VARIGHED AF FORURENING MED KLOREREDE OPLØSNINGSMIDLER I GRUNDVANDET PÅ FREDERIKSBERG

Transkript

1 VARIGHED AF FORURENING MED KLOREREDE OPLØSNINGSMIDLER I GRUNDVANDET PÅ FREDERIKSBERG Civilingeniør Camilla Kjær Frederiksberg Kommunes Plan- og Miljøafdeling Civilingeniør, ph.d. Flemming Damgaard Christensen Geolog Johanne Urup Civilingeniør, kemi, Kim Haagensen Rambøll ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET marts 2007

2

3 RESUMÉ Vandindvinding i bynære områder er typisk truet af en lang række potentielle forureningskilder herunder forurening med klorerede opløsningsmidler. Disse forureningskilder er opstået i relation med den industrielle udvikling og omfatter både punktkilder og kilder af mere diffus karakter. Denne artikel omhandler en metode til vurdering af varigheden af klorerede opløsningsmidler i indvindingsvandet til Frederiksberg Forsyning. Metoden udgør sammen med Frederiksberg Kommunes massive grundvandsovervågning, kortlægningsarbejde samt afværgeforanstaltninger mv. et godt redskab til at sikre den fremtidige vandindvinding - også i et så tæt bebygget område som Frederiksberg. BAGGRUND Frederiksberg Forsynings indvindingsboringer er alle placeret i tæt bebygget område i Frederiksberg Kommune samt i Københavns Kommune tæt på grænsen til Frederiksberg Kommune. Oplandet til Frederiksberg Forsynings indvindingsboringer indeholder derfor mange potentielle kilder til forurening af grundvandet, herunder klorerede opløsningsmidler. Der indvindes årligt 2,5 mio. m 3 vand til produktion af drikkevand fra disse boringer, og siden 1987 har der været påvist klorerede opløsningsmidler i boringerne til Frederiksberg Forsyning, se figur 1. Der har derfor været udført og udføres stadig en ihærdig indsats mod forureningskilderne indenfor oplandet til forsyningsboringerne, herunder afværgeforanstaltninger, monitering af grundvandet samt en ændring af indvindingsstrategien i På trods af dette, er det stadig nødvendigt at foretage aktiv kulfiltrering på vandværket, inden vandet sendes ud til forbrugerne. På sigt ønskes det at levere drikkevand uden brug af aktiv kul og det er derfor ønskværdigt at have et troværdigt bud på varigheden af klorerede opløsningsmidler i indvindingsvandet. Koncentration (µg/l) ,2 dichlorethan (1,2-DCA) Cis-1,2-dichlorethylen(Cis-1,2-DCE) Triclorethylen (TCE) Sum koncentration Figur 1. Udvikling i klorerede opløsningsmidler i indløb til kulfilter efter alm. vandbehandling.

