SprækkeJAGG. Regneark til risikovurdering af sprækker i moræneler

Transkript

1 SprækkeJAGG Regneark til risikovurdering af sprækker i moræneler Teknik og Administration Nr

2 INDHOLDSFORTEGNELSE 1. Forord Indledning Sammenfatning Metode og data Teori og beregningsudtryk Strømning Transport af opløst stof Forudsætninger og gyldighed Excel-regneark og datakrav Datagrundlag Redoxgrænsen Sprækkeafstand (2B) Sprækkeapertur (2b) Usikkerhed og følsomhed Konceptuel usikkerhed Sprækker Redoxgrænse Sammenfatning Numerisk usikkerhed og følsomhed Sprækkeapertur Sprækkeafstand Følsomhed Worst-case sprækkeparametre Sprækkeparametre Hydraulisk ledningsevne og strømning Praktiske eksempler Eksempel 1: Forurening med benzin i moræneler over sandmagasin Eksempel 2: Forurening med benzin i moræneler med øvre oxideret zone Referencer BILAG Bilag 1: Bestemmelse af hydrauliske sprækkeparametre ved hjælp af feltforsøg

3 1. Forord Denne rapport omhandler beregningsmæssige forudsætninger, opstilling af hydrauliske sprækkedata, og praktiske eksempler på anvendelse af regnearket SprækkeJAGG. Ved hjælp af regnearket kan der foretages screening af forureningstransporten gennem moræneler til underliggende grundvand under hensyntagen til sprækketransport for vandopløste forureningstyper. Projektet er udført af firmaet GEO i samarbejde med GEUS, og det er finansieret af Videnscenter for Jordforurening. Under udarbejdelsen er projektet evalueret løbende af medarbejdere fra Videncenter for Jordforurening og Miljøstyrelsen samt medarbejdere fra GEUS, DTU, NIRAS og GEO. Rapporten er udarbejdet af Peter R. Jørgensen (GEO), Knud Erik Klint (GEUS) og Mads Robenhagen Mølgaard (GEO) samt kvalitetssikret af Jes Holm (GEO). Excel-regnearket er opstillet af Institut for Miljø og Ressourcer, DTU, efter formelgrundlag fra Sudicky & Frind (1986) /1/. 3

4 2. Indledning Miljøstyrelsen har ved udgangen af 2006 iværksat en opdatering af JAGGrisikovurderingsmodellen /2/, jf. Miljøstyrelsens udbudsmateriale af 1. december 2006 (JAGG 2.0). Formålet med nærværende rapport er at supplere Miljøstyrelsens JAGG 2.0 opdatering med et formelgrundlag og tilhørende hydrauliske data, der muliggør screeningsberegning af vertikal transport af opløste forureninger gennem sprækker i moræneler til grundvand. Baggrunden er, at hovedparten af jordforureninger i Østdanmark findes over moræneler, hvor der generelt forekommer sprækker eller lignende præferentielle strømningsveje, som transportveje for forurening. Disse udgør et problem, fordi de forøger den vertikale forureningstransport og dermed kan transportere forurening hurtigt forbi de biologisk aktive øverste jordzoner, således at underliggende grundvand forurenes /3/. Sprækkeproblematikken er veldokumenteret og nødvendig at medtage som grundlag for realistiske vurderinger af forureningsrisikoen for grundvandet under morænelag. De senere års miljøforskning har afprøvet forskellige modelmetoder samt genereret modeldata for moræneler, herunder for sprækker, der muliggør, at disse vurderinger kan understøttes af modelberegninger /3/. Der findes en lang række modelmetoder, som kan medtage forureningstransport i sprækker. De gennemførte afprøvninger viser, at såkaldte diskrete sprækkemodeller (DSM) giver den mest retvisende modellering af måledata fra kontrollerede forsøg med moræneler /4, 5, 6, 7, 8/. For anvendelsen som screeningsværktøj er det endvidere afgørende, at transportbeskrivelsen i DSM modellerne har vist sig særlig robust over for de skift i fysisk skala, hydrologi og stofegenskaber, der optræder fra den ene til den anden forureningskilde /8/. DSM-modeltypen har endelig den fordel, at den som modeldata for sprækker, direkte kan benytte foreliggende sprækkedata indsamlet fra danske moræneundersøgelser. Ulempen ved numeriske DSM-modeller er, at de er vanskelige at anvende samt lægger op til detaljerede datainput, som oftest ikke foreligger for de konkrete forureningslokaliteter, der skal risikovurderes. Som en løsning på dette problem kan anvendes et analytisk beregningsudtryk for stationær stoftransport i diskrete sprækker af Sudicky og Find 1982 /1/. Dette udtryk dækker en konceptuelt forenklet modelopsætning, men med samme grundlæggende beskrivelser af transportprocesserne, som i de numeriske løsninger. Udtrykket kan indbygges i regneark, og datakravet er mindre end til de numeriske løsninger. Vha. udtrykket kan man udregne den stationære forureningstransport fra en vedvarende og kontinuert forureningskilde med konstant kildestyrkekoncentra- 4

5 tion. Resultatet viser dermed den maksimale forureningsflux fra forureningskilden til underliggende grundvand efter fuldt forureningsgennembrud under forudsætning af, at der er en ubegrænset forureningsmængde i kilden. Som konsekvens heraf vil gennembruddet være 100 % af kildestyrken, hvis der ikke sker nedbrydning. Dette betyder, at udtrykket kun kan anvendes, hvis der medtages forureningsnedbrydning i beregningerne. I nærværende rapport foretages: 1) Opstilling af worst case hydrauliske data for sprækkestrømning i relation til beregning af forureningstransport med SprækkeJAGG. 2) Vurdering af modelfølsomhed og usikkerheder. 3) Opstilling af praktiske eksempler på anvendelse af regnearket. Worst case hydrauliske sprækkedata defineres som de indsamlede danske sprækkedata, der betinger maksimal forureningstransport til grundvand mht. koncentration og stofflux for danske forhold. På denne baggrund følger opsætningen af regnearket forsigtighedsprincippet for sprækketransport. 5

6 3. Sammenfatning Miljøstyrelsen har ved udgangen af 2006 iværksat en opdatering af JAGGrisikovurderingsmodellen /2/. Som supplement til denne opdatering beskriver nærværende rapport de beregningsmæssige forudsætninger, parameterisering og praktiske eksempler på anvendelse af en regnearksmodel i Excel (Sprække- JAGG), der skal kunne anvendes til screening af risikoen for forureningstransport i sprækker gennem moræneler til grundvand. SprækkeJAGG beskriver forureningstransporten fra en vedvarende og kontinuert forureningskilde med konstant kildestyrkekoncentration i beregningsperioden. Regnearket beregner den maksimale stationære forureningsflux fra forureningskilden til underliggende grundvand, dvs. forureningsfluxen til grundvandet efter der er sket fuldt forureningsgennembrud (figur 3). Beregningerne med regnearket forudsætter, at der medregnes nedbrydning af forureningsstoffet. Regnearket bygger på analytiske beregningsudtryk efter Sudicky and Frind 1982 /1/. Udtrykket gælder for mættet strømning og opløst stoftransport i et porøst medium med parallelle spækker. Beregningsudtrykket medtager sorption og nedbrydning af forureningsstoffer samt stofdiffusion fra sprækker ind i matrix. Udtrykket repræsenterer en konceptuelt forenklet beskrivelse af strømning og stoftransport i moræneler. Modellering af kontrollerede forsøg på en række danske morænelokaliteter indikerer, at beregningsudtrykket giver god tilnærmelse af de målte data og dermed kan anvendes til screening af risikoen for forureningstransport i sprækker. Regnearkets hydrauliske nøgleparametre repræsenteres af sprækkernes åbning (sprækkeaperturen) og sprækkernes indbyrdes afstand. Disse oplysninger foreligger sjældent for konkrete forureningssager. Regnearket bygger derfor på indsamlede sprækkedata fra undersøgelse af 24 danske morænelokaliteter. Ud fra disse data, samt modelstudier af forureningsdata fra grundvandsovervågningen, er opstillet modelsprækkedata, som repræsenterer worst case forhold mht. forureningstransport i sprækker for dansk moræneler. Screeninger med værkstøjet følger på dette punkt derved forsigtighedsprincippet. Der er udført screening med regnearket for et praktisk eksempel med forureningsstoffet benzen, hvor der er anvendt de opstillede worst case sprækkeparametre samt opslagsværdier for sorption og nedbrydning for forureningsstoffet. Ved langsom anaerob nedbrydning af benzen viser eksemplet en forureningsdæmpning på cirka 11 %, i forhold til kildestyrken, efter transport af forureningsstoffet gennem 7 m sprækket morænelerlag til et underliggende grundvandsmagasin. De anvendte nedbrydningsrater er standardværdier aflæst i Miljøstyrelsen JAGG-model /2/. 6

7 Til sammenligning viser en beregning med de samme værdier for sorption og nedbrydning, men uden hensyntagen til sprækker, en forureningsdæmpning på mere end 99 %. Sammenligningen viser dermed en betydelig større forureningsflux og risiko for underliggende grundvand, når der medtages sprækker i risikovurderingen, end når der anvendes almindelig stempelstrømning som beregningsmetode. Som nævnt giver SprækkeJAGG en forenklet beskrivelse af forureningstransporten i sprækker i sammenligning med faktiske forhold. Følgende forenklinger betyder tendens til, at modellen overestimerer stoftransporten: Der medtages kun store sprækker (små sprækker er udeladt). Der simuleres udelukkende mættet strømning. Der regnes med uafbrudt og lineær sprækkekontakt gennem hele lerlaget. Strømningen sker udelukkende i sprækker (ingen strømning i matrix). Omvendt betyder forudsætningen om stationær strømning (konstant strømningshastighed) tendens til, at forureningstransporten bliver undervurderet. Dette gælder særligt betydningen af ekstremnedbør, der ikke repræsenteres. Betydningen af disse faktorer vil kunne vurderes i videregående risikovurderinger ved anvendelse af rapportens indsamlede datagrundlag for sprækker i numeriske versioner af beregningsmetoden i SprækkeJAGG. 7

8 4. Metode og data 4.1 Teori og beregningsudtryk Strømning Strømning og forureningstransport i sprækker beskrives i denne rapport ud fra en konceptuel fysisk model, hvor spækkerne opbygges af to friktionsløse parallelle sprækkevæggene, figur 1. Figur 1. Konceptuel model for strømning i sprækker efter kubisk lov (ligning 1). 2b sprækkeapertur; 2B sprækkeafstand; w sprækkebredde og Q strømning. Afstande mellem sprækkevæggene betegnes 2b (aperturen), og afstanden mellem sprækkerne betegnes 2B. Strømningen i en sprække (Q) kan beskrives som /9/: hvor, : tværsnitsareal af sprække, : hydraulisk ledningsevne af sprække, : sprækkeapertur (afstand mellem plader), : sprækkebredde, : densitet af vand, : viskositet af vand, : tyngdeacceleration, : gradient langs sprækken. Dette udtryk kaldes også den kubiske lov, der referer til at strømningen (Q) varierer med sprækkeaperturen (2b) i 3. potens. Den hydrauliske ledningsevne af sprækken (K) beskrives som: 8

