Grundvattenmodellering av föroreningstransport   – Ett uppdragsanpassat beräkningsverktyg Emil Friberg Målet för detta arbeta var att bygga upp en modell i modelleringsprogrammet MODFLOW för spridning av förorenande ämnen i grundvattnet. Syftet med modellen var att finna en balans mellan den mycket enkla modellen som Naturvårdsverket har satt upp för förorenad mark och en fullskalig platsspecifik modell. Utgångspunkten var att studera litteraturen för att finna lämpliga generella parametrar som beskriver föroreningstransport i grundvattnet. Tre genomförda uppdrag med förorenad mark användes som referenskälla, men även för att evaluera den framtagna modellen. Föroreningarna som förekom i dessa uppdrag och som studerades i detta arbete är bensen, PCE och arsenik. Att finna lämpliga parametrar för beskrivning av transporten visade sig vara ganska enkelt, det finns en god förståelse för vilka faktorer som har betydelse. Däremot var det svårare att finna generella värden till dessa parametrar. Sammanställningar gjorda av Naturvårdsverket var en god källa. Den uppbyggda modellen döptes till ESM. Alla valda parametrar analyserades och modellen känslighetsanalyserades. Resultatet visade att vissa parametrar ger större känslighet än andra. Samtidigt visade analyserna att känsligheten varierar beroende på vilket intervall en viss parameter studeras samt att modellens känslighet även är beroende på värdena på de andra parametrarna. Bland annat visade det sig att dispersion alltid är en känslig parameter inom vissa intervall. Sorption och grundvattenflödets gradient visade sig enbart vara känsliga i vissa fall. ESM jämfördes med analytiska lösningsmetoder, Naturvårdsverkets riktlinjesmodell samt de tre utvalda uppdragen. Resultatet var blandat. I jämförelsen med den enklaste analytiska lösningsmetoden med enbart advektion och dispersion överensstämde inte resultaten . Då även sorption användes blev resultatet mycket bra med en hög överensstämmelse. Det gick inte att jämföra Naturvårdsverkets modell rakt av med ESM då förutsättningarna var ganska skilda. Däremot visade jämförelsen i ett större perspektiv att ESM ger en bättre bild av föroreningsspridningen än vad Naturvårdsverkets riktlinjesmodell ger.  Även jämförelsen mellan ESM och de utvalda uppdragen gav blandat resultat, vissa fall blev resultatet mycket bra medan andra mindre. Generellt gav ESM en bra bild av föroreningssituationen och dess karaktär men den har svårigheter att återspegla verkligheten beträffande uppmätta halter och andra mer specifika parametrar. Slutsatsen blev att ESM kan användas initialt för att få en bild av situationen och att modellen är enkel att förändra men kan inte återspegla alla aspekter på föroreningstransporten. Nyckelord: MODFLOW, MT3DMS, föroreningstransport, PCE, bensen, arsenik, riktvärde för förorenad mark Institutionen för geovetenskaper; luft-, vatten- och landskapslära. Uppsala universitet Villavägen 16, Se-752 36 UPPSALA

One of the Government's environmental quality objectives is to achieve a poison free environment, meaning that the presence of anthropogenic substances in the environment should not pose a threat to human health or biodiversity. Such a substance is chlorinated aliphatic hydrocarbons which have been used historically in dry cleaning and as degreasing agents within industrial processes. In recent years, negative effects on human health have been found since exposure to chlorinated solvents is associated with toxic and carcinogen effects, which has resulted in constrictions against such substances today.At the former Whirlpool industry in Himmelstalund, in Norrköping, the chlorinated solvents perchlorethylene (PCE) and trichlorethylene (TCE) have been used historically during production. Concentrations of PCE and TCE and their degradation products cis–1,2–dichloroethylene (cis–1,2–DCE) and vinyl chloride (VC) have been detected in groundwater at the site. This Master´s thesis aimed to develop a site–specific groundwater flow model and a mass transport model to simulate the spread of these compounds through the saturated zone after 10, 30 and 75 years. The groundwater model was developed in MODFLOW and calibrated based on known hydrological and geological conditions after which a sensitivity analysis was performed regarding hydraulic conductivity and effective porosity. It was found that the flow model generated flows which corresponded to measured ones when hydraulic conductivity was employed within the range 10–5–10–2 m/s and effective porosity in the range 5–25%.It was found that PCE, TCE and cis–1,2–DCE did not reach the surface water recipient Motala river within 75 years, the compounds traveled 500 meters west of the source zone as furthest. However, VC reached Motala river within ten years, depending on which initial concentration were applied. The plume of VC remained in the aquifer after 75 years containing concentrations exceeding the guideline values in groundwater. This is considered severe since chlorinated solvents are toxic and cancerogenic to humans.A sensitivity analysis with regard to adsorption and reaction parameters was performed where it was found that the adsorption greatly affected the spread of the plumes and was more influencing than how the reaction parameters were applied. When maximum adsorption was employed, PCE, TCE and cis–1,2–DCE remained adjacent to the source zone while VC moved about 500 meters. It was seen that the mobile properties of the compounds were considerably larger for all components when minimal adsorption was applied. Hydraulic conductivity had a major impact on transport times where higher hydraulic conductivity resulted in faster transportation through the aquifer.As the spread through the aquifer was largely affected by which parameters were chosen, it was assessed relevant to measure hydraulic conductivity, adsorption constants and measure groundwater levels in more points spread in the model area in order to improve the reliability of the mass transport model.

