Självständigt arbete Nr 29
Installation av grundvattenrör för användning inom undervisning
Installation av grundvattenrör för användning inom undervisning
Maria Forsgård
Maria Forsgård
Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper Kandidatexamen i Geovetenskap, 180 hp
Självständigt arbete i geovetenskap, 15 hp Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2012.
Den dokumenterade nyttan med att undervisa på ett varierat vis har gjort att Uppsala universitet vill ge sina hydrologistudenter möjlighet till mera fältarbete. Detta skall göras genom att installera grundvattenrör i vilka grundvattnets nivå samt kemiska sammansättning kommer att studeras. Detta ställer krav på att området där rören installeras har en sådan geologi och topografi att undervisningen blir givande. Syftet med projektet är sålunda att finna lämpliga platser att installera grundvattenrör på samt att driva hela processen från val av plats till slutlig rörinstallation.
Områden med egenskaper som ger variationer i grundvattennivå
och grundvattenkemi eftersöks. Variationer i grundvattennivå
förväntas främst komma av olika lagerföljder eller en lutande
markyta. Variationer i grundvattnets kemiska sammansättning
förväntas främst bero på huruvida man befinner sig i ett
inströmnings- eller utströmningsområde. Efter en undersökning
av grundvattenrör i fältområden som redan existerar konstateras
det att flera av dessa uppfyller några av de eftersökta
kvaliteterna. Därför kommer ett av dessa områden att utökas
med flera nya rör. Området i fråga har flera fördelar, exempelvis
en variation när det gäller lagerföljder som skapar möjligheter
att jämföra grundvattennivån mellan rören och diskutera
resultaten. Vidare kommer en grundvattenrörsinstallation på
sagda område att gynna flera aktörer vilket ytterligare ökar
nyttan.
Självständigt arbete Nr 29
Installation av grundvattenrör för användning inom undervisning
Maria Forsgård
Handledare: Roger Herbert
Sammanfattning
Den dokumenterade nyttan med att undervisa på ett varierat vis har gjort att Uppsala universitet vill ge sina hydrologistudenter möjlighet till mera fältarbete. Detta skall göras genom att installera grundvattenrör i vilka grundvattnets nivå samt kemiska sammansättning kommer att undersökas.
Detta ställer krav på att området där rören installeras har en sådan geologi och topografi så att fältarbetet blir givande. Därför eftersöks områden med egenskaper som ger variationer mellan rören.
Variationer i grundvattennivå förväntas främst uppkomma av olika lagerföljder eller en lutande markyta. Variationer i grundvattnets sammansättning förväntas främst bero på huruvida man befinner sig i ett inströmnings- eller utströmningsområde. Efter en undersökning av grundvattenrör i fyra redan existerande fältområden konstateras det att flera av dessa besitter några av de eftersökta kvaliteterna. Därför kommer ett av dessa områden att utökas med flera nya rör. Det valda området ligger i Marsta cirka 10 kilometer norr om Uppsala. Marsta har flera fördelar, exempelvis en variation när det gäller lagerföljder som skapar möjligheter att jämföra grundvattennivån mellan rören och diskutera resultaten. Vidare kommer en grundvattenrörsinstallation i nämnda område att gynna flera aktörer vilket ytterligare ökar nyttan. Efter en genomförd marknadsundersökning väljs företaget Zublin Scandinavia AB till att utföra installationerna. I framtiden kan flera av de andra undersökta områdena komma att bli aktuella för användning eller utökning. Då kan denna sammanställning användas för att ge grundläggande fakta om platserna och rören.
Abstract
The documented benefits of teaching in a varied manner have motivated Uppsala University to provide hydrology students with the opportunity of having more fieldwork. This will be done by installing groundwater tubes in which the groundwater level and the chemical composition will be studied. This requires that the area where the tubes are installed possesses such a geology and topography so that the field work is rewarding. Areas with features that provide variations between the groundwater tubes are therefore sought. Variations in the groundwater level are expected primarily to depend on different stratigraphies or sloping land surfaces. Variations in groundwater composition are expected to mainly depend on whether the sampling sites are located in a recharge or discharge area. After having performed an investigation of ground water tubes at field sites that already exist, it is concluded that several of them possess some of the desired qualities. Therefore one of these areas will be expanded with several new tubes. The chosen area is in Marsta, about 10 kilometers north of Uppsala. Marsta has several advantages, such as a variation in stratigraphy that creates opportunities to compare the groundwater level between the pipes and discuss the results.
In addition, an installation of groundwater tubes in the region mentioned above will most possibly benefit more people, which further increases its usefulness. A marketing study was performed and the company Züblin Scandinavia AB was chosen to carry out the installations. In the future, more of the other investigated areas may be considered for use or extension. This compilation will then be used to provide basic facts about the areas and the groundwater tubes.
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
2. Teori ... 2
2.1 Grundvatten i jord och berg ... 2
2.1.1 Strömning ... 2
2.1.1.1 Grundvattenströmning i teorin ... 7
2.1.2 Grundvattnets kemi ... 7
2.2 Några vanliga typprofiler för grundvatten ... 10
2.2.1 Moränsluttning ... 11
2.2.2 Kärr och mossar ... 12
2.2.3 Isälvsavlagringar-åsar ... 13
2.2.4 Lera ... 14
2.2.5 Ytlig berggrund ... 14
2.3 Grundvattenundersökning ... 15
2.3.1 Grundvattenrör ... 15
2.3.1.1 Val av grundvattenrör ... 16
2.3.1.2 Rörinstallation ... 17
2.3.2 Nivåmätning ... 20
2.3.3 Provtagning ... 20
2.3.3.1 Förberedelser ... 20
2.3.3.2 Utrustning ... 20
2.3.3.3 Utförande ... 21
3. Metod ... 22
3.1 Framtagning av kriterier för rörplacering ... 22
3.2 Inventering av befintliga grundvattenrör ... 22
3.3 Kostnadsundersökningar ... 23
3.4 Kontakt med övriga berörda parter ... 23
4. Resultat ... 24
4.1 Kriterier ... 24
4.2 Befintliga fältlokaler ... 26
4.2.1 Fältlokal 1: Järlåsa ... 26
4.2.2 Fältlokal 2: Marsta ... 27
4.2.3 Fältlokal 3: Norunda ... 27
4.2.4 Fältlokal 4: Östfora ... 27
4.3 Resultat från fältundersökning ... 27
4.4 Fördelar och nackdelar per fältlokal... 28
4.4.1 Fältlokal 1: Järlåsa ... 28
4.4.2 Fältlokal 2: Marsta ... 29
4.4.3 Fältlokal 3: Norunda ... 29
4.4.4 Fältlokal 4: Östfora ... 29
4.5 Val av fältlokal ... 30
4.6 Resultat från marknadsundersökningen ... 30
4.7 Grundvattenrören installeras ... 31
4.7.1 Rörens placering ... 31
4.7.2 Installationsteknik ... 32
5. Diskussion och slutsatser ... 33
Tackord ... 33
Referenser ... 34
Bilaga 1 ... 36
Bilaga 2 ... 38
Bilaga 3 ... 41
1
1. Inledning
Det finns alltid en stor fördel med att kunna komplettera den teoretiska undervisningen vid universitet med en lämplig andel praktiska moment. Den hydrologiska och den hydrogeologiska undervisningen gynnas av ett upplägg som bygger på teori, fältarbete och laborationer eftersom detta ger variation och motiverar studenterna. Att sammankoppla dessa genom att först insamla data i fält vilka sedan analyseras i laboratorium och diskuteras i klassrummet ger studenten en bättre helhetskänsla och dessutom kommer det att ”finnas något bakom” siffrorna. Att arbeta med data som man själv har samlat in, inspirerar studenten och ger dessutom en viktig förståelse för datats begränsningar. Under fältarbetet erhålls också praktisk erfarenhet i hantering av fältutrustning vilket är oerhört viktigt för framtida yrkesliv (Allen et al, 2012). Institutionen för geovetenskaper vid Uppsala universitet vill av dessa anledningar ge hydrologi- och hydrogeologistuderande möjlighet till mera fältarbete. Detta skall göras genom att installera grundvattenrör på lämpliga platser så att grundvattnet kan studeras i praktiken. Även andra ämnesområden, till exempel geofysik och kvartärgeologi, kan komma att använda dessa i undervisningssyfte vilket ytterligare skulle öka nyttan.
Syftet med projektet är sålunda att finna lämpliga platser att installera grundvattenrör på.
