Identifying PFAS transport pathways during pluvial flooding using surface water modelling in Gorsingeholm

Abstract

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pose severe global risks to drinking water due to their persistence and high aquatic mobility. At the Gorsingeholm water treatment plant in Strängnäs, Sweden, PFAS concentrations in raw intake water from Lake Mälaren exhibited low concentrations yet spiked to heightened levels following initial artificial infiltration for managed aquifer recharge (MAR). Because the basin infiltration materials themselves were uncontaminated, this study aimed to investigate the unknown surface runoff and depression-focused groundwater recharge pathways connecting surrounding land uses (LUs) to the water treatment plant. Hydrological modelling for 10- and 100-year rain events was conducted using ArcGIS Pro, and two modelling methods; PluvioFlow and a re-creation of SCALGO Live’s methodology within ArcGIS Pro. The hydrological findings were subsequently cross-referenced with industry-specific PFAS usage identified in scientific literature
Hydrological findings reveal that surface runoff watersheds contributing to the water treatment plant generally expand as the analysed buffer area increases. Runoff most likely originates from LUs to the southeast, specifically a cereal industry and a farmstead/SME property. However, under the largest analysed precautionary buffer zone, runoff pathways extended up to 8 km southwest, incorporating vast agricultural fields. Conversely, potential groundwater recharge zones generally exhibit larger spatial extent during the 100-year rain event and are heavily concentrated within flat agricultural fields. Volumetrically, two massive agricultural fields dominate the total potential groundwater infiltration largely due to their sheer spatial scale. However, smaller LU areas also contribute substantial total infiltration volumes due to high infiltration intensities relative to their size.
Integrating these identified water pathways with scientific literature on land use specific PFAS signatures highlights potential risk profiles. The cereal industry is associated with potential ground pollution and pesticide applications, while the Farmstead/SME may be associated with PFAS contamination in soil and sediments. Furthermore, agricultural fields present risks via application of sewage sludge and specific pesticide treatments.
While the measured concentrations are overall low, and a definitive point source could not be isolated, the study’s aim of providing insight about potential PFAS pathways and sources, via surface runoff and groundwater recharge, were fulfilled. Ultimately, this research identifies the cereal industry (primarily via surface runoff) and the farmstead/SME (via both runoff and recharge) as the highest priority targets for future empirical sampling.

Abstract (Swedish)

Per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS) utgör en allvarlig global risk för dricksvatten på grund av sin persistens och höga mobilitet i vattenmiljöer. Vid Gorsingeholms vattenverk i Strängnäs uppvisade PFAS-koncentrationerna i råvattnet från Mälaren låga koncentrationer, men uppvisade förhöjda nivåer efter artificiell infiltration för grundvattenbildning (MAR). Eftersom infiltrationsmaterialet i bassängerna bedömdes vara föroreningsfritt, syftade denna studie till att undersöka potentiell spridning via ytavrinnings- och grundvattenbildningsvägar som förbinder kringliggande markanvändning med vattenverket. Hydrologisk modellering för 10- och 100-årsregn utfördes i ArcGIS Pro och med två modellmetoder; PluvioFlow samt en återskapad metodik baserad på SCALGO Live. De hydrologiska resultaten jämfördes därefter med branschspecifik PFAS-användning identifierad i myndighetsdokument och vetenskaplig litteratur.
Resultaten visar att de avrinningsområden som bidrar till vattenverket generellt expanderar i takt med att den analyserade buffertzonen ökar. Ytavrinning härrör sannolikt främst från markanvändning i sydost, specifikt en spannmålsindustri och en jordbruksfastighet/SMF. Vid den största analyserade buffertzonen sträckte sig avrinningsvägarna upp till 8 km åt sydväst och inkluderade omfattande jordbruksmarker. Potentiella grundvattenbildningsområden uppvisar generellt en större rumslig utbredning vid 100-årsregn och är starkt koncentrerade till flacka åkermarker. Volymmässigt domineras den totala potentiella grundvattenbildningen av två stora åkermarker, främst på grund av deras betydande yta. Mindre markanvändningsområden bidrar dock också med substantiella infiltrationsvolymer tack vare hög infiltrationsintensitet i förhållande till deras storlek.
Genom att integrera dessa identifierade vattenvägar med vetenskaplig litteratur gällande branschspecifik PFAS-användning för olika markanvändningstyper och aktiviteter framträder potentiella riskprofiler. Spannmålsindustrin förknippas med potentiell markförorening och pesticid-användning, medan jordbruksfastigheten/SMF-verksamheten kan vara kopplad till PFAS-föroreningar i jord och sediment. Vidare utgör åkermark en risk genom potentiell spridning av avloppsslam och specifika bekämpningsmedel.
Även om de uppmätta koncentrationerna är låga och en specifik punktkälla inte kunde isoleras, har studiens syfte att ge ökad insikt om potentiella PFAS-vägar och källor via ytavrinning och grundvattenbildning uppfyllts. Sammanfattningsvis identifierar denna forskning spannmålsindustrin (främst via ytavrinning) och jordbruksfastigheten/SMF-verksamheten (via både avrinning och grundvattenbildning) som högprioriterade områden för framtida empirisk provtagning.

