SPRÆKKER I KALK - LILLE ÅRSAG, STOR VIRKNING Hydrogeolog, ph..d. Peter R. Jørgensen Hydrogeolog, cand.scient. Mads R. Mølgaard GEO ATV MØDE KALK PÅ TVÆRS SCHÆFFERGÅRDEN 8. november 2006
RESUME Strømning og forureningstransport til vandindvindingsboringer i kalk er ofte kontrolleret af sprækkestrømning. Hurtig sprækkestrømning kan bevirke at stoffer som skulle være stort set immobile vurderet udfra deres Kd-værdi, tilnærmelsesvist transporteres som konservativt stof. Dette sætter spørgsmålstegn ved anvendeligheden af almindelige retardationsberegninger ved risikovurderingen af forureningsspredning i grundvandsmagasiner af kalk. I artiklen undersøges sprækkernes betydning for spredningen af nikkel i kalk. INDLEDNING OG BAGGRUND Sprækker i kalk udgør typisk kun nogle få procent af kalken, men alligevel stammer 70 90 % af oppumpet vand ofte fra sprækkerne. Dette betyder at sprækkerne i mange grundvandsmagasiner af kalk udgør den vigtigste transportvej for vand og forureningsspredning til vandindvindingsboringer. Strømningshastigheden (m/s) og vandføringen (m 3 /s) i sprækkerne varierer med sprækkernes åbning (aperturen) i hhv. 2. og 3. potens (se boks 1). Dette betyder at der vil forekomme strømningshastigheder på over 1000 m/dag i store sprækker omkring vandindvindingsboringer samt at tilstrømningen fra enkelte store sprækker ofte bidrager med en markant del af ydelsen i boringerne (tabel 1). Når opløst forurening transporteres i sprækkerne sker der tilbageholdelse af forureningen i forhold til sprækkestrømningen pga. diffusion ind i den omgivende kalkmatrix (såkaldt matrix-diffusion) og for reaktive stoffer tillige pga. kemisk binding i sprækkevæggene. Denne tilbageholdelse aftager med stigende sprækkestrømningshastighed, hvilket skyldes at den relative størrelse af matrix-diffusionen mindskes og den kemiske bindingen aftager med stigende strømningshastighed (såkaldt kinetisk kontrolleret binding). Begge faktorer må forventes at være generelt gældende for spredning af reaktive forureningsstoffer i højtydende grundvandsmagasiner af kalk, dvs. opsprækkede lag. Dette sætter spørgsmålstegn ved anvendeligheden af fordelingskoefficientværdier (Kd-værdier), som grundlag for udregninger og vurderinger af forureningsstoffers spredningsrisiko i sprækket kalk. I dette indlæg vurderes sammenhængen mellem sprækkestørrelse og forureningsspredning i bryozokalk for stoffet nikkel, der regnes for moderat mobilt til lavmobilt i kalkmagasiner. Vurderingerne er foretaget vha. modelsimuleringer foretaget med sprækkemodellen FRAC3Dvs. Den anvendte modelopsætning er parameteriseret og kalibreret vha. data for strømning og nikkels mobilitet/transport fra projektet Nikkels mobilitet i bryozokalk /1/.
BOKS 1. Strømning i sprækker. For strømning i et lag med parallelle sprækker kan lagets hydrauliske ledningsevne K bulk forårsaget af sprækkerne og matrix beskrives med følgende udtryk /1/: 2b K = K +, (1) 2B bulk s K m hvor 2b er sprækkeapertur (åbningen mellem sprækkevæggene), 2B er sprækkeafstand, K s er sprækkernes hydrauliske ledningsevne og K m er matrix hydrauliske ledningsevne. Den enkelte sprækkes hydrauliske ledningsevne K s, er givet ved: (2b) 2 ρg K s =, (2) 12µ hvor ρ er vandets densitet (kg/m 3 ), g er tyngdeaccelerationen (m/s 2 ), µ er vandets dynamiske viskositet (kg/(m s)). Udregningen bygger på en fysisk model, hvor det forudsættes at strømningen sker mellem planparallel og friktionsløse sprækkeoverflader. Strømningshastigheden (V s ) i sprækken er givet ved: hvor i er den hydrauliske gradient. V s = K s i, (3) Sprækkernes ydelse (m 3 /s) pr. meter (q) er givet ved den såkaldt kubiske lov: (2b) 3 ρg q = (4) 12µ Betegnelsen den kubiske lov skyldes selvfølgelig at ydelsen varierer med sprækkeåbningen i 3. potens. Konsekvensen er som nævnt at tilstrømningen fra enkelte store sprækker i en boring vil bidrage med en stor del af ydelsen i boringerne, selvom boringer skærer mange mindre sprækker. FORSØG MED NIKKELS MOBILITET I BRYOZOKALK I projektet blev nikkels Kd-værdi bestemt i forskellige kalkmaterialer ved almindelig Kdbestemmelse og i kontrollerede strømningsforsøg. Førstnævnte bestemmelser viste Kdværdier mellem 200 og 300 L/kg ved ph 7.8, svarende til retardationsfaktorer (R) mellem knapt 1000 og 1800, og dermed en ringe mobilitet /1/. Nikkels mobilitet blev herefter bestemt under aktiv strømning i sprækket kalk. Disse bestemmelser viste at nikkels mobilitet stiger med stigende strømningshastighed i sprækker. Sammenhængen fremgår af figur 1, der viser at nikkel ved sprækkestrømningshastigheder på over cirka 1000 m/dag tilnærmelsesvist transporteres som et konservativt stof på grund af kinetisk kontrolleret binding (R ~ 1 i figur 1). Dette altså selvom stoffet, vurderet ud fra en almindelig mobilitetsberegning, skulle være væsentligt mindre mobilt /1/.