Området begränsas till Uppsala med omnejd, det vill säga avståndet från Uppsala bör helst inte överstiga 30 km. Valet av lämpliga platser kommer att göras genom att utgå från uppställda kriterier som definierar vad en intressant plats karakteriseras av. Kriterierna baseras på grundläggande kunskap om grundvattnets sammansättning och strömning, vilka därför bland andra kommer att behandlas i teoridelen. Projektet innefattar hela processen från val av plats till slutlig installation (borrning). En betydande del av arbetet kommer därför att beröra kontakten med inblandade personer såsom borrningsföretag och markägare.
2
2. Teori
Teorin kommer till stor del att fungera som bas för de senare uppställda kriterierna som tillsammans definierar en intressant fältlokal. På basis av det faktum att grundvattenrören planeras att användas dels för mätning av grundvattennivå och dels för provtagning, behandlas först grundvattnets strömning och kemi i teoridelen. I dessa avsnitt ges en grundläggande uppfattning om vad det är som påverkar grundvattnets flöde och sammansättning. För en noggrannare insyn i den för området (Uppland) typiska hydrogeologin kommer några vanliga typprofiler att behandlas i avsnitt 2.2. Vidare kommer den praktiska och tekniska biten av projektet att stödjas av en teoridel som tar upp grundvattenundersökning. Här behandlas allt som rör den slutliga installationen samt metodik för korrekt provtagning och nivåmätning.
2.1 Grundvatten i jord och berg
I Uppland består en stor del av berggrunden av granit och gnejs som överlagras av morän. Grus- och sandavlagringar hittas som spridda isälvsbildningar samt även till viss del som sjö- och havsavlagringar. Denna dominans av urberg och morän i kombination med små, lokala grundvattenmagasin till följd av en kuperad terräng präglar grundvattenförhållandena. Faktorer som påverkar grundvattenströmningen är akviferens permeabilitet, tryckförhållanden, lagerföljd, mäktighet och terrängläge. Såväl akviferens geologi som omgivande områdens geologi påverkar grundvattnet (dess strömning och sammansättning) och likaså vegetationen och jordmånen.
Nederbördens sammansättning, vattnets uppehållstid i akviferen samt mänsklig påverkan är viktiga faktorer för grundvattnets sammansättning. Tillsammans kan dessa faktorer bidra till att grundvattnet kan ha vitt skilda egenskaper och sammansättning även om de studerade punkterna är belägna nära varandra (Knutsson & Morfeldt, 1993).
2.1.1 Strömning
Grundvattnets strömning drivs av skillnader i totalpotential genom att vattnet rör sig från områden med högre totalpotential mot områden med lägre. Totalpotentialen definieras som summan av tryck- och lägespotentialen. Grundvattnets tryckpotential är dess tryck jämfört med atmosfärens, vilket innebär att denna är noll vid grundvattenytan, negativ ovan och positiv i grundvattenzonen (där alla porer i jorden är vattenfyllda). Grundvattnets lägespotential är dess höjd över en referensnivå som väljs efter en fast referenspunkt, till exempel berggrundens yta. Följaktligen kommer lägespotentialen att vara positiv ovan denna referensyta och negativ under. Strömningen som äger rum i vertikalled till följd av skillnader i totalpotential illustreras i figur 1 nedan. Lägespotentialen stiger med en meter per varje meters stigning i höjdled, detta förhållande är konstant.
Tryckpotentialen däremot, kan variera beroende på variationer i tryck i markvattenzonen. Dessa variationer beror på skillnader i markvattenhalt. Kurva b visar en minskning av trycket med en meter per varje meters stigning. Detta gör att tryckpotentialen och lägespotentialen tar ut varandra vilket ger en konstant totalpotential på alla djup. Under dessa förhållanden sker inget flöde. Kurva a visar ett fall då markvattenhalten minskat till följd av torkning, vilket leder till att trycket minskar snabbare. Detta gör att totalpotentialen avtar uppåt i profilen och sålunda kommer ett uppåtriktat flöde att ske. Kurva c visar ett fall där vattenhalten i marken stigit vilket leder till att trycket inte avtar så mycket med höjden som det gjorde i de två övriga kurvorna. Detta leder till en ökning i totalpotential uppåt i profilen med ett nedåtriktat flöde som följd.
3
Figur 1: Vattnets rörelse i marken illustrerad med hjälp av tryckpotential. Lägespotentialen stiger med en meter för varje meters stigning och är sålunda konstant. Vattenhalten visas också, men bara för att jämföra (Grip & Rodhe, 1985, med tillstånd).
Bilden ovan visar ett fall där markytan är plan och därför kommer vattnet främst att strömma i vertikalled. Om markytan istället hade lutat skulle grundvattnet även ha en horisontell strömningskomponent. Strömningsriktningen blir då ekvivalent med grundvattenytans lutning. Detta innebär i fall där grundvattenytan följer topografin (till exempel i morän) att grundvattnets strömning även den följer topografin, det vill säga det strömmar vinkelrätt mot markens höjdkurvor.
Vidare karakteriseras grundvattnets rörelse genom marken av inströmnings- respektive utströmningsområden, se figur 2 nedan. I ett inströmningsområde sker grundvattenbildning och sålunda finns ett flöde riktat nedåt från ytligt grundvatten mot djupare sådant. I ett utströmningsområde sker på motsvarande vis ett läckage av grundvatten varför flödet är riktat ut ur grundvattenzonen. Om mängden tillströmmande vatten överskrider jordens förmåga att leda undan detta kommer ett utströmningsomårde att bildas. Utströmningen av grundvatten sker
Figur 2: En generell bild för hur inströmnings- och utströmningsområden placerar sig i terrängen (Nationalencyklopedin, 2012).
4 antingen som mättat flöde, vilket resulterar i att vattnet når markytan, eller som omättat sådant vilket innebär att vattnet strömmar upp till rotzonen och sedan avgår till atmosfären via växterna.
Inströmning sker på höjder i landskapet och utströmning i sänkor, så länge grundvattenytan följer den kuperade markytans form vilket är fallet i exempelvis morän. I rör installerade på olika djup i jorden kan man erhålla olika vattennivåer. Totalpotentialen på ett visst djup speglas av grundvattenytans nivå i ett rör installerat på det aktuella djupet. Detta gör att det är möjligt att utröna huruvida det är tal om ett inströmnings- eller ett utströmningsområde med hjälp av nivåmätning i grundvattenrör placerade på samma plats men på olika nivåer i marken. I ett inströmningsområde kommer totalpotentialen att avta med djupet (och följaktligen utvecklas ett flöde neråt) medan förhållandena är de motsatta i ett utströmningsområde. Mitt emellan, det vill säga mitt i sluttningen som separerar inströmnings- från utströmningsområdet är totalpotentialen lika på alla nivåer och flödet blir då parallellt med grundvattenytan (Grip & Rodhe, 1985).
För att kunna studera grundvattnets rörelse lokalt och regionalt förenklas grundvattensituationen en aning genom att anta en homogen akvifer och förhållanden i jämviktstillstånd. Jämviktstillståndet innebär att en kontinuerlig vattentillförsel sker i inströmningsområdet samtidigt som en lika stor bortförsel sker i utströmningsområdet (Grip &
Rodhe, 1985). Grundvattenflödet åskådliggörs med hjälp av ekvipotentiallinjer. Längs en ekvipotentiallinje är grundvattnets totalpotential konstant (Andersson et al, 2003). Grundvattnets strömningslinjer skär dessa under rät vinkel (Grip & Rodhe, 1985). I figur 3 nedan kan grundvattenflöden i varierande topografi beskådas. I figuren är det inte markytan, utan grundvattenytan som syns (Andersson et al, 2003). Akviferen kan dock antas bestå av Sveriges vanligaste jordart morän som på grund av sin låga hydrauliska konduktivitet ger upphov till en grundvattenyta som följer markytan i ganska stor utsträckning (Grip & Rodhe, 1985).
Figur 3: Hur grundvattenytans utseende påverkar flödets karaktär (Freeze and Witherspoon, 1967).
5 I figur 3c visas en större mängd utströmnings- och inströmningsområden som resultat av en mera kuperad markyta än i 3a och 3b. I bilden syns en mängd lokala flödessystem till följd av detta. Dessa omges av lokala ytvattendelare som definieras av närbelägna höjder. Ytvattendelarna behöver inte sammanfalla med de regionala grundvattendelarna som ofta utgörs av mera prominenta höjder i ett regionalt perspektiv (tiotals kilometer). Detta innebär att djupare grundvatten kan färdas långa sträckor utan att påverkas av de lokala flödessystemen, se bild C (Andersson et al, 2003). Ju längre ner i avrinningsområdet man befinner sig, desto större del av grundvattnet kan härstamma från inströmningsområden längre bort och högre upp än det lokala (Grip & Rodhe, 1985). Detta gamla, långtransporterade grundvatten utgör dock en ganska liten del av den totala grundvattenomsättningen och färdas i de flesta fall i berggrundens sprickzoner (Andersson et al, 2003).
