sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — Genom topografiska växlingar samt förändringar i geologin, t.ex. före- komsten av horisontella eller flacka strukturer med stor vatten- genomsläpplighet såsom sand- och gruslager i morän, ytliga, öppna sprickor i berg (t.ex. i Forsmark, se figur 3.11 i kapitel 3) eller sprickzoner på större djup (t.ex. vid ) avlänkas efterhand grundvattnet till källor, våtmarker, ytvattendrag och sjöar, s.k. utströmningsområden på olika nivåer i landskapet. Härigenom når endast en mindre del ned till djupare delar av berggrunden och strömmar vidare i de regionala systemen. Den småskaliga topografi, som dominerar i såväl sydöstra som nordöstra , gynnar uppkomsten av lokala strömnings- system och ytlig grundvattenbildning, däremot inte regionala Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning system och grundvattenbildning på djupare nivå (2003, SKB 2003). En besvärande komplikation är om mänskliga ingrepp stör den naturliga grundvattenbildningen, t.ex. genom bortledning av vatten vid tunnelbyggnad. Därvid sänks grundvattennivåerna och inströmningsområdet förändras, vilket kan leda till en ökad grundvattenbildning, snabbare om- sättning och förändrad grundvattenkemi. I jordbruksområden med bevattning får man räkna med ett tillskott av (överskotts-) vatten, som infiltrerar, likaså i tätortsområden med läckande avlopps- och renvattenledningar samt åtföljande förändringar av grundvattenkemin. In- och utströmningsområden samt grundvattnets strömningsmönster i en dalgång med varierande topografi och tunt jordtäcke på sprickigt, hårt berg. Det verkliga strömningsmönstret avviker kraftigt från det teoretiska beroende på sprickor och sprickzoner (et al. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Viktiga frågor vad gäller grundvattnets bildning är sålunda framförallt följande: Hur och var bildas grundvattnet i landskapet? Hur påverkas kemin? Hur stor är grundvattenbildningen i olika akviferer och på olika djup samt hur är kontakten dels med ytvatten, dels mellan olika akviferer? Hur varierar grundvattenbildningen i tiden vid olika väder- leksförhållanden och vid klimatförändringar? Vilka mänskliga ingrepp kan störa grundvattenbildningen och förändra kemin? Översiktliga bedömningar av grundvattenbildningen i ett större område kan göras som en vattenbalansstudie med ledning av nederbörds- och avdunstningsuppgifter samt med hänsyn till geologi, hydrologi, topografi och vegetation. Grundvattenbild- ningens storlek till en viss akvifer kan beräknas med hjälp av s.k. infiltrationskoefficienter (förhållandet mellan infiltrerad vatten- mängd och nederbörd inom ett inströmningsområde) för olika berg- och jordarter, om de geologiska och topografiska för- hållandena är mycket ensartade och storskaliga. Detta är dock sällan fallet i svensk terräng, varför metoden inte kan rekom- menderas. Områdes- och platsspecifika uppgifter om grundvattenbild- ningens storlek, rumsliga fördelning och tidsmässiga förlopp kräver dels detaljerade kunskaper om geologin, hydrogeologin, markanvändningen och topografin i området, dels omfattande mätningar och beräkningar. Därtill behövs såväl aktuella upp- gifter om nederbörd och avdunstning som långa serier av eller prognoser om klimatdata. Det finns flera, principiellt olika metoder att mäta och beräkna grundvattenbildningen. Valet av metod måste göras med hänsyn Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning till syfte, tidsskala, typ av önskad information (punkt- eller arealuppgifter) samt tillgång till underlagsuppgifter och resurser. Användningen av de olika metoderna måste baseras på goda kun- skaper om de grundvattenbildande processerna och de rådande geologiska och hydrogeologiska förhållandena. Det är därför angeläget att inleda studierna med att upprätta en begreppsmodell (konceptuell modell) över undersökningsområdet. Därmed menas en förenklad, generaliserad beskrivning med en princip- figur (blockdiagram, tvärsektion) av hur