120 100 80 R' [-] 60 40 20 0 10 100 1000 Sprækkestrømningshastighed [m/dag] Figur 1. Sammenhængen mellem modelberegnede retardationsfaktor (R ) for nikkel som funktion af sprækkestrømningshastigheden (V s ) i et søjleforsøg med nikkeltransport i sprækker (figur fra /1/). FORURENINGSTRANSPORT I SPRÆKKER MED FORSKELLIG STØRRELSE Figur 2 viser målte sprækkeaperturer fra en udgravning i bryozokalk /1/. Spændet af disse værdier og aperturværdier bestemt eksperimentelt i boringer /1/, er anvendt som grundlag for modelsimuleringer af forureningstransport i sprækker med forskellig størrelse (figur 3). Figur 2. viser målte og eksperimentelt bestemte sprækkeaperturer fra en udgravning og boringer i bryozokalk /1/.
Tabel 1 viser de beregnede strømningshastigheder og ydelser (boks 1, ligning 3) for sprækkerne i figur 2 samt for sprækkerne fra boringerne /1/. Herudover er vist de tilhørende hastighedsspecifikke Kd-værdier (bestemt ud fra figur 1), der er anvendt i simuleringerne for de relevante aperturer. q (m 3 /dag) (4 2b (µm) V s (m/dag) (1 R (2 Kd (m 3 /kg) D w (m 2 /dag) Simuleringstid Gennembrudstid (år) (år) (3,4 10 0,02 250 0,0547 0,54 x 10-4 1 x 10 6 168.400 5,1 x 10-5 50 0,4 210 0,0459 0,54 x 10-4 1 x 10 6 155.300 6,4 x 10-3 100 1,5 180 0,0393 0,54 x 10-4 1 x 10 6 59.500 5,1 x 10-2 250 10 130 00284 0,54 x 10-4 1 x 10 6 364 8 x 10-1 500 38 80 0,0174 0,54 x 10-4 1 x 10 6 6 6 1000 152 10 0,002 0,54 x 10-4 1 x 10 6 4.5 x 10-2 51 5000 3821 0 0 0,54 x 10-4 1 x 10 6 4,6 x 10-5 6368 (1 Beregnet som funktion af den hydrauliske konduktivitet (K f ) for sprækken. (2 Aflæst på figur 1. (3 Ved grænseværdien for nikkel (20µg/l). (4 Beregnet for fysisk model, som vist i indsatfigur, figur 3 Tabel 1. Beregnede strømningshastigheder og ydelser for sprækkerne (boks 1, ligning 3 og 4) og tilhørende hastighedsspecifikke Kd-værdier, som er anvendt til simuleringerne i figur 3. Figur 3 viser den modelsimulerede sammenhæng mellem sprækkeaperturene i tabel 1 og gennembrudstiden for nikkel i et 50 m langt kalklag med 1 horisontal sprække (indsatsfigur i figur 3). Gennembruddet er defineret som ankomsten af 10 % af indstrømningskoncentrationen (200 µg/l fastholdt i hele simuleringsperioden langs opstrøms enden af laget). Dvs. for nikkel svarer gennembrudskoncentrationen til grænseværdien for nikkel (20 µg/l). I simuleringen er anvendt en horisontal hydraulisk gradient på 0,003, der regnes som repræsentativ for naturlige forhold i kalkmagasiner /1/.
