HVAD KONTROLLERER FERSK/SALTVANDSGRÆNSEN I DET NORDØSTLIGE SJÆLLAND

HVAD KONTROLLERER FERSK/SALTVANDSGRÆNSEN I DET NORDØSTLIGE SJÆLLAND - et review af et DTU/GEUS projekt for Roskilde, København og Frederiksborg amter og Københavns Energi Områdechef Thorkild Feldthusen Jensen Rambøll ATV MØDE KALK PÅ TVÆRS SCHÆFFERGÅRDEN 8. november 2006

INTRODUKTION Fersk- saltvandsgrænsens beliggenhed på Sjælland har i en årrække ikke været ofret den store opmærksomhed. En grund her til kan være, at den gebyrfinansierede ressourcekortlægning, som amterne gennemfører, har haft fokus på grundvandsressourcens sårbarhed overfor fladeog punktkildeforureninger. Imidlertid har de selv samme trusler fra arealanvendelsen og et utal af konstaterede forureninger foranlediget flere vandforsyninger i Hovedstadsområdet til at søge udnyttelige grundvandsressourcer på større dybde i kalkgrundvandsmagasinerne. Konsekvensen af denne strategi kan imidlertid være, at kvaliteten af ressourcen trues af saltvand nedefra. Nærværende artikel præsenterer et review - kritik og resume - af resultaterne af et projekt, som er gennemført i et samarbejde mellem M&R DTU og GEUS med det sigte at tilvejebringe en viden om naturen af fersk- saltvandsgrænsen i kalkformationerne på Sjælland med henblik på at vurdere mulighederne for en bæredygtig udnyttelse af de dybere dele af kalkmagasinerne. Projektet er gennemført i perioden fra 2002 til 2006 og er finansieret af Roskilde Amt; Københavns Amt, Frederiksborg Amt og Københavns Energi. I projektet er der publiceret seks delrapporter (/2/ til /7/) og en resumerapport /8/. For god ordens skyld bemærkes, at forfatteren til nærværende artikel i en periode var tilknyttet projektet hos GEUS, hvorfor nærværende review næppe kan betegnes som helt uvildig. PROJEKTETS HYPOTESER OG MÅLSÆTNINGER Projektet Saltvandsgrænsen i kalkmagasinerne i Nordøstsjælland har fokus på naturen af denne grænse i Danienkalk og Skrivekridt i de områder af Nordøstsjælland, hvor der ikke er betydende lag af yngre tertiære lag over kalken. I projektforslaget fra 2002 /1/ er der på basis af den daværende viden om saltvandsgrænsen opstillet følgende arbejdshypoteser til forklaring af saltvandsgrænsen: 1. Køge Bugt scenariet: Den hydrauliske bund er placeret under saltvandsgrænsen, der igen er placeret under ler- mergelhorisonter. Ler- og mergellagene fungerer som vertikale hydrauliske barrierer og definerer saltvandsgrænsens dybde. Saltvandsgrænsen er ustabil ved gennembrud af barriererne. 2. Nordøstsjælland scenariet: Den hydrauliske bund er placeret over ler- og mergellagene i kalken og over saltvandsgrænsen. Den hydrauliske bund kommer i dette scenarie til at definere saltvandsgrænsens position. Saltvandsgrænsen er udviklet som et diffusionsprofil. Grænsen er ikke påvirkelig af grundvandsoppumpning. 3. Kystzone scenariet: Saltvandsgrænsen er placeret over den hydrauliske magasinbund. Grænsen er i mange tilfælde ustabil, og den endelig placering ved en given oppumpning er betinget af mængden af ferskvand som strømmer mod havet.

