Ved negligering af den longitudinale dispersion D og under antagelse af ensformig stationær

Transkript

1 Iltforhold i Østerå Ilt i vandløb Den opløste ilt er én af de mest essentielle tilstandsvariable i vandløb, således også i Østerå. Mængden af ilt i åen vil være styrende for artsdiversiteten både for flora og fauna. Ændringer i iltkoncentrationen i åen kan derfor have vidtrækkende konsekvenser både i positiv og negativ retning. Et eksempel i negativ retning kunne være iltsvindet i Lindenborg Å i august 2002, hvilket forårsagede flugt og død af fisk (hovedsageligt ørreder), bunddyr og insekter. Iltsvindet skyldtes udsivningen af mere eller mindre iltfattigt vand fra Gravlev Sø. [Nordjyllands Amt, 2003b] Formål Variationen i iltkoncentration i Østerå skyldes en række faktorer som vil blive præsenteret i det følgede. Koncentrationen reguleres af iltproduktionen primært grundet planternes fotosyntese, iltforbrug grundet respiration og oxidation af reducerede kemiske forbindelser samt til- og fraførsel af ilt fra luften udtrykt i tranport-dispersionsligningen. 2 C C C S + u = D + 2 (1) t x x A Ved negligering af den longitudinale dispersion D og under antagelse af ensformig stationær dx dc S = u = strømning dt kan transport-dispersionsligningen omskrives til: dt A, hvilket indebærer, at den tidslige variation i iltkoncentrationen er lig kilde/drænleddet i formel 1 og således lig de igangværende processer i åen. (2) dc dt = S A = K 2 (C M C) R + P hvor 1. led på højre siden er geniltning (K 2 : Geniltningskonstant, C m : Iltmætningskoncentration og : Middeliltkoncentration) 2. led er respiration 3. led er iltproduktion Det har i dette projekt været målet at bestemme denne variation over et døgn samt kvantitativt at bestemme de enkelte processer, at modellere iltkoncentrationens variation over døgnet samt at fastlægge konsekvenser af en øget organisk belastning. 1

2 ltmålinger Der er foretaget målinger af iltkoncentrationens variation i perioden september 2003 kl ved hjælp af en OXYGUARD iltmålesonde i to stationer A og B med ca. 5 minutters tidsforskydning. Nedenfor ses stemningsbilleder fra Østerå. Figur 1. Østerå kl Figur 2 Østerå kl Figur 3 Østerå kl Figur 4 Østerå kl Figur 5 viser den målte iltkoncentrationens variation over døgnet. Til beregning af iltkoncentration og mætningskoncentration har det lokale vejr stor indflydelse. Vejret i perioden kan ses her Vejret 2

3 Iltkoncentrationens variation den sep Iltkoncentation [mg/l] Station B Station A Mætning 05:00 03:00 01:00 23:00 21:00 19:00 17:00 15:00 13:00 11:00 09:00 07:00 05:00 Figur 5 Iltkoncentrationens variation i station A og B, samt iltmætningskoncentrationen. Det ses af figur 5, at iltkoncentrationen varierer fra et minimum på ca. 7 mg/l omkring kl. 7 til et maksimum på ca. 12 mg/l kl. 17. De store udsving i perioden fra kl. 16 til 18 må tilskrives målefejl. I perioden blev der skiftet måleansvarlig og måleproceduren har muligvis ikke været den samme. Det ses, at iltkoncentrationen om eftermiddagen er højere end mætningskoncentrationen på ca. 10,5 mg/l, hvilket er en konsekvens af den højere vandtemperatur og de indbyrdes forhold mellem iltproduktion og iltforbrug. Det ses, at iltkoncentrationen i de to stationer følger hinanden i alle tidspunkter i døgnet. Dette var også forventet, da der på strækningen imellem (ca. 400 m) ikke optræder forhold, der kan bevirke en pludselig ændring i koncentrationen, såsom sidetilledninger. Efterfølgende vil de enkelte processer der indvirker på den målte iltkoncentration blive behandlet. Dokumentation Respiration Den aerobe respiration skyldes nedbrydning af organisk stof og oxidering af reducerede forbindelser. Respirationen foregår flere steder i vandløbet; i vandfasen, i bundsediment, af store planter og alger. Respirationen i vandfasen bidrager ikke i særlig stor grad til den totale respiration. En af de primære grunde hertil er, at opholdstiden er forholdsvis lav for det organiske stof i vandfasen og at forekomsten af let assimilerbart organisk stof er begrænset grundet effektiv rensning af spildevand. Et udslip af organisk stof fra f.eks. dambruget ved Ferslev kunne medføre en kraftig stigning i respirationen i vandfasen. En høj koncentration af ammonium i vandfasen vil også gennem nitrifikation kunne bidrage til et højt iltforbrug i vandfasen. [Frier, 2003] Mængden af organisk stof på bunden af åen er grundet den forholdsvis lave strømhastighed, meget større end i vandfasen; iltforbruget her vil af den grund være meget større end i vandfasen. De større planter vil om natten anvende ilt til deres respiration. Forbruget er dog af meget ringe størrelse og 3