Figur 3. Sammenhæng mellem sprækkeåbning (apertur, boks 1) og gennembrudstid for nikkel og en konservativ tracer (bromid) i et 50 m langt kalklag med 1 horisontal sprække (se indsatsfigur). Gennembruddet er defineret som ankomsten af 10 % af indstrømningskoncentrationen (200 µg/l fastholdt i hele simuleringsperioden). Dvs. for nikkel svarer gennembrudskoncentrationen til grænseværdien for nikkel (20 µg/l). I simuleringen er anvendt en horisontal hydraulisk gradient på 0,003, som er repræsentativ for naturlige forhold i kalkmagasiner /1/. Bemærk intervallerne for sprækkeaperturer i hhv. moræneler /2/ og bryozokalk /1/ samt effekten heraf for transportpotentialet. Figur 3 og tabel 1 viser at det tager mere end 1000 år før der er gennembrud af nikkel for sprækkeaperturer under 0,2 mm for en anvendt hydrauliske gradient (0,003). Dette betyder at sprækker der har mindre apertur end 0,2 mm, indenfor en nærmere fremtid er uden betydning for spredningen af nikkel fra forureningskilder for afstande længere end 50 m. Omvendte viser simuleringerne at den samme transport kun vil tage fra få år og ned til timer i sprækker fra den høje ende af aperturene i figur 2 (0,6 10 mm) /1/. Samlet betyder dette at gode boringer set fra et kapacitetssynspunkt, ofte vil være dårlige boringer betragtet fra et vandkvalitetssynspunkt, hvis sprækkerne i boringen har kontakt til en eller flere forureningskilder i oplandet. Kombinationen af høj strømningshastighed og forøget mobilitet af forureningsstofferne betyder som nævnt, at de store sprækker har potentiale til at transportere forurening over lang afstand i højere koncentration end små sprækker. Den anvendte kalkmodel i figur 3 med 1 sammenhængende sprække og konstant apertur, er selvsagt ikke realistisk for afstande på flere hundrede meter eller flere kilometer. Dette rejser spørgsmålet om størrelsen af de mindste sprækkeaperturer, som forureninger skal passere i netværket af små og store sprækker ved lange transportafstande i kalken. Umiddelbart vurderet ud fra de foreliggende sprækkedata (figur 2 og tabel 1), synes det muligt med sammenhængende sprækkenetværk med mindste-aperturer over de kritiske 0,6 mm (figur 3 og 4).
Såfremt dette er tilfældet vil forureninger i kalkmagasiner kunne transporteres hurtigt over lange afstande Der er behov for en nærmere analyse af dette f.eks. ved logging af diskrete sprækker og knusningszoner i et stort antal boringer, hvilket vil kunne bidrage til en bedre 3D-forståelse af sprækkernes hydrauliske egenskaber i kalkmagasinerne. SAMMENFATNING OG KONKLUSION Ved hjælp af modelsimuleringer er dynamikken for spredning af nikkel i grundvand vurderet som funktion af sprækkestørrelser (apertur) i bryozokalk. Apertur-værdierne i simuleringerne dækker intervallet 0,01 mm 10 mm og repræsenterer målte og eksperimentelt bestemte data hhv. fra en udgravning og boringer. Modelsimuleringerne viser at nikkel og formentlig andre immobile til moderat forureningsstoffer vil kunne spredes flere kilometer i løbet af få måneder til få år ved transport i sammenhængende sprækker med en mindste-aperturer på over 0,6 mm. Umiddelbart vurderet ud fra de foreliggende sprækkedata, virker det sandsynligt at sprækkenetværk kan have mindste-aperturer over de kritiske 0,6 mm. Såfremt dette er tilfældet vil en lang række forureningsstoffer i kalkmagasiner kunne transporteres hurtigt over lange afstande, dels på grund af vandets høje transporthastighed og dels på grund af mindsket matrixdiffusion og kinetisk begrænsede sorption ved de høje strømningshastigheder i store sprækker. Der er behov for en nærmere analyse af sprækkernes størrelse og sammenhæng over længere afstand. Dette vurderes mulig f.eks. ved logging af diskrete sprækker og knusningszoner i et stort antal boringer, hvilket vil kunne bidrage til en bedre 3D-fortåelse af sprækkernes hydrauliske egenskaber i kalkmagasinerne. REFERENCER /1/ Jørgensen, P.R., M. Hoffmann, N.D. Nørskov, L. Karlby og S.L.S. Stipp. Nikkelmobilitet i kalk. Hovedrapport. Rapport udført af Hedeselskabet for Roskilde Amt, 2005. /2/ Jørgensen, P.R., N.N. Døssing. Modellering af pesticidudvaskning: Datagrundlag for makroporer, strømning og stoftransport i moræneler. Rapport udarbejdet af Hedeselskabet for Københavns Energi, 2004.