Landslide of contaminated soil into rivers: Environmental impacts and risks

Abstract

Landslide risk assessments and environmental risk assessments are routinely carried out in many countries exposed to landslide hazards and/or contaminated soil hazards, but separately from each other. By combining results from different types of risk assessments and superimposing the results, possible multi-hazards may be revealed, which is not the case when the results are only displayed independently. Such a combined assessment was done for one part of the river Göta Älv in Sweden and it was found that several contaminated sites adjacent to the river were also exposed to a landslide risk. A qualitative description and a conceptualisation of the problem domain were then carried out to identify the system under study and the governing factors. The unique observation of a landslide-generated increase in turbidity from a minor landslide in Göta Älv allowed for the testing of analytical solutions to the advection-dispersion equation (ADE) for describing the transport of suspended sediment and associated contaminants from a landslide. Although analytical solutions simplifies a complex system, it facilitates quick estimation of suspended sediment and contaminant concentrations as well as the arrival time of the peak and the decrease in maximum concentration from the landslide location. Such solutions to ADE are simple enough so that a large number of scenarios can be evaluated and it provides quantitative outputs that may be easy to include in socio-economic models. Data from Göta Älv was further analysed with respect to turbidity to be able to distinguish landslide-generated suspended sediment peaks from other factors. The river flow is governed by the regulated outflow from a large lake and further controlled at several hydropower stations, making the response of the turbidity to river flow and precipitation slow and complex. A step-wise statistical analysis proved to be a good approach to analyse variation in turbidity with flow and precipitation in such a system. In addition, ship traffic causes short turbidity peaks due to wave-induced bed and bank erosion. A study was therefore conducted to analyse the impact from ship waves on turbidity. Ship-induced bed and bank erosion is also one of the triggering mechanisms behind landslides in the area. Finally, a methodology for risk estimation was developed and tested in the Göta Älv river valley. The approach is probabilistic and allows for the analysis of datasets with large uncertainties and the use of expert judgements, providing quantitative estimates of probabilities for defined failures. The approach was illustrated by a case study along Göta Älv, where failures were defined and probabilities for those failures were estimated. The approach provides a quantitative analysis of the risks associated with landslides in contaminated areas; thus, the methodology makes the problem of landslides in contaminated areas visible. It can also act as a basis for communication and discussions between stakeholders, thereby contributing to intersectoral management solutions. The approach is meant to be a complement to existing landslide risk assessment methodologies as well as to environmental risk assessment methodologies.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I avhandlingsarbetet har spridning av förorenad jord till följd av jordskred till ytvatten studerats genom att sammankoppla faran för miljö och hälsa från förorenad mark med faran för skred. Skredriskbedömningar görs på många håll runt om i världen, likaså riskbedömning av förorenad jord, dock görs dessa helt separerade från varandra och det finns därför väldigt lite information eller data att tillgå om potentiella miljöeffekter. I det forskningsarbete som redovisas i denna avhandling ingår studie av förorenade områden vid vattendrag med skredrisk, sammankoppling mellan skredriskbedömning och miljöriskbedömning, beskrivning och konceptualisering av de processer som verkar för mobilisering och transport av föroreningar, studie av processer för transport av sediment från de utskredade jordmassorna, identifiering och modellering av de huvudsakliga mekanismerna för transport av sediment och föroreningar, och till sist utveckling av en modell för att uppskatta risken. Studieområdet utgörs av Göta älvs dalgång söder om Vänern.

