6.3 Redox- og nitratforhold

Transkript

1 Prøvetagningsstrategien i ellogboringerne er udformet ud fra behovet for at kende redoxfrontens beliggenhed. I den oxiderede zone udtages der prøver med ca. m afstand, nær redoxfronten kan prøverne ligge tættere, og i det nederste reducerede del af magasinet er der op til m mellem vandprøverne. Der er dog ikke udtaget vandprøver fra lag, hvor formationen er for tæt til at lede vand til prøvetagningskammeret. Feltarbejde og metoder til prøvetagning af boringer Århus Amt har forestået arbejdet med at udtage vandprøver til analyse fra nyetablerede boringer og et mindre antal ældre pejle- og undersøgelsesboringer for at forbedre kendskabet til forholdene i grundvandsmagasinerne.»teknisk Anvisning for Grundvandsovervågning«er fulgt som grundlag for feltarbejdet. Herved er det sikret, at kvaliteten af de indsamlede data har en høj kvalitet, der svarer til den landsdækkende overvågning af grundvandet. edimentanalyser Der er udført sedimentkemiske analyser for nitratreduktionskapacitet og for arsen, som beskrevet i afsnit Redox- og nitratforhold I Århus Nord-området er der kun få vandværker, som er lukkede på grund af et for højt indhold af nitrat i drikkevandet (se kapitel 3, figur 3..a). De lukkede vandværker er koncentreret til områdets midterste og nordlige del i Hinnerup Kommune. Nitratbelastningen i området kan illustreres på to forskellige måder: dels ud fra grundvandets indhold af nitrat i vandprøver og dels ud fra farvebestemmelser af jordprøver, der afspejler oxidationsdybden. Ydermere kan jordlagenes nitratreduktionskapacitet kvantificeres ud fra sedimentanalyser af reducerende forbindelser. Nitrat i grundvandet Figur.3.a viser nitratindholdet i samtlige analyserede boringer i Århus Nord-området, bortset fra boringer på forurenede grunde og lossepladser. På figuren er nitratindholdet opdelt efter iltet grundvand ( boringer) og anoxisk/reduceret grundvand (13 boringer). Resultatet af den seneste analyse er vist på kortet. I iltet grundvand er nitratkoncentrationen den samme som udvaskningen fra marker mv. I anoxisk/reduceret grundvand er nitraten enten delvis reduceret eller helt fraværende, fordi jordlagene har omsat den udvaskede nitrat. Grundvand med nitrat, men uden ilt, kaldes anoxisk, mens grundvand uden ilt og nitrat kaldes reduceret grundvand. I iltet grundvand optræder nitrat i koncentrationer på helt op til knap 5 mg/l med en medianværdi på omkring mg/l. Det vil sige, at i mere end 5% af tilfældene, er grænseværdien (5 mg/l) for nitrat i drikkevand overskredet i det iltede grundvand. I anoxisk grundvand er det højest fundne nitratindhold på ca. 15 mg/l. Nitrat i grundvand mg/l <1 1-5 >5 <1 1-5 >5 Anoxisk og reduceret vand Iltet vand Århus Nord Figur.3.a. Nitrat i grundvandet i Århus Nord-området. Resultater fra seneste vandanalyse er vist. Dato for filudtræk: marts 3. 1

2 Redegørelse for grundvandsressourcerne i Århus Nord-området Reducerede lag over oxiderede lag i boringer Boringer Århus Nord Figur.3.b. Boringer, hvor der ud fra farvebeskrivelser af jordlagene, er observeret reducerede lag over oxiderede lag i Århus Nord-området. Reducerede jordlag beliggende over iltede jordlag Det er karakteristisk for store dele af området, at nitrat i nogle boringer findes i relativ stor dybde, men omvendt ikke er til stede i øvre reducerede lag tættere på jordoverfladen. Det fremgår af figur.3.b, som viser de boringer, hvor der ud fra farvebeskrivelser af jordlagene, er observeret reducerede jordlag over iltede jordlag. Fænomenet skyldes, at nedsivningen af nitrat ikke er lodret, men har et kompliceret strømningsmønster på grund af hete- Nitratfront meter under terræn < >3 Århus Nord Figur.3.c. Nitratfronten i Århus Nord-området, baseret på farvebeskrivelser af jordlagene fra boringsoplysninger.