hela grundvattensyste- met fungerar i stort (figur 4.3). Begreppsmodellen baseras på beräkningar av vattenbalansen samt befintliga uppgifter om grundvattensystemets geologi, storlek och gränser, liksom om var och hur grundvattnet kan bedömas bildas och strömma samt om mänskliga ingrepp kan tänkas störa de naturliga förloppen. Med ledning av modellen och ovan angivna kriterier kan sedan lämpligaste undersökningsmetoder och datormodeller väljas. Det är dock anmärkningsvärt få goda exempel på begreppsmodeller öppet redovisade i den tillgängliga litteraturen, särskilt då för grundvattenförhållandena i hårt berg. Metoderna kan i princip indelas efter var i systemet vattnets rörelse och mängd studeras: Inströmningen till systemet, t.ex. med hjälp av spårämnen. Responsen inne i systemet, t.ex. grundvattennivåanalys. Utströmningen ur systemet, t.ex. flödesmätningar. Helst bör flera av varandra oberoende metoder prövas. Osäker- heterna i beräkningarna måste anges för respektive metod. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Begreppsmodell i form av tvärsektion, som visar grundvattenförhållandena i Nybroåsen med omgivning. Längden på sektionen är och den maximala mäktigheten cirka 50 m. Grundvattenbildningen i åsen (grusakviferen) är /år, varav större delen (/år) avrinner till källor, vattendrag och våtmarker samt slutligen till . En mindre del (/år) tillförs den underliggande sandstensakviferen (granitberggrunden har inte studerats, men grundvattenbildningen är sannolikt endast /år). Grundvattenuttag i större skala (/år) görs för vattenförsörjning i fyra vatten- täkter i denna del av grusakviferen samt för jordbruksbevattning (/år) i några brunnar i sandstensakviferen. Ytvatten (/år) infiltreras i bassänger på två ställen i grusakviferen (efter 2001 i 2002). Inströmningen till grundvattensystemet kan studeras dels med hjälp av spårämnen, dels genom modellberäkningar. Såväl tillsatta spårämnen som naturliga spårämnen (se avsnitt 4.5) har använts för att följa nederbördsvattnets väg, t.ex. snösmältvatten med en viss syreisotopsammansättning genom den omättade markzonen Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning ned till olika djup under grundvattenytan under något eller . Med ledning av vattenpartiklarnas medelhastighet och vatten- innehållet på observerad sträcka har grundvattenbildningens storlek bestämts /år i sandjord i (Saxena 1987). I och har tritiumpulser följts ned genom mäktiga jordlager till stora djup i berggrunden, varigenom t.ex. tidsförloppet för grundvattenbild- ningen till kalkstenen på 150 m:s djup på kunnat bestämmas till (1991, se avsnitt 4.5). Isotopdata (deuterium, syre-18, kol-14 och tritium) på vatten från olika djup på har givit viktig information om här- komsten av olika vatten, t.ex. att låg syre-18-halt tyder på att vatten från landisens avsmältning bidragit till grundvatten- bildningen på djupet i berggrunden (Laaksoharju 1999). Dessa metoder är av stort intresse för att konstruera och bedöma möjliga framtidsscenarier för hur ett slutförvar för använt kärn- bränsle kan påverkas i samband med avsmältningen efter en väntad, kommande istid (se SKB 2003) Det har också varit möjligt att följa förändringarna i grundvattnets ursprungliga sammansättning vid anläggningen av tillfartstunneln till berg- laboratoriet på (se SKB 2003). Försök med tillsatta spårämnen ger punktvisa bestämningar, som kan vara svåra att överföra till större områden eller djupare nivåer. Inte heller flertalet av de matematiska modeller, som använts, är tillämpbara för bestämning av grundvattenbildning på djupet, då de är utvecklade för markvattenstudier. En kompli- kation vid användning av inströmningsmetoder är vidare om infiltrationen påverkas av särskilt genomsläppliga zoner, t.ex. makroporer i jordlager eller sprickzoner i berg. Framkomna resultat ger emellertid besked om hur mycket vatten, som tillförs det ytliga grundvattensystemet, dvs. den största möjliga grund- vattenbildningen, vilket är av intresse