Geologisk barriär behållare

Vattnets hastighet i geologisk barriär i berg

Publicerad 11 maj 2016
I förordningen om deponering av avfall anges att transporttiden för lakvatten genom den geologiska barriären skall vara minst 50 år. Enligt Naturvårdsverkets handbok bör den geologiska barriärens längd inte överstiga 300 m. Hur beräknar man transporttiden och den geologiska barriärens längd i berg?

SGI:s synpunkter

Det bör redan från början poängteras att beräkningar av vattnets partikelhastighet genom berg alltid är behäftade med utomordentligt stora osäkerheter. Vattentransporten är i princip helt koncentrerad till sprickor och sprickzoner i berget. Flödet är beroende av bland annat mängden sprickor, sprickornas grad av öppenhet, sprickornas orientering, sprickväggarnas skrovlighet och inte minst olika sprickor och spricksystems kontinuitet och grad av kontakt med varandra. Eftersom det inte går att exakt mäta dessa faktorer är man hänvisad till förenklingar, och i de flesta fall beräknas flödet som om bergmassan vore homogen och isotrop, dvs. på samma sätt som för jord.

Bergmassans hydrauliska konduktivitet kan beräknas med hjälp av olika typer av provpumpningar. Oftast görs beräkningarna med utgångspunkt från kortvariga enhålsförsök. Det ger en uppfattning om bergmassans egenskaper närmast brunnen, men ger ingen information om spricksystemets utbredning eller om sprickorna har kontakt med andra brunnar. Oftast fördelas vattenflödet på hela borrhålslängden under grundvattenytan vid beräkningarna, så att den hydrauliska konduktiviteten (K-värdet) som beräknas blir representativ för hela bergmassan. Vattenflödet kan också fördelas på de delar av borrhålet där man genom noteringar från borrningen bedömer att sprickzoner finns. K-värdet blir då representativt för sprickzonerna.

Vattnets partikelhastighet kan beräknas på samma sätt som för jord:

V=K*I/n

n = effektiv porositet
K = hydraulisk konduktivitet
I = grundvattenytans lutning

Den effektiva porositeten (även benämnd kinematisk porositet) för bergmassan som helhet (kristallint berg med sprickor och sprickzoner) har angivits till mellan 0,01 % och 0,1 %, men varierar sannolikt mycket mer. Den är således betydligt mindre än för jord där den kan uppgå till 30 %. Därmed blir vattnets partikelhastighet vanligtvis betydligt större i berg än i jord med motsvarande K-värde. Partikelhastigheter på upp till 60 m per dygn har uppmätts vid provpumpning med spårämnesförsök.

I en sprickzon kan den effektiva porositeten vara mångfalt större än i bergmassan som helhet. När man försöker beräkna partikelhastigheten är det viktigt att K- och n-värdena representerar samma sak. Om K-värdet representerar hela bergmassan måste också n-värdet representera hela bergmassan. Om K-värdet representerar en sprickzon måste det n-värde som representerar sprickzonen användas.

Ovanstående beräkningar måste ses som grova förenklingar. Det är inte ens säkert att resultaten blir av rätt storleksordning. För säkrare resultat krävs stor geohydrologisk kunskap och erfarenhet, noggrant planerade och genomförda borrningar, provpumpningar och andra mätningar samt omfattande utvärdering. Trots detta kommer resultaten sannolikt att vara behäftade med osäkerheter.

Att bestämma den geologiska barriärens utbredning på grundval av enklare beräkningar av partikelhastigheten är således inte tillrådligt. Samtidigt är kostnaderna för noggranna undersökningarna höga. För nya deponier bedöms det därför vara bättre att komplettera den geologiska barriären med en konstgjord geologisk barriär, så att deponeringsförordningens krav med säkerhet kan uppfyllas, än att bekosta dyra utredningar som kanske ändå ger osäkra resultat.

För befintliga deponier kan det vara bättre att koncentrera sig på grundvattnets möjliga strömningsriktningar. Dessa är betydligt lättare att bedöma än strömningshastigheter. För brunnar eller andra skyddsvärda objekt som bedöms kunna påverkas, kan provtagnings- och kontrollprogram upprättas.
Undantag från krav på geologisk barriär

Publicerad 14 januari 2016
Verksamhetsutövaren vidhåller att kravet på geologisk barriär är uppfyllt och att något undantag från detta krav inte behöver sökas.

