Miljøgeoteknikk Spredning av forurensning

1. Grunnlag for spredningsmodell Strømningshastighet fra grunnvannsmodell Spredningsparametre som beskriver forurensnings-spredning i forhold til grunnvannsstrømmen Forurensningskilder: plassering og konsentrasjon Forurensningskonsentrasjon utenfor kilder Endring av forurensnings-konsentrasjoner over tid Grunnlag for kalibrering og verifikasjon MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

2. MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

3. MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

4. Sprednings-mekanismer i porøse medier Konsentrasjonen av av en oppløst forurensing (Jtot) er en sum av følgende bidrag: Adveksjon (Jadv) Dispersjon (Jdis) mekanisk dispersjon molekylær diffusjon Adsorpsjon (Jads) Øvrige prosesser (Js/s) Jtot = Jadv + Jdis + Jads + Js/s MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

5. Spredningsmekanismer Adveksjon Mekanisme: transport av stoffer med midlere porevannshastighet Formeluttrykk: Jadv = nvsC=khh/xC der: n = porøsitet (%) vs = strømningshastighet i porene (m3/s) = v/n v = gjennomsnittlig strømningshastighet kh = permeabilitet (m/s) C = konsentrasjon av oppløsning (kg/m3) MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

6. Spredningsmekanismer Dispersjon Definisjon: spredning av forurensing over et større område enn det som kan beregnes fra grunnvannshastighetsvektorene alene Opptredende mekanismer: - molekylær diffusjon - mekanisk dispersjon MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

7. Spredningsmekanismer Molekylær diffusjon Mekanisme: transport av stoffer på grunn av forskjeller i stoffenes termisk kinetiske energi. Forurensningen sprer seg i retning fra høyere til lavere konsentrasjon. Formeluttrykk: Jdis = - D0taC/x (Fick’s lov) der: D0 = diffusjonskoeffisient ((m3)2/s) ta= tilsynelatende tortositetsfaktor (-) C = konsentrasjon av oppløsning (kg/m3) MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

8. Spredningsmekanismer Mekanisk dispersjon Mekanisme: skyldes hastighetsfordeling mellom sedimentkorn og avbøyning av vannstrømmen rundt korna. Formeluttrykk: Jdism = - DmC/x der: Dm = mekanisk dispersjonskoeffisient ((m3)2/s) (longitudinal/transversal) Total dispersjonskoeffisient: D = Dm + D0ta MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

9. Spredningsmekanismer Adsorpsjon Mekanisme: Kjemiske reaksjoner mellom forurensings-agenter og jord. Medfører at forurens-ningen spres med lavere hastighet. Transporthastigheten av stoffet vil retarderes med en konstant faktor 1/R i forhold til grunn-vannshastigheten. MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

10. Spredningsmekanismer Retardasjonsfaktor Formeluttrykk: R = 1 + (r/n)q/C der: r = tørr densitet for mediet n = porøsitet q/C = endring i sorpsjon mhp konsentrasjon q/C = KpCn = KdC Kp = partisjonskoeffisient Kd = fordelingskoeffisient MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

11. Spredningsmekanismer Massebalanse Endring i konsentrajon i forurensningsstrøm = endring i lagret forurensning over tid Formeluttrykk: D12C/x2 - vC/ x= C/t der: D1 = mekanisk, longitudinal dispersjonskoeffisient (l2/t) t = tid x = longitudinal distanse MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

12. Spredningsmekanismer Dimensjonsløs ligning Formeluttrykk: C/T = 1/l2C/x2 - C/ x der: T = effektivt porevolum (vt/RL) v = strømningshastighet R = retardasjonsfaktor L = dimensjonsløs lengde t = tid l = vL/D1 MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

13. MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

14. Oppsummering Fire grunnleggende parametre styrer forurensningsspredningen permeabilitet k gradient i longitudinal dispersivitet D1 retardasjonsfaktor R Gradienten i er som regel meget liten i finkornige jordarter Permeabiliteten k kan variere betydelig, 3 - 4 ganger i størrelsesorden Dispersitiviteten D kan også variere mye (1-2 ganger i størrelsesorden) Retardasjonsfaktoren R kan ta alle verdier fra 1 (konservativt) og oppover Oppsummering Parametre som påvirker forurensningstransport påvirker også geoteknisk design Design krever ofte reduksjon av k D1krever bestemmelse når dispersjon kontrollerer forurensningsspredningen R bør estimeres for sikrere anslag av transporthastighet (1 er konservativ verdi ): ingen adsorpsjon). MiljøgeoteknikkSpredning av forurensning

