Opgradering af JAGG til version 2.0 Umættet zone – hvad kan JAGG nu ?

Opgradering af JAGG til version 2.0

Umættet zone – hvad kan JAGG nu ?

Ekspertisechef, Civilingeniør Anders G. Christensen (NIRAS)Peter Kjeldsen, Philip Binning & Mads Troldborg (M&R DTU)

ATV Jord og Grundvand. Møde d. 16. juni 2010

Beskrivelsen af den vertikale transport i den nuværende version af JAGG er mangelfuld:

Antager kun transport i vandfasen

Transport i gasfase er væsentlig for flygtige stoffer

Medtager ikke nedbrydning

Inkluderer ikke transport i sprækkesystemer

Behov for revision af JAGG’s modul til beskrivelse af vertikal transport til grundvandet

Baggrund

Projektmål og overordnet inddeling i faser

Udgangspunkt i 4 overordnede konceptuelle modeller

Opstille matematisk formelgrundlag til beregning af vertikal transport fra øvre jordlag til førstkommende grundvandsmagasin

Anvendelig i forhold til et screeningsværktøj

Fokus på både stationære og transiente løsninger

Projekt opdelt i 3 faser

Litteraturstudie mhp. at identificere væsentlige processer og parametre samt mulige matematiske modeller

Fastlæggelse af indgående beregningsparametre samt eksempelberegninger på konkrete sager

Implementering i Excel

Rapportering af projektet

Samlet rapport der gennemgår :

- teori omkring spredningsprocesser i den umættede zone - eksisterende risikovurderingsværktøjer - stoftransportligninger og mulige analytiske løsninger - betydningen af 1D beregningskoncept vs. fuld 3D - forslag til nye beregningsmetoder

EXCEL implementering og test af de nye beregningsformler

Nyt kapitel der beskriver en faseopdelt procedure for risikovurderingen i den umættede zone (parallel til det eksisterende trinvise koncept for grundvand)

Revision af de eksisterende Appendikser:

5.6 Risikovurdering af grundvand (nye beregningsformler)

5.7 Eksempler på konkrete risikovurderinger (4 nye eksempler)

5.8 Standarddata til brug ved beregninger (nyt afsnit om 1-ordens nedbrydningsrater)

Model A: Transport gennem homogen vandmættet ler

Væsentlige processer

Advektion i vand

Diffusion/dispersion i vand

Sorption

Nedbrydning

Gastransport kan negligeres

Analytiske løsninger i 1D og 3D er testet og 1D er implementeret i den nye EXCEL model

Model B: Transport gennem vandmættet sprækket ler

Særlig relevant i DK (40% er dækket af moræneler)

Væsentlige processer

Advektion i sprækker

Diffusion ind i matrix

Sorption og nedbrydning

Kompliceret af modellere

Analytisk løsning (1D) identificeret og er programmeret i EXCEL

GEO & DTU har arbejdet videre med problemstillingen i to separate projekter for hhv. VJ og MST.

Væsentlige processer

Advektion i vand

Dispersion i vand og gas

Sorption og nedbrydning

Analytiske løsninger i 1D (Unlu og Dominico) og 3D (Wexler) er identificeret og programmeret i EXCEL. 1D model implementeret i den nye EXCEL model

Ligesom den for Model A, men tager højde for umættede forhold

Model C: Transport gennem umættet ler og sand

Model C. 1D transport med variabel vandmætning, 1-ordens nedbrydning i vandfasen og diffusion i gasfasen

tRD

utzRerfc

D

zuv

tRD

utzRerfc

D

zuvCtzC

Tz

T

z

w

Tz

T

z

ww

22

)(exp

22

)(exp

2),( 0

2/1

2

41

w

zw v

Dvu

hvor

Cw: koncentration i vandfasen [ML-3],z: vertikal afstand under forureningskilden [L],t: tid [T]C0: kildestyrkekoncentration [ML-3],vw: porevandshastighed [LT-1],Dz: langsgående dispersionskoefficient [L2T-1]: 1.-ordens nedbrydningsrate [T-1]RT: total retardationskoefficient [-]erfc(x) komplimentære error funktion

z

wzw

D

vDzvCzC

2

/411exp)(

2

0

Transient

Stationær

Nye

parametre

Nedbrydningsraten (λ). I udtrykket for DZ indgår en vertikal dispersivitet α

Kan programmeres i EXCEL

Hjælpeværktøj til vurdering af horisontal spredning

Relevant hvor infiltration af nedbør er begrænset (fx under bygninger)

Ikke beskrevet i nogen eksisterende værktøjer

Væsentlige processer

Diffusion i gas

Nedbrydning og sorption

Analytiske løsninger identificeret og programmeret i EXCEL – men uden nedbrydning og kun 1D horisontal transport

Model D: Horisontal og vertikal spredning af flygtigt stof

Nyt eksempel 4. Brug af model A til beregning af benzen transport gennem homogent vandmættet ler til et under-liggende sandmagasin

Der er påvist en forurening med benzin. Forureningen dækker et areal A på ca. 5x5 m og forureningen findes fra terræn og ned til ca. 3 m u.t. Ved ligevægt mellem benzin og nedsivende porevand kan der forventes en max. porevandskoncentration af benzen på ca. 50 mg/l og sum BTEX på ca. 130 mg/l. Baseret på de sammenstillede 1.-ordens aerobe nedbrydningsrater vurderes værdier i intervallet 0,001-0,0001 (d-1) at være realistiske for anaerobe forhold. Værdien λ =0,001 (d-1) svarer til den anførte anaerobe nedbrydningsrate for benzen i den eks. tabel 2, afsnit 6, Appendix 5.8.

