Modeling of pollution spread from stormwater to groundwater : A study of Norrvatten´s back up water reservoir Hammarbymagasinet

I detta arbete har studerats hur infiltration av dagvatten påverkar grundvattenkvalitén i del av stockholmsåsen som kallas Hammarbymagasinet. Hammarbymagasinet ligger i Upplands Väsby kommun norr om Stockholm och nyttjas av kommunalförbundet Norrvatten som reservvattentäkt vid eventuella störningar i den ordinarie försörjningen från Görvälnverket vid Mälaren. En befintlig anläggning som används av Upplands Väsby kommun belägen i magasinet har studerats där dagvatten infiltreras genom infiltrationsrör. Anläggningen är belägen cirka 2,5 km söder om Norrvattens uttagsbrunnar. De föroreningar som analyserades var bly, koppar, kadmium, krom, nickel, kvicksilver, PFAS, olja, PAH (polycykliska aromatiska kolväten) och benso(a)pyren. För varje förorening har ett gränsvärde använts som antingen kommer från miljökvalitetsnormer, livsmedelsverkets dricksvattenföreskrifter eller Norrvattens interna riktvärden. Första steget var att uppskatta föroreningshalterna i dagvattnet vilket gjordes med hjälp av data från StormTac’s databas. Där finns mätningar av föroreningshalter från olika markanvändningar från olika platser runt om i världen och det finns även framräknade schablonhalter. Då det är svårt att veta hur förorenat dagvattnet på den aktuella platsen är i jämförelse med mätningarna i databasen så har fler olika beräkningar gjorts för olika föroreningskoncentrationer. Först användes bara schablonhalterna, där utöver användes även en slumpgenerator där en mätning ur databasen slumpmässigt valdes 500 gånger. Utifrån simuleringarna beräknades sedan 90-percentilen för att få fram en koncentration. Mätningarna i databasen transformerades även till en normalfördelning med hjälp av Statgraphics 18, utifrån det kunde en ny 90-percentil beräknas. Transporten genom den omättade zonen uppskattades med en endimensionell analytisk ekvation som tog hänsyn till advektion, dispersion och adsorption. För att uppskatta adsorptionen användes litteraturvärden på KD-värden och KOC-värden. Denna beräkning syftade till att klarlägga tiden det tar för föroreningarna att nå grundvattnet och efter hur lång tid som koncentrationen stabiliseras. Därefter användes en annan beräkningsmodell i den mättade markzonen där hänsyn enbart togs till utspädning med det rena grundvattnet som antogs komma uppströms ifrån. Modellen saknar tidsaspekt utan beräknar den maximala halten som kan uppstå nedströms infiltrationen vid ett visst avstånd beroende på koncentrationen i det infiltrerande dagvattnet, grundvattenflödet i magasinet och storleken på den förorenade plymen. Med hjälp av modellen beräknades koncentrationen i grundvattnet vid 20, 50, 100 och 200 meter nedstöms infiltrationen. Som ett sista steg i modelleringen så användes en grundvattenmodell i mjukvaran FeFlow från DHI för att se hur partiklar rör sig i magasinet. Då släpptes partiklar ut vid infiltrationspunkten och sedan skapades partikelbanor med hjälp av random-walk och även här togs hänsyn endast till advektion och dispersion. På så vis kunde en ungefärlig transporttid till brunnarna bestämmas. Utifrån de resultat som har beräknats så är det framförallt halten av olja i grundvatten som kan komma att bli problematisk då gränsvärdet kraftigt överskrids nedströms infiltrationen enligt de beräkningar och antagande som gjorts i arbetet. Här måste dock poängteras att ingen hänsyn till rening med hjälp av befintlig oljeavskiljare har tagits vilket gör att koncentrationen i grundvattnet troligtvis överskattas. I övrigt kan mindre kvalitetsproblem lokalt nedströms infiltrationen uppstå även för bly, kvicksilver, PAH och benso(a)pyren. Dessa bedöms dock inte kunna hota magasinets funktion som reservvattentäkt. Samtidigt måste självklart hänsyn tas till övrig föroreningsbelastning av magasinet vilket inte gjorts i detta arbete.The aim of the study was to investigate how stormwater infiltration effected the groundwater quality in an aquifer placed north of Stockholm and used as an emergency water supply by the local federation Norrvatten. Therefore, it is essential that stormwater infiltration do not endanger the ability of the aquifer to be used as water supply. The studied infiltration plant contains of two pipes and is placed around 2,5 km away from the extraction wells used by Norrvatten. The contaminants that was studied were lead, copper, cadmium, chromium, nickel, mercury, PFAS, oil, PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) and benso(a)pyrene. For each contaminant, a limit of the concentration in the groundwater was set based on Swedish environmental norms (MKN), regulations of drinking water or internal limits by Norrvatten. The first step in the process was to estimate the pollution concentration in the stormwater reaching the infiltration plant. This was made by using the database of the company StormTac which contains of several measurements from different land uses. The pollution concentration was estimated in different ways, in one case the pre-defined standard concentrations were used. Then a generator was used that picked one measurement from the database and then 500 simulations were performed. Also, the measurements were transformed into a normal distribution. From both these methods the 90-percentile was calculated and used to estimate the pollution concentrations. This contributes to a more conservative way of estimating the concentrations than using the standard concentrations defined in the database. The transportation through the vadose zone was calculated using a one-dimensional analytic equation which included advection, dispersion, and sorption. The sorption was based on Kd- and KOC-values from literature. This calculation aimed to estimate the time it takes for the contaminants to reach the groundwater level and when the concentration there was stabilized. Another analytical model was used to estimate the further spreading in the groundwater zone. This model included mixture with fresh groundwater upstream. The model calculates the maximum concentration that can occur at a distance downstream from the infiltration. The concentration at 20, 50, 100 and 200 meters downstream was calculated with this model and compared with the defined concentration limits. The last step in modelling the spreading of pollution was particle tracking in a groundwater model in the software FeFlow from DHI. Particles were released at the place of infiltration and then forward particle tracking were made using Random-Walk, in the model advection and dispersion was included. From the results approximate travel times to the wells could be decided. From the results in the study the concentration of oil gives most rise to concern. The concentration heavily exceeds the limit in groundwater at all the four distances. However, purification with oil separator has not been included in the study and the concentration in the infiltrated stormwater most probably considerably lower than the used value. Some local quality problems appear for lead, mercury, PAH and benso(a)pyrene at a maximum distance of 100 meter downstream of the infiltration plant. Of course, attention must also be payed to other sources of contamination which has not been included in this wor