Eftersom förhållandena i figur 3 antas vara enhetliga speglar denna inte verkligheten helt korrekt. Vanligen avtar den hydrauliska konduktiviteten med djupet om morän avses. Detta leder till att det ytliga flödet kommer att dominera ytterligare över det djupa. Om dessutom urberg tar vid efter ett tiotal meter minskar konduktiviteten oftast ytterligare. Detta stämmer dock inte alltid, till exempel har granitberggrund ibland en relativt hög konduktivitet, helt beroende på dess sprickighet.
Strömlinjerna i berget ser sällan ut som i figuren ovan, eftersom strömningen är hänvisad till sprickzoner och sålunda kan vara mycket oregelbunden.
Ytterligare en aspekt angående figur 3 är det jämviktstillstånd som antogs. I verkliga förhållanden fluktuerar grundvattenytan en hel del. En ökning av nivån beror främst på tillförsel av ytligt grundvatten. Detta grundvatten färdas parallellt med markytan i ytliga skikt där konduktiviteten är hög till följd av biologisk aktivitet, ursköljning av små partiklar och tjälning. Utströmningen av djupt grundvatten är ofta mycket liten vilket beror på att det vertikala utflödet av grundvatten är proportionellt mot skillnaden i höjd mellan in- och utströmningsområde (dessas grundvattennivåer).
Denna höjdskillnad är ofta för stor i i jämförelse med den stigning som sker i inströmningsområdet vid nederbörd för att något större djupvattenflöde skall ske (Grip & Rodhe, 1985).
Vid undersökning av grundvattenförhållandena i ett visst område kan man välja att antingen studera ”den genomsnittliga” grundvattennivån eller tryckförhållandet på en viss nivå i akviferen. Det förstnämnda görs genom att hela grundvattenröret är perforerat under grundvattenytan och sålunda släpper in vatten från alla nivåer. Ett slags medelpotential infinner sig då och genom att kartlägga nivån i flera sådana rör inom ett område kan grundvattenytans lutning utrönas genom att upprätta nivålinjer genom vilka strömningslinjer kan ritas ut, se figur 4 nedan. Strömningslinjerna skär nivålinjerna under rät vinkel. Grundvattnet strömmar i lutningens riktning. Nivålinjernas täthet ger en ledning till hurudan hydraulisk konduktivitet marken besitter. Om linjerna ligger tätt innebär det att grundvattenytan är mycket varierande och följaktligen är konduktiviteten relativt låg. Detta förhållningssätt till grundvattnets strömning tar endast hänsyn till den horisontella komponenten i strömningsfältet (Knutsson & Morfeldt, 1993).
6
Figur 4: Grundvattnets horisontella strömningskomponent visualiseras med ledning av grundvattennivån (i detta fall uttryckt i meter över havet).
Om mätning av grundvattenytans nivå istället sker i grundvattenrör som endast är perforerade i spetsen, kommer den uppmätta nivån att spegla tryckförhållandet på just det djupet (Grip & Rodhe, 1985). Dessa rör kallas piezometrar (Knutsson & Morfeldt, 1993). Tryckförhållandena varierar med djupet till följd av att jordarten skiljer men de varierar också inom en och samma jordart.
Grundvattenrör i samma punkt men med intag på olika djup visar olika totalpotential (tryckförhållanden) och grundvattenflödets vertikala komponent kan på så vis visualiseras (Grip &
Rodhe, 1985). Detta görs lämpligast med en tvärsektion där trycknivålinjer uppritas och baserat på dessa även strömlinjer (Knutsson & Morfeldt, 1993). Denna är (som tidigare diskuterats) av vikt för att bestämma huruvida det är tal om ett in- eller utströmningsområde samt var gränsen mellan dessa går. Olika tryckförhållanden på olika djup kan i vissa fall göra sig påminda på väldigt tydliga sätt. Om jordlager med hög konduktivitet överlagras av jordlager med låg konduktivitet kan detta resultera i att vattennivån i ett grundvattenrör i det undre lagret står väldigt mycket högre än vad den gör i ett rör i det övre lagret. Det övre lagret är tätare och fungerar som ett lock. I vissa fall kan grundvattenytan till och med ligga högre än markytan vilket visar sig genom att vatten strömmar eller sprutar fram under så kallat artesiskt tryck och bildar en källa, se figur 5 nedan. Bägge fallen benämns sluten akvifer. Under svenska förhållanden rör det sig ofta om isälvsmaterial under ett ler-
Figur 5: En sluten akvifer. De två olika trycknivåerna i friktionsjorden orsakas av att kohesionlagret (leran) fungerar som ett lock och ”stänger in” grundvattnet längre ner (Tremblay, 1990).
7 lager. I en sluten akvifer ligger grundvattenytan alltså ibland över grundvattenzonens övre gräns.
Grundvattentillförseln till det underliggande lagret sker i närbelägna inströmningsområden och grundvattnet strömmar sedan vidare ner i landskapet och fyller på den slutna akviferen. Motsatsen till sluten akvifer är en öppen akvifer vilken karakteriseras av en grundvattenyta som sammanfaller med grundvattenzonens övre gräns (Grip & Rodhe, 1985).
Förekomsten av olika jordarter som samverkar i olika konstellationer gör grundvattensituationen komplicerad. I avsnitt 2.2 kommer olika typprofilers (hämtade från Uppland) grundvattenförhållanden att tas upp översiktligt.
2.1.1.1 Grundvattenströmning i teorin
Grundvattenflödet Q beräknas på nedanstående vis med hjälp av Darcys lag. Enligt denna är flödet mellan två närbelägna punkter i marken proportionellt mot den totala skillnaden i potential mellan punkterna (Grip & Rodhe, 1985).
Där
Q = vattenföring (m3/s)
K = hydraulisk konduktivitet (m/s) A = tvärsnittsarea (m2)
dh/dL = totalpotentialändring per längdenhet, potentialgradient 2.1.2 Grundvattnets kemi
Vatten fungerar utmärkt som lösningsmedel och transportör. Egenskapen som lösningsmedel blir extra tydlig när kontaktytorna mellan diverse partiklar i marken är stora och kontakttiden ofta är lång. Vattnets kemi beror på en mängd faktorer och varierar både i tid och rum. Det som utgör grunden för grundvattnets kemiska förutsättningar i infiltrationsskedet är främst nederbörden men även områdets vegetationstäcke. Nederbörden innehåller en mängd joner som till exempel natrium, kalium, kalcium, magnesium, ammonium, karbonat, nitrat, klorid och sulfat samt givetvis gaserna syre, kväve och koldioxid (Knutsson & Morfeldt, 1993). Tillförseln av ämnen som aluminium, fosfor, kisel, järn och mangan via nedebörden är liten om man jämför med de ovan nämnda ämnena (Grip &
Rodhe, 1985). Mänsklig aktivitet påverkar givetvis också nederbörden, till exempel genom industrier som bidrar med svavelföreningar och på så sätt skapar en surare nederbörd. Naturligt har nederbörden ett pH på 5,5. Nederbörden står för det så kallade våta nedfallet, men marken tillförs också ämnen genom torrt nedfall så som stoft, svavel- och kväveoxider (Knutsson & Morfeldt, 1993).
Vattenkemin ser olika ut i inströmnings- respektive utströmningsområden. I inströmningsområden dominerar som bekant det nedåtriktade vattenflödet och detta formar jordmånen i området. I dessa områden bildas podsoler som känns igen på sina karakteristiska skikt som kommer att behandlas nedan. Se även figur 6 nedan. Undantagsfall från denna regel förekommer i jord med hög organisk aktivitet där de övre skikten blandas av grävande djur (Grip &
Rodhe, 1985). Markens översta skikt, humusskiktet eller ofta kallat mårskiktet, består av förmultnande eller dött organiskt material. Vid nedbrytningen frigörs så kallade humussyror och dessutom bildas koldioxid på bekostnad av syre. När koldioxiden löser sig i markvattnet bildas kolsyra som tillsammans med humussyrorna angriper mineralpartiklar i följande skikt i markprofilen, nämligen urlakningsskiktet (också kallat blekjord). Detta leder till att mineralpartiklarna vittrar (Aastrup et al, 1995). Graden av vittring bestäms huvudsakligen av jordartens mineralsamman-
8
Figur 6: Podsolens olika skikt samt vad som händer med det perkolerande vattnet i varje skikt. Detta är markvatten som så småningom kommer att nå grundvattnet (bild: Grip & Rodhe, 1985, med tillstånd; text: Aastrup et al, 1995).
sättning, kontakttiden samt kontaktytan. Om man ser till den vanligaste jordarten i Sverige, nämligen morän uppbyggd av graniter och gnejser, så är det främst biotit, hornblände och plagioklas som påverkas av vittringen. Kvarts är däremot beständigt och påverkas i mycket liten grad om än alls.
