Advanced

On the scope and assessment of pesticides in groundwater in Skåne, Sweden

Åkesson, Maria LU (2014) In LUNDQUA THESIS 74.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Grundvatten, det vatten som förekommer i hålrum i underjorden, är en av våra allra viktigaste naturresurser. Grundvattnet utgör den absolut största andelen för oss tillgängligt färskvatten och används för att producera mat och som processvatten inom olika industrier. Ungefär hälften av jordens dricksvattenförsörjning baseras på grundvattenuttag och ekosystem världen över är beroende av grundvatten för sin överlevnad. Eftersom grundvatten generellt omsätts långsamt, via transport genom en mörk och kall miljö där omfattningen av naturlig rening oftast är mycket begränsad, är det ytterst viktigt att försöka undvika att grundvattnet förorenas. Annars riskeras kvaliteten på grundvattnet i generationer... (More)
Popular Abstract in Swedish

Grundvatten, det vatten som förekommer i hålrum i underjorden, är en av våra allra viktigaste naturresurser. Grundvattnet utgör den absolut största andelen för oss tillgängligt färskvatten och används för att producera mat och som processvatten inom olika industrier. Ungefär hälften av jordens dricksvattenförsörjning baseras på grundvattenuttag och ekosystem världen över är beroende av grundvatten för sin överlevnad. Eftersom grundvatten generellt omsätts långsamt, via transport genom en mörk och kall miljö där omfattningen av naturlig rening oftast är mycket begränsad, är det ytterst viktigt att försöka undvika att grundvattnet förorenas. Annars riskeras kvaliteten på grundvattnet i generationer framöver.

Forskningen som presenteras i den här avhandlingen har strävat efter att öka kunskapen om i vilken omfattning Skånes grundvatten är förorenat av bekämpningsmedel samt att utreda vilka riskerna för fortsatt förorening är och hur dessa risker bäst kan bedömmas, förutses och i förlängningen även förebyggas. Studier har genomförts både i detaljskala i ett avrinningsområde bland Söderslätts jordbruksmarker och mer brett via kommunala dricksvattenproduktionsbrunnar placerade i olika typer av miljöer runt om i länet. Eftersom Skåne inrymmer de flesta olika typer av såväl markanvändning som grundvattenmagasin som förekommer i Sverige i stort, är resultaten relevanta inte bara ur ett regionalt utan även ur ett större nationellt som internationellt perspektiv.

Bekämpningsmedel är ämnen som är avsedda att reglera tillväxt av för människan eller mänskliga intressen skadliga organismer. Vid exponering kan bekämpningsmedel även vara hälsovådliga för människor och påverka exempelvis nervsystem och reproduktionsförmåga. I Sverige precis som i många andra tidigt industrialiserade länder har bekämpningsmedel sedan mitten av 1900-talet använts i större omfattning inom jordbruket för att säkra och maximera skördar, inom exempelvis trävaruindustri för tryckimpregnering och för ogräsbekämpning längs med trafiknätverk, på offentliga platser och privat mark. I samband med användning finns alltid en risk för spridning av bekämpningsmedel till ej avsedda områden och objekt, exempelvis till grundvattnet genom infiltration med regn och ytvatten. Insikten om detta har dock dröjt och i Sverige var det först under 1980-talet som restriktioner med avsikt att minska belastningen på miljön initierades. Följden blev en förändrad och i stort minskad bekämpningsmedelsanvändning, men rester av olika ämnen fortsätter att hittas runt om i naturen, så även i grundvatten.

I den första av fyra delstudier undersöktes bekämpningsmedelsförekomst i ytligt grundvatten i det mindre avrinningsområdet i södra Skåne, statistiskt i förhållande till dokumenterad användning. Målet var att få indikationer på vilka faktorer som påverkar huruvida de substanser som används når grundvattnet eller ej och samtidigt undersöka vilka parametrar som skulle kunna användas för att bedöma föroreningsrisk. Som väntat visade sig den absolut viktigaste faktorn vara använd mängd, så att de ämnen som använts med högst intensitet också är de som hittas i grundvattnet. Vidare kunde även substans-specifika kemiska egenskaper konstateras vara av vikt, så att de mer polära och mindre flyktiga ämnena löper större risk att nå grundvattnet. Nederbörd i samband med användning indikerades också vara betydande, så att användning i samband med relativt mindre nederbördsmängder ökar risker för transport till grundvatten, eventuellt på grund av minskad ytavrinning, minskad utspädning och ökad sprickbildning.