Runt om i världen orsakar skred stora skador på infrastruktur, människor och byggnader. I många länder har det därför varit viktigt att utveckla metoder för att bedöma och hantera eventuella skredrisker. Dessa metoder tar dock inte hänsyn till om exempelvis industrier som bedriver miljöfarlig verksamhet drabbas och den miljöskadan det skulle kunna innebära. Historiskt sett har de flesta samhällen utvecklats i närheten av vatten (floder, sjöar, kuster) eftersom vattenvägar erbjuder transportmöjligheter, men också på grund av tillgången på vatten för konsumtion, bevattning, fiske etc. Med tiden har dessa samhällen vuxit till städer och med detta har olika industriverksamheter utvecklats, exempelvis processindustri, tillverkningsindustri, kemiska industrier, textilindustri, för att nämna några. Många av dessa verksamheter har orsakat förorening av mark och vatten till följd av oaktsam hantering av kemikalier, olyckor och spill. Föroreningar har hamnat på marken, i jorden, i grundvattnet, i ytvattnet och i älvars och sjöars bottensediment. Exempel på föroreningar är olika metaller, organiska metallföreningar, oljeprodukter, pesticider, dioxin, PCB etc. En del av de organiska miljögifterna bryts ner i miljön av naturligt förekommande bakterier, medan andra är persistenta och ackumuleras i organismer. En del ämnen är lätta, vattenlösliga och transporteras därmed lätt med vatten, medan andra är tunga och adsorberas till partiklar.

Idag ägnas mycket arbete åt att bedöma de risker som förorenade markområden utgör för människa och miljö och för att hantera och sanera dessa. I en sådan riskbedömning ingår också att uppskatta risken för att förore-ningar sprids från området till andra känsliga områden, men en spridningsväg som inte har beaktats är spridning av förorenade ämnen från marken till följd av ett skred. Orsaken till skred vid vattendrag beror bl.a. av hur jorden är uppbyggd och hur brant slänten är mot vattendraget, men i princip handlar det om att det blir en obalans, en ojämnvikt, mellan det man kallar pådrivande krafter (jordens vikt, belastning i form av byggnader, grundvatten etc.) och mothållande krafter (vattenvolymen i vattendraget, erosionsskydd etc.). Erosion, långvariga regn och externa laster är några av de faktorer som kan vara utlösande för ett skred.

Resultatet från forskningsarbetet visar att det finns förorenade områden intill vattendrag med skredrisk och att detta troligen inte är unikt för den studerade älvdalen. I det fall förorenad jord skredar ut i ett vattendrag sker en momentan mobilisering av ämnen från jorden som skulle kunna jämföras med ett punktutsläpp. Den analytiska lösningen för att beskriva detta har bedömts som en god första approximation för föroreningstransporten. Eftersom det fanns ett begränsat dataunderlag utvecklades en riskskattningsmetodik som tar hänsyn till stora osäkerheter i datamaterialet. Metodiken testades för ett fallstudieområde och resultatet av detta visar bland annat att en bra uppskattning av skredsannolikheten är styrande för resultatet. Metodiken är tänkt att kunna fungera som ett komplement till befintliga metoder för skredrisk- eller miljöriskbedömning. Den specifika fallstudien visar också att de halter som skulle kunna uppkomma i ytvattnet och den mängd förorening som skulle kunna frigöras, transporteras och sedan sedimentera inte är obetydlig.

Detta forskningsarbete är en av de första i sitt slag för att öka kunskapen och höja medvetandet om den risk som skred av förorenad jord till vattendrag utgör och förhoppningsvis leder resultaten till ett ökad beaktande av s.k. multi-risker. Det finns dock ett behov av fler studier speciellt med avseende på konsekvenserna på ekomiljön, men också för att förfina och vidareutveckla riskmetodiken och att bedöma riskerna monetärt.

• author: Göransson, Gunnel
• supervisor: Magnus Larson
• opponent: Dr Owens, Philip, Environmental Science Program, University of Northern British Columbia, Canada
• organization: Division of Water Resources Engineering
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Water Engineering
• keywords: contaminated soil, landslide, risk assessment, river, water quality
• pages: 242 pages
• defense location: Lecture hall V:C, V-building, John Ericssons väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-05-03 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-466-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b8f01c6f-94f7-49f0-a669-55f4ecb46c20 (old id 3631795)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:40:52
• date last changed: 2018-11-21 21:15:34