Den hydrauliske bund i kalken er den dybde hvor til opsprækning betinger mulighed for advektiv vandtransport; figur 1. Som forventeligt har projektets gennemførelse resulteret i en noget mere nuanceret forståelse af saltvandsgrænsen end arbejdshypotesernes udgangspunkt (se efterfølgende afsnit). Figur 1. A) Flow log fra boring ved Lyksager sydvest for København. Den hydrauliske bund i kalken er på dette sted placeret omkring 55 m under terræn. B) Flow log fra Albertslund vest for København. Den hydrauliske bund er her i Skrivekridtet omkring 85 m under terræn I en ressource- og vandforsyningsmæssig sammenhæng har målene været: - At undersøge regionalt hvilke processer der kontrollerer beliggenheden af fersk- saltvandsgrænsen i Skrivekridtet og Danienkalken på Sjælland, og om grænsefladen vil blive påvirket af en øget oppumpning i de dybere dele af magasinet. - At fastlægge til hvilke dybder der forekommer aktive hydrauliske zoner i Skrivekridtet og Danienkalken, og undersøge hvilke processer, som styrer disse zoners beliggenhed. - At dokumentere om der sker - eller kan induceres grundvandsdannelse til de dybere dele af Skrivekridtet, tilstrækkelig til at der kan opretholdes en større indvinding fra lagene. - At undersøge grundvandets kvalitet og alder i de dybere dele af Skrivekridtet og Danienkalken, samt om der er risiko for ændringer i grundvandets kvalitet, såfremt der påbegyndes større indvindinger fra disse lag.

Allerede her bemærkes, at projektet er kommet rigtig langt med at besvare disse spørgsmål, uagtet at det - vel som forventeligt - fortsat ikke på forhånd er muligt at forudsige hvor dyb vandindvinding er mulig. UNDERSØGELSER OG RESULTATER I det følgende beskrives kort de gennemførte undersøgelser og de væsentligste resultater. Kortlægning af Danienkalk Skrivekridt grænsen samt forkastninger i denne delrapport 1 /2/. Al anvendelig reflektionsseismik i området er retolket med henblik på at søge kortlagt de overordnede strukturgeologiske forhold i Danienkalk og Øvre Kridt, og her specielt grænsefladen mellem Danien og Øvre Kridt og eventuelle forkastninger i denne grænseflade. På baggrund heraf, samt boringer hvor grænsen er påvist, er der fremstillet et kort over top Skrivekridt og forkastninger i denne flade. Resultaterne er rapporteret i en letlæst, overskuelig rapport. De væsentligste resultater er: - Det første eksisterende samlede billede over Skrivekridtoverfladens højdeforhold (sammen med data fra delrapport 2) i Nordøstsjælland. - Påvisning af småforkastninger i toppen af kalken der dør ud 200-300 mu.t. I rapporten gættes på en glacial oprindelse (istryksbetinget). På grund af det lille antal seismiske sektioner, og i delområder få boringer der når Danienkalk Skrivekridt grænsen, er der stadigvæk store områder i Nordøstsjælland, hvor grænsen ikke er kortlagt. Undersøgelse af saltvandsgrænsen ved hjælp af geofysisk borehulslogging delrapport 2 /3/. Denne del af projektet står sammen med undersøgelserne i værkstedområdet (delrapport 6) som det stærkeste og væsentligste bidrag til ny erkendelse af saltvandsgrænsen i projektområdet. I delprojektet er der logget et større antal boringer, og sammen med tidligere loggede boringer (i alt 159 stk.) er der skabt et imponerende regionalt overblik over beliggenheden og naturen af grænsefladen mellem ferskt og salt grundvand. Af væsentlige resultater skal herudover fremhæves: - Logdata er indlagt i GERDA databasen og dermed gjort tilgængelige for enhver. - En relativt entydig regional placering af saltvandsgrænsen ved 1) grænsen Danienkalk - Skrivekridt, eller 2) Ved en mergelhorisont (Kjølbygård mergel) et stykke nede i Skrivekridt, eller 3) nogle få undtagelser herfra kystnært samt ved forkastninger og kildepladser hvor saltvandsgrænsen er truffet i Danienkalk (eksempler på grænsen i figur 2). - En saltvandsgrænse der er styret af de geologiske forhold (sprækker, matrixpermeabilitet og mergellag), der styrer muligheden for opferskning til større dybde. Saltvandsgrænsen er i projektet defineret ved en formationsledningsevne på 25 ms/m svarende til ca. 300 mg Cl/l.