3 rogen geologi med vekslende ler-, siltog sandlag. Nitratfrontens beliggenhed Jordlagenes evne til at fjerne nitrat afhænger af indholdet af reducerende stoffer som pyrit, jern og organisk stof. I gennemiltede lag, som findes tæt ved jordoverfladen, findes der ikke længere reducerende stoffer, der kan fjerne nitrat. Grænsen mellem øvre, nitratholdige jordlag og dybere reducerede, nitratfrie jordlag kaldes nitratfronten. Nitratfronten bevæger sig langsomt nedad efterhånden som de reducerende stoffer, der kan fjerne udvasket nitrat, opbruges i jordlagene. Informationerne om nitratfrontens beliggenhed bygger på farvebeskrivelser fra 3 brugbare boringer i Århus Nord. Kortet figur.3.c og fordelingen på figur.3.d samt tabel.3.a viser dybden til nitratfronten i alle disse boringer. Nitratfrontens beliggenhed varierer fra lige under terræn til op til 9 meter under terræn med en me- Udvaskning og reduktion af nitrat i grundvandet Når regnen rammer markerne, og overskudsnedbøren siver ned under rodzonen, vil den medføre opløste salte og gasser som nitrat og ilt. På sin vej gennem jordlagene vil nitrat kunne omsættes til frit kvælstof, hvis det rigtige geokemiske miljø er tilstede. Undergrundens sedimenter indeholder indlejret organisk stof, der som udgangspunkt giver et reduceret miljø, uden ilt og nitrat. I et reduceret miljø kan der også være pyrit tilstede (sulfat er reduceret til sulfid) og Fe(II)-forbindelser. Når ilt nitrat siver ned i jorden, iltes det indlejrede organiske stof, pyrit og Fe(II)-forbindelser. Nedtrængningsdybden for ilt og nitrat afhænger af: mængden af indlejrede reducerende stoffer, hvor meget ilt og nitrat, der siden istiden har været ført med grundvandet, om der har været umættede forhold, hvor atmosfærens ilt har været i stand til at ilte jorden. vandværkernes indflydelse på grundvandets strømningsforhold. Redoxgrænsens stabilitet Overgangen mellem det nitratholdige miljø (iltet og anoxisk zone) og det reducerede miljø, hvor opløst jern og mangan præger grundvandskvaliteten, kaldes nitratfronten (se figur). Ilt og nitrat reduceres ofte hurtigt sammenlignet med vandets strømningshastighed, og så er redoxgrænsen relativt skarp. Nitratreduktion er dog væsentlig langsommere end iltreduktion, og derfor ser man også flere steder, at nitrat trænger ind i det reducerede miljø, og skaber en anoxisk zone, der er udtryk for en stabil uligevægtssituation. I sandede områder med lav reduktionskapacitet, stor nitratudvaskning og stor grundvandsdannelse, kan mægtigheden af den anoxiske zone være adskillige meter. Omvendt med lerede områder, hvor den anoxiske zone kan være mere skarp på grund af en større reduktionskapacitet i sedimentet og relativ mindre grundvandsstrømning. Der vides i dag kun meget lidt om udbredelseshastigheden af den anoxiske, nitratholdige zone, idet man formoder, at den først for alvor er udviklet, efter at nitrat er blevet et vigtigere iltningsmiddel end ilt. Under naturforhold udgør ilt næsten 1% af oxidationsækvivalenterne, men når der udvaskes f.eks. 1 mg/l nitrat, vil der være gange flere oxidationsækvivalenter, og redoxgrænsen vil derfor teo- Grundvandsspejl Rød/gule jordlag Grå/sorte jordlag Iltet zone