Faculté des sciences

Groundwater contamination from urban line sources : monitoring and evaluation approach with integral pumping tests

Leschik, Sebastian ; Hunkeler, Daniel (Dir.) ; Schirmer, Mario (Codir.) ; Liedl, Rudolf (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2010.

Les zones urbaines peuvent affecter la qualité des eaux souterraines en libérant des contaminants transportés par les eaux usées, incluant des composés inorganiques et des micropolluants. Les réseaux d’égouts et les cours d’eau urbains qui reçoivent par exemple les effluents des stations d’épuration, se comportent comme des chemins de transport d’eaux usées, qui potentiellement... Plus

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    Résumé
    Les zones urbaines peuvent affecter la qualité des eaux souterraines en libérant des contaminants transportés par les eaux usées, incluant des composés inorganiques et des micropolluants. Les réseaux d’égouts et les cours d’eau urbains qui reçoivent par exemple les effluents des stations d’épuration, se comportent comme des chemins de transport d’eaux usées, qui potentiellement perdent ces eaux usées traités ou non traités vers les eaux souterraines. Collectivement, ces chemins de transport sont connus comme des sources urbaines linéaires qui sont caractérisées par des variations de la composition des eaux usées dans les égouts dominés par l’influence des activités humaines et par des charges temporairement plus hautes des constituants provenant des eaux usées, dans les cours d’eau urbains lorsque les égouts unitaires débordent. En combinaison avec des exfiltrations via des fuites d’égouts distribués de façon aléatoire ou via des lits de rivières hétérogènes, cela conduit a des motifs de concentration extrêmement hétérogènes, ce qui complique les investigations sur la contamination des eaux souterraines de ces types de sources linéaires urbaines. Cette étude examine l’influence des sources linéaires urbaines sur la qualité des eaux souterraines avec une nouvelle approche de monitoring qui résout le problème des concentrations hétérogènes en utilisant d’importants volumes d’échantillonnage grâce à la méthode du test de pompage intégral (TPI). Pour évaluer l’approche de monitoring, les débits massiques des composés des eaux usées mesurés par le TPI en amont et en aval de la section de source linéaire, sont comparés afin de quantifier les débits massiques d’exfiltration par unité de longueur Mex. L’approche de monitoring a été opérée sur des égouts fuyants et sur un cours d’eau temporairement exfiltrant, pour les composés B, Cl-, K+, NO3-, NH4+ and SO42- mais également pour les micropolluants bisphénol-a, caféine, nonylphénol technique et tonalide. Les séries de concentration-temps des TPIs au niveau des deux sites révèlent une influence des sources linéaires sur la qualité des eaux souterraines. La variabilité des concentrations observée était plus haute pour les micropolluants que pour les composés inorganiques. Au niveau du site de l’égout fuyant, de plus hauts débits massiques ont été observés pour B, Cl- et le total d’azote Ntot en aval de la section d’égout. Par conséquent, les valeurs de Mex ont été calculées pour ces composés. Les débits massiques réduits ou non altérés des constituants les plus réactifs des eaux usées, incluant les micropolluants, en aval de l’égout fuyant, indiquent que le processus de réduction de masse se produit lors du passage de l’égout vers les puits de pompage. Le taux d’exfiltration d’eau Qex depuis l’égout a été calculé grâce aux concentrations de l’ion conservatif Cl-. La comparaison de ces valeurs Qex avec des mesures alternatives montre que l’approche de monitoring de source linéaire peut fournir des données fiables. Les résultats sur le site du cours d’eau exfiltrant montrent des débits massiques plus hauts en aval des deux sections ciblées pour les Cl-, K+, NO3-, SO42- et pour la caféine en aval seulement d’une des sections ciblées. Les valeurs Mex calculées pour ces composés étaient plus hautes que celles pour le site de l’égout fuyant. Les débits massiques réduits pour le nonylphénol-technique, en aval des sections ciblées, suggèrent que ce composé était partiellement éliminé des eaux souterraines. Des mesures additionnelles de concentrations dans le cours d’eau exfiltrant et dans un égout connecté au niveau du site de test ont été réalisées pour identifier des processus pertinents qui influencent les concentrations des puits de TPI en aval. La méthode de TPI est également une approche bien acceptée pour l’estimation des débits massiques dans les eaux souterraines. Cependant, aucune directive confirmée n’est disponible à l’heure actuelle concernant le design des programmes d’échantillonnage des TPI, avec un nombre optimal d’échantillons et des temps d’échantillonnage optimaux. Par conséquent, dans la dernière partie de cette étude, 30 séries de concentration-temps à haute fréquence, provenant de l’utilisation du TPI lors l’approche de monitoring de la source linéaire, ont été employées pour dériver des principes pour un design optimal des programmes d’échantillonnage du TPI. Différents programmes d’échantillonnages ont été testés en modifiant la série de concentration-temps originale. Les résultats montrent que le nombre d’échantillons dépend de la précision nécessaire. Concernant le temps d’échantillonnage, un plan d’échantillonnage reposant sur des intervalles constants de temps ∆t entre différents échantillons, a fournit la plus haute précision. Cette étude montre que la quantification de la contamination des eaux souterraines provenant de sources linéaires urbaines peut être effectuée avec une nouvelle approche de monitoring qui repose sur l’utilisation des TPI. L’approche de monitoring de la source linéaire fournit également des résultats fiables dans les aquifères urbains qui ont des motifs de concentration hétérogènes. Des recherches additionnelles sont nécessaires pour examiner en détail les processus d’exfiltration de la source linéaire. De plus, des efforts sont requis pour étendre la procédure d’évaluation développée à des composés réactifs et pour implémenter les résultats de l’approche de monitoring de la source linéaire dans des modèles numérique complexes des eaux souterraines, à l’échelle des villes ou pour des bassins versant régionaux.
