Vådområder og konstruerede minivådområder som virkemiddel til fjernelse af næringsstoffer. Carl Christian Hoffmann Carlos

Transkript

1 Vådområder og konstruerede minivådområder som virkemiddel til fjernelse af næringsstoffer Carl Christian Hoffmann Carlos D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde

2 Ådale og andre Vandløbsnære Arealer samt lavvandede søer Virkemiddel til at tilbageholde kvælstof og fosfor m.m. Specifikke virkemidler Etablering af søer Tidvise oversvømmelser af enge og ådale Vådområder Ophør med afvanding af dyrket lavbundsjord Overrisling med dræn- og grøftevand Konstruerede vådområder. Hydrologi strømningsveje Denitrifikation Risici Mobilisering af fosfor - Udvaskning af jern Tørvedannelse ophobning af kulstofgendannelse af forskellige mosetyper Anbefalinger Konklusion

3 Ådale sammenhængende grønne korridorer i landskabet Hydrologisk - biologisk samspil mellem vandløb og ådale Virkemiddel til at tilbageholde kvælstof og fosfor; vurdering af risiko for fosforfrigivelse Tilpasning til klimaændringer Tørvedannelse ophobning af kulstofgendannelse af forskellige mosetyper Vurdering af risiko for transport af organisk stof fra ådalen risiko for iltsvind? Beskyttelse af naturtyper og arter findes næringsfattige plantesamfund i ådalen? Offentlig adgang kan være et aktiv for kommunen

4

5 Kvælstofcyklys

6

7 Respirations processer 1 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 2 5C 6 H 12 O NO H + 30CO N H 2 O 3 C 6 H 12 O MnO H + 6CO Mn H 2 O 4 C 6 H 12 O Fe(OH) H + 6CO Fe H 2 O 5 C 6 H 12 O 6 + 3SO 2-4 6CO 2 + 3S H 2 O 6 2FeS 2 + 6NO H 2 O 2N 2 + 2FeOOH + 4SO H + 7 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O

8 Redox interval for forskellige respirations processer Zone Interval Disappearing Appearing mv ox mv red. Oxygen reduction O H 2 O Nitrate reduction NO N 2 Manganese reduction Mn Mn 2+ Iron reduction Fe Fe 2+ Sulfate reduction SO H 2 S Methanogenesis CO CH 4

9 Har jeg nogle valg? Typiske projekttyper: 1. Overrisling af områder med drænvand 2. Oversvømmelse af vandløbsnære arealer 3. Ådale naturgenopretning genskabelse af processer 4. Konstruerede vådområder (constructed wetlands - minivådområder)* Surface and Subsurface flow 5. Søer * Forskningsresultater fra DK mangler - men er undervejs D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde

10 Bygholm Egebjerg Enge før og efter restaurering Brede Å Nørrekær Gammelby Bæk Kappel

11 Odense Å Jan 2004 Odense Å Nov 2003 Karlsmosen efter Karlsmosen før

12 Nitrat fjernelse i ådale der gennemstrømmes af grundvand Lokalitet Kg NO - 3 -N ha -1 år -1 % Stevns å, eng Rabis bæk, eng Gjern å: A, eng, B, mose (1993) B, mose (5 års målinger) C, eng (5 års målinger) D, eng (5 års målinger) E, eng * Brede å, storskala enge (63 ha) Brede å, storskala enge (94 ha) Gudenåens Kilder, storskala enge (57 ha) * hertil kommer et bidrag på 52.7 kg N ha -1 år -1 fra oversvømmelse

13 Nitrat fjernelse i vådområder overrislet med drænvand eller åvand (Der er taget hensyn til at drænvandet kun løber i perioder af året) Lokalitet Kg NO - 3 -N ha -1 år -1 % Glumsø, rørskov Glumsø, rørskov Glumsø, rørskov Glumsø, fuldskala Stevns å, eng* Stevns å, eng med gammelt drænrør - 99 Syv bæk, eng Stor å, genskabt eng Gjern å, eng* (min) Gjern å, eng* (max) * korttidsforsøg Forskellig hydraulisk belastning og forskellig nitratbelastning.

14 Beregning af Kvælstof belastning Beregning af kvælstoftab fra direkte opland (anvendes hvis dræn fra det direkte opland afskæres ved projektgrænsen) Empirisk model: N tab =1.124*exp( ,758*ln(A) *S *D); N tab =Gennemsnitlige årlige kvælsstoftab pr. hektar nedsivningsområde A = Vandbalancen for nedsivningsområdet (i mm) S = Andelen af sandjord i nedsivningsområdet i % D = Andelen af dyrket areal i nedsivningsområdet i % Beregning af den samlede kvælstoftilførsel fra det direkte opland: N tab total = N tab * antal ha direkte opland Eller målte data fra vandløbsstationer, drænmålinger m.m.

