HYDROGEOLOGISK KARAKTERISERING OG MODELLERING AF KALKMAGASIN VED HELLESTED

HYDROGEOLOGISK KARAKTERISERING OG MODELLERING AF KALKMAGASIN VED HELLESTED Civilingeniør, ph.d. Annette Pia Mortensen Civilingeniør Charlotte Riis Civilingeniør Anders G. Christensen NIRAS Rådgivende ingeniører og planlæggere A/S Civilingeniør Henrik Jannerup Teknik- og Miljøforvaltningen, Jord & Grundvand Storstrøms Amt ATV MØDE KALK PÅ TVÆRS SCHÆFFERGÅRDEN 8. november 2006

RESUME På en lokalitet i Hellested, forurenet med chlorerede opløsningsmidler, er der udført hydrogeologisk karakterisering og modellering af kalkmagasinet. Karakteriseringen har taget udgangspunkt i eksisterende og nye kalkboringer udført på lokaliteten. Kalkens hydrogeologiske egenskaber er undersøgt ved en kombination af vandspejlspejlinger, borehulslogs til bestemmelse af indstrømningsfordeling samt prøvepumpningsforsøg til bestemmelse af den hydrauliske ledningsevne. Endvidere er kalkens transportegenskaber undersøgt ved udførelse af tracerforsøg samt udtagning af niveauspecifikke vandprøver. Resultaterne af karakteriseringen er anvendt til opstilling og kalibrering af en lokal grundvandsmodel for området. Modellen danner grundlag for design af et nyt afværgesystem på lokaliteten baseret på stimuleret reduktiv dechlorering. INDLEDNING OG FORMÅL Der er påvist betydelig forurening med chlorerede opløsningsmidler (primært TCE) på lokaliteten Hellestedvej 22, Hellested. Lokaliteten er karakteriseret ved 9-10 meter moræneler med sandlinser underlejret af bryozokalk indeholdende flinthorisonter. Kilden til TCE forureningen er beliggende i moræneleren, men forureningen har spredt sig til det underliggende kalkmagasin og videre til en nedstrøms beliggende vandforsyningsboring. I 1997 er der etableret afværgepumpning på lokaliteten for at forhindre forureningens videre spredning i kalken. Med det formål at erstatte den eksisterende afværgepumpning med en afværgemetode baseret på stimuleret reduktiv dechlorering, er der udført hydrogeologisk karakterisering og modellering af kalkmagasinet på lokaliteten. Afværgemetoden udnytter, at specifikke dechlorerende bakterier kan nedbryde TCE under stærkt reducerede forhold, hvilket skabes i kalkmagasinet ved tilsætning af et substrat. For at sikre optimal effekt af den stimulerede reduktive dechlorering, er implementeringen af afværgemetoden designet ved hjælp af en grundvandsmodel opstillet for lokaliteten. I nærværende indlæg beskrives den hydrogeologiske karakterisering af kalken og opstilling og kalibrering af grundvandsmodellen. AKTIVITETER Karakteriseringen af kalken har taget udgangspunkt i eksisterende og nyetablerede kalkboringer på lokaliteten, se figur 1. Den nuværende afværgepumpning foregår fra en nedstrømsliggende boring, 218.1150, som er 31 m dyb med 20 m filtersætning i kalken. Herfra oppumpes 4,5 m 3 vand/time, som efter rensning reinfiltreres i to opstrøms kalkboringer (218.1151 og 218.1152). I forbindelse med nærværende projekt er der etableret 7 nye kalkboringer på lokaliteten (K1 til K7) til belysning af forureningens omfang samt de hydrogeologiske forhold i kalken. De nye boringer er alle udført som åbne kalkboringer. Boring K2 er udført som kerneboring, hvilket muliggjorde udtagning af en kalkkerne til laboratorieforsøg. De øvrige boringer er udført ved DTH (down the hole) metoden. K2 og K7 er begge ført 7 meter ned i kalken, mens de resterende boringer er ført 5 meter ned i kalken.

