Groundwater Recharge in Crystalline Bedrock : Processes, Estimation, and Modelling

• Kunskap om grundvattenbildningen är nödvändig för att man ska kunna förutsäga konsekvenserna av grundvattenuttag och underjordsbyggande. Grundvattenbildningen i berggrunden är dock svår att uppskatta. Syftet med avhandlingen var att öka förståelsen av grundvattenbildningen i kristallin berggrund, att undersöka hur grundvattenbildningen ska uppskattas samt att utveckla nya modeller för att beskriva grundvattenbildningen. Studien grundades på tre angreppssätt: grundvattendatering med freoner (CFC), geohydrauliska observationer och matematisk modellering.Koncentrationerna av CFC-11 och CFC-113 befanns vara låga i det undersökta berggrundvattnet, vilket i kombination med låga syrgashalter tyder på anaerob nedbrytning. Koncentrationerna av CFC-12 och tritium överensstämde ganska väl, vilket betyder att den skenbara åldern kan vara den sanna åldern. Resultaten tyder på att CFC-datering inte är pålitlig i skogsmiljöer med finkornigt jordtäcke.Vid nederbörd observerades ett snabbt gensvar i den hydrauliska potentialen i den studerade bergakviferen, trots det 10 m mäktiga moräntäcket. En avsevärd del av de observerade potentialvariationerna befanns vara belastningseffekter, som inte innebar någon magasinsförändring eller något vattenflöde. Berggrundens belastningseffektivitet uppskattades, ur potentialens svar på lufttrycksförändringar, till 0,95. Ytbelastningen beräknades från mätningar av lufttryck, vatten i jordtäcket och snö. Omkring 20 % av årstidsvariationen hos den hydrauliska potentialen uppskattades bero på enbart belastningsförändringar. En enkel begreppsmässig modell kunde användas för att simulera den observerade hydrauliska potentialen. För att beskriva enskilda grundvattenbildningstillfällen på bästa sätt var det nödvändigt att ta hänsyn till effekten av ytbelastningen.Numeriska experiment gjordes med en modell av en jord–bergprofil. När berget modellerades som ett heterogent kontinuum bildades omättade zoner i berget vid stora hydrauliska gradienter. Fenomenet uppträdde i områden där låggenomsläppliga zoner låg uppströms höggenomsläppliga zoner, och ledde till minskad hydraulisk konduktivitet i berget.

• Knowledge about the groundwater recharge is essential for the prediction of impacts of groundwater withdrawal and underground construction. Recharge in the bedrock is, however, difficult to estimate. The objectives of this thesis were to increase the understanding of groundwater recharge in crystalline bedrock, to investigate how the recharge could be estimated, and to develop new models to describe the recharge. The study was based on three approaches: groundwater dating using chlorofluorocarbons (CFCs), geohydraulic field measurements, and mathematical modelling.Low concentrations of CFC-11 and CFC-113 were found in the bedrock groundwater, which in combination with low dissolved-oxygen levels indicated anaerobe degradation. The CFC-12 and tritium concentrations agreed fairly well, which means that apparent ages could be true ages. The results suggest that CFC dating may not be reliable at forested, humid sites covered by fine-grained soil.A quick response in hydraulic head to precipitation was observed in the studied bedrock, despite the 10-m thick till cover. A substantial portion of observed head variations was found to be loading effects, involving no storage changes or water flow. The loading efficiency of the bedrock was estimated, from the air-pressure response, to be 0.95. The surface loading was calculated from measurements of air pressure, water in the soil, and snow. About 20% of the seasonal variation of the hydraulic head was estimated to be related to loading changes only. A simple conceptual model could be used to simulate the observed hydraulic heads. The loading effect had to be included to properly describe individual recharge events.Numerical experiments were performed with a soil–bedrock profile. When the rock was modelled as a heterogeneous continuum, unsaturated zones developed at high hydraulic gradients. The phenomenon appeared in areas where low-conductive zones were located upstream of high-conductive zones, decreasing the effective hydraulic conductivity of the material.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Oceanografi, hydrologi och vattenresurser (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Oceanography, Hydrology and Water Resources (hsv//eng)

Nyckelord

Hydrology

groundwater recharge

bedrock

crystalline rocks

tracers

CFC

surface loading

loading efficiency

barometric effect

heterogeneity

stochastic modelling

Hydrologi

Hydrology

Hydrologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)