SGI:s synpunkter:

En vattenbalans visar att lakvattenläckaget är mindre än 50 l/m² och år (45 l/m² och år).

En svaghet är emellertid, att det finns en osäkerhet kring angivet värde för lakvattenflödet. Det har tidigare varit problem med mätningarna och angivet värde baseras på endast ca 1,5 års mätningar. Skulle det uppsamlade lakvattenflödet vara lägre finns inga stora marginaler förrän tillåtet läckage överskrids. Det är viktigt att visa att pumpflödet står i proportion till nettonederbörden så att större delen av lakvattenflödet alltid samlas upp och omhändertas.

Under passiv fas ska lakvattenbildningen begränsas med ett tätskikt i sluttäckningen. Högsta tillåtna läckage är ca 4 500 m³/år. Dessutom tillförs f.n. ytvatten till lakvattnet. Hur stort ytvattenflödet är och i vilken utsträckning detta kan ledas bort utan kontaminering av lakvatten är oklart. Det är också oklart hur stor del av lakvattnet som avleds genom sprickzoner i berget.

Uppgifter om den geologiska barriärens genomströmningsarea saknas, men SGI gör bedömningen att ytan är högst 500 m² i jord. Med angiven hydraulisk konduktivitet 1·10^-9 m/s och gradient 0,085 fås flödet 1,3 m³/år genom tätskärmen (beräkning enligt Darcy), vilket bedöms bli en allvarlig begränsning. Flödet kan minskas genom ett effektivare tätskikt i sluttäckningen och eventuellt också genom en effektivare avskärmning av tillrinnande ytvatten. Osäkerheterna kring den geologiska barriären är således stora. Även under den passiva fasen utgör tätskärmen i lera det huvudsakliga skyddet.

Gjorda redovisningar beträffande grundvattenströmning i berg förutsätter att det inte finns några större genomsläppliga sprickzoner. Omvänt skulle en genomsläpplig sprickzon alltför snabbt leda relativt stora flöden förorenat lakvatten till en recipient.

För att bedöma var lakvattnet lämnar den geologiska barriären bör man bedöma var utströmningsområdet ligger med hjälp av en topografisk profil. Det är viktigt att bedöma risken för att lakvatten lämnar den geologiska barriären för tidigt och övergår till ytvattenflöde, alternativt bedöma om det finns risk för djupare grundvattenströmning så att lakvattnet kommer att strömma okontrollerat under en avsedd ytvattenrecipient.

SGI finner att det är oklart om den föreslagna geologiska barriären i jord kommer att ha tillräcklig kapacitet att ta hand om lakvattnet under den passiva fasen. Eventuellt kan den befintliga barriären kompletteras med en konstgjord geologisk barriär så att tillräcklig kapacitet och rening erhålls.
Aska i geologisk barriär

Publicerad 14 januari 2016
Kan man använda aska i en konstgjord geologisk barriär?

SGI:s synpunkter:

Om man gör en konstgjord barriär ska den ge minst ett likvärdigt skydd som en naturlig barriär eller barriär enligt EU-direktivet ger (med angivna tjocklekar och hydrauliska konduktiviteter). En rimlig tolkning är att askan, om den ska användas, inte lakar ut mer än vad en konventionell barriär skulle ha gjort. Det är upp till sökanden att i så fall visa detta.
Konstgjord geologisk barriär av bentonitmatta och stenmjöl

Publicerad 14 januari 2016
Kan man ändra en bottenkonstruktion från:

Dränering
Geomembran (t.ex. HDPE)
0,5 m bentonitblandad sand

till

Dränering
Geomembran (t.ex. HDPE)
Bentonitmatta typ Bentofix
0,5 m stenmjöl

SGI:s synpunkter:

En konstgjord geologisk barriär ska ge samma skyddsnivå som en naturlig barriär. Den ska ha samma genomsläpplighet eller genomströmningstid men ska också vara lika robust och den bör uppfylla samma krav på att material kan läggas fast, brytas ned och spädas ut. Just dessa krav ligger till grund för att man inte enbart kräver en bottentätning utan just en geologisk barriär.