4 FORMÅL Formålet med projektet har således været at belyse og tilvejebringe viden omkring forureningen med klorerede opløsningsmidler på Frederiksberg og foretage en risikovurdering af, hvor stort et problem klorerede opløsningsmidler fremadrettet forventes at være i forhold til indvinding af drikkevand på Frederiksberg. Varigheden af klorerede opløsningsmidler er i projektet defineret, ved en øvre grænse og en nedre grænse for summen af koncentrationen af klorerede opløsningsmidler. Ved disse grænser antages det, at klorerede opløsningsmidler ikke udgør noget problem mere. Den øvre grænse er sat til 1,0 µg/l, hvilket skyldes, at kvalitetskriteriet for enkeltstoffer er på 1 µg/l i drikkevand, mens den nedre grænse er sat til 0,3 µg/l og er sat i forhold et strengere krav for indholdet af vinylklorid. STRATEGI OG METODE Det er komplekst at vurdere varigheden af forureningen med klorerede opløsningsmidler, specielt fordi der på Frederiksberg findes mange forureningskilder, og der en lang række faktorer, som påvirker varigheden f.eks. transportveje fra jord til grundvand (geologi), muligheder for nedbrydning (redoxforhold), antal kendte forureningskilder, ukendte forureningskilder, kildestyrker, alder på forurening, nedbør og befæstningsgrad (nedsivningshastigheder), strømning i grundvandsmagasinet og vandindvinding. Den overordnede strategi til vurdering af varigheden af klorerede opløsningsmidler i indvindingsvandet til Frederiksberg Forsyning har fulgt fire faser: I) Indsamle teoretisk viden omkring opløsningsmidlernes nedbrydning og transport og herefter at indsamle eksisterende viden omkring hydrogeologi og redoxforhold indenfor oplandene til Frederiksberg Forsynings boringer. II) Indsamle eksisterende viden om forureningskilderne i oplandet til Frederiksberg Forsyning, samt foretage en vurdering af stofmasse ved kildeområderne og aldre af forureningerne. III) Udvikle en kildestyrkemodel, som beregner stofflux (kg/år) af klorerede opløsningsmidler til grundvandet som funktion af tiden ved hjælp af information fundet i I) og II). IV) Stoffluxen beregnet i III) anvendes som inddata til den kalibrerede og validerede grundvandsmodel opstillet i MIKE SHE systemet, som dækker en periode fra Stofmodellen kalibreres ved at justere på stoffluxen, således at modellens koncentrationsniveauer rammer de observerede koncentrationer på vandværket og i indvindingsboringer. Hydrogeologiske og redoxforhold De geologiske forhold i oplandet til indvindingsboringerne er beskrevet i den geologiske model for Frederiksberg og København /2/. Generelt ses et kvartært dæklag over kalken på mellem 10 og 20 m. I den nordlige del af området ved Bellahøj er dæklaget noget tykkere, op til 50 m, og i den sydlige område ved Søndermarken op til 40 m. Det kvartære dæklag består primært af moræneler, men i visse områder består dæklaget overvejende af sandede aflejringer, f.eks. i den nordøstlige del af Frederiksberg Kommune. Frederiksberg Forsynings

5 indvindingsboringer er alle etableret i Carlsbergforkastningen, som løber nordvest-sydøst igennem Frederiksberg Kommune, se figur 2. Det primære magasin består af kalk og smeltevandssand/grus aflejret oven på kalken, og der er generelt ingen sammenhængende sekundære sandmagasiner. Vest for forkastningszonen består grundvandsmagasinet af bryozokalk og øst for zonen af københavnerkalk. Redoxforholdene er generelt svagt reducerede i det primære grundvandsmagasin, og der ses ingen geografisk zonering af forholdene. Det vurderes derfor, at der ikke er grundlag for en zonering af nedbrydningen i det primære magasin. e BrønshøjBellahøj Degnemosen Grøndals Å FF4 FF3 FF2 F5(1) Utterslev Lersøparken FF5 FF1 Bispebjerg Søndermarken Nørrebro Fælledparken Nørrevold Vestervold Vesterbro meter Isla Vigerslev Estimerede størrelser af kilder indlagt i model Lille (50) Moderat (34) Mellemstor (26) Stor (13) Valby FF1 Indvindingsboring Primære boringer Zone for Carlsbergforkastning Kommunegrænse Lokal modelrand Figur 2. Oversigtskort med Frederiksberg Forsynings indvindingsboringer samt kortlagte lokaliteter, der er indlagt i modellen

