Modellering av grundvattendynamiken och transport av löst organisk kol i Uppsalaåsen

Uppsala esker is the main source of drinking water in Uppsala city and it provides the city with clean water all year around. The demand of drinking water is growing, and the municipality plans on increasing the artificial infiltration in order to meet future demands. During the last years, the concentration of organic carbon in Uppsala’s drinking water has increased which has raised concerns regarding the future drinking water quality. A decrease in the residence time as a result of increased infiltration may partly cause these increasing concentration levels. The aim of this master’s thesis was therefore to recreate the groundwater dynamics in the Uppsala esker with a model and hence, an improved understanding of the transport of organic carbon in order to predict the consequences of an increased artificial infiltration. The thesis also aimed to investigate the potential risk of the concentration of organic carbon in the drinking water to exceed the reference value from the Swedish food agency. The computer code used in this project was MODFLOW together with GMS which together helped creating a simplified, three-dimensional groundwater model of a delimited part of the Uppsala esker that covers Tunåsen infiltration facility down to the well area in Galgbacken.  A conceptual model was constructed in GMS for the model domain and was then converted into a numerical MODFLOW steady-state model. The model was then calibrated after both measured groundwater levels with a 40 cm deviation and after the already known residence time for the distance Tunåsen – Galgbacken. Four scenarios with varying infiltration and outtake were then simulated. Each scenario was then simulated with three different incoming concentrations of organic carbon in the infiltration: 7, 15 and 50 mg/L.  Results show that the groundwater dynamics can be reconstructed with a simplified model however, it is likely that the simplifications resulted in a less precise model. The transport simulations indicated that the residence time decreases with increased artificial infiltration and outtake. Transport simulations furthermore showed that residence time is the most crucial factor effecting the transport distance of the organic carbon. Lastly, the result indicated that there is a risk that the reference value for organic carbon will be exceeded for incoming concentrations of 15 and 30 mg/L respectively, mainly in scenario C where the maximum infiltration and outtake capacities were simulated. In addition, it was concluded that there may be a risk that the reference value will even be exceeded in the other scenarios with an increased simulation time.

I Uppsala är Uppsalaåsen central för vattenförsörjningen då den förser staden med rent dricksvatten året om. De senaste åren har det observerats en oroväckande ökande trend av halten löst organisk kol (DOC) i grundvattnet. Med ett ökande dricksvattenbehov finns det även planer på att öka den konstgjorda grundvattenbildningen vilket riskerat att öka halterna ännu mer. Examensarbetets syfte var att återskapa grundvattendynamiken med en modell och öka förståelsen för transport av organisk kol i Uppsalaåsen och därefter prediktera möjliga konsekvenser av ökad infiltration. Projektet ämnade dessutom att undersöka om det i framtiden finns en risk att gränsvärdet för organiskt kol i Uppsalas dricksvatten överskrids. I projektet användes modellkoden MODFLOW tillsammans med GMS för att skapa en förenklad, tredimensionell grundvattenmodell. Modelldomänet var en avgränsad del av Uppsalaåsen från Tunåsens infiltrationsanläggning till Galgbackens uttagsområde.  Inledningsvis upprättades en konceptuell modell i GMS som sedan konverterades till en numerisk steady-state modell. Modellen kalibrerades efter uppmätta grundvattennivåer och efter tidigare känd transporttid för sträckan Tunåsen – Galbacken. Därefter utfördes simuleringar för fyra scenarion, 0, A, B och C, med varierande infiltration och uttag. För varje scenario utfördes sedan simuleringar med tre olika koncentrationer av halten löst organiskt material i infiltrationsvattnet; 7, 15 och 30 mg/L. I modellen togs det ej hänsyn till någon nedbrytning av DOC, tillskillnad från den nedbrytning på 50 % som har observerats i åsen.  Resultatet visade att det är möjligt att återskapa den grundvattendynamik som observerats inom modelldomänet med en förenklad modell. För de olika scenariona visade resultaten att transporttiden minskar med ökad infiltration och ett ökat uttag. I förhållande till scenario 0 visade resultaten på en procentuell minskning av transporttiden på 24, 28 och 60 % för respektive scenario A, B och C. Den kortaste transporttiden erhölls således i scenario C på 183 dagar, jämfört med 293 dagar i scenario 0. Resultaten som erhölls visade även att transporttiden är den dominerande faktorn som påverkar det organiska materialets transportsträcka. Slutligen visade resultatet att det finns en risk att halten av organiskt material överstiger Livsmedelverkets gränsvärde för dricksvatten om koncentrationen av DOC i infiltrationsvattnet är hög i kombination med en kort transporttid.