4 overstiges langt af iltforbruget fra alger på bunden og på planter. Op mod 90% af respirationen foregår således i og omkring bunden [Thyssen, 1980] Ud fra de målte koncentrationer kan respirationen uafhængigt bestemmes omkring iltkurvens passering af mætningskoncentrationen omkring kl. 21. da geniltningen her er nul Respiration er bestemt til 0,63mg O 2 l h = 15,13mg O 2 l d. Respirationen pr. arealenhed opnås ved kendskab til middelvanddybden. Med en vanddybde på 0,43 m antager respirationen en størrelse på. Dokumentation Geniltning Geniltningen er den proces, hvorved vandet optager ilt fra eller frigiver ilt til atmosfæren. Geniltningen er styret af partialtryksgradienten mellem vand og luft, temperaturen, overflade/volumenforhold og turbulensen i vandet. Ved en lav iltkoncentrationen i vandet vil ligevægten O 2 (g) O 2 (aq) søges genoprettet ved en større tilførsel af luft fra atmosfæren. Selvom mætningskoncentrationen er højere i koldt vand stiger geniltningen ved højere vandtemperaturer, grundet den større molekylære aktivitet (brownske bevægelser). Overflade/volumenforholdet har den logiske effekt, at jo større kontaktflade til atmosfæren jo større geniltningmulighed. Turbulens i overfladen vil ligeledes skabe en større kontaktflade med atmosfæren og er turbulensen udstrakt i hele vandsøjlen vil geniltningen hurtigere kunne registreres i et vertikalt snit af åen. Et eksempel på dette ses ved Gl. Kjærs Mølle, hvor der skabes en kraftig omrøring i vandet. Målinger fra kl og den 22. september 2003 viser en stigning i iltkoncentrationen i åen efter vandets passage af overløb og fisketrappe jf. figur 6a-6c og figur 7. Den 4. september kl var vandet overmættet og man ser her et lille fald i iltkoncentration efter vandets passage af overløb og fisketrappe, hvilket sandsynligvis skyldes en afgasning fra vandet til atmosfæren. Figur 6a Fisketrappe ved Gl. Kjærs Mølle Figur 6b Overløb ved Gl. Kjærs Mølle 4

5 Figur 7 Iltkoncentrationens variation ved Gl. Kjærs Mølle. Der er et lille stryg ca. 100 m opstrøms mens fisketrappen og overløbet er ca. 10 m opstrøms. Afstanden er angivet i meter. Med kendskab til respirationen kan geniltningen bestemmes ved betragtning af koncentrationsgradienter i et tidsrum, hvor der ikke foregår iltproduktion. Geniltningskonstanten er bestemt ud fra de målte iltkoncentrationer til K 2 = 4,40 d -1 Geniltningskonstanten kan også beregnes på baggrund af strømningsmæssige karakteristika. På denne baggrund bestemmes geniltningskonstanten til 1,43 d -1 Dokumentation Til beregningen af iltproduktionen anvendes K 2 = 4,40 d -1, da denne beror på samme datasæt som beregningen af respirationen og som også beregningen af iltproduktionen bygger på. Iltproduktion Iltproduktionen sker ved fotosyntese (primærproduktion) hvor kuldioxid assimileres i lavmolekylære kulhydrater i planter og f.eks. alger ved hjælp af sollys som energikilde. [Sand- Jensen, 2000] I sommerhalvåret bidrager de større planter til den største primærproduktion, mens algerne i vinter- og forårsmånederne står for den største produktion, da mange af planterne her er forsvundet pga. det koldere vand. [Frier, 2003]. Med kendskab til respirationen, geniltningen og tidslige koncentrationsgradienter kan iltproduktionen bestemmes. Ud fra forudbestemte respirationsrater og geniltningskonstant og målte iltkoncentrationer er produktionen bestemt som vist på figur 8 5

