Transient modelling of PFAS – How does a transient flow model affect the transportation modelling of PFAS?

Abstract

PFAS contaminating groundwater is a worldwide problem. PFAS are synthetically produced substances that are known for their persistence in the environment. Understanding their behaviour in the environment is therefore an important factor, especially considering the possibility of contaminating drinking water sources. Groundwater modelling is a valuable tool to increase the knowledge regarding fate and transport of PFAS. Due to PFAS specific characteristics, such as their possibility to form micelles and their sorption abilities, it is important to consider how changing groundwater conditions might affect the transportation of PFAS. Therefore, this thesis aims to increase the understanding of how the model result is affected if variations in the groundwater recharge are considered, i.e. transient flow conditions.
A groundwater model is developed considering a study area where firefighting foam containing PFAS has been used. The applied groundwater recharge is calculated considering precipitation, snow melting and evapotranspiration. Simulations with both steady-state, i.e. constant groundwater recharge, and transient conditions, i.e. varying groundwater recharge are conducted using FEFLOW. For the transient simulations, the transport boundary condition is also defined as time-dependent. The obtained results are analysed through random forest regression to determine which parameters to the greatest extent affect the obtained concentrations of PFAS in the model. A total of 300 simulations are performed considering steady-state conditions and 50 simulations considering transient conditions in Python. The same type of PFAS, i.e. 6:2 FTS, is considered in both models.
The results show that different outcomes are obtained for the steady-state and transient simulation, both considering hydraulic head and concentration. Furthermore, the most important parameters for the steady-state simulations are the hydraulic conductivity together with longitudinal and transverse dispersivity. For the transient simulations the most important parameters are instead sorption and hydraulic conductivity. The obtained results indicate the importance of considering transient conditions. Especially for time scales shorter than 10 years since the daily changes of groundwater recharge can be taken into account.

Popular Abstract (Swedish)

Hur påverkar varierande infiltration transporten av PFAS i mark och grundvatten?

PFAS kan vid nederbörd transporteras med infiltrerande vatten ner till grundvattnet och vidare till dricksvattentäkter. Därför är det viktigt att förstå hur variationer i infiltrationen påverkar spridningen för att kunna skydda våra dricksvattentäkter.
PFAS står för pre- och polyfluorerande alkylsubstanser och är en stor grupp kemiska ämnen som framställs i labbmiljöer. Vanliga användningsområden för PFAS är i brandsläckningsskum och som impregnering av textiler och pappersprodukter. Majoriteten av PFAS-ämnena bryts inte ner i naturen och de ämnen som bryts ner bildar bara ännu stabilare PFAS. Därmed finns PFAS överallt i miljön över hela världen. Att förstå hur PFAS finns och rör sig i miljön är därför viktiga faktorer, särskilt med tanke på risken för förorening av dricksvattenkällor. Flera PFAS-ämnen är även giftiga för både naturen och människan. För människor kan intag av PFAS leda till negativa hälsoeffekter som cancer, hormonstörningar och fertilitetsproblem.
Grundvattenmodellering är ett värdefullt verktyg för att förstå hur transport av PFAS sker i grundvatten. Två olika modelleringsmetoder kan användas. Antingen modellerar man med stationära förhållanden, vilket betyder att modellen kör över oändligt lång tid tills jämvikt har uppnåtts. Alternativet är att modellera med transienta förhållanden, vilket betyder att modellen körs över en bestämd tidsperiod. Transienta förhållanden gör det också möjligt att ta hänsyn till variationer i grundvattnet och föroreningskällors koncentration.
På grund av PFAS komplexa egenskaper är det viktigt att överväga hur varierande grundvattennivåer kan påverka transporten av PFAS. Därför syftar detta arbete till att öka förståelsen för hur modellresultatet påverkas om dagliga variationer i grundvattenbildningen beaktas. Arbetet syftar även till att identifiera vilka parametrar som har störst påverkan på transporten av PFAS i grundvattenmodellen. Alla parametrar som undersöks är beroende av vilka jordlager som PFAS-ämnet transporteras igenom. Sorptionen är dessutom beroende av vilket PFAS-ämne som analyseras. Sorptionen beskriver ämnets förmåga att binda till geologiska avlagringar som sand och om ämnet binds saktas transporten ner. För PFAS beror sorptionsförmågan på deras specifika kemiska uppbyggnad. I detta arbete analyseras PFAS-ämnet 6:2 FTS.
Arbetet inleds med att en grundvattenmodell tas fram för ett studieområde där brandsläckningsskum innehållande PFAS har använts. Grundvattenbildning beräknas med hänsyn tagen till nederbörd, avdunstning och snösmältning. Simuleringar för grundvattenmodellen körs i programmet FEFLOW med både stationära, dvs. konstant grundvattenbildning, och transienta förhållanden, dvs. varierande grundvattenbildning. För att identifiera vilka parametrar som påverkar transporten används en maskininlärningsalgoritm. Ett stort antal simuleringar kördes där värdet för parametrarna justerades, vilket gav olika resultat för koncentrationen och grundvattennivåerna. Maskininlärningsalgoritmen tränades sedan för att urskilja vilka parametrar som hade störst inverkan på det framtagna resultatet.
Resultaten visar att olika utfall erhålls för den stationära och transienta modellen, både med avseende på grundvattennivåer och koncentration. De viktigaste parametrarna för den stationära modellen är hydraulisk konduktivitet, dvs. vattengenomsläppligheten i marken, och dispersivitet dvs. parametrar som beskriver hur grundvattenflödet påverkas i längsgående och tvärgående riktning. De viktigaste parametrarna för den transienta modellen är hydraulisk konduktivitet tillsammans med sorption. Eftersom sorptionen är en viktigt parameter som påverkar transporten av PFAS och resultatet skiljer sig mellan den transienta och den stationära modellen visar resultatet att det är viktigt att ta hänsyn till transienta förhållanden. Med andra ord är det viktigt att beakta varierande grundvattenbildning. Resultatet visar också betydelsen av att tänka på varierande grundvattenbildning när den transienta modellen körs i mindre än 10 år. Orsaken är att transporten skiljer sig redan efter denna korta tid i jämförelse med den stationära modellen som motsvarar resultatet vid ett genomsnittligt jämnviktsläge efter många års transport av PFAS. Dessutom kan de dagliga förändringarna i grundvattenbildningen beaktas när man kör kortare tidsskalor, vilket har en direkt påverkan på transporten av PFAS i marken och i grundvattnet.

• author: Hammarfors, Elin
• supervisor: Jan-Erik Rosberg; Elisabet Hammarlund; Daniel Erdal
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Transient modellering av PFAS – Hur påverkar en transient flödesmodell transportmodelleringen av PFAS?
• course: VTGM05 20241
• year: 2024
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: PFAS, Groundwater modelling, FEFLOW, Transient conditions, Groundwater recharge, Random forest regression
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG–5185)/1-70/(2024)
• language: English
• additional info: Examiner: Gerhard Bramen
• id: 9167726
• date added to LUP: 2024-06-25 10:51:46
• date last changed: 2024-06-25 10:51:46