Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa

Auli Kuusela-Lahtinen, Pasi Vahanne

Research output: Book/ReportReportProfessional

Abstract

Haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointi heterogeenisessa maaperässä on haaste pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa. Heterogeenisissä olosuhteissa esille tulevia kysymyksiä ovat seuraavat: kuinka paljon paikkakohtaista mittaus- ja havainto-aineistoa alueen hydrogeologisista olosuhteista tarvitaan, voidaanko mittavat parametrit priorisoida ja mikä on haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointiin liittyvä epävarmuus suhteutettuna mittausten määrään. Matemaattisessa mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvot annetaan mittausten perusteella ja mallin elementtien diskretisointi tilavuuden sekä mallinnettavan alueen perusteella. Pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa käytettävä haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallin-nuksen pinta-ala on usein joitain kymmeniä tuhansia neliömetrejä, kun taas pohjaveden pilaantumistapauksissa alue on huomattavasti laajempi. Tässä tutkimuksessa käsitellään epävarmuuden arviointimenetelmiä, jotka liittyvät maaperässä ja pohjavedessä olevien veteen liukenevien tai veteen heikosti liukenevien (non aqueous phase liquid, NAPL) haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallintamiseen, mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvojen paikka- ja skaalariippuvuutta sekä stokastisia menetelmiä, joilla arvioidaan maaperän heterogeenisuuden ja rajallisen mittausaineiston vaikutuksia. Tutkimuksessa kehitetään stokastinen menettelytapa, jolla arvioidaan liuenneiden haitta-aineiden kulkeutumisen epävarmuutta kyllästyneessä heterogeenisessä vyöhykkeessä. Kehitettyä menettelytapaa demonstroidaan Talin alueelta Helsingistä kerätyn hydrogeologisen mittaus- ja havaintoaineiston analyysissä ja haitta-aineiden kulkeutumisen mallinnuksen epävarmuuden arvioinnissa. Tutkimusalue sijaitsee saven täyttämässä laakso-painanteessa, jotka ovat yleisiä eteläisessä Suomessa ja Ruotsissa. Maalajikerrokset ovat muodostuneet jääkauden aikana ja meren eri aikakausina. Ne edustavat tyypillisiä Baltian kilven alueella esiintyneiden geologisten prosessien aikaansaannoksia. Talin alueen topografia on tasainen lukuun ottamatta alueen pohjoispuolta, jossa sijaitsee moreenista koostuvia mäkiä. Laaksopainanteessa savikerroksen paksuus voi olla jopa yhdeksän metriä. Savikerroksen alapuolella on noin kymmenen metrin paksuinen kerros silttiä, hiekkaa, soraa ja moreenia. Yleensä silttiset maalajit sijaitsevat juuri savikerroksen alapuolella ja hiekkaiset maalajit ovat tyypillisiä keskikerroksessa. Kallioperän päällä sijaitsevat maalajit koostuvat yleensä moreenista ja sorasta. Kerrossarjassa ei kuitenkaan aina esiinny moreenia ja soraa. Kaikki edellä mainitut päämaalajit ovat erittäin heterogeenisiä, ja ne muodostuvat useista ohuista kerroksista erilaisia maalajeja. Maalajikerrokset eivät ole jatkuvia; yksittäisen maalajikerroksen pituus voi olla vain jotain metrejä. Alueen pohjavesi on paineellinen, ja sen korkeus on vaihdellut +2,0 m ja +5,0 m välillä eri aikoina. Kenttämittausten aikana se vaihteli välillä +3,2 m ja +3,7 m alueelle asennetuissa pohjavesiputkissa. Pohjavesi on pilaantunut klooratuilla hiilivedyillä. Projektin aikana tutkittavalle alueelle asennettiin seitsemän pohjavesiputkea. Tutkittavan alueen pituus oli 240 m ja leveys 90 m. Pohjavesiputkista mitattiin eri syvyyksiltä veden virtausnopeuksia, pohjavedenpinnan korkeuksia ja sähköistä johtavuutta. Stokastisissa mallinnuksissa alueen dimensiot olivat samat kuin tutkittavan alueen dimensiot. Maaperän vedenjohtavuus laskettiin mitatuista virtausnopeuksista ja pohjavedenpinnan korkeuksista. Pohjavesiputkien asennuksen aikana kerätyistä maaperänäytteistä tutkittiin rakeisuus. Putkista otetuista vesinäytteistä analysoitiin kloorattujen haitta-aineiden ja eräiden muiden haitta-aineiden pitoisuudet. Trikloorieteenin (TCE) maksimipitoisuus oli 1 111 µg/l ja tetrakloorieteenin 207 µg/l. Kuudessa pohjavesiputkessa tehtiin siiviläosuudella systemaattisesti yhteensä 95 virtauseromittausta 20 cm:n mittausvälillä. Pohjavesiputkien siiviläosuudet asennettiin savikerroksen ja moreeninkerroksen välille, ja siiviläosuuksien pituudet vaihtelivat 2 m ja 6 m välillä. Erittäin hienorakeiset maalajit häiritsivät mittauksia, ja esimerkiksi yhden pohjavesiputken tulokset poistettiin jatkokäsittelystä kokonaan. Yhteensä 46 mittausta valittiin jatkokäsittelyyn ja käytettiin stokastisissa simuloinneissa. Tilastolliset tunnusluvut määritettiin EXCEL-ohjelmalla ja geostatististen parametrien arvot SADA-ohjelmalla (University of Tennessee). TCE:n kulkeutumisen mallintamiseen liittyvää epävarmuutta tutkimusalueella arviointiin Kriging-menetelmällä ja stokastisilla simuloinneilla (Monte Carlo tekniikka). Stokastisissa simuloinneissa tehtiin kymmenen yhtä todennäköistä realisaatiota vedenjohtavuuden jakautumisesta alueella GSLIB-ohjelmistolla. Virtaus- ja kulkeutumisyhtälöt ratkaistiin eri vedenjohtavuuden realisaatioissa numeerisella lämmön ja monifaasivirtausohjelmistolla T2VOC. Kulkeutumisen arviointiin liittyvää epävarmuutta kuvattiin tietyssä pisteessä mallinnetun TCE-pitoisuuden todennäköisyysfunktiolla sekä alueellisella keskimääräisen pitoisuusjakauman ja siihen liittyvän hajontakuvan avulla.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages76
ISBN (Electronic)951-38-6713-7
ISBN (Print)951-38-6712-9
Publication statusPublished - 2005
MoE publication typeNot Eligible