6 Iltproduktionens variation d sep 2003 Iltproduktion [mg O2 /(l*d)] :00 03:00 01:00 23:00 21:00 19:00 17:00 15:00 13:00 11:00 09:00 07:00 05:00 Figur 8 Iltproduktionens variation i måleperioden. Dokumentation Det ses af figur 8, at produktionen i dette tilfælde topper omkring kl. 11 med en værdi på 23,5 mg O 2 /(l d). Det var forventet, at maksproduktionen var forskudt 1 time mere, således at produktionen var størst omkring middag. 6

7 Modellering af iltkoncentration i Østerå På baggrund af den observerede døgnsvingning i iltkoncentrationen i station A og B, har det været ønskeligt at kunne modellere iltkoncentrationen. Til dette formål er det valgt at anvende DHI Water & Environment softwaren MIKE 11 som modelgrundlag. Modellen skal kunne modellere iltkoncentrationen under hensyntagen følgende processer: Iltproduktion ved fotosyntese, geniltning, respiration og en evt. nedbrydning af organisk materiale. Med DHI s nyeste programpakke fra 2003 er det muligt selv at programmere disse processer, således kan antallet af inputparametre samt modellens kompleksitet justeres efter behov. Den samlede model består af to (tre) trin en hydrodynamisk model og en advektion/dispersions model, hvori resultater fra procesberegningen i modulet ECO Lab indgår. Den opsatte model dækker en 3 km lang strækning fra Dall Bro til ca. 50 m nedstrøms station A. Geometrien af Østerå på denne strækning udgøres af 4 tværsnit [Nordjyllands Amt, 2000]. Til at opsætte den hydraliske model er der anvendt Manningtal, naturlig dybde og vandføring bestemt på baggrund af resultater fra måledagen. Der antages, at vandføringen er konstant 0,45 m 3 /s over hele strækningen. De målte iltkoncentrationer i station B fra den 3.-4.september (tidsligt udglattede) anvendes som øvre randbetingelse i modellen. Såfremt strømningsforholdene både havde været stationære og ensformige skulle de tidslige variationer af iltkoncentrationen have ens over hele strækningen. Det sættes dog som et mål i modelleringen at opnå denne simultane variation, trods den manglende ensformige strømning. Dow nload MIKE 11 setup Dokumentationen for processerne opstillet i ECO Lab kan ses her. Dokumentation Sammenligning af modelleret og målt iltkoncentration Modellen er kalibreret ind på baggrund af målte iltkoncentrationer i station B. Kalibreringsparametrene er: - Maksimal iltproduktion [mg/l/d] - Respiration [mg/l/d] - Geniltningskonstant [d -1 ] - Forskydningen af maksimal solindstråling i forhold til kl [h] 7

8 Parametrene i den færdigt kalibrerede model antager følgende værdier. - Maksimal iltproduktion = 25,5 mg/l/d - Respiration = 22,0 mg/l/d - Geniltningskonstant = 1,43 d -1 - Forskydningen af maksimal solindstråling i forhold til kl = 0,4 h Det ses af de endelige og entydige kalibreringsværdier: - At den maksimale iltproduktion er 2 mg/l/d større end den beregnede ud fra iltbalancen. - At respirationen er ca. 7 mg/l/d større end den beregnede ud fra iltbalancen. - At geniltningskonstanten beregnet på strømningens karakteristika har været anvendelig. - At den maksimale iltproduktion indtræffer kl mens den beregnede ud fra iltbalancen indtraf ca. kl. 11. Kalibreringsresultatet for station B ses af figur 9. Figur 9 Kalibreret iltmodel (sort streg) og målt koncentration (røde prikker) i station B. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 Det ses af ovenstående graf, at det har været muligt at indkalibrere modellen tilfredsstillende efter de målte koncentrationer. Hvilket også afspejles i tabel 1. Målt Model Middelværdi Korrelationskoefficient R 9,49 mg/l 0,967 9,31 mg/l Tabel 1 Middelværdier og korrelationskoefficient Enkelte målte koncentrationer ligger dog væsentligt udenfor de modellerede, hvilket jf. iltmålinger må tilskrives målefejl. Modellen er valideret på baggrund af målte iltkoncentrationer i station A. 8

9 Valideringen af modellen i station A ses af figur 10. Den sorte kurve er modelresultatet og de røde krydser er målt koncentration i station A. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 Figur 10 Validering af iltmodel (sort streg) og målt koncentration (røde krydser) i station A. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 Det ses af ovenstående graf, at de målte koncentrationer i station A også er modelleret tilfredsstillende, hvilket også afspejles i tabel 2. Målt Model Middelværdi Korrelationskoefficient R 9,54 mg/l 0,971 9,28 mg/l Tabel 2 Middelværdier og korrelationskoefficient Enkelte målte koncentrationer ligger dog stadig væsentligt udenfor de modellerede, hvilket jf. iltmålinger igen må tilskrives målefejl. 9