Figur 1. Placering af boringer på lokaliteten. Kalkens hydrogeologiske egenskaber er undersøgt ved en kombination af vandspejlspejlinger, borehulslogs samt prøvepumpningsforsøg. Endvidere er kalkens transportegenskaber undersøgt ved udførelse af tracerforsøg samt udtagning af niveauspecifikke vandprøver. De enkelte aktiviteter beskrives kort i de følgende afsnit. Vandspejlspejling Boringerne på lokaliteten er pejlet med det formål at bestemme potentialet i det primære kalkmagasin. Pejlingerne er udført både uden og med den eksisterende afværgepumpning i drift. Dermed er såvel det naturlige potentiale for lokaliteten bestemt samt et potentiale med recirkulering af ekstra 4,5 m 3 vand/time igennem kalkmagasinet. Borehulslog Der er udført forskellige borehulslogs i flere af boringerne på lokaliteten med det hovedformål at bestemme indstrømningszoner i kalken. De udførte logs inkluderer televiewerlog, naturlig gammalog, induktionslog, temperaturlog, ledningsevnelog, kaliberlog samt enten flowlog eller varmepulslog. Kalkens egenskaber er bedømt visuelt ved televiewerloggen, idet geologi og lagfølger er vurderet ud fra de udførte gamma- og induktionslogs. De resterende logs er anvendt til at vurdere indstrømningsfordelingen i kalken. Eftersom de nye boringer generelt er lavtydende, er det kun i den dybe afværgeboring, 218.1150, at der er udført en decideret flowlog til bestemmelse af indstrømningsfordelingen. I de resterende boringer er indstrømningszoner vurderet ved hjælp af varmepulslogs. Prøvepumpning Der er udført en kort prøvepumpning i boring K7. Vandspejlsændringen er registeret med loggere i pumpeboringen samt i de omkringliggende boringer (K1, K3, K5 og K6). Prøvepumpningen er udført ved en relativ lav pumperate (840 l/time) pga. boringens lave ydelse. Pumpningen er udført over 3 timer, og retablering af vandspejlet er efterfølgende moniteret. Tracerforsøg Der er udført tracerforsøg på lokaliteten til bestemmelse af transportegenskaber af kalken. Tracerforsøget er udført med det fluorescerende farvestof uranine som tracer. Fordelen ved denne tracer er, at den dels er konservativ og dels kan måles kontinuert i felten med et såkaldt

fluorometer i lave koncentrationer (detektionsgrænse på 0,02 ppb). Tracerforsøget er udført samtidig med, at afværgepumpningen foregår, hvilket sikrer konstante og kendte strømningsforhold i kalken. Traceren er tilført som en puls i boring K7 i en koncentration på 500 ppb fordelt i 100 liter vand. Koncentrationen af traceren er moniteret i afværgeboringen (218.1150) ved hjælp af et fluorometer, over en periode på 60 dage. Afværgeboringen er placeret 34 meter nedstrøms for boring K7. Niveauspecifikke vandprøver Der er udført et omfattende analyseprogram på lokaliteten til kortlægning af redoxforhold samt forureningens fordeling i kalken. Vandprøverne er udtaget som niveauspecifikke prøver ved to forskellige metoder. Dels er der anvendt et oppustelig packersystem i boringerne til udtagning af prøver i 1 meter intervaller, og dels er der udtaget vandprøver under borehulslogs ved separationspumpning. Analyseresultaterne af de udtagne vandprøver er ikke beskrevet i detaljer i nærværende præsentation. RESULTATER Vandspejlspejling Pejling af boringer på lokaliteten viser potentialet både uden (svarende til det naturlige potentiale) og med afværgepumpning, se figur 2. Strømningsretningen er for begge situationer mod nord-vest. Den naturlige gradient på lokaliteten er ca. 0,0125 m/m, hvilket øges til ca. 0,058 m/m, når afværgepumpningen er tændt. Figur 2. Potentiale i kalken uden (øverst) og med afværgepumpning (nederst).