Publication series

NameVTT Tiedotteita - Research Notes
PublisherVTT
No.2296
ISSN (Print)1235-0605
ISSN (Electronic)1455-0865

Fingerprint

talin
soil heterogeneity
risk assessment
nonaqueous phase liquids
kriging
Olla

Keywords

  • contaminated soils
  • heterogenous soils
  • contaminants
  • transport models
  • migration
  • risk assessment
  • health hazards
  • environmental impacts
  • evaluation
  • hydraulic conductivity
  • ympäristönsuojelu

Cite this

Kuusela-Lahtinen, A., & Vahanne, P. (2005). Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, No. 2296
Kuusela-Lahtinen, Auli ; Vahanne, Pasi. / Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2005. 76 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2296).
@book{1e447f56daa442469a77f7038595cc10,
title = "Maaper{\"a}n heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa",
abstract = "Haitta-aineiden k{\"a}ytt{\"a}ytymisen ja kulkeutumisen arviointi heterogeenisessa maaper{\"a}ss{\"a} on haaste pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa. Heterogeenisiss{\"a} olosuhteissa esille tulevia kysymyksi{\"a} ovat seuraavat: kuinka paljon paikkakohtaista mittaus- ja havainto-aineistoa alueen hydrogeologisista olosuhteista tarvitaan, voidaanko mittavat parametrit priorisoida ja mik{\"a} on haitta-aineiden k{\"a}ytt{\"a}ytymisen ja kulkeutumisen arviointiin liittyv{\"a} ep{\"a}varmuus suhteutettuna mittausten m{\"a}{\"a}r{\"a}{\"a}n. Matemaattisessa mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvot annetaan mittausten perusteella ja mallin elementtien diskretisointi tilavuuden sek{\"a} mallinnettavan alueen perusteella. Pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa k{\"a}ytett{\"a}v{\"a} haitta-aineiden k{\"a}ytt{\"a}ytymisen ja kulkeutumisen mallin-nuksen pinta-ala on usein joitain kymmeni{\"a} tuhansia neli{\"o}metrej{\"a}, kun taas pohjaveden pilaantumistapauksissa alue on huomattavasti laajempi. T{\"a}ss{\"a} tutkimuksessa k{\"a}sitell{\"a}{\"a}n ep{\"a}varmuuden arviointimenetelmi{\"a}, jotka liittyv{\"a}t maaper{\"a}ss{\"a} ja pohjavedess{\"a} olevien veteen liukenevien tai veteen heikosti liukenevien (non aqueous phase liquid, NAPL) haitta-aineiden k{\"a}ytt{\"a}ytymisen ja kulkeutumisen mallintamiseen, mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvojen paikka- ja skaalariippuvuutta sek{\"a} stokastisia menetelmi{\"a}, joilla arvioidaan maaper{\"a}n heterogeenisuuden ja rajallisen mittausaineiston vaikutuksia. Tutkimuksessa kehitet{\"a}{\"a}n stokastinen menettelytapa, jolla arvioidaan liuenneiden haitta-aineiden kulkeutumisen ep{\"a}varmuutta kyll{\"a}styneess{\"a} heterogeenisess{\"a} vy{\"o}hykkeess{\"a}. Kehitetty{\"a} menettelytapaa demonstroidaan Talin alueelta Helsingist{\"a} ker{\"a}tyn hydrogeologisen mittaus- ja havaintoaineiston analyysiss{\"a} ja haitta-aineiden kulkeutumisen mallinnuksen ep{\"a}varmuuden arvioinnissa. Tutkimusalue sijaitsee saven t{\"a}ytt{\"a}m{\"a}ss{\"a} laakso-painanteessa, jotka ovat yleisi{\"a} etel{\"a}isess{\"a} Suomessa ja Ruotsissa. Maalajikerrokset ovat muodostuneet j{\"a}{\"a}kauden aikana ja meren eri aikakausina. Ne edustavat tyypillisi{\"a} Baltian kilven alueella esiintyneiden geologisten prosessien aikaansaannoksia. Talin alueen topografia on tasainen lukuun ottamatta alueen pohjoispuolta, jossa sijaitsee moreenista koostuvia m{\"a}ki{\"a}. Laaksopainanteessa savikerroksen paksuus voi olla jopa yhdeks{\"a}n metri{\"a}. Savikerroksen alapuolella on noin kymmenen metrin paksuinen kerros siltti{\"a}, hiekkaa, soraa ja moreenia. Yleens{\"a} silttiset maalajit sijaitsevat juuri