    Zusammenfassung
    Urbane Gebiete können die Grundwasserqualität durch den Eintrag von abwasserbürtigen Schadstoffen einschließlich anorganischer Verbindungen und Mikroverunreinigungen, be-einträchtigen. Abwasserkanalnetze und urbane Fließgewässer, in die zum Beispiel der Abfluss von Abwasserreinigungsanlagen eingeleitet wird, fungieren als Abwassertransportwege und können dabei gereinigtes oder ungereinigtes Abwasser ins Grundwasser abgeben. Diese Transportwege sind allgemein bekannt als urbane Linienquellen, die durch den Menschen verursachte Variationen der Abwasserzusammensetzung in Abwasserkanälen und temporär erhöhten Frachten von Abwasserinhaltsstoffen in urbanen Fließgewässern bei Kanalisations-überläufen gekennzeichnet sind. Zusammen mit der Exfiltration durch zufällig verteilte Kanallecks oder ein heterogenes Gewässerbett, verursacht dies extrem heterogene Konzentrationsmuster in urbanen Gebieten, welche die Erkundung von Grundwasser-verschmutzungen durch urbane Linienquellen erschweren. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von urbanen Linienquellen auf die Grundwasserqualität mit einem neuen Monitoringansatz, der das Problem von heterogenen Konzentrationen durch die Beprobung von großen Volumina mit der Immissionspumpversuchsmethode (IPV) über-windet. Die Auswertung des Monitoringansatzes basiert auf dem Vergleich der Massenflüsse von Abwasserinhaltsstoffen zwischen IPV-Anwendungen stromauf- und abwärts von Linien-quellenabschnitten um Exfiltrationsmassenflussraten pro Längeneinheit Mex zu quantifizieren. Der Monitoringansatz wurde an einem undichten Abwasserkanal und einem temporär ex-filtrierendem Fließgewässer für die anorganischen Verbindungen B, Cl-, K+, NO3-, NH4+ and SO42- sowie für die Mikroverunreinigungen Bisphenol-a, Koffein, technisches Nonylphenol und Tonalid durchgeführt. Die Konzentrations-Zeit-Serien von den IPVs an den beiden Stand-orten zeigen, dass die Linienquellen die Grundwasserqualität beeinflussen. Die beobachtete Variabilität der Konzentrationswerte war für die Mikroverunreinigungen höher als für die anorganischen Verbindungen. An dem Standort mit dem undichten Abwasserkanal wurden für B, Cl- und Gesamtstickstoff Ntot erhöhte Massenflussraten stromabwärts des Kanalabschnittes beobachtet. Demzufolge konnten für diese Verbindungen Mex Werte berechnet werden. Geringere oder unveränderte Massenflussraten stromabwärts des Kanalabschnittes deuten für die meisten reaktiven Ab-wasserinhaltsstoffe, inklusive Mikroverunreinigungen, auf Massenreduzierungsprozesse auf dem Weg vom Abwasserkanal zu den Pumpbrunnen hin. Die Wasserexfiltrationsraten Qex vom Abwasserkanal wurden mit Hilfe des konservativen Ions Cl- berechnet. Der Vergleich dieser Werte mit alternativen Messungen zeigt, dass der Linienquellenmonitoringansatz zuverlässige Daten liefern kann. Die Ergebnisse des Standortes mit dem exfiltrierenden Fließgewässer ergaben erhöhte Massenflussraten für Cl-, K+, NO3-, SO42- stromabwärts der beiden untersuchten Abschnitte und für Koffein jedoch nur stromabwärts eines Abschnittes. Die berechneten Mex-Werte für diese Verbindungen waren höher als die von dem Standort mit dem undichten Abwasserkanal. Geringere Massenflussraten stromabwärts der Zielabschnitte für technisches Nonylphenol deuten auf eine teilweise Eliminierung dieser Verbindung im Grundwasser hin. Zusätzliche Konzentrationsmessungen im Fließgewässer und einem verbundenem Abwasserkanal am Standort wurden durchgeführt um relevante Prozesse zu identifizieren, welche die Konzentrationen an den IPV Brunnen stromabwärts beeinflussen. Die IPV Methode ist ein anerkannter Ansatz für die Abschätzung von Massenflussraten im Grundwasser. Trotzdem sind derzeit keine fundierten Richtlinien für die Konzeption von IPV-Probenahmeplänen mit optimaler Probenanzahl und optimalen Probezeitpunkten verfüg-bar. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden aus diesem Grunde 30 Hochfrequenz-Konzentrations-Zeit-Serien von den IPV Anwendungen genutzt, um Prinzipien für die Gestaltung von optimalen IPV-Probenahmeplänen abzuleiten. Verschiedene Probenahme-pläne wurden durch die Modifikation der originalen Konzentrations-Zeit-Serien getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Proben von der benötigten Genauigkeit abhängt. Bezüglich des Probenahmezeitpunktes lieferte ein Probeschema mit konstanten Zeitab-schnitten ∆t zwischen verschiedenen Proben die höchste Genauigkeit. Diese Arbeit zeigt, dass die Quantifizierung von Grundwasserverschmutzungen durch urbane Linienquellen mit einem neuen IPV-basierten Monitoringansatz durchgeführt werden kann. Der Linienquellenmonitoringansatz liefert auch für heterogene Konzentrationsmuster in urbanen Aquiferen zuverlässige Ergebnisse. Zusätzliche Forschung wird benötigt, um den Exfiltrationsprozess von Linienquellen im Detail zu untersuchen. Darüber hinaus ist weitere Arbeit nötig, um die entwickelte Auswertungsprozedur auf reaktive Verbindungen zu erweitern und um die Ergebnisse vom Linienquellenmonitoringansatz in komplexe numerische Grundwassermodelle auf Stadt- oder Regionaleinzugsgebietsebene zu implementieren.
