Contaminant transport in groundwater : A comparison of models

This thesis compares different methods for risk assessment of a creosote contaminated site in Vansbro, Dalarna. In a complementary study the importance of using representative data for calibration and validation of stationary groundwater models is discussed. The time dependency between surface water levels and groundwater levels on the site in Vansbro is evaluated by step response analysis. The results show that the groundwater levels reflect only long-term variation in the surface water levels. Hence the use of such long-term means for calibration and validation of the stationary groundwater models is the only theoretically defendable alternative. As a first step in the comparison of risk assessment methods the degree of contamination is evaluated on the basis of generic guideline values for contaminated soils, developed by the Swedish Environmental Protection Agency. The guidelines specifically developed for contaminated petrol stations are also taken into consideration. Secondly, a site-specific evaluation is carried out. The transport of contaminants from the soil to the on-site groundwater and nearby surface water is calculated using the mathematical models behind the aforementioned guideline values. The calculated groundwater concentrations show a poor agreement with observed data and the thesis points out several possible explanations of this deviation. A sensitivity analysis is carried out and the influence of biodegradation during the transport in the aquifer is evaluated. The results indicate that the deviation between observed and calculated groundwater concentrations cannot be explained by the absence of biodegradation in the mathematical models, but rather by other simplifications and uncertainties in estimated model parameters. Finally, a risk assessment is made on the basis of observed groundwater concentrations instead of observed soil concentrations as in the assessments above. Observed groundwater concentrations are compared with guideline values for groundwater on contaminated sites. The risk of negative environmental effects in the surface water is evaluated based on the estimated inflow of contaminated groundwater and its concentration of contaminants. The inflow is estimated from the interpolation of observed groundwater levels as well as with two numerical groundwater models of varying hydrogeological complexity: a three-dimensional flow model developed in Visual MODFLOW and a two-dimensional flow model developed in TWODAN. The models are compared with respect to the calculated inflows of contaminated groundwater into the surface water body as well as their ability to reproduce observed groundwater levels. The results indicate that the differences between the models, with respect to the calculated inflows, are of lesser importance to the risk assessment in comparison with the uncertainties associated with other parameters. The choice to base the assessment on observed contaminant concentrations in either the soil or the groundwater is shown to be of crucial importance.I detta examensarbete jämförs olika metoder att bedöma de hälsomässiga och miljömässiga risker som föreligger med ett kreosotförorenat markområde i Vansbro, Dalarna. I en kompletterande undersökning belyses vikten av att stationära grundvattenmodeller kalibreras och valideras mot tidskompatibla indata. Tidsberoendet mellan yt- och grundvattennivåer på området i Vansbro studeras genom stegsvarsanalys. Resultaten visar att grundvattennivåerna på området anpassar sig mycket långsamt efter rådande ytvattennivåer. Grundvattennivåerna återspeglar således medelvärden av ytvattennivåerna över en mycket lång tidsperiod. Därför är användandet av sådana medelvärden för kalibrering och validering av modellerna det enda teoretiskt försvarbara alternativet. Som ett första steg i jämförelsen mellan olika riskbedömningsmetoder utvärderas föroreningssituationen baserat på uppmätta föroreningskoncentrationer i jorden och med hjälp av Naturvårdsverkets generella samt branschspecifika riktvärden för förorenad mark. Därefter genomförs en platsspecifik riskbedömning. Föroreningstransporten från markområdet till grundvattnet samt till ett närbeläget ytvatten beräknas med de matematiska modeller som användes av Naturvårdsverket vid framtagandet av ovannämnda riktvärden. Beräknade grundvattenkoncentrationer jämförs med uppmätta koncentrationer och resultaten visar på stora avvikelser. En känslighetsanalys utförs och inverkan av biologisk nedbrytning i akviferen utvärderas. Resultaten tyder på att avvikelsen mellan uppmätta och beräknade grundvattenkoncentrationer ej förklaras av att biologisk nedbrytning inte beaktas i modellerna utan att avvikelsen härrör från andra förenklingar och från osäkerheter i indata. Slutligen genomförs en platsspecifik riskbedömning, motsvarande den ovan, men denna gång utifrån uppmätta föroreningskoncentrationer i grundvattnet. De uppmätta grundvattenkoncentrationerna jämförs direkt mot Naturvårdsverkets riktvärden för grundvatten på förorenade områden. Risken för negativa ekologiska effekter i ytvattnet utvärderas utifrån det beräknade inflödet av förorenat grundvatten samt dess koncentration. Inflödet beräknas överslagsmässigt utifrån interpolerade grundvattennivåer samt med två numeriska grundvattenmodeller av olika hydrogeologisk komplexitet: en tredimensionell flödesmodell uppbyggd i Visual MODFLOW och en tvådimensionell modell uppbyggd i TWODAN. Grundvattenmodellerna jämförs med avseende på det beräknade inflödet och med avseende på deras förmåga att beskriva observerade grundvattenförhållanden.Resultaten tyder på att skillnaden i det, med de olika metoderna, beräknade inflödet är av liten betydelse för riskbedömningen i förhållande till osäkerheter förknippade med övriga parametrar. Störst betydelse för riskbedömningen får valet att utgå från uppmätta föroreningskoncentrationer i antingen jorden eller grundvattnet