a~1.2ms/m/m - Der er aldrig tale om en skarp, veldefineret saltvandsgrænse, men et med dybden gradvist stigende saltindhold i en overgangszone. Stigningen i kloridindhold i overgangszonen er typisk 12 mg/l/m (varierer mellem 0,5 og 9 ms/m). - Identifikation af indstrømningszoner i Danienkalk og Skrivekridt til typisk 70 m under prækvartæroverfladen (i enkelte tilfælde 100m), og påpegning af at flowzoner ikke kun findes i de øverste meter af Danienkalken (figur 3). Boring 187.1354 Lokation: Æbelholt kildeplads Kote: 8.89 Reference: Terræn TEMP Q=0 LEDN Q=0 FLOW Q=35 Kote Tolket TEMP Q=35 LEDN Q=35 (meter) boreprofil % 0 50 0 200 0 100 9 C 11 0 ms/m 200 0 100 ML 0 MS -10 ML -20-30 -40-50 -60-70 A Boring 200.4186 Lokation: Lautrupparken, Ballerup Kote:31 Reference: Terræn Kote Tolket (meter) boreprofil CPS ms/m ohmm 0 100 0 100 0 100 ML 20 DS 10 0-10 -20-30 -40-50 -60 B GAMMA INDUKTION RESISTIVITET -80-90 SK -100-110 -70-80 -90-100 SK 15mS/m 25mS/m 40ohmm -80m 60ohmm -70 Mergellag -90m Mergellag a~3.8ms/m/m -80-100m Hærdningshorisonter -90-110m 140mS/m 10ohmm -100 55mS/m 20ohmm Figur 2. Gamma-, induktions- og resistivitetslogs af to boringer. Detailudsnit af induktions- og resistivitets-log viser saltvandsgrænsen ved top Skrivekridt (A) og ved et mergellag i Skrivekridt (B).

- Boringsydelsen pr. m boret Danienkalk er større end ditto i Skrivekridt. - Et højdekort over saltvandsgrænsen (støttet af TEM data fra delrapport 3) og herudover en lang række gode og pædagogiske illustrationer. I vurderingen af resultaterne i delrapport 2 er der ikke givet nogen tydelig forklaring på de regionale variationer i saltvandsgrænsens dybdeforhold. De regionale logstratigrafiske målsætninger med delprojektet er ikke opnået. Dette er ikke projektets skyld, men skyldes, at det i projektområdet ikke er muligt at etablere en sådan grundet variation i geologien i området. Indstrømningsfordeling i kalk/kridt i 17 boringer (gruppe B) i zone 4 - Kbh. Vest Log sektion i kalk/kridt (m) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 "Dybde" til/ i Kridt (?/? m) 200.3316 200.4221 200.4716 (27/8 m) 200.4715 (29/7 m) Indstrømningszoners dybde i kalk/kridt (m) 30 40 50 60 70 80 90 Indstrømning % 100 80 60 40 20 2 200.4889 200.4890 200.4665 200.4442 (27/39 m) 200.4548 (47/20 m) 200.4690 (35/39 m) 200.4699 (39/36 m) 200.4689 (33/43 m) 200.4572 (48/33 m) 200.4571 (77/8 m) 200.4309 (21/65 m) 200.4361 (44/46 m) 100 200.4186 38/(64 m) Figur 3. Illustrerer, at jo dybere der bores i kalken, jo flere strømningszoner og dermed større specifik boringskapacitet vil der kunne opnås. Undersøgelse af saltvandsgrænsen med transiente elektromagnetiske (TEM) sonderinger - delrapport 3 /4/. Der er gennemført 341TEM/HMTEM sonderinger placeret langs profiler. Med TEM/HMTEM metoden kortlægges traditionelt grænsen mellem en dårlig og en god elektrisk leder. Da loggingresultaterne imidlertid viser, at saltvandsgrænsen reelt er en tyk overgangszone (flere 100 m) med gradvist stigende ledningsevne, er det tydeligt, at dette forhold har været en udfordring for delprojektet. Der er således gennemført et ret omfattende teoretisk studium for at få fastlagt om metoden overhovedet er anvendelig under de givne forhold. Et metodestudium som alle der arbejder med TEM metoden vil kunne have fornøjelse af. Med de teoretiske forudsætninger og tolkningsproceduren på plads er det væsentligste udbytte af TEM undersøgelsen bidraget til den regionale kortlægning af saltvandsgrænsen, som rapporteret i delrapport 2. Saltvandsgrænsens beliggenhed ved TEM metoden er imidlertid behæftet med en usikkerhed på i intervallet 10 til 35 meter.

