Del 1. Måling og modellering af transport, spredning og iltforhold i Østerå

Transkript

1 Del 1 Måling og modellering af transport, spredning og iltforhold i Østerå

2 file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\strukturkort\struktur1.gif Side 1 af 1

3 file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\introduktion\introduktion.htm Side 1 af 1 Måling og modellering af transport, spredning og iltforhold i Østerå I denne del af projektet er der arbejdet med måling og modellering af transport, spredning og iltforhold i Østerå. Som projektlokalitet er der valgt kun at se på den nordlige del af åen, som går fra Indkildevej til Sønderbro. Der er arbejdet med en numerisk model af vandløbsstrækningen i MIKE 11 bestående af et strømningsmodul, stoftransport (AD) modul og vandkvalitetsmodul. De enkelte moduler er opsat med baggrund i egne målinger af vandføring, stoftransport og ilt. På baggrund af dette er der foretaget en modellering af et scenario, hvor det er antaget, at der sker et udslip af spildevand ved overløb til åen.

4 Østerå file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\osteraa\osteraa.htm Side 1 af 1 Østerå Østerå, også kaldet Kjærs Mølleå, har sit udspring sydøst for Ellishøj og udmunder i Limfjorden ved Aalborg havn. Før 1800-tallet løb åen gennem Aalborg midtby, hvorefter åen blev ledt udenom byen og rørlagt på strækningen fra Gl. Kjærs Mølle til fjorden. Den resterende del af åen er senere blevet reguleret til en lige kanal og ved opstemningen til Gl. Kjærs Mølle blev der etableret en fisketrappe. I begyndelsen af 1990erne blev strækningen mellem Gl. Kjærs Mølle og Sønderbro fritlagt, og i 1992 blev der gennemført et naturgenopretningsprojekt for den nordlige del af Østerådalen, som omfatter området omkring åen på strækningen mellem Over Kæret og Indkildevej. Planen var at skabe et rekreativt naturområde omkring den genslyngede å, og det er planlagt at videreføre naturgenopretningen i den sydlige del af ådalen.

5 Målsætninger for Østerå file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\osteraa\maalsaetning\maal_for_oesteraa.htm Side 1 af 1 Målsætning for Østerå Igennem Regionplanen for Nordjyllands amt er der fremsat målsætninger for vandkvaliteten i og anvendelsen af Østerå. Amtsrådet har som et overordnet mål foreskrevet; "at vandløb og søer skal fungere som levested for et alsidigt dyre- og planteliv, og samtidig hermed skal vandløbenes evne til afledning af vand sikres. Alle gode vandløb skal kunne anvendes som fiskevande." [NJA Regionplan 2004 (pdf)] Der er i det følgende taget udgangspunkt i de målsætninger, der er fundet relevante for den modellerede vandløbsstrækning. Disse er mål for anvendelse og vandkvalitet, som er sat af amtsrådet efter afvejning af de interesser, der knytter sig til vandløbene. Målsætninger for anvendelse af vandløb er vurderet af amtet med udgangspunkt i vandløbstypen, som et resultat af landskabsform, jordbund og afstrømningsforhold, tidligere reguleringer m.v. Målsætninger for kvaliteten af vandløbet bygger på en vurdering af vandløbet som levested for smådyrssamfund. Dette udtrykkes som en forureningsgrad (Saprobiesystemet), hvor der angives en Saprobiegrad, som beskriver fordelingen af forureningstolerante og rentvandskrævende dyr samt hyppigheden af de enkelte arter/grupper. De fysiske forhold inddrages i vurderingen, så en forureningsgrad primært afspejler en organisk forurening. [NJA Regionplan,2004] De overordnede målsætninger for anvendelse og vandkvalitet er som følgende: Figur 2 Målsætning for vandkvalitet i vandløb [NJA Regionplan, 2004 (pdf)]. Figur 1 Målsætning for anvendelse af vandløb [NJA Regionplan 2004 (pdf)]. Med hensyn til anvendelse, er størstedelen af Østerå målsat som et B2/B3 vandløb og målsætningen for vandkvalitet er forureningsgrad II. Østre og Vestre Landgrøft har begge lempede målsætninger mht. anvendelsen og er mht. vandkvalitet målsat som henholdsvis et vandløb med forureningsgrad II-III og III og et vandløb, der er æstetisk tilfredsstillende. [NJA Regionplan,2004] Figur 3 Målsætning for vandkvaliteten i Østerå.

6 Afstrømning til Østerå file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\osteraa\afstromning\afstromning.htm Side 1 af 1 Afstrømning til Østerå Nordjyllands Amt fører løbende kontrol med vandføringen og vandstanden i regionens større vandløb. Resultaterne af denne monitering bliver hvert år offentliggjort i en rapport. I rapporten er der desuden angivet en regnintensitet for de forskellige vandløbsoplande. Måleren i Østerå er placeret ved Indkildevej, og oplandsarealet til dette punkt er 128 km 2. [NJA, 2001] Figur 4 Døgnmiddelvandføringen i Østerå målt ved Indkildevej. Som det fremgår af figuren, er den mindste vandføring om efteråret. Projektgruppens egne målinger er netop foretaget i denne periode, dog et år senere end amtets måling, og det er derfor sandsynligt, at den udførte måling også ligger tæt på årsminimum vandføringen. Tabel 1 Årsmiddel, -minimum og -maksimum vandføringer for Østerå målt af NJA i Årsmiddel Årsminimum Årsmaksimum [l/s] [l/s] [l/s] Egne målinger viser vandføringer på hhv. 440 l/s og 480 l/s, hvilket passer godt sammen med årsminimumsvandføringen. Hvis nedbøren for 2003 sammenlignes med middelnedbøren for samme område, giver det et billede af, hvordan den målte vandføring er i forhold til middelværdien. Tabel 2 Nedbør og fordampning i 2003 og perioden Periode Nebør Potentiel fordampning Aktuel fordampning [mm] [mm] [mm] Som det ses, var nedbøren i 2003 væsentligt mindre end gennemsnittet, og sammenholdt med at den aktuelle fordampning er større i 2003, indikerer det, at den målte vandføringen er mindre end middel.