9 og den samlede hydrauliske ledningsevne (K f ) for sprækkenetværket beskrives som: hvor, : sprækkeporøsiteten, : afstand mellem sprækker Transport af opløst stof Excel-regnearket bygger på analytiske udtryk for mættet strømning og stoftransport i et porøst medium med spækker. Transporten beskrives fra en vedvarende og kontinuert forureningskilde med konstant kildestyrkekoncentration. Udtrykkene er opstillet af /1/ og dækker et homogent og isotropt system med ligeligt fordelte parallelle sprækker med konstant apertur (sprækkeåbning). Udtrykkene beskriver strømning i sprækkerne, dispersion og diffusion langs sprækkerne, diffusion ind i matrix, ligevægts-sorption og 1-ordens nedbrydning i sprækker og matrix. Ifølge /1/ kan den stationære koncentration i morænen under forureningens nedre afgrænsning i en given dybde (z) beskrives ved følgende 1-dimensionale stoftransportligning: hvor og : koncentration i vandfasen [ML -3 ] : vertikal afstand under forureningskilden [L] : kildestyrkekoncentration [ML -3 ] strømningshastighed i sprækker [LT -1 ] : porøsitet af matrix [-] : dispersionskoefficient i sprække [L 2 T -1 ] : dispersionskoefficient i matrix [L 2 T -1 ] : retardationsfaktor for sprækken [-] : retardationsfaktor i matrix [-] : 1.ordens nedbrydningsrate [T -1 ] : sprækkeapertur [L] : afstand mellem sprækker [L] 9

10 Ved hjælp af beregningsudtrykket (5) beskriver regnearket forureningstransporten fra en vedvarende og kontinuert forureningskilde med konstant kildestyrkekoncentration. Som resultat af denne konstante forureningspåvirkning beregnes vha. regnearket den maksimale stationære forureningsflux fra forureningskilden til underliggende grundvand, dvs. stoffluxen ved forureningsgennembrud. Ses der bort fra nedbrydning af forureningsstoffet, vil der som konsekvens heraf være samme forureningsflux gennem top og bund af beregningslaget. Dermed beregnes ingen forureningsdæmpning under passagen gennem laget. Regnearket kan således kun anvendes til beregning af risikoen, såfremt der medregnes nedbrydning af forureningsstoffet. Betydningen af de indgående parametre er vurderet i følsomhedsanalysen afs og praktiske eksempler i kapitel 6. Beregningsudtrykket (5) svarer til beregningsmetoder for sprækketransport i vandmættet moræneler med de numeriske sprækkemodeller FRACTRAN /10/ og FRAC3Dvs /11/. Disse metoder er eksperimentelt verificeret for vandmættede forhold vha. kontrollerede forsøg med strømning og stoftransport med dansk moræneler, figur 2, /4, 5, 6, 7, 12/. 10

11 Figur 2. Eksempler på simulering af kontrollerede stoftransportforsøg med FRACTRAN og FRAC3Dvs, som anvender samme numeriske metode til modellering af sprækketransport som SprækkeJAGG. Styrken ved metoden er, at den ud fra fastholdte hydrauliske sprækkeparametre, dvs. uden re-kalibrering, kan gengive ændringer i stoftransport med og uden nedbrydning i LUC søjleforsøg (a og b) selvom strømningshastigheden ændres i forsøgene /4, 6, 7/, og (c) der foretages ændring i fysisk skala fra søjleforsøg til feltforsøg /5/. De væsentligste forskelle er, at det analytiske beregningsudtryk (5) kun beskriver stationære mættede forhold og er 1-dimensionalt, at der ses bort fra strømning i matrix, at der kun gives mulighed for at definere 1 sæt parallelle sprækker, at de valgte parametre er konstante i hele beregningsdybden, og at der ikke er mulighed for at definere forskellig nedbrydning og sorption i hhv. sprækker og matrix. En sammenligning mellem beregnede forureningsgennembrud med FRAC3Dvs og det anvendte analytiske udtryk (5) i SprækkeJAGG er vist i figur 3. 11

12 Figur 3. Stoftransportberegninger med SprækkeJAGG og FRAC3Dvs. Kurverne viser forureningskoncentrationer, der transporteres gennem bunden af et 15 m sprækket morænelag som funktion af sprækkeapertur (2b) og sprækkeafstand (2B). I alle beregninger er der anvendt 300 mm/år som konstant infiltration, kildekoncentrationen 1 og nedbrydningsraten 0,001/år for forureningsstoffet Forudsætninger og gyldighed Tabel 1 sammenfatter forudsætninger, gyldighed og den forventede nøjagtighed af det anvendte beregningsudtryk (5) i SprækkeJAGG. Gyldigheden angiver, hvorvidt SprækkeJAGG vurderes at anvende konceptuelt dækkende beskrivelser for moræneler. Beregningsnøjagtigheden (resultat i tabel 1) angiver, hvorvidt evt. manglende gyldighed i beregningsforudsætningerne betyder overestimering eller underestimering af forureningstransporten. 12

13 FORUDSÆTNING GYLDIGHED RESULTAT 1) 1 sæt parallelle vertikale sprækker med konstant hydraulisk ledningsevne 2) Vertikalt gennemgående sprækker Forenkling, men relevant fokusering på betydende store sprækker. Følger forsigtighedsprincippet Delvis opfyldt, usikker, følger forsigtighedsprincippet Overvurdering af transport Risiko for overvurdering af transport 3) Ingen matrixstrømning Ikke opfyldt Overvurdering af transport i sandede moræner 4) Mættet strømning Ikke opfyldt Overvurdering af forureningstransport 5) Konstant strømningshastighed Ikke opfyldt Risiko for over- og undervurdering af forureningstransport 6) Diffusion ind i matrix Opfyldt Realistisk vurdering 7) Homogen fordelt nedbrydning i sprækker og matrix Delvist opfyldt for oxideret moræne, usikker for reduceret moræne Risiko for undervurdering af transport 8) 1. ordens nedbrydning Delvis opfyldt Stof- og koncentrationsbestemt 9) Homogen fordelt sorption Usikker Potentiel overvurdering af transport i sprækker og matrix Tabel 1. Beregningsmæssige forudsætninger i SprækkeJAGG samt deres betydning for risikovurderingsresultat. De enkelte forudsætninger i SprækkeJAGG uddybes i det følgende: 1) 1 sæt parallelle vertikale sprækker med konstant hydraulisk ledningsevne (figur 1) Ad 1). Forudsætningen er som regel ikke opfyldt, idet der normalt forekommer flere forskellige sprækkeordner med forskellig orientering, grad af udvikling og hydraulisk ledningsevne og endvidere kanalisering af strømningen, figur 4. Strømningen sker dog erfaringsmæssigt overvejende i større sprækker, der forenklet kan repræsenteres som 1 sæt parallelle sprækker, figur 4a. Modelleringerne af de kontrollerede stoftransportforsøg (figur 2) viser, at selvom strømningen i de naturlige sprækker er kanaliseret (figur 4), og dermed konceptuelt ikke følger den kubiske lov (ligning 1 og figur 1), så kan stoftransporten alligevel gengives (figur 2) ved at omregne de enkelte farvede sektion i figur 4a (sprækkekanaler) til en effektiv sprækkeafstand for hydraulisk ledende sprækker (beregningsmetode i /5/). 13

14 Figur 4. Moræneler med farvetracer efter kanaliseret strømning langs sprækker vist for samme kontrollerede forsøg, som er modelleret i figur 2. Billederne viser: a) horisontalt snit i 4 mu.t. og b) vertikalt profil i 4 5 mu.t. ved Havdrup på Sjælland /5/, og c) strømning i rodkanaler, der følger en vertikal sprækkevæg 4 mu.t. ved Hinnerup i Jylland /7/. 14

15 2) Vertikalt gennemgående sprækker Ad 2). De danske sprækkeundersøgelser (se senere) indikerer, at der generel forekommer sprækker med betydende hydraulisk ledningsevne i de øverste cirka 8 10 m af morænelag /4, 6, 7, 13, 14 og bilag 1/. Sprækker er endvidere påvist til større dybde, f.eks. i boringer /15/. Endvidere indikerer modelstudier af grundvandsovervågningsdata, at modelsimulering af sprækkestrømning (eller andre præferentielle strømningsveje) er en nødvendig forudsætning for modellering af den hurtige spredning af BAM, som er sket i grundvand under tykkere morænelag (se afsnit 4.1.1) /16, 17/. 3) Ingen matrixstrømning Ad 3). Forudsætningen er ikke opfyldt, men strømningen i matrix kan ofte i praksis ignoreres i moræneler med lerindhold over cirka %, mens den har stigende betydning ved aftagende lerindhold, f.eks. i sandede moræner og morænesand /3/. Figur 5 viser transport af pesticidstoffet BAM gennem to morænelag, der er ens, bortset fra forskellig hydraulisk ledningsevne i matrix. Figur 5. FRAC3Dvs modellering af BAM-transport ved forskellig hydraulisk ledningsevne af lermatrix, men derudover ens sprækkeopsætning og strømning gennem 16 m morænelag. Diagrammet viser middelkoncentrationen i porevand, der strømmer gennem bunden af morænelaget. Modelopsætning og randbetingelser er vist i figur 18a, b /fra 16/. 4) Mættet strømning Ad 4). Forudsætningen om vandmætning er ikke opfyldt, idet der generelt er umættede forhold samt endvidere begrænset vertikal nettostrømning i store dele af sommersæsonen i oxideret zone (øverste cirka 2 til 6 m, figur 12) af moræneler, figur 6. 15