Resultaterne af TEM sonderingerne synes i hele projektet at stå lidt alene, og er ikke omtalt som afgørende af have bidraget til det samlede udbytte af projektet, og til det samlede billede og forståelse af saltvandsgrænsens højdeforhold. Dette indtryk kan være forkert, men det ville have været nyttigt med en refleksion herover. Afslutningsvis må jeg anstændigvis tilstå, at jeg ikke føler mig tilstrækkeligt fagligt klædt på til at give dette meget store stykke arbejde - som mine geofysikerkolleger roser for det teoretiske arbejde - en retfærdig kritik. Simulering af nuværende og historiske strømnings- og potentialeforhold - delrapport 4 /5/. I dette mindre delprojekt er der med GEUS DK-model Sjælland foretaget modelsimuleringer af strømnings- og potentialeforhold under forudsætning af, at der i området ikke foregår oppumpning. Med udgangspunkt heri og aktuelle potentialeforhold er udbyttet af delprojektet: - Et kort der viser hvor exfiltration er ændret til infiltration som følge af vandindvinding. - Et kort der viser størrelsen af afsænkninger som følge af vandindvinding. - Kort der viser grundvandsdannelsens størrelse med og uden oppumpning Delprojektet giver således et udmærket bidrag til beskrivelse af den nuværende oppumpnings betydning for de strømningsmæssige (gradient) forhold i Nordøstsjælland. Der er ikke i delrapporten vurderet på betydningen heraf for saltvandsgrænsens beliggenhed. Dette er inddraget i resumerapporten /8/. Grundvandstyper i kalkmagasinerne delrapport 5 /6/ I dette delprojekt er der gennemført en relativt omfattende bearbejdning af eksisterende grundvandskemiske data med det mål at er at etablere et overblik over de generelle grundvandskemiske forhold (grundvandstyper) i kalkmagasinerne i Nordøstsjælland. Det væsentligste udbytte af delprojektet er: - En inddeling af grundvandet i seks hovedtyper og en grundig forklaring på de tilhørende grundvandskemiske processer der fører til deres dannelse. Herudover er vandtypernes forekomst i projektområdet beskrevet og begrundet i de geologiske og hydrogeologiske forhold. - Det er første gang, at der er givet en sammenhængende regional procesorienteret beskrivelse af årsagen til fordelingen af de hårde og mindre hårde vandtyper henholdsvis syd og nord for Søndersødalen. Det er ligeledes nyt, at forekomsten af methan og svovlbrinte mod nord i Frederiksborg amt kædes sammen med dæklagenes egensakber i dette område. - En systematisk og grundig gennemgang af vandkvaliteten i boringer på alle KE s kildepladser i området, med en vurdering af sammenhængen mellem placering, oppumpning, driftsmæssige forhold, dybde af boringer og kloridindhold. Rapporten er lidt tung at læse. Der kan imidlertid dårligt indvendes noget herimod, da det er en konsekvens af den systematiske gennemgang af alle KE s kildepladser.