En geologisk barriär som utgörs av bara en bentonitmatta och stenmjöl blir mycket känslig för sättningar, penetration av skarpa föremål eller fel vid utläggningsarbetet och mycket känslig för vattentryck som byggs upp ovanför bentonitmattan.

Den föreslagna utformningen med stenmjöl och bentonitmatta bör därför inte godtas även om kraven på täthet eller genomströmningstid kan uppfyllas.

Övrigt
Båda de föreslagna lösningarna innebär mycket täta bottenkonstruktioner även om alternativ 2 inte bedöms vara tillräckligt robust. Det är därför sannolikt att lakvatten kommer att svämma över eller läcka vid sidan om den geologiska barriären och att ett skydd enligt 21 § deponeringsförordningen behövs.
Bedömning av konstgjord geologisk barriär

Publicerad 14 januari 2016
Som konstgjord geologisk barriär har föreslagits 0,5 m bentonitblandad sand. Den hydrauliska konduktiviteten på materialet är 0,5*10^-9 m/s. Den effektiva porositeten har uppgivits till 0,13 och genomströmningstiden till 20,6 år. Är en sådan barriär tillräcklig?

SGI:s synpunkter:

Enligt deponeringsförordningen ska en konstgjord barriär för en deponi för icke-farligt avfall vara minst 0,5 m tjock samt i fråga om genomtränglighet och tjocklek ge ett skydd som är likvärdigt med effekten av 1 m material med hydraulisk konduktivitet mindre än 10^-9 m/s.

Enligt Naturvårdsverkets handbok 2004:2 kan genomströmningstiden t beräknas:

t = 10 x D x n_e / (K x I)

D= tjockleken
n_e= effektiv porositet
K= hydraulisk konduktivitet
I= hydraulisk gradient.

Av formeln framgår att om man minskar lagrets tjocklek till hälften kan detta kompenseras genom att också den hydrauliska konduktiviteten minskas till hälften om den effektiva porositeten är lika stor i leran som i den bentonitblandade sanden.

Om det finns risk för att tätskiktet kommer att utsättas för ett övertryck kommer en tunnare konstruktion att vara mera känslig genom att gradienten ökar mer för ett tunt skikt. Utan övertryck räknar man normalt med gradienten ett. En halv meters övertryck på en 1 m tjock barriär kommer att medföra en gradient på 1,5. En halv meters övertryck på 0,5 m barriär medför en gradient på 2,0. Vid övertryck blir således strömningen något större i en tunnare barriär.

Det finns få uppgifter om den effektiva porositeten hos leror. Uppgifter på 5–10 % förekommer. Om man antar ett värde på 10 % kan genomströmningstiden för en meter lera med en hydraulisk konduktivitet på 10^-9 m/s och utan övertryck beräknas till ca 31 år. Med ett övertryck på 0,5 m blir genomströmningstiden 20,6 år. Den föreslagna konstruktionen bör således vara likvärdig med 1 m lera med den hydrauliska konduktiviteten 10^-9 m/s.

Man bör inte betrakta ovanstående beräkningar som "sanningen" vare sig beträffande tiden det tar för vattnet eller en förorening att ta sig igenom en barriär av lera. När det gäller leror är vattenströmning och föroreningstransport komplexa. Beräkningarna bör ses som ett förenklat sätt att jämföra olika barriärer.

I det aktuella fallet kommet ett geomembran av plast att läggas som bottentätning över den geologiska barriären. Det bör observeras att en sådan bottenkonstruktion blir mycket tät. Man bör därför vara medveten om och förbereda ett sådant skydd som anges i 21 § deponeringsförordningen.
Konstgjord geologisk barriär av bentonitmattor och stenmjöl
Publicerad 14 januari 2016
Kan man byta ut en konstgjord geologisk barriär bestående av 0,5 m bentonitblandat stenmjöl (BES) mot 4 lager bentonitmattor (6 mm bentonit vardera) ovanpå 0,5 m stenmjöl? Materialet i bentonitmattorna har en hydraulisk konduktivitet på 2*10^-11 m/s. Stenmjölet bedöms ha en hydraulisk konduktivitet på 1*10^-6 m/s.

