Grundvattendagarna 2017

1. Konstgjord grundvattenbildning och avskiljning av naturligt
organiskt material (NOM) in Uppsalaåsen
Vallskog infiltrationsbassänger
Philip McCleaf, Uppsala Vatten
Grundvattendagarna
7/11 2017 SGU Uppsala

2. Varför är naturligt organiskt material (NOM) viktigt?
• Naturligt organiskt material (NOM) är produkter i vattnet från biologisk nedbrytning av växter
och NOM följer ofta med markavrinning från nederbörd och snösmältning.
.
• Naturligt organiskt material (NOM) är en nyckelparameter vid konstgjord grundvattenbildning
för dricksvattenförsörjning och påverkar:
– Färg
– Lukt
– Smak
– Risken för mikrobiologisk tillväxt i distributionssystemet
– Risken för bildandet av klororganiska föreningar vid desinfektion
• En stor mängd NOM tillförs Uppsalaåsen genom infiltrationen av vatten från Fyrisån.
• Under de senaste 25 åren har ca 3 700 ton DOC tillförts åsen (150 ton/år), varav 90 % i Vallskog
och Tunåsen.
• Halten av NOM anges numera oftast som TOC (totalt organiskt kol) eller DOC (löst organiskt
kol).

3. NOM och vattenförsörjning i Uppsalaåsen
3
Tunåsen
infiltration
Galgbacken
grundvattentäkt
och reserv VV
Gränby
VV
Bolandss-
tornet
Stadsträdgården
grundvattentäkt
Stadsskogs-
tornet
Bäcklösa
VV Sunnersta
grundvattentäkt
Storvad
grundvattentäktVallskog infiltration
+150 l/s
Ekoln
-130l/s
Vallskog infiltration
+100 l/s
-240l/s
140l/s
100l/s
• Under mer än 50 år har konstgjord infiltration tillsammans med naturlig
grundvattenbildning levererat både tillräcklig vattenmängd och en god vattenkvalitet
• Idag infiltreras 6 milj. m3/år eller 40% av Uppsala stads dricksvattenförbrukning
• 2100 planeras infiltration av 28 milj. m3/år eller 75 % av dricksvattenförbrukningen

4. Uppsala Vattens konstgjord infiltration/NOM projekt
dec 2013- mars 2016
• Huvudfrågeställning:
– Är den nuvarande driften långsiktigt hållbar eller sker en upplagring av NOM i åsen som
begränsar anläggningarnas livslängd?
• Delfrågeställningar
– Hur stor är avskiljning?
– Var i systemet sker avskiljning?
– Vilka är de viktigaste avskiljningsprocesserna?
– Vilken typ av NOM avskiljs?
• Vilka förändringar kan göras i utformning och drift av uttag och infiltration för att
undvika ev upplagring i åsen och ge lägre NOM-halter i uttagsbrunnarna?
Tunåsen infiltration

5. Vad har gjorts under projektet gällande NOM?
• Genomgång av tidigare utredningar, sammanställning och
bearbetning av historiska data.
• Etablering av nya provtagningspunkter för grundvatten.
• Borrningar och upptagning av jordprover för analys av fastlagt NOM.
• Omfattande provtagning av infiltrationsvatten, vatten i
grundvattenrör och vatten i de olika uttagsområdena.
• Bestämning av andelar naturligt bildat grundvatten och infiltrerat
vatten från Fyrisån i provtagningspunkter från infiltrations- till
uttagsområden med hjälp av isotopanalyser (syre-18, deuterium).
Provtagning från dec 2014 till mars 2016 och som fortsätter idag.
• Karakterisering av det organiska materialets sammansättning med en
rad olika metoder.
• Vattenkemisk modellering.
• Åldersbestämning av organiskt material löst i vattnet och fastlagt i
jorden.
• Bestämning av antal bakterier och svampar på jordprover tagna i
filtersand, omättad zon och grundvattenzonen och deras potential att
bryta ner organiskt material.

