Kortlægning af grundvandstyper i Københavns Amt

Transkript

1 Kortlægning af grundvandstyper i Københavns Amt John Flyvbjerg, NIRAS Allan Pratt, NIRAS Lars Kyhnau Hansen, Københavns Amt Mehran Vahman, Københavns Amt Indledning Det geokemiske miljø i et grundvandsmagasin har stor betydning for magasinets sårbarhed over for den menneskeskabte forureningspåvirkning fra jordoverfladen. Dette hænger sammen med, at nedbrydeligheden af mange almindeligt forekommende forureningskomponenter er helt afhængig af redoxforholdene i grundvandet. Det er for eksempel velkendt, at nitrat ikke nedbrydes i iltet grundvand, men derimod hurtig omsættes under iltfri forhold. For mange pesticider og andre miljøfremmede organiske stoffer forholder det sig lige omvendt, dvs. mulighederne for nedbrydning er bedst i iltholdigt grundvand. For klorerede opløsningsmidler går nedbrydningen derimod først i gang under stærkt reducerede, metandannende forhold, osv. Det er således klart, at kendskab til udbredelsen af vandtyper med forskellige redoxforhold i grundvandsmagasinerne er en forudsætning for, at man kan kortlægge grundvandsressourcens sårbarhed overfor forskellige typer af forurening. På denne baggrund har Københavns Amt besluttet at inddrage grundvandets redoxforhold som én af tre hovedparametre i den igangværende sårbarhedskortlægning af amtets grundvandsressource (de øvrige hovedparametre er grundvandsdannelse og akkumuleret lerlagstykkelse over grundvandsmagasinet, se i øvrigt Københavns Amt (2000)). I den indledende fase, hvor formålet er at skabe et overblik over den naturlige beskyttelse af amtets grundvandsressource, er der i efteråret 2000 lavet en kortlægning af redoxforholdene i det regionale kalkmagasin, hvorfra vandindvindingen i amtet foregår. Kortlægningen er lavet på basis af eksisterende grundvandskemiske data, registrerede i amtets grundvandsdatabase. Udgangspunktet for redoxkortlægningen har været systemet til klassifikation af vandtyper, beskrevet i Miljøstyrelsens zoneringsvejledning (Miljøstyrelsen, 2000). I forbindelse med kortlægningen fandt vi dog, at det var hensigtsmæssigt, at forenkle klassifikationssystemet, således, at man ved en hurtig og forholdsvis simpel fremgangsmåde kunne danne sig et overblik over redoxtilstanden i grundvandet fra et stort antal boringer. I denne artikel præsenteres fremgangsmåden og dens fordele og begrænsninger diskuteres. Bestemmelse af grundvandets redoxforhold Redoxforholdene i et grundvandsmagasin kan bestemmes på basis af grundvandets indhold af redoxfølsomme stoffer eller redoxparametre, som de ofte kaldes. De redoxfølsomme stoffer omfatter ilt, nitrat, mangan, jern, sulfat, svovlbrinte, metan og ammonium. Desuden kan man inddrage forvitringsgraden, der beskriver 1

2 forholdet mellem grundvandets hårdhed og alkalinitetsniveau, idet denne størrelse i et vist omfang også afspejler redoxforholdene. Figur 1 illustrerer skematisk den dybdemæssige udbredelse af forskellige redoxzoner i et grundvandsmagasin, og hvorledes koncentrationen af forskellige redoxfølsomme stoffer varierer i zonerne. På figuren er endvidere angivet den vandtypebetegnelse, som i er knyttet til grundvand fra de forskellige redoxzoner. Figur 1: Teoretisk fordeling af redoxaktive komponenter i grundvand som funktion af dybden og relateret til redoxzoner og vandtyper (efter GEUS (1995)). Det fremgår af figur 1, at det primære karakteristika ved oxideret grundvand fra iltzonen er dets indehold af opløst ilt (O 2 ). Oxideret grundvand fra nitratzonen indeholder ikke ilt, men nitrat (NO 3 - ). I jern- og sulfatzonen foregår der både jernreducerende processer, hvorved grundvandet tilføres opløst jern (Fe 2+ ), og sulfatreducerende processer, hvilket manifesterer sig ved faldende indhold af sulfat (SO 4 2- ), og dannelse af svovlbrinte (H2 S). Den dannede svovlbrinte udfælder med opløst jern, hvilket fører til et fald i grundvandets indhold af jern. Hvis alt den opløste jern udfælder, mens der stadig er sulfat tilstede, kan der ophobes svovlbrinte i grundvandet. Når sulfaten er ved at være opbrugt fra grundvandet markerer det overgangen til stærkt reducerede forhold, som udover det lave sulfatindhold er karakteriseret ved tilstedeværelsen af metan (CH 4 ) i metanzonen. 2