SGI:s synpunkter:

Av 20 § deponeringsförordningen framgår att en konstgjord barriär ska vara minst 0,5 m tjock, samt i fråga om genomtränglighet (permeabilitet) och tjocklek (mäktighet) ge ett skydd som för en deponi för icke-farligt avfall är minst likvärdigt med effekten av ett en meter tjockt skikt med permeabiliteten 1*10^-9 m/s. Detta tolkas normalt så att om tjockleken minskas till hälften (0,5 m) måste detta kompenseras genom att permeabiliteten (den hydrauliska konduktiviteten) också minskas till hälften (5*10^-10 m/s). I princip skall den ekvivalenta hydrauliska konduktiviteten dividerad med barriärens tjocklek vara mindre än 1*10^-9 (s^-1). (k/D < 10^-9). Den ekvivalenta hydrauliska konduktiviteten kan beräknas som:

D/k=D1/k1+D2/k2 + Dn/kn där

D = tjockleken på barriären
k = den ekvivalenta hydrauliska konduktiviteten
D1...Dn = tjockleken på respektive ingående skikt
k1...kn = hydrauliska konduktiviteten för respektive skikt.

Enligt Naturvårdsverkets handbok 2004:2 med allmänna råd bör den geologiska barriären bestå av ett eller flera sammanhängande skikt och materialen i skikten bör vara beständiga och ha egenskaper som motsvarande de som naturlig jord har. I övrigt ska den konstgjorda barriären ha egenskaper som förhindrar, bryter ned, fastlägger eller fördröjer transporten av ämnen och föroreningar.

Av ovanstående framgår att den geologiska barriären kan bestå av olika skikt. Ett exempel är en barriär på SRV- Återvinningsanläggning där barriären utgörs av 0,25 m torvblandat stenmjöl och 0,25 m bentonitblandat stenmjöl.

Om man antar att endast bentonitmattorna har någon betydelse fås för fyra lager med bentonitmattor (6 mm):

k/D = 2*10^-11/ (4*0,006) = 0,83*10^-9 m/s < 1*10^-9, dvs. OK

En mer noggrann uppställning ger:

D/k = 0,006/2*10^-11 + 0,006/2*10^-11 +0,006/2*10^-11 + 0,006/2*10^-11 + 0,5/1*10^-6.

Den totala tjockleken D = 0,524 m vilket ger

0,524/k =0,024/2*10^-11+0,5/1*10^-6.

Dvs. k = 0,524/(0,012*10¹¹+0,5*10⁶)

Den sista termen inom parentesen kan försummas i jämförelse med den första. (Fysikaliskt innebär det att stenmjölslagret inte bidrar till den ekvivalenta hydrauliska konduktiviteten. Det bekräftar att det förenklade beräkningssättet ovan kan användas i detta sammanhang vilket beror på att stenmjölet har ca 50000 gånger högre hydraulisk konduktivitet än bentoniten). Om barriären består av flera lager där de hydrauliska konduktiviteterna är av samma storleksordning måste alltid den noggrannare uppställningen användas.

Den ekvivalenta hydrauliska konduktiviteten blir således:

k=4,4*10^-10 m/s, vilket är mindre än 5* 10^-10 m/s som krävs för en 0,5 m tjock barriär, eller om man så vill:

k/d = 4,4*10^-10/0,524 = 8,4*10^-10 vilket är mindre än 1*10^-9 m/s, dvs. OK

Lagstiftningen har satt en nedre gräns på 0,5 m för barriärens tjocklek. Skälen till detta är inte klart angivet, men ett skäl är att man vill åstadkomma en robust barriär som ska tåla vissa sättningar och inte så lätt penetreras av vassa föremål.