15. Forurensningsanalyse Foreliggende grunnlagsdata grunnundersøkelser på tomta pumpeforsøk grunnvannsobservasjoner målinger av vann-nivå i kanalen måling av vannføring i kummer og i kanalen data fra kjemiske analyser av vannprøver tidevannstabell for Mo i Rana Permeabilitet bestemt fra kornfordelingskurver materialavhengig: sand 5x10-5-1.5x10-4 m/s silt, finsand 3x10-6-2.5x10-5 m/s grus, sand 5x10-5-2.0x10-4 m/s vertikal permeabilitet større enn horisontal MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

16. Forurensningsituasjon Arsen Registrert i betydelige mengder etter lekkasje av arsenlut Fenol Registrert i betydelige mengder. Fordamper lett. Pah -stoffer Funnet i betydelige megder i ulike forrbindelser med bindinger til kornskjelettet. Simulering bare mulig på vannløselige stoffer. Kobber Registrert flekkvis på tomta. Sterkt varier-ende løselighet for ulike kopperforbind-elser Retardasjonsfaktor R Arsen: 75 Kobber: 12000 Fenol: 1.2 Benzoapyren (Pah): 10000 Fenantren: 100 MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

17. Forurensningsanalyse Aktuelle massetyper avgangsmasser fra gruvedrift granulat fra Norsk Jernverk koksgrus innspylte mudringsmasser grus/sand fra massetak sprengstein Modellering av grunnvann vannledende, grovt lag øverst underliggende tett, opprinnelig grunn fritt grunnvannsspeil, åpen akvifer modellering av aktive drensledninger inkludert MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

18. Forurensningsanalyse Mål:Simulere forurensnings-transport med grunnvann til Ranafjorden. Planlegge tiltak for rehabilitering. Prosjektomfang Etablering av overflatemodell for grunnvannsmating (SINBAD) Etablering av grunnvannsmodell (MODFLOW) Etablering av spredningsmodell (MT3D) Karakterisering av forurensning C > 1 x grenseverdi: høy C > 3 x grenseverdi: meget høy C > 10 x grenseverdi: svært høy Begrensning av modellområde kjente geologiske barrierer eller avgrens-ninger (fjell, tette masser) kanalen overgang mellom naturlig grunn og fylling MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

19. Forurensningsanalyse Etablering av overflate- modell Modellen skal gi best mulig inngangsdata om infiltrasjon (grunnvannsmating) til grunnen Bygger på registrering av: temperatur nedbør Beregner: overflateavrenning fra regn og snøsmelting snøakkumulering fordampning infiltrasjon til grunnen Inndeling i 6 overflatetyper Inndeling i ruter 10 x 10 m i henhold til overflate-klasse Input fra nedbør- og temperaturmålinger Grunnvannsdannelse simulert for hver 10 x 10 m rute i modellen Kalibrering utført basert på meteorologiske målinger fra DNMI og vannbalansestudie for Mo i Rana. MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

20. Forurensningsanalyse Etablering av grunnvannsmodell Bygger på: grunnforhold observert grunnvannstand og nivåmålinger i kanalen data om grunnvannsmating (overvannsmodell) Grunnforhold: terrengnivå, laggrenser og jordarter i grunnen permeabilitet porøsitet modellen tar ikke hensyn til umettet strømning i lag over grunnvannsspeilet Grunnvannstand observasjon i brønner og piezometre innvirkning fra tidevann og vannstand i kanalen drensledninger og kulverter Kalibrering av modell justering av permeabilitet i samsvar med grunnforhold til tilstrekkelig nøyaktighet oppnås ( 0.25 m) verifikasjon av modellen med sammenligning over tid bør gjennomføres MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

21. Forurensningsanalyse Nytte av grunnvannsmodellen Gir mulighet for å studere strømningsveger ved hjelp av hastighetsvektorer (fart og retning) hastighetsvektorer er beregnet på grunnlag av stasjonær grunnvannstand og midlere grunnvannsmating Grunnvannsmodellen benyttes sammen med spredningsparametre for å anslå hvor fort forurens-ninger spres på tomta Gir grunnlag for plassering av punkter for vannprøvetaking og eventuelt sporstofforsøk Virkning av større inngrep som masse-utskifting, graving etc. på grunnvannstrøm kan illustreres Modell må kalibreres med målinger av grunnvannstand og poretrykk i enkeltpunkter påvirkes av lokale variasjoner i grunnforhold MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