7 Vandtransport file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\vandtransport.htm Side 1 af 1 Vandtransport Det ønskes at bestemme vandtransporten for senere at kunne modellere iltforholdene. Der indgår flere parametre i denne bestemmelse, og som udgangspunkt må de mange af disse bestemmes ved målinger. Til modellering af strømningsforholdene i et vandløb, tages der ofte udgangspunkt i Saint Venant ligningerne for ikke stationært flow. Ligningerne, som benyttes, er kontinuitetsligningen for masse, som udtrykker loven om massens konstans, samt impulsligningen, som udtrykker Newtons 2. lov. Kontinuitetsligningen [Vestergaard, 1989]: Q y + b = q x t hvor Q er flowet [m 3 /s] x er stedet [m] b er bredden [m] y er vanddybden [m] t er tiden [s] q er lateralt indflow [m 3 /m s] Impulsligningen [Vestergaard, 1989]: 2 Q Q y + + g A = g A I0 g A I t x A x hvor A er tværsnitsarealet [m 2 ] g er tyngdeaccelerationen [m/s 2 ] I er energiliniegradienten [-] I 0 er bundliniegradienten [-] I dette tilfælde er de strømningsmæssige forhold modelleret i DHI's programpakke MIKE 11. Der er anvendt det hydro-dynamiske modul, som tager udgangspunkt i numerisk løsning af Saint Venant ligningerne vha. et seks punkt Abbott-skema. Det hydro-dynamiske modul er opsat, så det beskriver de strømningsmæssige forhold for en delstrækning af Østerå. Dette er gjort på baggrund af en vandløbsgeometri, vanddybder og vandføring fastlagt gennem forundersøgelser udført af projektgruppen samt oplysninger om vandløbsgeometrien fra Nordjyllands Amt.

8 Vandløbsgeometri file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\vandlobsgeometri\vandlobsgeometri.html Side 1 af 1 Vandløbsgeometri Til brug ved modellering i MIKE 11 er der foretaget en opmåling af Østerå. Dette er sket ved at måle vanddybden i et antal nedstik i 12 forskellige tværsnit. Tværsnit 1-7 blev opmålt d. 3. september 2004 og tværsnit 8-12 blev opmålt d. 6 september Desuden er der anvendt data for vandløbsgeometrien opmålt af Nordjyllands amt. Klik på tallene for af få flere oplysninger om de enkelte målinger.

9 Vandføringsmåling file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\vandforing\vandforing.htm Side 1 af 1 Vandføringsmålinger Der er d. 3. og 6. september foretaget to målinger til bestemmelse af vandføringen i Østerå. Målingerne er foretaget henholdsvis ved Indkildevej, og umiddelbart inden åen bliver rørlagt. Målingerne er udført med propel, hvor åens tværsnit er opdelt i en række nedstik, der er jævnt fordelt over åens bredde. I hvert nedstik måles en hastighed i forskellige dybder, hvoraf der er optegnet hastighedsprofiler. De målte vandføringer for hhv. snit 1 og snit 2 er 440 l/s og 480 l/s. Det optegnede profil kan ses ved at trykke på billedet til højre. Antallet af nedstik og målinger i dybden afhænger af tværsnittets bredde og dybde. Vandføringen er beregnet ud fra hastighedsprofilerne. Det antages, at hastighederne varierer lineært mellem de enkelte punkter. Da propellen ikke kan måle hastigheden ved bunden, antages denne at være nul, ligesom det ved overfladen antages, at hastigheden er den samme som ved den nærmeste måling. Vandføringen er beregnet ud fra hastighedsprofilerne ved et dobbeltintegrale. hvor Q BY = 0 0 u( y) dxdy Q er vandføringen [m 3 /s] B er åens bredde [m] y er den lokale vanddybde [m] u(y) er hastigheden som funktion af dybden [m/s] Y er åens maksimale dybde [m] Dette forudsætter dog, at der er foretaget et uendeligt antal målinger. Derfor er beregningen forsimplet ved en approksimation af dobbeltintegralet ved et numerisk trapezintegrale. n= 1 ( j j+ 1)( j+ 1 j) Q= ½ q + q x x j= 1 hvor xj er afstanden fra den ene bred ud til nedstik j [-] qj er arealhastigheden [m 2 /s] Her benyttes en arealhastighed, som kan beregnes ud fra det fundne hastighedsprofil. Det antages, at arealhastigheden som funktion af bredden ved hver bred danner en parabel. 2 3 n= 1 ( 2( 2 1) n 1( n n 1) ) ½ ( j j+ 1)( j+ 1 j) Q= q x x + q x x + q + q x x j= 1 Arealhastigheden er beregnet ud fra hastighedsprofilerne for hvert nedstik og er beregnet som arealet under kurven. hvor n= 1 ( + 1)( + 1 ) q = ½ u + u y y i j j j j j= 1 u er hastigheden målt i dybden y [m/s] Det er antaget, at den nederste del af hastighedsprofilet ikke er lineært, men formet som en parabel. n= 1 ( 2( 2 1) ) ½ ( + 1)( + 1 ) q = u y y + u + u y y 2 i 3 j j j j j= 1

10 Vandføringsmåling 1 file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\vandforing\vf1.htm Side 1 af 1 Vandføringsmåling 1 Vandføringsmåling 1 er foretaget ved Indkildevej. Her er der fundet en vandføring på 0,44 m 3 /s.

11 Vandføringsmåling 2 file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\vandforing\vf2.htm Side 1 af 1 Vandføringsmåling 2 Vandføringsmåling 2 er foretaget umiddelbart efter fisketrappen, inden åen løber under jorden og bliver rørlagt. Her er der fundet en vandføring på 0,48 m 3 /s.

12 Modellering af vandtransport file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\vandtransport\modellering_af_vandtransport\modellering_a... Side 1 af 1 Modellering af vandtransport Der er til beskrivelse af strømningsforholdene i Østerå opsat en model i MIKE 11's hydrodynamiske modul. Modellen er opsat efter vanddybder og vandføring bestemt af projektgruppen samt oplysninger om tværsnit fra Nordjyllands Amt. De målte vanddybder er omregnet til vandspejlskoter ud fra amtets tværsnitsopmålinger. Tværsnitsopmålingerne danner rammen om den fysiske model af åen, mens vandføring og vandspejlskoterne er benyttet som randbetingelser og ved kalibrering af strømningsmodellen. Der er som randbetingelser brugt en fluxrandbetingelse for den øvre rand og en trykrandbetingelse for den nedre rand. Fluxrandbetingelsen er sat som et konstant flow på 0,44 m 3 /s, og trykrandbetingelsen er sat til 2,5 m. Som udgangspunkt er der valgt et Manningtal på 20 m 1/3 /s, og der er efterfølgende i forbindelse med kalibrering af stoftransportmodellen fundet et Manningtal på 60 m 1/3 /s, som er benyttet i strømningsmodellen. Resultatet af strømningsmodellen i MIKE 11 er i nedenstående figur vist som et længdeprofil af vandspejlskoten. Figur 7 Resultat af strømningsmodel i MIKE 11 vist som længdeprofil af vandspejlskoten. Tabel 3 Målte og modellerede vandføringer. Vandspejlskote [m] Tværsnit Målt Model Afvigelse [%] 1 3,29 2,82 14,3 2 3,10 2,75 11,3 3 2,66 2,74-3,1 4 3,04 2,73 10,2 5 2,90 2,70 6,7 6 2,85 2,64 7,4 7 2,97 2,60 12,3 8 2,83 2,60 8,2 9 2,83 2,59 8,7 10 2,85 2,57 9,8 11 2,80 2,56 8,5 12 2,48 2,48 0,0 Resultatet af strømningsmodellen er vurderet ved sammenligning af de målte vandspejlskoter i forhold til de beregnede vandspejlskoter i MIKE 11. Der ses en afvigelse mellem den målte vandspejlskote og den beregnede. Her vil en sænkning af Manningtallet kunne øge vandspejlet, hvilket ikke er umuligt, da der er benyttet et Manningtal, der er stort i forhold til realistiske værdier for et vandløb. Dette er fundet ved kalibrering af stoftransportmodelleringen, hvor der er overensstemmelse mellem målt og modelleret stoftransport. Det vælges derfor, at acceptere afvigelserne mellem målte og modellerede vandstande, og dermed i de videre modelleringer anvende den her opsatte hydrodynamiske model.