Järn, mangan, aluminium, kalium, kalcium,magnesium, natrium och kiseldioxid frigörs då (Knutsson &
Morfeldt, 1993). Urlakningsskiktet har en blekgrå färg eftersom det förlorat mycket järn och mangan med vattnet. Därför kallas detta skikt även för blekjord. Kvarts, som är stabilt, anrikas allt mer i blekjorden med tiden (Grip & Rodhe, 1985). Vittringen innebär att syrornas vätejoner förbrukas (vätejonerna tar utvalda katjoners plats i mineral) medan metallkatjoner så som kalcium, magnesium, kalium och natrium frigörs från mineralen (Aastrup et al, 1995). Vattnet som passerar de översta markskikten kommer alltså att ha höjt sin halt av koldioxid, humusämnen och metallkatjoner.
Vattnet kommer även att ha minskat sitt innehåll av syre och vätejoner och sålunda ha ett högre pH- värde. Till följd av ett ökande pH-värde kommer järn, aluminium och humusämnen att fastläggas i marken. Detta karakteriserar skiktet som finns under blekjorden och har färg av järnhydroxid och organiskt material. Efter sin färg kallas detta skikt för rostjorden. Efter att de största mängderna av järn och aluminium fastlagts i rostjorden (det vill säga om pH-värdet är tillräckligt högt, är vattnet försurat kommer en större andel att fortsätta neråt med markvattnet) så kommer vattnet som sipprar vidare mot grundvattnet att främst innehålla metallkatjonerna samt joner som tillförts genom nederbörden så som klorid och sulfat. Även vätekarbonat är en viktig beståndsdel (Aastrup et al, 1995). När koldioxiden löses i vattnet bildas kolsyra, vilken genom sin fömåga att dela sig i en vätejon och en vätekarbonatjon agerar buffrande (Knutsson & Morfeldt, 1993). Detta beskrivs enklast genom denna jämviktsreaktion:
( )
Detta är ett exempel på ett buffertsystem. Vid vittringen förbrukas vätejoner och följaktligen kommer reaktionen då att gå åt höger så att fler sådana produceras. Utgångspunkten är att det alltid finns tillräckligt med koldioxid och detta är sålunda ingen begränsande faktor. Med varje nybildad vätejon följer även en vätekarbonatjon vilken inte förbrukas och därför kan halten av dessa användas som ett mått på vittringen. Om vattnets hastighet genom rotzonen är låg så kommer vittringen att
9 pågå längre med en hög halt vätekarbonatjoner och vittringsprodukter (katjoner) som följd. En hög halt vätekarbonatjoner i grundvattnet kan också vittna om förekomsten av kalcit i rotzonen. Kalcit består av rent kalciumkarbonat och är mycket lättvittrat, även det innehar en buffrande förmåga (Grip & Rodhe, 1985). Karbonater hör till de mest lösliga mineralen och därför är dessa alltid helt upplösta ned till den så kallade kalkgränsen som befinner sig maximalt på cirka två meters djup (Knutsson & Morfeldt, 1993).
När vattnet har passerat de omnämnda skikten (se figur 6) men ännu inte nått grundvattenzonen befinner det sig i den så kallade intermediära zonen. Här innehåller vattnet en hög halt vittringsprodukter samt inga organiska syror vilket tillsammans hindrar en vidare vittring. En viss vittring kan ibland ske beroende på förhållandena, men den är inte omfattande. Ju mera vittring som äger rum desto högre blir vattnets pH-värde. När vattnet slutligen når grundvattenzonen kommer det att ingå i ett slutet system med avseende på koldioxid och syre eftersom dessa inte kan förnyas på grund av den långsamma diffusionen i vatten. Detta begränsar vittring ytterligare. Om grundvattenzonen innehåller organiskt material kommer vattnet att bli syrefritt. Järn går då i lösning genom att trevärt järn reduceras till tvåvärt järn (Grip & Rodhe, 1985).
Grundvattnet från inströmningsområdet kommer så småningom att rinna ut i ett utströmningsområde. I utströmningsområden syns inte samma jordmån som i inströmningsområden.
Detta på grund av att utströmningsområden inte har ett nedåtriktat vattenflöde.
Utströmningsområden är vanligtvis mycket mindre än inströmningsområden och följaktligen blir utflödet i dessa ganska stort. Detta i kombination med den höga halten metallkatjoner i det tillströmmande vattnet leder till att grundvattnet i dessa områden får en mycket hög koncentration av dessa ämnen. När grundvattnet strömmar ut kommer det i kontakt med syre och om det varit syrefritt tidigare så kommer järn- och manganföreningar att fällas ut genom oxidation. Även kalciumkarbonat kan fällas ut till följd av att vattnets koldioxidhalt kommer att minska när vattnets kommer i kontakt med atmosfären. Detta förklaras av denna jämviktsekvation:
( ) ( )
Då koldioxidhalten till vänster om jämviktstecknet minskar kommer reaktionen att gå åt vänster med resultatet att mera CaCO3 fälls ut.
En bild över hur grundvattnets pH-värde ökar markant i riktning mot utströmningsområdena kan ses i figur 7 nedan. Utströmningsområden som karakteriseras av myrar tenderar i motsats till det ovan nämnda att ha ganska surt vatten. Orsaken till detta ligger i biologiska skäl. Vitmossor som i regel bygger upp myrar innehåller nämligen syror.
10
Figur 7: pH-värdets förändring i avrinningsområdet (Aastrup et al, 1995).
Vattnets hastighet genom marken påverkar dess kemi i utströmningsområdet. Då grundvattenflödet är stort (under nederbörds- och smältvattenrika delar av året) kommer vattnet att vara yngre då det strömmar ut och följaktligen ha lägre pH-värde och lägre halt baskatjoner (Grip &
Rodhe, 1985). Grundvattnet besitter även naturligt ett lägre pH-värde om mineralen och bergarterna är svårvittrade samt om jordarterna är grovkorniga (Knutsson & Morfeldt, 1993). Under torra perioder med lågt grundvattenflöde blir omsättningstiden lång och det utströmmande grundvattnet kommer att ha högre pH-värde och en högre halt baskatjoner. Jonhalten i vattnet ökar alltså med längden på kontakttiden samt med storleken på kontaktytorna. Detta kan enkelt mätas genom att mäta grundvattnets elektrolytiska ledningsförmåga. På basis av ledningsförmågan kan man få en uppfattning om hur stor andel långtransporterat och djupt grundvatten det kan röra sig om. Denna andel ökar ju längre ner i avrinningsområdet man befinner sig. Ju äldre grundvatten, desto större elektrolytisk ledningsförmåga (Grip & Rodhe, 1985).
2.2 Några vanliga typprofiler för grundvatten
För att tydligare visualisera grundvattenläget med tyngdpunkt på Uppland kommer några vanliga typprofiler för detta område att beskrivas. Utgångspunkten för beskrivningen är de ovan diskuterade ämnena. Nedan ses en bild (figur 8) över en typisk terrängprofil i Uppsalatrakten, dock med kraftigt överdriven topografi och lagertjocklek (SGU, 2012). Denna kommer att användas som utgångspunkt i beskrivningarna nedan. Uppland kännetecknas av berg i dagen, morän och leror. Rullstensåsarna utgör annorlunda inslag i terrängen. Området är småkuperat med ytligt berg och morän på höjderna samt finare sediment i sänkorna. De postglaciala samt de yngre jordarterna underlagras vanligen av morän. Hela området befinner sig under högsta kustlinjen (Winnerstam, 2005). Generellt präglas grundvattnet i Uppland av de kalkhaltiga, och därför lättvittrade, jordlagren. Dessa gör att sur nederbörd lätt kan neutraliseras och att ämnen som kalcium och magnesium hittas i relativt riklig mängd i grundvattnet (Aastrup et al, 1995).
