| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Undersøgelsesprogram for grundvandsforurening

Bilag 2. Modellering af scenarier

Opstillingen af retningslinier for undersøgelsen af grundvandsforureninger ved servicestationer understøttes af modelsimuleringer. Ideen med disse simuleringer er at belyse spredningen af grundvandsforurening i en række situationer. Modelsimuleringerne skal afdække en række kombinationer af:

• Spildformer – og varighed
• Forskellige geologiske forhold (scenarier)
• Forskellige transportscenarier (variation af parametre – dispersivitet, sorption og nedbrydning) til belysning af indvirkning af variation i geologiske og geokemiske forhold.

Der er udvalgt en række simuleringer, som menes at afdække de mest sandsynlige variationer i ovennævnte parametre. De spredninger, som opnås ved de forskellige simuleringer, kan benyttes til at støtte ved anbefaling af placeringen og filtersætningen af boringer ved undersøgelser og til at belyse konsekvensen af ændringerne i ovennævnte forhold.

Scenarier

Der er gennemført simuleringer for forskellige geologiske scenarier som gengivet i Tabel 2A. Simuleringen i grus med gradient 5 ^o/_oo (sim. no. 6) er dog udeladt, da grundvandshastigheden i dette scenarium ikke anses for realistisk. De hydrauliske ledningsevner, som er listet i tabellen, skønnes at afdække et rimeligt udsnit af de geologiske forhold, som vil kunne påtræffes i undersøgelser af øvre magasiner i Danmark. Spredninger for øvrige geologiske konfigurationer vil kunne interpoleres (evt. ekstrapoleres) fra resultaterne af de valgte scenarier. Det antages ved simuleringerne, at de geologiske formationer er homogene. Inhomogeniteter i geologien belyses ved variation af dispersiviteten i transportsimuleringer og ved angivelse af, hvilken indflydelse givne inhomogeniteter kan tænkes at have på spredningen.

Tabel 2A. Flowscenarier. Den formodede hastighed i x-retningen er estimeret ud fra gradient, Kx og en porøsitet på 0,35. Spredningen på 15 år er udregnet for sammenligning med den spredning, som findes ved simuleringerne.

Der foretages simuleringer for de givne scenarier på 2 skalaer:

1. Et modelområde på 2 km x 250 m (5 m dybde) til bedømmelse af spredningen af forureningen på større skala. Formålet er således primært at angive, hvor langt væk man kan formodes at finde forurening. Diskretiseringen i disse simuleringer (10 x 10 m x 0,5 m lagtykkelse) gør dem uegnede til at bedømme spredningen inden for mindre områder.
    
2. Et mindre modelområde 100 m x 25 m (5 m dybde) til bedømmelse af spredningen af forureningen på lokalitetsskala (diskretisering: 1 x 1 m x 0,5 m lagtykkelse).

Der foretages kun simuleringer af et øvre sekundært magasin. Udvekslingen til et underliggende primært magasin bør vurderes i det givne tilfælde. Opsætningen er for begge tilfælde et område med fastholdt trykrand opstrøms og nedstrøms og med impermeable sider, som angivet på nedenstående figur 2.A.

Figur 2.A. Skitse af modelområde.

Infiltrationen i delvist befæstede områder, som servicestationerne forventes at ligge i, er formodentlig stærkt variabel og som oftest meget lav. Der regnes derfor i disse simuleringer med en infiltration lig nul. I stedet transporteres forureningen med den ’regionale’ strømning, som fremkaldes af de påtrykte trykrande. Der er således kun horisontal strømning i modelområdet, og spredning over dybden foregår i kraft af dispersion (numerisk og fysisk). Stoffet tilføres i simuleringerne dog i form af en beskeden infiltration 0,001 mm/t (8 mm/år) i et enkelt felt tæt på den opstrøms rand. Dette er ikke et udtryk for opfattelsen af den fysiske situation, men blot den modelteknisk enkleste måde at tilføre stoffet på. Koncentrationen af alle komponenter i infiltrationen til kildefeltet sættes lig med 1 (for visse simuleringer lig med 1.000), således at de koncentrationer, der senere findes, kan betragtes som fortyndinger af den infiltrerende koncentration. Alt efter hvad fluxen af forurening er i det konkrete tilfælde, kan man regne sig frem til den fortynding, der måtte være relevant for at ramme en given koncentration i akviferen (f.eks. drikkevandskriteriet).

