2. Development of ‘New’ City Scale Hydrogeological 3d-Model

In Odense, the national geological survey, the municipality, and the local water utility found in 2012 that most geological and hydrogeological mappings was in rural areas, but similar activity for the urban areas was lacking. Thus, a goal was established to produce one model at a municipality or city scale, which, through sustained maintenance and development, could be improved year-on-year with the introduction of new geological and hydrogeological data and information on anthropogenic changes. The focus was put on groundwater and surface water, the connection between deep and shallow aquifers, the secure use of existing models all relevant data, large-scale overview mapping, and detailed small-scale mapping, and based on the selected typical work situations (see Table 5 and Figure 4). A hydrogeological 3D municipality model project was established through a pilot study (‘Development of a 3D Geological/Hydrogeological model as basis for the urban water cycle’ ). The pilot-project was completed in 2015 with a report , and the developed model was selected as one of the examples of good practice of urban modelling by the European COST Action TU1206 Sub-Urban project

Требования к концепции гидродинамической модели городского масштаба

Во-первых, требуется концепция городского масштаба, позволяющая сочетать антропогенную и гидрогеологическую информацию. Важно, чтобы моделирование в выбранных областях основывалось на подробном знании природных и техногенных процессов и их потенциального воздействия. Когда моделирование знаний о недрах распространяется на весь муниципалитет, систематическое картирование, а не проектный подход, является обязательным. Это междисциплинарный процесс, который решает несколько задач:

• Созданная гидрогеологическая модель основана на разнородной информации из существующих скважин, геофизики, карт и моделей разного качества и возраста;

• Техногенные отложения под городами отличаются по возрасту, масштабу и происхождению от геологических отложений. Сбор данных и моделирование антропогенных отложений связаны с историей города и сильно отклоняются от гидрогеологических процессов;

• Должен быть разработан рабочий процесс для связывания и объединения различных типов моделей;

• Определение должной осторожности в отношении поддержки моделирования необходимо и должно быть определено с самого начала;

• Должен быть определен дизайн вывода информации.

3.2. Разработка «Новой» гидрогеологической 3d-модели городского масштаба

В Оденсе национальная геологическая служба, муниципалитет и местная служба водоснабжения обнаружили в 2012 году, что большинство геологических и гидрогеологических карт было проведено в сельской местности, но аналогичная деятельность в городских районах отсутствовала. Таким образом, была поставлена цель создать единую модель в масштабе муниципалитета или города, которую за счет непрерывного обслуживания и развития можно было бы улучшать из года в год с введением новых геологических и гидрогеологических данных и информации об антропогенных изменениях. Основное внимание уделялось подземным и поверхностным водам, связи между глубокими и неглубокими водоносными горизонтами, безопасному использованию существующих моделей всех соответствующих данных, крупномасштабному обзорному картированию и подробному мелкомасштабному картированию, а также на основе выбранных типичных рабочих ситуаций ( см. Таблицу 5 и Рисунок 4). Проект гидрогеологической 3D-модели муниципалитета был разработан в рамках пилотного исследования («Разработка 3D-геологической/гидрогеологической модели как основы городского водного цикла» ). Пилотный проект был завершен в 2015 г. отчетом , а разработанная модель была выбрана европейским проектом COST Action TU1206 Sub-Urban в качестве одного из примеров передовой практики городского моделирования .

Table 5. Adaptive ‘real’ planning and governance projects chosen for design of the ‘new’ urban hydrogeological model in Odense

Management and Planning Situation	Study	Test Location
Early project evaluation for major construction planning, green/blue solutions, and prospects for geothermal plant	Potential areas for infiltration and runoff	Odense new University Hospital
Adaptive planning project for re-urbanization after the abandonment of a four-tracked road through the heart of the city	Collection and use of old and new geotechnical data and visualization	Thomas B. Thriges Gade
Well-field study of the effect of stopping urban groundwater abstraction and potential use of ditches for surface run-off	Mapping of existing low-lying areas with poor possibilities of surface runoff	Sanderum Tørvehave
Residential area project to increase the water infiltration into soil due to high surface runoff	Collection and use of new detailed data and modelling	Vinkælderrenden—a part of City quarter Skibhuskvarteret

Таблица 5. Адаптивные «реальные» проекты планирования и управления, выбранные для разработки «новой» городской гидрогеологической модели в Оденсе