Deponering är globalt sett det vanligaste sättet att hantera avfall, men i Sverige får sedan 2001 enbart avfall som inte kan återanvändas deponeras. Innan deponiförordningen trädde i kraft 2001 deponerades många olika typer av avfall. En deponi används idag som ett slutförvar för avfall och för att minimera infiltration av regnvatten och eventuell föroreningsspridning sluttäcks gamla deponier. Sluttäckningen består av flera skikt som tillsammans ska täta deponin och leda bort vatten. Att förvara avfall i en sluttäckt deponi är miljöfarlig verksamhet och det är därför av intresse att kontrollera omgivningarna under och efter sluttäckning för att säkerställa att eventuell föroreningsspridning minskar. På Hovgårdens avfallsanläggning i Uppsala kommun har en deponi som använts sedan 1971 sluttäckts under hösten 2018. I två provtagningsrör vid deponin, i vilka provtagning och analys skett regelbundet sedan 1991, har förhöjda halter av vissa ämnen kunnat uppmätas efter att arbetet med sluttäckningen påbörjades. Syftet med detta examensarbete var att få ökad förståelse för trender i ämneshalter samt att utreda hur sluttäckning påverkar grundvattennivåer och ämneskoncentrationer runt deponin. Uppmätta halter i provtagningsrören sammanställdes och trender analyserades med statistiska verktyg i mjukvaran R. Dessutom konstruerades en grundvattenmodell över avfallsanläggningen i MODFLOW och MT3DMS. Stationära flödessimuleringar och transportsimuleringar med klorid utfördes. Tolv av 33 analyserade ämnen och parametrar uppvisar statistiskt signifikanta ökningar i antingen ett av provtagningsrören, båda eller båda analyserade tillsammans. Dessa är alkalinitet, elektrisk konduktivitet, sulfat, klorid, kalcium, natrium, svavel, kalium, magnesium, strontium, barium, och nitratkväve. Sex av dem minskar statistiskt signifikant och dessa är pH-värdet, kadmium, zink, kvicksilver, bly och arsenik. Grundvattenmodellen visar att grundvattnet under etapp 1 flödar mot resten av anläggningen men att flöden ut från deponin finns i de sydvästra och sydöstra hörnen. Sluttäckningen leder till lägre nivåer och en förändrad grundvattendelare vilket kommer minska läckaget, främst i den sydvästra delen. Modellsimuleringar med olika grundvattenbildningsmängder och kloridkoncentrationer visade att ökningar av kloridhalter inte kan förklaras med minskad grundvattenbildning i kombination med förhöjda koncentrationer. Förklaringen bör därmed vara andra fysikaliska och eventuellt kemiska processer som skett samtidigt som sluttäckningen. De parametrar som påverkade simulerade ämneshalter mest var konduktansen i diken och dränering samt moränens hydrauliska konduktivitet. / Landfills are globally the most common waste treatment method but in Sweden the method is since 2001 used only for waste that cannot be reused in any way. Before 2001, almost any type of waste could be landfilled. Today a landfill is used as a final storage and old landfills are capped to minimize infiltration and contaminant transport. A capping consists of several layers which together seal and drain the landfill surface. Storing waste in a capped landfill is considered an environmentally hazardous activity, therefore it is of great interest to monitor the surrounding groundwater during and after capping to make sure that any contaminant concentrations decreases. At Hovgården waste treatment plant in Uppsala, Sweden, a landfill used since 1971 was capped during 2018. Elevated contaminant concentrations have been measured in two monitoring wells close to the landfill after the capping procedure started. The aim of this master thesis was to increase the understanding of trends in contaminant concentrations and to investigate how capping affects groundwater levels and concentrations. Concentration data were compiled and statistical tools in R were used to analyze trends. Additionally, a groundwater model of the area was created in MODFLOW and MT3DMS. The model was used to simulate different steady state scenarios with and without chloride transport. Twelve of 33 analyzed substances and parameters show a statistically significant increase. These are alkalinity, electrical conductance, sulphate, chloride, calcium, sodium, sulfur, potassium, magnesium, strontium, barium and nitrate. Six show a decrease, these are pH, cadmium, zinc, mercury, lead and arsenic. The groundwater model indicates that the groundwater flow in the landfill is directed towards the rest of the waste treatment plant except for two places where leakage occurs: the southwest and southeast corners of the landfill. The capping results in lower groundwater levels and an altered groundwater divide, which will reduce the contaminant leakage, particularly in the southwest part. Model simulations with varying recharge and chloride concentrations showed that the increase in chloride levels cannot be explained with only decreased infiltration combined with increased concentrations. Therefore, the explanation is assumed to be other physical processes and possibly chemical reactions due to or at the same time as the capping. The model parameters that effected the simulated concentrations to the greatest extent are the conductances in drains, and the hydraulic conductivity of the till soil.