0

1

2

3

4

5

6

7

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

Koncentration (mg/l)

Dyb

de

(m)

1 År

2 År

5 År

10 År

20 År

30 År

50 År

Stationær

0

1

2

3

4

5

6

7

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

Koncentration (mg/l)D

ybd

e (m

)

1 År

2 År

5 År

10 År

20 År

30 År

50 År

Stationær

Uden nedbrydning (λ=0 d-1)

Med nedbrydning (λ=0.001 d-1) fås 130 ug/l ved grundvandet

Nyt eksempel 6. Brug af model C til beregning af den vertikale spredning af PCE fra en terrænnær kilde i den umættede zone og til det underliggende grundvand

Der er påvist en forurening med PCE. Forureningen dækker et areal A på ca. 5x5 m og forureningen findes fra terræn og ned til ca. 5 m u.t. I vandprøver fra moræneleret er der målt PCE op til 100 mg/l.

Transporten fra bunden af forureningen og gennem den umættede zone til grundvandet 20 m u.t. beregnes.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 100 120

Koncentration i porevandet (mg/l)

Dyb

de

(m)

1 Måned

1 År

5 År

10 År

30 År

100 År

200 År

Stationær

Figur 2. Vertikalt koncentrationsprofil for PCE i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og dybder under kildeområdet.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000

Koncentration i porevandet (mg/l)

Dyb

de

(m)

1 Måned

1 År

5 År

10 År

30 År

100 År

200 År

Stationær

Figur 3. Vertikalt koncentrationsprofil for PCE i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og dybder under kilden (Bemærk logaritmisk x-akse).

Nyt eksempel 7. Brug af model D til beregning af den horisontale spredning af PCE fra en kilde i den umættede zone

Ingen infiltration

Ingen nedbrydning af PCE

Koncentration i porevandet sat til 100 mg/l i kilden og

til 0 mg/l i afstanden 100 m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Afstand fra kilden (m)

Po

reva

nd

sko

nce

ntr

atio

n (

mg

/l) 1 måned

1 år10 år30 årStationær

Figur 2. Horisontalt koncentrationsprofil for PCE i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og for stationære forhold.

Nyt eksempel 5. Brug af model C. Beregning af den vertikale spredning af benzen fra en terrænnær kilde i den umættede zone og til det underliggende grundvand

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Koncentration i porevandet (mg/l)

Dyb

de

(m u

.t.)

1 Måned

0.5 År

1 År

5 År

10 År

30 År

50 År

Stationær

Figur 3. Vertikalt koncentrationsprofil for benzen i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og til stationære forhold er opnået. λ =0,01 (d-1).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Koncentration i porevandet (mg/l)

Dyb

de

(m u

.t.)

1 Måned

0.5 År

1 År

5 År

10 År

30 År

50 År

Stationær

Figur 2. Vertikalt koncentrationsprofil for benzen i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og til stationære forhold er opnået. Uden nedbrydning (λ =0).

Fyringsolie 0-3 m u.t.

Der er påvist en forurening med fyringsolie. Forureningen dækker et areal A på ca. 5x5 m og forureningen findes fra terræn og ned til ca. 3 m u.t. Det kritiske stof i forhold til grundvandet vurderes at være benzen. Indholdet af benzen i det nedsivende porevand vurderes at være 0,5 mg/l. Der vurderes at være aerobe forhold i den umættede zone. Værdien λ =0,01 (d-1) svarer til den anførte mindste aerobe nedbrydningsrate for benzen (angivet som gruppen BTEX der inkluderer benzen) i tabel 1, afsnit 7, Appendix 5.8.

Flux: 2,5 g/år og Cu= 500 ug/l

Flux: 0,025 g/år og Cu= 1 ug/l

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Koncentration i porevandet (mg/l)

Dyb

de

(m u

.t.)

1 Måned

0.5 År

1 År

5 År

10 År

30 År

50 År

Stationær

Figur 4. Vertikalt koncentrationsprofil for benzen i porevandet beregnet til forskellige tidspunkter og efter stationære forhold er opnået. λ =0,001 (d-1).

Flux: 0,43 g/år og Cu= 86 ug/l

Nyt eksempel 5. Forslag til faseopdelt risikovurderings koncept.

Opdeling af risikovurderingen i 3-faser der afspejler den mængde data der er til rådighed (analog til trin 1-3 for grundvand)

Beregning af C1 efter opblanding i toppen af magasinet

Fase 1. Forureningens type og afgrænsning kendt. Der regnes ikke med nedbrydning. Hvis C1>kriterie er der risiko. Der kan enten iværksættes afværge, trin 2 i grundvands proceduren kan gennemføres eller det kan forsøges at udbygge datamaterialet og gennemføre fase 2.

Fase 2. Forudsætninger for aerob nedbrydning er undersøgt nærmere. Der kan regnes med en konservativ rate. Hvis C1>kriterie er der fortsat risiko. Der kan enten iværksættes afværge, trin 2 i grundvands proceduren kan gennemføres eller det kan forsøges at gennemføre en fase 3 med monitering og kontrol.

Fase 3. Monitering og kontrol. Der indsamles data til vurdering af om der er stationære forhold og til beregning af 1. ordens aerobe rater. Hvis det kan sandsynliggøres at restforureningen ikke i fremtiden vil give anledning til en overskridelse af kriterierne kan moniteringen indstilles.