Anoxisk zone Reduceret zone Jern Nitratfront retisk set rykke gange hurtigere frem. Hvis bakterierne imidlertid ikke kan omsætte nitrat hurtigt nok i forhold til strømningshastigheden af grundvandet, breder nitrat sig endnu hurtigere frem i den anoxiske zone mellem de reducerede mineraler. Ved vandindvinding vil udbredelseshastigheden kunne øges yderligere på grund af en forceret grundvandsstrømning med stigende nitrat i drikkevandet til følge. Nitrat i grundvandet Grundvandets indhold af nitrat afhænger derfor af hvor dybt i grundvandsmagasinet vandprøven er udtaget. Nitratholdigt vand stammer altid fra den øvre iltede eller anoxiske del af grundvandsmagasinet. I modsætning hertil stammer nitratfrit vand oftes fra den nedre reducerede zone i grundvandsmasinet, da der altid vil være en vis nitratudvaskning fra alle typer arealanvendelser. Nitrat ofte større end 5 mg/l jern nitrat +jern Vandløb Udstrømmende grundvand 3

4 Redegørelse for grundvandsressourcerne i Århus Nord-området Procentfraktil Figur.3.d. Fordelingen af nitratfronten (m.u.t.) i Århus Nord, baseret på farvebeskrivelser af jordlagene fra boringsoplysninger. dianværdi på 7 meter under terræn. Nitratfronten har bevæget sig mere end 15 meter ned under terræn i % af de undersøgte boringer og i 9% af boringerne er nitratfronten mere end 3 meter under terræn (tabel.3.a). På grund af den meget heterogene geologi i Århus Nord-området kan nitratfrontens beliggenhed varierer meget selv indenfor korte afstande. Den største nedtrængningsdybde for nitrat (omkring 9 meters dybde) er fundet i Truelsbjergtruget, som i stor grad leverer vand til Truelsbjergværket. Her er samtidig en stor umættet zone. I de dybe dalkomplekser i området mellem Hinnerup og Grundfør og i den begravede Ristrup-Grundfør-Ødum-dal, er nitrat også trængt langt ned og nitratfrontens dybeste beliggenhed er på omkring meter under terræn. Nitratfronten Nitratfronten, m.u.t. Nitratfronten in (m.u.t.) aks (m.u.t.) 9 iddel (m.u.t.) 11 edian (m.u.t.) 7 Antal observationer (boringer) 3 % større end 7 m.u.t. 5 % større end 15 m.u.t. % større end 3 m.u.t. 9 Tabel.3.a. Nitratfronten i Århus Nord (m.u.t.). Baseret på farvebeskrivelser af jordlagene fra boringsoplysninger. Der er en uens datatæthed om nitratfrontens beliggenhed inden for det De tre vigtigste nitratreducerende stoffer i sedimenterne i undergrunden er pyrit, TOC og Fe(II). en er derfor her defineret som det reaktive indhold af pyrit, TOC og Fe(II). Det reaktive indhold vil være det totale indhold minus et inert indhold: = kemisk reaktive indhold = totale indhold inert indhold = indhold (reducerende) indhold (iltede) Enheden er reduktionsækvivalenter. Det totale indhold bestemmes som indholdet af pyrit, TOC og Fe(II) under reducerende forhold. Det inerte indhold af pyrit, TOC og Fe(II) bestemmes som indholdet målt under iltede forhold. Det inerte indhold målt under iltede forhold kan for eksempel skyldes indkapslet pyrit og især meget svært nedbrydeligt organisk stof i for eksempel hummusfraktionen. Betydningen af de 3 stoffer (pyrit, TOC og Fe(II)) for nitratreduktion vil variere fra område til område afhængig af de geologiske forhold. undersøgte område. For eksempel