RISIKO FOR GRUNDVAND OG EFFEKT AF AFVÆRGE VED PCE FORURENING AF OPSPRÆKKET MORÆNEDÆKLAG VURDERET VED HJÆLP AF FRAC3Dvs Geolog, cand.scient. Lars Chr. Larsen Geolog, cand.scient. Martin Hoffmann Hedeselskabet Miljø og Energi as ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET 4. 5. marts 2003
1. RESUMÉ Spredningen af forurenende stoffer sker meget hurtigere og kan være mere langvarig i opsprækkede aflejringer som f.eks. moræneler end f.eks. smeltevandssand. På en tidligere renseriejendom i Gentofte har Hedeselskabet for Københavns Amt, gennemført FRAC3Dvs-simuleringer, der tager hensyn til stoftransport i opsprækket moræneler, med henblik på fastlæggelsen af effekt og succeskriterier for oprensningen af en konstateret forurening med PCE /1-5/. Ved modelsimuleringerne er tre scenarier undersøgt: Ingen afværge og oprensning ved opgravning af hot-spot til henholdsvis 8 m u.t. og 15 m u.t. Resultaterne viser, at der ikke indenfor 100 år opnås PCE-indhold i det primære grundvandsmagasin under grænseværdien, hvis der ikke gennemføres en afværge. Ved en fjernelse af kilden ned til 8 m u.t. opnås ikke en gevinst inden for 20 år, i stedet medfører en bortgravning et forhøjet niveau i en 20-årig periode. Efter ca. 45-50 år er PCEindholdet i magasinet dog under grænseværdien. Ved bortgravning af kilden ned til 15 m u.t. vil PCE-indholdet i magasinet nedsættes allerede efter 10 år. Koncentrationen vil falde til grænseværdien i løbet af ca. 25-30 år. 2. INDLEDNING Ved undersøgelser af jord- og grundvandsforureninger med chlorerede opløsningsmidler, er det ofte vanskeligt at opnå et tilstrækkeligt detaljeret billede af forureningernes udbredelse og styrke. På grund af de ofte komplicerede spredningsveje i typiske glaciale aflejringer, kræves et overordentligt tæt og detaljeret datagrundlag, før det er muligt at gennemføre en troværdig risikovurdering og få et troværdigt grundlag for valg af evt. afværge. Som supplement til et, i de fleste tilfælde statistisk utilstrækkeligt datagrundlag, kan en risikovurdering baseret på modelberegninger være et nyttigt værktøj. Disse kan baseres på erfaringsdata og tage hensyn til de specielle forhold, der gælder i disse aflejringer. Nyere forskning dokumenterer, at spredningen af forurenende stoffer opløst i grundvandet, som f.eks. chlorerede opløsningsmidler sker meget hurtigt og kan være mere langvarig i opsprækkede aflejringer som f.eks. moræneler og kalk end i uopsprækkede aflejringer som f.eks. smeltevandssand. Dette skyldes, at transporten i de opsprækkede aflejringer overvejende er kontrolleret af sprækkerne, kombineret med diffusion af stoffet ind i den relativt lavpermeable jordmatrice mellem sprækkerne (matrixdiffusion) /6-10/.