Poly- och perfluorerade alkylsubstanser (PFAS) är samlingsnamnet för en stor grupp kemikalier som det senaste årtiondet tilldelats världsomfattande uppmärksamhet med anledning av frekventa förekomster i vattenmiljö, djurliv och människor. Samtliga PFAS som uppträder i miljön är antropogena och har blivit industriellt framtagna och tillämpade i över 60 år. På grund av deras fysiska och kemiska stabilitet och ytaktiva egenskaper är PFAS eftertraktade inom en rad olika industriella och kommersiella produkter, från filmbildande brandskum till vatten-, smuts- och fettavvisande ytbeläggningar. De omfattande möjligheterna för användning har resulterat i utsläpp av PFAS i miljön, antingen av direkta källor (~80 %) som tillverkning och tillämpning av PFAS-innehållande produkter, eller indirekta källor (~20 %) som nedbrytning och transport av prekursorer. Åtgärder har därför tagits på nationell, regional och global nivå för att begränsa användningen och spridningen av selekterade PFAS-ämnen. En av de mest uppmärksammade föroreningsproblemen med PFAS i Sverige är utsläppen av filmbildande brandsläckningsskum (AFFF) från brandövningsplatser. Som en konsekvens av flera decenniers användning och okontrollerat utsläpp till miljön har koncentrationerna av PFAS uppmätts att vara som högst i anslutning till övningsplatserna. Ämnenas mobilitet och höga vattenlöslighet gör att risken för transport till kringliggande områden är stor, vilket ökar risken att förorena närliggande grundvattentäkter. Flera exempel på PFAS-haltigt dricksvatten i svenska hushåll har bland annat upptäckts i kommuner såsom Uppsala, Ronneby, Halmstad, Botkyrka. Två före detta brandövningsplatser i Bodens kommun har brukat AFFF i övningssyfte i samband med brandövningar då platserna var aktiva. NIRAS Sweden AB har på uppdrag av Försvarsmaktens miljöprövningsenhet utrett området med avseende på PFAS och konstaterade förhöjda nivåer av ämnena i grundvattenmiljö. Eftersom flera ytvattenförekomster gränsar till brandövningsområdet finns det en oro för ämnenas spridningsbenägenhet och potential att påverka närmsta dricksvattentäkt. Syftet med examensarbetet har av den anledningen varit att kartlägga spridningen av PFAS i grundvatten från de två före detta brandövningsstationerna i Boden. Tillvägagångssättet har gått ut på att upprätta en grundvattenmodell i modelleringsprogrammet Visual MODFLOW Classic. Den hydrogeologiska modellen har tillämpats för att utföra föroreningstransport med hjälp av insticksmodulerna MODPATH och MT3DMS. Transport av det mest framträdande PFAS-ämnet i området, PFOS, modellerades från båda brandövningsplatserna och föroreningsplymens utveckling har visualiserats i flera tidssteg. Resultatet från grundvattenmodelleringen visade att grundvattnet från brandövningsområdena i det övre grundvattenmagasinet rör sig i nordvästlig till nordöstlig riktning, men även mot Luleälven. I det undre grundvattenmagasinet rör sig vattnet i nordvästlig, men har också tendens att röra sig mot Luleälven. Föroreningstransporten visade att PFOS har benägenhet att röra sig mot Luleälven i en sydvästlig riktning. Transporttiden av PFOS från brandövningsplatserna till Luleälven beräknades med MODPATH till sex respektive 7 år för den kalibrerade modellen och område 13/24. Visualisering av PFOS-plymen med MT3DMS visade att det tar cirka 100 år för ämnena att nå Luleälven. / Poly- and perfluoroalkyl substances (PFASs) is the collective name for a large group of organic chemicals which in the past decade have gained global attention due to their frequent occurence within the aquatic environment, wildlife and humans. All PFAS that occur in the environment are man-made and have been industrially created and used for over 60 years. Due to their physical and chemical stability and surface active attributes, PFAS are coveted within an array of industrial and commercial products, such as film-forming fire foam to water, dirt and grease-repellent coatings. The many possibilities to use PFAS have led to environmental emissions, either through direct sources (~80%) like manufacturing and application of PFAS-containing products, or indirect sources (~20%), through decomposition and transport of precursors. Within the PFAS-family, perfluoroctanesulfonat (PFOS) and perfluoroctaneacid (PFOA) are the most well-known and studied chemicals which have gained particular attention due to their persistence and high frequency in the environment, in turn leading them to be easily detected in humans and animals globally. PFOS and PFOA have further shown bioaccumulative and toxic traits and have thus increased the regulatory interest in the chemicals in questions of environmental and human health. Measures have therefore been taken on national, regional and global levels to restrict the use and dispersion of selected PFAS-substances affiliated with negative effects. One of the contamination issues to have gained most attention in Sweden is the emission of film-forming fire foam from fire drill locations. The PFAS-containing foam has been used throughout the country for practicing extinguishing fires related to class B: liquid fires, and has been predominantly used by military, airports and industries. As a consequence from the multi decennial use and uncontrolled emissions, the PFAS concentration, mainly PFOS and PFOA, has been measured to be highest in connection with the exercise sites. The substances mobility and high water solubility has increased the risk for their transportation to nearby areas and they may through rainfall infiltrate the ground to potentially reach the groundwater where they risk contaminating nearby groundwater sources. In Sweden, contaminated PFAS-areas are a particularly debatable issue, as about 50% of Swedish drinking water comes from groundwater-related water sources and for that reason, they have increased the general concern for human exposure. Several examples of PFAS-rich drinking water in Swedish households have been found in municipalities as Botkyrka, Halmstad, Ronneby and Uppsala and have in some cases been so high that related water resources have been withdrawn. Even if the intake of drinking water containing large quantities of PFAS substances is not considered to give rise to acute health effects, awareness of the long-term effects of exposure to PFAS is still very limited. A number of experimental and epidemiological studies focusing on PFOS and PFOA, on the other hand, have documented that both high and low doses of the substances can cause a number of adverse health effects. More recently, regulations on legislation for PFAS have reduced the scope of application, preferably for PFOS, but in accordance with this, products such as PFOS-containing fire foams have been substituted with other PFAS which have continued to be used at fire drill locations in Sweden. Continuous emissions of PFAS at these sites are thus still an up-to-date and forthcoming issue, as the substances - together with already existing pollutants - will remain for a long time to come. There are therefore reasons to limit the use further, but due to the lack of data for most PFAS pollutants, there is currently no benchmark value issued by the EU for PFAS other than PFOS. However, the National Food Agency has issued limit values based on the presence of 11 PFAS substances (PFBS, PFHxS, 6:2 FTSA, PFBA, PFPeA, PFHxA, PFHpA, PFNA, PFDA, PFOA och PFOS) with an action threshold of 90 ng·L-1and a health-based limit value for 900 ng·L-1. The values ​​should give an indication that levels of PFAS which are larger in scope than the recommendation are too high and that measures should be taken to minimize the risk of spreading and unhealthy exposure to humans. For this reason, fire drill locations using fire-containing foam containing PFAS in Sweden are a high priority for mapping PFAS distribution in the country and identifying potential areas that are at risk of being affected by the spread of the pollutants in soil and water. As a result, two closed fire drill locations in Boden municipality - as part of a nationwide survey - have been investigated with regard to the fire extinguishing foam that has historically been used and caused pollution in the area. The PFAS-based fire foam is assumed to have had historical application to two exercise sites that operated between 1940 – 1985 and 1987 – 2005, respectively. In 2016, an environmental technical soil survey was carried out with regard to the presumed PFAS occurrence for the area. The investigation was based on sampling of soil and groundwater at four and eight different points respectively, centered around the two fire drill locations, and the results showed that the current contamination in the area was