13 Stoftransport file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\stoftransport\stoftransport.htm Side 1 af 2 Stoftransport For at kunne modellere iltsvind ved et udslip af f.eks. spildevand er det nødvendigt at klarlægge, hvordan stof bliver transporteret i vandløbet. Transport og spredning af stof i et vandløb kan beskrives på flere måder. Den simpleste er at antage, at kun konvektiv transport er af betydning, men ofte kan spredningen ikke negligeres. Den mest almindeligt anvendte model er den endimensionale transport/dispersions model for ikke-stationær strømning, hvor transport/dispersionsligningen benyttes [Vestergaard, 1989]. Transport/dispersionsligningen er baseret på kontinuitetsligningen for stof. Denne er opsat for et lille element af en strømning med længden dx over et lille tidsrum dt. Der er taget udgangspunkt i følgende figur. m F V C F + (δf/δx) dx dx Den generelle kontinuitetsligning opskrives som: [Vestergaard, 1989] Magasinering = stof ind - stof ud + kilde hvor V er volumenet [m 3 ] C er koncentrationen af stof [g/m 3 ] dt er tidsskridtet [s] dx er længden af elementet [m] F er fluksen af stof gennem tværsnitsarealet [g/s] m er kildeledet [g/m s] Ovenstående reduceres til: [Vestergaard, 1989] I transport/dispersions modellen antages, at transporten (Fluksen, F) gennem et tværsnit kan beskrives ved konvektion og en Fick's diffusion. En fordeling af stof vil på denne måde blive transporteret med strømmen ved konvektiv transport med den gennemsnitlige strømhastighed, mens spredningen vil ændres som følge af diffusionsledet. Fluksen gennem en overflade udtrykkes som: [Vestergaard, 1989] Indsættes dette i kontinuitetsligningen fås: [Vestergaard, 1989] Denne ligning er kendt som den endimensionale transport/dispersionsligning. Stoftransporten er i dette projekt modelleret i DHI's programpakke MIKE 11. Her er det hydro-dynamiske modul anvendt til en beskrivelse af de strømningsmæssige forhold, og advektion-dispersionsmodulet er efterfølgende benyttet til beskrivelse af stoftransport og spredning, hvor den endimensionale Transport/Dispersionsligning løses. Dette er sket numerisk ved et implicit finitedifferens løsningsskema.

14 Stoftransport file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\stoftransport\stoftransport.htm Side 2 af 2 Stoftransportmodulet i MIKE 11 opsat for en delstrækning af Østerå, er sket med udgangspunkt i et sporstofforsøg udført af projektgruppen, hvor der blev udledt rhodamin i et punkt i åen og efterfølgende målt på sporstoffets udbredelse ca. en km nedstrøms udledningspunktet. Den modellerede stoftransport er kalibreret efter den målte stoftransport vha. dispersionskoefficienten D x.

15 Sporstofforsøg file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\sporstofforsog\sporstofforsog.htm Side 1 af 2 Sporstofforsøg D. 9. september 2004 blev der af projektgruppen udført sporstofforsøg på en delstrækning af Østerå, med henblik på at bestemme den longitudinale dispersion. Som sporstof blev der anvendt rhodamin. Forsøget blev udført som en momentan udledning, hvor der i punkt S1 midt i åens tværsnit blev udledt rhodamin opblandet i vand. Figur 8 Fortynding af sporstoffet rhodamin i vand, med efterfølgende udledning i Østerå. Efterfølgende blev mængden af farvestof registreret ca. en km nedstrøms udledningsstedet, punkt S2, vha. en fluorescensmåler og en logger. Fluorescensmåleren blev sænket ned, så ca. halvdelen var under vandoverfladen. Måleren registrerer spændingsforskellene, som skabes af det lys, som reflekteres af partiklerne i vandet. Fluorescensmåleren var tilkoblet en logger, som loggede data hvert sekund (Rådata). Figur 9 Måleudstyr samt opstilling af flourescensmåler. Inden stoffanen nåede punktet, hvor fluorescensmåleren var opsat, blev baggrundsspændingen registreret, så denne kan subtraheres de registrerede spændingsforskelle ved beregning af den logitudinale dispersion. I nedenstående figur er resultatet af sporstofforsøget vist, ved optegning af de målte spændinger som funktion af tiden. Figur 10 Grafisk afbildning af måledata som funktion af tiden. Forsøget blev stoppet før hele stofmængden havde passeret målestedet, pga. problemer med loggeren, hvilket er kommet til udtryk ved, at slutværdierne ikke har samme niveau som startværdierne. På grund af dette er "halen" i enden af forsøget, som viser dispersionen, ikke vist på figuren. Denne "hale" er dog forsøgt efterlignet ved behandling af måledataene vha. en eksponentiel forlængelse.

16 Sporstofforsøg file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\sporstofforsog\sporstofforsog.htm Side 2 af 2 Figur 11 Grafisk afbildning af måledata som funktion af tiden inkl. eksponentiel forlængelse. Rådata

17 Stofkort file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\sporstofforsog\stofkort.htm Side 1 af 1 Figur 12 Kort over Østerå, hvor sporstoffet er udledt i punkt S1 og registreret i punkt S2.

18 Bestemmelse af masse og tyngdepunkt file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\massebestemmelse\massebestemmelse.htm Side 1 af 1 Bestemmelse af masse og tyngdepunkt Der er udført sporstofforsøg for at bestemme den longitudinale dispersion. Forsøget blev udført den 9.september 2004 for en delstrækning af Østerå. Den longitudinale dispersion er fundet ved brug af stoftransportmodelleringsmodulet i MIKE 11. Målingerne, der er registreret i volt, er optegnet som funktion af tiden. Da forsøget ikke er registreret i sin fulde udstrækning, er kurven forlænget ved en eksponentiel funktion, til værdierne har samme niveau som baggrundskoncentrationen. Baggrundskoncentrationen er målt før forsøgets start. Ved indførelse af sporstofforsøget i MIKE 11 modellen er det nødvendigt at have et mål for den stofmængde, der blev udledt i åen ved forsøget, så samme mængde kan indføres i modellen. De målte værdier er omregnet til en koncentration ved at antage, at toppen af kurven, som forekommer ved afbildning af de registrerede værdier som funktion af tiden, er 100 mg/l. Massen af stof er bestemt ved numerisk integration: Figur 13 Målt koncentration. De målte værdier er relative og skal ses i forhold til en værdi på 100 mg/l. hvor 4688 ( ) ( ) ( ) Ci Q C0 + Ci+ 1 Q C0 i= 1 M = ti+ 1 t 2 M er massen [g] C i er koncentrationen til tiden i [g] C i+1 er koncentrationen til tiden i+1 [g/l] C 0 er baggrundskoncentrationen [g/l] Q er vandføringen t er tiden [s] i Der er fundet en masse på 30,9 kg, der indføres som en punktkilde i modellen. Tyngdepunktet for massen, µ m, er bestemt ud fra koncentrationerne: hvor µ m er tyngdepunktet i [g/l] M er massen i [g] Herefter er tyngdepunktet for tiden, µ t, fundet ud fra massen og tiden fra farvestoffet blev udledt til stoffanen befandt sig ved målestedet. (excelberegning) Tyngdepunktet er beregnet til 1,17 timer.

