sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — Anjoner däremot sorberas endast i ringa grad eller inte alls, då mineralpartiklarna i regel Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning också är negativt laddade. Bromid-, jodid- och klorid- joner har använts med som regel lyckat resultat i ett stort antal försök. Bromid och jodid har fördelar, då de naturliga halterna i regel är mycket låga, varför endast mycket små mängder behöver tillsättas. Men de har också vissa nackdelar t.ex. risk för fast- läggning vid låga pH-värden, då mineralpartiklarna får positiv laddning. Likaså kan det bli problem i rostjord och järn- utfällningar under grundvattenytan vid låga pH (et al. Klorid förefaller genomgående ha gett bäst resultat och anses som ett konservativt spårämne, som följer vattnets strömning utan att fördröjas. Det har bland annat använts vid ett stort antal försök vid kommunala grundvattentäkter i för att bestämma uppehållstider för vatten mellan infiltrations- bassänger och uttagsbrunnar. I dessa sammanhang är det fråga om betydande transportsträckor (upp till 2000 m) och långa uppehållstider (veckor-månader), men å andra sidan ofta mycket grovkorniga avlagringar (2000). Klorid är dock ibland mindre lämpligt med tanke på att klorid kan förekomma i växlande halter i vissa geologiska miljöer och ställvis på grund av föroreningar, t.ex. från soptippar och vägar. Klorid är sålunda direkt olämpligt att använda på stora djup i berggrunden, där kloridhalterna ofta är höga, men kan också vara tveksamt i låglänta områden under den s.k. saltvattengränsen i . Detta gör att stora mängder salt då måste tillsättas för att ge säkra resultat. Fördelarna övervägar dock oftast, dels genom att klorid i form av vanligt koksalt är billigt och lätt att hantera, dels genom att detekteringen i fält är enkel. Man mäter lednings- förmågan direkt i borrhål, brunnar eller källor eller t.o.m. från markytan med geoelektriska metoder (se avsnitt 3.4.8) samt att kloridanalyser kan göras billigt på laboratorium. Stabila metallkomplex har också visat sig mycket användbara som spårämnen. Lämpliga komplex finns bland de s.k. metall- chelaterna, varav det mest kända är etylendiaminättiksyra (EDTA). Ett krom-EDTA komplex har testats i ett mycket stort antal laboratorieförsök med olika mineralblandningar, bland annat olika lermineral, samt ett flertal fältförsök såväl i Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning berg som jord (1967). Kromkomplexet i utspädning ned till 0,0001 ppm sorberas eller fördröjs inte i vanligt förekommande eller i berg- och jordarter sam- mansatta av dessa, om komplexbindningen är fullständig. I kontakt med höga halter av järnhaltiga och utfällningar, t.ex. goethit och rostjord, vissa järn- och manganhaltiga silikater samt lermineral och lermineralrika berg- och jordarter före- kommer dock en viss fördröjning av kromkomplexet (). Även andra EDTA-komplex och metallkomplex har provats med gynnsamma resultat (). Tritium, den radioaktiva väteisotopen, är dock det mest invändningsfria spårämnet, eftersom en liten mängd tritium ingår i vanligt vatten (HTO) och att tritium därigenom i de allra flesta sammanhang måste anses följa vattnets väg utan fast- läggning eller fördröjning. Det har därigenom fått omfattande användning vid ett stort antal försök, inte minst i berglabo- ratoriet på , samt som referensspårämne vid testning av andra spårämnen. Vid en sådan testning visade det sig dock att vid inblandning av vattenmättad bentonit (med mont- morillonit som huvudbeståndsdel) i kvartssand fastnade en del tritium i dessa svällande lermineral och fördröjdes tritium i relation till krom-51-EDTA. Några dylika effekter erhölls inte vid försök med vare sig andra lermineral eller andra mineral- blandningar, inte heller vid fältförsök i olika berg- och jordarter (). Genom tillsättning av tritium eller tidigare genom de fluktua- tioner i tritiumhalt, som uppstått genom vätebombsförsöken, har en puls av tritium