savikerroksen alapuolella ja hiekkaiset maalajit ovat tyypillisi{\"a} keskikerroksessa. Kallioper{\"a}n p{\"a}{\"a}ll{\"a} sijaitsevat maalajit koostuvat yleens{\"a} moreenista ja sorasta. Kerrossarjassa ei kuitenkaan aina esiinny moreenia ja soraa. Kaikki edell{\"a} mainitut p{\"a}{\"a}maalajit ovat eritt{\"a}in heterogeenisi{\"a}, ja ne muodostuvat useista ohuista kerroksista erilaisia maalajeja. Maalajikerrokset eiv{\"a}t ole jatkuvia; yksitt{\"a}isen maalajikerroksen pituus voi olla vain jotain metrej{\"a}. Alueen pohjavesi on paineellinen, ja sen korkeus on vaihdellut +2,0 m ja +5,0 m v{\"a}lill{\"a} eri aikoina. Kentt{\"a}mittausten aikana se vaihteli v{\"a}lill{\"a} +3,2 m ja +3,7 m alueelle asennetuissa pohjavesiputkissa. Pohjavesi on pilaantunut klooratuilla hiilivedyill{\"a}. Projektin aikana tutkittavalle alueelle asennettiin seitsem{\"a}n pohjavesiputkea. Tutkittavan alueen pituus oli 240 m ja leveys 90 m. Pohjavesiputkista mitattiin eri syvyyksilt{\"a} veden virtausnopeuksia, pohjavedenpinnan korkeuksia ja s{\"a}hk{\"o}ist{\"a} johtavuutta. Stokastisissa mallinnuksissa alueen dimensiot olivat samat kuin tutkittavan alueen dimensiot. Maaper{\"a}n vedenjohtavuus laskettiin mitatuista virtausnopeuksista ja pohjavedenpinnan korkeuksista. Pohjavesiputkien asennuksen aikana ker{\"a}tyist{\"a} maaper{\"a}n{\"a}ytteist{\"a} tutkittiin rakeisuus. Putkista otetuista vesin{\"a}ytteist{\"a} analysoitiin kloorattujen haitta-aineiden ja er{\"a}iden muiden haitta-aineiden pitoisuudet. Trikloorieteenin (TCE) maksimipitoisuus oli 1 111 µg/l ja tetrakloorieteenin 207 µg/l. Kuudessa pohjavesiputkessa tehtiin siivil{\"a}osuudella systemaattisesti yhteens{\"a} 95 virtauseromittausta 20 cm:n mittausv{\"a}lill{\"a}. Pohjavesiputkien siivil{\"a}osuudet asennettiin savikerroksen ja moreeninkerroksen v{\"a}lille, ja siivil{\"a}osuuksien pituudet vaihtelivat 2 m ja 6 m v{\"a}lill{\"a}. Eritt{\"a}in hienorakeiset maalajit h{\"a}iritsiv{\"a}t mittauksia, ja esimerkiksi yhden pohjavesiputken tulokset poistettiin jatkok{\"a}sittelyst{\"a} kokonaan. Yhteens{\"a} 46 mittausta valittiin jatkok{\"a}sittelyyn ja k{\"a}ytettiin stokastisissa simuloinneissa. Tilastolliset tunnusluvut m{\"a}{\"a}ritettiin EXCEL-ohjelmalla ja geostatististen parametrien arvot SADA-ohjelmalla (University of Tennessee). TCE:n kulkeutumisen mallintamiseen liittyv{\"a}{\"a} ep{\"a}varmuutta tutkimusalueella arviointiin Kriging-menetelm{\"a}ll{\"a} ja stokastisilla simuloinneilla (Monte Carlo tekniikka). Stokastisissa simuloinneissa tehtiin kymmenen yht{\"a} todenn{\"a}k{\"o}ist{\"a} realisaatiota vedenjohtavuuden jakautumisesta alueella GSLIB-ohjelmistolla. Virtaus- ja kulkeutumisyht{\"a}l{\"o}t ratkaistiin eri vedenjohtavuuden realisaatioissa numeerisella l{\"a}mm{\"o}n ja monifaasivirtausohjelmistolla T2VOC. Kulkeutumisen arviointiin liittyv{\"a}{\"a} ep{\"a}varmuutta kuvattiin tietyss{\"a} pisteess{\"a} mallinnetun TCE-pitoisuuden todenn{\"a}k{\"o}isyysfunktiolla sek{\"a} alueellisella keskim{\"a}{\"a}r{\"a}isen pitoisuusjakauman ja siihen liittyv{\"a}n hajontakuvan avulla.",
keywords = "contaminated soils, heterogenous soils, contaminants, transport models, migration, risk assessment, health hazards, environmental impacts, evaluation, hydraulic conductivity, ymp{\"a}rist{\"o}nsuojelu",
author = "Auli Kuusela-Lahtinen and Pasi Vahanne",
note = "Project code: HRTE3012",
year = "2005",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-6712-9",
series = "VTT Tiedotteita - Research Notes",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "2296",
address = "Finland",