16 Figur 6. Typiske årstidsvariationer af dybden til frit vandspejl (boringsfilter D) i oxideret moræne (TE, gulbrun) og af hydrauliske trykniveauer (boringsfilter A - C) målt i den underliggende reducerede moræne (TB, SC og TB, grå). Det fremgår, at vandspejlet (D) svinger inden for næsten hele tykkelsen af den oxiderede zone, og at grænsen mellem oxideret og reduceret zone danner vertikal grænse mellem sæson mættede (vintersæson) og permanent mættede forhold /fra 4/. Den oftest ringe vertikale nettovandbevægelse i sommersæsonen betyder, alt andet lige, et ophold i stoftransporten og dermed forlængelse af den til rådighed værende tid til forureningsnedbrydning i de biologisk aktive øverste jordlag. Endvidere betyder ophold, at der sker forureningsakkumulation i matrix ved diffusion fra sprækkerne ind i matrix. Betydningen af vandmætning fremgår af figur 7, der viser transport af et pesticid (MCPP) og en konservative tracer (PFBA) ved hhv. mættet og umættet strømning (ved samme infiltration) gennem en 1 m lang intakt søjle (diameter 0,5 m) udtaget fra 0 1 mu.t. i oxideret zone fra sprækket moræneler /18/. Det fremgår, at den samme transporterede stofmasse gennem søjlen er væsentligt forskudt mod mindre vandgennemstrømning (x-aksen i figur 7) ved vandmættede forhold end ved umættede forhold, selvom der er anvendt samme infiltrationsrate i forsøgene. Ved den mættede strømning sker størstedelen af transporten i enkelte store sprækker/sprækkekanaler svarende til det meget hurtige maksimale stofgennembrud, der ses efter kun cirka 2,5 liter gennemstrømning modsat ved umættet strømning, hvor maksimumsværdien først kommer efter 23 liter. Ved de umættede forhold (fri dræning fra bunden af søjlen) sker der kun overskridelse af de mindre sprækkers infiltrationskapacitet, mens de store sprækker ikke vandmættes/aktiveres og dermed ikke deltager i transporten. Som resultat sker transporten under umættede forhold primært i de små sprækker, og dermed langsommere (ligning 1), svarende til det viste stofgennembrud. Endelig viser figur 7, at 12 dages strømningspause dæmper stoftransporten yderligere, fordi noget af stoffet trænger ind i matrix under pausen. 16

17 Forskellen, der ses mellem peak-værdiens beliggenhed for MCPP ( saturated flow i (a)) og PFBA (saturated flow i (b)), skyldes primært opblødning af jordoverfladen i søjlen. Under feltforhold forventes en lignende variation i overfladens beskaffenhed over tid. Umættede forhold i makroporerne/sprækkerne betyder endvidere bedre luftudskiftning og ilttilførsel til nedbrydningsprocesserne. Idet SprækkeJAGG kun beregner vandmættet strømning, forventes modellen på ovenstående punkter at overdrive udvaskningsrisikoen i forhold til virkelige forhold. Figur 7. Transport ved vandmætning og umættede forhold af et pesticid MCPP (a) og en konservativ tracer PFBA (b) gennem en intakt jordsøjle (diameter 0,5 m) af moræneler udtaget fra 0 1 mu.t. I alle 6 forsøg er anvendt infiltrationen 66 mm/dag. Stoffet er tilsat som en 0,5 liters puls ved påbegyndelse af strømningen bortset fra forsøgene 10 day pause, hvor strømningen først er påbegyndt 10 dage efter stoftilsætningen /fra 18/. 17

18 5) Konstant strømningshastighed Ad 5). Forudsætningen om konstant strømningshastighed er ikke opfyldt. Dermed kan betydning af vekslende perioder med og uden infiltration samt episodisk accelereret infiltration ved mættede/umættede forhold ikke beskrives med SprækkeJAGG. Dette betyder dels, at ophold og længere pauser i strømningen, hvor forureningsstoffer kan nå at trænge ind i matrix, ikke repræsenteres (se figur 7 10 day pause ). Ligeledes betyder forudsætningen om konstant strømning, at der med SprækkeJAGG ses bort fra accelereret transport i forbindelse med ekstremnedbør, hvilket kan betyde underestimering af stoftransporten. Figur 8 viser et modelsimuleret eksempel på pesticidforurening af grundvand forårsaget af 2 dages ekstremnedbør og dertil koblet accelereret udvaskning af MCPP. Eksemplet viser, at udvaskningen i forbindelse med nedbørshændelsen, bevirker en kortvarig overskridelse af drikkevandskravet i nedsivningen til grundvandsvandmagasinet /19/. Da der kun regnes med konstant strømning i SprækkeJAGG ventes modellen på dette punkt at undervurdere udvaskningsrisikoen i forhold til virkeligheden. Figur 8. FRAC3Dvs modelberegnet eksempel på pesticidforurening af grundvand pga. en MCPP forureningspuls (100 g/l), der infiltreres i forbindelse med en ekstrem nedbørshændelse. Kurven viser koncentrationen af MCPP der transporteres gennem bunden af 16 m sprækket moræneler. Pulsen bliver udvasket fra teræn i løbet af 2 dage med 25 mm/dag efterfulgt af fortsat vertikal transport ved konstant strømning (120 mm/år) i resten af beregningsperioden og en MCPP nedbrydningsraten t½ = 1 år /19/. Nærmere situations- og stofspecifikke vurderinger kan foretages ved dynamisk simuleringer med FRAC3Dvs på basis af foreliggende sprække- og jordfysiske data og tidsserier for nedbør /20/. 18

19 6) Diffusion ind i matrix Ad 6). Forudsætningen er opfyldt, og beregningsmetoden i SprækkeJAGG er verificeret over for kontrollerede forsøg med stoftransport i sprækket moræneler. 7) Homogen fordelt nedbrydning i sprækker og matrix Ad 7). De få foreliggende undersøgelser af nedbrydning i sprækkevægge og matrix, viser for oxideret zone et rimeligt ens nedbrydningspotentiale for de to domæner, herunder relativ ens forekomst af bakterier i både sprækker og matrix /4, 21/. Endvidere indikerer modelstudier af nitratreduktion bestemt under aktiv strømning (figur 2b), at der sker ens nedbrydning af nitrat i sprækker og matrix, forudsat jordprøverne i forvejen har været udsat for forhøjede nitratkoncentrationer /7/. Figur 9a - c viser laboratorieforsøg med aerob nedbrydning af et pesticid i oxideret moræneler. Det fremgår, at der er målt noget mindre aerob nedbrydning i (a) umættede delprøver med naturligt lavt vandindhold end i (b) tilsvarende vandmættede delprøver. Endvidere er der målt lidt mindre nedbrydning i vandmættede delprøver af sprækkevægge (b) end i tilsvarende prøver af matrix (c). Sammenfattende indikerer resultaterne dog forekomst af signifikant potentiel pesticidnedbrydning i både sprækker og matrix i oxideret zone. Resultaterne indikerer endvidere, at udtørring vil kunne hæmme nedbrydningen, evt. gennem hele oxideret zone i sommersæsonen /4/. Det skal endelig nævnes at der er målte sammenlignelige nedbrydningsrater for oxideret moræneler og oxideret sandjord /12/. På baggrund af ovenstående forventes som udgangspunkt, at nedbrydningskonstanter for vandmættede aerobe forhold vil kunne anvendes som retningsgivende for nedbrydningspotentialet i oxideret moræneler for mættede og umættede forhold og sprækker og matrix. Der tages forbehold for evt. betydning af reducerende forhold udviklet lokalt i sprækkerne under vandmætning /7, 22/. Figur 9d viser anaerob nedbrydning af pesticidet MCPP i reduceret moræne. Det fremgår, at der er meget forskellig nedbrydningsaktivitet i de enkelte delprøver, hvilket er i overensstemmelse med resultater fra f.eks. Strategisk miljøforskning /f.eks. 23/. Hvorvidt dette skyldes en sporadisk og heterogen fordeling af nedbrydningen i reduceret zone eller metodemæssige begrænsninger er usikkert. Med hensyn til evt. forskellig fordeling af nedbrydningspotentiale i sprækker og matrix foreligger der ikke data. Såfremt der kun sker nedbrydning langs sprækker og ikke i matrix, vil SprækkeJAGG, afhængig af nedbrydningsraten, kunne underestimere forureningsfluxen. 19

20 Figur 9. Nedbrydning af pesticid (MCPP 44 g/kg) udtryk ved CO 2 udvikling i jordprøver af matrix og sprækkevægge for (a) umættet naturligt vandindhold (10 % moisture content) og (b d) vandmættede forhold (25 % moisture content) /fra 4/. 8) Første ordens nedbrydningskonstant Ad 8). Forudsætningen om første ordens forureningsnedbrydning anvendes i de fleste stoftransportmodeller, og den er dermed ikke specifik for sprækkeproblematikken, hvorfor den ikke diskuteres nærmere i denne rapport. For nærmere beskrivelse se f.eks. /17/. 20

21 9) Homogent fordelt sorption ved ens kd-værdi i sprækker og matrix Ad 9). Forudsætningen om ligevægtssorption anvendes i de fleste stoftransportmodelleringer og er dermed ikke specifik for sprækkeproblematikken, hvorfor den ikke diskuteres nærmere i denne rapport. For nærmere beskrivelse se f.eks. /17/ 4.2 Excel-regneark og datakrav SprækkeJAGG-regnearket er vist i figur 10. Det fremgår, at der ud fra de anvendte input-værdier kan beregnes ligevægtskoncentrationsprofiler som funktion af dybden. Porevandskoncentrationerne vises både grafisk og numerisk. Regnearksudtrykket anvender følgende datainput for sprækker og lermaterialet: - Sprækkeafstand - Sprækkeapertur - Matrixporøsitet - Tortuositet - Dispersionskoefficienter for sprækker og matrix For forureningsstoffet kræves data for: - Ligevægtssorption, Kd-værdi - Nedbrydningsrate, 1. nedbrydning - Diffusionskoefficient. 21

22 Figur 10. Excel-regnearket til beregning af ligevægtskoncentrationsprofiler af opløste forureningsstoffer ved vertikal vandmættet sprækketransport gennem morænelerlag. Beregningsresultatet vises grafisk og numerisk som funktion af dybden og afstanden (m) fra sprække ind i matrix. Dybden (z) angiver den vertikale afstand under forureningen og ikke afstanden under terræn. For forureningslokaliteten kræves data for: - Lertykkelse - Nettonedbør (til beregning af sprækkestrømningshastigheden) - Kildestyrken i forureningskilden - Areal og dybde af forureningskilden. Det forudsættes, at data for forureningskilden, nedbrydning og lertykkelse, herunder tykkelsen af oxideret zone, indsamles i forbindelse med de konkrete forureningssager, der ønskes risikovurderet. Endvidere forudsættes, at data for stofegenskaber indsamles eller beregnes for de specifikke forureningskomponenter, der indgår i risikovurderingen. I nærværende rapport er for stofegenskaber anvendt standardværdier fra Miljøstyrelsens JAGG-model /2/. 22