3 Det skal bemærkes, at nogle af de viste redoxzoner på figur 1 kan underinddeles yderligere. I praksis er en sådan findeling dog sjældent mulig med den type grundvandskemiske data, som udgør det normale grundlag for en overordnet redoxkortlægning ( råvandsanalyser fra boringskontrol på vandværker m.v.). For en mere uddybende beskrivelse af grundvandets redoxforhold og -dynamik kan i øvrigt henvises til bl.a. GEUS (1995), Appelo og Postma (1999) samt Christensen et al. (2000). Klassifikationssystem for grundvandstyper i henhold til Miljøstyrelsens vejledning i zonering Den af Miljøstyrelsen foreslåede vandtypeinddeling er vist i tabel 1. Tabel 1: Miljøstyrelsens klassifikationstabel (efter Miljøstyrelsen, 2000) Parameter Enhed Vandtype Iltzonen Nitratzonen Jern- og sulfatzonen Metanzonen O 2 mg/l > 1 < 1 < 1 < 1 NO 3 mg/l > 1 > 1 < 1 < 1 Fe mg/l < 0,2 > 0,2 > 0,2 > 0,2 SO 4 mg/l > 20 > 20 > 20 < 20 CH 4 mg/l < 0,1 < 0,1 < 0,1 > 0,1 *(Ca+Mg)/HCO 3 - > 1 > 1 < 1 < 1 *: Ved beregning af forvitringsindekset bruges enheden milliækvivalenter pr. liter Som det fremgår af tabellen skelnes der mellem 4 forskellige vandtyper på basis af grundvandets indhold af ilt, nitrat, jern, sulfat, metan samt forvitringsindekset (Ca + Mg)/HCO 3 ). De valgte redoxparametre og koncentrations-grænserne mellem de forskellige vandtyper giver umiddelbart anledning til flg. kommentarer: Der er ofte betydelig usikkerhed forbundet med rutinemæssige analyser af grundvandets iltindhold, hvilket også er nævnt i zoneringsvejledningen (Miljøstyrelsen, 2000). Kontaminering af prøverne med atmosfærisk ilt i forbindelse med prøvetagningen bevirker således, at der ofte forekommer falske positive iltindhold i prøver, som reelt er iltfrie. Af denne grund bør målinger af grundvandets iltindhold, som er udført i forbindelse med den almindelige boringskontrol, ikke tillægges afgørende betydning i forbindelse med vandtypebestemmelsen. Ud fra tabel 1 skulle det være muligt at skelne mellem vand fra iltzonen og vand fra nitratzonen på basis af jernindholdet. Det er således angivet i tabellen, at jernindholdet er mindre en 0,2 mg/l i iltzonen og større end 0,2 mg/l i nitratzonen. Dette er imidlertid hverken i overensstemmelse med jerns opløselighedsegenskaber eller praktiske erfaringer, som viser, at ved de ph 3