10 Bestemmelse af iltsvindsforløb efter udledning af spildevand I det følgende vil effekten af et tænkt spildevandsudslip i Østerå blive beskrevet. Beregningerne er foretaget på baggrund af teori beskrevet i Frier (2003). Formålet er via en simpel metode at beskrive, hvorledes en en spildevandsudledning påvirker iltforholdene i et åløb. Eksempelvis at undersøge hvor påvirkningen er størst set i forhold til udledningsstedet, samt hvor langt nedstrøms der kan registreres en påvirkning i iltbalancen. I beregningseksemplet er der foretaget en række forsimplinger. Eksempelvis at det udledte organiske stof udelukkende nedbrydes i vandfasen, samt at der ikke er taget højde for de naturlige iltsvingninger i åen. Yderligere er det forudsat, at omsætningen af organisk stof er lig iltforbruget, samt at omsætningen af organisk stof i vandfasen følger den erfarede 1. ordens proces for en BI 5 - omsætningsanalyse. [Frier, 2003] Der er under scenarieberegningen antaget konstant tværsnitsareal, vandføring, iltkoncentration i den upåvirkede del af vandløbet samt total opblanding i tværsnittet. Ved beregningen af transporten af det organiske stof tages der ikke højde for spredning via dispersion. Østerå er for eksemplets skyld forlænget til en urealistisk stor udstrækning nedstrøms for udledningen. I beregningeksemplet med spildevandsudledningens effekt er følgende parametre blevet anvendt: Tværsnitsareal A 5,67 m 2 Vandføring i vandløbet før udledning Q i 450 l/s Iltkoncentration i vandløbet før udledning C i 9,37 mg/l Organisk stof i vandløbet før udledning BI 5(i) Vandføring i spildevandsudløbet Q s Iltkoncentration i spildevandsudløbet C s Organisk stof i spildevandet BI 5(s) * Nedbrydningskonstanten for organisk stof K 1 0 mg/l 100 l/s 0 mg/l 300 mg/l 0,3 døgn -1 Geniltningskonstanten K 2 4,4 døgn -1 Iltmætningskoncentrationen C mæt Transporthastighed v = (Q i + Q s )/A 10,7 mg/l 0,1 m/s Relativ belastning, l 0 = L 0 / C mæt 6,6 [-] Selvrensningsforholdet, f = K 2 / K 1 14,6 [-] Tabel 3 Anvendte parametre i beregningseksempel ( * Erfaringstal fra laboratorieforsøg [Frier, 2003]) Dokumentation På Figur 11 er iltsvindet efter spildevandsudledningen angivet som funktion af afstanden fra udledningen. 10

11 Iltsvindskurve ved udledning af spildevand Iltkoncentration [mg O2/l] Iltkoncentration Iltmætning Afstand fra udledningspunkt [km] Figur 11 Resulterende iltsvindskurve som følge af spildevandsudledning. Umiddelbart efter udledningens start, ses et stort fald i iltkoncentrationen som følge af åvandets opblanding med det iltfrie spildevand. Nedstrøms udledningen, ses nedbrydningen af det organiske stof at forsage et fald i vandløbets iltindhold. Samtidig med at iltkoncentrationen falder begynder en geniltningsproces. Det laveste iltindhold, eller den kritiske iltkoncentration, kan aflæses til ca. 6,5 mg O 2 /l og forekommer ca. 3,5 km nedstrøms for udledningen. Denne situation optræder når iltforbruget og geniltningen er af samme størrelse. På figur 12 er samme iltsvindskurve illustreret, blot er iltkoncentrationen og afstanden fra udledningen erstattet af de dimensionsløse størrelser iltmætningen, m, og relativ opholdstid, τ. Mætningen og den relative opholdstid har følgende definitioner: (3) Cilt m = [-] C mæt hvor C ilt :Aktuel iltkoncentration [mg/l] C mæt :&nbspiltmætningskoncentration[mg/l] (4) τ = K t [-] 1 hvor K 1 :1. ordens nedbrydningsrate [d -1 ] t:tid [d] 11