Borehulslog De udførte borehulslogs viser, at kalken træffes i 9,5 til 11,5 m u.t. Ud fra televiewerloggen vurderes bryozokalken at være relativ tæt uden synlige sprækker og med op til 10 cm tykke flinthorisonter. I de korte boringer er indstrømningsfordelingen udelukkende vurderet ud fra de udførte varmepulslogs, idet boringerne som nævnt var for lavtydende til udførelse af deciderede flowlogs. De udførte varmepulslogs viser alle, at hovedparten af indstrømningen finder sted i den øverste meter af kalken. I den dybe afværgeboring viser den udførte flowlog, at indstrømningen i procent finder sted i følgende 5 horisonter: 12% strømmer ind 0 m under kalkoverfladen, 40% strømmer ind 0,6 m under kalkoverfladen, 8% strømmer ind 3,9 m under kalkoverfladen, 8% strømmer ind 8,1 m under kalkoverfladen og 22% strømmer ind 11,7 m under kalkoverfladen. Hovedparten af indstrømningen finder således sted i den øverste meter af kalken, men der ses ligeledes betydelig indstrømning i den nederste del af boringen i 11-12 m under kalkoverfladen. Prøvepumpning Sænknings- og retableringsdata fra prøvepumpningen i K7 er vist i figur 3 i semi-logaritmisk afbildning. Efter 10 minutters pumpning ses en nær-lineær sænkning i såvel pumpe- og observationsboringer. Boringerne K1, K3 og K6 viser meget ens sænkning på trods af, at deres indbyrdes afstand til K7 er forskellig. I boring K5 ses mindre sænkning end observeret i de andre boringer. Dette tyder på en dominerende strømningsretning mod nord-vest, formodentlig styret af sprækker i kalken. Dermed giver boringer placeret langs denne strømningsretning (K1, K3, K6) samme sænkning, hvorimod boringer placeret på tværs af den dominerende strømningsretning (boring K5), viser mindre sænkning. Desværre er der ikke andre boringer placeret på tværs af den dominerende strømningsretning til at bekræfte denne tendens. De målte sænknings- og retableringsdata er tolket ved hjælp af en standard Theis løsning. Denne løsning forudsætter, at kalken kan beskrives som et ækvivalent porøst medie, hvilket betyder, at der ikke tages direkte hensyn til sprækkerne i kalken. Eftersom de tolkede hydrauliske værdier anvendes som input til grundvandsmodellen, som ligeledes forudsætter, at strømningen sker i et ækvivalent porøst medie, er Theis løsningsmetode fundet tilstrækkelig. De tolkede hydrauliske ledningsevner er mellem 1,4 10-5 til 2,0 10-5 m/s. 0-20 -40-60 -80 K7 K1 K3 K6 K5 Pumpeboring 12,5 m fra K7 10,9 m fra K7 8,4 m fra K7 12,5 m fra K7-100 1 10 100 1000 10000 Tid [min] Figur 3. Sænknings- og retableringsdata for prøvepumpning i K7.

