UPTEC W09 013
Examensarbete 30 hp April 2009
Markförutsättningar för ytvatten- infiltration och grundvattenuttag
vid Nyköping-Oxelösunds vattentäkt
Martin Jansson
1
I Referat
Markförutsättningar för ytvatteninfiltration och grundvattenuttag vid Nyköping- Oxelösunds vattentäkt
Martin Jansson
Inom Nyköping-Oxelösunds vattentäkt finns problem med vattentillgången kring befintliga brunnsområden. Vatten som infiltreras i områdets infiltrationsbassänger verkar inte nå ut till uttagsbrunnar i önskad grad. Med hjälp av analyser och modellering har man uppskattat att ca 40 % av den totala volymen vatten som infiltreras inte når ut till de nuvarande
brunnsområdena. Problematiken med dålig infiltration-uttagseffektivitet samt för liten vattentillgång i nuvarande brunnsområden har lett till att en planering för nyetablering av infiltrations- och brunnsområden vid vattentäkten inletts. Som en del av denna planering har en undersökning av markförutsättningarna för ytvatteninfiltration samt grundvattenuttag inom olika delar av området genomförts.
För att undersöka förutsättningarna har markradarmätningar utförts. Tillsammans med befintlig borrhålsdata från området har markuppbyggnaden inom olika delar av vattentäkten tolkats utifrån uppmätta radargram.
Resultaten från tolkningarna visar på tre områden som skulle kunna vara lämpliga för ytvatteninfiltration. Dessa ligger mellan profiler där tolkningarna indikerar en eventuellt övervägande grovkornig markuppbyggnad. Inom två av dessa områden skulle troligtvis både sprinkler- och bassänginfiltration kunna användas. Inom det tredje skulle förmodligen endast bassänginfiltration kunna vara aktuellt. Resultaten från markundersökningarna visar även på två områden som möjligtvis kan vara lämpliga för grundvattenuttag.
För att vidare utreda de intressanta områdenas markuppbyggnad föreslås
borrhålsundersökningar för att verifiera de geologiska tolkningarna av markradardata.
Därefter bör nya markradarundersökningar genomföras för att utreda områdenas utbredning.
Som ett sista steg genomförs infiltrationsförsök eller provpumpningar.
Nyckelord: Markradar, georadar, Högåsen, Larslundsmalmen, bassänginfiltration, sprinklerinfiltration, radargram, vattentäkt, grundvattenuttag.
Institutionen för geovetenskaper, Luft-, vatten- och landskapslära, Uppsala Universitet, Geocentrum, Villavägen 16, SE-752 36 Uppsala, Sverige.
II Abstract
Soil conditions for surface water infiltration and ground water abstraction at Nyköping- Oxelösund water supply
Martin Jansson
At Nyköping-Oxelösund water supply there is a problem with the water availability
surrounding the existing well fields. Water that is infiltrated in the infiltration basins of the area does not seem to reach the extraction wells at the desired degree. With the help of analysis and modeling, it has been estimated that about 40% of the total volume of water infiltration is not reaching to the existing well fields. The problem with poor infiltration- abstraction efficiency and too small water availability in the current well fields has led to planning for construction of new infiltration and well fields in the water supply. As part of this planning, a study of soil conditions for surface water infiltration and ground water abstraction in different parts of the area has been carried out.
In order to test the soil conditions, ground penetrating radar (GPR) measurements have been performed. Together with existing borehole data from the field, the soil structure in different parts of the supply has been interpreted based on measured GPR data.
The interpretations indicate three areas that could be suitable for surface water infiltration.
These areas are located between profiles where interpretations indicate a possible dominant coarse-grained soil structure. In two of these areas, both sprinkler and basin infiltration could possibly be used. In the third area, only basin infiltration would probably be possible. The results of soil examination also indicate two areas that might be suitable for ground water abstraction.
To further examine the soil structure of the interesting areas borehole investigations are proposed in order to verify the geological interpretation of GPR data. Thereafter, new GPR surveys should be conducted to investigate the distribution of the areas. As a final step, infiltration tests or test pumping should be carried out.
Keywords: Ground penetrating radar, GPR, Högåsen, Larslundsmalmen, basin infiltration, sprinkler infiltration, water supply, ground water abstraction.
Department of Earth Sciences, Program for Air, Water and Landscape Sciences, Uppsala University, Geocentrum, Villavägen 16, SE-752 36 Uppsala, Sweden.
III Förord
Denna undersökning har genomförts på uppdrag av Nyköping-Oxelösunds
Vattenverksförbund (NOVF) genom SWECO Environment AB i Nyköping. Projektet utgör ett examensarbete omfattande 30 hp inom civilingenjörsutbildningen Miljö- & Vattenteknik vid Uppsala Universitet. Handledare har varit Yvonne Stiglund från SWECO Environment Stockholm. Ämnesgranskare har varit Bengt-Åke Nystrand och examinator har varit Allan Rodhe, båda från Institutionen för geovetenskaper vid Uppsala Universitet.
Till att börja med skulle jag vilja tacka min handledare Yvonne Stiglund samt Lars-Åke Svensson från NOVF för att ni gav mig möjligheten samt det stora nöjet att få arbeta med detta projekt. Det har varit väldigt lärorikt.
Många tack ges också till Kurt Boström, driftchef på Nyköping Vatten, för svar på alla frågor under projektets gång. Många tack ges även till alla på SWECO Nyköping som stöttat och ställt upp med rådgivning och instruktioner när så behövts.
Inom SWECO skall även ett extra stort tack ges till Mikael Hägg från SWECO Environment, Malmö Geologi och Grundvatten, som i början och i slutet av projektet starkt bidrog till att detta kunde genomföras och slutföras på ett så bra sätt som möjligt.
Om vi går utanför SWECO skulle jag vilja tacka Jaana Gustavsson från MALÅ Geoscience för ovärderlig rådgivning och tolkningshjälp. Inom MALÅ vill jag även rikta ett tack till Jan Lundmark för ditt serviceinriktade bemötande samt svar på alla frågor angående
markradarutrustning och tolkningsprogram.
Tack ges även till Anna Brunzell från Fugro Survey AS, Oslo, för inledande markradarutbildning samt råd och synpunkter kring mina tolkningar av mätdata.
Nyköping, mars 2009 Martin Jansson
Copyright © Martin Jansson och Institutionen för geovetenskaper, Uppsala Universitet UPTEC W09 013, ISSN 1401-5765.
Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala Universitet, Uppsala, 2009.
IV Populärvetenskaplig sammanfattning
Markförutsättningar för ytvatteninfiltration och grundvattenuttag vid Nyköping- Oxelösunds vattentäkt
Martin Jansson
Rent dricksvatten är en av våra viktigaste naturtillgångar, om inte den viktigaste. Dock är det långt ifrån alla människor i världen som har tillgång till just rent dricksvatten. På många platser kanske vattnet finns i marken men är svårt att komma åt. På andra kanske vattnet är mer lättillgängligt men resursen överutnyttjas med vattenbrist som följd. I Sverige är vi
överlag bortskämda med många och rikliga både yt- och grundvattenförekomster. Den senaste istiden har gett oss landskap med formationer som kan uppehålla mycket stora
vattenmängder. Vem skulle kunna tro att det kan uppstå vattenbrist inom ett sådant område?
Detta är dock fallet med Nyköping-Oxelösunds vattentäkt.
Nyköping-Oxelösunds vattentäkt, Högåsen kallad, ligger på en stor utflackad isälvsformation som heter Larslundsmalmen. Vattentillgången och uttagsmöjligheterna i området bedöms som mycket god enligt Sveriges Geologiska Undersökning (SGU). Vattnet som pumpas upp från området består dock endast till ca 20 % av naturligt grundvatten, resterande 80 % utgörs av konstgjort. Det konstgjorda grundvattnet produceras genom att ytvatten från en näraliggande sjö pumpas in till områdets infiltrationsbassänger. I dessa tränger vattnet ner i marken och blir, efter en viss tid, grundvatten. Trots att man varje dag producerar ca 12 000 m3 konstgjort grundvatten är vattentillgången kring täktens brunnsområden lägre än önskad. Det verkar helt enkelt som att det infiltrerade vattnet från infiltrationsbassängerna inte når fram till
brunnsområdena i tillräckligt stor utsträckning. Man kan alltså i viss mån säga att det råder brist på uttagbart vatten inom Nyköping-Oxelösunds vattentäkt. Analyser och modelleringar av grundvattenflöden i området har indikerat på att ca 40 % av det infiltrerade ytvattnet aldrig når fram till täktens brunnsområden. För att uppnå en bättre infiltration-uttagseffektivitet än den som uppvisas idag har Nyköping-Oxelösunds Vattenverksförbund (NOVF) börjat planera för en eventuell nyetablering av infiltrations- och brunnsområden inom vattentäkten. För att kunna veta var man med fördel skall placera sådana måste man ha en både omfattande och grundlig kunskap om områdets geologiska uppbyggnad samt vilka markförutsättningar för ytvatteninfiltration respektive grundvattenuttag som föreligger inom olika delar av området.