4 værdier, som normalt forekommer i grundvand, optræder signifikant forhøjede jernindhold først, når der ikke længere er nitrat i grundvandet (dvs. først i jernog sulfatzonen). Den valgte koncentrationsgrænse på 0,2 mg/l forekommer også lav, idet der ofte måles jernindhold på op til 1 mg/l i ilt- og/eller nitratholdigt grundvand fra vandværksboringer. Dette skyldes bl.a., at det indvundne råvand i større eller mindre omfang ofte består af en blanding af forskellige vandtyper fra magasinet. Den jernkoncentration, som i praksis kan anvendes til at adskille grundvand fra ilt- og nitratzonen og grundvand fra de mere reducerede vandtyper, ligger således nærmere omkring 1,0 mg jern/l, hvilket data fra denne undersøgelse, som det senere vil fremgå, da også synes at bekræfte Ifølge tabel 1 skulle grundvand fra jern- og sulfatzonen være karakteriseret ved et forvitringsindeks mindre end 1,0. Dette er ikke korrekt, tværtimod er forvitringsindekset i denne vandtype større end 1,0. Dette kommer især til udtryk i Københavns Amt, hvor grundvandskemien er præget af udbredt pyritoxidation, hvilket bl.a. viser sig ved et forhøjet forvitringsindeks i både ilt-, nitrat og jernog sulfatzonerne. Datagrundlag for kortlægningen i Københavns Amt De grundvandskemiske data, som er anvendt i redoxkortlægningen, stammer fra råvandsanalyser fra indvindingsboringer, moniteringsboringer m.v. Størstedelen af boringerne er filtersatte i det regionale magasin, hvorfra langt hovedparten af vandindvindingen i Københavns Amt foregår. Magasinet udgøres af kalkens topzone og overliggende sand/gruslag i direkte hydraulisk kontakt med kalken. Da mange af boringerne er filtersatte over flere meter, kan det ikke udelukkes, at de grundvandskemiske data i et vist omfang repræsenterer blandinger af forskellige vandtyper, og at kortlægningen som en konsekvens heraf nogle steder afspejler grundvandsmagasinets gennemsnitlige redoxtilstand. Data er indhentet fra amtets grundvandsdatabase, og omfatter de råvandsanalyser, som var registrerede hér i foråret For hver boring med vandkemiske data er der fra databasen foretaget udtræk af gennemsnittet af de registrerede analyseresultater for en given redoxparameter i perioden Ved at anvende gennemsnittet over en 5 års periode opnås der et større datagrundlag for kortlægningen end hvis der eksempelvis kun blev anvendt data for et enkelt år, idet ikke alle boringer analyseres hvert år. Samtidig foregår ændringer i grundvandets kemiske sammensætning normalt så langsomt, at det er rimeligt at anvende et 5-års gennemsnit som grundlag for kortlægningen. Ved hjælp af denne fremgangsmåde blev der indhentet grundvandskemiske data for i alt 518 boringer i Københavns Amt. For hovedparten af disse boringer foreligger der data for grundvandets indhold af samtlige de ovennævnte redoxfølsomme stoffer samt calcium, magnesium og hydrogencarbonat. Modificeret klassifikationssystem Først undersøgte vi, i hvor mange af de 518 boringer vandtypen kunne bestemmes, såfremt alle 5 redoxparametre i tabel 1 blev tillagt lige stor vægt i vandtypebestemmelsen. Ved denne fremgangsmåde var det muligt at bestemme 4

5 vandtypen i 19 % af boringerne. Denne lave procentdel skyldes for det første, at nogle af koncentrationsgrænserne i tabel 1, som allerede omtalt, ikke er anvendelige i praksis. En anden årsag til, at så få boringer kunne klassificeres, er, at det egentlig ikke er rimeligt, at tillægge alle redoxparametrene lige stor vægt i klassifikationen. Dette skyldes bl.a., at der er forskellige grader af usikkerhed forbundet med bestemmelsen af de forskellige parametre. For at kunne klassificere grundvandstypen i et større antal boringer, blev det derfor besluttet at skelne mellem redoxfølsomme stoffer af primær betydning for vandtypebestemmelsen (primære parametre) og stoffer af sekundær betydning (sekundære parametre). Ved denne fremgangsmåde bestemmes vandtypen udelukkende på basis af de primære parametre, mens de sekundære parametre efterfølgende anvendes til at kontrollere, om vandtypebestemmelsen forekommer rimelig (f.eks. tyder det på fejl i forbindelse med prøvetagning og analyse, hvis en vandprøve på basis af de primære parametre klassificeres som oxideret samtidig med, at alle de sekundære parametre peger i retning af, at vandprøven er reduceret). Som primære parametre blev valgt nitrat og sulfat, idet disse stoffer er følsomme overfor ændringer i redoxmiljøet og samtidig kan måles forholdsvist præcist. Jern, metan og forvitringsindekset indgik i kortlægningen som sekundære parametre. Desuden blev ammonium tilføjet som sekundære parameter, idet det er vores erfaring, at grundvandets ammoniumindhold er en udmærket indikator for, om der er tale om en oxideret eller en svagt reduceret/reduceret vandtype. Det blev besluttet at se helt bort fra målinger af grundvandets iltindhold p.g.a. de store usikkerheder, som er forbundet med iltmålingerne. Som en konsekvens heraf er det ikke muligt at skelne mellem grundvand fra iltzonen og grundvand fra nitratzonen. Der indgår således, som angivet i tabel 2, kun tre forskellige vandtyper i redoxkortlægningen. Tabel 2: Modificeret klassifikationssystem, primære parametre Parameter Enhed Vandtype (redoxzone) Oxideret Svagt reduceret Reduceret (Ilt- og nitratzonen) (Jern- og sulfatzonen) (Sulfat- og metanzonen) NO 3 mg/l 1 < 1 < 1 SO 4 mg/l > 20 > Som det fremgår af tabel 2 er den oxiderede vandtype er først og fremmest karakteriseret ved, at indholdet af nitrat er større end 1 mg/l. Den svagt reducerede vandtype er karakteriseret ved ikke at indeholde nitrat (over 1 mg/l) samtidig med, at sulfatindholdet er større end 20 mg/l. Den reducerede vandtype er ligeledes karakteriseret ved ikke at indeholde nitrat samtidig med, at sulfatindholdet er mindre end 20 mg/l. 5