6. Uttagsbrunnar
UV869 Vattholma
UV864 Östa
UV863 Kull-Gränby
UV858 Kronåsen, Brunn K4
UV739 Stadsträdgården, BrunnS2
UV567 Stadsträdgården, Brunn S1
UV338 Storvad, brunn 5
Obs rör
UV567 Lövstalöt
UV915b Sonic IXb
UV773b Sonic Vb
UV772b Sonic Va
UV770b Sonic IVb
UV770b Sonic IIb
UV769a Sonic Ia
UV769b Sonic Ib
UV754 B
UV736 LM90
UV425 7314
Råvatten
UV880 Sunnersta, Bäcklösa, ink
UV580 Galgbacken, ink
Infiltrations vatten
UV892 Vallskog
UV876 Tunåsen
UV874 Husby
Provpunkter

7. Karaktären av infiltrationsvattnets DOC ändras nedströms
infiltrationsplatsen – utspädning eller nedbrytning ?
• DOC-halterna
sjunker
• Humus halten
sjunker
• SUVA
(UV/DOC)
sjunker
• Freshness ökar
• Vattnet liknar ett
fällt vatten

8. Syre-18 - isotopprovtagning för
bestämning av blandningsförhållanden
och uppehållstider för att kunna
studera avskiljningen av NOM
• Isotoperna syre-18 (O18)och deuterium (H2) förekommer naturligt i
vatten och är stabila.
• Svenska vattendrag har en årstidsvariation som beror på en
anrikning av syre-18 och deuterium under sommaren tillföljd av
avdunstning.
• I större grundvattenmagasin med grundvattenbildning från
nederbörd är halten i stort sett konstant under året.
• Årstidsvariationen i infiltrationsvattnet har använts för att
uppskatta uppehållstider från infiltrations- till uttagsområden.
• De i medeltal högre isotophalterna i infiltrationsvattnet har
använts för att uppskatta blandningsförhållandet mellan naturligt
bildat grundvatten och infiltrerat vatten.

9. Exempel på uppskattning av blandningsförhållanden och
uppehållstider – Tunåsen-Galgbacken
LM90,
UV736
Fördeln,
Tunåsen,
UV876
Sonic I, n,
UV769b
Sonic IV, n,
UV772b B, UV754
Sonic V,
n,UV773b
Galgbacken
ink, UV580
Avstånd, horisontellt (m) 30 0 220 875 1880 2025
Andel naturligt bildat grundvatten (%) 10-15 0-5 5-10 0-5 10-15 15-20
Uppehållstid, medel (d) 5 2 35 80 230 240
Strömn hast grundvatten, medel (m/d) 10 6,3 10,9 8,2 8,4
Tunåsen
Infilt 220 m
875 m
Uttagsbr
Naturlig grundvatten
Över 500 isotopprovar

10. Hur stor är avskiljningen? - massbalans för DOC
Andel GW*DOCGW + Andel Inf*(DOCINF – Δ DOC) = DOCuppmätt.
Andel GW*DOCGW + Andel Inf*DOCINF = DOC BERÄK. MIX.
Δ DOC = (DOC BERÄK. MIX - DOCuppmätt/)/Andel Inf
Infiltrationsvatten
stigande andel grundvatten
Fyrisån Tunåsen Sonic IV
0m 30m 220m
DOC
?
Spädningsberäkningarna förklarar uppmättad variationen
i geokemin (Ca, Mg, U, Na) men inte ALK och DOC

11. 0
5
10
15
20
0 1000 2000 3000 4000 5000
DOCsomavskiljs[mg/L]
avstånd till infiltration [m]
Tun Vallskog Husby REF
∆DOC
Massbalans beräknings ∆ DOC för infiltrationsvatten med hänsyn till spädningsberäkningar
Hur stor är och var sker avskiljningen av NOM?
• 50-70% av DOC avskiljs
inom 2 500 m
• Analys av molekylstorlek
(LC-OCD) visar nybildning
av små organiska syror
och borttagning av
humussubstanser

12. 12
ConventionalRadiocarbonAge(yrsBP)
Kol-14 data visar att det sker ett utbyte mellan det organiska kolet i fast fas och lösningen
inom 2 500 m från infiltration
Opåverkad referenspunkt
Opåverkad referenspunkt
NOM avskiljning har en fastläggningskomponent