}

Kuusela-Lahtinen, A & Vahanne, P 2005, Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa. VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes, no. 2296, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa. / Kuusela-Lahtinen, Auli; Vahanne, Pasi.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2005. 76 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2296).

Research output: Book/ReportReportProfessional

TY - BOOK

T1 - Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa

AU - Kuusela-Lahtinen, Auli

AU - Vahanne, Pasi

N1 - Project code: HRTE3012

PY - 2005

Y1 - 2005

N2 - Haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointi heterogeenisessa maaperässä on haaste pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa. Heterogeenisissä olosuhteissa esille tulevia kysymyksiä ovat seuraavat: kuinka paljon paikkakohtaista mittaus- ja havainto-aineistoa alueen hydrogeologisista olosuhteista tarvitaan, voidaanko mittavat parametrit priorisoida ja mikä on haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointiin liittyvä epävarmuus suhteutettuna mittausten määrään. Matemaattisessa mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvot annetaan mittausten perusteella ja mallin elementtien diskretisointi tilavuuden sekä mallinnettavan alueen perusteella. Pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa käytettävä haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallin-nuksen pinta-ala on usein joitain kymmeniä tuhansia neliömetrejä, kun taas pohjaveden pilaantumistapauksissa alue on huomattavasti laajempi. Tässä tutkimuksessa käsitellään epävarmuuden arviointimenetelmiä, jotka liittyvät maaperässä ja pohjavedessä olevien veteen liukenevien tai veteen heikosti liukenevien (non aqueous phase liquid, NAPL) haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallintamiseen, mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvojen paikka- ja skaalariippuvuutta sekä stokastisia menetelmiä, joilla arvioidaan maaperän heterogeenisuuden ja rajallisen mittausaineiston vaikutuksia. Tutkimuksessa kehitetään stokastinen menettelytapa, jolla arvioidaan liuenneiden haitta-aineiden kulkeutumisen epävarmuutta kyllästyneessä heterogeenisessä vyöhykkeessä. Kehitettyä menettelytapaa demonstroidaan Talin alueelta Helsingistä kerätyn hydrogeologisen mittaus- ja havaintoaineiston analyysissä ja haitta-aineiden kulkeutumisen mallinnuksen epävarmuuden arvioinnissa. Tutkimusalue sijaitsee saven täyttämässä laakso-painanteessa, jotka ovat yleisiä eteläisessä Suomessa ja Ruotsissa. Maalajikerrokset ovat muodostuneet jääkauden aikana ja meren eri aikakausina. Ne edustavat tyypillisiä Baltian kilven alueella esiintyneiden geologisten prosessien aikaansaannoksia. Talin alueen topografia on tasainen lukuun ottamatta alueen pohjoispuolta, jossa sijaitsee moreenista koostuvia mäkiä. Laaksopainanteessa savikerroksen paksuus voi olla jopa yhdeksän