6 Det kan diskuteres, om den valgte skillelinje mellem svagt reduceret og reduceret grundvand på 20 mg sulfat/l er hensigtsmæssig, idet der ved denne grænse kan forekomme både sulfatreduktion og metandannelse i den reducerede vandtype. Betstemmelse af vandtyper med det modificerede klassifikationssystem På basis af det forenklede klassifikationsmetode, som er vist i tabel 2, blev der udviklet en simpel regnearksbaseret algoritme ved hjælp af hvilken vandtypen i de 518 boringer blev beregnet. Ved hjælp af den forenklede klassifikationsmetode var det nu muligt at bestemme grundvandstypen i 81 % af boringerne, se tabel 3. I de 98 boringer, hvor vandtypen ikke kunne klassificeres, skyldes dette for hovedpartens vedkommende, at der mangler data for grundvandets indhold af nitrat og/eller sulfat (87 boringer). Ti af de ikke klassificerbare boringer var i første omgang bestemt til at indeholde oxideret grundvand, men samtidig var ammoniumindholdet i prøverne så højt (> 1 mg/l), at der næppe er tale om reelt oxiderede prøver. Figur 2 viser forekomsten af de 3 grundvandstyper i Københavns Amt. Som det fremgår af kortet, er grundvandet fra størstedelen af boringerne en svagt reduceret vandtype. I den vestlige del af amtet omkring Tåstrup, Hedehusene og Sengeløse (Vestegnen) er der et større sammenhængende område med oxideret grundvand. Forekomsten af oxideret, nitratholdigt grundvand i dette område hænger sammen med ringe dæklagstykkelser og frie vandspejlsforhold i det primære magasin Enkelte andre steder i amtet er der mindre områder med oxideret grundvand, bl.a. ved Store Magleby på Amager samt i Hvidovre og Søborg. I den nordlige del af amtet, omkring Virum, Søllerød og Lundtofte, findes der tilsyneladende et sammenhængende område med reduceret grundvand. Herudover forekommer der enkeltstående, ofte dybe boringer med reduceret grundvand. Tabel 3: Resultat af vandtypebestemmelse i Københavns Amt på basis af grundvandets indhold af nitrat og sulfat Vandtype Kriterier Antal Boringer Oxideret Svagt reduceret Reduceret NO 3 1 mg/l SO 4 > 20 mg/l (NH + 4 < 1 mg/l) NO 3 < 1 mg/l SO 4 > 20 mg/l NO 3 < 1 mg/l SO 4 20 mg/l Ikke klassificeret I alt 518 6

7 Figur 2: Grundvandstyper i boringer i Københavns Amt. Vandtyperne er bestemt på basis af grundvandets indhold af nitrat og sulfat. Fordeling af sekundære parametre Det blev undersøgt, hvordan koncentrationen af de sekundære parametre jern, ammonium, metan og forvitringsindekset fordeler sig i de 420 boringer, som på basis af deres indhold af nitrat og sulfat, blev klassificeret som indeholdende enten oxideret, svagt reduceret eller reduceret grundvand. Resultatet af denne analyse er vist i tabel 4. I tabellen er angivet de koncentrationsgrænser for de sekundære parametre, som giver den bedste adskillelse (dvs. det mindste overlap) mellem vandtyperne i det konkrete datamateriale. I tabellen er endvidere angivet, hvor stor en procentdel af prøverne indenfor de enkelte vandtyper, som overholder koncentrationskriteriet for en given parameter. 7