kunnat följas från vattnets infiltration genom jordlagren ned till djupa berglager. På detta sätt visas vattnets transporthastighet eller den tid det tar för grundvattnet att nå till en viss nivå i berggrunden. Detta har t.ex. studerats i djupa berggrundakviferer i (1991) samt i sam- band med undersökningar för kärnavfallslagring. Samtidiga undersökningar med andra spårämnen har emellertid visat, att det på stora djup kan förekomma en blandning av vatten med olika ursprung. Ett nytt modelleringskoncept har därför utveck- Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning lats inom projekt vid SKB, den s.k. M3-modellen, varigenom det är möjligt att utreda proportionerna mellan vatten av olika ursprung (Laaksoharju 1999, figur 4.5). Tillsatta spårämnen kan främst användas för att fastställa grundvattnets strömningshastighet mellan borrhål, i sprickzoner eller omkring vattentäkter för att avgöra utformningen av skyddsområden (vilket är särskilt intrikat i sprickig berggrund) samt för att bestämma vattnets uppehållstid vid konstgjord grundvattenbildning, liksom för att kartlägga vattnets ström- ningsvägar från planerade avfallsdeponier. Undersökningar med tillsatta spårämnen lämpar sig sålunda bäst för försök i liten eller medelstor skala, där uppehållstiderna är måttliga och försöks- tiderna rimliga. I regional skala bör i första hand naturliga spårämnen nyttjas eller analys av eventuellt förekommande av människan spridda föroreningar som freoner och pesticider provas, se nedan. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Figur 4.5. a) Begreppsmodell över olika händelser i den geologiska utvecklingen sedan istiden, vilka har påverkat grundvattenkemin på . b) Beräkning av blandningsproportioner mellan olika typer av vatten på samt dominerande massbalansreaktioner med hjälp av den s.k. M3-modellen (efter Laaksoharju, 1999 i 2002). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning En speciell tillämpning av tillsatta spårämnen är att använda konservativa spårämnen såsom bromid, jodid och HTO till- sammans med en rad sorberande ämnen, dels vanliga katjoner som natrium och kalcium, dels radioaktiva katjoner som cesium och strontium. Härigenom kan dels strömningsförhållanden och hydrauliska parametrar fastställas på ett säkert sätt genom mät- ningar på de konservativa spårämnena, dels kan sorptionen och fördröjningen (genom jonbyten och diffusion) av olika katjoner studeras under kontrollerade former. Metodiken har prövats i ett stort antal försök inom olika SKB-projekt såväl tidigare i Stripa och vid som i berglaboratoriet på , där flera tiotals försök utförts med mycket intressanta resultat (SKB 2001, figur 4.6). En ny typ av spårämnen, som möjliggör datering av grundvattnet och bestämning av grundvattenbildningen, är att mäta halten av kemiska produkter, som började tillverkas först i sen tid och som används i vätskeform t.ex. i jordbruket (bekämpningsmedel, pesticider) eller släpps ut som gaser i atmosfären (freoner, d.v.s. klor- fluor- kolföreningar /CFC/). Förutsättningen är givetvis att de inte bryts ner eller att det går att mäta nedbrytningsprodukterna. Mest användbara förefaller freoner vara. De började tillverkas och har ackumulerats i atmosfären. De är vattenlösliga och tillförs därför nederbörden och fungerar som en sorts spårämnen. Bestämningar av freonhalten i grundvatten på olika djup kan därför med stor noggrannhet visa när vattnet ifråga hade kontakt med atmosfären. Metoden utvecklades i och har använts bland annat i och samt på och i södra (Barmen 2001). En forskargrupp i har börjat använda metoden för att bestämma åldern på grundvatten i sprickigt berg (Bockgård 2000). Halterna av CFC-12 och tritium på olika djup i tre borrhål vid visar tilltagande ålder med djupet men också en blandning av vatten med olika ålder (Bockgård et al. Efterhand som användningen av freoner upphör kommer metoden att bli mindre intressant. Pesticider har påträffats i Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning djupa akviferer i samt i en del bergborrade brunnar i . Svårigheten är ofta att utreda när pesticiderna anbringades på markytan. Normaliserade genombrottskurvor för alla spårämnen i testerna inom TRUE Block-skaleförsöken på . Observera skillnaden i återvinning och transporttid mellan de konservativa spårämnena Br-82 (bromid) och I-131 (jodid) och de sorberande spårämnena Cs-134 (cesium) och Co-58 (kobolt), som fastläggs och fördröjs i hög grad (efter et al. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Följande naturliga spårämnen kan användas: Radioaktiva isotoper, framförallt tritium, kol-14 och klorid- 36. Stabila isotoper, framförallt deuterium, syre-18/syre-16 samt svavel-34/svavel-32. Ädelgaser som argon, helium och radon (främst radon-222). Tritium och kol-14, vilka produceras i atmosfären genom kosmisk stråIning, är de viktigaste radioaktiva isotoperna för att fastställa grundvattnets ålder. Denna kan variera till många och är av intresse att känna till i flera praktiska sammanhang, t.ex. för bedömning av om ett grund- vatten på stort djup är fossilt och inte omsätts vid nutida för- hållanden, vilket kan vara gynnsamt för lagring av miljöfarliga föroreningar men ogynnsamt om grundvattenuttag planeras. Före den första vätebombsexplosionen var det möjligt att bestämma grundvattnets verkliga ålder ned till en viss gräns, givetvis med vissa komplikationer beroende på blandningsför- hållandena mellan olika vatten. Nederbörden hade då ett bestämt innehåll av tritium (4 20 tritiumenheter /TU/ beroende på års- tiden) och när nederbörden sedan infiltrerade tillfördes inget ytterligare tritium. Med kännedom om tritiums halveringstid på kunde man beräkna grundvattnets ålder tämligen noga. Efter vätebombsproven steg tritiumhalterna i nederbörden mycket snabbt med de högsta värdena på ca 10 000 TU på vissa platser i . Man kunde då tala om ett jättelikt spårämnesförsök på hela norra halvklotet. Därefter har halterna successivt avtagit så att de nu är nere i naturliga värden utom i en del tämligen gamla grundvatten med rester av bombtritium och där lokala föroreningskällor förekommer (2000). Ett sätt att – trots föroreningar i grundvatten- systemen – bestämma den verkliga åldern är att fastställa förhållandet mellan halten av tritium och dess dotterprodukt Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Helium börjar nämligen ackumuleras i grundvatten- zonen, när tritiumhaltigt grundvatten nått dit. Metoden är dyr- bar och föga använd (Bockgård 2000). Tritiumbestämningar kan också användas för att fastställa om grundvatten på olika djup är av samma härkomst samt om grundvattnet på ett visst djup matas med grundvatten från ett annat område eller står i förbindelse med ytvatten. Detta har med framgång utnyttjats praktiskt, dels i en stor svensk gruva för att spåra ursprunget till stora flöden av gruvvatten, dels i samband med tunnelprojektering i för att fastställa om vattnet i sjöar kunde tänkas stå i förbindelse med grundvattnet i berggrunden, där tunnlar skulle anläggas (2002). Åldersbestämning av mycket gammalt vatten kan utföras med hjälp av kol-14, som har halveringstiden eller klor-36 med halveringstiden ca 300 . Bestämningar av kol-14 i grundvattnets koldioxid har använts på många håll i världen, varvid mycket höga åldrar uppmätts på grund- vatten i djupa akviferer t.ex. i och i den nubiska sand- stenen under , men också på stora djup i det svenska urberget inom SKB-projekt samt på stort djup på Kristian- stadsslätten, där uttag görs av ett mineralvatten, som enligt kol-14-bestämningen bildades under bronsåldern. Användandet av kol-14 är dock problematiskt och komplicerat pga. att grund- vattnets koldioxidinnehåll kan ha olika ursprung: Från atmosfären, från fossilt organiskt material samt från karbonat- . Ett stort framsteg att komma tillrätta med detta problem är utvecklingen i ett SKB-projekt av metoden att mäta vattnets kol-14-halt på de mycket små förekomsterna av humus i grundvatten på