Ситуация управления и планирования	Исследование	Тестовая локация
Ранняя оценка проекта для планирования крупного строительства, зеленых/голубых решений и перспектив геотермальной электростанции	Потенциальные зоны инфильтрации и стока	Больница нового университета Оденсе
Проект адаптивной планировки реурбанизации после отказа от четырехпутной дороги через центр города	Сбор и использование старых и новых геотехнических данных и визуализация	Томас Б. Триджес Гейд
Полевые исследования эффекта прекращения забора городских подземных вод и потенциального использования канав для поверхностного стока	Картирование существующих низменных районов с плохой возможностью поверхностного стока	Сандерум Торвехаве
Проект по увеличению инфильтрации воды в почву из-за высокого поверхностного стока для жилой застройки	Сбор и использование новых подробных данных и моделирование (см. [25])	Vinkælderrenden — часть городского квартала Skibhuskvarteret.

Figure 4. Location of projects used for development of a conceptual design of The Odense Model. (SK/VR) Skibhuskvarteret/Vinkælderrenden, (TBT) Thomas B. Thrigesgade, (ST) Sanderum Tørvehave, (New OUH) New

Odense University Hospital (for descriptions see Table 5).

The following four case-studies illustrate several important technical aspects for the Odense urban subsurface and hydrogeological model:

The first case-study focuses on the design of a hydrodynamic model area for the entire municipality level area and some separate detailed areas. Analysis has been performed on the current and potential planning and management activities (see Table 5) that were compared with existing data and models. The analyses searched for optimal solutions. This model should be able to operate on a municipal level and in selected areas (constructions and up to city-quarter, see Table 2) with a detailed discretization.

Consequently, the Municipality model had to be built on existing digitized data and include the following elements: deep and shallow aquifers, deep and shallow geology, man-made deposits, and constructions. Figure 5 shows a view of the resultant conceptual model.

Рисунок 4. Расположение проектов, использованных для разработки концептуального проекта модели Оденсе. (SK/VR) Skibhuskvarteret/Vinkælderrenden, (TBT) Thomas B. Thrigesgade, (ST) Sanderum Tørvehave, (New OUH) New

Университетская больница Оденсе (описание см. в таблице 5).

Следующие четыре тематических исследования иллюстрируют несколько важных технических аспектов городской недр и гидрогеологической модели города Оденсе:

Первое тематическое исследование посвящено проектированию области гидродинамической модели для всей территории муниципального уровня и некоторых отдельных детализированных областей. Был проведен анализ текущих и потенциальных мероприятий по планированию и управлению (см. Таблицу 5), которые были сопоставлены с существующими данными и моделями. В ходе анализа были найдены оптимальные решения. Эта модель должна иметь возможность работать на муниципальном уровне и в отдельных районах (застройки и вплоть до города-квартала, см. табл. 2) с детальной дискретизацией.

Следовательно, модель муниципалитета должна была быть построена на существующих оцифрованных данных и включать следующие элементы: глубокие и неглубокие водоносные горизонты, глубокая и неглубокая геология, искусственные месторождения и сооружения. На рис. 5 показан вид результирующей концептуальной модели.

Figure 5. Conceptual frame for the hydrodynamic municipality model : Yellow layer indicates anthropogenic origin; blue line is estimated hydraulic groundwater level, and red box indicates a detailed modelling area. Scale in meters

The second case-study focuses on hydrogeological modelling beneath cities. The existing data from Odense city revealed areas with only limited or old data (see Figure 6). The lack of sufficient site-specific data caused difficulty in making sound decision-making and assessing uncertainty, and led to the need for gathering supplementary data. The operation of assembling data, especially of geotechnical and cadastral types, proved to be time consuming, and data updating and modelling required professional administrative governance.

Modelling of the urban anthropogenic layer represents the third case-study. This layer consists of bricks, buildings, constructions, pipes, roads, excavations, urban fill, and many other materials of different age. The modelling process includes cadastral data coming from the municipality, data characterizing the sewer system and water supply network (from the local water utility, VCS Denmark), as well as borehole logs and geophysical surveys (from GEUS and VCS Denmark).