12 Figur 12. Resulterende iltsvindskurve som følge af spildevandsudledning, afbildet ved dimensionsløs iltmætning og opholdstid Dokumentation Sammenhængen mellem iltforbruget ved omsætningen af det organiske stof og geniltningen som følge af en sænkning af iltkoncentration er vist på Figur 13, hvor iltforbruget og geniltningen er bestemt som: (5) τ Iltforbrug = l0 e hvor l 0 :Relativ belastning (6) Geniltning = f (1 m) hvor f:selvrensningsforhold Iltsvindskurve ved udledning af spildevand Iltmætning, m [-] Mætningsgrad Iltmætning Opholdstid, tau [-] Figur 13 Iltforbrugs- og geniltningskurve afbildet ved dimensionsløs iltmætning og opholdstid. 12

13 Dokumentation Før den kritiske iltkoncentration ved τ kri, eller som beskrevet ca. 3,5 km nedstrøms, er iltforbruget under nedbrydningen dominerende. Nedstrøms τ kri overstiger geniltningen iltforbruget, mens den samlede påvirkning af iltbalancen ses at falde nedstrøms τ kri. Følsomhedsvurdering To parametre der må forventes at have stor indflydelse på iltsvindskurvens forløb er den relative belastning l 0, forholdet mellem begyndelseskoncentrationen af organisk stof og iltmætningskoncentrationen, samt selvrensningsforholdet, forholdet mellem geniltningskonstanten og nedbrydningskonstanten. På Figur 14 er iltsvindskurven skitseret for varierende relativ belastning. Som ventet ses det, at iltsvindet afhænger kraftigt af størrelsen på den relative belastning. Iltsvindskurve ved udledning af spildevand Iltmætning, m [-] lo=0,5 lo=1 lo=3 lo=6,6 lo= Opholdstid, tau [-] Figur 14 Iltsvindskurver ved varierende relative belastninger. Ved store relative belastninger fortsætter iltmætningen med at falde nedstrøms for opblandingen ved udledningen, mens det ved de mindre relative belastninger er opblandingen med det iltfrie spildevand, der forsager det største fald i iltkoncentrationen. På Figur 15 er iltsvindskurven skitseret for varierende selvrensningsforhold, f. Ved høj selvrensningsgrad, der indikerer stor geniltning i forhold til nedbrydning, ses der en markant mindre iltsvindseffekt. 13

14 Iltsvindskurve ved udledning af spildevand 1 Iltmætning, m [-] f=1,5 f=3 f=5 f=7 f=14, Opholdstid, tau [-] Figur 15 Iltsvindskurver ved varierende selvrensningsforhold. Bestemmelse af iltsvindsforløb efter udledning af spildevand med MIKE 11 ECO Lab Efter den forsimplede beskrivelse af et spildevandsudslips effekt på iltbalancen i vandløbet, vil spildevandsudledningen blive modelleret mere komplekst i MIKE 11. Her tages der bla. højde for iltkoncentrationens døgnvariation. Der er anvendt samme hydrauliske model som under iltkoncentrationsmodellering uden organisk belastning. Den organiske belastning på 150 mgbod/l udledes i tidsrummet ved øvre rand. Figur 16 angiver den organiske belastnings påvirkning af iltkoncentrationen i station B. Figur 16 Iltsvindskurver i station B. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 14

15 Det ses, at iltkoncentrationen er kraftigt faldende fra frem til kl 00.00, hvorefter geniltningen og senere produktionen får iltkoncentrationen til at stige til oprindeligt niveau. Nedenstående seks figurer, 17-22, viser iltsvindet som funktionen af afstanden fra udledningen til seks udvalgte tidspunkter. Det ses af figurerne, hvorledes påvirkningen forplanter sig nedstrøms udledningen. Figur 17 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl d 1/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 (højre y-akse) Figur 18 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl d 1/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 (højre y-akse) 15

16 Figur 19 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl d 1/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m3 (højre y-akse) Figur 20 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl d 2/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m3 (højre y-akse) Figur 21 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl 16

17 05.00 d 2/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 (højre y-akse) Figur 22 Iltsvindskurve (blå) som funktion af afstand fra udledning, kl d 2/9-03. Enheden for iltkoncentrationen er µg/m 3 (højre y-akse) Jf.delprojektformålet er der i ovenstående afsnit gjort rede for iltforholdene på projektlokaliteten i Østerå. Det har været muligt at beregne de grundlæggende processer for iltkoncentrationens variation over et døgn samt at modellere disse. Ligedes er der foretaget en undersøgelse af iltforholdene i åen, under øget organisk belastning, ved hjælp af.en simpel stationær model samt vha. en mere kompleks ECO-Lab model. Til top 17