Modellering av flöden och transport av föroreningar i bergsprickor : Fältstudie

Drinking water contamination is a big concern in Sweden and is commonly traced back to being waste from former manufacturing industrial sites. Pollutants in the topsoil can be remediated by several techniques, such as decontamination or excavation but the toxins already enclosed in the bedrock cannot be treated the same and is harder to track possible contaminant pathways. To gain knowledge of modelling fluid flow and solute transport in the bedrock is therefore highly crucial to detect any safety risks. Not only for drinking water safety but also to understand possible reservoir storage or to store disposals from radioactive waste. For this study, high levels of chlorinated solvents have been measured at a former industrial plant manufacturing electronic products, where the prominent chemicals are PCE and its degradation products. The soil will be remediated from the site, but the remaining question is if the contaminants can be further transported in the bedrock fractures to a drinking water source for the municipality. The lake is located approximately 4km from the site and will take too much time and computational effort to run the model. Instead, this study will focus on a small-scale model estimating a suitable distance from the source where additional boreholes can be placed. The model will have a size of 455 x 436 x 38m and the study will be divided into three main tasks; improve understanding of the fracture geometry by statistical analyses of the measured fractures in the study area, build and run a groundwater flow model representing the study area, investigate possible pathways of contaminant transport in the fracture networks and analyze the impact of geological features. The methodology is divided into several parts. First, statistical analyses of the fractures will be done using the software FracMan version 8.0, which will act as a foundation of the DFN model. Next part includes calibration of the model and generation of fracture network based on the statistical analysis. The last part includes flow and transport simulations using the application Pflotran within FracMan version 8.1. The results shows that large fracture zones affect the flow to a great extent and therefore also control the transport of contaminants in the bedrock. Because of uncertainties regarding size of the zones, additional boreholes should be placed upon their respective orientations close to the already existing boreholes to investigate their characteristics. It is also necessary to place additional boreholes randomly within the study model to detect other fracture zones and possible dominant fracture sets. The additional boreholes should be deeper than the existing ones to detect possible fracture networks further down in the bedrock. Contaminant pathways are hard to establish because of the deterministic zones that determines the flow. The scenario where no zones were included, two dominant pathways are visible, one on the upper part and one in the lower part of the model. The scenario where zones were included, one dominant pathway is visible, following the large fracture zone reaching from one borehole towards the outlet boundary. In conclusion, these results highlight the importance of doing more measurements to strengthen the basis for evaluation of pollutant transport to the nearby lake. Because of the risk of poisoning the drinking water, it is extremely important to be able to make a realistic model for contaminant transport. Since the results of flow simulations differs between different input transmissivities, next step should be to do hydraulic tests in the already existing boreholes to establish the local transmissivity for the fractures. After that, additional boreholes in the field, both on top of the measured zones close to the existing boreholes as well as boreholes randomly throughout the study area should be placed. Rent dricksvatten är en angelägenhet för alla i Sverige och för att säkerhetsställa rent dricksvatten krävs förebyggande åtgärder som kan förhindra att föroreningar tar sig till dricksvattenkällor. Dessa åtgärder kan bland annat innehålla mätningar för att spåra föroreningens ursprung och transportvägar. Ursprungen kan oftast kopplas till avfall från gamla tillverkningsindustrier. Föroreningar som spåras till matjorden kan åtgärdas genom sanering eller schaktning medan föroreningar som tagit sig ner i berggrunden inte kan behandlas på samma sätt. Föroreningars transport genom sprickor är svåra att spåra och lokalisera på grund av oförutsägbara förhållanden med olika bergarter, kvalitéer, sprickstorlek etcetera. På grund av detta är det viktigt att kunna modellera flöden och transport av lösa ämnen för att förhindra hälso-och säkerhetsrisker. Modellering av spricksystem är även viktigt för att undersöka framtidens energiextraktion från geotermisk aktivitet, eller att kunna lagra avfall från radioaktiva ämnen. Denna studie görs då det har mätts upp höga nivåer av klorerade lösningsmedel från en gammal fabrik som tillverkat elektronikprodukter, främst kemikalierna PCE och dess nedbrytningsprodukter. Mätningar har gjorts på platsen i form av tre borrningar och bergkartering. Föroreningar i jordmånen kommer att åtgärdas men den kvarstående funderingen är om de föroreningarna som redan tagit sig ner i berggrunden, kan transporteras genom spricknätverket fram till en sjö som kommunen använder som dricksvattenkälla. Sjön är lokaliserad ungefär fyra kilometer från den gamla anläggningen och på grund av den långa distansen kommer det krävas mycket lagring och beräkningskraft av den använda datorn. För att undvika detta, kommer denna studie i stället fokusera på en småskalig modell med den ungefärliga storleken 455 x 436 x 38m där syftet är att uppskatta var nya borrningar kan göras för att få fram mer information angående potentiella föroreningar och dess flyktvägar. Denna studie kommer vara uppdelad i tre huvudsakliga syften; göra statistiska analyser av data som samlats in från fält, bygga upp och köra en grundvattenmodell som representerar studieområdet, undersöka potentiella vägar för transport av föroreningar i spricksystemet samt analysera dess påverkan av geologiska egenskaper. För denna studie har metoden delats upp i flera steg. Det första steget innehåller statistiska analyser av sprickorna i området som kommer utgöra grundinformationen för spricknätverket. Detta görs i programmet FracMan version 8.0. Nästa del innehåller kalibrering av modellen samt flödes- och transportsimuleringar genom applikationen Pflotran som är installerat i FracMan version 8.1. Resultatet av flödes- och transportsimuleringarna visar att stora sprickzoner påverkar flödet i stor utsträckning och kontrollerar därför transporten av föroreningar. Storleken av sprickzonerna är svåra att bedöma då det inte finns någon mer information än det som mätts i borrhålet, där den minsta storleken är av borrhålets radie. På grund av detta lades zonerna in deterministiskt med en radie lika stor som modellen. Detta medför att resultaten över transporteringsvägar är högst bestämmande av zonerna där zonen som går mot utflödesgränsen agerar som en motorväg för föroreningar medan zonen som går mot en gräns utan utflöde agerar likt en sjö, vilket gör att partiklarna som hamnar i zonen stannar där och kan inte ta sig därifrån och fortsätta transporten. På grund av denna osäkerhet kring storleken för zonerna bör det placeras ytligare borrhål längs med orienteringen av sprickorna max 10 meter från de existerande borrhålen för att se om zonerna fortsätter eller blivit avkapade. Eftersom inga hydrauliska tester gjorts i borrhålen är det ett viktigt nästa steg för att bestämma rätt transmissivitet i sprickorna. Det är möjligt att det finns fler zoner inom området som kan bestämma flödesvägar, därför är det också viktigt att placera ut fler borrhål slumpmässigt inom området för att upptäcka fler zoner eller andra dominerande sprickorienteringar än de som hittills mätts. Alla nya borrhål bör även gå djupare än de som redan finns för att kunna upptäcka andra eventuella spricknätverk djupare ner i berggrunden. På grund av risken att kontaminera dricksvattnet är det otroligt viktigt att kunna göra en realistisk modell som representerar transporten av föroreningar. Fortsatt arbete bör därför prioritera hydrauliska tester för att bestämma transmissiviteten i spricknätverket, därefter utföra fler och djupare borrhål i området för att undersöka andra potentiella deformationer.