Рисунок. 5. Концептуальный каркас гидродинамической модели муниципального образования : Желтый слой указывает на антропогенное происхождение; синяя линия – расчетный гидравлический уровень подземных вод, а красная рамка указывает на область детального моделирования. Шкала в метрах

Второе тематическое исследование посвящено гидрогеологическому моделированию под городами. Существующие данные из города Оденсе выявили области только с ограниченными или старыми данными (см. рис. 6). Отсутствие достаточных данных по конкретным участкам вызвало трудности в принятии обоснованных решений и оценке неопределенности, а также привело к необходимости сбора дополнительных данных. Операция по сбору данных, особенно геотехнических и кадастровых типов, оказалась трудоемкой, а обновление и моделирование данных требовало профессионального административного управления.

Моделирование городского антропогенного слоя представляет собой третий пример. Этот слой состоит из кирпича, зданий, сооружений, труб, дорог, котлованов, городской засыпки и многих других материалов разного возраста. Процесс моделирования включает в себя кадастровые данные, поступающие от муниципалитета, данные, характеризующие канализационную систему и сеть водоснабжения (от местного водоканала, VCS Дания), а также данные каротажа скважин и геофизических исследований (от GEUS и VCS Дания).

The information is frequently updated as result of urban dynamics. A rule based data handling procedure was chosen to process and update systematically the huge amount of data—GeoScene3D Software (www.GeoScene3D.com) being selected for data processing. Finally, a detailed voxel model for the anthropogenic layer of the Thomas B. Thrigesgade (Odense City) has been obtained, which is illustrated in Figure 7

Figure 6. Variations in data density in the subsurface information in Municipality model on west–east profile . The western side of the urban area is shown with a comprehensive groundwater mapping illustrated by the ‘colored’ results of the geophysical survey (Odense Vest model). The city center is located in the middle profile and has many shallow boreholes, and on the eastern side limited groundwater interests are illustrated by restricted data availability

Информация часто обновляется в результате городской динамики. Для обработки и систематического обновления огромного количества данных была выбрана основанная на правилах процедура обработки данных. Для обработки данных было выбрано программное обеспечение GeoScene3D (www.GeoScene3D.com). Наконец, была получена подробная воксельная модель антропогенного слоя Томаса Б. Тригесгаде (город Оденсе), которая представлена на рис. 7.

Рисунок 6. Изменения плотности данных в информации о недрах в модели муниципалитета на профиле запад-восток . Западная сторона городской территории показана с комплексным картографированием подземных вод, проиллюстрированным «цветными» результатами геофизической съемки (модель Odense Vest). Центр города расположен в среднем профиле и имеет много неглубоких скважин, а на восточной стороне ограниченные интересы подземных вод иллюстрируются ограниченным доступом данных.

Figure 7. Visualization of detailed voxel modelling of an urban area with buildings, and transecting boxes for roads and, pipes converted to clay-sand % and combined with different soil types.

Defining the procedure of working with different models and model scales stays as the fourth case-study. Urban modelling often requires the use of information from other sources in order to augment model information or regional trends. To combine geological models and anthropogenic models a common workflow is required. Figure 8 illustrates the anthropogenic data, the resulting anthropogenic layer and the combined anthropogenic-geological model. Figure 9 shows a workflow for merging a municipality model and a detailed anthropogenic model

Figure 8. Visualization of Thomas B Thriges District (in dark purple). On the left is anthropogenic data; in the middle the anthropogenic layer; on the right the combined geological and anthropogenic model .

Рисунок. 7. Визуализация подробного воксельного моделирования городской территории [25,30] со зданиями и секущими коробками для дорог и труб, преобразованных в % глины и песка и объединенных с различными типами почвы.

Определение процедуры работы с различными моделями и масштабами моделей остается четвертым кейсом. Моделирование городов часто требует использования информации из других источников, чтобы дополнить информацию модели или региональные тенденции. Для объединения геологических моделей и антропогенных моделей требуется общий рабочий процесс. Рисунок 8 иллюстрирует антропогенные данные, результирующий антропогенный слой и комбинированную антропогенно-геологическую модель. На рис. 9 показан рабочий процесс объединения модели муниципалитета и подробной антропогенной модели.

Рис. 8. Визуализация района Томаса Б. Тригеса (темно-фиолетовый). Слева антропогенные данные; в середине антропогенный слой; справа комбинированная геолого-антропогенная модель [25,30].

Figure 9. Workflow for the combined geological and anthropogenic model [25] of the urban area.