metriä. Savikerroksen alapuolella on noin kymmenen metrin paksuinen kerros silttiä, hiekkaa, soraa ja moreenia. Yleensä silttiset maalajit sijaitsevat juuri savikerroksen alapuolella ja hiekkaiset maalajit ovat tyypillisiä keskikerroksessa. Kallioperän päällä sijaitsevat maalajit koostuvat yleensä moreenista ja sorasta. Kerrossarjassa ei kuitenkaan aina esiinny moreenia ja soraa. Kaikki edellä mainitut päämaalajit ovat erittäin heterogeenisiä, ja ne muodostuvat useista ohuista kerroksista erilaisia maalajeja. Maalajikerrokset eivät ole jatkuvia; yksittäisen maalajikerroksen pituus voi olla vain jotain metrejä. Alueen pohjavesi on paineellinen, ja sen korkeus on vaihdellut +2,0 m ja +5,0 m välillä eri aikoina. Kenttämittausten aikana se vaihteli välillä +3,2 m ja +3,7 m alueelle asennetuissa pohjavesiputkissa. Pohjavesi on pilaantunut klooratuilla hiilivedyillä. Projektin aikana tutkittavalle alueelle asennettiin seitsemän pohjavesiputkea. Tutkittavan alueen pituus oli 240 m ja leveys 90 m. Pohjavesiputkista mitattiin eri syvyyksiltä veden virtausnopeuksia, pohjavedenpinnan korkeuksia ja sähköistä johtavuutta. Stokastisissa mallinnuksissa alueen dimensiot olivat samat kuin tutkittavan alueen dimensiot. Maaperän vedenjohtavuus laskettiin mitatuista virtausnopeuksista ja pohjavedenpinnan korkeuksista. Pohjavesiputkien asennuksen aikana kerätyistä maaperänäytteistä tutkittiin rakeisuus. Putkista otetuista vesinäytteistä analysoitiin kloorattujen haitta-aineiden ja eräiden muiden haitta-aineiden pitoisuudet. Trikloorieteenin (TCE) maksimipitoisuus oli 1 111 µg/l ja tetrakloorieteenin 207 µg/l. Kuudessa pohjavesiputkessa tehtiin siiviläosuudella systemaattisesti yhteensä 95 virtauseromittausta 20 cm:n mittausvälillä. Pohjavesiputkien siiviläosuudet asennettiin savikerroksen ja moreeninkerroksen välille, ja siiviläosuuksien pituudet vaihtelivat 2 m ja 6 m välillä. Erittäin hienorakeiset maalajit häiritsivät mittauksia, ja esimerkiksi yhden pohjavesiputken tulokset poistettiin jatkokäsittelystä kokonaan. Yhteensä 46 mittausta valittiin jatkokäsittelyyn ja käytettiin stokastisissa simuloinneissa. Tilastolliset tunnusluvut määritettiin EXCEL-ohjelmalla ja geostatististen parametrien arvot SADA-ohjelmalla (University of Tennessee). TCE:n kulkeutumisen mallintamiseen liittyvää epävarmuutta tutkimusalueella arviointiin Kriging-menetelmällä ja stokastisilla simuloinneilla (Monte Carlo tekniikka). Stokastisissa simuloinneissa tehtiin kymmenen yhtä todennäköistä realisaatiota vedenjohtavuuden jakautumisesta alueella GSLIB-ohjelmistolla. Virtaus- ja kulkeutumisyhtälöt ratkaistiin eri vedenjohtavuuden realisaatioissa numeerisella lämmön ja monifaasivirtausohjelmistolla T2VOC. Kulkeutumisen arviointiin liittyvää epävarmuutta kuvattiin tietyssä pisteessä mallinnetun TCE-pitoisuuden todennäköisyysfunktiolla sekä alueellisella keskimääräisen pitoisuusjakauman ja siihen liittyvän hajontakuvan avulla.