Dispersiviteterne, som i simuleringerne medvirker til spredningen og dermed også fortyndingen af fanerne, er fastsat ud fra ’observerede’ værdier i felten (Miljøstyrelsen, 1998b) og under hensyntagen til at de opnåede spredninger af fanerne skal overholde værdier, som er observeret ved konkrete forureninger. På grund af diskretiseringen, i særdeleshed for simuleringerne på stor skala, sker der en del numerisk dispersion af fanen, dvs. spredning af fanen som følge af at det mindste repræsenterbare volumen er 50 m³ for simuleringerne på stor skala og 0,5 m³ for simuleringerne på lille skala. De anvendte diskretiseringer er dog de mindst mulige set i forhold til en rimelig simuleringstid.

De langsgående (longitudinale) dispersiviteter (a_l) er valgt ud fra ’feltværdier’ fra Miljøstyrelsen (1998b) (Figur 2 – Appendiks 5.8). De tværgående horisontale dispersiviteter (a_th) er valgt som 1/100 til 1/1.000 af værdien for den langsgående dispersivitet, ud fra hensyntagen til opnåelse af en realistisk tværgående spredning af fanen. De tværgående vertikale (dybdeblanding) dispersiviteter (a_tv) er valgt til 1/50 til 1/200 af den tværgående horisontale dispersivitet. Disse dybdeblandende dispersiviteter giver en rimelig overensstemmelse med de opblandingsdybder, som opnås ved beregning med JAGG-modellen (Miljøstyrelsen, 1998a). De anvendte dispersiviteter kan ses i tabel 2E og 2F.

Sammensætning af spild

Benzin er en blanding af et stort antal enkeltstoffer. For at forenkle beregningerne opdeles benzin i tre hovedgrupper:

• MTBE – simuleres som enkeltstof (antages at udgøre 6 % af gennemsnitlig benzin)
• BTEX – benzen benyttes som modelstof (antages at udgøre 25 % af gennemsnitlig benzin)
• C6⁺ – øvrige komponenter i benzin tungere komponenter end C₆ (antages at udgøre 69 % af gennemsnitlig benzin).

MTBE-indholdet varierer i mellem de forskellige oktantal og inden for de enkelte oktantal. Andelen af MTBE i benzinen er opgjort ud fra et indhold på 10 % i oktan 98 og 5 % i oktan 95 og ud fra et antaget salg af de forskellige oktantyper. Fastsættelsen af denne værdi inden for det sandsynlige spænd af værdier vil ikke have den store betydning for anbefalingerne til undersøgelsesprogrammet.

De kemiske parametre, som gælder for de tre stoffer/stofgrupper, er givet i nedenstående tabel 2B. For BTEX er benzen valgt som modelstof og for de tungere kulbringer er hexan valgt som modelstof. Da der er tale om simuleringer uden stedsspecifikke oplysninger er der som udgangspunkt valgt en værdi for f_oc på 0,1 %, hvilket menes at være en rimelig værdi for det organiske kulstofindhold i den øvre del af den mættede zone. Med hensyn til nedbrydningskonstanter er det for MTBE valgt at sætte denne lig 0, for BTEX (benzen) og C6⁺ (hexan) er valgt konservative værdier.

Tabel 2B. Kemiske parametre gældende for antagne stofgrupper i benzin/diesel samt f_oc for de foretagne simuleringer. Værdier for log K_ow fra Miljøstyrelsen, 1999, nedbrydningskonstant for BTEX er estimeret fra Miljøstyrelsen (1998b) ud fra nedbrydningskonstanten for benzen som et gennemsnit mellem den laveste værdi for aerob nedbrydning og raten for anaerob nedbrydning. Raten for C6⁺ er estimeret som en tiendedel af raten for benzen.

Spildformer

Det antages, at spildet (spildene) er foregået på en af følgende to måder, eller som en kombination af disse:

• Længerevarende spild af mindre styrke – f.eks. overfladespild, utæt kloak under pladsen eller læk på olie/benzinudskiller.
• Kortere spild af større styrke – f.eks. brud på rørføringer eller tanke eller kraftige spild fra standere.

De længerevarende spild formodes p.g.a. deres beskedne styrke at kunne foregå uden at blive opdaget over en periode på adskillige år. Brud på kloak eller dårligt fungerende udskillere vil kunne opdages i forbindelse med øvrig vedligeholdelse af disse installationer. Da spredningen af MTBE er hovedproblemstillingen, formodes de undersøgte spild at kunne være begyndt i forbindelse med indførslen af MTBE som additiv omkring 1985, og at kunne være foregået op til i dag.