22. Forurensningsanalyse Etablering av spredningsmodell Modellen skal simulere foru-rensningstransport i området og benyttes ved planlegging av tiltak. Bygger på kunnskap om : forurensningskilder, plassering/konsentrasjon endring i forurensningssituasjon over tid - i kilder og på området spredningsparametre Input fra grunnvannsmodell: midlere porevannshastighet og retning Informasjon om forurensningskilder kjemisk analyse av opphentede vannprøver informasjon fra tidligere undersøkelser Valg av forurensnings-stoffer for simulering kunnskap om uhell og lekkasje foreliggende måleresultater muligheter for simuleringer Presentasjon i konsentrasjonskart MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

23. Forurensningsanalyse Nytten av en spredningsmodell Anvendelig hjelpemiddel for å støtte overvåkings-programmet på Koksverktomta Modellen kan være til stor hjelp ved planlegging av sikringstiltak Forankring i en lokal grunnvannsmodell er en stor styrke for spredningsmodellen Modellen kan benyttes til partikkelsporing, som viser banen forurensningen tar fra en kilde Partikkelsporing kombinert med forurensingskart kan benyttes til å lokalisere mulige kilder og eventuelt frikjenne områder for kildebeliggenhet Spredningsmodellen kan omarbeides til å være gyldig for andre forurensingsagenter i de som inngår i dette studiet Transportmodellen kan indikere om det er andre og viktigere prosesser enn transport av forurensning løst i grunnvannet MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

24. Forurensningsanalyse Oppsummering av resultater fra spredningsmodell Forurensningstransport i kanalen kan skyldes andre mekanismer enn forurensing løst i grunnvann Tilfang fra ukjente deponier mulig årsak til avvik mellom simulert og målt forurensing Transportmodellen er bare grovt kalibrert for Cu og Ar, m.a.o. stor usikkerhet i simulert forurensnings-transport De største usikkerheter i analysene er: Simulerte porevannshastigheter Bestemmelse av dispersivitet og geokjemiske parametre Forurensingskilder - usikkerheter i lokalisering og konsentrasjon Forurensingskonsentrasjon mellom målepunktene MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

25. Forurensningsanalyse Kalibrering av spredningsmodell (stoffer løst i grunnvannet) Spredningsmodellen må kalibreres for hver forurensningstype krever data om konsentrasjonen fra to prøvetakinger sammenligning mellom simulert og observert konsentrasjon justering av spredningsparametre til samsvar oppnås stoffenes retardasjons-egenskaper må vurderes Kalibrering på Koksverktomta problematisk: Kun delvis kartlagte forurensningskilder Vanskelig å bestemme kildekonsentrasjon og utbredelse av kjente kilder Stor spredning i resultater fra kjemiske analyser (tid - sted) Liten mobilitet av enkeltstoffer (Cu, benzopyren), grunnvanns-transport ubetydelig Enkeltstoffer er kun knyttet til partikler MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

26. Forurensningsanalyse Viktige resultater Konsentrasjon i forurensning er stort sett sammenfallende med områder for kjente deponier Enkeltbrønner viser stor variasjon i konsentrasjoner over tidgrunnundersøkelser på tomta. Mulige årsaker: nedvasking av forurensning fra umettet sone transport av forurensning knyttet til små partikler forstyrrelse i eksisterende deponier prøvetakingsprosedyrer Raske endringer i konsentrasjon skyldes ikke transport av foru-rensning som er løst i grunnvannet Ingen sammenheng påvist mellom grunn-vannstand/surhetsgrad og konsentrasjon av forurensning MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning

27. Forurensningsanalyse Supplerende arbeid Sporstoffundersøkelser for informasjon om reell vannstrømning på tomta Måling av grunnvannstand og vann-nivå i kanalen må utføres jevnlig for å kunne vurdere endringer over tid Gravarbeider og inngrep må logges og følges opp for å kunne vurdere effekt på vannstrømning Vurdering av spredning via små partikler (kolloider) Effekt av overvannsavrenning bør undersøkes, spesielt for forurensingssituasjonen i kanalen Det vil være nyttig å utarbeide periodekart, som viser forurensingsstatus for tomta på ulike trinn i utviklingen Prøvetaking i perioder med jevn nedbør bør gjennomføres for å undersøke effekten på forurensingsrtransporten Systematisk gjennomgang av konsentrasjonsmålinger prøvetaking lagring analysemetoder værforhold sammenheng med aktiviteter på tomta analysemetoder i laboratoriet MiljøgeoteknikkKoksverktomta - Spredning av forurensning