11
Figur 8: Typisk terrängprofil för Uppsalatrakten (SGU, 2012, med tillstånd).
2.2.1 Moränsluttning
Bland de osorterade jordarterna är morän den mest prominenta. Här tas grundvattenförhållandena upp i den mycket vanliga jordprofilen, nämligen mark där moränen är blottad och besitter mer eller mindre lutning. Moränens undre del har kontakt med berggrunden. Dessa områden är oftast av inströmningskaraktär eftersom blottad morän generellt återfinns i de högre delarna av landskapet.
Grundvattenmagasinet i dessa profiler fylls alltså främst på från nederbörden, men givetvis också till viss del från tillströmmande grundvatten från områden uppströms ju längre ner i landskapet man rör sig.
Morän bildades då äldre jordarter och krossat berg avlagrades av inlandsisen. Detta material togs upp av isen, fraktades i olika utsträckning för att sedan avlagras på en annan plats. Till följd av detta är morän en hårt packad och mycket osorterad jordart, med kornstorlekar som varierar från ler till block. Vilka kornstorlekar som dominerar beror på utgångsmaterialet samt transportlängden.
Beroende på kornstorlekssammansättningen, packningsgraden samt sprickigheten kan morän besitta en mycket varierande permeabilitet. I morän sker perkolationen lättare längs berggrunds- och blockytor vilket gör att ett moränlandskap som innehåller mycket berg i dagen, har en högre infiltration än ett som inte gör det (Knutsson & Morfeldt, 1993).
Grundvattenytan i morän tenderar att följa markytan eftersom morän har relativt låg permeabilitet. Vid långa tider med liten vatteninströmning kommer grundvattenytan att planas ut allt mer och följaktligen kommer kopplingen mellan topografin och grundvattenytan så småningom att minska. Moränens ytform antas följa den underliggande berggrundens (SGU, 2012). Vid en lutande grundvattenyta kommer flödet att vara riktat nedströms. Flödet i de ytligare moränlagren kommer att vara högre än i de undre eftersom genomsläppligheten avtar med djupet i morän (Aastrup et al, 1995). Grundvattnets omsättningstid i moränjordar är ofta lång på grund av den låga genomsläppligheten (Grip & Rodhe, 1985).
Grundvattenkemin varierar beroende på moränens innehåll av mineral, kornstorleken, storleken på kontaktytorna, mäktigheten samt omsättningstiden. Dess mineralsammansättning beror av vilka bergarter det finns i närområdet. Även kornstorleken påverkas av detta genom att denna blir grövre om bergarterna är hårda (SGU, 2012). I Uppland är moränen generellt ganska blockig och grovkornig (vilket resulterar i en mindre yta som är utsatt för vittring) på grund av att bergarterna i området främst består av graniter och gnejser. Men en betydande del av moränen är av finkornigare
12 karaktär eftersom den innehåller rikligt med kalk som härstammar från Gävlebukten och har transporterats hit med inlandsisen (Biotopia, 2012). En moräntäckt topp övergår i en sluttning (dessa två bildar tillsammans inströmningsområdet) som slutligen övergår i ett utströmningsområde i form av en sänka där den övre jordarten ofta utgörs av en mosse. Mest vattentillförsel till magasinet kommer att ske på höjden och därför kommer grundvattnet i sluttningen att tillföras en stor andel av sitt vatten från tillströmmande grundvatten och en mindre andel från nederbörden. Detta gör att man redan i sluttningen bör kunna se att vattenprover innehåller en högre halt av vittringsprodukter samt har högre pH-värde (se avsnittet grundvattnets kemi) än vattnet på höjden. Detta blir tydligare om moränens mäktighet är stor och uppehållstiden på så sätt längre. Uppehållstiden främjas även av en liten kornstorlek varför grundvattnets pH-värde samt halt av vittringsprodukter beror mycket på om moränen i området har karaktär av lerig eller sandig morän. En lerig morän har dessutom stora kontaktytor med grundvattnet vilket ytterligare stärker detta förhållande till följd av intensiv vittring.
I typisk uppländsk småkullig moränterräng varvas moräntäcket ofta med berg i dagen. Detta ger nederbörden en genväg ner till grundvattnet i form av gränszonen mellan morän och berghäll. Här kan vattnet passera lite enklare vilket innebär att vatten som i mindre grad är påverkat av markens processer når grundvattnet.
2.2.2 Kärr och mossar
På vissa platser bildas torvjordar till följd av att antingen kärr och våtmarker växer igen eller till följd av att tidigare ”torr” mark försumpas genom grundvattentillströmning och/eller mycket nederbörd.
Torven bildas av dött organiskt material som ackumulerats. Ett annat ord som ofta används för torvjordarna är myrar. Myrarna indelas i kärr och mosse utefter varifrån de får sitt vatten. Kärren karakteriseras av att dess huvudsakliga vattentillförsel kommer från grundvattnet och mossarna av att de erhåller sitt vatten endast från nederbörden (SGU, 2012). Mossarna är tidigare kärr som vuxit på höjden så att växtligheten tappat kontakten med grundvattnet.
Eftersom de flesta kärr besitter en i stort sett horisontell yta kommer grundvattnet inte att vara särskilt rörligt i lateral riktning. Mossarna tar ofta fäste och börjar bildas på sådana lägen i terrängen
Figur 9: Kärrets och mossens uppbyggnad och grundvattennivåer (Grip & Rodhe, 1985, med tillstånd).
13 där kärret är aningen upphöjt och bildar en (mycket lokal) vattendelare. Allt eftersom mossen växer på höjden så kommer också grundvattenytan i denna att stiga. Detta leder till en högre grundvattenyta i mossen än i omgivningen och sålunda en skillnad i totalpotential som gör att vattnet vill röra sig neråt i profilen (från högre totalpotential mot lägre). Mossen är alltså ett inströmningsområde. I kärret ser förhållandena annorlunda ut. Antingen sammanfaller kärrets grundvattenyta med underliggande jords grundvattenyta eller alternativt kommer den underliggande jordens grundvattenyta (tryckyta) att ligga högre. Kärret är sålunda ett utströmningsområde. Se figur 9 ovan för illustrering av dessa förhållanden. Ju längre neråt man rör sig i torvprofilen, desto mera humifierad (nedbruten) kommer torven att vara. En ökad grad av humifiering leder till att porositeten och den hydrauliska konduktiviteten minskar. Grundvattnets omsättningstid i myren är lång.
I myrar som fungerar som utströmningsområde (det vill säga kärr) kommer grundvattnet att ha ett stort innehåll av metallkatjoner samt ett högre pH-värde. I mossar kommer grundvattnet direkt från nederbörden och är därför surare. Vitmossor som trivs på mossar bidrar dessutom till att grundvattnet blir ännu surare eftersom dessa innehåller ureonsyror vilka fungerar som jonbytare.
Ureonsyrorna fångar upp dessa katjoner ur nederbörden (som redan har mycket få av dessa) och ger istället ifrån sig vätejoner. Grundvattnet blir då ännu surare (Grip & Rodhe, 1985).
2.2.3 Isälvsavlagringar-åsar
Bland de sorterade jordarterna i Sverige utmärker sig rullstensåsar särskilt med anledning av deras höga permeabilitet. Upplands rullstensåsar bildades under istiden då isen började smälta och det sålunda strömmade mycket vatten. Vattnet formade enorma älvar som rann under isen och förde med sig mycket material. När älven närmade sig isens mynning minskade hastigheten och material avsattes. Eftersom det handlar om vattentransporterat och –avsatt material är det av sorterad karaktär. Dessa åsar karakteriserar dagens landskap i Uppland och de är dessutom oumbärliga ur vattenförsörjningssynpunkt (SGU, 2012). Längs åsarnas sidor och längre ner i terrängen finner man ofta glacial lera som avsattes när området befann sig under havsytan. Denna överlagrar ofta åsmaterialet som sträcker sig ut från dess sidor. När åsen och leran tids nog höjdes upp ur havet bearbetades åsen av vågor med resultatet att (främst) sand svallades ur. Denna sand hittas därför ofta som en ”svallkappa” runt åsens sidor, ovanpå leran. Närmast åsen kan sanden uppnå en tjocklek på flertalet meter. Dock kommer dess mäktighet att minska ju längre bort från åsen man rör sig (Winnerstam, 2005). Lagerföljden runt åsen illustreras i figur 10 nedan.
Figur 10: En grusås med en typisk lagerföljd längs dess sidor (Tremblay, 1990).
Eftersom åsarna består av sorterat material kommer permeabiliteten att vara relativt hög.