8 Som det fremgår af tabel 4, er der en rimelig god sammenhæng mellem grundvandstypen og den fordeling af de sekundære parametre, som må forventes ud fra disse parametres redoxkemi. Forhøjede koncentrationer af opløst jern og ammonium forekommer således hyppigere i de to reducerede grundvandstyper end i den oxiderede vandtype, mens forhøjet indhold af metan forekommer hyppigere i reduceret grundvand end i de to andre vandtyper. Datamaterialet viser tydeligt, at et formindsket forvitringsindeks (< 1,1) kun forekommer med stor hyppighed i den reducerede vandtype. Det fremgår endvidere af tabellen, at der m.h.t. de sekundære parametres koncentrationsfordeling er et vist overlap mellem vandtyperne. De angivne koncentrationsgrænser er imidlertid bestemt således, at dette overlap er mindst muligt. Tabel 4: Fordeling af sekundære parametre i de tre grundvandstyper. Sekundær Enhed Vandtyper parameter Oxideret Svagt reduceret Reduceret Konc.- Procent oxiderede prøver, der overholder Konc.- Procent sv. red. prøver, der overholder Konc.- Procent reducerede prøver, der overholder Fe mg/l < 0,7 75 > 0,7 75 > 0,7 75 NH 4 + mg/l < 0,1 80 > 0,1 87 > 0,1 97 CH 4 mg/l < 0,1 93 < 0,1 88 > 0,1 52 (Ca+Mg)/HCO 3 - > 1,1 100 > 1,1 93 < 1,1 92 Undersøgelsen af de sekundære parametres fordeling har givet anledning til modificerede koncentrationsgrænser til adskillelse af vandtyperne (sammenlign tabel 1 og 4). I tabel 5 er vist de grænser, som på baggrund af denne undersøgelse forekommer at være de bedst egnede til klassifikation af grundvandstyper i henhold til redoxforholdene. Tabel 5: Opdateret klassifikation af vandtyper, Københavns Amt. Primær parameter Sekundær parameter Enhed Vandtyper Oxideret Svagt Reduceret reduceret NO 3 mg/l 1 <1 <1 SO 4 mg/l > 20 > Fe mg/l 0,7 > 0,7 > 0,7 NH 4 + mg/l 0,1 > 0,1 > 0,1 CH 4 mg/l < 0,1 < 0,1 0,1 (Ca+Mg)/HCO 3 > 1,1 > 1,1 1,1 8

9 Konklusion Der er udviklet en effektiv og simpel metode hvorved grundvandets redoxforhold bestemmes udelukkende på basis af grundvandets indhold af nitrat og sulfat. Med udgangspunkt i koncentrationsniveauerne af disse to redoxparametre skelnes der mellem 3 forskellige redoxbetingede vandtyper: Oxideret, svagt reduceret og reduceret grundvand. Den primære fordel ved metoden er, at den v.hj.a en simpel regnearksbaseret algoritme, gør det let at behandle data fra et stort antal boringer, og således er velegnet til at skabe et hurtigt overblik over grundvandstyperne/redoxforholdene i større områder, som f.eks et amt. Metoden er anvendt til at foretage en overordnet kortlægning af redoxforholdene i det regionale grundvandsmagasin i Københavns Amt. I den forbindelse er det undersøgt, hvordan de øvrige redoxfølsomme parametre (jern, ammonium, metan og forvitringsindekset) fordeler sig indenfor de tre vandtyper. Fordelingen var i store træk, som man må forvente ud fra de sekundære parametres redoxkemi, hvilket understøtter, at man alene på basis af grundvandets indhold af nitrat og sulfat kan opnå en rimelig sikker vandtypebestemmelse. Metodens begrænsninger knytter sig hovedsagligt til kvaliteten af de grundvandskemiske data, som er grundlaget for redoxbestemmelserne. Hovedparten af de analyserede vandprøver stammer således fra boringer, som typisk er filtersatte over flere meter, hvilket indebærer, at de grundvandskemiske data i nogle tilfælde kan repræsentere blandinger af forskellige vandtyper fra magasinerne. Det betyder i værste fald, at de identificerede redoxforhold ikke afspejler de reelle forhold i magasinet. Desuden indebærer den betydelige usikkerhed på iltmålingerne, at det ikke er muligt at identificere, hvornår det oxiderede grundvand reelt indeholder ilt. Dette er uheldigt i forhold til sårbarhedskortlægningen, idet nedbrydningen af mange miljøfremmede, organiske stoffer foregår væsentligt hurtigere i iltholdigt grundvand end i de øvrige iltfri vandtyper. Referencer Appelo, C.A.J. og Postma, D (1999).: Geochemistry, groundwater and pollution. A.A. Balkema publishers, Rotterdam. Christensen, T.H., Bjerg P.L., Banwart, S.A., Jakobsen, R., Heron, G., og Albrechtsen, H.J. (2000): Characterization of redox conditions in groundwater contaminant plumes. Journal of Contaminant Hydrology 45, s GEUS (1995): Grundvandsovervågning Københavns Amt (2000): Pilotprojekt om bestemmelse af metodik i forbindelse med sårbarhedszonering i Københavns Amt. Skriftlige indlæg fra Temadag for kortlægning og indsatsplanlægning, Nationalmuseet, 7. november, Udgivet af Grundvandsafdelingen, Teknisk Forvaltning, Københavns Amt. Miljøstyrelsen (2000): Zonering. Vejledning nr. 3,

10 10