19 Kalibrering file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\kalibrering_af_stoftransport\kalibrering_af_st... Side 1 af 2 Kalibrering Modellen opsat i MIKE 11 til beskrivelse af stoftransport er kalibreret til resultatet af sporstofforsøget, som blev udført af projektgruppen. Ved kalibreringen er der som udgangspunkt ændret på dispersionen. Efterfølgende blev det nødvendigt at justere Manningtallet for at få den konvektive transport af stoffet til at stemme overens med det målte. Der er i kalibreringen indført en stofmængde i MIKE 11 svarende til den mængde, der blev målt ved sporstofforsøget (Massebestemmelse). Dispersionen og Manningtallet er justeret, så koncentrationerne af sporstof i åvandet beregnet i MIKE 11 stemmer overens med koncentrationerne af sporstof i åvandet målt under forsøget. Koncentrationerne er optegnet som funktion af tiden, og ved kalibreringen er grafen fra MIKE 11 tilpasset grafen fra de målte værdier. For at udglatte grafen fra de målte data, er dataene optegnet som et glidende gennemsnit. Figur 15 Midlede måledata optegnet som funktion af tiden. Ved ændring af Manningtallet forskydes kurven i x-aksens retning. Når Manningtallet øges, forskydes kurven mod venstre, og når Manningtallet reduceres, forskydes kurven mod højre. Dette skyldes, at når Manningtallet øges, reduceres modstanden i åen. Når modstanden i åen reduceres, bliver vandhastigheden større, hvormed sporstoffet når hurtigere frem til målepunktet. Når Manningtallet ændres, påvirker dette vanddybderne, da større Manningtal, og dermed strømhastighed, er ensbetydende med lavere vanddybder. Det er derfor efter justering af manningtallet kontrolleret, at vanddybderne stadig stemmer overens med det der er målt. Figur 16 Grafisk afbildning af måledata samt resultater fra MIKE 11 ved et Manningtal på hhv. 27 og 60. Det ses, at når Manningtallet øges, forskydes kurven mod venstre. Ændring af dispersionskoefficienten påvirker kurvens bredde. Når dispersionskoefficienten øges, bliver kurven bredere, og når dispersionskoefficienten reduceres, bliver kurven mere spids. Dette skyldes dispersionens indflydelse på stoffets udbredelse. Når dispersionskoefficienten er høj, sker der en større spredning, og dermed bliver mængden af stof fordelt over længere tid.

20 Kalibrering file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\stoftransport\kalibrering_af_stoftransport\kalibrering_af_st... Side 2 af 2 Figur 17 Grafisk afbildning af måledata samt resultater fra MIKE 11 ved en dispersionskoefficient på hhv. 1,8 og 3,8. Det ses, at når dispersionskoefficient reduceres, bliver grafen mere spids. Der er således justeret på Manningtallet og dispersionskoefficienten indtil de to kurver er sammenfaldende, hvormed resultatat af kalibreringsprocessen er fremkommet. Resultat Rådata

21 Iltforhold file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\iltforhold\iltforhold.htm Side 1 af 1 Iltforhold Frit ilt i et vandløb har stor betydning for dyrs og planters respiration. Gode iltforhold i et vandløb er derfor en forudsætning for et alsidigt dyre- og planteliv. Desuden vil lave iltkoncentrationer/anaerobe forhold medføre, at stoffer som H 2 S og NH 3 ikke oxideres, og derved skaber en giftvirkning i vandløbet. Iltforholdene er således en central del af vandløbs- og vandkvaliteten. [Hvitved- Jacobsen,1979] Det er derfor ønskeligt at kunne modellere iltforholdene på den betragtede vandløbsstrækning. Formålet er at være i stand til at vurdere effekterne på iltkoncentrationerne af menneskelige påvirkninger. Det kan være i forbindelse med overløb af urenset spildevand fra et renseanlæg i forbindelse med en ekstrem regnehændelse. Kendskabet til, hvordan det vil påvirke den naturlige iltbalance i vandløbet, kan være en del af en vurdering af, om det er en acceptabel påvirkning i forhold til målsætningerne for vandløbet. Med udgangspunkt i den naturlige iltbalance i vandløbet samt de udførte døgnmålinger af iltkoncentrationen, er der bestemt værdier for iltproduktion, respiration og geniltning. Disse er benyttet som startværdier i kalibreringsprocessen ved modellering af iltforholdene. Til modellering af iltforholdene, er der gjort brug af ECO lab modulet, hvor der er taget udgangspunkt i en opsætning svarende til den simpleste vandkvalitetsmodellering på niveau 1, dvs. at den kun indeholder en iltbalance bestående af produktion, respiration og geniltning samt nedbrydning af BOD. Modellen er sat op med udgangspunkt i døgnmålingerne af iltkoncentrationen i fem stationer på den valgte vandløbsstrækning.

22 Iltvariation file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\iltvariation\iltvariation.htm Side 1 af 1 Iltvariation Ændringer i vandløbets iltkoncentrationen over tiden skyldes ilttilførsel ved planternes fotosyntese, mens ilttab skyldes forbrug ved respiration af alle organismerne (bakterier, planter og dyr). Derudover vil der ske en tilførsel af ilt fra luften, hvis vandet er undermættet, mens der vil ske en fraførsel fra vandet til luften, hvis vandet er overmættet. Ændringer i vandløbets iltkoncentration over korte tidsrum er således bestemt af balancen mellem planternes fotosyntese, organismernes respiration og genluftningen med atmosfæren [Sand-Jensen, 2000]. Genluftningen øges med turbulensen i vandet, og vil derfor stige med øget gennemsnitlig strømhastighed og øget fald af vandspejlet. Da udvekslingen af ilt kun foregår over overfladen, mens ilten skal fordeles til hele vandsøjlen, vil genluftningen falde med med øget middelvanddybde. På strækninger med lav vandstand og stor strømhastighed vil iltkoncentrationen derfor variere tæt omkring ligevægtskoncentrationen. På strækninger med lille strømhastighed og dybder fra 0,3 til 1 m vil iltkoncentrationen derimod kunne svinge meget over døgnet [Sand-Jensen, 2000]. Iltkoncentrationen varierer over døgnet, da fotosyntesen producerer overskud af ilt i forhold til forbruget ved respiration, mens respirationen forbruger ilt i mørke. Iltkoncentrationen stiger først på dagen og når normalt et maksimum om eftermiddagen. Minimumsværdien ses normalt sidst på natten [Sand-Jensen, 2000]. Figur 18 Variation i iltkoncentrationen i et vandløb over døgnet. I alle danske vandløb vil organismernes samlede årlige respiration overstige planternes årlige fotosyntese. Dette skyldes, at alle vandløb naturligt modtager meget organisk stof fra oplandet med tilløbene samt tilledning af spildevand. En stor del af dette organiske materiale omsættes under forbrug af ilt [Sand-Jensen, 2000].