Följaktligen kommer det perkolerande vattnet att snabbt färdas genom profilen och nå grundvattnet.
14 Grundvattenytan ligger ofta ganska djupt och följer inte markytans form lika markant som den gör i morän. Uppehållstiden är trots detta ofta lång (Vatteninformationssystem Sverige, 2012).
Isälvsavlagringar fungerar som inströmningsområden från vilka grundvattnet strömmar vidare ut i omgivande jordarter. Exempelvis är det via dessa som omgivande moränlager får en stor del av sin grundvattentillförsel eftersom dessa är täckta av lera och sålunda är tillströmningen uppifrån ganska liten.
I Uppland är jordarna generellt ganska kalkrika vilket avspeglas i åsmaterialets sammansättning genom högt innehåll av kalcium och magnesium. Åsmaterialets kontaktytor med vattnet är dock relativt sett ganska små vilket medverkar till en lägre grad av vittring än i till exempel leror och följaktligen kommer grundvattnets halt av vittringsprodukter att vara lägre.
2.2.4 Lera
Lerorna täcker en stor del av de lägre belägna områdena i Uppland. Dessa avsattes under högsta kustlinjen på tillräckligt djupt vatten. Lerjordar har låg hydraulisk konduktivitet. Hur låg denna är beror av lerans karaktär, exempelvis hur liten kornstorleken är samt om lerjorden innehåller sprickor.
På grund av sin ringa porstorlek och låga genomsläpplighet håller jorden fast sitt vatten i mycket stor utsträckning och vattenströmning i lera sker sålunda väldigt långsamt om än alls. Kapillärkrafter gör att jorden suger åt sig grundvattnet vilket orsakar en stigning som gör att grundvattenytan verkar ligga högre än den egentligen gör. Ett lerskikt fungerar ofta som ett lock för underliggande jordarter som fallet i figur 8. Detta hindrar till viss del vattnet i moränen eller isälvsmaterialet från att tränga uppåt. Lerjordarna får sitt vatten främst från nederbörden eftersom grundvatten från intilliggande jordarter inte väljer att strömma in i leran på grund av dess låga permeabilitet. Grundvattnet i leran är ofta gammalt eftersom genomströmningen är minimal, vid mycket nederbörd kommer vattnet att rinna av på ytan istället för att infiltrera. På grund av den långa omsättningstiden kan grundvattnet i leran ha en högt pH-värde och en hög halt vittringsprodukter. Kornstorleken och de stora kontaktytorna bidrar också till detta.
2.2.5 Ytlig berggrund
Grundvattnets rörelse i berggrund är först och främst beroende av om det handlar om kristallint eller sedimentärt berg. Sedimentära bergarter kan i flera fall fungera som utmärkta akviferer på grund av deras porsystem. Dessa kommer dock inte att ges något större utrymme här eftersom fokus ligger på Uppland och följaktligen på kristallin berggrund. Kristallint berg däremot är i de flesta fall i sig helt impermeabelt. Dock fungerar kristallin berggrund ofta som grundvattenförråd och detta beror på ett ofta existerande system av sprickor och krosszoner. Sprickornas frekvens, inbördes geometri samt öppenhet påverkar vattnets möjlighet till lagring samt rörelse i berggrunden. Basiska bergarter som gabbro är segare än sura bergarter som granit och gnejs och därför är de generellt också sprickfattigare. Ett kraftigt tektoniskt deformerat område kommer dock att vara rikt på sprickor oavsett vilken bergart det rör sig om. Ju äldre en bergart blir desto mindre permeabel blir den i allmänhet till följd av att diverse omvandlingar gör den tätare (mineral fälls ut i sprickorna till exempel).
En av de bergarter som dominerar i Uppland, nämligen granit tenderar att spricka upp på ett regelbundet vis i tre dimensioner. Detta resulterar i sammanhängande sprickzoner vilket är gynnsamt för grundvattenrörelse. I den andra dominerande bergarten, gnejs, ser spricksystemet ofta annorlunda ut. Det sammanfaller ofta med skiffrighetsplanen och sålunda erhålles sprickor i endast två dimensioner utan den sammanlänkande sista dimensionen. Detta kan resultera i att varje spricka
15 isoleras och bildar en enskild vattenförande kanal. I sådana fall där skiffrigheten är nära vertikal blir det då mycket svårt att finna grundvatten i berggrunden vid borrning (Knutsson & Morfeldt, 1993).
Grundvattnets rörelse i berggrunden är följaktligen mycket svår att förutsäga eftersom den följer helt andra regler än strömningen i jord. Att utreda hur sprickorna är kopplade till varandra kan vara svårt. Att använda sig av plötsliga tryckskillnader i grundvattnet vid borrningsingrepp samt eventuella temperaturskillnader mellan vattnet kan ge en ledning. Existerande spricksystem kan även de vara till hjälp.
Hur salt grundvattnet är mäts i halten klorid i vattnet. Som tidigare nämnts innehåller vattnet alltid en viss halt salt men denna halt är vanligen mycket låg. Denna halt kan under vissa omständigheter höjas avsevärt och betydande kloridhalter kan uppnås. Orsaker till detta är dels inträngning av havsvatten i brunnar, dels relikt saltvatten i områden som tidigare varit täckta av hav.
Relikt saltvatten är ett mycket vanligt fenomen i djupare brunnar i Uppland på grund av det faktum att Uppland för inte så länge sedan varit täckt av hav (Knutsson & Morfeldt, 1993).
2.3 Grundvattenundersökning
Det kompletta förfarandet i fält kan indelas i föjande steg: installation av grundvattenrör, renspumpning, nivåmätning, omsättningspumpning, provtagning, eventuella fältanalyser samt provhantering. Vattenprovtagning kommer främst att behandlas med avseende på oorganiska ämnen i detta projekt eftersom det är dessa som kommer att vara mål för undersökningen.
2.3.1 Grundvattenrör
Nedan ses en schematisk bild (figur 11) av ett grundvattenrör med kringfyllning. Detta är ett sofistikerat arrangemang som tillåter provtagning av grundvattnet med stor noggrannhet utan inblandning av finpartiklar som tar sig in i röret. Om bara grundvattennivån skall studeras används vanligen ingen kringfyllning. Röret i figuren är installerat med en metod som tillåter upprättning av en kringfyllning (sandfilter) runt rörfiltret. Ovan sandfiltret tätas gapet mellan rörvägg och borrhålsvägg med lämpliga material för varje segment. Den delen av röret nedan som befinner sig ovan mark är försett med ett så kallat skyddsrör. Detta är ett alternativ om skadegörelse på rören kan befaras i området (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Längst ner är röret försett med ett kort så kallat blindrör (också benämnt bottensump) i vilket det är meningen att partiklar skall kunna sedimentera. På detta vis kommer filtret inte att fyllas upp av material. Allra längst ner sitter en bottenplugg (Naturvårdsverket, 1994).
16
Figur 11: Exempel på grundvattenrör och dess olika delar (Naturvårdsverket, 1994).
2.3.1.1 Val av grundvattenrör
När typen av samt utformningen på grundvattenrören väljs bör parametrar som rörmaterial, rördiameter, slitsstorlek på filterdelen, filterlängd samt eventuellt tätningsmaterial runt röret väljas.
Vilket rörmaterial som används beror på vilka ämnen som skall undersökas samt vilken installationsmetod man är tvungen att använda sig av. Även kostnaden spelar givetvis en viktig roll.
För provtagning av grundvatten används vanligen rör tillverkade av HDPE, PVC eller rostfritt stål.
Dessa kan vara mer eller mindre bra beroende på vilka ämnen man skall undersöka. För oorganiska vattenanalyser rekommenderas i första hand HDPE eller PVC. Dessa plaströr bör absolut vara ofärgade eftersom de annars kan avge metaller som påverkar provtagningsresultatet. Dock kommer rörmaterialet att spela mindre roll om rören omsättningspumpas på ett korrekt vis innan provtagning sker.
Rörens diameter dimensioneras först och främst så att provtagningsutrustningen får plats.