15 Formlens begrænsninger ~ stor usikkerhed Ntab=1.124*exp( ,758*ln(A) *S *D) 100% Sand (S) Høj nedbør (A, e.g mm)

16 Hvordan beregnes kvælstoffjernelsen Beregning af N- fjernelse ved oversvømmelse: Kvælstof koncentration under 5 mg N l -1 : 1.0 kg N ha -1 dag -1 Kvælstof koncentration over 5 mg N l -1 : 1.5 kg N ha -1 dag -1 Krav: Kontinuerlig tilførsel af kvælstof til de oversvømmede arealer Ingen kvælstoffjernelse når afstanden til vandløbet overskrider 100 m.

17 Hvordan beregnes kvælstoffjernelsen Overrisling Kvælstoffjernelse ved overrisling: 50 % af belastningen Den hydrauliske belastning og kvælstofbelastningen skal være tilpasset vådområdets størrelse. I jorde med en umættet zone og høj infiltrations kapacitet hvor vandet kan infiltreres helt eller delvist i jorden kan kvælstoffjernelsen øges til: (delvis) eller 75-90% (fuldstændig infiltration) Grundvandsgennemstrømning Generelt kan man regne med en reduktion på 90 % - dog kun hvis jordens indhold af organisk stof overskrider 3%

18 Overrisling udnyt topografien

19 Projektområde Resultater fra VMP2-Overvågningsprogrammet Målt N-fjernelse kg N ha/år Ændr. areal-anv. kg N ha/år Målt + ænd areal-anv. kg N ha/år Beregnet N kg N ha/år Egebjerg enge Hellegård å! -! 280 Kappel Geddebækken Horne Mølleå Karlsmosen Lindkær Snaremose Sø Frisvad M.bæk (op til 95) (279)! 279 Ulleruplund Gammelby Bæk Nagbøl Å Hjarup Bæk

20

21 Lyngbygårds Å Måned Input Nitrate fjernelse Input Phosphorus retention (kg NO 3 -N) (kg NO 3 -N) (%) (kg P) (kg P) (%) Dec-07 18,765 1, Jan-08 26,784 1, Feb-08 13, Mar-08 17,093 1, Apr-08 6, Maj-08 1, Jun-08 1, Jul Aug-08 1, Sep-08 1, Okt-08 1, Nov-08 10, Total 100,076 7, ,

22 Plante optagelse hvad kan høstes Landsforsøgene slæt på våd humusjord, 3 år Tørstof g m 2 Nitrogen g N m 2 Fosfor g P m Stevns å, eng Syv Bæk, eng Gjern Å: A, eng B, mose C, eng D, eng Glumsø, rørskov

23 Tørvedannelse P Kg P ha -1 år -1 N Kg N ha -1 år

24 Konstruerede vådområder D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde

25 Konstruerede vådområder eller minivådområder

26 Konstruerede vådområder Svenske erfaringer viser N-fjernelse: 900 kg N ha år (gennemsnit for 50 damme) Svenske erfaringer viser også overraskende høj P-retention: kg P ha år Forsøgs- og demonstrationsanlæg vil blive aftestet i DK ved systematiske undersøgelser

27 Svensk våtmark (pond, dam) Norsk fangdam

28 Konstrueret vådområde i oplandet til Odderbæk, Vejle kommune

29 Bemærkning We omitted , the first two years of CTW operation, since the early water quality data set was somewhat spotty, and since ecosystem development in the initial years of CTW operation typically results in unsustainably elevated nutrient uptake rates as wetland plant biomass is established (Kadlec, 2002). Citeret fra: Marc W. Beutel, Crystal D. Newton, Elaine S. Brouillard, Richard J. Watts i Ecological Engineering, Vol 35(10), October 2009, Pages

30 Søer Sliv Sø Ødis sø på en kold januardag i 2003

31 Kvælstoffjernelse i lavvandede søer N retention (%) log42,1 17,8log 10 (T w ) T w =V/Q til, vandets opholdstid eller vandskiftet pr. år N fjernelse ved Sø = N (%) * N tilførsel fra vandløbsopland NB Gælder ikke hvis opholdstiden er mindre end 1 uge. Eventuelt alternativ 300 kg N ha -1 år -1 - DOG max 10% af belastningen (bør nøje overvejes i hvert tilfælde) Årslev Engsø før Efter Efter

32 CASE: Vilsted sø der afvander til Limfjorden

33 Case study Vilsted sø Lake Vilsted (2004) 472 ha lake and 441 ha wet meadow Før restaurering Efter restaurering Vitskøl å (udløb)