13. NEDBRYTNING ∆ CO2
FASTLÄGGNING
Vilka avskiljningsprocesser?
- konceptuella modellen för avskiljning ∆ DOC
• Kemiska
modellberäkningar
visar på att
grundvattnet står i
jämvikt med kalcit
• Nedbrytningsförsök - ∆ CO2 är
rimliga
• Nybildning av små organiska syror
och borttagning av
humussubstanser
Organiskt kol har anrikats i den
fasta fasen i
Infiltrationsområdet

14. - Blandningsberäkningar indikera stabila
förhållanden för ∆ DOC
20
30
40
50
60
1990-05-07 1995-10-28 2001-04-19 2006-10-10 2012-04-01 2017-09-22
SO4[mg/L]
tid
200
250
300
1990-05-07 1995-10-28 2001-04-19 2006-10-10 2012-04-01 2017-09-22
ALK[mg/L]
tid
5
10
15
20
25
1990-05-07 1995-10-28 2001-04-19 2006-10-10 2012-04-01 2017-09-22
FärgPt[mg/L]
tid
2
4
6
8
10
12
1990-05-07 1995-10-28 2001-04-19 2006-10-10 2012-04-01 2017-09-22
DOC[mg/L]
tid
- drygt 80 % av färgen och 50 %
av DOC avskiljs.
Andel GW * ALKGW* fALK + Andel Inf * ALKINF = ALKMIX .
f ALK=1,25
Andel GW*färg + Andel Inf * färgINF * ffärg = färgMIX
ffärg = 0,17
Andel GW*DOC + Andel Inf * DOCINF * fDOC = DOCMIX,
fDOC = 0,5
Är åsens avskiljning av NOM hållbar?
Analyser tidserier av alkalinitet, färg, DOC från 1993-2017 för Galgbacken

15. DOC-halter i upptaget vatten, normaliserade mot halt i infiltrationsvattnet resp tillförd mängd
y = 1E-06x + 0,0137
R² = 0,1186
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
DOCGalgb(mg/L)/DOCTunåsen(ton/år)
y = 2E-06x + 0,0021
R² = 0,1741
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
DOCStorvad(mg/L)/DOCVallskog(ton/år)
y = -2E-05x + 1,0742
R² = 0,4789
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
DOCGalgbacken/DOCinfiltvatten
y = -5E-06x + 0,4467
R² = 0,0963
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
DOCStorvad/DOCinfiltvatten
DOC uttag (mg/L)/DOC infilt (mg/L) DOC uttag (mg/L)/ton DOC infilt
Långa tidsserier visar på en stabil avskiljning men en ökande DOC trend.

16. Huvudfrågeställning:
– Är den nuvarande driften långsiktigt hållbar eller sker en upplagring av NOM i åsen som
begränsar anläggningarnas livslängd?
Delfrågeställningar:
– Hur stor är avskiljning?
– Var i systemet sker avskiljning?
– Vilka är de viktigaste avskiljningsprocesserna?
– Vilken typ av NOM avskiljs?
Mellan 50-70% av infiltrationsvattens DOC avskiljs, ungefär 75% bryts ner till CO2.
I omättad- och mättad zon; drygt hälften av den avskiljning som sker på de drygt 2000 m
mellan infiltration och uttag sker inom 250 m. I närområdet syns en tydlig påverkan på det
fasta organiska kolet.
Fastläggning och mikrobiologisk nedbrytning .
Den fällbara fraktionen dvs främst humussubstanser (SUVA 3,6 2,0)
Stabilt avskiljning, men något ökande DOC-trend i infiltrationsvattnet. Erhållna resultat tyder
inte på någon betydande fortgående upplagring av organiskt material i åsen.
Slutsatser

17. Tack!
• Stephan Köhler, Professor vid Institutionen för vatten och miljö, SLU, Uppsala
• P.O. Johansson, Artesia Grundvattenkonsultant AB
• Dan Berggren Kleja, Professor at the Department of Soil and Environment; SLU Uppsala
• Angelica Hummel, Tyréns AB, Stockolm
• Duncan McConnachie, Team Manager, GIS Analysis at WSP Sverige
• Harald Cederlund, Forskare vid Institutionen för molekylära vetenskaper, SLU Uppsala
• Sara Hallin, Professor vid Institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi, SLU Uppsala
• SLU studenter - Valerie Hubalek (postdoc), Oskar Johansson, Tove Dahlström, Emil
Vikberg