Varigheden og størrelsen af de kortere større spild bedømmes ud fra antagelser om opgørelser af salg og påfyldning.

Bedømmelse af spildmængder

”Længerevarende mindre spild”

Et simpelt skøn:
100 tankninger/dag x 1 ml spild/besøg x 365 d/år = 36,5 l benzin spildt per år.

Et rimeligt spænd for spild forårsaget af ’normal’ betjening af anlægget vil således ligge på 10 – 100 l/år alt efter størrelse af stationen. For denne type spild vil den frie fase ligge på jordoverfladen, og der må derfor forventes en kraftig fordampning før en evt. nedsivning. Det forudsættes således, at 50 % af MTBE og BTEX fordamper, og at 25 % af den tungere fraktion fordamper, og at resten udvaskes gennem den umættede zone til grundvandet. Der regnes ikke med tilbageholdelse af stoffer i den umættede zone. I realiteten foregår spildene formentlig primært via udsivning via utætte kloakker m.m., men det er efter bl.a. diskussion ifølgegruppen vurderet, at størrelsesordenen af sådanne spild er realistisk. De resulterende årlige tilførsler for yderpunkterne 10 og 100 l/år er gengivet i Tabel 2C.

Beregning af flux og fortynding

Ud fra de estimerede fluxe kan beregnes, hvad indløbskoncentrationen i simuleringerne burde være, og herfra hvilken fortynding af den indkommende koncentration, der kræves, afhængigt af hvilket kriterium, der ønskes overholdt i grundvandet.

Eksempel:

For at kunne balancere den egentlige flux skal koncentrationen i inddata for modellen være = 2 (kg/år) / 0,876 (m³/år) = 2,3 kg/m³. Dette er 2,3×10⁶ / 5 = 4,6×10⁵ gange højere end et kriterium på 5 mg/l, og derfor skal indløbskoncentrationen på 1 fortyndes til en koncentration på 1/4,6 10⁵ = 2,2 10^-6 for at overholde et kriterium på 5 mg/l.

Man skal således finde den linie i konturplottene, som viser en fortynding til 2×10^-6 af den oprindelige inputkoncentration på 1. Resultaterne for de påkrævede fortyndinger er gengivet tabel 2C.

Tabel 2C Angivelse af resulterende flux til grundvandet af de tre stofgrupper ved årlige spild på hhv. 10 og 100 l/år (lineær udvikling) samt angivelse af den fortynding = koncentration i simuleringsresultaterne, som skal opnås for overholdelse af krav. BTEX sammenlignes med grænseværdien for benzen på 1mg/l.

”Kortvarigt større spild”

Disse spild antages at forekomme i forbindelse med brud på rør og lignende. Det antages, at muligheden for at opdage sådanne brud, udover visuel inspektion er ved opgørelser over påfyldning og salg. Ved pejlinger af oliestand i tankene kan påregnes en måleusikkerhed på ca. 2 cm. For en 10.000 l tank af en given udformning (diameter 1,75 m, længde 4 m) svarer dette til en usikkerhed på op til 1,4 % i aflæsningen. Usikkerhed i aflæsningen vil altså kunne dække over en lækage af en vis størrelse. Det formodes dog, at et spild vil blive opdaget inden for en periode på grund af den stigende difference mellem påfyldning og salg. På grund af den større absolutte mængde i salget på større stationer vil det her være muligt at få et større udslip, før dette bliver opdaget. Der vil således være en tendens til (alt andet lige), at større stationer vil have større sandsynlighed for udslip. Estimater på de maksimale spildstørrelser for tre størrelser af servicestationer er gengivet i tabel 2D.

Tabel 2D. Maksimale spildstørrelser for 3 størrelser af servicestationer.

Ved disse kraftige spild med nedsivning af en separat benzinfase må påregnes med en vis tilbageholdelse i den umættede zone. Et typisk estimat på et residualindhold af fri fase i jorden efter infiltration af fri fase er 5 % af bulk volumen.

Det antages, at nedsivningen fra bruddet foregår over et areal på 1 m², og at der er 3 m fra spildet til grundvandsspejlet. Der vil under disse forudsætninger kunne tilbageholdes 150 l benzin i den umættede zone. De resterende mængder af fri fase fra de tre størrelser af spild vil kunne dække områder fra 8,5 til 985 m² i en tykkelse på 10 cm.