23 Iltmåling file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\iltmaaling\iltmaaling.htm Side 1 af 1 Iltmåling D. 7. og 8. september 2004 blev der af projektgruppen udført døgnmåling af iltkoncentrationen for en delstrækning af Østerå, med henblik på at opstille en overordnet iltbalance for åen. Forsøget strakte sig fra d. 7. september kl til d. 8. september kl Der blev målt iltkoncentration i åvandet på fem lokaliteter, punkt et til fem, og iltkoncentration i luften et sted, punkt et. Til forsøget blev der benyttet en iltmåler, som blev nedsænket i åen og tilkoblet en logger. Der blev målt iltkoncentration i hvert målepunkt med et interval på 75 min. Der ses i alle stationer en variation som følger den typiske variation i iltkoncentrationen. Som det ses af nedenstående figur, stiger iltkoncentrationen i løbet af dagen, og når et maksimum i løbet af eftermiddagen. Figur 19 Variation af iltkoncentrationen målt over et døgn i de fem stationer i Østerå. Foruden variationen over døgnet, er der også en variation i stedet. Opstrøms i systemet, i selve ådalen, når koncentrationerne et højere maksimum niveau og et lavere minimumsniveau end nedstrøms i systemet. For en vandløbsstrækning med stationære og ensformige forhold, vil der ikke være nogen variation i stedet. Grunden til, at det er tilfældet her, kan være, at der sker en større respiration i den nederste del af systemet, da der her er observeret en større mængde sedimenteret organisk materiale på bunden. Rådata

24 Iltbalance file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\iltbalance\iltbalance.htm Side 1 af 1 Iltbalance i vandløb I en betragtning af iltforholdene er der taget udgangspunkt i den generelle iltbalance. I forenklet form kan denne beskrives som en sum af ilttilførende og iltforbrugende processer. De vigtigste ilttilførende processer er produktion ved fortosyntesen og tilførsel fra atmosfæren i form af geniltning. De vigtigste iltforbrugende processer er respiration ved mikrobiel omsætning af organiske stoffer og kemisk og mikrobiel oxidation af reducerede uorganiske stoffer. Massebalanceligningen for en vandløbsstrækning kan formuleres i form af transport-dispersionsligningen [Vestergaard, 1989]: hvor C er iltkoncentrationen [mg/l] t er tiden [s] V er middelstrømhastigheden [m/s] x er stedet [m] D er den longitudinale dispersionskoefficient [m 2 /s] S kilde/dræn led [mg/l] Negligeres den længdemæssige opblanding, dvs. D=0 og antages stationær og ensformig strømning, dvs. dx/dt=v, kan transportdispersionsligningen skrives som [Thyssen, 1980]: hvor G er geniltningen [mg O 2 /l/s] P er iltproduktion ved fotosyntesen [mg O 2 /l/s] R er totalrespiration [mg O 2 /l/s] Her er den tidslige variation i iltkoncentrationen beskrevet som summen af kilde/dræn ledene bestående af geniltning, iltproduktion og respiration. Der er i arbejdet med iltforholdene i den valgte vandløbsstrækning i Østerå fokuseret på to delmål. Med udgangspunkt i døgnmålingen af iltvariationen i Østerå er de enkelte led i iltbalancen kvantificeret for denne periode. Derigennem er der også fundet værdier for de parametre, som indgår i beskrivelsen af respiration og geniltning ved modellering af iltforholdene. Dette er en del af delmål nummer to, hvor iltforholdene modelleres ved brug af DHIs programpakke MIKE 11, med henblik på en beskrivelse af konsekvenserne ved udledning af vand med et højt indhold af organisk materiale, eksempelvis ved udløb af urenset spildevand fra et renseanlæg.

25 Kvantificering af respiration file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\kvantificering_af_respiration\kvantificering_af_r... Side 1 af 1 Kvantificering af respiration Respiration er processen, hvor der udvindes energi af organisk stof under forbrug af ilt. De fleste levende væsner bruger respiration til at udvinde energi af organisk stof. Det er gældende for både de autotrofe grønne planter og de heterotrofe planteæder og rovdyr. På trods af at metoden er effektiv til at udvinde energi af fødemidler, er der et stort varmetab undervejs. Respirationen foregår efter følgende reaktion: Når der i det følgende nævnes respiration, betegner det en totalrespiration, der dækker over respirationen af biomassen, især plantevegetationen, men også bundens iltforbrug samt det iltforbrug der forekommer ved nedbrydningen af det døde organiske stof i systemet. Respirationen er bestemt ud fra målinger af døgnvariationen i iltkoncentrationen, ved anvendelse af Twin-curve metoden beskrevet i Hvitved-Jacobsen, Metoden tager udgangspunkt i målingerne af variationen i iltkoncentrationen over døgnet i to tværsnit, hvorudfra der opstilles en massebalance for det opløste ilt. Figur 21 Variation i iltkoncentrationen målt i station 5 over 24 timer. Metoden til bestemmelse af respiration tager udgangspunkt i variationen i to stationer. Respirationen er bestemt ved følgende udtryk [Hvitved-Jacobsen, 1979]: hvor R(20) er totalrespirationen ved 20 C [mg O 2 /l/h] k er temperaturkoefficienten for respiration ved 20 C [-] θ er temperaturen [ C] Her er totalrespirationen ved 20 C, R(20), fundet ved Twin-curve metoden, og denne værdi indgår også i forbindelse med modellering af iltforholdene i MIKE 11. Respirationen er temperaturafhængig, hvilket også ses af udtrykket, men da temperaturvariationen ikke er kendt for måleperioden, antages en døgnmiddeltemperatur på 12 C. Det betyder, at døgnmiddel respirationen er fundet, hvorimod respirationens variation over døgnet ikke er bestemt. Ud fra de målte koncentrationer over 24 timer, er der således bestemt en total døgnmiddel respiration på 21,6 mg O 2 /l/d. Antages en middelvanddybde på 0,45 m, findes respirationen pr. arealenhed til 9,7 g O 2 /m 2 /d. Sammenlignes resultatet med niveauer for totalrespiration bestemt tidligere, findes i Hvitved-Jacobsen, 1979 hyppigheder for totalrespiration ved 20 C. Her ses de største hyppigheder, at ligge mellem 0 og 20 g O 2 /m 2 /d. Beregnes respirationen fundet i Østerå ved en temperatur på 20 C, fås 16,72 O 2 /m 2 /d, hvilket ses at være i intervallet, hvor de største hyppigheder optræder. Resultaterne kan anvendes til en direkte vurdering af respirationsprocessen, mens den i dette tilfælde benyttes som udgangspunkt i kalibreringen af en MIKE 11 model til modellering af iltforholdene i Østerå. Dokumentation for beregningerne kan ses i Twin-curve beregningseksempel.