Tracertest Gennembrudskurven for den fluorescerende farvetracer uranine målt i afværgeboringen er vist i figur 4 (venstre). Den første tracer kan måles i afværgeboringen efter ca. 100 timer. Herefter stiger tracerkoncentrationen hurtigt, og der registreres to peaks efterfulgt af en lang hale med aftagende værdier. Ved afslutning af forsøget, efter 60 dage, måles der således stadig en betydelig koncentration af uranine i vandet fra afværgeboringen. Kurven har som nævnt to peaks svarende til henholdsvis 1,8% og 2,2% af inputkoncentrationen. De to peaks kan skyldes forskellige processer som fx naturlig variation i sprækkesystemet, variation i opblanding og dermed kildestyrke fra injektionsboringen K7 eller forskellige ydre påvirkninger som fx ændring i pumpeydelsen. Den lange hale på gennembrudskurven ses typisk i sprækkede medier og tilskrives normalt diffusion ind og ud af matrix. I nærværende tracerforsøg vurderes fortyndingen af tracer i boring K7 dog også at have betydning for den målte tracerhale. Den akkumulerede gennembrudskurve i figur 4 (højre) viser, at 58% af traceren er genfundet i afværgeboringen 60 dage efter injektionen. Var forsøget fortsat, ville haledannelsen have fortsat og bidraget til en betydeligt større akkumuleret mængde tracer. Koncentration [ppb] 16 14 12 10 8 6 4 2 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Koncentration [%] Akkumuleret masse [%] 70 60 50 40 30 20 10 0 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Tid [timer] 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Tid [timer] Figur 4. Gennembrudskurve for uranine målt ved afværgeboring 218.1150 angivet som absolut og relativ koncentration (venstre) samt relativ akkumuleret masse (højre). Niveauspecifikke vandprøver Niveauspecifikke vandprøver blev udtaget i samtlige boringer for at kortlægge redoxforhold og forurening med chlorerede opløsningsmidler. I den dybe afværgeboring blev vandprøver udtaget i forbindelse med udførelse af borehulslog og analyseret for chlorerede opløsningsmidler og farvetraceren uranine (loggen blev udført umiddelbart efter afslutning af tracerforsøget). Vandprøverne viste overraskende høje koncentrationer af chlorerede opløsningsmidler i det dybeste niveau af boringen, hvilket antyder, at afværgeboringen trækker forureningen ned i kalken. Denne teori blev bekræftet ved analyse af uranine i vandprøverne, idet der ligeledes her blev målt overraskende høje koncentrationer i den dybe del af boringen. Vandprøver fra øvrige boringer blev udtaget dels ved udførelse af borehulslogs eller ved anvendelse af et oppusteligt packersystem. Analyseresultater fra vandprøver udtaget ved de to metoder viste imidlertid ikke samme tendens, idet forskellige forureningsniveauer blev fundet i boringer beliggende meget tæt på hinanden. De udførte analyser var desværre ikke tilstrækkelige til at beskrive denne uoverensstemmelse nærmere, og dermed vurdere hvilken prøvetagningsmetode, der giver det bedste resultat.

GRUNDVANDSMODEL Der er opstillet en simpel grundvandsmodel for lokaliteten, som er kalibreret ved anvendelse af resultaterne fra karakteriseringen af kalken. Modellen er opstillet i Visual Modflow 4.0, som anvender MT3D ved transportsimulering. Modellen er opstillet for et område på 500 x 1000 m, som vist i figur 5. Der er anvendt en simpel tolags geologisk model bestående af henholdsvis moræneler og 30 m kalk. Kalken er inddelt i 4 indstrømningszoner baseret på resultaterne fra de udførte borehulslogs. De øverste 15 meter består af en 4 meter zone med høj hydraulisk ledningsevne, underlejret af en 6 meter zone med mellem hydraulisk ledningsevne og en 5 meter zone med højere hydraulisk ledningsevne. Herunder er der 15 meter kalk med lav hydraulisk ledningsevne. Strømningsmodellen er kalibreret ved at ændre på de hydrauliske ledningsevner for de geologiske lag. Kalibreringen er udført på baggrund af de målte potentialer, henholdsvis med og uden afværgepumpning, samt resultaterne fra prøvepumpningen. Sidstnævnte er endvidere anvendt til at kalibrere den transiente strømningsmodel. Transportmodellen er kalibreret ved ændring af porøsitet og dispersion for de geologiske lag og er udført ved anvendelse af resultaterne fra tracerforsøget. Figur 5. Modelområde (500 m x 1000 m) Strømningsmodel Ved anvendelse af den kalibrerede strømningsmodel er potentialet simuleret henholdsvis med og uden afværgepumpning. De simulerede potentialer stemmer fint overens med de målte pejledata fra boringerne (ikke præsenteret i nærværende notat). Endvidere er resultaterne fra prøvepumpningsforsøget simuleret med den kalibrerede grundvandsmodel og sammenlignet med de målte responskurver. Eksempel på simulerede og målte vandspejlsændringer ses i figur 6, idet samme overensstemmelse ses for samtlige observationsboringer. På baggrund heraf vurderes modellen at beskrive strømningen i kalken tilfredsstillende.