Denna undersökning har syftat till att klargöra just detta.
Syftet med denna undersökning har varit att undersöka vilka markförutsättningar för ytvatteninfiltration samt grundvattenuttag som föreligger inom olika delar av vattentäkten.
Två särskilt specificerade områden har undersökts mer noggrant, det ena, kallat undersökningsområde 1, avseende möjligheterna till ytvatteninfiltration och det andra, undersökningsområde 2, avseende förutsättningarna för grundvattenuttag. Dessutom har en allmängeologisk undersökning av den storskaliga ytnära markuppbygganden inom
vattentäktsområdet genomförts.
Undersökningsmetoden har gått ut på att försöka kombinera befintlig geologisk information i form av jordlagerföljdsdata från borrhål inom vattentäktsområdet med data från
markradarundersökningar. Utifrån denna kombination har en geologisk tolkning av den ytnära markuppbyggnaden inom olika områden genomförts. Denna har sedan legat till grund för bedömningar av markförutsättningar för ytvatteninfiltration respektive grundvattenuttag inom områdena.
V
Inom undersökningsområde 1 har ett område med eventuellt goda markförutsättningar för ytvatteninfiltration hittats. Profilavsnitt från området indikerar en troligtvis övervägande grov markuppbyggnad. Om så är fallet skulle detta område mycket väl kunna lämpa sig för en anläggning av någon form av infiltrationsområde. Både sprinkler- och bassänginfiltration skulle eventuellt kunna fungera.
Markförutsättningarna för grundvattenuttag inom undersökningsområde 2 är mycket svårbedömda med den använda undersökningsmetoden. Markradardata kan inte ge några tydliga indikationer på uttagsmöjligheter samtidigt och borrhålsdata saknas helt i området.
Områdets lämplighet för grundvattenuttag kan därför varken förkastas eller bevisas.
Den allmängeologiska undersökningen pekar ut två större områden som intressanta. I det ena finns eventuellt möjligheter både till grundvattenuttag samt infiltration. Ett längre stråk av eventuellt grövre material finns i området. Här skulle möjligheterna till infiltration, framför allt bassänginfiltration men kanske även sprinklerinfiltration, kunna vara goda. Om stråket dessutom utgör en del av en längre formation skulle även uttagsmöjligheterna kunna vara goda kring denna. Ytterligare ett område som kan vara intressant för grundvattenuttag har hittats i samma del av vattentäkten.
Det andra området som den allmängeologiska undersökningen pekar ut som intressant utgörs av ett större område av troligtvis lite grövre material. Inom detta område bedöms
möjligheterna för ytvatteninfiltration som goda. Troligtvis bör man använda sig av infiltrationsbassänger för att kunna lyckas med infiltrationen inom området.
Från dessa inledande undersökningar av markuppbyggnaden och markförutsättningarna inom Nyköping-Oxelösunds vattentäkt bör vidare utredningar i from av borrhålsundersökningar för verifiering av geologisk tolkning av markradardata genomföras. Man borde även utföra ytterligare markradarmätningar för att undersöka utbredningen av intressanta områden och formationer. Slutligen bör infiltrationsförsök respektive provpumpningar genomföras för att slutgiltigt avdöma om ett visst område verkligen är intressant för anläggning av infiltrations- eller brunnsområden.
VI INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1. INLEDNING... 1
1.1. BAKGRUND ... 1
1.2. SYFTE... 2
2. TEORI ... 2
2.1. GEOLOGISK BAKGRUND ... 2
2.1.1. Klassificering av jordlager... 2
2.1.2. Subakvatiska isälvsavlagringars uppkomst och uppbyggnad ... 3
2.2. HYDROGEOLOGISK BAKGRUND ... 5
2.2.1. Grundvattenmagasin vid isälvsformationer ... 5
2.3. MARKFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR INFILTRATIONSOMRÅDEN ... 5
2.3.1.Bassänginfiltration ... 5
2.3.2. Sprinklerinfiltration... 7
2.3.3. Djupinfiltration... 7
2.4. MARKFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR BRUNNSOMRÅDEN ... 8
2.5. TEORI MARKRADAR ... 9
2.5.1. Markradarns funktion och uppbyggnad... 9
2.5.2. Dielektricitetskonstanten och EM-vågors utbredningshastighet ... 11
2.5.3. Begränsningar i nedträngningsdjup samt djuppenetrationens frekvensberoende. 12 2.5.4. Upplösningens frekvensberoende... 13
2.5.5. Tolkning av radargram ... 13
3. MATERIAL OCH METODER ... 14
3.1. OMRÅDESBESKRIVNING ... 14
3.1.1. Områdets geografi... 14
3.1.2. Områdets geologi ... 15
3.1.3. Områdets hydrogeologi... 17
3.2. UNDERSÖKNINGSOMRÅDEN... 17
3.3. TIDIGARE GEOLOGISKA UNDERSÖKNINGAR I OMRÅDET... 17
3.4. TILLGÄNGLIG DATA... 18
3.5. UNDERSÖKNINGSMETOD... 18
3.6. FÄLTMÄTNINGAR ... 19
3.6.1. Mätutrustning och inställningar... 19
3.6.2. Förarbete... 19
3.6.3. Profiler ... 20
3.7. PROCESSERING AV RADARGRAM... 21
4. RESULTAT ... 22
4.1. DJUPSKALOR I RADARGRAM ... 22
4.2. GEOLOGISK TOLKNING AV UPPMÄTT MARKRADARDATA... 22
4.2.1. Exempel på lättolkade radargram... 23
4.2.2. Exempel på svårtolkade radargram... 25
5. DISKUSSION ... 27
5.1. SAMMANTAGEN BEDÖMNING AV MARKUPPBYGGNAD INOM VATTENTÄKTSOMRÅDET ... 27
5.1.1. Markuppbyggnad i undersökningsområde 1... 27
5.1.2. Markuppbyggnad i undersökningsområde 2... 27
5.1.3. Markuppbyggnad i övriga områden... 28
VII
5.2. BEDÖMNING AV MARKFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR INFILTRATION OCH
GRUNDVATTENUTTAG INOM VATTENTÄKTSOMRÅDET... 29
5.2.1. Markförutsättningar för infiltration i undersökningsområde 1 ... 29
5.2.2. Markförutsättningar för grundvattenuttag i undersökningsområde 2 ... 30
5.2.3. Markförutsättningar i övriga områden ... 30
5.3. UTVÄRDERING AV MARKRADAR SOM MÄTMETOD ... 31
5.3.1. Allmänt omdöme... 31
5.3.2. Källor till eventuella feltolkningar... 31
6. FÖRSLAG TILL VIDARE UNDERSÖKNINGAR ... 32
6.1. INTRESSANTA OMRÅDEN ... 32
6.2. TILLVÄGAGÅNGSSÄTT FÖR VIDARE UNDERSÖKNINGAR... 33
7. SLUTSATSER... 35
8. REFERENSER ... 36
BILAGA 1. JORDLAGERFÖLJDER FÖR BORRHÅL... 38
BILAGA 2. TOLKNINGSPROFILER FRÅN SGU... 39
BILAGA 3. MÄTINSTÄLLNINGAR FÖR MARKRADARSYSTEM ... 42
BILAGA 4. GEOLOGISKA TOLKNINGAR OCH RADARGRAM... 43
BILAGA 5. ÖVERSIKT AV GEOLOGISKA TOLKNINGAR AV MARKRADARDATA ... 100
BILAGA 6. INTRESSANTA OMRÅDEN FÖR VIDARE UNDERSÖKNINGAR ... 101
1 1. INLEDNING
1.1. BAKGRUND
Nyköpings och Oxelösunds kommun försörjs med dricksvatten från vattentäkten Högåsen, belägen på en isälvsavlagring som heter Larslundsmalmen, ca 8 km väst om Nyköping stad.
Vattenförsörjningen säkerställs genom Nyköping-Oxelösunds Vattenverksförbund NOVF vilket ansvarar för vattenproduktionen vid täkten. Det producerade dricksvattnet består i medeltal av 80 % konstgjort grundvatten och 20 % naturligt (Svensson, muntligt medd.). För att skapa konstgjort grundvatten pumpas ytvatten från sjön Yngaren, ca 10 km nordväst om Högåsen, in till infiltrationsbassänger inom vattentäktsområdet. Där infiltreras ytvattnet i marken varpå en stor del sedan perkolerar och blir grundvatten. I medeltal infiltreras 12000 m3 sjövatten/dygn.