34 Case study Vilsted sø Phosphorus discharge (outflow) Før Prior sø lake Efter After sø lake kg P / year P in outflow increased by lake D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde

35 Case study Vilsted sø Lake Vilsted (2004) 472 ha lake and 441 ha wet meadow N fjernelse: P frigivelse: 2006: 95 tons N 2006: 6.1 tons P 2007: 195 tons N 2007: 6.3 tons P 2008: 189 tons N trend 2008: 4.6 tons P trend

36 Lakes Status 2009 Resultater fra overvågningen af 9 restaurerede søer Total projekt areal Sø areal Sø dybde N forventet fjernelse N målt fjernelse N forventet fjernelse arealvægtet N målt fjernelse arealvægtet ha ha m tons N år -1 tons N år -1 kg N ha -1 år -1 kg N ha -1 år -1 Vilsted Sø Slivsø Aarslev Engsø , Nakkebølle Ind , Gødstrup Engsø , Hals Sø , Ødis Sø , Skibet Enge , Wedellsborg H , Range (målt): kg N ha -1 år -1 ( x: 164) Range (forventet) : kg N ha -1 år -1 ( x: 274)

37 Lakes Status 2009 Resultater fra overvågningen af 9 restaurerede søer Total projekt areal Sø areal Sø dybde N forventet fjernelse N målt fjernelse N forventet arealvægtet N målt fjernelse arealvægtet ha ha m tons N år -1 tons N år -1 kg N ha -1 år -1 kg N ha -1 år -1 Vilsted Sø Slivsø Aarslev Engsø , Nakkebølle Ind , Gødstrup Engsø , Hals Sø , Ødis Sø , Skibet Enge , Wedellsborg H , Forskelle i N fjernelse skyldes: 1) Vandets opholdstid 2) N-belastning

38 Status 2009 Resultater fra restaurerede & overvågede søer Lakes Total projekt areal Sø-areal areal Sø dybde N fjernelse P-belastning Målt P-fjernelse arealvægtet P fjernelse (ha) (ha) (m) (% ) (tons P år -1 ) (kg P ha -1 år -1 ) (% ) Vilsted Sø Slivsø Aarslev Engsø Nakkebølle Ind Gødstrup Engsø Hals Sø Ødis Sø Skibet Enge Wedellsborg H N fjernelse, men P frigivelse! (mineralisering af oversvømmet vegetation) Tilbageholdelse af P i 2/3 af søerne

39 Anbefalinger Sørg for at anlægsarbejdet udføres således at naturen kan tage over uden at der skal repareres Se på gamle kort - se på landskabet Forundersøgelser er vigtige Hvad enten man vil eller ej vil projektområdet prøve at genskabe den naturlige hydrologi Undersøg jordens indhold af fosfor Undersøg hvorledes fosfat er bundet (få lavet fosforfraktionering) Konstruerede vådområder er måske et nyttigt alternativ på visse landbrugsarealer men ikke i naturen og vi mangler dokumenterede danske undersøgelser

40 Anbefalinger, fortsat Genskab processerne (e.g. tillad frihed og dynamik i vandløbet) Monitering og opfølgning = erfaring (glem ikke vidensdeling e.g. årlige møder a la DAVID/ALMA) Klare mål (e.g. reducere næringsstofbelastning, forøge biodiversitet Nye ideer e.g. topsoil removal (specielt for P)

41 Konklusioner Biogeokemi processerne hænger sammen Autotrof denitrifikation kan indirekte forårsage P- mobilisering ved sulfat produktion (pyrit oxidation) hvis denne efterfølges af sulfat reduktion Nitrat belastningens størrelse kan påvirke P- tilbageholdelsen (dvs. føre til udvaskning af P) Kvælstoffjernelse kan variere fra år til år grundet variationer i de klimatiske forhold

42

43 [DRP] INITIAL (µmol mg -1 Fe BD day -1 ) Fosfor frigivelses kinetik 0,004 0,003 FeBD Fe Norm[ SRP] 0,394 [ DRP ] 0,394 PBD P R R BD BD ,002 0,001 0, Fe BD :P BD -molar ratio Kjaergaard et al., 2007

44 Roden, E.E. and J.W. Edmonds Phosphate mobilization in iron-rich anaerobic sediments: microbial Fe(III) oxide reduction vs. iron-sulfide formation. Arch. Hydrobiol. 139:

45 PO 4 -P sorberet ( mol kg -1 ) Hvad sker der med P under anaerobe forhold? 3000 Lindholm (0-25) 2000 Aerob Sorptionsforsøg viser ændring fra P-sorption under aerobe forhold Anaerob til P-desorption (frigivelse) under anaerobe forhold. Men processen er ikke momentan! PO 4 -P i opløsning ( mol L -1 ) Heiberg et al. (2009)