1.0 K7 1.0 K6 Data 0.8 K7 Model 0.8 K6 Model Vandspejlsændring [m] 0.6 0.4 0.2 Vandspejlsændring [m] 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2 4 6 8 10 Tid [h] 0.0 0 2 4 6 8 Tid [h] Figur 6. Eksempel på målt og beregnet vandspejlsændring ved prøvepumpning i K7. 10 Transportmodel Den anvendte transportmodel forudsætter, at transporten i kalken foregår i et ækvivalent porøst medie, og modellen tager således ikke direkte hensyn til sprækkerne i kalken. Transporten beskrives derfor udelukkende ved de to parametre porøsitet og dispersion. I figur 7 er forskellige eksempler på anvendelse af parametrene porøsitet og dispersion til simulering af tracerforsøget vist. Heraf ses, at en lav porøsitet (hvilket forventes i den opsprækkede kalk) simulerer det hurtige tracergennembrud, men til gengæld er peaket for kraftigt. Ved at øge porøsiteten, mindskes peakets størrelse, men gennembrudstiden bliver langsommere. Ved at inkludere dispersion sker gennembruddet hurtigere, og der forekommer en længere hale. Resultaterne fra tracerforsøget vurderes derfor bedst at kunne beskrives ved anvendelse af en relativ høj porøsitet på 0,2 kombineret med en dispersion på 3 m. Disse parametre er således ikke nødvendigvis fysisk korrekte, men kan anvendes under forudsætning af, at transporten foregår i et ækvivalent porøst medie. En alternativ metode til simulering af tracerforsøget er at anvende en transportmodel, som tager hensyn til sprækkerne i kalken. Mest simpelt kan anvendes en dobbelt-porøs beskrivelse, som inkluderer udveksling af stof mellem sprækker og matrix. Alternativt kan en diskret sprækkemodel anvendes, hvor sprækkerne inkorporeres direkte i modellen. Formålet med den opstillede grundvandsmodel beskrevet her er at anvende den til at designe implementeringen af stimuleret reduktiv dechlorerering. Derfor vurderes ovennævnte løsning, baseret på en antagelse om, at strømning og transport foregår i et ækvivalent porøst medie, at være tilstrækkelig.