I dag ligger grundvattenuttaget och dricksvattenproduktionen på ungefär 12000–14000 m3/dygn men man har ett tillåtet maximalt uttag enligt dom på 37000 m3/dygn (Svensson, muntligt medd.). Den nuvarande maximala uttagskapaciteten är beräknad till 22 800 m3/dygn.
Uttagskapaciteten begränsas dock till viss del av grundvattnets naturligt höga halt av järn- och manganföreningar. Dessa medför nämligen att vattnet måste luftas för att en oxidering och utfällning av oönskat järn och mangan skall ske (Svensson, muntligt medd.). För att denna process skall ge en önskvärd oxideringsgrad krävs en viss tid mellan luftning av vattnet och uttaget av samma vattenvolym. Denna tid är en faktor som begränsar uttagsmöjligheterna och därigenom sänker uttagskapaciteten inom de nuvarande brunnsområdena.
Förutom järn- och manganproblematiken förekommer även problem med vattentillgången kring de nuvarande brunnsområdena. Vatten som infiltreras i områdets infiltrationsbassänger verkar inte nå ut till vattentäktens uttagsbrunnar i önskad grad. Med hjälp av analyser och modellering har man uppskattat att ca 40 % av den totala volymen vatten som infiltreras inte når ut till de nuvarande brunnsområdena (Boström, muntligt medd. (a)). För att öka
vattentillgången inledde NOVF under slutet av 2006 ett infiltrationsförsök med
sprinklersystem i närheten av ett av dessa områden. Förhoppningen var att det lilla avståndet, ca 150–200 m, mellan brunnsområdet och sprinklersystemet, vilket upptar en yta om ca 1–1,5 ha, skulle bidra till att det infiltrerade vattnet verkligen nådde uttagsbrunnarna. Resultatet från försöken blev dock inte alls som man hoppades på, främst på grund av att önskad ökning av vattentillgången i området uteblev. Dessutom, vid pumphastigheter på ca 1500 m3/dygn, upptäckte man i början av försöket att vatten strömmade ut ur en slänt ca 250 m från försöksområdet. Samtidigt bildades större vattenansamlingar på marken kring
sprinklersystemet. Efter dessa inledande försök ändrades sprinklersystemets position något samtidigt som pumphastigheten sänktes till ca 200 m3/dygn. Trots dessa ändringar erhöll man fortfarande ingen markant ökning av vattentillgången samtidigt som vattenansamlingar fortfarande uppkom. I januari 2009 togs sprinklersystemet därför ur bruk. I nuläget är det oklart om det blir någon fortsättning på infiltrationsförsöken.
Problematiken med dålig infiltration-uttagseffektivitet samt icke önskad vattentillgång i nuvarande brunnsområden har lett till att NOVF börjat planera för en nyetablering av
infiltrations- och brunnsområden vid Högåsen. Härav har ett behov av att undersöka områdets geologiska uppbyggnad uppkommit.
För att undersöka geologiska förhållanden och möjligheter till anläggning av infiltrations- eller brunnsområden används i de flesta fall traditionell geoteknik i form av sonderingar via borrningar med klassificering av jordlagerföljder. Denna metod ger en väldigt precis bild av
2
hur marken är uppbyggd vid platsen för sonderingen. Nackdelen är dock att man endast erhåller diskret information om markuppbyggnaden i just den aktuella borrpunkten och att säkerheten i en skattning av markuppbyggnaden en bit bort från denna snabbt avtar med avståndet (Triumf, 1992). Dessutom är det väldigt kostsamt att noggrant undersöka ett större områdes kontinuerliga markuppbyggnad med hjälp av borrhållsprofiler på grund av det stora antalet sonderingar som då måste genomföras. För att minimera kostnaderna men ändå få en rimlig uppfattning av den kontinuerliga markuppbyggnaden kan man istället använda sig av geoteknik i form av geofysik. Exempel på lämpliga geofysiska metoder i dessa sammanhang är markradar (även kallad georadar), stångslingram eller CVES. Fördelen med geofysik är att man snabbt och till låga kostnader kan genomföra profilerande undersökningar över stora ytor. Säkerheten i de geofysiska resultaten i enskilda punkter blir dock sällan lika bra som med borrhålsprofiler. Detta uppvägs dock oftast av att man kan erhålla kontinuerliga tolkningar av markuppbyggnaden mellan två punkter med betydligt högre säkerhet än vad man får med skattningar utifrån borrhålsprofiler i dessa punkter. Allra störst säkerhet i den kontinuerliga tolkningen får man om man kombinerar geofysik och borrhålsprofiler.
Samtolkar man resultaten från de geofysiska mätningarna med borrhållsdata från ett antal punkter kan en relativt billig, omfattade, snabb och säker tolkning av ett områdes
markuppbyggnad erhållas.
1.2. SYFTE
Syftet med detta arbete är att med hjälp av geofysik i form av markradar samt
jordlagerföljdsdata från borrhål, undersöka markförutsättningar för anläggning av nya
infiltrations- och brunnsområden vid Nyköping-Oxelösunds vattentäkt. Särskilt skall området kring det misslyckade sprinklerinfiltrationsförsöket samt ytterligare ett område undersökas.
Det första skall undersökas med avseende på markförutsättningar för ytvatteninfiltration medan det andra skall undersökas med avseende på markförutsättningar för grundvattenuttag.
Dessa områden är av särskilt intresse för NOVF ur tillgänglighetssynpunkt (närhet till existerande vägnät samt elförsörjning) samt närhet till redan fungerande brunns- och infiltrationsområden. Det senare tror man ökar chanserna för att de angivna
undersökningsområdena skall vara lämpliga för ytvatteninfiltration respektive
grundvattenuttag. Vidare skall en mer allmängeologisk undersökning av vattentäktens markuppbyggnad genomföras. Syftet med denna är att försöka hitta storskaliga
markstrukturer och system som kan vara lämpliga för infiltration eller grundvattenuttag.
2. TEORI
2.1. GEOLOGISK BAKGRUND
2.1.1. Klassificering av jordlager
Jordlagers sammansättning kan klassificeras dels efter hur de har bildats, dels efter deras kornstorlekssammansättning. I Sverige utgörs bildningsklassificeringen oftast av begreppen glaciala och postglaciala avlagringar. Glaciala avlagringar är jordlager som bildats genom påverkan av inlandsisens rörelser och mekanismer. Hit hör exempelvis isälvavlagringar och moräner. Postglaciala avlagringar har bildats genom omfördelning av tidigare avsatta jordlager utan inverkan av inlandsisen. Exempel på sådana jordar är olika former av svallsediment (Karlsson & Rosén, 1990).
3
Storleksklassificeringen kan utföras efter en rad olika kornstorleksskalor. I denna rapport används Sveriges geotekniska förenings fastställda kornstorleksskala. Denna anger och indelar jordarter enligt kornstorleksfördelning i tabell 1.
Tabell 1. Jordartsbenämningar efter kornstorleksindelning enligt Sveriges geotekniska förenings kornstorleksskala. Kornstorleksvärden är hämtade från Eriksson m.fl. (2005)
Övergripande benämning Indelning Kornstorlek [mm]
Block Grovblock >2000
Mellanblock 2000 - 600
Sten Grovsten 600 - 200
Mellansten 200 - 60
Grus Grovgrus 60 - 20
Mellangrus 20 - 6
Fingrus 6 - 2
Sand Grovsand 2 - 0,6
Mellansand 0,6 - 0,2
Finsand 0,2 - 0,06
Silt Grovsilt 0,06 - 0,02
Mellansilt 0,02 - 0,006
Finsilt 0,006 - 0,002
Ler --- <0,002
2.1.2. Subakvatiska isälvsavlagringars uppkomst och uppbyggnad
Eftersom Nyköpings kommun ligger under den högsta kustlinjen (HK), det vill säga den högsta nivån i dagens svenska landskap för vågpåverkade jord- och bergarter, så har samtliga isälvsavlagringar i kommunen bildats subakvatiskt (Karlsson & Rosén, 1990). Detta innebär att isälvstunnlarna helt legat under den dåvarande havsnivån och att allt material som
isälvarna förde med sig således avsattes i vatten i tunneln och vid isälvens mynning.