för vidare beräkningar med grundvattenmodeller (2000). Vad som därvid behövs är metoder för bestämning av grundvattenflöde från jordlager till berggrund utifrån rådande hydrauliska heterogenitet, t.ex. för bestämning av flödet från morän till underliggande sprickigt Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Detta skulle kunna göras med en kombination av geo- fysiska mätningar för kartläggning av konduktiva jord- och bergstrukturer samt mätningar av grundvattnets trycknivåer och grundvattenkemi (inkl. analys av isotoper) i olika geologiska miljöer. Metoderna innebär studier av hur olika delar av grundvatten- systemet, t.ex. grundvattennivåer, grundvattenströmning och grundvattenkemi, reagerar på förändringar i form av tillskott av vatten och kemiska substanser, i detta fall genom grundvatten- bildning, eller utflöde/uttag av vatten, som kompenseras genom efterföljande grundvattenbildning. Denna senare s.k. kontinuer- liga uttagsmetod har prövats vid grundvattentäkter med lång- variga uttag, vilket ofta innebär en förändring av den naturliga grundvattenbildningen. Responsmetoderna ger information om den faktiska grundvattenbildningen till systemet eller nivån i fråga. Analys av grundvattennivåförändringar är den mest när- liggande metoden, eftersom grundvattennivåer är lätta att mäta och ofta finns i långa mätserier, t.ex. vid många kommunala grundvattentäkter och i olika kontrollprogram samt som refe- rens i likartade grundvattenmiljöer i SGU:s grundvattennät . En utförlig beskrivning av metoden med dess olika varianter, t.ex. för att beräkna magasinsföränd- ringar, ges av Fealy & (2002). Den vanligaste analysen går ut på att omvandla grundvattennivåfluktuationerna i ett antal representativa observationsrör, brunnar eller borrhål i ett öppet grundvattenmagasin till motsvarande vattenmängder med hjälp av ett värde på magasinskoefficienten också kallad vattenavgiv- ningstalet. Magasinskoefficienten är den mängd vatten, som avges respektive tillförs magasinet per enhetsarea (t.ex. ) vid en sänkning respektive höjning av grundvattennivån med en enhet (t.ex. 1 m). Den bestäms främst genom provpumpnings- Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning försök men kan också fastställas på provkroppar i laboratorium. Den bör vara känd för olika delar av grundvattenmagasinet, vilket kan vara en krävande uppgift, inte minst i sprickigt, hårt berg. Grundvattennivåanalysmetoden lämpar sig annars bäst på snabbt reagerande och relativt djupt belägna grundvattenytor, t.ex. i berggrunden, där nivåfluktuationerna inte påverkas av kapillär uppsugning och avdunstning () eller tjäle. Viktig information, som också erhålls genom denna metod, är kännedom dels om de tidsmässiga förloppen i grundvatten- bildningen i relation till nederbörds- och klimatförändringar, dels effekterna av olika ingrepp som påverkar grundvatten- bildningen. Kloridbalans- eller kloridkoncentrationsmetoden baseras på för- hållandet mellan vått och torrt nedfall av klorid från atmosfären och kloridhalten i grundvatten. Kloridhalten ökar vanligen vid vattnets infiltration på grund av avdunstning och transpiration men ändras sedan inte i grundvattenzonen. Metoden förefaller enkel och billig, men har visat sig innehålla betydande osäker- heter, främst i bestämningen av torrt nedfall samt genom att kloridhalten i grundvatten kan vara påverkad av såväl relikt saltvatten som föroreningar. Den lämpar sig sannolikt bäst för överslagsberäkningar över grundvattenbildningen i större om- råden och över långa tider. (1988) har gjort en sådan beräkning för den kristallina berggrunden i indelad i sex regioner med stöd av befintliga data från SGU och . Resul- taten är intressanta och ger regionala skillnader som verkar rimliga, nämligen låga värden (/år) i och med låg nettonederbörd och höga värden i (/år, jämför nedan på ) och i (/år). Värdena motsvarar grundvattenbildningen i relativt ytliga delar av berggrunden, då beräkningen bygger på data från bergbrunnar för lokal vattenförsörjning, vilka vanligen är högst . Metoden har använts mycket i torra områden, där den bedöms som ett användbart komplement till andra metoder (1999). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Grundvattenströmningsmetoden är en mer krävande metod gällande såväl indata på hydrauliska parametrar och randvillkor som beräkningar med analytiska och numeriska lösningar eller numera främst med numerisk modellering. En tidig användning av en s.k. finit element modell för två-dimensionell strömning gjordes i den sedimentära berggrunden på i Vatten- planeringsutredningens regi (et al. Grundvatten- bildningen beräknades till mellan /år i ett område med låg vattengenomsläpplighet och /år i ett annat område med högre vattengenomsläpplighet. Utvecklingen av matematiska modeller har varit omfattande bland annat till tre- dimensionell (3-D) strömning som ökad datorkapa- citet gjort beräkningarna snabbare. I en 3-D-modellering av nordöstra har grundvattenbildningen beräknats till mellan /år och /år för olika fall vid en nettonederbörd /år (et al. Här skulle det vara lämpligt att försöka kalibrera denna modellering genom mätningar och beräkningar med andra metoder. har grundvattenbildningen på beräknats vara /år på ytan och /år på djupet. Generellt anges att endast 1 av den ytliga grundvattenbildningen omsätts i berggrundens djupare delar (SKB 2003). En störning i form av t.ex. an- läggningsarbeten med åtföljande grundvattensänkning kan dock öka grundvattenbildningen väsentligt. På tunnelnivå i Hallands- åsen har ökningen beräknats uppgå till vid en maximal grundvattensänkning (2000). Metoderna bygger på att antingen genom direkta mätningar eller genom modellberäkningar få fram uppgifter om hur mycket vatten som lämnar grundvattensystemet. Enklast är flödesmät- ningar från källor förutsatt att tillrinningsområdet för källan är väldefinierat samt att inget vatten passerar förbi eller under källan. Metoden har prövats med stor framgång i ytliga system, Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning t.ex. källor i morän () samt är användbar i sedimentär berggrund, framförallt i karst. Den är däremot svår att tillämpa för djupa grundvattensystem i sprickigt berg. Flödesmätningar i ytvattendrag, som avvattnar ett visst område, och samtidig isotopanalys av syre-18 och deuterium i regnvatten, grundvatten och ytvatten från samma område har emellertid visat sig ge mycket värdefull information, framförallt att andelen grundvatten i det avrinnande vattnet även vid stora flöden i samband med snösmältning eller ihållande regn är mycket större än vad man tidigare antagit (1987, figur 4.4). Mängden grundvatten domineras dock sannolikt av ytligt grundvatten och det borde vara en angelägen uppgift att genom ytterligare isotopbestämningar och kemiska analyser pröva om det går att separera grundvattentillskottet från större djup, t.ex. från väl- definierade bergområden. Avrinningsmodeller har använts för att bestämma grundvatten- bildning i områden med enhetlig geologi, t.ex. moränområden respektive stora isälvsavlagringar i sydöstra (respektive 2001). I den förstnämnda studien jäm- fördes flera olika modeller och metoder. I bägge studierna användes olika varianter av den vid utvecklade HBV- modellen, som bygger på lättillgängliga väderleksdata. Den gav rimliga resultat på den genomsnittliga, årliga grundvattenbild- ningen för respektive område. I den senare studien var det också möjligt att få fram ett värde på grundvattenbildningen i den under isälvsavlagringarna belägna sandstensakviferen (/år jämfört med /år i de ytliga lagren, se figur 4.3). Tyvärr omfattande inte studien det underliggande hårda berget, men grundvattenbildningen kan där bedömas vara endast /år. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Diagram över avrinningen i en bäck, regnintensiteten samt syre-18-halterna, dels i regnvattnet vid olika nederbörds- tillfällen, dels i bäckvattnet . Den låga syre-18- halten i det kraftiga regnet ger inte något större genomslag i syre-18- halten i bäckvattnet på grund av att huvuddelen av det avrinnande vattnet består av gammalt grundvatten med högre syre-18-halt. Det trycks ut från utströmningsområdena nära bäcken av det infiltrerande vattnet uppströms genom den s.k. kolvflödesprincipen (efter & 1988 i 2002). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Grundvattnets strömningsvägar och strömningshastigheter är ofta av stort intresse att klarlägga vid olika typer av grund- vattenundersökningar, liksom också transportvägar för för- oreningar eller fastläggning av föroreningar i grundvattenzonen. Det mest invändningsfria sättet är i sådana fall att genom försök och mätningar av mycket små mängder av specifika ämnen eller isotoper, som förekommer naturligt eller som tillsätts mark- och grundvatten, följa grundvattnets respektive föroreningarnas väg, dvs. att utföra ett spårämnesförsök. Resultaten kan sedan användas för att t.ex. avgöra hydrauliska sammanhang och säker- hetsavstånd till föroreningskällor men också för att utvärdera resultaten av modellering av t.ex. transport och fastläggning av olika radioaktiva ämnen. Vanligt förekommande problem att studera är: strömning mellan borrhål och brunnar, i borrhål vid packertest och provtagning eller t.ex. mellan slukhål och källor i ett karstsystem strömningsriktning och strömningsmönster i berggrundens spricksystem eller i jordlager strömningshastighet mellan två punkter eller t.ex. inom skyddsområdet för en vattentäkt bildning, ursprung och ålder dispersionsegenskaper t.ex. spridningsplymen av en för- orening hydrauliska egenskaper, främst permeabilitet/hydraulisk konduktivitet sorptions- och jonbytesegenskaper t.ex. fastläggningen av en förorening Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning När det gäller undersökningar för att klarlägga en hydraulisk förbindelse mellan två punkter är det inte svårt att finna lämpliga spårämnen, eftersom ämnets uppträdande i grunden inte är av avgörande betydelse för tolkningen av resultaten. Det gäller bara att spårämnet skall komma fram. För att fastställa grundvattnets strömningsriktning kan också spårämnen som till en viss grad fastnar i berggrunden användas. Det kan också gälla att studera sorptionen av vissa föroreningar eller jonbyten i olika berg- eller jordarter t.ex. sprickigt berg. Detta är utgångspunkten för en rad av spårämnesförsök, som utförts på olika håll i världen t.ex. i berglaboratoriet på inför lagring av kärnbränsleavfall. I fråga om undersökningar för att bestämma grundvattnets verkliga strömningshastighet och för att fastställa hydrauliska egenskaper föreligger däremot stora svårigheter att finna lämp- liga spårämnen. Det ideala, tillsatta spårämnet måste nämligen uppfylla följande krav: Det skall följa grundvattnets rörelser utan att sorberas eller fördröjas i grunden genom jonbyten. Det får inte reagera i övrigt t.ex. med mikroorganismer eller påverkas av t.ex. pH-förändringar. Det skall vara påvisbart i mycket låga halter så att inte vattnets fysikaliska och kemiska förhållanden ändras. Det får inte vara hälsofarligt eller skada växt- och djurliv t.ex. i utströmningsområden och källor. Det skall vara lätt att anskaffa till rimlig kostnad och inte medföra höga analys- och mätkostnader. De första två kraven gör att svårigheterna att finna ett idealt spårämne är störst i porösa berg- och jordarter, där kontakt- ytorna mellan partiklarna i berg- eller jordarten och spårämnet är mycket stora och därigenom också sorptions- och jonbytes- processerna mycket verksamma. Desto finkornigare berg- eller jordarten är, desto större blir den effektiva kontaktytan för dessa Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Mineralsammansättningen i berg- eller jordarten spelar också stor roll för processernas omfattning, liksom inne- hållet av organiskt material samt utfällningar och vittringföre- teelser på partikel- eller sprickytor. Kvartspartiklar påverkar minst, lermineral och