Sunndalsøra groundwater works: Water quality assessments

Abstract

factors controlling groundwater quality is of great importance in the context of exploiting and supplying groundwater of good quality for public use. Groundwater quality is conditioned by aspects of geological and hydrological character, as well as involving physical, chemical and biological processes. Groundwater quality also depends on factors controlled by well performances and characteristics, as well as the operational routines at the waterworks in question. This research combines disciplines of hydrogeological, geological and geochemical character in order to describe and understand the water quality at the public water supply at Sunndalsøra in the county of Møre og Romsdal, Norway.

The research is based on field and laboratory investigations in relation to the establishment of an additional production well in an aquifer exploited for public water supply in Sunndalen. Sediment samples have been collected in relation to the drilling of the well. Water sampling and groundwater level measurements have been conducted as part of an aquifer test and during the test pumping of the well. The test pumping also includes field analyses of groundwater, as well as water sampling for characterization of physical-chemical parameters of all wells, the infiltration basin and the river Driva. Collected sediment samples were analyzed in the laboratory at Department of Geology and Mineral Resources Engineering (IGB) using X-ray analyses, grains size analyses and loss on ignition. Water samples have been analyzed by the Geological Survey of Norway (NGU) combining tools of chromotography, mass spectrometry, nephelometry and titrations. In addition, water samples have been collected for microbiological analyses in relation to an ongoing ph.d-project at NTNU and by Sunndal municipality.

A fluvial aquifer at Sjølandsøra is exploited for public drinking water supply, supplying the community of Sunndalsøra and surrounding areas. Problems related to terms of use result from too high values of iron in one of the production wells (well B). Elevated levels of iron have been a persisting problem affecting well constructions and transmission lines, as well as causing discoloration and staining experienced by the consumers. This problem and its concerns define the starting point of a series of improving actions, including the work related to this assignment. A new production well has been established with the aim of replacing well B. In order for any replacement to take place, the new well has to meet all requirements for good drinking water as stated in the drinking water regulations, as well as demands for well capacity.

The mineralogical composition of the fluvial sediments comprising the aquifer, contribute with ferrous iron through chemical dissolution processes in a zone where the groundwater is sufficiently poor in oxygen and acidic in character. This mineral-groundwater interaction may explain the problems experienced with well B, which has the most deeply situated well screen. Relatively high concentrations of carbon dioxide in groundwater extracted from well B suggest that microbial decomposition is an important process in the aquifer sediments in vicinity of this well. This process of decomposition sets the stage for an anoxic groundwater evolution in the deeper and finer grained (fine sand/silt) parts of the aquifer, leading to efficient iron dissolution. Groundwater flow patterns and residence times gives an additional insight to factors influencing the geochemistry of the groundwater basin. It is documented that dissolved iron concentrations increase with reduced aquifer recharge. This is to a great extent linked to a decrease in infiltration of river water deriving from Driva. Studies and observations related to different operational situations at the works document the close link between functionality of different components of the works and water quality, as well as the relationships between quality and capacity aspects. The closing of well B resulted in an increase in dissolved iron concentrations in the overlying well A as this well now started to withdraw the deeper and more reduced groundwater. The infiltration basin also has an influence on water quality by means of contributing to aquifer recharge in vicinity of well D.

Results and observations from the test pumping period prove that improving actions should be implemented at the groundwater works. The new production well meets all requirements in terms of capacity and quality. With this aspect accounted for, actions aiming at improving water quality with respect to the reduction of high values of iron are preferably implemented in the following order:

1. Establish a water supply from the newly established well (D), which then replaces well B as a production well of drinking water.

2. Well B should still be operative such that the withdrawal of groundwater equals an amount necessary to avoid extraction of reduced groundwater into the overlying well (A). Groundwater from well B (c. 10-15 l/s) could be pumped by means of diversion to Driva or function as an additional water supply for the infiltration basin. The latter option is feasible in that will contribute to an increase in pH and alkalinity from re-infiltration of groundwater relatively rich in CO2. Iron hydroxide is expected to precipitate in/on the filter mass of the basin, and the establishment of a second infiltration basin should be considered.

3. Improve the river intake by means of establishing a new tilted well beneath the river bed and/or extending the already existing river intake into the deeper parts of the river. This will secure a more predictable water supply on an annual basis.