Inuti isälvstunneln samt vid dess mynning avsattes det grövsta materialet, sten, grus och sand, medan finkornigare material såsom silt och ler avsattes längre bort på djupare vatten där vattenhastigheten från isälven avtagit. Genom inlandsisens successiva tillbakadragande bildade det avsatta grovkorniga materialet sammanhängande isälvsformationer i form av rullstensåsar (se figur 1). När isfronten drog sig allt längre bort från en viss sektion på en sådan ås avlagrades allt mer finkorniga glaciala sediment, framför allt lera men även silt, ovanpå åsens grovkorniga kärna (Hanson, 2000). Genom den landhöjning som följde efter isens avsmältning omfördelades vissa av de glaciala sedimenten på åskrönen genom svallning via havets vågrörelser. Svallningen innebar att finkornigare sediment sköljdes ur grövre avlagringar vid den dåvarande havsstranden och sedimenterades under havsytan ovanpå de finkorniga glaciala avlagringarna (Hanson, 2000). Ju finkornigare material som sköljdes ur desto längre bort från stranden avsattes det. Det grövsta materialet, grovt grus och sten, blev kvar som strandavlagringar. Svallningsprocessen kunde på så sätt skapa utflackade
rullstensåsar (åsformationer med flack överyta) med på en del håll blottlagd grovkornig kärna omgärdad av finkornigare postglaciala svallsediment (se figur 1). Dessa isälvsformationer kan
4
vid omfattande svallning och stor grad av utflackningen vara svåra att urskilja rent topografiskt i terrängen på grund av avsaknad av karaktäristiskt åsutseende.
Under perioder då isfronten i praktiken stod still, på grund av reducerad avsmältning eller återkommande perioder av avsmältning följt av återfrysning, kunde isälvsavlagringar i form av isälvsdeltan, även kallade isranddeltan, bildas vid tunnelns mynning (Lindström m.fl., 2000). Dessa bildade större fält av främst sand och grus med en plan överyta. Formationer liknande isälvsdeltan kan också ha bildats i större kaviteter inuti isen.
Variationer i avsmältningsflöden under olika perioder av issmältningen, mängd- och storleksvariationer hos isens innehåll av jordmaterial samt svallningsprocesser har starkt påverkat hur subakvatiska isälvsformationer är uppbyggda. Avsmältningsflödets
periodvariationer skapade en kornstorleksskiktning hos det avsatta materialet genom olika storlek på flödeshastigheten. Vid lägre flödeshastigheter avsattes mer finkornigt material på formationen medan grovkorniga avlagringar dominerade vid främst högre hastigheter
(Lindström m.fl., 2000). Även mängd- och storleksvariationen hos det jordmaterial som isens olika lager innehöll bidrog till att skapa en skiktad uppbyggnad av formationernas kärndelar och en strukturmässig variation i kärndelarnas lager. Då delar av isen som innehöll
exempelvis mer stenigt material smälte fick även formationen en mer stenig karaktär i det lager som avsattes just då. Tillsammans kan variationer i avsmältningsflöden och isens jordmaterialsammansättning samt svallning vid landhöjningen ha skapat en väldigt komplicerad, varvig och utflackad uppbyggnad av isälvsformationer (Karlsson & Rosén, 1990).
Figur 1. Utvecklingen av en subakvatisk isälvsavlagring och dess närområde.
1. Smältvattnet söker sig ner i tunnlar under isen. I tunnlarna samt vid dessas mynning avsätts jordmaterial i åsformationer.
2. Isen har smält bort från området. Glaciala finsediment avsätts dock fortfarande i det djupa vattnet.
3. Området har via landhöjning torrlagts. Svallning har omfördelat glaciala sediment varvid postglacial avlagringar avsatts ovanpå de glaciala. Åsen har utjämnats.
Källa: Lindström m.fl. (2000), med tillstånd.
5 2.2. HYDROGEOLOGISK BAKGRUND
2.2.1. Grundvattenmagasin vid isälvsformationer
Svallningsprocesser har förutom utflackningen av subakvatiska isälvsformationer ofta även bidragit till att skapa skilda grundvattenmagasin vid dessa via omfördelningen av glaciala avlagringar. Generellt finns det minst två magasin vid en utsvallad isälvsavlagring; ett övre grundvattenmagasin i det utsvallade materialet ovanpå de finkorniga glaciala avlagringarna, vilka främst utgörs av lera, samt ett undre grundvattenmagasin i den egentliga
isälvsavlagringen (se figur 2). De finkorniga glaciala avlagringarna fungerar alltså som ett tätskikt mellan det övre och det undre magasinet (Hanson, 2000).
Figur 2. Grundvattenmagasin vid isälvsavlagring. Källa: Hanson (2000), med tillstånd.
2.3. MARKFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR INFILTRATIONSOMRÅDEN
Ytvatteninfiltration för konstgjord grundvattenbildning kan ske på olika sätt och med olika krav på platsspecifika markförutsättningar och markegenskaper. De vanligaste metoderna som är eller skulle kunna vara aktuella vid Högåsen samt markförutsättningarna för dessa beskrivs nedan. Beskrivningarna bygger i de flesta fall på information från Hanson (2000).
2.3.1.Bassänginfiltration
Konstgjord grundvattenbildning via ytvatteninfiltration i bassänger är en väl beprövad och utbredd metod. Cirka 65 anläggningar med bassänginfiltration finns i Sverige idag och de flesta av dessa är anlagda vid någon form av isälvsformation.
Vid bassänginfiltration pumpas ytvatten från någon näraliggande sjö eller större vattendrag in till en infiltrationsanläggning där vattnet, ofta via någon form av grovrensning av organiskt material samt luftning, samlas upp i en utgrävd bassäng (se figur 3). Vattnet infiltrerar sedan genom bassängens bottenmaterial vilket vanligen utgörs av ett 0,5–1 m tjockt utplacerat lager av långsamfiltersand. Därefter perkolerar vattnet genom den omättade markzonen ner till grundvattenzonen. Under infiltrations- och perkolationsprocessen renas vattnet från organiskt partikulärt och löst material via mekanisk filtrering i långsamfiltersanden, mikrobiell och bakteriell nedbrytning i marken samt adsorption till jordmaterialet. Även utfällning av löst järn och mangan sker så länge syretillgången i marken och vattnet är tillräckligt stor. Dessa reningsprocesser fortsätter även i grundvattenzonen. När vattnet sedan pumpas upp i någon uttagsbrunn är vattenkvaliteten oftast så pass god att det, endast med mindre
efterbehandlingar, är tjänligt som dricksvatten. I vissa fall kan man bli tvungen att lufta
6
grundvattnet i uttagsområdet innan man pumpar upp det på grund av att syrefria förhållanden i grundvattenzonen gjort att järn- och manganföreningar i marken reducerats och löst sig i vattnet.
Figur 3. Principskiss för bassänginfiltration, från intag till uttag. Källa: Hanson (2000), med tillstånd.
För att bassänginfiltrationen skall fungera krävs att markförutsättningarna är de rätta. Marken måste ha en stor permeabilitet, genomsläpplighet, för att vattnet skall kunna infiltrera genom ytskikten och sedan perkolera ned till grundvattenzonen. För att uppnå tillräckligt stor
permeabilitet krävs grovkornigt jordmaterial av sand eller grus. Inslag av tämligen tunna lager eller linser av finkorniga material, i form av silt eller lera, under infiltrationsbassängen kan hindra perkolationsflödet och på så sätt reducera infiltrationskapaciteten och eventuellt sätta hela infiltrationsbassängen ur funktion. Dessutom kan perkolationsflödet avlänkas med följd att vattnet kanske inte når fram till avsedda uttagsområden. Vidare, om reningen av det infiltrerade vattnet skall bli så omfattande som möjligt krävs i de flesta fall en lång uppehållstid i den omättade markzonen. Det är där som en stor del av reningen av vattnet sker. Detta kräver att den omättade zonen har en stor mäktighet det vill säga att avståndet från botten på bassängen till grundvattenytan är stort. Riktlinjer för hur pass stor denna mäktighet bör vara saknas men generellt kan man säga att ca tio meter är att rekommendera. Ofta kan sådana mäktigheter uppnås om bassängen anläggs i ett topografiskt högt läge i terrängen i ett område där marken består av grovkornigt material. En annan förutsättning som måste gälla för att det överhuvudtaget skall vara någon mening med att anlägga en infiltrationsbassäng, eller något annat infiltrationssystem, är att det grundvattenmagasin som vattnet infiltreras till har hydraulisk kontakt med existerande eller tilltänkta brunnsområden. Med detta menas att infiltration och grundvattenuttag skall kunna ske i samma grundvattenmagasin.
Sammantaget kan man alltså säga att lämpliga markförutsättningar för bassänginfiltration är grovkornigt material i form av sand eller grus med stor mäktighet och utan inslag av silt- eller lerlager. Vidare får avståndet från bassängbotten ner till grundvattenytan av reningsskäl ej vara för litet. Ett tiotal meter är att rekommendera. Dessutom måste grundvattenmagasinet som vattnet perkolerar till ha hydraulisk kontakt med existerande eller tilltänkta
uttagsbrunnar.
7 2.3.2. Sprinklerinfiltration
Ytvatteninfiltration via sprinklersystem är en tämligen ny metod i Sverige. Enda platserna där storskaliga sprinklerförsök utförts är vid Högåsen samt vid Forssjö i Katrineholms kommun (Boström, skriftligt medd.).