er der, i modsætning til områderne med begravede dale, få oplysninger om nitratfrontens beliggenhed på de omkringliggende tertiære lerplateauer, specielt i den vestlige del af området. om vist i forrige kapitel (afsnit 5.) viser undersøgelserne i Århus Nord, at der er stor overensstemmelse mellem de steder hvor nitratfronten er trængt dybt ned (>7 meters dybde) og de områder, hvor der er en dårlig grundvandsbeskyttelse på grund af en lille tykkelse (< 15 meter) af lerlagene i de øverste 3 meter. Dette er et meget vigtigt resultat for udpegningen af de sårbare områder i Århus Nord-områ- en af jordlagene er bestemmende for nedtrængningsdybden af nitratfronten. Når nitratreduktionskapaciteten er opbrugt i jordlagene vil grundvandet være iltet og nitratholdigt. I den anoxiske zone falder nitratreduktionskapaciteten med tiden, da nitraten er under omsætning. I den reducerede zone er nitratreduktionskapaciteten endnu ikke opbrugt og den oprindelige nitratreduktionskapacitet er intakt. Iltet zone +Nitrat +Ilt Anoxisk zone +Nitrat Ilt Nitratfront Reduceret zone Nitrat Ilt +Jern Inert Reaktiv TOC+pyrit+Fe(II)

5 det, da de to undersøgelsesmetoder er helt uafhængige af hinanden. I 5% af de undersøgte boringer er nitratfronten trængt mere end 7 meter ned (figur.3.d. og tabel.3.a.), hvilket altså også er de steder, hvor grundvandsbeskyttelsen er dårlig på grund af tynde lerdæklag. sedimentanalyser I forbindelse med udførelsen af snegleboringerne i kortlægningsområdet i Århus Nord er der udtaget sedimentprøver til kemisk analyse for nitratreduktionskapacitet. Der er ligeledes analyseret for arsen i de samme sedimentprøver (se afsnit.). Boringerne er placeret på de steder, hvor det tertiære ler ligger højt, hvilket også er de områder, hvor der sker en væsentlig grundvandsdannelse, der strømmer til de dybe grundvandsmagasiner i de begravede dalkomplekser (se placering på figur 5.3.e). Til bestemmelse af nitratreduktionskapaciteten blev sedimentprøvernes indhold af de reducerende stoffer: pyrit, TOC og Fe(II) analyseret (se boxen om nitratreduktionskapacitet). Analysemetoderne er nærmere beskrevet i afsnit 5.3. Figur.3.e viser snegleboringernes indhold af pyrit, TOC og Fe(II) i forskellige niveauer. På figuren er også afbilledet de geologiske lagserier og redoxforhold bestemt ud fra farvebeskrivelser af jordlagene. Det fremgår af figur.3.e og tabel.3.b, at indholdet af reducerende stoffer er højest under reducerende forhold og mindst under oxiderende forhold. Grunden, til at indholdet af reducerende stoffer ikke er nul under oxiderende forhold, skyldes, at en lille restdel er kemisk inert eller reagerer uhyre langsom i forhold til strømningshastigheden. Under reducerende forhold er der målt et middel indhold (vægt %) af pyrit, TOC og Fe(II) på henholdsvis,19%,,% og 1,3%, mens de tilsvarende værdier under oxiderende forhold er,%,,7% og,5%. Ligeledes er der et højere indhold af reducerende stoffer i de tertiære reducerede leraflejringer end i de sandede reducerede smeltevandsaflejringer. Analyserne viser, at der er en signifikant positiv sammenhæng mellem TOC og pyritindholdet i prøverne (r=,7, n=9). Dette indikerer, at pyrit er dannet i det marine tertiære