stort djup genom anrikning i jonbytarkolonner (1991). De med tidigare använd metod beräknade åldrarna på grundvatten på stort djup i det svenska urberget visade sig därvid för höga. Deuterium (D) och syre-18, som i mycket låga halter ingår i vattenmolekylen är av stort intresse för att fastställa vattnets uppehållstid och ursprung. Möjligheten att använda dessa stabila Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning isotoper är att det uppstår en isotopfraktionering (se kapitel 5) i vatten genom att det vid varje förångningsprocess blir en anrikning av den lättare syre-16 isotopen i förhållande till den kvarvarande vätskefasen. Vattenånga som bildas över havet får därför en lägre syre-18-halt respektive deuteriumhalt än havs- vattnet. Fraktioneringsprocessen påverkas i hög grad av tempera- turförhållandena vid förångning och kondensation, vilket leder till årstidsvariationer i tempererade klimat och med stigande höjd över havet. Norska undersökningar visar mycket små variationer vid kusten men stora årstidsvariationer i höglänta områden i inlandet. Där har det varit möjligt att fastställa uppehållstiden för infiltrerande vatten till olika grundvattensystem (1994) samt andelen inläckande ytvatten vid pumpning av grund- vatten i kristallint berg (figur 4.7). I har det geografiska ursprunget till grundvattenbildningen för olika källor och borr- hål inom ett bergområde identifierats genom skillnader i syre-18- halt på grund av höjdeffekten (Leontiades och Nikolaou 1999). Metoden har också använts för att få underlag till den tidigare nämnda modelleringen på (figur 4.5) samt i samband med försöken med tillsatta spårämnen på . Helium har börjat användas för att studera diffusionen i berg- grundens matrix (et al. Radon har prövats med framgång för att studera utbytet mellan ytvatten och grundvatten. 4.6Sammanfattande slutsatser och rekommendationer Hydrometeorologiska och hydrologiska dataserier är nödvändiga underlag för beräkning av vattenbalansen och grundvatten- bildningen inom ett område, där underjordsanläggningar i berg skall lokaliseras. Statistisk bearbetning av långa dataserier är angelägna för att få fram frekvensen av t.ex. torrår, som är dimensionerande för bortledning av grundvatten med tanke på miljökonsekvenser för djurliv och vegetation samt för den lokala Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Variationer i syre-18-halten i en brunn i hårt berg och i sjövatten vid Rakkestad, , som visar inducerad infiltration i berg med en uppehållstid och inblandning av sjövatten (efter 2000). De lokala variationerna i t.ex. nederbörd och temperatur kan emellertid vara stora beroende på t.ex. höjdeffekter och läge i förhållande till kusten. Det är därför nödvändigt att komplettera de nationella mätstationerna med lokala och regionala mätstationer för såväl hydrometeorologi och hydrologi samt omfattande nät av mätstationer för grund- vattennivåer/grundvattentryck och grundvattenkemi i olika Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning hydrogeologiska miljöer och på olika djup. Resultaten bearbetas successivt statistiskt och korreleras med dataserierna från de nationella mätstationerna. Begreppsmodeller över grundvattenförhållandena i såväl regional som lokal skala måste upprättas och redovisas öppet för varje undersökningsområde som underlag för val av såväl meto- der som datormodeller. Det finns ett flertal undersöknings- metoder för att bestämma grundvattenbildning och åtskillig kunskap har framkommit , tyvärr inte så mycket om grundvattenbildningens storlek på stort djup i hårt berg. Kunskaperna måste därför förbättras genom att flera av varandra helt oberoende metoder prövas i samma område, t.ex. responsmetoder i kombination med naturliga isotoper och freoner samt datormodelleringar. Genom att använda olika metoder kan man dels kontrollera och jämföra resultat, dels få fram olika typ av information om grundvattenbildningen och rum. Detta framgår av en analys av ett tiotal olika