4. Increases in surface area of the basin should be viewed in connection with the establishment of a second infiltration basin (basin 2). This will enhance water supply during periods of dry spells through an increase in aquifer recharge.Suggestions for actions contributing to an additional improvement of water quality:

5. It is strongly recommended that the degree of groundwater protection is increased, to better protect the aquifer from future activities and land use. This action should be accomplished with the definition of four protection zones, and with an extension of the protection zone south of well D. The well area and the infiltration basin must be secured with a lockable fence (zone 0).

6. Consider possible water reserves, as well as an improvement of the Kalken water works, to ensure a stable water supply on an annual basis.

7. Reduce the amount of bacterial counts in well D by means of disinfection with e.g. chlorine. Regeneration (disinfection) should also be conducted in relation to all wells and transmission lines.

8. Regenerate (refill) the filter mass of the infiltration basin with the aid of crushed limestone/marble. This action will increase the groundwater alkalinity, pH and calcium. If considered feasible, this step might replace the present use of Ca(OH)2 added at the treatment facility.

Forståelsen av hvilke faktorer som innvirker på grunnvannskvalitet er viktig ved bruk av grunnvann som tas ut i forbindelse med en kommunal vannforsyning. Grunnvannskvalitet betinges av geologiske og hydrologiske faktorer, så vel som fysiske, kjemiske og biologiske prosesser. I tillegg kontrolleres vannkvaliteten av forhold som knytter seg til brønnfunksjonalitet og konstruksjon, samt drifts- og vedlikeholdsrutiner hos det enkelte vannverk. Dette studiet kombinerer disipliner av hydrogeologisk, geologisk og geokjemisk karakter, for å kunne beskrive og forstå vannkvaliteten ved Sunndalsøra grunnvannsanlegg i Møre og Romsdal, Norge.

Studiet baserer seg på felt og laboratorieundersøkelser knyttet til etableringen av en ny produksjonsbrønn i en akvifer i Sunndalen. Sedimentprøver ble samlet inn i forbindelse med boringen av den nye brønnen. Vannprøver for analyse av fysisk-kjemiske parametere samlet inn fra infiltrasjonsbasseng og brønner, samt registrering av grunnvannsnivåer, ble utført under prøvepumpingen. Prøvetaking for bakteriologiske analyser av grunnvannet ble gjort av Sunndal kommune. Utvalgte fysisk-kjemiske parametere ble analysert i felt. Sedimentprøvene ble analysert i Ingeniørgeologi-laboratoriet ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU, med bruk av metoder for analyse av kornfordeling, røntgenanalyser og glødetapsanalyser. Norges geologiske undersøkelse i Trondheim analyserte vannprøvene med metoder som kromatografi, massespektrometri, nefelometri og titrering. I tillegg ble vannprøver samlet inn for analyse av mikrobiologi i forbindelse med et pågående ph.d.-prosjekt ved NTNU.

En fluvial akvifer på Sjølandsøra benyttes i vannforsyningen av Sunndalsøra og tilgrensende områder. Bruksmessige problemer har oppstått som følge av for høye jernverdier i en av produksjonsbrønnene (brønn B). For høye verdier av jern har vært et vedvarende problem som har påvirket både brønnkonstruksjoner og ledningsnett, samt ført til problemer hos forbruker i form av blant annet misfarging og utfelling i vaskeservanter. Jernproblemene definerer utgangspunktet for flere utbedrende tiltak ved grunnvannsanlegget, i tillegg til arbeidet knyttet til denne masteroppgaven. En ny produksjonsbrønn er etablert og skal erstatte brønn B. For at det skal kunne opprettes vannforsyning fra den nye brønnen må den, i tillegg til kapasitetskrav, tilfredsstille alle krav kvalitet i henhold til Drikkevannsforskriften.