23 5. Datagrundlag Dette afsnit beskriver og vurderer de sprække- og jorddata, der indgår som input til SprækkeJAGG. Herudover diskuteres data i forhold til strømningsbeskrivelsen i SprækkeJAGG og betydningen heraf for regnearkets retvisning. Da der normalt ikke foreligger sprækkeoplysninger fra de forureningslokaliteter, der skal risikovurderes, er datagrundlaget for regnearket opstillet ud fra foreliggende data for sprækker og jordfysiske parametre indsamlet i danske sprækkeundersøgelser, figur 11. Disse omfatter data for: Afstand mellem vertikale sprækker Sprækkeapertur Strømning og stoftransport fra kontrollerede forsøg. Figur 11 viser beliggenheden af de morænelokaliteter, hvorfra der er anvendt data til opstillingen af det hydrauliske datagrundlag til regnearket, se endvidere referencelisten i kapitel 7. Figur 11. Lokalisering af sprækkeundersøgelser. 23

24 I tabel 2 er givet en kort geologisk/landskabsmæssig klassificering af lokaliteterne og nøgledata for sprækkeforekomsten og udførte forsøg på de enkelte lokaliteter. Lokalitet Landskabstype Antal udgravinger Antal profiler Maksimal sprække dybde (m) Transportforsøg Silstrup Randmoræne 1 4 < 4 Intakte søjler (LUC) Feltforsøg Estrup Moræneflade 1 4 > 5 (Bakkeø) Ringe Småbakket moræneflade 4 24 > Lillebæk Småbakket moræneflade 1 4 > 4 Slæggerup Moræneflade 1 4 > 5 over kalksten Ranzausgade Moræneflade 1 4 > 3.5 over kalksten Englandsvej Moræneflade 1 1 > 6 over kalksten Avedøre Moræneflade 2 8 > over kalksten Kamstrup Moræneflade grusgrav 1 > 7 over smeltevandsslette Havdrup Moræneflade Haslev Moræneflade 1 4 > 9 over kalksten Flakkebjerg Moræneflade 3 18 > over smeltevandsslette Fårdrup Småbakket moræneflade 1 4 > 5 Mammen Småbakket moræneflade 1 4 < 2 over smetevandssand (Plateau) Grundfør Småbakket moræneflade 1 4 > 3 + Gjorslev Moræneflade 1 4 >5 + over kalksten Højstrup Moræneflade 1 4 > 5 over kalksten Gedserodde Randmoræne kystklint 1 > 6 Hinnerup Småbakket moræneflade Vasby Dødislandskab 1 4 >4,5 over moræneflade Tune Moræneflade grusgrav 1 9 over smeltevandsslette Farre Småbakket moræneflade Sigerslev Moræneflader Kridtgrav 2 8 over kalksten I alt 24 lokaliteter 32 udgravn. 116 profiler 24

25 Tabel 2. Opmålte danske moræneprofiler og geologisk ramme. Det fremgår af tabel 2, at lokaliteterne dækker et bredt udsnit af danske morænetyper. Der er fundet sprækker på alle lokaliteter i øverste 2 mu.t. og på enkelte af lokaliteterne ned til 7 9 mu.t. Ud over opmåling og optælling af sprækkespor og bioporer er der opmålt tykkelse af oxideret/umættet zone, og der er endvidere på flere lokaliteter udtaget LUC-intaktsøjler til hydrauliske laboratorieforsøg (se figur 2) /3/. På enkelte lokaliteter er der tillige udført kontrollerede feltforsøg mhp. skalering af data for strømning og stoftransport, herunder er der på enkelte lokaliteter udført forsøg med farvetracer til bestemmelse af afstanden mellem hydraulisk aktive sprækker under rodzonen, /3/. Modellering af feltforsøgene mhp. at generere hydrauliske sprækkeparametre til modelberegninger af stoftransport, herunder til SprækkeJAGG, fremgår af bilag Redoxgrænsen Grænsen mellem oxideret (gulbrun) og reduceret (grå) moræneler (redoxgrænsen) er en vigtig grænse for sprækkeegenskaber og for mange forureningsstoffers sorption og nedbrydning. I SprækkeJAGG indgår grænsen derfor som en skilleflade mellem evt. separate kørsler med forskellige datasæt for sprækkeparametre og stofegenskaber (se kapitel 6). Figur 12 viser dybden til redoxgrænsen sammen med lerlagstykkelsen på nogle af de opmålte lokaliteter. Bortset fra lokaliteterne Grundfør, Ringe og Mammen, hvor redoxgrænsen ligger dybere end morænelerlaget, er der udviklet en redoxgrænse mellem 2 og godt 5 mu.t. på alle lokaliteter. Der ses i øvrigt tendens til, at jo dybere sprækkerne trænger ned jo dybere ligger redoxgrænsen. Idet lokaliteterne udgør et relativt stort antal punkter, som er tilfældigt udvalgt i forhold til redoxgrænsens beliggenhed, forventes dybdevariationen i figur 12 at repræsentere moræneler generelt, dvs. at det som udgangspunkt kan forventes, at redoxgrænsen ligger mellem 2 og cirka 6 meters dybde. Kendes den specifikke dybde af grænsen fra boringer på en forureningslokalitet, så vil variationen i morænen på resten af lokaliteten oftest være mindre end den samlede variation i figur

26 dybde til redoxgrænse lertykkelse Ranzausgade Havdrup Avedøre Højstrup Gjorslev Silstrup Slæggerup Flakkebjerg Lillebæk Grundfør Gedser Fårdrup Haslev 1 Kamstrup Estrup Ringe Mammen Figur 12. Dybden til redoxgrænsen og tykkelsen af morænelerlaget for nogle af de sprækkeopmålte lokaliteter i figur 11. Ved Ringe og Mammen er lerlaget gennem-oxideret og redoxgrænsen er registreret i underliggende lag Sprækkeafstand (2B) Fysiske sprækkespor Figur 13 viser den kumulative sprækkeafstand beregnet ud fra opmålte sprækkespor på de 24 lokaliteter. Betegnelsen kumulativ angiver gennemsnitsafstanden mellem alle vertikale sprækker med forskellig horisontal retning omregnet til samme vertikale plan (f.eks. sprækkerne i 2 sæt af vinkelret orienterede sprækker). Det fremgår af figur 13, at der er lille variation i sprækkeafstanden i den oxiderede zone imellem de enkelte lokaliteter. Omvendt er der større variation af afstanden mellem de dybe sprækker i den reducerede zone. Knækket på kurverne i figur 13 skyldes, at særligt udtørringssprækkerne i profilerne uddør omkring redoxgrænsen (se figur 12 og 13). Overgangen mellem oxideret og reduceret zone er derved styrende for sprækkehyppigheden. 26

27 Figur 13. Kumulativ afstand mellem vertikale sprækkespor vs. dybde fra udvalgte undersøgelseslokaliteter fra figur 11. Opdateret efter /24, 31/. På grund af den observerede lille variation i sprækkeafstand i oxideret zone vurderes der at være relativ stor sandsynlighed for, at sprækkeafstanden på en given forureningslokalitet på moræneler vil ligge inden for variationsbredden af dataene i figur 13. Det fremgår, at der er stor variation i både sprækkedybde og sprækkeafstand inden for korte afstande på de undersøgelseslokaliteter, hvor der er opmålt flere udgravninger inden for et lidt større område. Dette er illustreret i figur 14, der viser sprækkedybder fra 3 til 6 m i udgravningerne på Havdrup-lokaliteten (cirka 2 ha). 27

28 Figur 14. Eksempel på variation i sprækkeafstand og sprækkedybde mellem udgravninger inden for en enkelt lokalitet (ca. 2 ha) /19/. Variationen af sprækkedybde og sprækkeafstand (tabel 3) imellem profilerne på denne lokalitet dækker dermed en stor del af variationen mellem samtlige 24 opmålte lokaliteter i figur 11. Udgravning (Havdrup) Måledybde [m] E1 1 2,0 3,5 (red. ler) E2 1 2,5 3,5 (red. ler) E3 1 2,0 3,5 (red. ler) E4 3 (red. Ler) 5 (red. ler) Store Sprækker* Antal målinger * Sammenhængende sprækker (> 0,5 m lange). ** Mindre sprækker og kontaktflader mellem jordaggregater. Små sprækker** Kumulativ sprækkeafstand [m] Store sprækker* 0,15 3 > 10 0,3 0,35 2 0,12 0,18 0,8 0,35 1 Små sprækker** 0, ,025 0,035-0, Tabel 3. Eksempel på variationen i afstand mellem store og små vertikale sprækker mellem 4 udgravninger (lokaliteten vist i figur 14) /modificeret efter 19/. 28

29 Sammenfattende viser sprækkeopmålinger at: der forekommer sprækker på alle 24 undersøgte lokaliteter. spækkedybderne varierer mellem 2 m og > 8 meter. opmålte forskelle i sprækkedybde og sprækkeafstand på én og samme lokalitet (figur 14 og tabel 3) dækker en stor del af den samlede variation for alle 24 opmålte lokaliteter. aerob zone-tykkelse mellem 2 m og knap 6 m Hydraulisk aktive sprækker Undersøgelser med farvetracere viser, at det kun er en del af de opmålte sprækker, som er hydraulisk ledende/effektive (blå sprækker i figur 15). Der er kun udført enkelte farvetracerforsøg i en skala, der svarer til opmålingerne af sprækkesporene i udgravninger (figur 13). Figur 15. Eksempel på fordelingen af hydraulisk ledende og ikke ledende sprækker undersøgt ved farvetracerforsøg. De angivne sprækkeåbninger (apertur) er middelværdier gældende sprækkekanalerne med farvetracer (blå). Orange og sorte sprækker er ikke hydraulisk aktive /5/. I stedet er der foretaget estimering af hydraulisk aktive sprækkers frekvens ud fra farvetracerforsøg udført i mindre profiler og i intakte søjler fra de opmålte profiler /4, 6, 7, 25/. Endeligt er foretaget bestemmelse af afstanden mellem 29

30 hydraulisk aktive sprækker ved modelsimulering af feltforsøg i Ringe, Havdrup og Avedøre med modelkoderne FRAC3Dvs og CRAK (bilag 1). Resultaterne af disse bestemmelser for oxideret moræneler fremgår af figur 16, der viser afstanden mellem opmålte sprækkespor (fra figur 13) og den estimerede afstand mellem hydraulisk aktive sprækker. For reduceret zone foreligger der kun forsøgsdata fra Havdrup (figur 15), hvor sprækkeafstanden i 5 mu.t. er 1,1 1,25 m og 4 5,17 m for hhv. opmålte sprækkespor og hydraulisk aktive sprækker /5/. Data indikerer sammenfattende, at afstanden mellem de hydraulisk ledende sprækker er op til knapt 10 gange større end de fysiske sprækkespor. De mindre afstande, der er vist for hydraulisk aktive sprækker end for sprækkesporene i Ringe, bygger alene på modelsimuleringer /14/. Betydningen af sprækkeafstanden for opløst stoftransport fremgår af følsomhedsanalysen figur 23 og 24. Figur 16. Kumulativ afstand mellem vertikale sprækkespor og hydraulisk aktive sprækker vs. dybde i oxideret zone fra undersøgelseslokaliteterne i figur Sprækkeapertur (2b) Figur 17 viser data for sprækkernes apertur, der repræsenterer værdier bestemt ud fra forsøg med intakte søjler fra 7 af de 24 sprækkeopmålte lokaliteter og værdier bestemt ved modellering af feltforsøgene fra Ringe, Havdrup og Avedøre, bilag 1. Det fremgår af figur 17, at der er stor spredning af aperturværdierne og tendens til, at de aftager med dybden. Fordelingen af værdierne indikerer forekomst af få store hydraulisk ledende sprækker mellem mange små sprækker. I realiteten repræsenterer alle de viste aperturer sprækker som hydraulisk ledende, men 30

