Development of hydrochemistry and flow pattern in an infiltration

Development of hydrochemistry and flow pattern in an infiltration

Development of hydro chemistry and flow
pattern in an infiltration aquifer during a ten
week pumping test.
Case of the Hagadrag aquifer,
Telemark Norway.
Av Tom Aage Aarnes
Bakgrunn 1
• Bø kommune begynte for noen år tilbake
prosessen med å utvide vannverket fra 3 til 4
brønner, blant annet på grunn av et økende
jern- og manganproblem i de to eldste
brønnene.
• Høgskolen i Telemark ble engasjert i
planlegging og prosjektering av en fjerde
brønn på Bø kommunes grunnvannsverk på
Hagadrag mellom Bø og Seljord.
Bakgrunn 2
• Etableringen av brønn 4 og påfølgende
pumpeforsøk danner grunnlaget for denne
masteroppgaven i hydrogeologi.
• Oppgaven består i å undersøke utvikling i
vannkvalitet i brønn 4, Bøelva og 6
observasjonsbrønner gjennom et
pumpeforsøk, samt å modellerer
strømningsmønsteret inn mot pumpebrønn 4.
Målsetninger
• 1. Å avdekke eventuelle endringer i vannkjemi
i løpet av pumpeforsøket, og finne ut om det
er ulik vannkvalitet i ulike deler av akviferen
• 2. Å modellere strømningsmønsteret rundt
brønn 4.
Hypotese
1. Vil endring av strømningsmønster på grunn
av grunnvannsuttak forandre vannkjemien
over tid?
2. Er det horisontale og vertikale forskjeller i
akviferen med hensyn på vannkjemi?
Studieområde 1
Studieområde 2
Seljord
6
3
RV. 36
4
2
5
1
Bø
Aktiviteter i forkant av pumpeforsøket
1
• Bø kommunes brønn 4 ble etablert sommeren
2011.
• Denne er 30cm i diameter og har filter som
strekker seg fra 7- 22 meter under
markoverflata.
Aktiviteter i forkant av pumpeforsøket
2
• 6 observasjonsbrønner ble satt ned i august
2011, med filter i 3 nivå.
• Jordprøver til mekanisk analyse ble innsamlet
for hver hele meter da observasjonsbrønnene
ble borret.
Aktiviteter i forkant av pumpeforsøket
3
Feltarbeid 1
• Brønn 4 hadde oppstart 12.09.11, og ble
pumpet for mellom 111 og 160m3/t, avhengig
av senkinga i brønnen. Steady state ble
oppnådd på 115m3/t.
• Vannprøver fra observasjonsbrønnene,
pumpebrønn 4 og Bøelva ble samlet inn en
gang ukentlig fra og med 01.09.2011
(referanseprøver) til og med 14.11.2011.
Materiale og metoder 1
• 25 fysisk/ kjemisk og bakteriologiske
parametere ble analysert i henhold til NS eller
ISO- standarder.
• pH, temperatur og ledningsevne ble analysert
in situ.
• De resterende analysene ble gjennomført på
laboratoriene for vannkjemi, mikrobiologi og
jord ved Høgskolen i Telemark avdeling Bø.
Materiale og metoder 2
• Loggere av typen Minidiver fra Schlumberger
Water Services ble plassert i brønnene og i
Bøelva. Disse er designet for å måle temperaturer
og vannivå i overflatevann og grunnvann. Disse
ble programmert til å logge temperatur og trykk
hver time.
• Loggeren består av en trykksensor for måling av
vannstand, en temperatursensor og et minne
for å lagre målingene samt et batteri.
Materiale og metoder 3
• MD50 og d60/ d10 ble benyttet for å kartlegge
kornfordeling og sorteringsgraden i
jordprøvene.
• Minitab og Analyse- It blir benyttet for ulike
statistiske tester.
• ArcGis blir anvendt for å kartlegge
strømningsmønsteret rundt pumpebrønn 4.
Resultat 1
Pearsons produkt-moment korrelasjonsmatrise for alle prøver. Fet skrift angir R > 0,4.