I den andra delstudien gjordes en mer process-baserad analys av transport av sex stycken olika bekämpningsmedel till två brunnar inom samma område som undersöktes i den första delstudien. Med hjälp av geofysiska och geologiska data konstruerades en numerisk modell av området. Modellen kalibrerades genom att jämföra simulerade mot uppmätta koncentrationer av spårämnena tritium och helium-3 i de två brunnarna, varpå dokumenterad användning av de sex olika bekämpningsmedlen mellan åren 1990 och 2010 simulerades infiltrera med nederbörd och röra sig i enlighet med grundvattenflödet i området under inverkan av sorption och nedbrytning. På så sätt kunde detektioner av fyra av de sex bekämpningsmedlen rekonstrueras tillfredställande. Enligt modellen borde de två andra bekämpningsmedlen, på grund av sorption, inte kunna transporteras till brunnarna inom den modellerade tidsramen. Att de ändå gjort det tolkas som förekomst av så kallat preferentiellt flöde genom exempelvis sprickor eller makroporer som inte inkluderades i den uppställda modellen. Studien visar på stor potential för användning av tritium och helium-3 som kalibreringsverktyg för flödes- och transportmodeller i grundvattenmiljöer, och på vikten av såväl fysisk som biogeokemisk heterogenitet för simulering och prediktion av transport av bekämpningsmedel till och i grundvatten.

Den tredje studien tar ett mer regionalt grepp och undersöker förekomsten av bekämpningsmedel i en rad olika grundvattenmagasin som används för kommunal dricksvattenproduktion. Äldre bekämpningsmedelsanalysdata från tjugotre brunnar undersöktes i förhållande till markanvändning, hydrogeologi och resultat av nya analyser som omfattade betydligt fler substanser och karaktäriserades av betydligt lägre detektionsgränser än mer konventionella bekämpningsmedelsanalyser. Av de tjugotre brunnarna visade sig arton vid ett eller typiskt upprepade tillfällen ha innehållit bekämpningsmedel, nio av dessa i halter över regionala riktvärden. En betydlig andel av de bekämpningsmedel som hittats visade sig härröra från substanser som sedan ett par decennier varit förbjudna att använda och som framförallt användes utom jordbruket, för ogräsbekämpning inom urbana miljöer. De nya analyserna genererade detektioner av såväl nya substanser som i brunnar i vilka man tidigare aldrig hittat bekämpningsmedelsrester. De kraftigast förorenade och därmed mest känsliga grundvattenmiljöerna verkar som väntat vara de som präglas av relativt god hydraulisk kontakt till markytan, dvs. antingen de grunda, syresatta miljöerna, eller de inom vilka transport kan ske snabbt till relativt stora djup genom sprickor. Resultaten visar att bekämpningsmedel är vanligt förekommande i vitt skilda grundvattenmagasin och miljöer runt om i länet och tyder på en utbredd föroreningsproblematik som potentiellt kan förbli under lång tid framöver. De skyddsområden och skyddsföreskrifter som finns (för alla utom ett av de studerade områdena) behöver omvärderas, urban bekämpningsmedelsanvändning behöver ses och regleras som en betydande föroreningskälla, och markundersökningar behöver utföras för att undersöka i vilken utsträckning gamla bekämpningsmedel finns bundna i och fortsätter läcka ut från jord och sediment. Vidare kan det konstateras att de bekämpningsmedelsdata som finns i Skåne inte är optimala för mer djupgående och jämförande analyser över tid och rum i enlighet med exempelvis EUs vattendirektiv, då de varken är tillräckligt omfattande eller konsekventa.

