The impact of groundwater discharge to the Hsueh-Shan tunnel on the water resources in northern Taiwan

Abstract

The Hsueh-Shan tunnel is the fifth longest road tunnel in the world. During the excavation, the tunnel encountered several events of groundwater inrush, causing serious delay of the construction. Data on groundwater discharge to the tunnel were gathered from the monitoring system and their spatial and temporal variations were analyzed. The results of the integrated analysis of groundwater discharge and local precipitation indicated that the discharge increased rapidly when the cumulative rainfall exceeded 85 mm. The groundwater level recession rate after a rainfall event was found to be independent of rainfall intensity. A hydrogeological conceptual model was developed to simulate the long-term groundwater discharge to the tunnel. Sensitivity analysis was first conducted to identify sensitive parameters, and then the calibration process was accomplished by the automated parameter estimation method. The calibrated model was then used to evaluate the potential impact of tunnel excavation on the Feitsui reservoir; the average percentage loss of inflow to the Feitsui reservoir from 2006 to 2010 is estimated to be 1.74 %. The developed model can provide a tool for evaluating the regional hydrogeologic setting and the influence of tunnel construction on water resources.

Résumé

Le tunnel Hsueh-Shan est le cinquième plus long tunnel routier dans le monde. Durant le percement, le tunnel a rencontré plusieurs arrivées d’eau, évènements causant des délais sérieux de construction. Des données sur le débit de nappe vers le tunnel ont été collectées depuis le système de surveillance et leurs variations spatiales et temporelles analysées. Les résultats de l’analyse intégrée du débit de nappe et des précipitations locales indiquent que le débit augmente rapidement quand la précipitation cumulée excède 85 mm. On a trouvé que le taux de diminution du niveau de la nappe après un événement pluvieux est indépendante de l’intensité de la précipitation. Un modèle hydrogéologique conceptuel a été développé pour simuler à long terme le débit de nappe dans le tunnel. Une analyse de sensibilité a d’abord été conduite pour identifier les paramètres sensibles, puis le calage a été effectué par la méthode d’estimation paramétrique automatisée. Le modèle calé a alors été utilisé pour évaluer l’impact potentiel de l’excavation du tunnel sur le réservoir Feitsui; la pourcentage moyen de perte de flux entrant dans le réservoir Feitsui de 2006 à 2010 est estimé à 1.74 %. Le modèle développé peut fournir un outil pour préciser le cadre hydrogéologique régional et pour évaluer l’influence de la construction du tunnel sur les ressources en eau.

Resumen

El túnel Hsueh-Shan es el quinto túnel de carretero de mayor longitud en el mundo. Durante la excavación, el túnel se enfrentó con varios eventos de irrupción de agua subterránea, lo cual causó serios retrasos en la construcción. Los datos sobre la descarga de agua subterránea al túnel fueron reunidos mediante un sistema de monitoreo y se analizaron sus variaciones temporales y espaciales. Los resultados de los análisis integrados de la descarga de agua subterránea y la precipitación local indicaron que la descarga se incrementaba rápidamente cuando la lluvia acumulada excedía los 85 mm. Se encontró que la tasa de recesión del nivel de agua subterránea después de un evento de lluvia era independiente de la intensidad de la lluvia. Se desarrolló un modelo hidrogeológico conceptual para simular a largo plazo la descarga de agua subterránea hacia el túnel. El análisis de sensibilidad fue primero llevado a cabo para identificar los parámetros sensibles, y luego el proceso de calibración fue cumplimentado por el método de estimación automática de parámetros. El modelo calibrado fue luego usado para evaluar el impacto potencial de la excavación del túnel en el embalse Feitsui; el promedio de la pérdida porcentual de la entrada al embalse Feitsui desde 2006 a 2010 se estimó en 1.74 %. El modelo desarrollado puede proporcionar una herramienta para evaluar el marco hidrogeológico regional y la influencia de la construcción del túnel sobre los recursos de agua.

摘要

雪山隧道是世界第五长的公路隧道。在开挖的过程中,隧道遇到了几次地下水突水事件,导致了严重的建设延期。监测系统收集了地下水向隧道排泄的数据,本文对排泄的时空变化进行了分析。对地下水排泄和当地降水的综合分析的表明,当累积降雨量达到85 mm时,地下水的排泄量迅速增加。另外还发现,在一个降雨事件后,地下水的退水速率与降雨强度无关。文中建立了一个水文地质概念模型,模拟了地下水对隧道的长期排泄。首先进行了敏感性分析,确定了敏感参数,然后利用自动参数估计法完成了校正过程。校正后的模型可以用来评估隧道开挖对Feitsui含水层的潜在影响;据估计从2006年到2010年,Feitsui含水层的补给水量损失平均百分比估计为1.74 %。文中所建立的模型可以为评估区域水文地质条件和隧道建设对水资源的影响提供一种工具。

Resumo

O túnel de Hsueh-Shan é o quinto túnel rodoviário mais longo em todo o mundo. Durante a escavação foram encontrados vários eventos de irrupção de águas subterrâneas, causando graves atrasos na construção. Os dados sobre a afluência de água subterrânea ao túnel foram recolhidos a partir do sistema de monitorização, tendo sido analisadas as suas variações espaciais e temporais. Os resultados da análise integrada da descarga de águas subterrâneas e da precipitação local indicaram que a descarga aumentava rapidamente quando a precipitação cumulativa excedia os 85 mm. O coeficiente de recessão do nível das águas subterrâneas, após um evento de precipitação, foi considerado independente da intensidade da chuvada. Foi desenvolvido um modelo hidrogeológico concetual para simular a descarga de longo prazo das águas subterrâneas para o túnel. A análise de sensibilidade foi inicialmente conduzida para identificar parâmetros sensíveis e, em seguida, o processo de calibração foi realizado pelo método automático de estimação do parâmetro. O modelo calibrado foi então usado para avaliar o potencial do impacte da escavação do túnel na albufeira da barragem Feitsui; a percentagem média de perda de afluxo para a albufeira da barragem Feitsui, de 2006 até 2010, é estimada em 1.74 %. O modelo desenvolvido pode fornecer uma ferramenta para avaliar a configuração hidrogeológica regional e a influência da construção do túnel sobre os recursos hídricos.