Metoden bygger på att ytvatten pumpas ut i rörledningar utplacerade på en naturlig markyta (naturmark). Via små hål i rörledningarna sprutas vattnet ut över markytan och infiltrerar genom denna (se figur 4). En stor skillnad mellan bassänginfiltration, där marken i olika grad är utgrävd, och sprinklerinfiltration är att vattnet med den senare passerar igenom markens naturliga jordmån och därigenom får tillgång till samma reningsförhållanden som den naturliga nederbörden. Detta medför bland annat en mycket effektiv avskiljning av vattnets järn- och manganföreningar. Däremot kommer vattnets halt av organiskt material att öka när det passerar igenom markens förna- och humuslager. Den största avskiljningen av organiskt material sker därför under markens övre lager och i grundvattenzonen. Innan uttag av vattnet kan det, av samma anledningar som vid bassänginfiltration, eventuellt behöva luftas.
Figur 4. Principskiss för sprinklerinfiltration. Källa: Hanson (2000), med tillstånd.
Markförutsättningarna som krävs för att lyckas med sprinklerinfiltration är i stort sett de samma som för bassänginfiltration. För en effektiv infiltration krävs sandigt eller grusigt markmaterial utan inslag av finkorniga silt- eller lerlager. Om det finns ytligare finkorniga lager kan dessa grävas bort vid anläggning av en infiltrationsbassäng. Detta kan man inte göra vid sprinklerinfiltration; här måste även de ytligare marklagren vara grovkorniga. För en så effektiv och omfattande rening av vattnet som möjligt, krävs även här en stor mäktighet på den omättade markzonen. Dessutom måste grundvattenmagasinet som vattnet perkolerar till självfallet även här ha hydraulisk kontakt med uttagsområden.
2.3.3. Djupinfiltration
I områden där det finns svåråtkomliga täta jordlager av silt eller ler i marken lämpar sig varken bassänginfiltration eller infiltration med sprinklersystem. Om man vill skapa
konstgjort grundvatten i sådana områden kan man istället använda sig av djupinfiltration av ytvatten. Metodens princip är att via brunnar, borrade igenom de täta lagren, infiltrera ytvattnet direkt ner i ett undre grundvattenmagasin i vilket uttagsbrunnar är placerade (se figur 5). På så sätt kringgår man alltså problematiken med de täta lagren. Innan vattnet
8
kommer till infiltrationsbrunnen är det vanligt att det först får passera genom en bottentätad reningsbassäng med långsamfilter. Under filtret avleder ett lager med dräneringsgrus samt dräneringsrör vattnet till infiltrationsbrunnen varpå vattnet alltså injekteras in i det undre grundvattenmagasinet.
Eftersom ytvattnet inte passerar igenom någon naturlig omättad markzon sker reningen av ytvattnet till största grad i filtersanden och i grundvattenzonen. Ett problem som ibland har uppkommit i samband med djupinfiltration är att infiltrationsbrunnarna har slammat igen på grund av utfällningar av järn- och manganföreningar samt avsättning av suspenderade finkorniga partiklar i det infiltrerade vattnet.
Figur 5. Principskiss för djupinfiltration. Källa: Hanson (2000), med tillstånd.
Djupinfiltrationens markförutsättningar är egentligen endast att det skall finnas en relativt mäktig grundvattenzon bestående av grovkornigt material i hydraulisk kontakt med existerande eller tilltänkta brunnsområden.
Djupinfiltration används idag endast vid ett fåtal anläggningar i Sverige.
2.4. MARKFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR BRUNNSOMRÅDEN
Generella markförutsättningar för brunnsområden är att uttagsbrunnarna skall ligga placerade så att de kan ta ut vatten ur ett grundvattenmagasin med stor uttagskapacitet. Sådana magasin ligger oftast i mäktiga marklager bestående av sand- eller grusmaterial. En annan
förutsättning är att tillrinningen av vatten till magasinet är så pass stor att detta kontinuerligt kan fyllas på när grundvattenuttag sker. Ibland, som vid Högåsen, räcker inte den naturliga grundvattenbildningen till vilket man då får kompensera för med konstgjord
grundvattenbildning. Om så är fallet måste man, enligt avsnitt 2.3., säkerställa att
brunnsområdet och dess uttagsbrunnar står i hydraulisk kontakt med infiltrationsområdena, det vill säga att vatten infiltreras till och tas ut ur samma geologiska formation och
grundvattenmagasin.
För att i så stor utsträckning som möjligt skydda vattnet inom och kring ett brunnsområde är det bra om detta är lokaliserat till en plats där uttaget kan ske ur ett slutet grundvattenmagasin, det vill säga ur en sluten akvifär. Det tätande lagret av silt- eller lermaterial som överlagrar
9
magasinet fungerar då till viss utsträckning som en skyddsbarriär mot föroreningsspridning till detta från eventuella läckage vid markytan. På så vis uppstår en viss tidsfördröjning från läckaget till dess att eventuella föroreningar når magasinet. Under denna tid hinner man förhoppningsvis vidta lämpliga åtgärder för att förhindra att föroreningar pumpas upp i uttagsbrunnar och når ut på ledningsnätet för dricksvattnet.
Ytterligare en faktor (dock ej en markförutsättning utan snarare en geografisk begränsning) som man måste ta hänsyn till är det infiltrerade vattnets uppehållstid i marken innan uttag. För att vattnet skall renas från organiskt material samt bakterier och virus i så stor utsträckning som möjligt får uppehållstiden inte vara för kort. Den bör inte heller vara för lång eftersom syrefria förhållanden då kan uppstå i grundvattnet varpå det finns risk att järn- och
manganföreningar från den omgivande marken går i lösning. Detta leder då i sin tur till att vattnet måste behandlas, exempelvis genom luftning innan det pumpas upp. Med kännedom om ytvattnets kemiska sammansättning, markens reningskapacitet samt resultat av
spårämnesförsök kan ett mått på hur långt ifrån ett infiltrationsområde som uttagsbrunnar bör placeras uppskattas.
2.5. TEORI MARKRADAR
2.5.1. Markradarns funktion och uppbyggnad
Markradar är en geofysisk mätmetod som utnyttjar radarvågor, en typ av elektromagnetiska vågor, för undersökning av jordvolymers uppbyggnad via deras elektriska egenskaper.
Ett komplett markradarsystem består av en kontrollenhet, en sändare och en mottagare av radarvågor samt en datalagrings- och visualiseringsenhet. Kontrollenheten styr hur radarvågor sänds ut samt hur datainsamlingen i mottagaren skall ske. Den lagrar även rådata i ett
temporärt minne samt sköter dataöverföringen till datalagrings- och visualiseringsenheten (Malå Geoscience AB, (a)). Sändaren och mottagaren utgör tillsammans systemets antenn.
Antennen kan antingen sända ut radarvågor endast i en viss riktning eller i alla riktningar. I det första fallet kallas antennen skärmad och i det andra oskärmad. Antenner kan även delas in efter vilken huvudfrekvens som utsända radarvågor har. Denna frekvens kallas antennens centrumfrekvens. Idag finns det tillgång till antenner med centrumfrekvens från 25 MHz och uppåt. Ju lägre frekvens desto större blir antennens storlek. Som datalagrings- och
visualiseringsenhet används oftast en form av fältanpassad dator, kallad monitor, innehållande programvara för visualisering av radardata.
Datainsamlingsprocessen startar med att radarvågor sänds ut från sändaren i vågpulser. När vågorna fortplantar sig nedåt i marken avtar successivt deras energiinnehåll bland annat på grund av geometrisk spridning och absorption av energi till marken (Reynolds, 1997). Om en radarvåg stöter på en elektrisk reflektor, exempelvis ett gränsskikt mellan två jordlager med olika elektriska egenskaper, kommer en viss del av vågenergin reflekteras uppåt mot
markytan medan den del som inte reflekteras fortsätter nedåt (se figur 6). Den senare fortsätter nedåt tills den stöter på ytterligare reflektorer eller till dess att vågenergin helt försvunnit (Triumf, 1992). Vid markytan registreras den reflekterade vågenergin av mottagaren i form av ett så kallat trace (se figur 7). Tracets utslag representerar storleken på den reflekterade och mottagna vågenergin och är en funktion av vågpulsens tvåvägs transporttid, det vill säga tiden från utsändning till detektion av mottagaren (Reynolds, 1997). Ju större utslag desto större är skillnaderna i elektriska egenskaper mellan reflektorn och det ovanliggande mediet. Utslagets position längs tracet bestäms av den tid som fortlöpt från dess att vågpulsen sändes ut till dess
10
att utslaget registrerades av mottagaren. Ju längre tid som fortlöpt desto längre ner i marken ligger reflektorn och desto längre ner på tracet hamnar utslaget. Från mottagaren skickas signalen till kontrollenheten och därifrån vidare till monitorn. I monitorn representeras amplituden hos tracets utslag oftast med hjälp av färg- eller gråskala (se figur 7) i form av ett så kallat scan (Fondlius, 2006). Genom att lägga samman ett stort antal scans, från på
varandra tätt följande mätningar, sida vid sida erhåller man ett radargram vilket är standardformen för visualisering av radardata (se figur 7). Med ingående kännedom om radarvågornas utbredningshastighet i markens olika lager kan man sedan ansätta en djupskala till radargrammen och utifrån dessa göra tolkningar och dra slutsatser kring markens struktur och uppbyggnad.