Om man jämför alternativen fyra bentonitmattor med 0,5 m bentonitblandad sand kan man konstatera följande:
- Bentonitmattor tillverkas industriellt och har mycket jämn kvalitet. Vid barriärer med bentonitblandad sand finns alltid en viss risk för kvalitetsskillnader på grund av att material, vattenhalter, blandningsförhållanden eller effektivitet vid packningsarbetet varierar.
- Tunnare konstruktioner som bentonitmattor anses normalt vara känsligare för sättningar än tjockare barriärer. Bentonitmattor som konstgjord barriär bör därför endast användas där risken för sättningar är liten (t.ex. vid moräner, sand och grus) och där underarbetet utförs noga (0,5 m stenmjöl bedöms utgöra ett bra underlag för bentonitmattor).
- Bentonitmattornas lager av geotextil är inte beständigt. Detta saknar dock betydelse om mattorna omges av stenmjöl. Även om bentoniten och stenmjölet kan komma att tränga in i varandra sedan geotextilen vittrat, kommer den låga hydrauliska konduktiviteten att bevaras.
- Ren bentonit bedöms ha lägre skjuvhållfasthet än bentonitblandad sand. Konstgjorda barriärer av bentonitmattor bör därför endast användas vid små lutningar.
- Fyra bentonitmattor bedöms innehålla ca 20 kg bentonit per kvadratmeter. En inblandning av ca 6 % bentonit i ett 0,5 m tjockt lager ger ca 45 kg bentonit. Bentonit är en god absorbent varför det bentonitblandade stenmjölet bedöms ha en bättre fastläggande förmåga. Hur sorptionsförmågan är jämfört med naturlig lera har vi inga uppgifter om.
- Tunnare konstruktioner som bentonitmattor bedöms vara känsligare för penetration av vassa föremål än tjockare konstruktioner. Genom ett lager med 0,5 m stenmjöl under, samt 0,5 m stenmjöl och dräneringslager mellan, bentonitmattorna och avfallet bedöms dock risken för en sådan penetration som mycket liten.
För att minska risken för att skarvar kan orsaka läckage bör de tätas med bentonitpulver och läggas så att skarvarna inte hamnar direkt under varandra. Genom att fyra lager läggs ovanpå varandra är risken för att ett materialfel i någon matta ska få nämnvärd betydelse försumbar.

Sammanfattningsvis bedöms fyra lager bentonitmattor ovanpå ett 0,5 m lager av stenmjöl, och med ett skyddslager av ca 10 cm stenmjöl ovanpå bentonitmattorna, uppfylla kraven på en konstgjord geologisk barriär under förutsättning att undergrunden är stabil och att ytan har relativt låg lutning så att glidning inte uppkommer. Bentonitblandat stenmjöl bedöms ge bättre fastläggningsförmåga och en något robustare konstruktion, men är å andra sidan svårare att kvalitetssäkra.

För övrigt kommer båda alternativen till bottenkonstruktioner att bli mycket täta vilket innebär att allt lakvatten inte kan passera barriären under vare sig aktiv eller passiv fas. Det är därför viktigt att planera för hur omhändertagandet av lakvattnet ska ske under den passiva fasen.
Tids- och kapacitetsaspekter på geologisk barriär av morän

Publicerad 14 januari 2016
En deponi är ca 400 x 400 m och belägen på ca 3 m mäktiga moränlager med sandig siltig morän. Avståndet till skyddsobjektet är 600 m och grundvattenytans lutning är ca 6 %.

Kommer moränen att fungera som en naturlig geologisk barriär?

SGI:s synpunkter:

Vattenhastigheten kan beräknas med hjälp av Darcy's lag:

V = *K*I/n

n = effektiv porositet
K = Hydraulisk konduktivitet
I = Grundvattenytans lutning.

K för en siltig morän varierar normalt mellan 10^-7 och 10^-9 m/s. Med tanke på att moränen är sandig väljs det högre värdet, 10^-7 m/s.

n sätts ofta slentrianmässigt till 0,3, även om den effektiva porositeten i morän kan förväntas vara lägre. Bra referensvärden för olika jordarter saknas.

I är enligt förutsättningarna 0,06.

Vattenhastigheten blir 10^-7*0,06/0,3 = 2*10^-8 m/s eller 0,63 m/år vilket motsvarar ca 30 m på femtio år.

Området uppfyller således kravet för en geologisk barriär för en deponi för icke-farligt avfall.

Man bör också kontrollera den geologiska barriärens kapacitet:

Q = A*K*I

Tvärsnittsarean av den geologiska barriären blir 3 m*400 m = 1200 m² vilket ger en transportkapacitet av:

1200*10^-7*0,06 = 7,2 * 10^-6 m³/s eller ca 230 m³/år

Om täckningen släpper igenom 50 l/m² och år blir vattenmängden som ska transporteras bort i den geologiska barriären:

400*400*0,05 = 8000 m³/år.