AB - Haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointi heterogeenisessa maaperässä on haaste pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa. Heterogeenisissä olosuhteissa esille tulevia kysymyksiä ovat seuraavat: kuinka paljon paikkakohtaista mittaus- ja havainto-aineistoa alueen hydrogeologisista olosuhteista tarvitaan, voidaanko mittavat parametrit priorisoida ja mikä on haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen arviointiin liittyvä epävarmuus suhteutettuna mittausten määrään. Matemaattisessa mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvot annetaan mittausten perusteella ja mallin elementtien diskretisointi tilavuuden sekä mallinnettavan alueen perusteella. Pilaantuneiden maiden riskinarvioinnissa käytettävä haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallin-nuksen pinta-ala on usein joitain kymmeniä tuhansia neliömetrejä, kun taas pohjaveden pilaantumistapauksissa alue on huomattavasti laajempi. Tässä tutkimuksessa käsitellään epävarmuuden arviointimenetelmiä, jotka liittyvät maaperässä ja pohjavedessä olevien veteen liukenevien tai veteen heikosti liukenevien (non aqueous phase liquid, NAPL) haitta-aineiden käyttäytymisen ja kulkeutumisen mallintamiseen, mallinnuksessa tarvittavien parametrien arvojen paikka- ja skaalariippuvuutta sekä stokastisia menetelmiä, joilla arvioidaan maaperän heterogeenisuuden ja rajallisen mittausaineiston vaikutuksia. Tutkimuksessa kehitetään stokastinen menettelytapa, jolla arvioidaan liuenneiden haitta-aineiden kulkeutumisen epävarmuutta kyllästyneessä heterogeenisessä vyöhykkeessä. Kehitettyä menettelytapaa demonstroidaan Talin alueelta Helsingistä kerätyn hydrogeologisen mittaus- ja havaintoaineiston analyysissä ja haitta-aineiden kulkeutumisen mallinnuksen epävarmuuden arvioinnissa. Tutkimusalue sijaitsee saven täyttämässä laakso-painanteessa, jotka ovat yleisiä eteläisessä Suomessa ja Ruotsissa. Maalajikerrokset ovat muodostuneet jääkauden aikana ja meren eri aikakausina. Ne edustavat tyypillisiä Baltian kilven alueella esiintyneiden geologisten prosessien aikaansaannoksia. Talin alueen topografia on tasainen lukuun ottamatta alueen pohjoispuolta, jossa sijaitsee moreenista koostuvia mäkiä. Laaksopainanteessa savikerroksen paksuus voi olla jopa yhdeksän metriä. Savikerroksen alapuolella on noin kymmenen metrin paksuinen kerros silttiä, hiekkaa, soraa ja moreenia. Yleensä silttiset maalajit sijaitsevat juuri savikerroksen alapuolella ja hiekkaiset maalajit ovat tyypillisiä keskikerroksessa. Kallioperän päällä sijaitsevat maalajit koostuvat yleensä moreenista ja sorasta. Kerrossarjassa ei kuitenkaan aina esiinny moreenia ja soraa. Kaikki edellä mainitut päämaalajit ovat erittäin heterogeenisiä, ja ne muodostuvat useista ohuista kerroksista erilaisia maalajeja. Maalajikerrokset eivät ole jatkuvia; yksittäisen maalajikerroksen pituus