Saltvandsudvaskning i Danienkalk og Skrivekridt. Detailundersøgelser i Karlslunde værkstedsområde delrapport 6 /7/. I dette meget interessante delprojekt er der gennemført en lang række forskelligartede undersøgelser omfattende to dybe kerneboringer, sprækkekortlægning, porøsitets- og permeabilitetsbestemmelser, borehulslogging, kemiske analyser på porevand, fastlæggelse af diffusionskonstanter og modellering af saltvandsudvaskningen med FRACTRAN. Der er således tale om et meget multidisciplinært arbejde, hvor summen af de faglige bidrag fører til en konceptuel model for opferskningen af Danienkalk og Skrivekridt gennem de sidste 2 til 3 mio. år. Af væsentlige bidrag fremhæves: - Fastlæggelse af formationsfaktoren for Danienkalk og Skrivekridt til brug for beregning af kloridkoncentrationer ud fra logdata. - Fastlæggelse af en lang række parametre (bulk- og matrixperm., diffusionskoefficienter mv.) som er forudsætningen for fremtidige modelleringer af stabiliteten af saltvandsgrænsen ved fremtidige oppumpninger. - En konceptuel model for opferskningen hvor kridtlagene er inddelt i tre zoner 1) en øvre advektiv zone der er fuldstændig opfersket; 2) en ikke fuldstændig opfersket overgangszone hvor opferskningen finder sted ved en kombination af advektion (få sprækker) og diffusion; 3) en diffusionszone hvor opferskning sker ved diffusion (se figur 4). - Det er kun saltvandet i matrixblokkene i overgangszonen der vil kunne blive mobiliseret ved oppumpning. - Modelberegninger der sandsynliggør, at den opsprækkede zone (advektive zone) vil være opfersket inden for en periode på 10.000 til 20.000 år. - Modelberegninger der underestimerer det tidsrum det tager at opferske overgangszonen (for at få et fit til målte kloridindhold skal matrixperm. reduceres med en faktor 100!). - Modelsimuleringer der dokumenterer, at kloridkoncentrationen i diffusionszonen (det pågældende kloridkoncentrationsprofil i Karlslunde ) er udviklet over max. 2 mio. år. - Modelberegninger der viser, at det diffusive bidrag af klorid fra diffusionszonen til den advektive zone er på max. 40 mg/l (kræver en længere forklaring se side 88 i delrapport 6). I forbindelse med modelberegningerne er der foretaget en lang række analyser af betydningen af variationer i grundvandsdannelsens størrelse, betydningen af lavpermable lerlag, af dispersionens størrelse, af matrixpermeabiliteten m.fl. parametre, som giver et godt billede af betydningen af disse parametre for udviklingen af saltvandsgrænsen. Der er således rigtig meget ny og meget nyttig viden at hente i denne delrapport. Der er naturligvis en lang række forudsætninger i modelberegningerne, som der sagtens kan stilles spørgsmålstegn ved. Eksempelvis forudsættes det grundlæggende i modelleringen af opferskningen af Danienkalk og Skrivekridt har fundet sted gennem 2-3 mio. år med en infiltration som i dag. Da Danienkalk og Skrivekridt måske i store dele af denne periode har været overlejret af tykke lavpermeable dæklag er dette bestemt ikke givet. Der er flere lignende antagelser der kan stilles spørgsmålstegn ved.

Klorid, mg/l 18 16 O/ O 40 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000-9 -8,5-8 -7,5-7 60 300 mg/l Advektive zone Dybde, meter 80 100 Overgangszonen 120 Diffusions zonen 140 160 Figur 4. Konceptuel model med hydrauliske zoner i Skrivekridtet. Data er fra analyser af porevand fra kernestykker fra Karlslunde boringen. 18 O/ 16 O forholdet viser, at der sker infiltration af meteorisk, recent vand helt til diffusionszonen, men der er jf. kloridkurven fortsat et vist indhold af klorid i matrixblokkene. Resume af delprojekternes resultater og konklusioner samt perspektivering. Der er udarbejdet en resumerapport der på udmærket vis opsamler og perspektiverer resultaterne af alle delprojekterne i en vandforsyningsmæssig sammenhæng. De væsentligste konklusioner i en vandforsyningsmæssig sammenhæng er: - En beskrivelse af saltvandsgrænsens regionale dybdefordeling i de seks definerede zoner som projektområdet er inddelt i (figur 5). - En bæredygtig udnyttelse af dybe grundvandsforekomster synes mulig i zone 1 og 2 (stort set Frederiksborg Amt). - De gennemførte undersøgelser viser, at der overalt er ferskvand i Danienkalken, og at der kan forventes flowzoner i hele sekvensen. Kloridpåvirkningen ved diffusion nedefra vil blive stabiliseret på et acceptabelt stabilt niveau. Der mangler dog et værktøj der kan kvantificere belastningen. - Forslag til program for undersøgelse af fremtidige kildepladser baseret på dyb indvinding. Herudover er de akademisk/videnskabelige perspektiver kommenteret. Det væsentligste er forståelsen af tidsperspektivet i opferskningen af kalkgrundvandsmagasinet. Den usikkerhed der knytter sig til ovenstående pind 3 er naturligvis afgørende for om vandforsyninger tør binde an med et sådant projekt.