Den fjärde och sista delstudien viker av något från avhandlingens huvudspår och fokuserar istället på att utvärdera möjligheter för att bestämma hur gammalt det vatten som pumpas upp från de i delstudie tre undersökta brunnarna är, det vill säga hur lång tid det tagit för det vatten som pumpas upp att nå brunnen från dess att det infiltrerade markytan. Om man skulle kunna bestämma dessa ”grundvattenåldrar” så skulle det innebära utökade möjligheter till att utföra analyser av regionala föroreningstrender (exempelvis av bekämpningsmedel i grundvatten), eftersom man då får ett verktyg som möjliggör jämförelse mellan provtagningar över tid. Åldersbestämningsförsöken görs via analyser av en rad olika spårämnen som infiltrerat grundvattenmiljöer under decennier på grund av mänsklig produktion och användning: tritium och helium-3, klorfluorkarboner, svavelhexafluorid och krypton-85 samt dessutom argon-39, som finns i grundvattnet av helt naturliga orsaker. Undersökningen visar på att det går att göra kvalificerade bedömningar av grundvattenålder med hjälp av kombinationer av de här spårämnena och att man via sådana bestämningar kan generera mycket ny kunskap om grundvattenmagasinet i fråga. Resultaten tyder vidare på att de flesta vatten som pumpas upp för dricksvattenförsörjning i Skåne är relativt unga och därmed känsliga för förorening. Dock är förutsättningarna för åldersbestämning av flertalet provtagna grundvatten inte optimala. Dels beror detta på att dessa vatten kommer från dricksvattenproduktionsbrunnar som ofta pumpar vatten från flera olika nivåer och med varierande intensitet, vilket försvårar åldersbestämningar. Andra orsaker är dåligt kvantifierade lokala och i vissa fall regionala källor av helium, klorfluorkarboner och svavelhexafluorid samt, ibland, nedbrytning av klorfluorkarboner.

Sammanfattningsvis bidrar den här avhandlingen till ökad förståelse för vilka bekämpningsmedel som förekommer i grundvatten i Skåne, varför de gör det och hur denna förekomst kan förutses och bäst bedömas. Undersökningarna visar också på ett behov av utökade satsningar på övervakning såväl som forskning gällande bekämpningsmedel i grundvatten i Sverige generellt, för att kunna möta uppställda miljömål och för att därmed ha en möjlighet att säkra kvaliteten på framtida grundvattenresurser. (Less)
Abstract
Pesticides are known to occur in groundwater worldwide. However, long-term pollution concerns and cause-effect relationships for specific regions remain limited. This thesis explores the occurrence of pesticides in south-Swedish groundwater, with the aims of providing a better knowledge basis for assessment and management of

present-day and future pollution risks. The investigations are restricted to Skåne, which is a relatively populous, intensively cultivated and geologically diverse region located at the tip of the Scandinavian Peninsula.

The research shows that pesticides are present in very different types of groundwater systems around Skåne, suggesting a wide-ranging, multi-faceted and potentially long-lasting... (More)
Pesticides are known to occur in groundwater worldwide. However, long-term pollution concerns and cause-effect relationships for specific regions remain limited. This thesis explores the occurrence of pesticides in south-Swedish groundwater, with the aims of providing a better knowledge basis for assessment and management of

present-day and future pollution risks. The investigations are restricted to Skåne, which is a relatively populous, intensively cultivated and geologically diverse region located at the tip of the Scandinavian Peninsula.

The research shows that pesticides are present in very different types of groundwater systems around Skåne, suggesting a wide-ranging, multi-faceted and potentially long-lasting pollution concern. Seemingly, it is only the groundwater environments devoid of influence of waters having recharged since the onset of widespread

pesticide use that may be regarded as completely safe and unaffected. Many of the pesticides detected stem from past, less restricted use, primarily for weed control outside of agriculture. Yet, current and future pollution concerns should not be regarded only as a matter of “old sins” as residues from currently used substances manifestly continue to leach towards and into the groundwater system.