26 Kvantificering af geniltning file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\kvantificering_af_geniltning\kvantificering_af_g... Side 1 af 2 Kvantificering af geniltning Geniltningen beskriver den proces, hvor vandfasen tilføres ilt fra atmosfæren, eller der afgives ilt fra vandfasen til atmosfæren. Når iltkoncentrationen i vandet er lavere end mætningskoncentrationen, hvilket er tilfældet i løbet af natten, hvor der bliver forbrugt ilt ved respirationen, sker der en diffusion af ilt fra atmosfæren til vandet. Denne transport mellem de to faser bliver forøget i tilfælde af turbulens i vandet, eksempelvis ved fisketrappen og overløbet ved Gl. Kærs mølle, idet der skabes større overfladekontakt mellem vandet og atmosfæren. Ved en iltkoncentration i vandet der er højere end mætningskoncentrationen, vil der ske en diffusion af ilt fra vandet til atmosfæren. Dette kan være tilfældet i løbet af dagen, især i sommerhalvåret, hvor lysindstrålingen er stor, og vandet kan blive overmættet med ilt. Denne afluftning kan ligeledes forøges ved kraftig turbulens. Geniltningen er bestemt ud fra målinger af døgnvariationen i iltkoncentrationen, ved anvendelse af Twin-curve metoden beskrevet i Hvitved-Jacobsen,1979. Metoden tager udgangspunkt i målingerne af variationen i iltkoncentrationen over døgnet i to tværsnit, hvorudfra der opstilles en massebalance for det opløste ilt. Figur 22 Variation i iltkoncentrationen målt i station 5 over 24 timer. Metoden til bestemmelse af geniltning tager udgangspunkt i variationen i to stationer. Geniltningen er bestemt ved følgende udtryk [Hvitved-Jacobsen, 1979]: hvor K 2 (20) er geniltningskonstanten ved 20 C [h -1 ] j er temperaturkoefficient for geniltning [-] C m er ilts mætningskoncentration i vand [mg/l] C i er iltkoncentrationen i vand [mg/l] Her er geniltningskonstanten ved 20 C, K 2 (20), fundet ved Twin-curve metoden, og denne værdi indgår ligeledes i modelleringen af iltforholdene i MIKE 11. Også geniltningen er temperaturafhængig, både i form af temperaturkoefficienten og mætningskoncentrationen for ilt. Der er også her fundet en døgnmiddelværdi for respirationen under antagelse af en middeltemperatur på 12 C. Ud fra de målte koncentrationer over 24 timer, er der bestemt en geniltningskonstant på K 2 = 6,16 d -1 Døgnmiddelværdien for geniltningen i de fem stationer, hvor iltkoncentrationen blev målt over 24 timer, er fundet som vist i tabellen. Tabel 5 Døgnmiddelværdien for geniltningen i de fem stationer, hvor iltkoncentrationen blev målt. Ådalen (5) Over Kæret (4) Ny Kærvej (3) Fisketrappe start (2) Fisketrappe slut (1) Geniltning [mg O 2 /l/d] 4,57 6,39 5,62 5,90 6,80 Her ses, at den største middel geniltning over døgnet finder sted nedstrøms fisketrappen ved Gl. Kjærs mølle. Dette kan også forventes, som følge af den turbulens der skabes, når vandet passerer fisketrappen og overløbet ved siden af denne.

27 Kvantificering af geniltning file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\kvantificering_af_geniltning\kvantificering_af_g... Side 2 af 2 Figur 23 Fisketrappen og overløbet ved Gl. Kjærs mølle, hvor der opstår turbulens med geniltning og afluftning til følge. Optegnes den målte iltkoncentration i station 1, umiddelbart nedstrøms fisketrappen, ses en mindre stigning i løbet af natten. Figur 24 Variation i iltkoncentrationen efter solnedgang, målt i station 1 placeret umiddelbart efter fisketrappen. Her ses en lille stigning i koncentrationen som følge af geniltning. Dog er geniltningen nedstrøms fisketrappen ikke væsentlig større end i de øvrige stationer, hvilket kan skyldes, at der sker en afluftning af ilten i vandet når koncentrationen er tæt på eller over mætning. Resultaterne kan anvendes til en direkte vurdering af geniltningssprocessen, mens den i dette tilfælde benyttes som udgangspunkt i kalibreringen af en MIKE 11 model til modellering af iltforholdene i Østerå. Dokumentation for beregningerne kan ses i Twin-curve beregningseksempel.

28 Ilts mætningskoncentration file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\ilts_matningskoncentration\ilts_matningskoncent... Side 1 af 2 Ilts mætningskoncentration i vand Ifølge fysisk/kemiske love afhænger en gasarts opløselighed, og dermed mætningskoncentrationen i vand, af gassens egenskaber, dens partialtryk over væsken samt væskens temperatur. I dette tilfælde beregnes ilts mætningskoncentration i vand ifølge Henrys lov benyttes til bestemmelse af den opløste gas' molbrøk, x i, ved ligevægt: hvor p i,h er gassens partialtryk i højden h [Pa] H i er Henry's konstant for ilt [Pa l/mg] Da barometertrykket falder med højden, skal partialtrykket fundet ved 1 atm. korrigeres: hvor h er højden over havet [m] Henrys konstant for ilt er temperaturafhængig som vist i nedestående tabel: Tabel 6 Henrys konstant. [ Temperatur Henrys konstant [ C] 0 2, , , , , , ,29 En lineær sammenhæng mellem temperaturen og Henrys konstant giver: Figur 25 Lineær sammenhæng mellem temperatur og Henrys konstant for ilt. Koncentrationen af opløst gas i mol/l findes som: hvor n H2O er molærkoncentrationen af vand=55,56 mol/l Omregning fra mol/l til mg/l sker som:

29 Ilts mætningskoncentration file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\ilts_matningskoncentration\ilts_matningskoncent... Side 2 af 2