Popular Abstract (Swedish)

Den toxiska ämnesgruppen per- och polyfluorerade alkylsubstanser, mer kända som PFAS eller ”evighetskemikalier”, utgör ett allvarligt globalt hot mot vårt dricksvatten på grund av sin rörlighet i vattenmiljöer och sin förmåga att motstå naturlig nedbrytning. Ett exempel på denna utmaning har uppmärksammats vid Gorsingeholms vattenverk i Strängnäs, där halterna av PFAS i råvattnet från Mälaren i sig är låga. Problemet uppstår efter att vattnet genomgått artificiell infiltration för att bilda nytt grundvatten, då koncentrationerna plötsligt uppvisar förhöjda halter. Varifrån kommer då dessa föroreningar? Eftersom själva infiltrationsmaterialet i vattenverkets bassänger har konstaterats vara rent, föddes en hypotes om att föroreningarna kan transporteras till anläggningen via vattenvägar i det omgivande landskapet.
För att undersöka detta mysterium har denna studie använt hydrologisk modellering för att simulera hur regnvatten rör sig över ytan och sipprar ner i marken under både medelstora och extrema skyfall. Genom att jämföra en statisk analysmetod, som ser regn som ett ögonblickligt nedslag på en viss yta, med en dynamisk modell som tar hänsyn till markens gradvisa mättnad och vattenrörelser över tid, har en initial riskkarta över området kunnat skapas. Resultaten från dessa simuleringar visar att de avrinningsområden som leder vatten mot vattenverket expanderar i takt med att det analyserade området vidgas. Ytavrinningen tycks i huvudsak röra sig från närområden i sydost, där en spannmålsindustri och en jordbruksfastighet med tillhörande mindre verksamheter är belägna, men för det största analyserade området sträcker sig vattenvägarna flera kilometer bort i sydvästlig riktning och drar med sig vatten från vidsträckta åkermarker. Samtidigt visar modellerna att de flacka åkermarkerna fungerar som stora uppsamlingsområden för grundvattenbildning, där enorma mängder vatten infiltreras på grund av markernas stora yta, medan vissa mindre zoner i landskapet bidrar med en hög infiltrationsintensitet trots sin begränsade storlek.
När dessa hydrologiska transportvägar sammankopplades med vetenskaplig litteratur om branschspecifik PFAS-användning framträdde tydliga riskprofiler för de olika verksamheterna i landskapet. Spannmålsindustrin i området kan kopplas till potentiella markföroreningar och bekämpningsmedelsanvändning, medan jordbruksfastigheten med småföretagsverksamheten bär på en risk för PFAS-föroreningar i jord och sediment till följd av bil- och båtvårdsaktiviteter. Åkermarkerna innebär i sin tur en potentiell risk på grund av spridning av avloppsslam som gödningsmedel samt potentiell användning av vissa växtskyddsmedel. Även om studien inte har kunnat isolera en enskild, definitiv källa för den uppmätta föroreningen i vattenverket, har den framgångsrikt uppfyllt sitt syfte att kartlägga möjliga flödesvägar genom terrängen. Slutsatsen ger vattenverket en konkret vägledning för framtiden genom att identifiera spannmålsindustrin, främst via ytavrinning, och jordbruksfastigheten, via både avrinning och grundvattenbildning, som de absolut viktigaste områdena för framtida fysisk provtagning i arbetet med att säkra ett tryggt dricksvatten.

• author: Wennberg, Emma
• supervisor: Andreas Persson; Jonas Bermin
• organization: Department of Earth and Environmental Sciences (MGeo)
• course: NGEM21 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Physical geography, PFAS, Drinking water, Managed Aquifer Recharge (MAR), Pluvial flooding, Surface runoff, Groundwater recharge, PluvioFlow, SCALGO, Hydrological modelling, GIS, Naturgeografi, Dricksvatten, Skyfallsöversvämning, Ytavrinning, Grundvattenbildning, Hydrologisk modellering
• publication/series: Student thesis series INES
• report number: 761
• language: English
• id: 9248044
• date added to LUP: 2026-08-11 16:50:44
• date last changed: 2026-08-11 16:51:24