Vidare räcker det oftast med en mindre diameter vid oorganiska analyser eftersom dessa inte kräver så stora vattenmängder och följaktligen kan klara sig med en liten vattentillrinning (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). I allmänhet bör den minsta tänkbara diametern väljas eftersom detta minskar behovet av omsättningspumpning samt representerar närmiljön på ett bättre sätt (Naturvårdsverket, 1994). Längden på rörets perforerade del (filterlängden) vägs mellan och anpassas efter huruvida provtagning skall ske vid ett bestämt djup eller om vattentillströmningen skall vara rikligare. Det sistnämnda gynnas av ett längre filter. Slitsstorleken på filterdelen anpassas efter omgivande jords kornstorlek. Helst skall 90 % vara av en sådan kornstorlek att de inte kan passera slitsarna. Eftersom de flesta jordar har en hög andel material av sådan storlek att detta inte är praktiskt genomförbart så installeras ofta ett sandfilter som omger grundvattenrörets filter, det vill säga dess perforerade del (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Detta sandfilter har följaktligen som uppgift att hindra finpartiklar från att tränga in i röret och påverka vattenprovtagningen samt förhindra att röret sätts igen (Naturvårdsverket, 1994). Sandfiltrets kornstorlek väljs efter slitsstorlek samt omgivande jords kornstorlek. Sandfiltret bör ha en genomsnittlig kornstorlek som är dubbelt så stor som den omgivande jordens genomsnittliga kornstorlek. Slutligen placeras tätningsmaterial runt röret vid behov. Detta görs för att förhindra ytligt vatten från att sippra ner längs rörets kanter och
17 på så sätt påverka provtagningen. Olika tätningsmaterial är exempelvis bentonitpellets, bentonitgranular, cement eller helt enkelt tät jord. Under grundvattenytan rekommenderas de förstnämnda medan de senare används ovan grundvattenytan. Använda material bör vara sådana att de inte kan påverka provtagningsresultatet (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
2.3.1.2 Rörinstallation
Använda metoder för rörinstallation anpassas efter jordarten i området samt efter krav på rörens egenskaper. Det existerar en mängd olika metoder för rörinstallation. I jord installeras grundvattenrör antingen genom neddrivning (med tryckkraft eller slagning) eller genom att borra ett hål först och sedan föra ner röret.
De olika tillvägagångssätten för grundvattenrörsinstalltion indelas ofta i torra, våta och tryckluftsmetoder. Vilken kategori en metod klassas som, beror på vilken typ av spolmedel som används (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Denna indelning används vanligen i miljötekniska sammanhang men används långt ifrån alltid i första hand. Metoderna inom vilka man använder sig av borrning delas vanligen grovt in i hammar- och rotationsborrning eftersom de är de mest använda i Sverige (Naturvårdsverket, 1994). En närmare beskrivning baserad på de olika indelningssätten kan läsas nedan. Valet av metod beror bland annat på vilka ämnen som skall analyseras, jordart, rörmaterial samt hurudant filter som skall användas. Grundvattenrör installeras sällan i lera på grund av det låga vattenflödet.
Vid en sådan rörinstallation, där själva borrhålet borras först och grundvattenröret sedan installeras däri, används ofta foderrör för att underlätta arbetet eller förbättra resultatet. Foderrör är stål- eller plaströr som förs ner i borrhålet alltmedan borrningen fortgår. Foderrören kopplas samman genom svetsning eller gängning och bildar ett sammanhängande rör som förhindrar jord från att rasa ner i hålet samt ytligt grundvatten från att rinna ner (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Borrkronan avancerar genom marken precis framför foderrörets nedre del. Samtidigt trycks, slås eller roteras foderröret neråt i marken (Naturvårdsverket, 1994). Användningen av foderrör ger en stor valfrihet när det gäller eventuell tätning runt röret samt installation av sandfilter (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Att jord hindras från att rasa ner är viktigt både ur en miljöteknisk samt ur en rent teknisk synvinkel. Dels skulle nedrasande jord kunna förorena nedre belägna lager och dels skulle det försvåra hela borrningen om borrhålet konstant rasade in. Allra störst är risken för ras i grus- och sandjordar under grundvattenytan (se figur 12 nedan). I fast lera däremot är risken mycket liten (Naturvårdsverket, 1994).
18
Figur 12: Illustration av borrning med respektive utan foderrör. Markprofilen består av (uppifrån och ned) grus, lera och sand (Naturvårdsverket, 1994).
Torra-, våta- och tryckluftsmetoder
Inom torra metoder används inget spolmedel och neddrivningen av rör sker helt mekaniskt. Detta är en enkel och relativt billig metod beroende på aktuella förhållanden. Den används också med fördel om ett eventuellt spolmedel misstänks komma att påverka provtagningen. Vanliga torra metoder är neddrivning av rör, skruvborrning samt augerborrning. Den förstnämnda är en billig och snabb metod som helt enkelt innebär att röret slås ner till önskat djup. Vanligen kräver detta mekanisk hjälp (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001). Metoden fungerar i lera, silt, lös sand och i vissa fall även i grusåsar. Krav ställs här på rörmaterial eftersom metoden är svår att utföra med plaströr då dessa tenderar att brista (Naturvårdsverket, 1994). Grundvattenrören har en sluten eller löstagbar spets (Knutsson & Morfeldt, 1993). Användandet av en löstagbar spets innebär att eventuella föroreningar av spetsen från ovan liggande jordlager kan undvikas (Naturvårdsverket, 1994). Skruv- samt augerborrning beskrivs under ”hammar- och rotationsborrning” nedan.
I de våta metoderna används, som namnet antyder, ett spolmedel med vilket jorden spolas upp ur hålet. Vatten, skum eller någon annan borrvätska kan användas. Om grundvattnet skall undersökas kemiskt bör denna metod användas med försiktighet eftersom spolvätskan kan påverka grundvattnets kemiska sammansättning. Därför är det viktigt att i förtid säkerställa att grundvattnet inte kommer att påverkas med avseende på de undersökta parametrarna om man ändå ämnar använda sig av en dylik metod. Även om endast vatten används som spolvätska kan det komma att påverka eftersom dess sammansättning vanligen avviker från grundvattnets. Påverkan kan också ske genom det faktum att spolmedlet är syresatt och följaktligen kan metaller komma att fällas ut och nedbrytningen av organiskt material komma att öka om grundvattnet ursprungligen var syrefritt. En vanlig våt metod är rotationsborrning med direktspolning vilken beskrivs under ”hammar- och rotationsborrning” nedan.
Vid tryckluftsmetoder kommer jorden att blåsas upp ur hålet med hjälp av en tryckluftskompressor. Detta resulterar i att marken och grundvattnet luftas vilket bör tas i beaktande. Dessutom används vanligen olja i flera typer av kompressorer, och denna kommer till viss del att spridas till marken vilket inte är bra ur en miljömässig synvinkel. En vanlig tryckluftsmetod är hammarborrning vilken beskrivs nedan (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
19 Hammar- och rotationsborrning
Det finns olika hammar- och rotationsborrningsmetoder. Var och en av dessa kan dessutom indelas som antingen torr, våt eller tryckluftsmetod men här läggs istället fokus på vilken teknik som används för själva borrningen (Naturvårdsverket, 1994).
Hammarborrning är den vanligaste borrningsmetoden i dagens Sverige. Metoden kan utföras i de flesta typer av jord men är extra lämplig i svårframkomligt material, så som blockrik morän och i berggrunden. Hammarborrning går ut på att tryckluft driver en hammare vilken slår på en roterande borrkrona som därmed tvingas ner genom marken (Lindberg et al, 2009). Man skiljer mellan topp- och sänkhammarborrning. Topphammarborrning innebär att hammaren är placerad i borriggens topp varifrån den får falla ner mot borrkronan och på så vis tvinga ner den i marken. Vid sänkhammarborrning finns hammaren nere vid borrkronan där den drivs av tryckluft (se figur 13 nedan). Borrkronan är täckt med tänder av hårdmetall (Johan Lundberg AB). En vanlig teknik som används inom hammarborrning i jord är den så kallade Odexmetoden. I denna används en yttre ringborrkrona som för med sig ett foderrör vid borrning. Tryckluften för med sig borrkaxet (det lossborrade jordmaterialet) tillbaka upp ur röret.
Figur 13: Illustration över sänkhammarborrning med foderrör, som i detta fall sker horisontellt.
(Johan Lundberg AB, 2012, med tillstånd).