Resultat af sprækketransport er, at der sker et hurtigt gennembrud af forurening på grund af aflejringernes meget lave effektive porøsitet. Pga. den langsomme tilbagediffusionen af den stofbuffer der opbygges i den lavpermeable jordmatrice, vil tidshorisonten for forureningsbelastningen vare længere end ved transport gennem et enkelt-porøst medie som f.eks. smeltevandsaflejringer. JAGG og konventionelle modeller kan ikke beskrive denne transportsituation og giver dermed højest en grov tilnærmelse af den faktiske forureningstransport. Erfaringer fra en lang række felt- og laboratorieforsøg viser, at transport i et opsprækket medie (dæklag og/eller kalk) beskrives mest virkelighedstro ved at tage hensyn til sprækketransport. FRAC3Dvs er en operationel 3D model-simulator, der kan bruges til beskrivelse af stoftransporten i sprækket system. Hedeselskabet har erfaringer fra en række konkrete projekter der viser forbedrede beskrivelser ved anvendelsen af det korrekte modelværktøj. En detaljeret gennemgang af de gældende ligninger for transportbeskrivelsen i FRAC3Dvs kan ses i /6/ og verficering af modellen og overfor kontrollerede forsøg kan ses i /13-15/. FRAC3Dvs-simuleringer er i disse projekter brugt til både at fremstille en virkelighedstro risikovurdering og til at fastsætte oprensningskriterier. Ved risikovurdering af forureningsspredningen i et opsprækket medie, beskrives den reelle risiko både ifht. tid til gennembrud og varighed af problemet. Ved fastsættelse af oprensningskriterier kan simuleres hvilken kildereduktion der er nødvendig og tilstrækkelig for at nå disse. I det foreliggende tilfælde, hvor hele forureningskilden ikke realistisk vil kunne fjernes, er modelsimuleringerne anvendt til fastlæggelse af det optimale opgravningsomfang. Modelsimuleringerne er tillige anvendt til vurdering af behovet for afværge overfor den efterladte restforurening, som i det konkrete tilfælde realiseres ved kemisk oxidation med kaliumpermanganat. 3. BAGGRUND Lokalitet I forbindelse med udarbejdelse af detailprojektering af afværgeforanstaltninger på ejendommen Mitchellsstræde 2, i Gentofte, har Hedeselskabet Miljø & Energi for Københavns Amt, gennemført opstillingen af en simpel, lokal grundvandsmodel, der tager hensyn til stoftransporten i opsprækket moræneler, med henblik på fastlæggelsen af succeskriterierne for oprensningen af den konstaterede forurening med PCE /1-5/, se figur 1. Ved modelsimuleringerne er følgende scenarier undersøgt: Ingen afværge Oprensning ved opgravning af hot-spot (opgravning til 8 m u.t. på et areal på 80 m 2 ) Som ovenfor med øgning af opgravningsvolumen ved en gravedybde på 15 m.
Figur 1: Situationsplan med angivelse af boringer og udgravning Figur 2: Geologisk snit VSV-ØNØ med angivelse af formodet forureningsudbredelse, delvis efter /4/
Lokal geologi/hydrogeologi Den geologiske opbygning i og under det forurenede område er beskrevet i /1-5/ og er karakteriseret ved sandede og siltede moræneaflejringer til en dybde af ca. 23 m u.t. hvori der indenfor de øverste ca. 10 m træffes lokale sekundære sandmagasiner. Under moræneleren i 23 m s dybde træffes i to lokale boringer siltede, sandede og grusede aflejringer, der med stor sandsynlighed udgør toppen af det primære grundvandsmagasin i området. Dette magasin er ikke gennemboret, se figur 2. Grundvandspotentialet i de terrænnære sandlag/-slirer er ca. 6 m u.t. og i det primære magasin ca. 15,5 m u.t., hvilket betyder en kraftig nedadrettet hydraulisk gradient mellem de terrænnære forurenede magasiner og det primære magasin på omkring 0,6 m/m. 4. METODER Modelopsætning og kalibrering Da der kun foreligger få målinger fra den aktuelle ejendom, er de hydrauliske og jordfysiske parametre, der er anvendt ved simuleringerne som udgangspunkt baseret på litteraturværdier fra BAM-rapporten /7/. Den anvendte simple geologiske model er baseret på de udførte undersøgelser /1-5/. Et geologisk profil er angivet i figur 2. Der er i modelopsætningen indlejret 1 m tykke sand- lag i moræneleren i to niveauer 3-4 m u.t. og 11-12 m u.t. der hver især dækker en mindre del af modelområdet, svarende til de i undersøgelserne trufne terrænnære magasiner. I det primære magasin er fastholdt en grundvandsstrømning i nordøstlig retning med en gradient på 0,0013 m/m, i overensstemmelse med det regionale potentialekort over Københavns Amt. Dette er realiseret ved at fastholde potentialet i ét punkt i det primære magasin og kontrollere fluxen ind og ud af modellen langs siderne, således at den antagne strømningsretning og gradient er opnået med den antagne hydrauliske ledningsevne i det primære magasin. Det er antaget, at grundvandsdannelsen i modelområdet er 100 mm/år, betinget af at størstedelen af modelområdet er befæstet eller bebygget. Kalibrering af hydraulik Modellen er kalibreret så potentialet i de terrænnære magasiner er i god overensstemmelse med de observerede potentialer i felten. Denne kalibrering er sket ved at variere sprækkeaperturen (sprækkebredden) og afstanden mellem sprækkerne. Med en sprækkeafstand på 2 meter i både x-z og y-z planet (1 m i /7/) og en sprækkeapertur på 20 µm i alle sprækker (10 µm i /7/) er modellen i hydraulisk balance. Kalibreringen af modellen har vist, at der er snævre rammer for intervallerne for sprækkeafstand og sprækkeapertur, hvis potentialet i magasinerne skal være korrekte.
