The long-term development of water quality in managed aquifer recharge - Organic matter removal and related redox reactions

Tekopohjaveden muodostaminen (MAR) on laajasti käytetty menetelmä talousveden tuotannossa. Kuitenkaan menetelmän pitkäaikaisvaikutuksia pohjaveteen ei täysin tunneta. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää veden laadun kehitystä alueella, jossa pintavesi luonnostaan imeytyy maaperään. Tutkimusalueella Hollolassa Suomessa, rantaimeytyminen pohjavesimuodostumaan on ollut käynnissä tuhansia vuosia — huomattavasti pitkäaikaisemmin kuin voidaan tutkia tekopohjavesilaitoksilla tai laboratoriotesteillä. Veden laadun kehitystä tutkittiin määrittämällä järvivedestä ja pohjavedestä lämpötila, orgaanisen ja epäorgaanisen hiilin pitoisuus (TOC, DOC, DIC), happipitoisuus (DO), Fe ja Mn, sekä laskemalla systeemin hiilitase. Orgaanisen aineksen molekyylirakenne määritettiin Fourier transform ion cyclotron resonance massaspektrometrillä (FT-ICR MS). Veden laadun kehitys mallinnettiin 1-ulotteisella reaktiivisella kulkeutumismallilla, ja mallin herkkyyttä eri parametreille tutkittiin Generalized likelihood uncertainty estimation -menetelmällä (GLUE). Luontaisessa rantaimeytymisessä veden laatu vastasi rakennettujen tekopohjavesilaitosten veden laatua. Orgaanisesta aineksesta poistui 80-90% ja veden laadussa oli havaittavissa lämpötilariippuvainen happi-, rauta- ja mangaanipitoisuuden vaihtelu. Hiilitaseen laskenta osoitti että 25% pohjavesimuodostumaan päätyvästä hiilestä oli orgaanista hiiltä ja pääosin järvivedestä lähtöisin. Epäorgaanisesta hiilestä 31% oli lähtöisin järven pohjasedimentin hajoavasta orgaanisesta aineesta. FT-ICR MS tulosten perusteella rantaimeytymisessä poistuivat tehokkaimmin happipitoiset yhdisteet, kun taas rikkipitoisten yhdisteiden suhteellinen osuus lisääntyi. Pohjavesimallinnuksen perusteella TOC ja DO pitoisuuden kehitys mallinnuksessa riippui voimakkaimmin virtausnopeudesta, hydrodynaamisesta dispersiviteetistä, ja orgaanisen aineksen hapellisesta hajoamiskertoimesta. Näiden lisäksi Fe ja Mn -pitoisuuksien kehitys oli riippuvaista orgaanisen aineksen reaktionopeuksista mangaanin kanssa, mutta tulos oli vähemmän selkeä. Johtopäätöksenä todettiin, että MAR on menetelmä, jolla orgaanista ainesta voidaan poistaa vedestä pitkäkestoisesti ilman että poistoteho heikkenee maaperässä. Tulos on menetelmän kestävyyden kannalta myönteinen. Tutkimuksessa korostui myös rantasedimenttien suuri vaikutus veden laatuun ja mallinnettaessa MARia, rantavyöhykkeen prosessit on sisällytettävä malliin. Hiilitaselaskennalla voidaan hahmottaa rantavyöhykkeen prosessien suuruus. Keskeisten parametrien tunnistaminen auttaa jatkossa MAR mallien kalibroinnissa ja osaltaan korosti pohjaveden perusvirtauskuvan ymmärtämisen ja veden virtausnopeuden arvioinnin tärkeyttä tekopohjaveden muodostamiseen tähtäävissä maastotutkimuksissa.