31 fordi sprækkestrømningen varierer med sprækkeåbningen i 3. potens (kubiske lov, ligning 1), er det i praksis relevant at skelne mellem ledende og ikke ledende sprækker. Figur 17. Sprækkeapertur som funktion af dybden i naturligt sprækkede intakte morænesøjler (diam.= 0,5 m) udtaget fra 7 af de 24 sprækkeopmålte lokaliteter i figur 11 og i feltforsøg fra Havdrup, Ringe og Avedøre (bilag A). 31

32 Som følge af 3. ordens sammenhængen mellem sprækkeapertur og strømning sker hovedparten af den vertikale vandbevægelse under vandmættede forhold i de store hydraulisk ledende sprækker (betydning for stoftransport, se figur 22 og figur 4a, b samt figur 15) /5/. Det analytiske udtryk, der anvendes i SprækkeJAGG, tillader som nævnt kun, at der anvendes 1 sprækkeapertur og 1 sprækkeafstand. Dette kræver særlig vægtning af de store sprækker. Denne vægtning er udtrykt i figur 17 som 95 % fraktilen for sprækkeaperturen opdelt for hhv. oxideret og reduceret zone. 32

33 6. Usikkerhed og følsomhed 6.1 Konceptuel usikkerhed Sprækker På baggrund af forekomsten af sprækker på alle 24 undersøgelseslokaliteter og den indikerede store variation af sprækkedybden inden for den enkelte lokalitet (figur 14 og tabel 3) må der som udgangspunkt forventes sprækkeforekomst i de øverste cirka 8-10 m på forureningslokaliteter med moræneler, når der ikke foreligger yderligere oplysninger. Der findes ingen direkte målinger af hydrauliske data for sprækker i større dybde end cirka 6 mu.t. Sprækkeobservationer i boringer samt grundvandsovervågningsdata indikerer dog, at strømningen i upræget grad også sker præferentielt i større dybde. Blandt andet har indhold af pesticidstoffet BAM i grundvandsmoniteringsboringer i moræneområder kun kunne modelsimuleres i oplandsstudier, hvis der indregnes transport i præferentielle strømningsveje for moræner generelt, dvs. også for større morænetykkelser end 6 m, figur 18 /16, 17/. (figur fortsættes næste side) 33

34 Figur 18. FRAC3Dvs modelsimuleringer af BAM-transport gennem bunden af 16 m tykt morænelag (a - d) og (e) GMS-simulering af det resulterende BAMindhold i en vandværksboring med og uden hensyntagen til dybde sprækker (f). Simuleringerne viser, at den udbredte forekomst og spredning af BAM i grundvand under lerlagene forudsætter, at strømningen igennem moræneler kontrolleres af strømning i dybe sprækker eller lignede præferentielle strømningsveje (sprækker/sandslirer etc.) /fra 16/. Ud over strømningen i dybe sprækker kan der ske strømning i sandslirer/tynde sandlag og sandede partier imellem morænebænke (se figur 19 og 20) /16, 17/. Morænebænkene er aflejret ved individuelle gletscherfremstød og er sjældent mere end 2 5 m tykke, hvorved tykkere morænelag typisk opbygges af flere bænke adskilt af spordisk udbredte sandstriber og sandlag, figur 19 (unit TE TA). Disse er ofte mere eller mindre skråstillede med mulighed for indbyrdes skæring. 34

35 Figur 19. Eksempel på typisk opdeling af tykkere morænelag i mindre enheder/morænebænke (unit TA TE), der stedvist er adskilt af tynde vandførende sandlag/medslæbte sandslirer/sandstriber). Placering af profil er vist i figur 14. /fra 19/. I figur 20 er vist et eksempel herpå, hvor indlejrede sandslirer/sandlag danner strømningsveje for grundvand med nitratindhold i et dæklag af reduceret moræneler /22/. Ud over dette eksempel er betydning af sandindslagene for stoftransporten i de dybe moræner dårligt belyst, men pga. af den hyppige skråstilling forventes sandindslagene i udbredt grad at kunne danne hydraulisk kontakt til underliggende grundvand, enten direkte eller ved indbyrdes skæring. 35

36 Figur 20. Eksempel på kontakten mellem 2 morænebænke, som stedvist er adskilt af tynde vandførende sandlag/medslæbte sandslirere (a og b). Det fremgår af profilet (c), at tynde sandslirer danner transportveje for nitrat /22, 26/. Modelstudier indikerer, at stoftransportsimulering for sprækker godt kan anvendes på screeningsniveau som tilnærmet beskrivelse af transporten i sandslirerne, figur 21. Dette gælder fortrinsvist mobile forureningsstoffer, som i det viste eksempel i figur 21. Stoffer, der adsorberes kraftigere, vil muligvis blive transporteret i større omfang i sandslirerne end i sprækker (mindre adsorption i sand end ler). Sprækkemodellen vil for denne type tilfælde kunne risikere at underestimere transporten. 36

37 Figur 21. FRAC3Dvs modelsimuleringer af sprækketransport (a, c) versus transport i sandslirer (b, c) for et mobilt pesticid (R = 6,8) uden medtagelse af nedbrydning /fra 19/. Sammenfattende er der således indikation for: 1) at der forekommer forureningstransport i sprækker og/eller sandslirer i større dybde i moræneler end de opmålte sprækkedata i figur 13 og 17 dækker. 2) at forureningstransport af mobile forureningsstoffer i både sprækker og evt. sandslirer kan beregnes som sprækketransport med SprækkeJAGG på screeningsniveau. På den baggrund regnes der i SprækkeJAGG med gennemgående sprækker ved vertikal forlængelse af de opmålte sprækkeparametre fra de øverste cirka 8 mu.t. Screeningen følger på denne baggrund forsigtighedsprincippet. 37

38 6.1.2 Redoxgrænse Der er påvist forekomst af en øvre oxideret og en nedre reduceret moræne på 21 ud af de 24 lokaliteter med redoxgrænse mellem de to zoner beliggende mellem cirka 2-6 mu.t. Der er situationer, hvor der ikke er udviklet reduceret zone, men som udgangspunkt vil denne oftest være udviklet på forureningslokaliteter med mere end 6 m moræneler Sammenfatning Der vurderes at være en relativ lille konceptuel usikkerhed om opbygningen af moræneler som strømningsmedium, og at stoftransporten oftest er kontrollerede at præferentiel strømning i sprækkerne og/eller ofte skråstillede sandlag/sand-slirere i morænen. Sprækkerne dominerer typisk i de øverste 6 m, hvorfra der foreligger et betydeligt antal målinger af sprækkeparametre og hydrauliske karakteriseringer. Usikkerheden drejer sig primært om typen af præferentielle strømningsveje (sprækker og sandslirer) og samspillet mellem disse i de dybe morænelag. Modelsammenligninger indikerer, at transportsimulering for sprækker på screeningsniveau godt kan anvendes som tilnærmelse for transporten i sandslirerne for mobile/moderat mobile forureningsstoffer. På den baggrund regnes der i SprækkeJAGG med vertikal forlængelse af de opmålte sprækker fra de øverste cirka 8 meter som gennemgående, uanset morænelerlagets tykkelse. Screeningen følger på denne baggrund forsigtighedsprincippet. 6.2 Numerisk usikkerhed og følsomhed Sprækkeapertur Sprækkeaperturværdierne dækker knapt 40 bestemmelser fordelt på 8 morænelokaliteter. De beregnede 95 % fraktiler i figur 17 repræsenterer store gennemgående sprækker. Disse vurderes ud fra datamaterialet at være velkarakteriserede og vides at udgøre de primære transportveje for stoftransport under høj grundvandstand (vandmætning) i vintersæsonen, hvor størstedelen af nettoinfiltrationen ligger. For større dybde indikerer modelstudier i Miljøstyrelsens BAM-projekter /16, 17/, at BAM-indholdet i grundvand overestimeres, når der i modelsimuleringer anvendtes aperturværdier større end knapt medianværdier fra datasættene i figur 16 og 17. På den baggrund vurderes de beregnede 95 % fraktilværdier for aperturer i hhv. oxideret og reduceret zone (figur 17) at repræsentere worstcase sprækkeaperturer/sprækker. Anvendelse af 95 % fraktilerne i Sprække- JAGG vil dermed følge forsigtighedsprincippet Sprækkeafstand Som udgangspunkt dækker de opmålte sprækkespor på de 24 undersøgelseslokaliteter et stort antal målinger, og de repræsenterer en god geografisk og geologisk spredning. På den baggrund vurderes der at være lille numerisk usikker- 38

39 hed mht. fordelingen sprækkeafstande i de øverste cirka 8 m af morænelerlag i Danmark. Til sammenligning foreligger der væsentligt færre data for afstanden mellem hydraulisk aktive sprækker, specielt for dybe sprækker i reduceret zone. Data, primært for oxideret moræneler (figur 16), indikerer, at afstanden mellem de hydraulisk ledende sprækker er op til knapt 10 gange større end de fysiske sprækkespor. Der foreligger kun måledata for afstanden mellem dybe hydraulisk aktive sprækker i reduceret moræneler fra en enkelt undersøgelseslokalitet (figur 15) og ingen data fra større dybde end 8 mu.t. For større dybde indikerer Miljøstyrelsens BAM-undersøgelser, at sprækker er nødvendige at medtage som forudsætning for, at målte indhold af BAM i grundvandsovervågningen kan reproduceres med modelsimuleringer. Modelsimuleringerne giver god tilnærmelse af overvågningsdataene ved anvendelse af sprækkeafstanden 1 m for dybe gennemgående sprækker, mens der som nævnt i sidste afsnit (se figur 18e, f) sker overestimering af BAM-indholdet, når der anvendes en sprækkeafstand på 5 m /16/. Betydningen af forskellen for simulering af BAM-transport gennem 16 m sprækket moræneler fremgår af figur 18f. Tænkes som udgangspunkt opsætningen med sprækkeafstanden 2B = 1m anvendt i SprækkeJAGG, vil modellen beregne BAM-transporten til grundvandet i gennemsnitssprækker (grundvandsovervågningens data dækker et bredt spektrum af større eller mindre grad af sprækketransport fra mange BAM-kilder). Modellen vil dermed overvejende sandsynligt underestimere risikoen for et antal kilder, hvormed sprækkeopsætningen ikke vil følge forsigtighedsprincippet på den enkelte forureningskilde. Valget af 2B = 5 m vil derved kunne repræsentere en relevant worst-case værdi for sprækkeafstanden mellem dybe sprækker for reduceret moræneler i SprækkeJAGG ud fra oplandsmodelleringerne i BAM-projekterne. Dette støttes af følsomhedsanalysen i det følgende afsnit, der viser, at stoftransporten ikke stiger væsentligt, når sprækkeafstanden overstiger cirka 5 m (figur 24c) Følsomhed Normalt regnes sprækkeaperturen for den mest følsomme hydrauliske parametre for stoftransport i sprækker, fordi vandstrømningen varierer med aperturen i 3. potens ved fastholdt hydraulisk gradient (ligning 1), dvs. hvor der ikke er begrænsning i vandtilførslen. Betydningen af sprækkeaperturen fremgår af figur 22, der viser gennembruddet af en opløst TCE-forureningsfront (defineret som den relative koncentration C/C0 = 10-5 ) fra en vedvarende konstant forureningskilde ved fastholdt hydraulisk gradient /27/. Ved at øge aperturen fra 5 m til 20 m i simuleringerne 39