30 Kvantificering af produktion Side 1 af 1 file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\kvantificering_af_produktion\kvantificering_af_p... Kvantificering af produktion Produktionen af ilt sker ved fotosyntesen, som er en biokemisk proces, hvor sollysets energi bliver omdannet til kemisk energi i planter, alger og i visse bakterier. Stoffet klorofyl omdanner i planterne især lysets røde og blå bølgelængder af lyset til energi. Denne kemiske energi anvendes i forbindelse med omdannelse af vand og kuldioxid til glukose og ilt efter følgende reaktion: De foto-autotrofe organismer, der om natten forbruger ilt ved respirationen, omdanner i dagtimerne ved fotosyntesen solens lys til organisk stof i form af planter. Dette sker under forbrug af kuldioxid og produktion af ilt. Når respirationen og geniltningen er kendt, kan iltproduktionen bestemmes, med udgangspunkt i Twin-curve metoden, som er beskrevet i Hvitved-Jacobsen,1979, hvor der tages udgangspunkt i variationen i iltkoncentrationer over døgnet i to tværsnit, hvorudfra der opstilles en massebalance for det opløste ilt. Figur 26 Variation i iltkoncentrationen målt i station 5 over 24 timer. Metoden til bestemmelse af produktion, respiration og geniltning tager udgangspunkt i variationen i to stationer. Produktionen er bestemt ved følgende udtryk [Hvitved-Jacobsen, 1979]: hvor B R(20) k K 2 (20) j C m C i er hvirvelviskositeten [m 2 /s] er længdeskalaen for de turbulente hvirvler [-] er den tidsligt glattede turbulente kinetiske energi [m 2 /s 2 ] er geniltningskonstanten ved 20 C [h -1 ] er temperaturkoefficienten for geniltning er ilts mætningskoncentration i vand [mg/l] er iltkoncentrationen i punkt i Resultatet ses i nedenstående tabel. Tabel 7 Døgnmiddelproduktionen for de fem stationer, hvor iltkoncentrationen blev målt. Ådalen (5) Over Kæret (4) Ny Kærvej (3) Fisketrappen start (2) Fisketrappen slut (1) Iltproduktion [mg O 2 /l/d] 17,44 15,56 16,27 16,02 15,10 Her er den største produktion fundet i målestationen placeret længst opstrøms i ådalen. Resultaterne er i dette tilfælde benyttes som udgangspunkt i kalibreringen af en MIKE 11 model til modellering af iltforholdene. Dokumentation for beregningerne kan ses i Twin-curve beregningseksempel.

31 Twin-curve metoden file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\twin_curve_metoden\twin_curve_metoden.htm Side 1 af 2 Twin-curve metoden Metoden til bestemmelse af produktion, respiration og geniltning tager udgangspunkt i en døgnmåling af iltkoncentrationen i to tværsnit [Hvitved-Jacobsen,1979]. Selve beregningen ud fra disse målinger er baseret på en massebalance for det opløste ilt. Der er en række forudsætninger for metodens anvendelse: Vandløbets hydrauliske parametre må være tilnærmelsesvis konstante på strækningen mellem de to tværsnit. Ingen eller kun ringe variation i vandføringen. Kun ringe vandudveksling med grundvandet. Kun ringe longitudinal dispersion. Der vælges en vandløbssektion med en udstrækning på 1-2 km. Opstrømstationen er benævnt station A, og nedstrømsstationen er benævnt station B. Middelopholdstiden mellem station A og B findes som: hvor T er middelopholdstiden [s] e er afstanden mellem station A og B [m] V er middelvandhastigheden [m/s] For den valgte strækning fås en massebalance: hvor B er koncentrationsændringen pr. tidsenhed [mgo 2 /l/h] C er forskellen i iltkoncentrationen i station A og B [mgo 2 /l] C B er iltkoncentrationen i station B [mg/l] C A er iltkoncentrationen i station A [mg/l] P er bruttoproduktionen [mgo 2 /l/h] G er iltudvekslingen med atmosfæren [mgo 2 /l/h] R er den totale respiration [mgo 2 /l/h] En forudsætning for metodens anvendelse er her, at koncentrationen C B er målt tiden T efter koncentrationen C A er målt. Det betyder, at C afspejler den ændring i iltkoncentrationen, som en og samme mængde recipientvand har været udsat for. Det antages, at variationen i temperatur, θ, og iltkoncentration, C, er lineær mellem station A og B, således at følgende middelværdier kan benyttes: Både respiration og geniltning er temperaturafhængig, og geniltningen er proportional med iltunderskudet i vandet. Respiration og geniltning udtrykkes ved følgende udtryk: hvor R(20) er totalrespirationen ved 20 C [mg O 2 /l/h] K 2 (20) er geniltningskonstanten ved 20 C [h -1 ] k er temperaturkoefficienten for respiration ved 20 C [-] j er temperaturkoefficienten for geniltning [-] C m er ilts mætningskoncentration i vand [mg/l] Ilts mætningskoncentration i vand, C m, er beregnet, idet denne er varierende med temperatur og barometertryk. Ifølge den opstillede massebalance fås:

32 Twin-curve metoden file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\twin_curve_metoden\twin_curve_metoden.htm Side 2 af 2 Hvis tiden t i = t A,i + ½T, fås ved indsættelse af udtrykkene for respiration og geniltning i massebalancen: Her er det nødvendigt at bestemme værdierne af R(20) og K 2 (20) før respirationen og geniltningen, og dermed produktionen kan findes. Der vælges derfor to tidspunkter, der er beliggende efter solnedgang og før solopgang, dvs. P=0. Der fås således to ligninger til at bestemme de to ubekendte R(20) og K 2 (20): Med de her fundne værdier for R(20) og K 2 (20), kan døgnrespirationen, R, og døgnbruttoproduktionen, P, bestemmes som: Twin-curve beregningseksempel

33 Twin-curve beregningseksempel file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\twin-curve_beregningseksempel\twin-curve_be... Side 1 af 1 Twin-curve beregningseksempel Beregningsgangen er som anført i Twin-curve metoden. I dette tilfælde er der gennemført en dobbeltbestemmelse, dvs. der er udvalgt to vandløbsstrækninger, som tilsammen strækker sig over hele den betragtede strækning i Østerå. Disse er strækningerne fra hhv. punkt 2 til 4 og 3 til 5. (Oversigtskort) Opstrømstationen på hver strækning, dvs. punkt 4 og 5, benævnes station A og nedstrømsstationen, dvs. punkt 2 og 3, benævnes station B. Det følgende beregningseksempel er for strækningen fra punkt 3 til 5, dvs. fra Ny Kærvej til Ådalen. Middelopholdstiden mellem station A og B findes som: Tabel 8 Data for den valgte strækning. Enhed Værdi Afstand Ådalen - Ny Kærvej e m 1700 Tværsnitsareal A m Vandføring Q m 3 /s 0.45 Strømhastighed v m/s 0.13 En forudsætning for metoden er, at der er målt koncentrationer i de to stationer med tiden T imellem. Fra datasættet med målinger af iltkoncentrationen over 24 timer, vælges to tidspunkter med fire timers mellemrum. Der anvendes således følgende data: Tabel 9 Måledata for den valgte strækning. Tid α Koncentration α Tid β Koncentration β [h] [mg O 2 /l] [h] [mg O 2 /l] Station A 22:30 13,24 00:00 12,30 Station B 02:30 9,89 04:00 9,64 Ud fra dette er følgende beregnet: Følgende massebalance er opsat: Med udgangspunkt i den opsatte massebalance, er følgende fundet: R(20)=1,71 mg O 2 /l/h og K 2 (20)=0,39 h -1. Herefter kan totalrespirationen og geniltningen over døgnet findes: Beregningseksemplet er for strækningen Ny Kærvej til Ådalen. Der er dog udvalgt to delstrækninger, og det endelige resultat findes som en middelværdi af resultaterne for de to delstrækninger. Excel-beregning