ler ved sulfatreduktion af havvands høje sulfatindhold. Beregningerne viser desuden, at nitratreduktionskapaciteten i gennemsnit er op til ca. 5 gange højere i de vandstandsende tertiære og kvartære lerlag end i de vandførende kvartære lag. i erosionsrende, boring 1-31 (DGU nr. 7.9) Generelt er nitratreduktionskapaciteten relativ høj i de undersøgte boringer. Det skyldes hovedsagelig jordlagenes naturlige indhold af organisk stof, men også reduceret jern og pyrit. En undtalelse herfra er boring 1-31 (DGU nr. 7.9) vest for Haldum. Oxiderende forhold Reducerende forhold Pyrit TOC Fe II Pyrit TOC Fe II in,3,,19,3,9,71 aks,1, 1,1,7,91,5 iddel,,7,5,19, 1,3 edian,,15,5, 1,1 1,3 Antal prøver Tabel.3.b. Indholdet af pyrit, TOC og Fe II under oxiderende og reducerende forhold i snegleboringerne i Århus Nord. Enheden er vægt i %. Denne boring er domineret af sandede smeltevandsaflejringer. I de øvre iltede vandførende sandlag er nitratreduktionskapaciteten opbrugt, mens de nedre reducerede vandførende sandlag kun har en begrænset nitratreduktionskapacitet i forhold til de reducerede lag i de øvrige snegleboringer i Århus Nord. Boringen er beliggende i en erosionsrende på et højtliggende tertiært lerplateau. Her sker der en væsentlig grundvandsdannelse og tilledning af vand til de dybdere grundvandsmagasiner i de begravede dale. Vandanalyser fra filtre i boring 1-31 (DGU nr.7.9) dokumenterer, at der sker nitratreduktion mellem 15 m.u.t. (9 mg nitrat/l) og 35 m.u.t. (ingen nitrat). Da sulfat indholdet er uændret mellem disse to fi lterindtag indikerer dette også, at det ikke er pyrit som har reduceret nitraten, men sandsynligvis organisk stof, som sedimentanalyserne også viser. generelt I forhold til sårbarhedsvurderingen i Århus Nord-området, vægtes den relative høje nitratreduktionskapacitet af sedimentet, som er fundet i de undersøgte boringer (på nær boring 1-31, DGU nr. 7.9), ikke særlig højt. Det skyldes, at aflejringerne i området er meget forstyrrede, blandt andet fordi området gennemskæres af Den Østjyske Israndslinje. Den komplekse geologi i området betyder, at de hydrologiske forhold også er komplicerede. Der er mange geologiske vinduer, og nitratfrontens beliggenhed varierer inden for korte afstande. elv om sedimentet har en høj nitratreduktionskapacitet, er det derfor ikke sikkert, at der foregår en betydelig vandgennemstrømning igennem det pågældende lag. De hydrogeologiske forhold er derfor vigtige i sårbarhedsvurderingen af Århus Nord-området. 5

6 Redegørelse for grundvandsressourcerne i Århus Nord-området 7 1 Boring 1-, DGU nr Boring 1-9, DGU nr Boring 1-31, DGU nr Boring 1-3, DGU nr Boring 3-5, DGU nr ,5 1 1,5,5 DG G ,5 1 1,5,5 O 3 DL 3,5 1 1,5,5

7 Boring 3-, DGU nr Boring 3-7, DGU nr. 7.91,5 1 1,5,5 I Figur.3.e. en (vægt %) i snegleboringerne (placering ses på figur 5.3.e) bestemt ved indholdet af pyrit, TOC og Fe(II) i sedimentprøver. Ligeledes er vist de geologiske lagserier og redoxforhold (bestemt ud fra farvebeskrivelser af jordlagene) i hver boring. 1,5 1 1,5,5 9 Boring 3-, DGU nr TL TL 1 Fe Redoxforhold ,5 1 1,5,5 L L Pyrit (%) Iltet lag TOC (%) Reduceret lag LITHOGI ILT AND-TEN ULD FEDT LER LER Pattern=Periode TERÆR 7