40 fremgår det, at ankomsttiden af forureningsfronten reduceres fra cirka 1000 år til 20 år. Figur 22. Modelsimuleret transport af forureningsstof (opløst TCE) gennem lerlag som funktion af sprækkeapertur ved fastholdt vertikal hydraulisk gradient (0,2). I beregningen er TCE-kildestyrken ved lerlagets top fastholdt på 1566 mg/l. Figurens y-akse viser tiden før forureningsfronten af TCE (defineret som C/C0 = 10-5 svarende til 10 g/l) passerer bunden af lerlaget ved transport i parallelle sprækker med afstanden 2B = 0,23 m) /fra 27/. Forudsætning om den fastholdte gradient er ikke gældende i den praktiske anvendelse af SprækkeJAGG, hvor det er infiltrationen, der holdes konstant i beregningerne (som udgangspunkt defineret som nettonedbøren på forureningslokaliteten). Herved tilpasses den hydrauliske gradient (automatisk) i regnearket, når aperturen ændres, således at den definerede infiltration fastholdes. For denne situation bliver sprækkeafstanden den styrende parameter for den beregnede forureningstransport med regnearket, mens aperturen blot justeres, således at SprækkeJAGG producerer den korrekte mængde vand ved den givne hydrauliske gradient. Figur 23 viser stoftransportens følsomhed over for sprækkeafstanden. Det fremgår heraf, at forureningstransporten vokser med stigende sprækkeafstand, som nævnt forudsat, at der er samme størrelse infiltration i begge scenarier. 40

41 Figur 23. (a) Antallet af hydraulisk ledende sprækkers betydning for stoftransport. Den øverste figur (a) viser målt (punkter) og modelsimulerede (med FRACTRAN) gennembrud af en konservativ tracer gennem en intakt morænesøjle ved konstant vandgennemstrømning af søjlen (10 liter/dag). De to simulerede scenarier viser kraftigt gennembrud ved simulering af strømningen i kun 1 af de 3 observerede sprækker ( one primary fracture open ) og mindre kraftigt gennembrud ved simulering af strømningen som ligeligt fordelt i alle tre sprækker ( all primary fractures open ), svarende til mindre sprækkeafstand /fra 28/. (b og c) viser opskaleret følsomhed med FRAC3Dvs af stoftransport over for sprækkeafstand ved simulering af transport (b) gennem 4 m oxideret moræneler m. nedbrydningsraten = 0,01/dag svarende til t½ = 69 dage (f.eks. benzen, aerobe forhold) og (c) gennem 15 m reduceret moræneler med nedbrydningsraten = 0,001/dag svarende til t½ = 1,9 år (f.eks. benzen, anaerobe forhold). I begge simuleringer er anvendt infiltration = 300 mm/år. Anvendte nedbrydningsdata er fra /2/. 41

42 For en situation med mange hydraulisk ledende sprækker viser følsomhedsanalysen således, at forureningstransporten gennem lerlaget tilbageholdes mere end i en situation med få sprækker (stor sprækkeafstand), som nævnt forudsat, at infiltrationen gennem forureningsarealet er den samme i de to tilfælde (se figur 23). Den stigende transport, som ses ved den voksende sprækkeafstand, skyldes dels større sprækkestrømningshastighed og dels et mindre sprækkeareal (begge pga. af færre sprækker), som danner udgangspunkt for forureningsdiffusionen fra sprækkerne ind i matrix (tilbageholdelse af forureningstransporten ved såkaldt matrixdiffusion). Det skal indskydes, at der forekommer særlige kombinationer af små sprækkeafstande og meget langsom forureningsnedbrydning, hvor forureningsgennembrud er hurtigere og kraftigere end ved større sprækkeafstande /1/. Figur 24 viser beregninger af følsomheden for de enkelte beregningsparametre i SprækkeJAGG. Der er anvendt 2b = 81 m (svarende til 95 % fraktilen, figur 16), 2B = 5 m for sprækker, samt infiltrationen 300 mm/år som udgangspunkt ( base case ) for beregningerne i alle diagrammerne. Bortset fra data for nedbrydningsraten af forureningsstoffet kan de viste parametre i følsomhedsanalysen bestemmes vha. opslagsværker, erfaringsopsamlinger og grundvandskortlægningen, eller de kan beregnes. Hermed udgør nedbrydningsraten for forureningsstoffet den primære usikkerhedsfaktor ved anvendelse af SprækkeJAGG. I det følgende afsnit med praktiske eksempler anvendes standardværdier fra Miljøstyrelsens JAGG-model for stofegenskaber /2/. 42

43 (a) (b) (c) Figur 24. Følsomhedsanalyse af parametrene i SprækkeJAGG. Der er anvendt 2b = 81 m (svarende til 95 % fraktilen, figur 17), 2B = 5 m for sprækker samt infiltrationen 300 mm/år gennem 15 m moræneler, som udgangspunkt (base case) for beregningerne i alle diagrammerne. Der er anvendt nedbrydningsraten 43

44 = 0,01/dag svarende til en halveringstid t½ = 69 dage (f.eks. benzen, aerobe forhold) og = 0,001/dag svarende til t½ = 1,9 år (f.eks. benzen, anaerobe forhold). Nedbrydningsdata fra /2/. (d) (e) (f) Figur 24 (fortsat). Følsomhedsanalyse af parametrene i SprækkeJAGG. Der er anvendt 2b = 81 m (svarende til 95 % fraktilen, figur 17), 2B = 5 m for 44

45 sprækker samt infiltrationen 300 mm/år gennem 15 m moræneler, som udgangspunkt (base case) for beregningerne i alle diagrammerne. Der er anvendt nedbrydningsraten = 0,01/dag svarende til en halveringstid t½ = 69 dage (f.eks. benzen, aerobe forhold) og = 0,001/dag svarende til t½ = 1,9 år (f.eks. benzen, anaerobe forhold). Nedbrydningsdata fra /2/. 45

46 7. Worst-case sprækkeparametre 7.1 Sprækkeparametre Figur 25 viser de definerede worst-case værdier for sprækkeapertur og sprækkeafstand for hhv. oxideret og reduceret moræneler samt tilsvarende beregnede hydrauliske ledningsevneværdier for de to zoner. Oxideret ler: Brunt ler Reduceret ler: Gråt ler Kbulk = 2,4E-6 m/s 2b = 158 m 2B = 1,0 m Gv. Kbulk = 6,3E-8 m/s 2b = 81 m 2B = 5,0 m Figur 25. Worst case hydrauliske sprækkeparametre og tilsvarende hydrauliske ledningsevne-værdier for oxideret og reduceret moræneler beregnet uden strømning i matrix. For sprækkeaperturen er anvendt 95 % fraktilerne fra figur 17 mhp. at sikre repræsentation af de store hydraulisk aktive sprækker, som både teoretisk og i feltforsøgene har vist sig at stå for hovedparten af vandbevægelsen under vandmættede forhold. Ved fastlæggelsen af worst-case sprækkeafstanden er der taget udgangspunkt i de indsamlede data for de hydraulisk aktive sprækker, dvs. resultaterne af farvetracerforsøg og modelsimuleringerne i appendiks A. På den baggrund regnes med værdien 1 m som worst case sprækkeafstanden i oxideret zone. Denne værdi repræsenterer en sikkerhedsfaktor 2 i forhold til den reelle afstand mellem hydraulisk aktive sprækker i figur 16. Valget af denne sikkerhedsfaktor begrundes med det beskedne datagrundlag for afstand mellem hydrauliske aktive sprækker. Betydningen af sikkerhedsfaktoren for forureningstransporten fremgår af simuleringerne i figur 23b. For den reducerede zone er der eksperimentelt bestemt en afstand på cirka 5 m for hydraulisk ledende sprækker /5/ (figur 15). Følsomhedsanalysen figur 22c viser endvidere, at stigningen i stoftransporten flader ud ved sprækkeafstande over 5 m, der tillige synes at repræsentere en relevant worst case værdi for de dybe sprækker i Miljøstyrelsens BAM-projekter /16/. På den baggrund regnes med værdien 5 m som worst case sprækkeafstand for reduceret moræneler i SprækkeJAGG. 46

47 7.2 Hydraulisk ledningsevne og strømning Anvendelsen af repræsentative hydrauliske ledningsevneværdier for morænelag i SprækkeJAGG er en forudsætning for, at der vil blive regnet med realistisk hydraulisk gradientforhold i SprækkeJAGG, når der infiltreres nettonedbørsmængder ( worst case størrelse). Bulk-hydraulisk ledningsevne (k) for moræneler (for sprækker og matrix mv.) ligger generelt i intervallet m/s for de øverste m af lerlagene /3, 29/. I figur 26 er den typiske vertikale fordeling af k-værdien vist for 3 af de sprækkeopmålte lokaliteter fra figur 11 (Ringe, Havdrup og Flakkebjerg). Bulk hyd. ledningsevne [m/s] 1,E-09 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03 0 Bulk hyd. ledningsevne [m/s] 1,E-09 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E Dybde [m.u.t.] Sandlag --- redoxgrænse Dybde [m.u.t.] redoxgrænse Ringe 16 Flakkebjerg 47