clearly noticeable and that the levels were higher than the Swedish Food Agency's recommended action threshold. Findings of PFOS that exceeded SGI's preliminary target value in groundwater (45 ng·L-1) and in soil (10 µg/kgTS) were also measured in connection with the two fire drill sites, which increased the interest in broadening the mapping of the current pollution situation with the aim of creating a better understanding of the extent of the pollution and potential spreading potential. Because the knowledge of the groundwater flow direction is limited, a hydrogeological model over the fire drill location can lead to a better understanding of the groundwater flow direction and thus the possible spreading direction of the present PFAS substances. The model can also be used as a tool for calculating the time required for the potential of the pollutants to affect the nearest protection object and thereby estimate and prevent the risks for human exposure in the area at the conceivable start of construction work in the now discontinued area. The results from the groundwater modelling showed that the groundwater from the fire drill areas in the upper groundwater reservoir moves in a northwesterly to northeasterly direction, but also towards the Lule River. In the lower groundwater reservoir, the water moves to the northwest and towards the Lule River. The contamination transport showed that PFOS tends to move toward the Lule River in a southwesterly direction. The transport time of PFOS from the fire training sites to the Lule River was estimated with MODPATH to 6 and 7 years respectively for the calibrated model and area 13/24. Visualization of the PFOS plume with MT3DMS showed that it takes about 100 years for the substances to reach the Lule River.

Inthe mining industry people remove rock from the ground to obtain a metal ore. Afterprocessing , the uneconomic fraction called tailings is deposited as a slurry in large reservoirs .The processing adds water and chemical agents to the tailings so that the original structure ofthe material therefore changes, which make storage of tailings complicated. If a tailingreservoir c ollapse s , it can damage p roperties and life downstream . In addition, tailings maycontain contaminants that disturb living organism s and contaminated groundwater in the localarea even under normal operation s . Therefore, tracing the contaminants and study ing thestability of the tailing reservoir s are important. The aim of the thesis is to investigate seepage,contaminant transport, tailings compaction and slope stability of the Zhaoli ditch tailingsreservoir (China) during its construction and afterwards. Simulations are performed with thecomputer program GeoStudio . According to the simulations and the conditions , contaminanttransport was highly related with total head. Total head boundary conditi ons have also a largeeffect on slope stability. The area that has most vertical displacement is at the middle of thetailing s reservoir , and the greatest change of vertical displacement is located near the slope,w here the vertical displacement can increa se 0.5 meter over a 1 0 30 meter distance. Theslope stability can be different from case to case, but the original designed tailing reservoirhave a good safety factor, indicating that the slope is not going to collapse easily. / Vi människor villutnyttja malm erna i marken för att skapa ett mer effektiv t industrisamhälleF ör att utvinna så myck et användbara metaller som möjligt tillsätts kemika lier och vattenunder anriknings processen, vilket gör att deponering av de vattenmättade restprodukt erna isandmagasin blir en utmaning med avseende på dammstabilitet och föroreningstransport.Eftersomdet är svårt att ändra på en färdig byggd damm för anrikningssand e n använder dettaexamensarbete av Geostudio för att simulera hur olika parameter påverkaföroreningstransport i dammen, vattenläckage från dammen samt da mmens stabilitet ochsäkerhet. Projektet har simulerat förhållanden i Zhaoli ditch damm i Kina .Simulering i GeoStudio visar att förorening sspridning är stark kopplad till den totalahydrauliska potentialen och materialets hydrauliska konduktivitet. Rand villkoren medavseende på den hydrauliska potentialen utanför dammen även har en stor inverkan pådammvallens stabilitet. De största vertikala sättningar sker i mitten av dammen, och denstörste sättningsgradient finns i dammvallens sluttning, där en vertikal sättning på 0.5 meteröver ett avstånd på 10 3 0 meter beräknas. Deformation är störst på första lagret överberggrunden. Simuleringarna visar att dammvallens sluttning är stab il med en tillräcklig högsäkerhetsfaktor.