Maaperän heterogeenisuuden vaikutus haitta-aineiden kulkeutumiseen pilaantuneiden maiden riskiarvioinnissa

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.