48 Bulk hyd. ledningsevne [m/s] 1,E-09 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03 0 Dybde [m.u.t.] Sandlag --- redoxgrænse Havdrup Figur 26. Vertikal fordeling af hydraulisk ledningsevne fra 3 af lokaliteterne fra figur 11. Det fremgår af figur 26, at k-værdien på alle tre lokaliteter aftager fra i den oxiderede zone til i den reducerede zone. Den viste vertikale fordeling er generel for morænelag og afspejler den tilsvarende fordeling af sprækkeforekomst og sprækkeaperturer vist i hhv. figur 13, 16 og 17. Endvidere påvirkes tendensen af, at den hydrauliske ledningsevne af matrix for den samme lertype er højere i oxideret zone ( m/s) end i reduceret zone ( m/s), /3/. De tilsvarende hydrauliske ledningsevneværdier (kværdier) beregnet på basis af worst-case sprækkeparametrene i figur 25, viser rimelig god overensstemmelse med de 3 viste profiler i figur 26. Figur 27 viser målte og modelsimulerede hydrauliske trykhøjder i moniteringsboringer i Havdrup-profilet (figur 26). Det fremgår, at der er rimelig overensstemmelse mellem de målte og simulerede trykhøjder ( hydraulic head til højre i figur 27). De anvendte parametre for sprækker og matrix til hydraulisk karakterisering af modelprofilet stammer fra målinger i de øverste 6 m af profilet (tabel 3, figur 15, 16 og 17), som er forlænget til bunden af profilet efter samme princip som i SprækkeJAGG. 48

49 Figur 27. Målte og modelsimulerede hydrauliske trykhøjder i moniteringsboringer som resultat af infiltrationen (nettonedbøren) og grundvandsdannelse gennem Havdrup-profilet. Anvendte sprækkeparametre (2b og 2B) i modelsimuleringerne er vist til venstre i figuren /fra 28/. Det fremgår af figur 27, dels at en stor del af nettonedbøren strømmer af lateralt ved interflow i sandlaget 5-6 mu.t. under nedsivning gennem morænelaget, og dels at apertur-værdierne er væsentligt mindre end worst case i figur 25. Ved anvendelse af worst case værdien 81 m for sprækkeaperturen i stedet for de 39 m i Havdrup-profilet, figur 27, skal infiltrationen være cirka 8 gange så stor (ligning 1), for at den hydrauliske gradient bliver samme størrelse som i figur 27, hvilket svarer til en infiltration på 360 mm/år gennem bunden af lerlaget. Eksemplet indikerer, at der kan anvendes op til cirka 600 mm samtidig med at rammen for en realistisk størrelse af hydraulisk gradient (mindre end 1) gennem lerlaget overholdes i SprækkeJAGG ved anvendelse af worst case sprækkeværdierne. 49

50 I tykke morænelag sker der oftest en væsentlig lateral afstrømning af nettonedbøren under nedsivningen gennem lerlaget (som vist i figur 27). Dette indebærer, at en fastholdelse af nettonedbøren gennem hele lerlaget, som forsigtighedsprincippet tilsiger i SprækkeJAGG, i mange tilfælde vil betyde en overdrivelse af forureningstransporten gennem tykkere lerlag (se figur 24b). Dette fremgår af følsomhedsanalysen i figur 22b, der viser, at den beregnede forureningstransport, og dermed den vurderede risiko for grundvandet, reduceres betydeligt, hvis der anvendes en reduceret gennemstrømning i lerlaget svarende til de reelle 80 mm/år i stedet for nettonedbøren på 340 mm/år i figur 27. Ligeledes i figur 22b ses der at være en meget betydende kobling mellem infiltrationen og forureningsnedbrydningen. Som konsekvens heraf vil der i praksis forventes meget stor variation af forureningsrisikoen for grundvandet i et indsatsområde, selvom det overliggende lerlag har konstant tykkelse. Dermed er vandbalancen (strømningshastigheden gennem lerlaget) og nedbrydningsforholdene for morænelaget de vigtigste naturgivne faktorer at få klarlagt som grundlag for en videregående risikovurdering på den enkelte forureningskilde. Endeligt vil der kunne foretages graduering af risikoen for sprækkestrømning på en given forureningslokalitet ved videregående undersøgelser, f.eks. af morænetype, konsolideringsforhold (vingestyrke), type af underliggende grundvandsmagasin osv. I risikovurderingen bør dog udover sprækkerne tages hensyn til transport langs andre præferentielle transportveje, herunder tektonisk forstyrrede sandindslag og andre typer geologisk heterogenitet i morænen, der kan danne selvstændige transportveje for grundvandsforurening (figur 20). 50

51 8. Praktiske eksempler De valgte eksempler på praktisk anvendelse af SprækkeJAGG tager udgangspunkt i det 4. eksempel i Miljøstyrelsens opdatering af JAGG /30/. Sprækkeværdierne anvendt i SprækkeJAGG svarer til worst case sprækkerne i figur 25. Betydningen af at medregne sprækketransport kan i det følgende eksempel 1 bedømmes direkte ved sammenligning af beregningsresultaterne med Miljøstyrelsens beregningsresultat for samme forureningseksempel. I eksempel 2 vurderes betydningen af opdeling af morænelerlaget i oxideret og reduceret zone og betydningen af den samlede morænelertykkelse. 8.1 Eksempel 1: Forurening med benzin i moræneler over sandmagasin Eksempel 1 er som nævnt baseret på samme betydende data som 4. eksempel i /30/, bortset fra at forureningstransporten er beregnet ved sprækkestrømning, som er defineret vha. worst case værdierne i figur 25. Lokalitets- og forureningsoplysninger: Nettonedbør = 200 mm Lertykkelse = 10 m Forureningsareal = 5 x 5 m Forureningsdybde = 0-3 mu.t. Koncentration af benzen (3 mu.t) = 50 mg/l. Parameterværdier for moræne og stof: Sprækkeparametre = Worst case for reduceret moræneler (se figur 25) Porøsitet = 0,4 Tourtositet ( ) = 0,4 Indh. af org. stof (f oc ) = 0,001 Volumenvægt ( ) = 1,8 kg/l Diffusionskoefficient i vand = 8E-6 m 2 /dag 1.ordens nedbrydningsrate ( ) = 0,001/dag. Det bemærkes, at tykkelsen af oxideret zone ikke er angivet i eksemplet, og at der regnes med anaerobe nedbrydningsforhold (langsom nedbrydning) langs hele transportvejen gennem morænelerlaget. Som følge af de manglende oplysninger om tykkelsen af en evt. oxideret zone, er det ud fra forsigtighedsprincippet antaget, at denne er max. 2 m tyk (se figur 13). Som konsekvens heraf er anvendt de hydrauliske sprækkeparametre gældende for reduceret moræneler langs hele transportvejen (figur 25). 51

52 Beregning af risiko Figur 28 viser indsættelsen af input-værdierne i regnearket. Beregningsresultaterne er vist grafisk og numerisk i figur 28b, c, som porevandskoncentrationer for sprækker og matrix i stigende afstand fra sprækkerne og som funktion af dybden. a b c Figur 28. Eksempel 1. Input og beregningsresultater med spækkeregnearket. Billedet viser (a) felt til indsættelse af input-værdierne i regnearket og beregningsresultater vist (b) grafisk og (c) numerisk, som funktion af dybden og afstanden fra sprækkerne. Bemærk at koncentrationerne i 10 mu.t. (markeret med rødt i c ) svarer til 7 m under bunden af forureningskilde (3 mu.t.). I det konkrete eksempel svarer de beregnede koncentrationer i dybden 7 m til koncentrationerne lige over sandmagasinet i 10 mu.t., fordi forureningskildens undergrænse ligger 3 mu.t. i lerlaget. 52

53 Koncentration for udvaskningen til sandmagasinet svarer til den angivne koncentration for sprækken i 7 mu.t., da der ikke regnes med strømning gennem matrix. Koncentrationen i sprækken kan aflæses til 44,36 mg/l svarende til en forureningsdæmpning på kun 11 %. Til sammenligning er der beregnet 0,3 mg/l svarende til en forureningsdæmpning på over 99 % i samme eksempel fra /30/, hvor der regnes med stempelstrømning uden sprækker. Den beregnede sprækketransport med SprækkeJAGG vurderes at være realistisk, fordi det er overvejende sandsynligt, at der forekommer hydraulisk ledende sprækker ned til 10 mu.t. med de anvendte hydrauliske karakteristika (figurerne 13, 16 og 17). Herunder svarer den beregnede forureningstransport til målt stoftransport i sammenlignelige dybder i feltforsøgene i Ringe og Havdrup (bilag 1). På den baggrund vurderes det sandsynligt, at risikovurderingsmodellen uden sprækker vil give en betydelig undervurdering af forureningstransport til grundvandsmagasinet. Ud fra SprækkeJAGG resultatet beregnes forureningsfluxen til grundvandet under forureningskilden som følger: Areal af forurenet felt = 25 m 2 Udstrømning = 200 mm/år Stoffluxen gennem forureningsfeltet til grundvandet (10 mu.t.) = 44 mg/l/m 2 x 200 l/år x 25 m 2 = 220 g/år. 8.2 Eksempel 2. Forurening med benzin i moræneler med øvre oxideret zone Dette eksempel er identisk med eksempel 1, bortset fra at der antages påvist forekomst af oxideret moræneler ned til 6 mu.t. Dvs. at der er 3 m oxideret moræneler mellem forureningskilden og overgrænsen af de underliggende 4 m reduceret moræneler over sandmagasinet (ligger fortsat i 10 mu.t). Det antages, at der sker aerob nedbrydning af benzen i den oxiderede zone ( = 0,01/dag) og anaerob nedbrydning ( = 0,001/dag) i den reducerede zone. Ved forekomsten af både oxideret og reduceret zone udføres beregningen separat for hver zone med regnearket. Dvs. der beregnes først for 6 m oxideret ler og efterfølgende for de underliggende 4 m reduceret ler med anvendelse af tilhørende parameterværdier Trin 1. Vertikal transport fra bunden af forureningskilden til bunden af oxideret zone: Beregningen er vist i figur 29, hvor der er anvendt worst case sprækkeparametre for oxideret moræneler (figur 25) og den høje nedbrydningsrate for benzen ved aerobe forhold ( = 0,01/dag). 53