46 35 Fosforfrigivelse under anaerobe forhold Organogene jorde PO 4 -P (kg ha -1 år -1 ) kg m kg m -3 Soil samples Fe BD :P BD -molar ratio Kilde: Kjærgaard et al, 2009

47 Fosforfrigivelse under anaerobe forhold 35 Organogene jorde PO 4 -P (kg ha -1 år -1 ) kg m kg m -3 Prøver Høst af biomasse 5 0 Tørvedannelse Fe BD :P BD -molforhold Kilde: Kjærgaard et al, 2009

48 Naturlige systemer, ådale: Belastning Tilbageholdt kg PO 3-4 -P ha -1 år -1 % Stevns å, eng Rabis bæk, eng Gjern å: A, Eng, ,70-0,88-52 A, Eng, ,57-0,36-23 A, Eng, ,20 0,47 39 B, mose Gudenå (kilder)før Gudenå efter rest

49 Overrislingssystemer Belastning Tilbageholdt % kg PO P ha -1 år -1 Glumsø, rørskov Glumsø, fuldskala Stevns å, eng* (overrisling 1 mdm) Stevns å, eng conc. conc. 96 (drænvand) (460) (26) Syv bæk, eng Stor å, eng Gjern å, eng* (1 uge) Gjern å, eng* (1 uge) Ulleruplund (mose/eng) VMP * korttidsforsøg koncentration i µg PO P l -1

50 Overrisling udnyt topografien

51 Vigtigt!!! Inden man starter må man se på de historiske kendsgerninger Områdets historie -set med P øjne

52 Ide! Topsoil removal D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi

53 Resultater fra overvågningsprogrammet Vådområde lokalitet P-retention % kg P ha -1 år -1 Ulleruplund, overrislet engområde Gammelby Bæk, overrislet og oversvømmet mose og eng (usikker beregning) Egebjerg Enge, oversvømmet eng/mose område Karlsmosen, overrislet og oversvømmet mose og eng Snaremose, overrislet eng- og moseområde Lindkær, overrislet eng- og moseområde Geddebækken, overrislet eng- og moseområde Nagbøl Å, remeandreret, overrislet og oversvømm Hjarup Bæk, remeandreret, overrislet og oversvømmet

54 Anbefalinger Sørg for at anlægsarbejdet udføres således at naturen kan tage over uden at der skal repareres Se på gamle kort - se på landskabet Forundersøgelser er vigtige Hvad enten man vil eller ej vil projektområdet prøve at genskabe den naturlige hydrologi Undersøg jordens indhold af fosfor Undersøg hvorledes fosfat er bundet (få lavet fosforfraktionering) Konstruerede vådområder er måske et nyttigt alternativ på visse landbrugsarealer men ikke i naturen og vi mangler dokumenterede danske undersøgelser

55 anbefalinger, fortsat Genskab processerne (e.g. tillad frihed og dynamik i vandløbet) Monitering og opfølgning = erfaring (glem ikke vidensdeling e.g. årlige møder a la DAVID/ALMA) Klare mål (e.g. reducere næringsstofbelastning, forøge biodiversitet Nye ideer e.g. topsoil removal

56 Konklusioner Sedimentation er den vigtigste proces til reduktion af partikelbundet fosfortransport i vore vandløb Biogeokemi Autotrof denitrifikation kan indirekte forårsage P-mobilisering ved sulfat produktion (pyrit oxidation) hvis denne efterfølges af sulfat reduktion Nitrat belastningens størrelse kan påvirke P-tilbageholdelsen (dvs. føre til udvaskning af P) Reducerbart jern (Fe 3+ ) spiller en vigtig rolle for P-frigivelse s kinetikken Plantehøst som middel til at hindre P-udvaskning (!) (sikre biodiversitet) Overrisling af vandløbsnære arealer er kvantitativt set ikke et væsentligt tiltag for P-tilbageholdelse kan endog føre til betydelig P-tab

57 N og P vådområder

58 Hjemmeside faktablade ttp:// D A N M A R K S M i L J Ø U N D E R S Ø G E L S E R A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde

59 Teknisk anvisning (brugt i VMP2 regi) Overvågning af effekten af retablerede vådområder Teknisk anvisning fra DMU, nr. 19, 4. udgave, 2005 Carl Christian Hoffmann et al. NBNB!!!!!! Se også temanummer af Vand og Jord, der handler om vandplaner og ådale. Vand og Jord nr.2 maj 2010 Ny opdateret version af Vidensopsamling fra VMP2-vådområder Resultater fra overvågningsprogrammet rapporter/fr576.pdf