metoder, som prövats på i (et al. Av stor betydelse är också att utveckla metoder för mätning av grundvattenflödet från jordlager till berggrund, vilket t.ex. kan göras genom kombinationer av geofysik, mätning av grund- vattentryck och grundvattenkemi inklusive isotoper. Det är därvid och i de flesta andra sammanhang till nackdel att be- stämning av vattnets naturliga isotoper och vissa andra isotoper inte längre görs i . Användningen av naturliga isotoper har minskat i till skillnad från exempelvis i med inhemskt laboratorium. Spårämnesförsök i fullstor skala (säkerhetsavstånd till regional sprickzon) med flera olika konservativa spårämnen (ej färg- ämnen) är nödvändiga för att karakterisera grundvattenström- ningen inte bara i sprickzoner utan också i hela berggrund- massan. Försök med att fastställa sorptionen och fördröjningen av olika radioaktiva ämnen bör utföras parallellt liksom diffu- sionsförsök. Beräkningar med olika datormodeller måste givetvis fortsätta, dels för att beräkna aktuella situationer i platsundersökningarna Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning gällande grundvattenbildning och grundvattenkemi, dels för att belysa olika framtidsscenarier t.ex. olika klimatsituationer (växt- huseffekt, nedisning) i dessa sammanhang såväl vid anläggnings- fasen som för det långsiktiga slutförvaret. Ackerberg, B., 2002: Application of some statistical methods for evaluation of groundwater observations – design and opti- misation of a groundwater level network. Licentiatavhandling, , , TRITA- 2006. , H., 2002: Temperatur och nederbörd i 2001. , Rapport nr 104. , J., 2000: The railway tunnel – geology and groundwater. In (ed) Hardrock hydrogeology of the Fennoscandian shield. on Hardrock Hydrogeology, , , 26 27. NHP Report 45:5 11, . , P., Byegård, J. & , A., 2002: Final report of the TRUE Block Scale project, 2 Tracer tests in the block scale. SKB Technical Report TR-02–14. , 2000: Projekt . Miljökon- sekvensbeskrivning, Rapport, . Barmen, G., 2001: Nybildning i grundvattensystem med flera akvifersenheter – i perspektiv av sårbarhet och hållbar utveck- ling. Avdelningen för Teknisk Geologi, LTH, . Opub- licerat material. , R., Falkenmark, M. & , G., 1980: Några metoder för bedömning av grundvattenbildningens storlek. Vattenplanering, Bilaga 4, SOU 1980: 40, . , G., 2001: De-icing salt and the roadside environment. Air-borne exposure, damage to spruce and system Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Bockgård, N., 2000: Environmental tracer methods for dating of young groundwaters. NHP Report 46-2, . Bockgård, N., , A. & , K.A., 2004: Accuracy of CFC groundwater dating in a crystalline bedrock aquifer. Data from a site in . , M., Jutman, T. & , H., 1994: Vattenbalans. Årsmedelvärden 1990 av nederbörd, av- dunstning och avrinning. Rapport nr 49. Cesano, D. & , B., 1997: Impact on groundwater levels when tunnelling in urban areas. In Chilton et al. (eds) Groundwater in the . , Nottingham, UK, . , Å., 2001: Groundwater impact assessment and pro- tection – predictive simulation for decision aid. Licentiate thesis, KTH, , TRITA-AMI-LIC 2066, . , P., 1991: Hur gammalt är grundvattnet? Grundvatten, 1. , B., 1983: Data rörande nederbördsklimat. Normalvärden för perioden 80. , Klimatsek- tionen. , , , L.E., Kwicklis, E.M., , J.T. & Bodvarsson, G.S., 2002: Estimating recharge at , , : comparison of methods. Hydro- geology Journal 10-1:180-204. & , U., 2003: On the role of mesh discre- tisation and salinity for the occurrence of local flow cells, SKB Rapport , . & , A., 1988: Vattnets väg från regn till bäck. , G., 1988: Groundwater in crystalline rocks – some ideas. In et al. In (eds) Studies on Groundwater Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Recharge in , and . Proceedings of a workshop, , , 25 , pp. , S., 1994: Oksygenisotoper og grunnvann. Institutt for jord- og vannfag. Landbrukshögskole, Rapport 13, Ås. 2000: Konstgjord grundvattenbildning, 100-årig teknik inom svensk