Den geologiska barriären kan således inte svälja hela den infiltrerade mängden. Visserligen har inte möjligheterna att utnyttja berggrunden medräknats, men å andra sidan har inte den nederbörd som faller uppströms deponin eller på området för den geologiska barriären medräknats. Slutsatsen blir att täckningen med största sannolikhet måste göras betydligt tätare än 50 l/m² och år och/eller att barriären kompletteras med ett nedströmsskydd enligt deponeringsförordningen 21 §.
Torvmosse som geologisk barriär

Publicerad 14 januari 2016
En verksamhetsutövare har en ca 60000 m² stor deponi, som avses utnyttjas för inert avfall. Deponin är belägen vid en mosse som avvattnas via en ca 100 m bred dalgång. Torvlagret är 2,5 – 3 m tjockt och underlagras av ca 2 m lera som i sin tur underlagras av morän. Det vatten som avrinner via moränen bedöms ha mycket lång strömningstid, men större delen av lakvattnet har bedömts avrinna via torven. Torven har en humifieringsgrad som varierar mellan 4 och 8 och i litteraturen förekommande hydrauliska konduktiviteter (K) har angivits till mellan 3*10^-7 och 5*10^-6 m/s. Grundvattennivån i torven har uppmätts till mellan 0 och 0,7 m under torvytan.

Vid beräkningarna av strömningshastigheten har konduktiviteten försiktigtvis antagits till 10^-4 m/s. Den hydrauliska gradienten (I) har bedömts vara 0,002 och den effektiva porositeten (n) 0,3.

Den sträcka som behövs för att strömningstiden ska bli ett år blir:

3600*24*365*K*I/n, vilket ger 21 m.

Verksamhetsutövaren planerar att utnyttja 80 m av torvmarken nedströms deponin som geologisk barriär. Är detta tillräckligt?

SGI:s synpunkter:

Som framgår av beräkningarna ovan är många av de ingående parametrarna som antagits på den säkra sidan och enligt beräkningarna uppfylls kravet på 1 års uppehållstid med god marginal. Kapaciteten för vattentransporten har dock inte kontrollerats.

Dalgången är ca 100 m bred och torvdjupet max 3 m vilket generöst räknat ger en genomströmningsarea (A) på 300 m³. Flödet (Q) genom arean blir då:

Q= K*I*A *3600*24*365 m³/år

Om vi generöst antar att K = 5*10^-6 som är det största värdet som anges inledningsvis för torven fås att

Q = 5*10^-6*0,002*300*3600*24*365 = 95 m³/år

Om vi antar att sluttäckningen utformas så att den inte släpper igenom mer än 50 liter per kvadratmeter och år blir lakvattenbildningen 60000*0,05 = 3000 m³/år.

Det är således så att lakvattenbildningen blir mycket större än torvens bortledningskapacitet vilket innebär att en stor del av lakvattnet avbördas som ytvatten. Vattnet bedöms komma att bredda över barriären. I praktiken bedöms en översilning av torvytan ske. Det krävs då ett nedströmsskydd enligt deponiförordningens 21 §:

Om vi antar att nederbörd minus avdunstning (ibland kallad nyttig nederbörd eller effektiv nederbörd) uppgår till ca 200 mm/år = 0,2 m/år, blir den nederbörd som faller ned på barriären = 100*80*0,2=1600 m³/år. Bortledningskapaciteten är således inte ens tillräcklig för att leda bort den nederbörd som faller på själva barriären. Resultatet förvånar knappast. Mossar blidas ju för att regnvattnet inte kan avrinna som grundvatten utan avrinner ytligt utan att tillföras näring, vilket i sin tur innebär att mossor (som trivs i näringsfattig miljö) kan växa till.

Översilning på olika typer av mark har ofta en reningseffekt. Huruvida översilningen över mossmarken nedströms deponin kan fungera som ett nedströmsskydd är en annan historia. Det kan inte avgöras utan ytterligare undersökningar och miljökonsekvensbedömningar.