Mineralsammensetningen i avsetningen bidrar med toverdig jern gjennom kjemiske forvitringsreaksjoner i de deler av magasinet der grunnvannet er tilstrekkelig oksygenfattig og surt. Denne interaksjonen mellom mineral og grunnvann kan forklare problemene som erfares med brønn B, som er den av produksjonsbrønnene som har det dypest plasserte filteret. Estimat av CO2-konsentrasjoner viser at nedbrytning av organisk materiale er en noe mer aktiv prosess i nærheten av denne brønnen. Aerob nedbrytning av organisk materiale etablerer reduserende forhold i de dypere delene av akviferen, som igjen leder til økt løselighet av toverdig jern. Det er vist at jernkonsentrasjonene øker under forhold med redusert grunnvannsnydannelse. Dette knyttes i størst grad til nedsatt infiltrasjon av elvevann fra Driva. Beskrivelser av grunnvannets strømningsmønster og oppholdstid gir større forståelse av forholdene i akviferen og bedre innsyn i faktorer som kan virke inn på de geokjemiske forhold som styrer løseligheten av jern. Studier og observasjoner av ulike styrings(drifts)forhold ved anlegget tilsier at det er en nær sammenheng mellom vannkvalitet og funksjonalitet av ulike installasjoner ved anlegget, så vel som mellom kvalitet og kapasitet.

Avstengningen av brønn B ga en økning i jerninnhold i overliggende brønn A, som et resultat av at denne brønnen nå begynte å ta ut dypere og mer redusert grunnvann. Infiltrasjonsbassenget har også en betydning for vannkjemien I form at infiltrert elvevann fra bassenget bidrar i nydannelsen av grunnvann i nærheten av brønn D.

Resultater og observasjoner fra prøvepumpingsperioden viser at utbedrende tiltak bør gjennomføres ved grunnvannsanlegget. Det er dokumentert at den nye produksjonsbrønnen tilfredsstiller alle krav til kapasitet og kvalitet. På bakgrunn av dette foreslås i prioritert rekkefølge følgende tiltak for å forbedre vannkvaliteten med hensyn på å redusere jerninnholdet i grunnvannet:

1. Etablere vannforsyning fra brønn D, som da erstatter brønn B som produksjonsbrønn.

2. Fra brønn B bør det fremdeles tas ut en viss mengde vann (ca. 10-15 l/s), slik at man unngår å trekke redusert grunnvann inn i overliggende brønn (A). Grunnvann fra brønn B kan pumpes ved avverging til Driva eller infiltrasjonsbassenget. Sistnevnte alternativ vil kunne bidra til økt pH og alkalitet gjennom re-infiltreringen som da vil foregå med grunnvann med noe høyere CO2-innhold. Det forventes at jernhydroksider vil felles ut på bassengbunnen, og derfor bør man vurdere å etablere et eget infiltrasjonsbasseng.

3. Utbedre elveinntaket ved å etablere en ny skråstilt brønn under elvebunnen og/eller forlenge eksisterende inntak lenger ut i elvens dypere parti. Dette vil sikre en mer stabil vannforsyning på årlig basis.

4. En økning i infiltrasjonsbassengets overflate må ses i sammenheng med etableringen av et nytt basseng (basseng 2), der vann fra brønn B infiltreres. Dette kan bidra til å sikre vannforsyningen i tørrværsperioder.Forslag til andre tiltak som kan bidra til å forbedre den generelle kvaliteten ved anlegget:

5. Det anbefales på det sterkeste at grunnvannsmagasinet sikres bedre gjennom en områdebeskyttelse (klausulering), slik at en framtidig konflikt med aktiviteter og arealbruk unngås. Områdebeskyttelsen bør innebære opprettelsen av fire sikkerhetssoner rundt anlegget og en utvidelse av sikkerhetssonen sørvest for brønn D. Brønnområdet (sone 0) må gjerdes inn og sikres med låsbar port.

6. Mulige reservevannskilder bør vurderes, så vel som en utbedring av Kalken vannverk, for å øke leveringssikkerheten på årlig basis.

7. Det bør foretas en desinfeksjon (kloring) av brønn D før denne tas i bruk, slik at kimtallet reduserer til godkjent nivå. Regenerering (desinfeksjon) bør også gjøres av brønner og ledningsnett.

8. Filtermassen i infiltrasjonsbassenget bør regenereres (byttes). Dette vil innebære tilsetting av knust kalk/marmor, slik at både alkalitet og pH øker. Oppnås ønsket virkning kan denne behandlingsmetoden erstatte eksisterende løsning med tilsetting av kalkhydrat fra vannbehandlingsanlegget.