54 Figur 29. Eksempel 2 oxideret zone (trin 1). Input-værdierne og beregningsresultater vist grafisk og numerisk for transport af benzen igennem oxideret zone under aerob nedbrydning ( = 0,01/dag). Rød markering svarer til koncentrationen ved bunden af oxideret zone (6 mu.t.). Det fremgår af figur 29, at den beregnede porevandskoncentration i sprækkerne er 22 mg/l i dybden 3 m under forureningskilden, svarende til en forureningsdæmpning på 56 %, der således er væsentligt større end i eksempel 1. Resultatet illustrerer betydningen af nedbrydningen samt den anvendte mindre sprækkeafstand. Trin 2. Den videre vertikale transport fra top af reduceret zone: Som startkoncentration er anvendt den aflæste sprækkekoncentration fra bunden af oxideret zone i trin 1 (22 mg/l). I forhold til opsætningen i trin 1 er sprækkeparametrene endvidere ændret til worst case værdierne for reduceret moræneler (figur 25), og der er anvendt nedbrydningsraten for anaerobe forhold. Beregningen af trin 2 er vist i figur 30, hvor porevandskoncentrationerne i 10 mu.t. kan aflæses for z = 4 m. Koncentrationen i sprækken i denne dybde er 20,58 mg/l og dermed kun reduceret marginalt i forhold til koncentrationen ved bunden af oxideret zone (22 mg/l). 54

55 Figur 30. Eksempel 2 (trin 2), fortsat transport gennem reduceret zone. Inputværdierne og beregningsresultater er vist grafisk og numerisk for transport af benzen igennem reduceret zone under anaerob nedbrydning ( = 0,001/dag). Rød og violet markering svarer til koncentrationerne i hhv. 10 (z = 4 m) og 15 mu.t. (z = 9 m). Det fremgår endvidere af beregningen, at hvis der antages en større tykkelse af den reducerede zone svarende til en samlet morænelerlagstykkelser på 15 m, beregnes der en porevandskoncentration i sprækkerne på 19 mg/l. Der beregnes således kun en lille yderligere formindskelse af porevandkoncentrationer ved større morænelertykkelse af reduceret zone. Dette skyldes 1. ordensvirkningen ved den anvendte lave nedbrydningsrate i kombination med lave koncentrationer. 55

56 9. Referencer /1/ Sudicky and Frind Contamination transport in fractured porous media: Analystical solution for a system of parallel fractures. Water Resour. Res. 18, /2/ Miljøstyrelsen Manual for program til risikovurdering - JAGG. Miljøprojekt nr /3/ KE Modellering af pesticidudvaskning: Datagrundlag for makroporer, strømning og stoftransport i moræneler, Københavns Energi /4/ Miljøstyrelsen Migration and biodegradation of pesticides in clayey till. Pesticides Research. No. 37. Ministry of Environment and Energy, Copenhagen, Denmark. /5/ Jørgensen, P.R., M. Hoffmann, J. Kistrup, C. Bryde, R. Bossi, and K.G. Villholt Preferential flow and pesticide transport in a clay-rich till: Field, laboratory and modeling analyses. Water Resour. Res.. 28(11), 2002, /6/ Jørgensen, P.R., T. Helstrup, J. Urup, and D. Seifert Modeling of Non-reactive Solute Transport in Fractured Clayey Till During Variable Flow Rate and Time. J. of Contam. Hydrol.. 68, 2004, /7/ Jørgensen, P.R., J. Urup, T. Helstrup, M. B. Jensen, F. Eiland, and F. P. Vinther Transport and removal of nitrate in clayey till underneath forest and arable land. J. of Contam. Hydrol., 73, /8/ Jørgensen P.R., H.C. Lindenroth, L.C. Larsen. Modellering af forureningstransport i moræneler. Vand og Jord. December, /9/ Freeze and Cherry Groundwater. Prientice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, /10/ Sudicky and McLaren Numerical analysis of solute migration through fractured clayey deposits into underlying aquifers. Water Resour. Res. 28,

57 /11/ Therrien, R. and E. A. Sudicky Three dimensional analysis of variable saturated flow and solute transport in discretely-fractured porous media. J. of contam. Hydrol., 23, /12/ Miljøstyrelsen Udvaskningsforsøg med intakte blokke af sprækket moræneler. I: Phenoxysyrer: Vurdering af risiko for grundvand. Bekæmpelsesmiddelforskning fra Miljøstyrelsen nr.18, s /13/ McKay L.D., J. Fredericia, M. Lenczewski, J. Morthorst og K.E.S. Klint Spatial variability of contaminant transport in fractured till, Avedøre Denmark. Nord. Hydrol. 30, 1999, p /14/ Sidle R.C., B. Nielson, M. Hansen, J. Fredericia Spatially varying hydraulic and solute transport characteristics of fractured till determined by field tracer tests, Funen, Denmark. Water Resour. Res. 34, /15/ Miljøstyrelsen Point and Non-point Source Leaching of Pesticides in a till Groundwater Water Catchment. Pesticides Research. Ministry of Environment and Energy, Copenhagen, Denmark. /16/ Miljøstyrelsen Pesticider og vandværker. Udredningsrapport om BAM-forurening. Miljøprojekt nr /17/ Miljøstyrelsen BAM s skæbne i grundvand. Miljøprojekt nr /18/ Miljøstyrelsen Validation and development of pesticide leaching models. Pesticides Research no. 47. Ministry of Environment and Energy, Copenhagen, Denmark. /19/ Jørgensen, P.R., L. McKay, and J. Kistrup Aquifer Vulnerability to Pesticide Migration Through Till Aquitards. Ground Water /20/ Stenemo, F., P.R. Jørgensen, Jarvis N. Linking a one-dimensional pesticide fate model to a three-dimensional groundwater model to simulate pollution risks of shallow and deep groundwater underlying fractured till. J. of Contam. Hydrol. 79, , /21/ Vinther, F.P., Eiland, F., Lind, A.-M., Elsgaard, L Microbial biomass and denitrification related to macropores in agricultural and forest soils. Soil Biol. Biochem. 31,

58 /22/ Jørgensen, P.R. and J. Fredericia Migration of nutrients, pesticides and heavy metals in fractured clayey till. Geotechnique 42, March, 1992, /23/ PEGASE Pesticides in European Groundwaters: detailed study of representative aquifers and simulation of possible evolution scenarios. PEGASE. Final Report. BRGM, France. /24/ Klint K.E.S., C.H. Abildtrup, P. Gravesen, P.R. Jakobsen og H. Vosgerau Sprækkers udbredelse i moræneler, Vand og Jord, nr /25/ Rosenbom, A. E Preferential flow and transport in variably saturated fractured media. PhD-thesis.Technical University of Denmark, /26/ Miljøstyrelsen Forureningsspredning i moræneler. Miljøprojekt nr /27/ O Hara, S.K., B.L. Parker, P.R. Jørgensen and J.A. Cherry Trichloroethene DNAPL flow and mass distribution in naturally fractured clay: 1. Evidence of aperture variability. Water Resour. Res.. 36(1), 2000, /28/ Jørgensen, P.R., L.D. McKay and N.H. Spliid Evaluation of chloride and pesticide transport in a fractured clayey till using large undisturbed columns and numerical modeling. Water Resour. Res., 34, no.4, 1998, /29/ Fredericia, J Saturated hydraulic conductivity of clayey tills and the role of fractures. Nordic Hydrology, 21, p , /30/ Miljøstyrelsen Opdatering af JAGG modellen. Appendix 5.7. (rapport udkast), NIRAS /31/ Klint K.E.S. og P. Gravesen Fractures and biopores in Weichselian a till aquitard at Flakkebjerg, Denmark. Nordic Hydrology, 30 (4/5) 1999, p

59 Bilag 1 Bestemmelse af hydrauliske sprækkeparametre ved hjælp af feltforsøg 59

60 1. Bestemmelse af hydrauliske sprækkeparametre ved hjælp af feltforsøg Der foreligger dataserier for strømnings- og stoftransport fra feltforsøg ved Ringe /Sidle et al (/14/), Havdrup /Jørgensen et al (/5/)/ og Avedøre /Mckay et al (/13/)/. Forsøgene repræsenterer en feltskala, som er sammenligelig med størrelsen af en typisk forureningslokalitet. Der er udført modelsimuleringer af forsøgene med FRAC3Dvs /11/ og CRAK /1/. Disse modelkoder benytter samme grundlæggende beregningsmetode for sprækketransport som JAGG-regnearket. Ved simuleringerne er bestemt sammenhørende værdier for afstande mellem hydraulisk aktive sprækker og sprækkeaperturer (hhv. figur 16 og17 i rapportens kapitel 3). Forsøgenes placering i forhold til reduceret og oxideret zone i lerprofilerne og den vertikale transportafstand i forsøgene er vist i figur 1.1 Bortgravning af øv m Ringe forsøg (0.8 4 mu.t.) Avedøre forsøg ( mu.t.) Redoxgrænse (typisk 2 5 mu.t.) Havdrup forsøg (3 5) mu.t. Figur 1.1 Oversigt for anvendte feltforsøgs placering i forhold til oxideret/reduceret zone og længden af den vertikale transportafstand i forsøgene. 60

61 Simuleringsresultater Simuleringerne og de modellerede sprækkeaperturer er vist i figur Beskrivelse af modellerne og de anvendte værdier for modelparametre og randbetingelser i simuleringerne er beskrevet i Sidle et al., 1998 /14/, McKay et al., 1999 /13/ og Jørgensen et al., 2002 /5/ for hhv. Ringe, Avedøre og Havdrup. 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 0,8 Relativ Konc. (C/Co) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 A2 A2_sim A4 A4_sim A5 A5_sim B1 B1_sim B5 B5_sim C4 Relativ Konc. (C/Co) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 D1 D1sim D4 D4sim D5 D5sim F4 F4sim F5 C4sim F5sim 0,2 C5 0,2 C5sim 0,1 0,1 0, , Tid (dage) Tid (dage) Figur 1.2. Simuleringer af målt stoftransport fra feltforsøget i Ringe. Figur 1.3. Simuleringer af målt stoftransport fra feltforsøget i Havdrup. 61

62 Figur 1.4. Simuleringer af målt stoftransport fra feltforsøget i Avedøre. 62

63 Figur 1.5. Vertikal fordeling af værdier for sprækkeapertur bestemt ved simulering af feltforsøgene. Sammenfattende viser simuleringerne, at de observerede tidsserier af transportdata fra alle tre forsøg kan gengives rimeligt vha. de diskrete sprækkemodeller. Tilsvarende simuleringer udført for reaktive stoffer med forsøgsdata fra store intakte søjler (LUC) viser samme retvisning /5, 6, 7, 12, 28/. Den numeriske beregningsmetode i modellerne, der er anvendt til simulering af forsøgene, svarer til beregningsmetoden i SprækkeJAGG. De udførte simuleringer validerer hermed regnearkets som repræsentativ metode til beregning af sprækketransporten i sprækker. 63

64 Feltforsøgene repræsenterer worst-case sprækketransport, fordi transporten er undersøgt over en kort vertikal afstand. Ved transport over længere afstande, som til grundvandet i de fleste forureningssager, forventes der normalt at forekomme diskontinuitet i den enkelte sprækkes hydrauliske ledningsevne. Endelig repræsenterer forsøgene worst-case sprækketransport, fordi de er udført for vandmættede forhold. 64