Kalibrering af forureningsudbredelsen Den aktuelle forureningssituation er simuleret ved at tilføre en konstant mængde opløst PCE i overfladen i hotspot-området (8x10m) i en 45 årig periode, svarende til renseriets driftsperiode (1954-1999). Dette er realiseret ved at fastholde en konstant PCE-koncentration i overfladen og lade forureningen nedsive med nedbøren. Målet for kalibreringen af modellen har været, at opnå en aktuel PCE-koncentration i det primære magasin 1 meter nede i det primære magasin (i modellen 25 m u.t) svarende til den faktisk observerede omkring 100µg PCE/l Kalibrering med nedbrydning af PCE I simuleringerne er der regnet med nedbrydning af PCE i de uforvitrede moræneaflejringer, 6 24 m u.t. I grundvandsanalyser fra det primære magasin er truffet mindre mængder TCE og cis-1,2-dichlorethylen, der indikerer nedbrydning af PCE. Ved simulering med nedbrydning af PCE opnåedes den ønskede PCE-koncentration i det primære magasin ved at fastholde en PCE-koncentration i overfladen på 240.000 µg/l (opløseligheden af PCE) igennem en 45 årig periode, svarende til, at der totalt tilførtes 52 kg PCE til modellen. Denne mængde er den maksimale, der er vurderet på lokaliteten ud fra feltobservationer (10-50 kg). For at opnå den ønskede koncentration i det primære magasin er der anvendt en meget konservativ nedbrydningskonstant på 0,00035 d -1. I Miljøstyrelsens vejledning /11,12/ er angivet et interval på 0,0005d -1-0,004d -1 for nedbrydning af PCE under anaerobe forhold. Ved at anvende den laveste værdi (0,0005d -1 ) ville det imidlertid være nødvendigt at øge kildestyrken til flere hundrede kilo. Det valgtes derfor, at fastholde 52 kg som den maksimale mængde PCE i systemet og i stedet, at reducere nedbrydningskonstanten indtil koncentration i det primære magasin svarede til den faktisk observerede. 5. RESULTATER De tre situationer der er simuleret under hensyntagen til nedbrydning af PCE i morænelerspakken er: Ingen afværge Afgravning til 8 m u.t. Afgravning til 15 m u.t Gennembrudskurverne for PCE i det primære magasin er vist i figur 3. Gennembrudskurven gælder observationsboringen D1, der er beliggende ca. 10 m nedstrøms kildeområdet. PCE-koncentrationerne efter 100 år er vist i vertikale snit gennem kildeområdet i figur 4. Resultaterne af simuleringerne viser, at der ikke inden for 20 år opnås en gevinst ved en fjernelse af kilden ned til 8 m u.t, jf. figur 3. Derefter ses der dog en markant reduktion af PCE i det primære magasin og efter ca. 45-50 år er PCE-indholdet i magasinet under grænseværdien.
1000 µg/l 100 µg/l Koncentrationsudvikling i det primære magasin, 25 m u.t. Initiel forurening, med nedbrydning Ingen bortgravning, med nedbrydning Bortgravning til 8 m, med nedbrydning Bortgravning til 15 m, med nedbrydning Indholdet af PCE i det primære magasin 10 µg/l 1 µg/l 0.1 µg/l 52 Kg PCE tilført 0.01 µg/l 0.001 µg/l 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 År Figur 3: Gennembrudskurver for PCE i det primære magasin i observationsboring D1 Ved bortgravning af kilden ned til 15 m u.t. vil PCE-indholdet i magasinet nedsættes allerede ca. 10 år efter bortgravning og koncentrationen vil falde til grænseværdien i løbet af ca. 25-30 år, jf. figur 3. Det bemærkes, at bortgravning medfører en periode med forhøjet PCE-indhold i magasinet. Dette skyldes en forhøjet hydraulisk gradient og dermed nedsivning gennem den efterladte restforureningen beliggende i lerpakken mellem den sandfyldte udgravning og magasinet. Varigheden af forureningen i det primære magasin nedsættes markant ved bortgravning af kilden og tidsperspektivet for forureningsproblemet nedsættes yderligere ved bortgravning til 15 m u.t. set i forhold til bortgravning til 8 m u.t.