Koncentration [mg/l] 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 Tracer n=0.13 D=0 n=0.15 D=0 n=0.2 D=3 n=0.25 D=5 0.010 0.005 0.000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Tid [timer] Figur 7. Simulering af tracer forsøg for varierende porøsitet n [-] og dispersion D [m]. Design af stimuleret reduktiv dechlorering Den kalibrerede grundvandsmodel er anvendt til at designe et nyt afværgesystem på lokaliteten baseret på stimuleret reduktiv dechlorering. Afværgemetoden udnytter, at specifikke dechlorerende bakterier kan nedbryde TCE til uchlorerede og ufarlige stoffer (ethen/ethan). Processen kan udelukkende finde sted under stærkt reducerede forhold, hvilket sikres ved at ændre grundvandskemien for det område, der ønskes behandlet. Dette foregår ved tilsætning af et substrat, der kan fungere som elektrondonor og derved generere stærkt reducerede forhold. Fordelingen af substratet i det magasin, der ønskes behandlet, er derfor essentielt for succesfuld nedbrydning af TCE-forureningen. Med modellen er forskellige designs for injektion af substrat simuleret. Væsentlige parametre som er testet er 1) antallet af boringer, 2) injektions- og ekstraktionsrate, 3) substrat koncentration og 4) injektionstid. Eksempel på to forskellige scenarier er vist i figur 8. Figur 8. Eksempel på fordeling af substrat for forskellige boringskonfigurationer

DISKUSSION OG KONKLUSION Karakteriseringen af kalken er udført i forskellige typer boringer. De nye boringer på lokaliteten er udført dels som kerneboring og dels som DTH boringer. Fordelen ved en kerneboring er, at borehullet bliver jævnt, og at der kan udtages en kalkkerne til karakterisering og laboratorieforsøg. Fra DTH boringer kan der ikke udtages sedimentprøver fra kalken og borehullet bliver mere ujævnt, men fordelen ved denne type boringer er, at de generelt giver mere vand end kerneboringer. De nye boringer blev alle udført som åbne kalkboringer uden filtersætning. Dette medfører mindre usikkerhed ved udførelse af borehulslogs og udtagning af niveauspecifikke vandprøver, idet filteret ikke forstyrrer de naturlige indstrømningszoner i kalken. Imidlertid forudsætter anvendelsen af åbne kalkboringer, at kalken ikke falder sammen i borehullet. Karakterisering af strømningsforhold i kalkmagasinet er udført ved en kombination af pejledata, borehulslogs og prøvepumpning, hvilket alle vurderes at bidrage væsentligt til forståelsen af strømning i kalken. På nærværende lokalitet kunne potentialet bestemmes for to forskellige situationer, hvilket gav to datasæt til kalibrering af grundvandsmodellen. Anvendelsen af borehulslogs på lokaliteten blev besværliggjort af, at de korte boringer ikke var tilstrækkelig ydende til udførsel af en decideret flowlog. Dette begrænsede fordelen ved at anvende borehulslogs i de korte boringer. Prøvepumpningen bidrog væsentligt til forståelsen af strømningsforholdene i kalken. Det udførte prøvepumpningsforsøg var relativt kort, og generelt ville et længere forsøg være mere optimalt for at beskrive dynamikken af det sprækkede system. På trods af forsøgets længde kunne data anvendes til dels at tolke den hydrauliske ledningsevne af kalken og dels til en mere detaljeret kalibrering af den transiente strømningsmodel. Karakterisering af transportegenskaber i kalkmagasinet er udført ved tracerforsøg og udtagning af niveauspecifikke vandprøver. Tracerforsøget med uranine var væsentligt for kalibrering af transportmodulet i den opstillede grundvandsmodel. I nærværende undersøgelse bidrog udførelsen af tracerforsøget ligeledes til at forklare fordelingen af TCE-forurening i magasinet. Den største ulempe ved udførelse af et tracerforsøg er den lange tid, som forsøget ofte kræver. Arbejdsbelastningen kan imidlertid mindskes ved at anvende et farvestof som tracer, som kan måles automatisk i felten. Fordelingen af forurening i kalken blev vurderet ved udtagning af niveauspecifikke vandprøver ved henholdsvis borehulslog og packersystem. Analyse af vandprøver udtaget ved de to metoder viste imidlertid uoverensstemmelse, som ikke kunne forklares på baggrund af måledata. En nærmere undersøgelse af de to prøvetagningsmetoder vurderes derfor at være væsentlig for forståelsen af strømning og transport i sprækket kalk. Den udførte karakterisering af kalken blev anvendt til opsætning og kalibrering af en grundvandsmodel for området. Modellen forudsætter, at strømning og transport foregår i et ækvivalent porøst medie, og der tages således ikke direkte hensyn til sprækkerne i kalken. Den kalibrerede model var i stand til at beskrive de observerede strømnings- og transportegenskaber i kalken tilfredsstillende. Modellen vurderes derfor, at være anvendelig til design at et nyt afværgesystem på lokaliteten baseret på stimuleret reduktiv dechlorering.