempina?
• Tutkitaanko veden määrä- ja laatuominaisuudet saman ohjelman koodilla vai erikseen?
• Vastaako saatavilla olevat ja kerätyt tiedot tietoja, joita valittu ohjelmakoodisto tarvitsee?
• Bioottisten tekijöiden ja bakteerikuljetuksen vaikutus veden laatuun?
• Graafisten rajapintojen esiintyminen ohjelmiston koodissa ja käytön mielekkyys?
• Ohjelmistokoodin saatavuus ja avoimuus?

Mitä monimutkaisempi mallinnusohjelma, sitä hankalampaa on arvioida ja testata tulosten oikeellisuutta ja luotettavuutta. Jos lähtötiedot ovat virheellisiä tai selvästi puutteellisia on myös malli sitä ja saatu ennustus kyseenalaistettava. Mallinnuksen oikeellisuutta arvioitaessa olisi syytä huomioida:

• Lähtötietojen oikeellisuuden arviointi
• Mallin soveltuvuuden arviointi
• Kalibrointi
• Epävarmuusanalyysi ja rajapinnat
• Testaus ja jälkimonitorointi

Vaikka geokemiallinen malli on usein todellisen tilanteen yksinkertaistamista, on kuitenkin tärkeätä, että päästöjä arvioitaessa huomioidaan seuraavat kohdat mahdollisimman tarkasti:

• Käsitteellinen malli (onko kaikki tarpeellinen huomioitu, voiko samaa aineistoa käyttää eri ohjelmissa)
• Geologia ja mineralogia (sulfidipitoisuus, metallit ja metalloidit, karbonaatit)
• Kuormituksen määrät ja kesto (lyhyellä ja pitkällä aikavälillä), liukoisuus, muut laboratorioanalyysit, kationivaihtokapasiteetti
• Alueen hydrologia, kaivoksen vesitalous (onko jätealue veden peittämä vai kuiva), kyllästyneisyysaste, johdettavan veden määrä ja kemiallinen koostumus
• Veden virtaus, pohjaveden gradientti, pohjavedenpinnan ominaisuudet ja alkuperäinen kemiallinen koostumus ja pinnan korkeus
• Vajovesivyöhykkeen ominaispiirteet (vaikutukset hydrauliikkaan ja kulkeutumiseen), imeytyminen ei-kylläisen kerroksen läpi (vedenjohtokyky), huokoisuus
• Pintavesien läheisyys ja pintavesien ominaisuudet
• Hapen diffuusio, sulfidien hapettuminen (kerroksen paksuus)
• Ilmasto (vuodenaikaisvaihtelut ja sadanta)
• Abioottiset ja bioottiset reaktiot (laskennallisia)
  • pH:n vaikutus (mahdolliset muutokset)
  • Karbonaatin rapautuminen
  • Hydroksidin rapautuminen
  • Silikaattien rapautuminen
• Sorptio
• Termodynamiikka ja reaktioprosessit (esim. reagoivan mineraalin ala, tasapainovakio, kertoimet)
• Rakenteet (peitteet, matot, pohjaratkaisut)
• Toimenpiteet (kosteikkopuhdistus, kalkkikivipadot, vesienkäsittely, luonnolliset laimentajat/sekoittuminen)
• Alueen mittasuhteet (altaan pinta-ala ja syvyys) ja etäisyys kriittisiin kohteisiin
• Vaikutuksen kohteet
  • pohja- ja pintavedet
  • maaperä (pölyäminen)
  • eliöt
  • kasvit (biosaatavuus)
  • ihmiset

Mallinnusohjelmia

Eri käyttötarkoituksiin soveltuvia mallinnusohjelmia on runsaasti, osa on maksullisia ja lisenssin alaisia osa jokaisen ladattavissa, samoin vaihtelee myös ohjelmien käytön yleisyys, käyttötarkoitus, käytön mielekkyys ja viimeisimmän päivityksen ajankohta. Tutkittavasta kohteesta riippuen sopivin mallinnusohjelma voidaan valita useista eri vaihtoehdoista, joista yleisimmät ovat lueteltu käyttökohteen mukaan oheiseksi listaksi:

1. Hydrologiset prosessit (maanpinnalla ja sen yläpuolella)
   • Veden tasapaino;

   HELP (Schroeder et al. 1991), SESOIL, LEACHM, SOILCOVER (Wilson 1994), PRMS (USGS 2012)

2. Vajovyöhyke
   • Suotautuminen;

   SESOIL, HELP, FEFLOW (DHI group), CHEMFLO, VS2DT/VS2DH/VS2DI (Healy 1996, USGS 2004), SWB (USGS 2011), INFIL3.0 (USGS 2008)

   • Suotautuminen ja kontaminaation leviäminen;

   SUTRA (USGS 2005), FEFLOW

3. Pohjavesi
   • Pohjaveden virtaus;

   MODFLOW (McDonald & Harbaugh 1988, Harbaugh & McDonald 1996), FEFLOW, HYDROTHERM (USGS 2008), SEAWAT (USGS 2011), TopoDrive & ParticleFlow (USGS 2002), RECESS (USGS 2012), GMS

   • Pohjaveden virtaus ja kontaminaation leviäminen; MODFLOW with MT3D (Zheng 1990), RT3D (Clement 1997), FEFLOW, FEMWATER (Yeh & Ward 1979, Yeh 1990)
4. Limnologia
   • 2D, rajalliset erot hydrodynamiikassa ja vedenlaadun mallinnuksessa;

   CF-QUAL-W2

   • 1D/3D hydrodynamiikka ja akvaattiset ekologiset mallit;

   DYRESM/ELCOM-CAEDYM

5. Virtaus ja puro
   • Virtaus (määrä);

   HEC HMS, SWRRB, SHE, PRMS, STLK1 & STWT1 (USGS 2009)

   • Virtaus (laatu ja määrä);

   WASP4, OTIS-OTEC (USGS 1998), SWMM, Mike-11, EFDC (Hamerick 1999), BASINS (USEPA 1998), HST3D (USGS 2010)

   • Virtaus (kaivon pumppaus);

   STRMDEPL08 (USGS 2010)

6. Sedimentaatio
   • Maaperän eroosio (sade, tulvat);

   RUSLE

7. Kokonaisvaltainen hydrologia / valuma-alue;
   • MIKE SHE, PRMS/HMS, HSPF
8. Geokemia ja reaktioiden kulku
   • WATEQ4F (USGS 2003), MINEQL, MNTEQ, MNTEQA2 (Allison et al. 1991), HYDRAQL, PHREEQC (Parkhurst & Appelo 1999, USGS 2011), PHREEQE/PHRQPITZ, SOLMINEQ, GEOCHEM, EQ3/6, NETPATH (USGS 2007), React!, RATAP, WATAIL (Scharer et al. 1994)
9. Pyriitin hapettuminen
   • PYROX (Wunderly & Blowes 1996), Davies & Ritchie 1986, FIDHELM, TOUGH AMD
10. Yhdistelmä reaktioreiteistä
    • PHREEQM, REACTRAN, MPATH, MINTRAN (Walter et al. 1994), CIRF.A, 1DREACT, FMT, TOUGHREACT&TOUGH2-CHEM, TOUGH-AMD, KGEOFLOW, RETRASO, OTIS-OTEC, RT3D, SULFIDOX, MINTOX (MINTRAN+PYROX), MIN3P, MULTIFLO, PHAST (USGS 2011), CRUNCH, STELLA (HPS 1994)
11. Biogeokemia ja reaktiivinen kuljetus
    • BIOKEMOD&HYDROGEOCHEM, EFDC (Hamerick 1999), BIOMOC (USGS 1999)

Mallinnusohjelmia on listattu mm. seuraaville www-sivuille ja teokseen

http://www.ggsd.com/

http://igwmc.mines.edu/software/category_list.html

http://water.usgs.gov/software/

Maest, A.S. & Kuipers, J.R. 2005. Predicting water quality at hardrock mines: Methods and models, uncertainities, and state-of-the-art. Earthworks. Kuipers & Associates. Buka Environmental. 77 p.