6 Forureningskilder og kildestyrkemode På Frederiksberg, som ved andre byområde, er der en lang række potentielle forureningskilder med klorerede opløsningsmidler. Disse kilder er opstået i relation med den industrielle udvikling, og kan derfor i visse tilfælde føres helt tilbage til starten 1950 erne. Det antages, at tilgangen af nye kilder stopper omkring 1990 erne, grundet strammere miljølovgivning og udfasningen af den brede anvendelse af klorerede opløsningsmidler. Kilderne omfatter både punktkilder og kilder af mere diffus karakter. Frederiksberg Kommunes miljøafdelings arbejde med at opspore forureningskilder omfatter både historisk kortlægning af aktiviteter og tekniske undersøgelser af potentielle forureningskilder. Resultaterne af det gennemførte kortlægningsarbejde registreres i en database med oplysninger om placering, aktivitet og konstateret forurening for en lang række ejendomme på Frederiksberg, og hos Miljøkontrollen findes en tilsvarende database for kilder i Københavns Kommune. Datamængden i dette projekt er reduceret til at omfatte ejendomme, hvor der i kortlægningsgrundlaget er dokumenteret en forurening med klorerede opløsningsmidler i jord, eller hvor der i grundvand er påvist en forurening med klorerede opløsningsmidler. Datamængden er på denne baggrund reduceret til i alt 123 ejendomme, der omfatter ejendomme indenfor og i umiddelbar nærhed af oplandet til Frederiksberg Forsynings boringer, jf. figur 2. Der er herefter foretaget en grundig vurdering af stofmassen i udvalgte kildeområder på et begrænset antal ejendomme, og der er dernæst ekstrapoleret til de øvrige kildeområder, baseret på tilgængelige oplysninger om branche/aktivitet, driftsperiode og evt. undersøgelsesresultater. Generelt er det i de gennemgåede forureningsundersøgelser konstateret, at massen af stof i en given forureningskilde er i en størrelsesorden kg klorerede opløsningsmidler. Det er i forbindelse med dette projekt vurderet, at en stofmasse væsentligt under 1 kg ikke udgør en større grundvandsrisiko, og på denne baggrund er massen af stof i kildeområderne estimeret til en af følgende størrelsesordener 1 kg, 10 kg, 25 kg og 100 kg. På figur 2 ses de kilder, som er medtaget i modellen, og i hvilken størrelsesorden kildestyrken er vurderet. Der er udviklet en analytisk metode til estimering af kildestyrken fra kilderne i oplandet til grundvandet. Modellen inddrager den geologiske opbygning, infiltrationen og massen i kilden, og den er opbygget med tre bokse; en terrænnær boks af morænelerjord, der indeholder kilden, samt to underliggende bokse med henholdsvis moræneler og sand af varierende mægtigheder. Stoffordelingen mellem faserne jord, porevand og poreluft er baseret på beregningsmodellerne i JAGG. I den underliggende boks af moræneler er der medregnet en nedbrydning af stof med en nedbrydningshastighed på 0,005 d -1. Nedbrydningen er medtaget som en fuldstændig nedbrydning og alene knyttet til boksen af moræneler, idet reduktionskapaciteten og dermed potentialet for nedbrydning er væsentlig større i lerjord end i sandjord. På baggrund af de gennemførte vurderinger af størrelsesorden af stofmassen i et kildeområde, er der for hver enkelt forureningskilde overført en tidsmæssig variation af stoffluxen til den mættede zone i grundvandsmodellen. Starttidspunktet for kilden er skønnet ud fra aktivitetens start og driftsperiode. Grundvandsmodel Princippet i modelkonceptet er vist på figur 3, hvor den analytiske vurdering af kildestyrken bygger på tre-boks modellen, som giver en stofflux til den mættede zone. Transporten i den