Rotationsborrning med vätskespolning används när djupa grundvattenrör skall installeras i diverse jordarter eller i berg. Borrkronan banar sin väg genom marken genom att rotera och på så sätt mala ner jord- eller bergmaterialet. Borrkaxet förs upp till markytan med hjälp av vatten. Detta är möjligt eftersom vattnet besitter en ökad viskositet genom tillsats av bentonitlera samt en organisk polymer (Lindberg et al, 2009). Skruvborrning innebär att en skruvborr roteras ner i marken. Metoden används oftast bara vid grunda djup eftersom borrhålet har en tendens att lätt rasa in under grundvattenytan. Jord från övre lager rasar ofta ner vilket i vissa fall kan vara ogynnsamt eftersom det kan påverka grundvattenkemin om lagren är förorenade. Augerborrning lämpar sig i lättframkomlig och mjuk jord och fungerar som så att en skruvborr roterar inuti ett skyddsrör (en typ av foderrör). Allt eftersom borrhuvudet avancerar genom jorden fraktas det bortborrade materialet bakåt i röret. Om man har höga krav på en bra rörinstallation är detta ett bra tillvägagångssätt eftersom det tillåter installation av såväl sandfilter som tätning runt röret på önskade nivåer (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
När röret är installerat skall det renspumpas. Denna pumpning utförs med en högre kapacitet än den som utförs senare vid provtagning. Vid fall av finkornig jord bör dock försiktighet iakttas vid pumpningen så att inte finkornigt material dras in i onödan. Renspumpningen avslutas när det
20 uppumpade grundvattnet är klart. Efter renspumpning bör röret få ”vila” i några dagar så att jämvikten hinner återställas innan den egentliga provtagningen kan ske (Naturvårdsverket, 1994).
2.3.2 Nivåmätning
Nivåmätning av grundvattenytan utförs med hjälp av klucklod, graderad slang eller elektriska instrument. Klucklodet fästs vid ett måttband och sänks ner i grundvattenröret. På grund av att det är ihåligt med en öppen undersida kommer ett tydligt kluckljud att höras då det träffar vattenytan och avläsning kan ske. I en graderad slang blåser man medan man sänker ner den lodförsedda slangen i röret. När denna träffar vattenytan kommer det således att börja bubbla och då kan avläsning göras.
Om röret är mycket djupt eller miljön är bullrig kan det underlätta att använda sig av ett elektriskt instrument. På detta utgör en graderad dubbelledare måttbandet. På dessa ledare läggs en elektrisk ström vilket resulterar i att mätaren (en amperemeter) ger utslag då nederdelen av instrumentet når vattnet eftersom strömkretsen sluts då. Grundvattenytans nivå mäts relativt rörets övre kant. Värdet kan sedan relateras till en känd referensnivå eller markytan (Tremblay, 1990).
2.3.3 Provtagning 2.3.3.1 Förberedelser
När provtagning av grundvattnet skall göras är det viktigt att utförandet sker på rätt sätt. Då maximeras möjligheten att erhålla ett prov som är representativt för provtagningsplatsen vid den aktuella tidpunkten. Först och främst är det viktigt att ha grundläggande detaljer som rör provtagningskärl och hanterandet av de tagna proven under kontroll. Olika typer av analyser kräver olika provvolymer. Vissa biologiska analyser kan kräva vattenvolymer på upp till 1 m3, medan det kan räcka med under 100 ml för en analys av metaller. Att redan vid provtagningen ha klart för sig vilka detektionsgränser som förväntas är en fördel eftersom detta kan påverka mängden prov som krävs vid analysen. Rörande materialet på provtagningskärlet så gäller generellt glas för organiska analyser och plast för oorganiska. När metaller är mål för analysen bör en syradiskad plastflaska användas.
Reagensvätska kommer i vissa fall att vara nödvändigt att medföra eftersom en del prov bör konserveras redan i fält. De fyllda provtagningskärlen placeras slutligen i en kylväska väl skyddade för ljus och transporteras till laboratorium. Själva transporten av de tagna proverna från provtagningsplatsen till labbet bör inte vara alltför tidskrävande. Helst skall proverna vara på plats redan följande dag för att kunna förbehandlas och placeras i förvaring. Olika regler gäller dock för olika ämnesanalyser och dessa bör kontrolleras noggrant i god tid. Exempelvis kan vissa prov hålla i en vecka även i okonserverat tillstånd medan vissa håller endast i 24 timmar. Vidare är det viktigt för vissa analyser att provtagningskärlet har toppfyllts för att undvika närvaro av luft i kärlet (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
2.3.3.2 Utrustning
Det finns en mängd olika varianter av provtagningsutrustning. Vid valet av utrustning bör hänsyn tas till några faktorer. Först och främst bör utrustningens dimensioner och kapacitet vara sådana att den får plats i grundvattenröret och klarar av den stighöjden som krävs. Den bör dessutom vara av ett material som inte påverkar grundvattnet och dess kemiska sammansättning. Vidare bör utrustningens kapacitet vara tillräcklig för omsättningspumpning av det aktuella grundvattenröret.
Om den dessutom har ett reglerbart flöde är det en fördel eftersom röret bör omsättningspumpas (och provtagning bör ske) med så lågt flöde som möjligt för att undvika att finpartiklar dras med.
Exempel på olika provtagningsutrustningar samt en liten beskrivning av varje följer nedan.
21 Vattenhämtare eller bailer (se figur till höger) är den allra simplaste typen av provtagningsutrustning. Oftast består denna endast av ett rör som är försett med en backventil. I rörets topp sitter en lina vilken används för att föra ner vattenhämtaren i grundvattenröret. Att omsättningspumpa ett rör med denna typ av utrustning kan i de fall där rörets dimensioner är lite större bli en tidskrävande historia.
Vaterrapumpen utgörs av en styv slang som även den är försedd med en backventil i ena änden. Vid omsättningspumpning och provtagning sänks slangen ner i röret varvid små knyck gör att grundvattnet stiger upp i slangen. Här behöver vattnet inte komma i kontakt med luft vilket gör metoden lämplig med avseende på flyktiga ämnen.
Sugpumpen fungerar som så att grundvattnet utsätts för ett undertryck vilket tvingar det att stiga upp i en slang mot markytan. Denna metod fungerar ända ner till sju meter, sedan blir stighöjden för stor och en annan metod måste användas.
Tryckpumpen är en dränkbar pump som placeras under grundvattenytan och vattnet transporteras uppåt genom att pumpen trycker upp det med hjälp av membran, kolv, spiral, kugghjul eller gastryck. Membranpumpen är den mest använda. En stor fördel med denna typ av provtagningsutrustning är att flödet i många fall är reglerbart.
Piezometerprovtagare finns i olika varianter. Den vanligaste i Sverige är den så kallade BAT-provtagaren. Denna garanterar ett helt slutet system och sålunda är risken för kontaminering extremt liten. Kvaliteten på provet blir följaktligen hög.
BAT-systemet består av filterspets, evakuerad provbehållare samt dubbeländig kanyl (se figur 14 till höger). När grundvattenprov skall tas sänks provbehållaren ner tills den kommer i kontakt med filterspetsen. Då sticker den dubbeländiga kanylen ett hål dels i ett membran i provbehållaren, dels i ett membran i filterspetsen. Detta resulterar i att vatten strömmar in och fyller behållaren som sedan kan skickas på analys. På detta sätt kan prov tas från ett mycket väl definierat djup. Filterspetsen är permanent och får alltså vara kvar i marken i väntan på nästa analys. Med denna metod kan provvolymer på mellan 35 och 500 ml erhållas (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
2.3.3.3 Utförande
Vid själva provtagningen är hygienen en viktig faktor att ta i beaktande. All
utrustning bör rengöras noggrant före användning samt mellan de olika provtagningspunkterna. Att börja med den provtagningspunkt som förväntas ge lägst halter av ett undersökt ämne kan också vara en bra ide. Innan provtagningen påbörjas måste röret omsättningspumpas. Detta görs för att byta ut stillastående och påverkat grundvatten i och omkring röret mot nytt representativt sådant.
Röret bör tömmas på 3-5 rörvolymer (vattenvolym i röret från grundvattenytan till bottnen av röret).
Om rörvolymen är stor och/eller tillrinningen är liten kan detta vara tidskrävande. Använd utrustning bör anpassas efter detta. Vid mycket liten tillströmning är det till exempel inte lönsamt att använda sig av elektriskt driven pump utan istället används med fördel en bailer. I dessa fall måste provtagaren ofta nöja sig med att omsättningspumpa färre rörvolymer än rekommenderat. I de fall då det är möjligt att reglera omsättningspumpningen bör detta göras så att kapaciteten är en sådan att finpartiklar inte dras in i röret. I fall med extremt stora rörvolymer kan omsättningspumpningen förenklas genom att sänka ner slangen till en nivå just ovan den nivå där vattenintaget sker i röret. På detta sätt omsätts grundvattnet under slangen och representativa prover kan då tas vid samma nivå.
Figur 14: Illustration av BAT-systemet (Svenska Geotekniska Föreningen, 2001).