Figur 6. Efter att en vågpuls sänds ut avtar dess energiinnehåll, här bredden på vågstrålen, kontinuerligt längs utbredningsvägen. Vid gränsskiktet mellan två jordlager med olika elektriska egenskaper reflekteras en viss del av vågenergin uppåt medan resterande energi fortsätter nedåt. Inspiration hämtad från Triumf (1992).
Figur 7. Amplituden hos det registrerade tracet översätts med hjälp av en gråskala till ett scan. Ett radargram skapas sedan genom sammanfogning av ett stort antal konsekutiva scans. Källa: Malå Geoscience AB (b), med tillstånd.
11
2.5.2. Dielektricitetskonstanten och EM-vågors utbredningshastighet
Den parameter som påverkar radarvågornas reflektion och utbredningshastighet i ett medium är den så kallade relativa dielektricitetskonstanten εr [-]. Värdet på den relativa
dielektricitetskonstanten för ett visst medium erhålls via ekvationen (Burger m.fl., 2006)
vm = c/[( εr*µr)1/2] (1)
där vm representerar utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg i ett medium m [m/s], c är utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg i vakuum [m/s] och µr är den relativa magnetiska permeabiliteten i mediet [-]. Eftersom µr = 1 för alla icke-magnetiska material kan ekvation (1) förenklas till
vm = c/(εr1/2) (2)
och därigenom erhålls
εr = (c/vm)2 (3).
Relativa dielektricitetskonstanten kan även uttryckas som
εr = εm/ε0 (4)
där εm representerar den dielektriska permittiviteten i det aktuella mediet [F/m] och ε0 utgör den dielektriska permittiviteten i vakuum [F/m].
I ord kan man säga att den relativa dielektricitetskonstanten anger den faktor varmed styrkan hos ett elektriskt fält avtar i ett visst medium i jämförelse med samma fält i vakuum.
Kvadratroten ur den relativa dielektricitetskonstanten utgör vidare den faktor med vilken utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg minskar i ett visst medium jämfört med vakuum (Triumf, 1992).
En reflektion av vågenergi sker alltså då radarvågen går från ett medium med ett visst värde på εr till ett medium med ett annat värde på εr. Ju större kontrasten är desto större blir
mängden reflekterad vågenergi (Reynolds, 1997). Det man indirekt mäter med en markradar är alltså variationen i markens relativa dielektricitetskonstant.
Radarvågors utbredningshastighet är enligt ekvation (2) helt beroende av värdet på den relativa dielektricitetskonstanten. I tabell 2 redovisas typiska värden på εr för olika material samt tillhörande utbredningshastighet för radarvågor i mediet. Variationen i εr för de lösa avlagringarna (sand, silt, ler, morän) beror främst på variation i vattenhalt. Ju högre vattenhalten är desto högre blir värdet på εr och desto lägre blir radarvågens
utbredningshastighet. För att kunna göra en så god djupöversättning som möjligt av de mottagna signalernas tvåvägs transporttid krävs alltså en ingående kännedom om dels vilka geologiska material som man kan förvänta sig i marken, dels vattenhalten i dessa vid mättillfället. Det första kan man ta reda på genom borrningar men det andra är betydligt svårare att få precis och snabb kunskap om. Vanligtvis gör man en uppskattning av vattenhalten i efterhand utifrån tolkningar av markens geologiska uppbyggnad.
12
Tabell 2. Olika materials värden på den relativa dielektricitetskonstanten samt radarvågors
utbredningshastighet i mediet vid dessa värden. Det högsta angivna värdet på εr för ett visst material ger den lägsta angivna utbredningshastigheten för radarvågor i mediet och tvärtom. Värden hämtade från Burger m.fl.
(2006) och Malå Geoscience AB (c)
Medium εr [-] vm [m/µs]
Luft (vakuum) 1 300
Sötvatten 81 33
Kalksten 7-16 75-113
Granit 5-7 113-134
Skiffer 5-15 77-134
Torr sand 3-10 95-173
Våt sand 20-30 55-67
Silt 9-23 63-100
Lera 4-16 74-150
Morän 9-25 60-100
Is 3-4 150-173
Permafrost 4-8 106-150
2.5.3. Begränsningar i nedträngningsdjup samt djuppenetrationens frekvensberoende När radarvågor utbreder sig i marken avtar successivt deras energiinnehåll. Som tidigare nämnts beror detta bland annat på geometrisk spridning av vågenergin samt absorption av denna till den omgivande marken. Förlusten av energi minskar direkt radarvågornas potentiella nedträngningsdjup.
Med geometriska spridningen avses en minskning i vågenergin med avståndet från vågkällan orsakad av att energin sprids i ett stort antal riktningar. Denna spridning är oberoende av markens och radiovågornas egenskaper men bidrar till ett successivt minskat
nedträngningsdjup ju längre ner i marken vågfronten befinner sig.
Med absorption avses omvandling av vågenergi till värme som absorberas av omgivningen i marken. Absorptionen beror av markens elektriska ledningsförmåga och dielektriska
permittivitet vilka är nära sammankopplade med varandra. Ju mer elektriskt ledande ett material är desto mindre blir nämligen dess dielektriska permittivitet (Burger m.fl., 2006).
Material som har hög elektrisk konduktivitet, och därmed låg dielektrisk pemittivitet, absorberar radarvågor i stor utsträckning medan lågkonduktiva material i hög grad släpper igenom vågorna (Burger m.fl., 2006). Av denna anledning är högkonduktiva markmaterial som lera en stor begränsande faktor för radarvågors nedträngningsdjup. Lite generaliserat kan man säga att ju finkornigare materialet är desto större blir dess elektriska ledningsförmåga samt förmåga att absorbera radarvågor. I finkornigare material, i synnerhet lera, kan man alltså förvänta sig betydligt sämre nedträngningsdjup än i grovkorniga.
Frekvensen hos utsända radarvågor påverkar också vågornas nedträngningsdjup. Generellt gäller att högfrekventa radarvågor absorberas och slumpmässigt sprids i marken till mycket större utsträckning än lågfrekventa (Burger m.fl., 2006). Den slumpmässiga spridningen beror på dispersion av radarvågor när dessa passerar igenom marklager innehållande objekt av samma storleksordning som radarsignalens våglängd (kallas Mie-spridning) (Reynolds, 1997). För att kunna nå ner till önskat undersökningsdjup krävs alltså rätt val av frekvens och
13
därmed även rätt val av antenn. Ungefärliga värden på maximala nedträngningsdjup för olika antenner ges i tabell 3.
2.5.4. Upplösningens frekvensberoende
Det är inte bara det maximala nedträngningsdjupet hos radarvågor som påverkas av frekvensvalet utan även storleken på de minsta möjligt detekterbara enheterna och
formationerna i marken, med andra ord upplösningen. Teoretiskt brukar denna upplösning ansättas till en fjärdedel av den aktuella våglängden (Reynolds, 1997). Detta innebär att högfrekventa signaler, via sambandet
λ = vm/f (5)
där f är frekvensen [Hz] och λ är våglängden [m], har en mycket bättre upplösning och därmed en mycket bättre förmåga att detektera små enheter och formationer, än lågfrekventa signaler (se tabell 3). Härav måste man alltså anpassa antennvalet, inte bara efter önskat undersökningsdjup, utan även efter hur stora objekt och lagergränser som man vill kunna påvisa och detektera i sin undersökning.
Tabell 3. Maximala nedträngningsdjup och upplösning för antenner med olika centrumfrekvens. Värden på maximala nedträngningsdjup är hämtade från Fondelius (2006) och värden på upplösning från Malå Geoscience AB (b)
Centrumfrekvens [MHz]
Maximalt nedträngningsdjup Berg [m] Jord [m]
Upplösning [m]
25 40 25 1,0
50 30 20 0,5
100 20 12 0,25
200 15 8 0,125
500 5 3 0,05
1000 3 1,5 0,025
2.5.5. Tolkning av radargram
Att göra en geologisk tolkning av reflektioner i ett radargram är sällan enkelt eftersom man i förväg oftast har väldigt lite information om markens uppbyggnad. Dock finns det en del karaktäristiska typer av reflektioner som kan sammankopplas med kända geologiska
betingelser. Exempelvis markeras lagergränser mellan material med detekterbara skillnader i värdet för den relativa dielektricitetskonstant som horisontella eller snedställda linjer av olika tjocklek (se figur 8). Även grundvattenytor kan ge upphov till sådana reflektioner men då krävs dock att denna är väldigt tydlig och distinkt.