pH
Ca
Mg
Na
K
pH
1,000
Ca
0,556
1,000
Mg
0,464
0,876
1,000
Na
0,273
0,681
0,680
1,000
K
0,557
0,848
0,743
0,646
1,000
SO42-
Cl-
HCO3-
NO3-N
TOC
Mn
Fe
Cu
Zn
NH4+
N- tot Turbidity Color
-0,030
0,217
0,468
0,448
0,145
1,000
Cl-
0,166
0,630
0,548
0,926
0,591
0,247
1,000
HCO3-
0,584
0,921
0,826
0,461
0,795
0,154
0,353
1,000
NO3-N
0,371
0,469
0,529
0,532
0,321
0,452
0,379
0,395
TOC
0,176 -0,161 -0,287 -0,280 -0,092 -0,497 -0,185 -0,156 -0,242
Mn
0,391
Fe
0,028 -0,122 -0,116 -0,109 -0,055 -0,003 -0,128 -0,100 -0,079
0,202 -0,028
1,000
Cu
0,161 -0,148 -0,039 -0,049 -0,052
0,057 -0,138 -0,141 -0,016
0,070
0,153
0,220
1,000
Zn
0,242
0,119
0,162
0,165
0,166
0,150
0,081
0,112
0,142 -0,090
0,260
0,188
0,457
1,000
NH4+
0,189
0,216
0,221
0,376
0,373
0,027
0,359
0,128
0,119
0,018
0,109
0,099
0,076
0,307
1,000
N- tot
0,145
0,104
0,042
0,132
0,124
0,059
0,045
0,152
0,270
0,001
0,085
0,216
0,020
0,144
0,018
1,000
-0,037 -0,092 -0,200 -0,158 -0,033 -0,279 -0,121 -0,008 -0,168
0,088
0,047
0,103 -0,019
0,128 -0,018
0,196
1,000
SO42-
Turbidity
0,513
0,430
0,264
0,423
0,097
0,246
0,492
O2
1,000
1,000
0,134 -0,047
1,000
Color
0,203 -0,139 -0,254 -0,217 -0,085 -0,404 -0,155 -0,140 -0,164
0,906 -0,118
0,297
0,070 -0,025
0,035
0,098
0,055
1,000
O2
0,320
0,129
0,098
0,077
0,144 -0,031
0,057
0,081
0,223
0,322
0,102
0,177
0,067
0,164
0,117 -0,072
0,370
1,000
COND
0,475
0,903
0,846
0,863
0,802
0,755
0,776
0,511 -0,266
0,471 -0,110 -0,072
0,164
0,259
0,157 -0,129 -0,224
0,084
0,394
COND
0,050
1,000
Resultat 2
• pH hadde en sterkt avtagende trend gjennom
eksperimentet i alle observasjonsbrønnene,
mens den var stigende i Bøelva. Pumpebrønn
4 viste en liten økning.
Resultat 3
• Konsentrasjonene av klorid begynte å øke på i
slutten av oktober, i første rekke i brønnene
nærmest riksvegen. De høyeste
konsentrasjonene ble målt den siste uka i
forsøket.
• Kloridkonsentrasjonene var høyest i de øvre
delene av akviferen, mens de nederste
nivåene viste liten endring.
Resultat 4
Resultat 5
Resultat 6
Resultat 7
Resultat 8
• Det er god sammenheng mellom Na+ og Cl- på
prøvene med forhøyede kloridverdier.
70,00
y = 3,487x - 7,2852
R² = 0,9438
60,00
50,00
40,00
Serie1
30,00
Lineær (Serie1)
20,00
10,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Lineær regresjon for natrium og klorid, Obs 6.
Resultat 9
• Generelt meget bra kvalitet på råvannet i pumpebrønn
4.
• pH og Cu viste signifikant lavere verdier i uke 10 enn i
referanseprøvene.
• Konsentrasjonene av Cl- og NH4+ var signifikant høyere i
uke 10 enn i referanseprøvene.
• Konsentrasjonene av Fe2+ og Mn2+ var generelt lave, og
viste ingen spesifikk utvikling over tid.
• Pumpebrønn 4 hadde sporadiske forekomster av
kimtall og koliforme bakterier, mens E. coli ikke ble
påvist annet enn i Bøelva og nærliggende
observasjonsbrønner.
Diskusjon 1
• Lavere pH utover i forsøket kan skyldes økt CO2innhold i grunnvannet fra rotrespirasjon og
nedbryting av organisk materiale.
• Økt konsentrasjon av natrium og klorid fra
oktober sammenfaller med frostnetter og starten
på sesongens veisalting av RV36, men avstanden
fra veien tilsier at plumen burde komme senere.
-Årstidsvariasjoner og flere plumer gjennom året
som ikke skyldes rask respons fra salting?
Diskusjon 2
• Lavere konsentrasjoner av jern og mangan kan
ha sammenheng med at pumpebrønn 4 med
observasjonsbrønner, ligger lengre fra
Herretjønn enn de to eldste pumpebrønnene.
• Dette tjernet er omkranset av myr, noe som
ofte fører til forhøyede konsentrasjoner av
jern og mangan i vannet i nærheten av slike
lokaliteter.
Diskusjon 3
• Observasjonsbrønnene nærmest elva virker å
være påvirket av Bøelva i form av høyt fargetall,
høy turbiditet, høyt fargetall og en del bakterier.
• Observasjonsbrønnene nærmest hovedveien har
høyere innhold av sterksyreanioner og
basekationer, noe som tyder på lengre kontakttid
med sedimentene.
• Pumpebrønn 4 har karakteristika som tyder på at
vannet i brønnen består av både infiltrert
elvevann og grunnvann med lengre oppholdstid.
Diskusjon 4
• Nedbryting av plantemateriale kan være en
kilde til økte ammoniumverdier mot slutten av
forsøket i forhold til referanseprøvene.
• En annen mulig kilde er muligens et toalett
inne på anleggsområdet i grustaket.
Konklusjoner
• En endring av strømningsmønsteret ser ikke ut til
å påvirke vannkjemien på Hagadrag.
• Endringene i pH, Cl-, Cu og NH4+ ser ut til å
skyldes andre faktorer.
• Det er ulik vannkvalitet i akviferen, og
endringene øker med økt avstand fra Bøelva og
endrer seg med dypet.
• Veisalt påvirker akviferen i ulik grad i ulike
områder av akviferen, mest nære veien og i de
øvre lagene.