    Summary
    Urban areas can affect groundwater quality by releasing wastewater-borne contaminants including inorganic compounds and micropollutants. Sewer networks and urban streams that receive effluent from wastewater treatment plants, for example, act as wastewater transport pathways, while potentially losing treated or untreated wastewater to groundwater. Collectively, these pathways are known as urban line sources, which are characterized by human-dominated variations of the wastewater composition in sewers and by temporally higher loads of wastewater constituents in urban streams during combined sewer overflows. In combination with exfiltration via randomly distributed sewer leaks or heterogeneous streambeds, this leads to extremely heterogeneous concentration patterns which complicate the investigation of groundwater contamination originating from these types of urban line sources. This study investigates the influence of urban line sources on groundwater quality with a new monitoring approach that overcomes the problem of heterogeneous concentrations by using large volume sampling with the integral pumping test (IPT) method. In the evaluation of the monitoring approach, wastewater compound mass flow rates of IPT applications up- and downstream of line source sections are compared to quantify exfiltration mass flow rates per unit length Mex. The monitoring approach was operated at a leaky sewer and a temporally losing stream for the inorganic compounds for Cl-, K+, NO3-, NH4+ and SO42- as well as for the micropollutants bisphenol-a, caffeine, technical-nonylphenol and tonalide. The concentration-time series of the IPTs at the two sites revealed an influence of the line sources on the groundwater quality. The observed variability of the concentration values was higher for micropollutants than for inorganic compounds. At the leaky sewer site, higher mass flow rates downstream of the sewer section were observed for B, Cl- and total nitrogen Ntot. Therefore, values of Mex could be calculated for these compounds. Reduced or unaltered mass flow rates of the most reactive wastewater constituents, including micropollutants downstream of the leaky sewer, indicate that mass reduction processes occurred on the passage from the sewer to the pumping wells. The water exfiltration rate Qex from the sewer was calculated with concentrations of the conservative ion Cl-. The comparison of these Qex values with alternative measurements shows that the line source monitoring approach can provide reliable data. Results from the losing stream site show higher mass flow rates downstream of the two target sections for Cl-, K+, NO3-, SO42- but for caffeine only downstream of one target section. The calculated Mex values of these compounds were higher than those from the leaky sewer site. Reduced mass flow rates of technical-nonylphenol downstream of the target sections suggest that this compound was partially eliminated in the groundwater. Additional concentration measurements in the losing stream and in a connected sewer at the test site were performed to identify relevant processes that influence the concentrations at the downstream IPT wells. The IPT method is a well accepted approach for the estimation of mass flow rates in groundwater. However, no substantiated guidelines are yet available for the design of IPT sampling schedules with an optimal number of samples and optimal sampling times. Therefore, in the last part of this study, 30 high-frequency concentration-time series from the IPT applications of the line source monitoring approach were used to derive principles for an optimal design of IPT sampling schedules. Different sampling schedules were tested by modifying the original concentration-time series. The results show that the number of samples depends on the required accuracy. Concerning the sampling time, a sampling scheme relying on constant time intervals ∆t between different samples yielded the highest accuracy. This study shows that the quantification of groundwater contamination from urban line sources can be realized with a new monitoring approach based on the application of IPTs. The line source monitoring approach also yields reliable results in urban aquifers with heterogeneous concentration patterns. Additional research is needed to investigate the exfiltration process from line sources in detail. Further, more studies are required to extend the developed evaluation procedure for reactive compounds and to implement the results from the line source monitoring approach into complex numerical groundwater models at the city-scale or for regional catchments.