Större stenar samt block i marken ger ett reflektionsutslag i form av en så kallad hyperbel (se figur 8). Ju längre ner i marken som stenen eller blocket ligger desto större måste den/det dock vara för att kunna detekteras eftersom energin i radarsignalen minskar med djupet. Även nedgrävda rör och större kablar ger ett hyperbelutslag.
Områden som är tämligen fria från reflektioner kan i regel tolkas på två olika sätt. Antingen består marken inom detta område av väldigt homogent material utan lagergränser och större stenar eller block, eller så är området reflektionslöst på grund av att radarsignalen helt enkelt inte når ner till det. I det senare fallet beror detta oftast på att området överlagras av ett tjockare finkornigt lager av lera som släcker ut signalen och på så sätt reducerar nedträngningsdjupet.
14
Ett tillämpat exempel på hur ett radargram från en viss markprofil kan se ut samt hur radargrammet kan tolkas framgår av figur 9.
Figur 9. Exempel på geologisk tolkning av ett radargram. Markprofilen som illustreras kan ofta hittas i närheten av isälvavlagringar. I figuren utförs markradarmätningarna med hjälp av fordon. Källa: Knutsson &
Morfeldt (2002), med tillstånd.
3. MATERIAL OCH METODER 3.1. OMRÅDESBESKRIVNING
3.1.1. Områdets geografi
Nyköping-Oxelösunds vattentäkt består av tre infiltrationsdammar, damm 1, 2/3 och 4, belägna i täktens mitt samt två brunnsområden belägna i utkanten av täkten. De senare
benämns västra respektive östra brunnsområdet. Vid infiltrationsdamm 1 finns även områdets vattenverk samt strax sydost om denna en rensdamm för ytvattnet från Yngaren. Geografisk placering av dessa objekt framgår av figur 10. Här visas även den ursprungliga platsen för infiltrationsförsök med sprinklersystem. Efter de inledande försöken flyttades
sprinkleruppställningen ca 50-100 m i sydostlig riktning. Denna position bibehölls ända fram tills försöken upphörde i januari 2009.
Figur 8. Överst visas en markprofil med en lagergräns samt ett större objekt under denna. Nederst visas hur markytan, lagergränsen samt objektet skulle framstå i ett radargram.
15
I de centrala och östra delarna av täkten finns områden för sport och rekreation med bland annat en centralt belägen fotbollsplan samt elljusspår och motionsslingor i de sydöstra och östra delarna av täkten.
Topografiskt kan vattentäkten beskrivas som ett välvt höjdparti. Generellt, och framför allt i de nordvästra samt sydöstra delarna av täkten, har områdets sydsida en relativt brant lutning medan nordsidan är betydligt flackare. De centrala delarna av täkten har dock en mer varierande topografi. Bland annat ligger den ovan nämnda fotbollsplanen samt
infiltrationsbassäng 2/3 och 4 i större sänkor orsakade av tidigare grustäktsverksamheter.
Även vattentäktens högsta punkt, vilken ligger ca 45 m.ö.h., är belägen i de centrala delarna av området.
Figur 10. Vattentäktsområdet med infiltrationsbassänger, vattenverk och brunnsområden.
För bakgrundskartan gäller: © Lantmäteriet Gävle, medgivandenummer I 2008/1962.
3.1.2. Områdets geologi
Larslundsmalmen utgörs av ett utbrett sand- och grusfält med huvudsaklig
utbredningsriktning från nordväst till sydost. I ytan består malmen huvudsakligen av isälvssand och isälvsavlagring i allmänhet med växlande eller ofullständigt känd
sammansättning av kornstorlekar (se figur 11). Inslag av överlagrande morän förekommer centralt i malmens södra delar (Lundström & Persson, 1972). Områdena i utkanterna av malmen består främst av svallsand och svallgrus i de södra, västra och nordvästra delarna, där det västra brunnsområdet är beläget, samt glacial finsilt i de norra och östra delarna. Längre ut övergår svalljordarna generellt till finsand medan de glaciala finsiltsavlagringarna blandas upp med andra glaciala och postglaciala finjordar (se figur 11).
Nordväst om vattenverket underlagras svalljordarna eventuellt av lera men grövre
isälvsmaterial återkommer på större djup. Även i de östra delarna, kring östra brunnsområdet, samt i de sydöstra delarna förekommer grövre isälvsmaterial på djupet. Dock är det okänt huruvida det finns större sammanhängande mäktigheter av grövre material på djupet mellan den nordvästra och östra delen av området (Lundström & Persson, 1972).
16
Figur 11. Jordartskarta för området med inlagda sprickdalar/deformationszoner i bergrunden (vita linjer).
Utsnitt ur SGUs lokala jordarts- och bergrundsdatabas 9H Nyköping SV. Sveriges Geologiska Undersökning (SGU). Medgivanden: 30-1769/2008 samt 30-137/2009.
Larslundsmalmen ligger i ett område inom vilket två stora stråk av sprickdalar sammanstrålar, det ena med huvudutbredningsriktning från nordväst till sydost, det andra från väst till öst (se figur 11). Troligtvis har dessa sprickdalar fungerat som dräneringsstråk för smältvatten från landisen och på så sätt gett upphov till isälvar. Antagligen har Larslundsmalmen bildats under en period då landisens avsmältning i området var tämligen långsam. Vid sammanstrålningen av isälvsflödena från de båda sprickdalarna kunde då stora mängder grovt isälvsmaterial avsättas. Avsättningen skedde troligtvis vid isfronten men vissa tecken tyder på att den även skulle ha kunna skett i en större tunnel eller kavitet inuti isen (Persson, 1972).
Som nämnt i avsnitt 3.1.1., bildar Larslundsmalmen ett välvt höjdparti vars nordsida överlag är relativt flack medan sydsidan är mer brant. Malmens ungefärliga topografiska utseende framgår av figur 12. Här visas även hur den geologiska uppbyggnaden för liknande subakvatiska isälvsformationer generellt brukar se ut.
Figur 12. Tvärsnitt av en subakvatisk isälvsavlagring som avsatts i relativt djupt vatten och därefter omlagrats genom svallning.
Larslundsmalmens
topografiska utseende liknar i stor utsträckning denna figurs topografi. Dock är Larslundsmalmen mer utflackad. Figuren är omarbetad från källan.
Källa: Ericsson & Johansson (1976). © Sveriges
Geologiska Undersökning.
17 3.1.3. Områdets hydrogeologi
Grundvattenförekomsten och möjligheterna till grundvattenuttag vid Larslundsmalmen uppskattas till mycket goda (Engqvist m.fl., 1984). Intagsnivåerna för grundvatten i de båda brunnsområdena ligger generellt mellan 20-30 m (Boström, muntligt medd. (c)). På dessa djup bedöms brunnsområdena ha kontakt med samma vattenförande formationer (samma grundvattenmagasin) som infiltrationsdammarnas vatten perkolerar till. Eventuellt sker en stor del av grundvattenströmningen från infiltrationsdammarna till uttagsområdena via de
sprickdalar som löper igenom samt i närheten av dessa (se figur 11).
3.2. UNDERSÖKNINGSOMRÅDEN
De av NOVF specificerade undersökningsområdena visas i figur 13. Det ena, kallat undersökningsområde 1, skall undersökas med avseende på markförutsättningar för
ytvatteninfiltration medan det andra, undersökningsområde 2, skall undersökas med avseende på markförutsättningar för grundvattenuttag.
Figur 13. Av NOVF specificerade undersökningsområden samt platsen för infiltrationsförsök med sprinklersystem.För bakgrundskartan gäller: © Lantmäteriet Gävle, medgivandenummer I 2008/1962.
3.3. TIDIGARE GEOLOGISKA UNDERSÖKNINGAR I OMRÅDET
Ett antal undersökningar och utredningar kring Högåsen har genomförts ända sedan vattenverket upprättades och vattentäkten togs i bruk 1961. NOVF har självt genomfört omfattande geologiska grundundersökningar i form av borrhål med jordlagerkartering inom och kring vattentäktsområdet. De flesta av borrhålsprofilerna togs fram under åren 1955–
1970. Tolkningar av områdets geologiska uppbyggnad utifrån vissa av dessa borrhålsprofiler har gjorts i skriften ”Larslundsmalmen – geologisk sammanställning av
grundundersökningar” skriven av Christer Persson för Sveriges Geologiska Undersökning (SGU) 1972 (Persson, 1972). SGU har även genomfört egna undersökningar vid Högåsen genom förarbete till geologiska kartbladet för området. Dessa återfinns i ”Beskrivning till geologiska kartbladet Nyköping SV” från 1972.