7 mættede zone udføres derefter i en lokal grundvandsmodel opstillet i MIKE SHE-systemet. Stoftransportmodellen er en ækvivalent porøs medium model, hvor det antages, at transporten i opspækket kalk kan beskrives ved et sæt effektive parametre. Det er valgt at anvende en effektiv porøsitet for kalken på 15 %, som er en blanding af spækkeporøsitet og matricens porøsitet. Figur 3. Overordnet transportvej fra kilde til indvindingsboring. Modelkørslerne er opdelt i 3 faser Fase I repræsenterer perioden før 1990 og køres med årlig variation af indvinding og konstant nettonedbør Fase II køres med varierende klimadata. Modellen køres dels som en kvasistationær model med årlig variation af indvinding og som en dynamisk model med månedlig indvindingsdata. Fase III repræsenterer perioden 2005 og frem, og køres som en stationær model med konstant nettonedbør og indvindinger svarende til tilladelserne til Frederiksberg Forsyning (2,5 mio. m 3 ) Fase I og II udgør kalibreringsfase, hvor de simulerede koncentrationer i blandingsvandet på vandværket, samt i hver af de aktive indvindingsboringer i perioden 1988 til 2005, sammenholdes med det faktisk målte indhold af klorerede opløsningsmidler i samme periode. Modellen kalibreres primært ved at variere den stofflux, som introduceres i den mættede grundvandszone under forureningslokaliteterne. Variationer holdes på et niveau, hvor den resulterende stofflux antager realistiske værdier i forhold til den viden, der foreligger om forureningslokaliteterne. Efter, at modellen er kalibreret til et tilfredsstillende niveau, og er i stand til at simulere udviklingen i indholdet af klorerede opløsningsmidler i indvindingsboringerne, udføres en prædikativ simulering.

8 RESULTATER Der præsenteres kun den endelige kalibrerede model med og uden nedbrydning. I modellen med nedbrydning er der anvendt en 1. ordens nedbrydningskonstant på dag -1 svarende til en halveringstid på 19 år. Konstanten beskriver ikke kun fjernelse af moder stoffet, men hele nedbrydningskæden helt ned til total mineralisering. Resultaterne i denne artikel vises på gennembrudskurver, men ved præsentation på mødet vil der blive vist en kort film, som illustrerer den tidslige udvikling af foreningsfaner mod indvindingsboringerne. Kalibrering og modelresultater for fase I og II På figur 4 er vist de simulerede sum af koncentrationer for modellerne med og uden nedbrydning samt for den dynamiske model med nedbrydning, sammenholdt med målte værdier. Det ser umiddelbart ud til, at modellen overestimerer koncentrationen i blandingsvandet omkring , inden der observeres en tendens til en stigning af målte koncentrationer af klorerede opløsningsmidler omkring Mellem 2002 og 2003 simulerer modellen uden nedbrydning en topkoncentration på næsten 6µg/l, mens den kvasi-stationære og dynamiske model med nedbrydning simulerer en lavere topkoncentration. Ingen af modellerne rammer den høje målte sum af koncentrationer på 9 µg/l i marts For at analysere modelresultaterne nærmere ses der på de indvindingsboringer, som bidrager til blandingsvandet på vandværket. Her i artiklen ses der kun på boringerne FF2 og F5(1), som er beliggende meget tæt ved hinanden, og F5(1) har hovedsageligt indvindingsopland mod kommunegrænsen mod syd, se figur 2. Sammenligningen af modellerede og målte koncentra-tioner for de andre indvindingsboringer kan ses i /1/, hvor der er en bedre overensstemmelse end for FF2 og F5(1). Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i indløb Simuleret sum. konc. Simuleret sum. konc. (inkl nedbrydn) Dynamisk simuleret sum. konc. (inkl nedbrydn) Figur 4. Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i blandingsvand sammenholdt med målte værdier Figur 5 viser, at modelsimuleringerne rammer koncentrationsniveauet i indvindingsvandet fra boring F5(1) for lavt, idet de simulerede koncentrationer kun kommer op på ca. 10 µg/l, mens de målte koncentrationer af klorerede opløsningsmidler ligger mellem µg/l. For indvindingsboring FF2 på figur 6 er de simulerede værdier mellem 2-5 µg/l i perioden , mens det målte niveau fluktuerer mellem 0,5-9 µg/l med en ganske stor spredning. Der