dricksvattenförsörjning. , VA- FORSK Rapport 2000:5, . Healy, R.W. & , P.G., 2002: Using groundwater levels to estimate recharge. , 2000: Global network for isotopes in precipitation. Hydrology Web Site. , P-O., 1987: Methods for estimation of direct natural groundwater recharge in humid climates. , , Meddelande TRITA-KUT 1045. , G., 1970: Spårämnen som hjälpmedel vid grund- vattenundersökningar. Grundvatten, , , pp. , G., 1971: Studies of groundwater flow in various aquifers using tracers. Kvartärgeologiska avdelningen, , , . , G., 1988: Humid and arid zone groundwater recharge – a comparative analysis. In (ed) Estimation of Natural Groundwater Recharge, D.Reidel. & , H., 1967: Laboratory evaluation of 51Cr-EDTA as a tracer for groundwater flow. Isotopes in Hydrology, , , pp. & , C-O., 2002: Grundvatten- teori och tillämpning. Laaksoharju, M., 1999: Groundwater characterisation and modelling: problems, facts and possibilities. Doctoral thesis, KTH, , TRITA- AMI-PHD 1031, . Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning , , , A., Nord, M., , J., , L., , M. & Kindell, S., 2002a: Meteo- rological, hydrological and oceanographical information and data for the site investigation program in the communities of and in the northern part of . SKB Technical Report TR-02-02. , , , A., Nord, M., , J., , L., , M. & Kindell, S., 2002b: Meteo- rological, hydrological and oceanographical information and data for the site investigation program in the community of . SKB Technical Report TR-02-03. Leontiadis, I.L. & Nikolaou, E., 1999: Environmental isotopes in determining groundwater flow systems, northern part of Epirus, . , J.W., (ed) 1999: Water resources of hard rock aquifers in arid and semi-arid zones. Studies and reports in hydrology 58 , . & , B., 2002: Analysis of groundwater levels in urban areas. In Killingtveit, Å. (ed) Nordic Hydro- logical Conference, Röros, 4 , NHP Report 47, pp. ,P., , A. & , A., 1999: Interpretation of tracer tests performed in fractured rock of the basin, . , 1999: Grundvatten – bedömningsgrunder för miljökvalitet. , B., 1991: Groundwater conditions when tunnelling in hard crystalline rocks a study of water flow and water chemistry at Staverhult, the tunnel, S . BeFo, forskningsrapport, 160:4/91. , B., Jacks, G., , G., & Thunvik, R., 2001: Grundvatten i hårt berg – analys av kunskapsläget I: SOU 2001:35. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning , T., 2000: Bedömning av grundvattenpåverkan. Resultat av genomförda utredningar. Rapport till Projekt . & , B., 1991: Dating of groundwaters by 14C-analysis of dissolved humic substances. In et al (eds) Humic substances in the aquatic and terrestrial environment, , . , A., 1987: The origin of streamwater traced by oxygen-18. Doctoral thesis, , Div. of Hydrology, Rep. , K., Skurtveit, E., Engene, B. & Mykland, J., 2003: groundwater monitoring and remediation during tunnelling through fractured bedrock in urban areas. In Krasny, J., Hrkal, Z, Bruthans, J., (eds) International Con- on Groundwater in Fractured , 15 , , . Saxena, R., 1987: Oxygen-18 fractionation in nature and estima- tion of groundwater recharge. Doctoral thesis, Uni- versity, Div. of Hydrology, Rep. SKB 2001: First TRUE Stage – Transport of solutes in an inter- preted single fracture. Proceedings from the 4th International Seminar , 9 11, 2000, SKB Technical Report TR-01.24. SKB 2003: Grundvattnets regionala flödesmönster och samman- sättning – betydelse för lokalisering av djupförvaret. 2004: GIS och GIS-databaser 2004. Faktablad nr 19. , L., , L. & , P-O., 1999: Spårämnesförsök som undersökningsmetodik vid konstgjord grundvattenbild- ning. , VA-FORSK rapport 1999:14, . , E., 2001: Groundwater flow into and out of two lakes partly surrounded by peatland. MSc thesis, KTH, Insti- tutionen för Mark- och Vattenteknik. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Litteratur för vidare studier , J-O., , G. & Soveri, J., (eds) 1988: Studies on Groundwater Recharge in , and .