Enskilda Vattenverket (EVV) genomförde under början av 2000-talet småskaliga
markradarundersökningar inom vissa delar av vattentäkten (Boström, muntligt medd. (b)).
18
Resultat från dessa mätningar har dock ej varit tillgängliga under detta projekt. Någon mer omfattande profilerande sondering har inte genomförts inom vattentäktsområdet.
3.4. TILLGÄNGLIG DATA
Ett större antal borrhålsprofiler från området finns tillgängliga i en färdigskriven databas.
Dessa profiler har tagits fram vid borrningar i samband med isättning av observationsrör för grundvattennivåer samt anläggning av uttagsbrunnar. Totalt finns 46 borrhålsprofiler med varierande djup av jordartsbestämning inom och kring vattentäktsområdet. Dessa är distribuerade enligt figur 14 men kan också ses i bilaga 1 där även jordlagerföljderna tillhörande respektive borrhål finns med.
Förutom själva borrhålsprofilerna finns även information om områdets geologiska uppbyggnad i form av de tolkningsprofiler som finns i ”Larslundsmalmen – geologisk sammanställning av grundundersökningar” (Persson, 1972). De mest användbara av dessa tolkningsprofiler redovisas i bilaga 2.
Figur 14. Existerande borrhål med jordartsbestämning inom och kring vattentäktsområdet. Bakgrundskartan utgör ett utsnitt ur SGUs lokala jordartsdatabas 9H Nyköping SV. Sveriges Geologiska Undersökning (SGU).
Medgivande: 30-1769/2008. Jordartsbeteckningar redovisas i figur 11.
3.5. UNDERSÖKNINGSMETOD
Metoden för denna markundersökning är att med hjälp av markradar ihop med positionsdata från GPS samt, i så stor utsträckning som möjligt, data från borrhålsprofiler undersöka hur marken är uppbyggd i de båda undersökningsområdena samt längs profilerna ingående i den allmängeologiska undersökningen. Med markradarn tas profiler av markuppbyggnaden fram och med GPS-data, sammankopplad med markradarns mätdata, kan profilernas exakta position i terrängen bestämmas. På de ställen där profilbanor passerar över eller i närheten av
19
borrhål ska borrhålsdata försöka utnyttjas i tolkningen av vad mätdata verkligen visar. Denna information skall sedan försöka utnyttjas för att dra slutsatser kring möjligheterna till
anläggning av infiltrations- eller brunnsområden.
3.6. FÄLTMÄTNINGAR
3.6.1. Mätutrustning och inställningar
All markradarutrustningen som använts i undersökningen har hyrts från Malå Geoscience AB.
Mätinställningar som använts för markradarsystemet finns redovisade i bilaga 3. Alla mätningar har genomförts till fots.
I undersökningen har två olika antenner använts, en 100 MHz antenn och en 50 MHz antenn.
100 MHz antennen har använts för att relativt högupplöst undersöka markens övre lager medan 50 MHz antennen använts för en mer djupgående undersökning av markens uppbyggnad, dock med betydligt sämre upplösning (djupnedträngning och upplösning redovisas i tabell 3). Båda antennerna är av typen RTA (Rough Terrain Antennas) vilket innebär att de är oskärmade antenner specialanpassade för svår terräng (se figur 15).
Specialanpassningen ligger främst i antennernas slangliknande form vilken gör dem väldigt lättmanövrerade, tåliga och flexibla i svår skogsterräng.
Figur 15. Antenner av typen RTA från Malå Geoscience AB. Antennernas längd beror av vilken centrumfrekvens
de har; ju lägre frekvens desto längre måste avståndet mellan sändare (utskottsenheterna till vänster på antennerna i bilden) och mottagare (utskottsenheter till höger) vara. Överst visas en 25 MHz RTA, längd ca 13 m, i mitten en 50 MHz RTA, längd cirka 9 m, och nederst en 100 MHz RTA med en ungefärlig längd av 7 m.
Källa: Malå Geoscience AB (d), med tillstånd.
Som kontrollenhet har MALÅ Professional Explorer, även kallad ProEx, använts. Antennen kopplas samman med kontrollenheten via dess fiberoptikkablar vilka fästes i en optikmodul på kontrollenheten. All dataöverföring mellan kontrollenhet och antenn sker via dessa optikkablar. Under mätningar bärs kontrollenheten i en specialutformad ryggsäck medan antennen framförts släpande bakom personen som utför mätningarna.
Den datalagrings- och visualiseringsenhet som använts är en så kallad XV-11 Monitor. Denna utgörs av en fältanpassad dator innehållande datahanterings- och visualiseringsprogrammet GroundVision genom vilket man kan följa sina mätningar i realtid. Monitorn sätts fast framtill på kroppen via infästningsanordningar på den specialutformade ryggsäckens remmar. Framtill har även en handburen GPS av märket Garmin, GPSmap 60 CS, använts för att
positionsbestämma profilernas verkliga lägen i terrängen under mätning.
3.6.2. Förarbete
I syfte att underlätta positioneringsarbetet vid markradarmätningarna har planerade
profilbanor märkts ut med snitslar i terrängen. För att kunna göra detta så exakt som möjligt användes en GPS av typ Mobilemapper CE (från företaget Thales) till vilken GIS-kartor över området laddats in.
20
Eftersom terrängen i vattentäktsområdet helt domineras av skogsmark, på vissa håll tämligen tät och oframkomlig, på andra mer öppen men med mycket avverkad vegetation liggandes på marken, har visst röjningsarbete av profilbanor genomförts i syfte att öka framkomligheten vid mätningarna. Framför allt har större mängder avverkad vegetation rensats bort från marken längs profilbanorna.
3.6.3. Profiler
Inom de av NOVF specificerade undersökningsområdena har strategin varit att lägga
mätprofiler tämligen tätt i form av nätstrukturer. Profilerna har lagts ortogonalt samt parallellt med isälvsavlagringens huvudutbredningsriktning från nordväst till sydost. Flest profiler har lagts ortogonalt mot denna riktning. Avståndet mellan dessa är ca 100 m medan avståndet mellan profiler som ligger parallellt med huvudutbredningsriktningen varierar. Profiler i undersökningsområde 1 har fått en beteckning som börjar med U1 följt av ett profilindex, exempelvis profil U13, medan beteckningen för profiler i undersökningsområde 2 börjar med U2 följt av ett profilindex, exempelvis U27. Profilernas lägen i terrängen visas i figur 16 och 17.
Figur 16. Profiler från undersökningsområde 1 (anges med orange färg).
För bakgrundskartan gäller: © Lantmäteriet Gävle, medgivandenummer I 2008/1962.
Figur 17. Profiler från undersökningsområde 2 (anges med orange färg).
För bakgrundskartan gäller: © Lantmäteriet Gävle, medgivandenummer I 2008/1962.
21
I den mer allmängeologiska undersökningen har strävan varit att lägga profiler så att dessa tillsammans täcker av så stora genomskärningar av området som möjligt, både ortogonalt och parallellt med formationens huvudutbredningsriktning. De flesta av dessa profiler har av praktiska skäl lagts längs med befintliga vägar och stigar inom området. Profiler som utbreder sig från väst till öst har fått beteckningen VÖ följt av ett profilindex, exempelvis VÖ1, medan profiler som utbreder sig från norr till söder på motsvarande sätt fått beteckningen NS,
exempelvis NS4. I de fall någon av dessa profiler går genom eller i närheten av något av de båda undersökningsområdena kommer dessa utnyttjas i tolkningen kring markuppbyggnaden i dessa områden. Profilerna i den allmängeologiska undersökningen visas i figur 18.
Profiler med beteckning Ex1 och Ex2 är icke planerade profiler som tillkommit under mätningarnas gång.
Figur 18. Profiler från den allmängeologiska undersökningen. För bakgrundskartan gäller: © Lantmäteriet Gävle, medgivandenummer I 2008/1962.
I vissa fall har profilernas utbredning i någon riktning begränsats av framkomligheten i terrängen. Exempelvis har den norra förlängningen av U15 begränsats av större ytliga vattenansamlingar från sprinklersystemet. Ett annat exempel är U25 vars södra förlängning starkt begränsats av avverkad vegetation på marken, tät skog samt ett stråk av diken.
3.7. PROCESSERING AV RADARGRAM
Samtlig markradardata har bearbetats, processerats och tolkats i markradarprogrammet RadExplorer. Bearbetnings- och processeringssteg som använts är:
1. ”Define geometry” – används för att längdsätta radargrammen samt definiera avståndsindelningen inom dessa.