9 er en del høje målte værdier i størrelsesorden 7-9µg/l, hvilket hænger sammen med en lavere indvinding i F5(1) i samme periode. F5(1) virker således som en form for beskyttelse af indvindingen i FF2, hvilket for den gældende periode ikke simuleres særlig godt af modellen. Dette skyldes igen, at modelsimuleringer beregner for lave koncentrationer i F5(1), og effekten er derfor mindre i modellen. Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i boring F5(1) Simuleret sum. konc. i F5(1) Simuleret sum. konc. i F5(1) (inkl nedbrydn) Dynamisk simuleret sum. konc. i F5(1) (inkl nedbrydn) Figur 5. Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i F5(1) sammenholdt med målte værdier Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i FF2 Simuleret sum. konc. i FF2 Simuleret sum. konc. i FF2 (inkl nedbrydn) Dynamisk simuleret sum. konc. i FF2 (inkl nedbrydn) Figur 6. Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i FF2 sammenholdt med målte værdier Selvom indvindingen i F5(1) generelt bidrager med en mindre vandmængde til Frederiksberg Forsyning end boringerne FF1 og FF2, giver den i modellen næsten samme massebidrag af klorerede opløsningsmidler til blandingsvandet som FF2 med en større indvinding. Da modellen klart simulerer alt for lave koncentrationer i F5(1) sammenholdt med de målte koncentra-

10 tioner, vil koncentrationen i blandingsvandet i virkeligheden være endnu mere styret af indvindingsstrategien for F5(1). Fra kalibreringssimuleringerne må det konkluderes, at selvom kildestyrkerne mod syd (har været justeret kraftig op i kildestyrkemodellen) har det ikke været nok til at ramme de meget høje koncentrationer i F5(1). Det er derfor sandsynligt, at der er ukendte kilder syd for FF2 mod grænsen til Københavns Kommune. Modellen er derfor et godt værktøj til den videre kildeopsporing og til at nærmere analysere den mulige beliggenhed og styrke af disse kilder sammen med en egentlig kortlægning. Varighedsvurdering fra modelsimulering På figur 7 er koncentrationen af klorerede opløsningsmidler vist i blandingsvandet for simuleringen med og uden nedbrydning, og på samme figur er kvalitetskriteriet 1 µg/l vist som øvre kriterium og 0,3 µg/l som nedre kriterium. For simuleringen uden nedbrydning kommer koncentrationen under 1 µg/l omkring år 2085 og under 0,3 µg/l omkring år 2103, mens for simuleringen med nedbrydning giver henholdsvis år 2075 og år 2091 for kravene 1 µg/l og 0,3 µg/l. Der sker således en reduktion af varigheden på ca. 10 år, hvis nedbrydningen medtages. I disse prædikative varighedskørsler er F5(1) taget ud af drift, hvilket skyldes en ny indvindingsstrategi hvor der indvindes fra 5 indvindingsboringer FF1-FF5 i stedet for kun FF1, F5(1) og FF2. Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i indløb Simuleret sum. konc. Simuleret sum. konc. (inkl nedbrydn) Kvalitetskriterie-Klorerede opl., enkeltstof Kvalitetskriterie-Vinylklorid Figur 7. Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i blandingsvand For fase I og II kørslerne havde nedbrydningen i det primære magasin en mindre betydning, hvilket skyldes en mindre opholdstid i magasinet af de klorerede opløsningsmidler, som har givet responsen i indvindingsboringerne i kalibreringsperioden. For den prædikative periode får kilder, som befinder sig længere væk fra indvindinger, en større betydning for koncentrationsudviklingen i indvindingen. Derved vil nedbrydningshastigheden af de klorerede