SAMMENFATTENDE KOMMENTARER TIL PROJEKTET Det fremgår af gennemgangen af projektet, at langt de fleste mål med projektet er opfyldt eller tilnærmelsesvist opfyldt, når resultaterne holdes op imod målsætningerne. Hvad angår vandindvinding fra dybe dele af kalkmagasinerne udtaler projektet sig dog med en forståelig forsigtighed. Der er dog i projektet givet forslag til hvilke undersøgelseselementer der bør indgå i forundersøgelser forud for etablering af en kildeplads baseret på dyb vandindvinding. Erkendelsen af et diffusionsprofil i den ikke opsprækkede kalk er nok det væsentligste nye bidrag til erkendelsen af saltvandsgrænsens karakter i Nordøstsjælland. Generelt er rapportens vurderinger vedr. stabiliteten af saltvandsgrænsen opmuntrende nyt for de vandforsyninger som i dag iagttager stigende kloridkoncentrationer. Holder projektets forudsigelser stik skulle kloridkoncentrationen (alt andet lige!) stabilisere sig på et niveau på 40 50 mg/l højere end udgangspunktet. Hvad angår arbejdshypoteserne formuleret forud for projektets start fremgår det, at mergellagene (ex. Kjølbygård mergelen) i toppen af Skrivekridt ikke er dokumenteret at have den betydning for saltvandsgrænsen som antaget. Den har dog mange steder betydning som definerende toppen af overgangszonen. Det vides også at den stedvis er så lavpermeabel, at den er i stand til at forhindre trykudligning mellem kalklag over og under mergelen. Betydningen heraf er ikke belyst i projektet. Sammenfattende er der tale om et meget stort og gedigent stykke arbejde, som rummer et meget stort datamateriale og gode vurderinger og tolkninger, som vil være et særdeles godt udgangspunkt for alle, som arbejder med problemstillinger vedrørende salt i grundvandet. Der er også i en bredere forstand et utal af værdifulde oplysninger om kalkens egenskaber generelt og om kalkens geofysiske ditto. Det anbefales derfor varmt at læse selve rapporterne der kan downloades fra www.geus.dk. REFERENCER /1/ Larsen, F., Jensen, T. F., og Hinsby, K., 2002; Forslag til projekt om fersk-saltvandsgrænsen i kalkmagasinerne på Sjælland Fase A: Skrivekridt og Danienkalk. /2/ Bidstrup, T. & Klitten, K, 2006: Kortlægning af Danienkalk Skrivekridt grænsen samt forkastninger i denne. Delrapport 1 /3/ Klitten, K. & Wittrup, C., S, 2006: Undersøgelse af saltvandsgrænsen ved hjælp af geofysisk borehulslogging. Delrapport 2 /4/ Poulsen, L., H., Wittrup, C., Klitten, K. & Larsen, F: Undersøgelse af saltvandsgrænsen med transiente elektromagnetiske (TEM) sonderinger. Delrapport 3. /5/ Troldborg, L., 2006: Simulering af nuværende og historiske strømnings- og potentialeforhold. Delrapport 4. /6/ Berger, K. & Larsen, F. 2006: Grundvandstyper i kalkmagasinerne. Delrapport 5. /7/ Larsen, F., Sonnenborg, T., Klitten, K., Madsen, P. & Ulbak, K., A., 2006: Saltvandsudvaskning i Danienkalk og Skrivekridt. Detailundersøgelser i Karlslunde værkstedsområde. Delrapport 6. /8/ Klitten, K., Larsen, F. & Sonnenborg, T., 2006: Resume af delprojekternes resultater og konklusioner samt perspektivering.