Through various analyses of comprehensive data sets both at the regional and the catchment scale, a number of particularly important aspects of regional pesticide occurrence in groundwater and future prediction thereof are inferred and investigated. In addition to application intensities and fundamental physicochemical pesticide

properties, these include precipitation and recharge patterns in relation to pesticide application events, (mainly superficial) sorption and degradation processes efficiencies, multiple-scale subsurface physical heterogeneity directing water and solute flow (particularly the presence of preferential flow pathways), and groundwater turnover rates. Environmental tracers show great potential as tools for simple but effective calibration of

transport models and for deciphering pollution trends and patterns. However, there are certain tracer-specific complications in need of further attention for future application in Skåne.

For the future, regional as well as nationwide monitoring of pesticides in groundwater needs to be expanded and regulated for sound groundwater and pollution risk management and in order to be able to comply with environmental directives and the EU Water Framework Directive. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Ward, Robert, British Geological Survey
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
groundwater, pesticides, Sweden, Skåne, environmental tracers
in
LUNDQUA THESIS
volume
74
pages
39 pages
publisher
Department of Geology, Lund University
defense location
Pangea, Geocentrum II
defense date
2014-09-19 13:15
external identifiers
  • scopus:84929305618
ISSN
0281-3033
language
English
LU publication?
yes
id
e1a1e62f-04d5-40e5-ba82-e4bbba530775 (old id 4610856)
date added to LUP
2014-08-26 11:09:05
date last changed
2017-01-01 06:26:18
@phdthesis{e1a1e62f-04d5-40e5-ba82-e4bbba530775,
  abstract     = {Pesticides are known to occur in groundwater worldwide. However, long-term pollution concerns and cause-effect relationships for specific regions remain limited. This thesis explores the occurrence of pesticides in south-Swedish groundwater, with the aims of providing a better knowledge basis for assessment and management of<br/><br>
present-day and future pollution risks. The investigations are restricted to Skåne, which is a relatively populous, intensively cultivated and geologically diverse region located at the tip of the Scandinavian Peninsula.<br/><br>
The research shows that pesticides are present in very different types of groundwater systems around Skåne, suggesting a wide-ranging, multi-faceted and potentially long-lasting pollution concern. Seemingly, it is only the groundwater environments devoid of influence of waters having recharged since the onset of widespread<br/><br>
pesticide use that may be regarded as completely safe and unaffected. Many of the pesticides detected stem from past, less restricted use, primarily for weed control outside of agriculture. Yet, current and future pollution concerns should not be regarded only as a matter of “old sins” as residues from currently used substances manifestly continue to leach towards and into the groundwater system.<br/><br>
Through various analyses of comprehensive data sets both at the regional and the catchment scale, a number of particularly important aspects of regional pesticide occurrence in groundwater and future prediction thereof are inferred and investigated. In addition to application intensities and fundamental physicochemical pesticide<br/><br>
properties, these include precipitation and recharge patterns in relation to pesticide application events, (mainly superficial) sorption and degradation processes efficiencies, multiple-scale subsurface physical heterogeneity directing water and solute flow (particularly the presence of preferential flow pathways), and groundwater turnover rates. Environmental tracers show great potential as tools for simple but effective calibration of<br/><br>
transport models and for deciphering pollution trends and patterns. However, there are certain tracer-specific complications in need of further attention for future application in Skåne.<br/><br>
For the future, regional as well as nationwide monitoring of pesticides in groundwater needs to be expanded and regulated for sound groundwater and pollution risk management and in order to be able to comply with environmental directives and the EU Water Framework Directive.},
  author       = {Åkesson, Maria},
  issn         = {0281-3033},
  keyword      = {groundwater,pesticides,Sweden,Skåne,environmental tracers},
  language     = {eng},
  pages        = {39},
  publisher    = {Department of Geology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {LUNDQUA THESIS},
  title        = {On the scope and assessment of pesticides in groundwater in Skåne, Sweden},
  volume       = {74},
  year         = {2014},
}