Beregning af flux og fortynding

Opløsningen af den frie fase fra de kortvarige kraftige spild i grundvandet antages at foregå ved mætning af grundvandet med benzin i de øverste 10 cm af grundvandszonen i en bredde, der modsvarer den formodede spredning af den frie fase. Med en (relativt høj) grundvandshastighed på 100 m/år, og med en indløbskoncentration på 1.000 i simuleringerne fås, at den relevante fortynding for MTBE og BTEX er 10^-6-10^-7 og for C₆⁺ 10^-3 – 10^-4 for spild på lille skala.

Varigheden af spildet sættes i simuleringer til ét år, da det formodes, at der vil være en vis responstid fra lækagen opdages og repareres (15 uger) og til undersøgelsen udføres. Varigheden af kilden inden for et spænd på 15 uger til 1 år er dog ikke af afgørende betydning for den arealmæssige udbredelse af kilden over en simuleringstid på 1 år (verificeret ved simulering).

Simuleringer

Inputparametrene for de forskellige transportsimuleringer på lille skala er givet i nedenstående tabel 2E og resultaterne af simuleringerne i form af konturplots er givet i slutningen af bilaget.

Der er foretaget en vurdering af effekten af påsætning af en infiltration på 100 mm/år i hele modelområdet (undtagen kildefeltet) i to af opsætningerne. Den ene opsætning er modellen benævnt ls_3_3_1 (se tabel 2E), hvor den formodede porevandshastighed i x-retningen er på kun ca. 5 m/år og hvor påsætningen af infiltration derfor må påregnes at have den største indflydelse på spredningen af fanen. Den anden opsætning er ls_1_2_1, hvor den formodede porevandshastighed i x-retningen er på ca. 27 m/år. Resultaterne viser, at for simuleringen med den lave hastighed har infiltrationen en betydelig indflydelse på udbredelsen af fanen, men allerede ved en hastighed på 27 m/år er indflydelsen på især den horisontale udbredelse ubetydelig. Ved placeringen af filtre bør indgå en overvejelse af strømningshastigheden og overfladedækket i området.

Der er foretaget en analyse af betydningen af en finere diskretisering i dybden for de to samme simuleringer, hvor der blev påsat infiltration. Simuleringerne blev gennemført med en lagdeling på 10 cm over de første 1,5 m og følgende en lagdeling på 25 cm. Disse simuleringer viste at forskellen i diskretisering i dybden ikke havde afgørende konsekvenser for den horisontale udbredelse af fanen og dermed ikke for de anbefalinger der følger af simuleringerne.

Inputparametrene for de forskellige transportsimuleringer på stor skala er givet i nedenstående tabel 2F.

Konklusionerne på simuleringerne er givet nedenstående.

Konklusion på simuleringer

De udførte simuleringer giver følgende generelle konklusioner:

• Variationer i K_d betyder uanset jordart kun noget for gruppen C6⁺, hvilket er af mindre betydning, da fokus er på grundvandsforurening.
   
• Om der finder nedbrydning sted eller ej, har betydning for BTEX-fanens udbredelse. I grove jorde (og ved mindre gradienter) kan det gøre forskellen mellem, om BTEX-fanen når uden for skel eller ej. Ved større gradienter når fanen i alle tilfælde uden for skel i grove jorde. I fine jorde når BTEX-fanen i alle tilfælde ikke udover 15 – 20 m (uanset gradient).
   
• Variationen i den langsgående dispersivitet betyder meget lidt for fanens længde (efter 15 år). Bredden af fanen stiger med stigende dispersivitet. Dette har mest betydning for MTBE og kun begrænset betydning for BTEX og C6⁺. Betydningen bliver større for stigende gradient.
   
• I grove jorde har gradienten mindre betydning for, om MTBE-fanen kan genfindes uden for skel, da dette alt andet lige ofte vil være tilfældet. I fine jorde har det væsentlig betydning.

Tabel 2E. Fortegnelse over parametervalg for simuleringer på lille skala.

* Opgives som en faktor ganget på den Kd-værdi og værdi for nedbrydning, som er angivet i tabel 2B.

Tabel 2F. Fortegnelse over parametervalg for simuleringer på stor skala.

* Opgives som en faktor ganget på den Kd-værdi og værdi for nedbrydning, som er angivet i Tabel B.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Marts 2008, © Miljøstyrelsen.