11 opløsningsmidler have en større betydning på varigheden, hvilket undersøges nærmere ved at se på koncentrationerne i de enkle indvindingsboringer FF1 FF5. I denne artikel vises kun resultaterne fra FF3 og FF5 (se figur 8 og 9). For FF1 og FF2 var der kun mindre forskelle mellem koncentrationsudviklingen for simulering med og uden nedbrydning, hvilket skyldes, at disse indvindinger modtager klorerede opløsningsmidler fra kilder med en relativ kort transporttid i magasinet. For indvindingsboringerne FF3, FF4 og FF5 er der ganske stor forskel i resultatet med og uden nedbrydning, hvilket indikerer, at de klorerede opløsningsmidler til disse indvindinger har haft en længere opholdstid i magasinet og sandsynligvis hidrører fra forureningskilder beliggende langt væk fra oppumpningerne. Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i FF3 Simuleret sum. konc. i FF3 Simuleret sum. konc. i FF3 (inkl nedbrydn) Figur 8. Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i FF3 Sum af koncentrationer (µg/l) Målt sum konc. i FF5 Simuleret sum. konc. i FF5 Simuleret sum. konc. i FF5 (inkl nedbrydn) Figur 9 Simuleret sum af koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i FF5 Boringerne FF1 og FF5 ligger ganske tæt ved hinanden i den nordlige del af Frederiksberg Kommune, men da oplandet er forskelligt, hentes vandet fra forskellige områder af magasinet. Maksimum koncentrationer i FF5 simuleres omkring , mens det for FF1 sker

12 omkring For FF5 rammer modellen det observerede niveau omkring 2005, men stiger derefter kraftigt. Dette kan kun verificeres ved at følge udviklingen i de kommende år. For FF3 og FF4 er der en betydelig forskel mellem simuleringen med og uden nedbrydning, hvilket igen indikerer længere opholdstider for de klorerede opløsningsmidler end ved FF1 og FF2. FF3 og FF4 er nyere indvindingsboringer og påvirker derved strømningsmønsteret væsentligt i forhold til situationen før Indvindingen trækker vestlige forureningsfaner over mod de to indvindingsboringer. Afstanden til disse kilder er relativ stor, hvilket stemmer overens med, at nedbrydning har en større betydning til trods for en halveringstid på 19 år. VURDERING OG KONKLUSION Hovedformålet med opgaven har været at give et bud på, hvornår der ikke længere forventes at være forhøjede koncentrationer af klorerede opløsningsmidler i Frederiksberg Forsynings indvindingsboringer. Konklusioner for dette er følgende: Ud fra den nuværende viden og modelkørslerne vurderes, at der vil gå mere end 50 år, før problemet med forhøjet indhold af klorerede opløsningsmidler i indvindingsboringerne er forsvundet. Modelsimuleringerne estimerer, at blandingsvandet fra de 5 indvindingsboringer vil have indhold under 1 µg /l for sum af klorerede opløsningsmidler omkring år alt efter nedbrydningsforholdene. Metoden har sammen med modellen vist sig som et godt værktøj til vurdering af varigheden af forurenede stoffer i indvindingsboringer, og som forventet er det fundet, at den største usikkerhed hidrører fra kildestyrkerne. I metoden er kildestyrkerne indgået som en kalibreringsfaktor med godt resultat. Dog viser modellen, at der må eksistere sydligt beliggende ukendte kilder eller kilder med en højere styrke end umiddelbart forventet ud fra data fundet i databaserne. Modellen vil være et godt værktøj til yderligere kildeopsporing og til at optimere grundvandsovervågning, som Frederiksberg Kommune i fremtiden forsat vil have i højsæde. Det er i projektet fundet, at man i fremtiden i højere grad bør fokusere på massebetragtninger og fluxen til grundvandsmagasinet ved forureningsundersøgelser. På baggrund af den viden, som indsamles ved feltundersøgelser og lign., estimere størrelsen af kilden i kg, vurdere den lokale befæstningsgrad mht. fluxen af kilden samt om muligt undersøge redoxforhold. Dette kan give godt bud på fluxen, herunder indenfor hvilket interval fluxen kan forventes at variere. Denne information er meget anvendelig ved modelkalibreringen og den efterfølgende varighedssimulering og usikkerhedsanalyse på varighedsvurderingen. REFERENCER /1/ Frederiksberg kommune. Klorerede opløsningsmidler, Varighed med klorerede opløsningsmidler, Foreløbig udgave. Januar 2007, Rambøll /2/ Københavns kommune og Frederiksberg kommune. Hydrologisk model for København og Frederiksberg, Opstilling og anvendelse af en integreret hydrogeologisk model for Københavns kommune og Frederiksberg kommune. December 2006, Rambøll