voi olla vain jotain metrejä. Alueen pohjavesi on paineellinen, ja sen korkeus on vaihdellut +2,0 m ja +5,0 m välillä eri aikoina. Kenttämittausten aikana se vaihteli välillä +3,2 m ja +3,7 m alueelle asennetuissa pohjavesiputkissa. Pohjavesi on pilaantunut klooratuilla hiilivedyillä. Projektin aikana tutkittavalle alueelle asennettiin seitsemän pohjavesiputkea. Tutkittavan alueen pituus oli 240 m ja leveys 90 m. Pohjavesiputkista mitattiin eri syvyyksiltä veden virtausnopeuksia, pohjavedenpinnan korkeuksia ja sähköistä johtavuutta. Stokastisissa mallinnuksissa alueen dimensiot olivat samat kuin tutkittavan alueen dimensiot. Maaperän vedenjohtavuus laskettiin mitatuista virtausnopeuksista ja pohjavedenpinnan korkeuksista. Pohjavesiputkien asennuksen aikana kerätyistä maaperänäytteistä tutkittiin rakeisuus. Putkista otetuista vesinäytteistä analysoitiin kloorattujen haitta-aineiden ja eräiden muiden haitta-aineiden pitoisuudet. Trikloorieteenin (TCE) maksimipitoisuus oli 1 111 µg/l ja tetrakloorieteenin 207 µg/l. Kuudessa pohjavesiputkessa tehtiin siiviläosuudella systemaattisesti yhteensä 95 virtauseromittausta 20 cm:n mittausvälillä. Pohjavesiputkien siiviläosuudet asennettiin savikerroksen ja moreeninkerroksen välille, ja siiviläosuuksien pituudet vaihtelivat 2 m ja 6 m välillä. Erittäin hienorakeiset maalajit häiritsivät mittauksia, ja esimerkiksi yhden pohjavesiputken tulokset poistettiin jatkokäsittelystä kokonaan. Yhteensä 46 mittausta valittiin jatkokäsittelyyn ja käytettiin stokastisissa simuloinneissa. Tilastolliset tunnusluvut määritettiin EXCEL-ohjelmalla ja geostatististen parametrien arvot SADA-ohjelmalla (University of Tennessee). TCE:n kulkeutumisen mallintamiseen liittyvää epävarmuutta tutkimusalueella arviointiin Kriging-menetelmällä ja stokastisilla simuloinneilla (Monte Carlo tekniikka). Stokastisissa simuloinneissa tehtiin kymmenen yhtä todennäköistä realisaatiota vedenjohtavuuden jakautumisesta alueella GSLIB-ohjelmistolla. Virtaus- ja kulkeutumisyhtälöt ratkaistiin eri vedenjohtavuuden realisaatioissa numeerisella lämmön ja monifaasivirtausohjelmistolla T2VOC. Kulkeutumisen arviointiin liittyvää epävarmuutta kuvattiin tietyssä pisteessä mallinnetun TCE-pitoisuuden todennäköisyysfunktiolla sekä alueellisella keskimääräisen pitoisuusjakauman ja siihen liittyvän hajontakuvan avulla.

KW - contaminated soils

KW - heterogenous soils

KW - contaminants

KW - transport models

KW - migration

KW - risk assessment

KW - health hazards

KW - environmental impacts

KW - evaluation

KW - hydraulic conductivity

KW - ympäristönsuojelu

M3 - Report

SN - 951-38-6712-9

T3 - VTT Tiedotteita - Research Notes

BT - Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Kuusela-Lahtinen A, Vahanne P. Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2005. 76 p. (VTT Tiedotteita - Meddelanden - Research Notes; No. 2296).