Figur 4: PCE-koncentrationerne efter 100 år er vist i vertikale snit gennem kildeområdet 7. KONKLUSIONER Varigheden af forureningen i det primære magasin nedsættes markant ved bortgravning af kilden og tidsperspektivet for forureningsproblemet nedsættes yderligere ved bortgravning til 15 m u.t. set i forhold til bortgravning til 8 m u.t. Resultaterne af simuleringerne viser, at der ikke inden for 20 år opnås en gevinst ved en fjernelse af kilden ned til 8 m u.t. mht. indholdet af PCE i det primære grundvandsmagasin, tværtimod øges udvaskningen af restforureningen. Efter 20 år ses der dog en markant reduktion af PCE i det primære magasin og efter ca. 45-50 år er PCE-indholdet i magasinet under grænseværdien.
Ved bortgravning af kilden ned til 15 m u.t. vil PCE-indholdet i magasinet nedsættes allerede ca. 10 år efter bortgravning og koncentrationen vil falde til grænseværdien i løbet af ca. 25-30 år. Bortgravning medfører en periode med forhøjet PCE-indhold i magasinet. Dette skyldes en forhøjet hydraulisk gradient og dermed nedsivning gennem den efterladte restforureningen beliggende i lerpakken mellem udgravningsdybden og magasinet. På baggrund af resultaterne er der opstillet succeskriterier og et moniteringsprogram der tager hensyn til prognosen for koncentrationsudviklingen i det primære magasin. Resultaterne af modelleringen har, i forbindelse med den efterfølgende opgravning og jordklassifikation, vist at være mere korrekte end den oprindelige kortlægning. 8. REFERENCER /1/ Supplerende miljøteknisk undersøgelse af ejendommen Mitchellsstræde 2, Gentofte; (matr. 83 Gentofte), Falkenberg A/S Rådgivende Geologer. Marts 2000. /2/ Nye resultater fra den omfattende undersøgelse af ejendommen Mitchellstræde 2, Gentofte; (matr. 83 Gentofte). Miljøteknisk notat. Falkenberg A/S Rådgivende Geologer. Februar 2001. /3/ Afværgeprogram for forurening med chlorerede kulbrinter på Mitchellstræde 2, Gentofte; (matr. 83 Gentofte). Miljøteknisk notat. Falkenberg A/S Rådgivende Geologer. Maj 2001. /4/ Skitseprojekt til afværgeforanstaltninger overfor forurening med chlorerede kulbrinter på Mitchellstræde 2, Gentofte; (matr. 83 Gentofte). Miljøteknisk notat. Falkenberg A/S Rådgivende Geologer. September 2001. /5/ Forundersøgelser til afværgeforanstaltninger på ejendommen Mitchellstræde 2, Gentofte; (matr. 83 Gentofte). Miljøteknisk notat. Falkenberg A/S Rådgivende Geologer. Marts 2002. /6/ Therrien, R. og E. A. Sudicky. Three-dimensional analysis of variably-saturated flow and solute transport in discretely-fractured porous media. J. of Contamn. Hydrol., 1996. /7/ Miljøstyrelsen (2002): Pesticider og Vandværker - Vurdering af koncentration og varighed af BAM forurening i grundvand. Delrapport 4, 2002 /8/ Fetter C. W., 1994. Applied Hydrogeology. 3rd ed. Prentice-Hall, Inc.New Jersey. /9/ Foged N., og Wille E. Forureningsbetingede ændringer af hydraulisk ledningsevne i lerede aflejringer: Laboratorieforsøg. Geoteknisk Institut, Lossepladsprojektet, Rapport P7-2. /10/ Tucker, W. A og L. N. Nelken. Diffusion coefficients in air and water. Handbook of Chemical property estimation methods,. Eds. W.J. Lyman, W. Reehl, and D.H. Rosenblatt. American Chemical Society, Washington DC, 1990. /11/ Miljøstyrelsen (1998): Oprydning på forurenede lokaliteter. Hovedbind. Vejledning nr. 6. /12/ Miljøstyrelsen (1998): Oprydning på forurenede lokaliteter. Appendikser. Vejledning nr. 7. /13/ Jørgensen, P.R., M. Hoffmann, J. Kistrup, C. Bryde, R. Bossi, and K.G. Villholt (2002): Preferential flow and pesticide transport in a clay-rich till: Field, laboratory and modeling analyses. Water Resour. Res., vol.38, no.11. /14/ Jørgensen P.R., K. Broholm, T.O. Sonnenborg and E. Arvin (1998): DNAPL transport through macroporous clayey till columns. Ground Water, 36 no.3. July- August, 123-133. /15/ Jørgensen P.R., L.D. McKay and N.H. Spliid (1998): 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, 539-553.