organiskt material mest. Det innebär att i de flesta rena sandstenar och sandavlagringar samt i öppna sprickor och kanaler i berggrund påverkas vissa typer av spår- ämnen föga eller inte alls, medan påverkan är stor i t.ex. humus- och lerhaltiga jordarter samt i lervittrade zoner och i sprickor med utfällningar i berggrunden (). Mikro- organismers förekomst och roll kan ha stor betydelse för t.ex. nedbrytningen av organiska färgämnen, av vilka en del också är känsliga för t.ex. pH- och temperaturförändringar samt ljus. Det tredje kravet innebär att man inte kan välja ett spårämne, som måste tillsättas i stora mängder för att det skall vara detekterbart. Stora mängder koksalt har t.ex. tillsatts i karst- områden, varvid en tung saltvattenström sökt sig ner i djupa hålrum och därigenom inte deltagit i det naturliga ström- ningsförloppet. I porösa berg- och jordlager är det möjligt att täthetsskiktning kan uppstå. Problemet har dock minskat allt- eftersom analystekniken utvecklats, vilket också gynnsamt påverkat det fjärde kravet, som , då radioaktiva spårämnen var att föredra från detekteringssynpunkt, innebar stora begränsningar i närheten av vattentäkter. Det femte kravet går i regel att uppfylla, även om analyskostnaderna är stora för t.ex. isotopbestämningar. De helt dominerande kostnaderna är dock oftast själva försökskostnaderna genom att det krävs omfattande borrningar, mätningar och provtagningar på försöks- platsen. Grundvattennivåmätningar i ett stort antal punkter är sålunda nödvändiga för såväl planering och genomförande av spårämnesförsöken som tolkning av resultaten. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Olika typer av spårämnen Följande tillsatta spårämnen har använts: Organiska färgämnen med fluorescens, t.ex. Rhodamin, Sulforhodamin B, C, WT samt Uranin. Salter, framförallt anjoner som bromid, jodid, klorid och nitrat. Komplexa föreningar, t.ex. fluorerade bensoater och stabila metallkomplex som krom-EDTA. Radioaktiva isotoper, främst tritium samt radioaktiva isotoper av anjoner och metallkomplex (se ovan). Organismer, främst bakterier, bakteriofager och sporer. Diverse kemiska substanser i form av föroreningar som detergenter, pesticider och klororganiska föreningar (t.ex. CFC). Organiska färgämnen, har utnyttjats med framgång i karstområden och även i sprickig kristallin berg- grund, inte minst vid spårämnesförsök inom TRUE-programmet i berglaboratoriet på (SKB 2001). Trots att det där förekommer såväl vittrade fältspater på sprickytorna som mylonit har Uranin i de inledande försöken haft samma trans- porthastighet som anjonerna bromid och jodid samt tritierat vatten (HTO), vilket tyder på öppna sprickor. Transport- sträckorna var dock mycket måttliga, ca 5 m (SKB 2001). Det var därför inte förvånande, att vid de fortsatta blockskale- försöken i 100-metersskala, som skulle motsvara säkerhets- avståndet från en kärnavfallsdeponi till en större sprickzon, fördröjdes Uranin markant i relation till bromid på vägen vid kontakt med olika sorberande material (et al. Liknande resultat erhölls vid ett spårämnesförsök i en stor sprickzon i hårt berg i vid en strömningssträcka på maximalt 295 m (Maloszewski et al. I jordlager under- går nämligen normalt färgspårämnen sorption och nedbrytning, varför de inte kan rekommenderas i sådana miljöer och sannolikt Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning inte heller i porösa sedimentbergarter. Enligt tabell 4.1 är det överhuvudtaget svårt att finna ett färgspårämne, som inte adsorberas, bryts ner eller förändras. Det är anmärkningsvärt att SKB har betraktat Uranin som ett konservativt, dvs. icke påverk- bart, spårämne, då det är pH- och temperaturberoende samt adsorberas lätt på humus och lermineral. Jämförelse mellan olika fluorescerande färgämnens egenskaper (efter et al. gräns, µg/1 Beträffande salter kan de flesta katjoner uteslutas på grund av sorption och fördröjning genom jonbytesprocesser (litium har dock använts med viss framgång).