34 Modellering af iltforhold file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\modellering_af_iltforhold\modellering_af_iltforh... Side 1 af 2 Modellering af iltforhold Den naturlige iltvariation over døgnet i vandløbet er modelleret med udgangspunkt i iltbalancen, hvor der er taget højde for produktion, respiration og geniltning. Modelleringen er sket gennem MIKE 11's ECO lab modul, hvor en simpel vandkvalitetsmodellering er gennemført. Denne tager udgangspunkt i iltbalancen, og tager således kun højde for den naturlige variation i iltkoncentrationen som følge af produktion, respiration og geniltning. Eco lab modulet er koblet til den hydrodynamiske model, som er opsat tidligere. Der er efter måling af iltkoncentrationen i åen fem tidsserier af iltvariationen til rådighed. Tidsserien målt længst opstrøms i systemet (station 5) anvendes som øvre randbetingelse, mens tidsserierne målt i station 3 og 1 anvendes til kalibrering. Station 4 og 2 benyttes ved validering af modellen. Som kalibreringsparametre er anvendt totalrespirationen ved 20 C, R(20), iltproduktion, P, og geniltningskonstanten, K 2. Nedenstående figur viser modellerede og målte iltkoncentrationer for kalibreringsstationerne 3 og 1 beregnet med den færdigkalibrerede model samt validering af modellen på station 4 og 2. [mu-g/m^3] Fisketrappe slut (1), Kalibrering [mu-g/m^3] Ny Kærvej (3), Kalibrering :00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 Figur 27 Resultat af kalibreringsprocessen. De røde cirkler angiver målte koncentrationer, mens linjen viser den simulerede variation. [mu-g/m^3] Fiskestrappe start (2), Validering [mu-g/m^3] Over Kæret (4), Validering :00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00: :00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 Figur 28 Resultat af validering. De røde cirkler angiver målte koncentrationer, mens linjen viser den simulerede variation. Ved kalibreringen er der målinger, som ikke er mulige at simulere. Det drejer sig især om maks. og min. værdierne. Ønskes disse simuleret ved Ny Kærvej, er der tendens til, at der simuleres for høje værdier ved fisketrappen. Den kalibrerede model giver derfor den løsning, der tilgodeser begge kalibreringsstationer bedst. Ved valideringen ses samme problem, hvor maks. og min. værdier ikke simuleres fuldstændigt. R 2 værdier for kalibrering og validering af modellen ses i nedenstående tabel. Tabel 10 R 2 værdier for kalibrering og validering af modellen. Station R 2 R 2 middel Fisketrappe slut (1) 0,856 Kalibrering 0,895 Ny Kærvej (3) 0,934 Validering Fisketrappe start (2) 0,881 0,860

35 Modellering af iltforhold file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\modellering_af_iltforhold\modellering_af_iltforh... Side 2 af 2 Over Kæret (4) 0,839 I nedenstående tabel ses værdierne af de enkelte kalibreringsparametre, som er indgået i kalibreringsprocessen. Der er angivet værdierne, som de er fundet i den færdigkalibreret MIKE 11 model, samt værdierne som blev bestemt ud fra iltmålingerne gennem Twin-curve metoden. Tabel 11 Parameterværdier fra kalibreret MIKE 11 model og værdier bestemt ved iltmålingerne. Parameter Enhed Værdi fra Værdi kalibreret MIKE 11 bestemt ved ilt måling model Total respiration v. 20 C R(20) mgo 2 /l/d 20 21,6 Iltproduktion ved fotosyntesen P mgo 2 /l/d 28 15,10-17,42 Geniltningskonstant K 2 d ,16 Det ses, at værdierne i den kalibrerede MIKE 11 model ligger tæt på værdierne bestemt gennem iltmålingerne ved Twin-curve metoden. Dog er iltproduktionen fundet højere i MIKE 11 modellen. Metoden til kvantificering af produktion, respiration og geniltning ud fra målinger af døgnvariationen i iltkoncentrationen har således vist sig at give realistiske resultater, og disse er derfor et godt udgangspunkt for kalibreringsprocessen. Modellen er med den beskrevne opsætning anvendt ved modellering og vurdering af udledning af vand med højt indhold af BOD i vandløbet. Dette kan ses i modellering af spildevandsudledning.

36 Kalibrering file://\\studserver\projekts\d00704e\hjemmeside\d007a\del1\iltforhold\kalibrering\kalibrering.htm Side 1 af 2 Kalibrering Modellen er sat op som en modellering af den naturlige iltvariation ved kun at tage hensyn til produktion, respiration og geniltning. Det er derfor også disse parametre, der indgår i kalibreringsprocessen. Værdier for produktionen, totalrespirationen ved 20 C, R(20), og geniltningskonstanten, K 2, ved 20 C er fundet ud fra iltmålingerne over 24 timer. Disse er anvendt som udgangspunkt for kalibreringen. Tabel 12 Parameterværdier bestemt ud fra iltmålingerne gennem Twin-curve metoden. Værdi Parameter Enhed bestemt ved ilt måling Total respiration v. 20 C R(20) mgo 2 /l/d 21,6 Iltproduktion v. fotosyntesen P mgo 2 /l/d 15,10-17,42 Geniltningskonstant K 2 d -1 6,16 Til kalibreringen er der anvendt værdierne målt i station 1 og 3. Ved anvendelse af disse værdier er der simuleret en iltvariation som vist på nedenstående figur. Det ses her, at der er en stor afvigelse mellem målte og simulerede maksimal koncentrationer, hvilket indikerer, at den maksimale produktion er for lille. [mu-g/m^3] Fisketrappe slut (1), Kalibrering 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 [mu-g/m^3] Ny Kærvej (3), Kalibrering 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 12:00:00 00:00:00 Figur 29 Simuleret iltvariation med værdier for produktion, respiration og geniltning fundet ved Twin-curve metoden. De røde cirkler angiver målte koncentrationer, mens linjen angiver den simulerede variation. Ved at øge værdien for produktionen, er det muligt, at simulere de maksimale værdier. Der er også foretaget en mindre justering af værdierne for respiration og geniltning. I nedenstående tabel ses værdierne for kalibreringsparametrene efter kalibreringen er gennemført. Tabel 13 Parameterværdier fra kalibreret MIKE 11 model og værdier bestemt ved iltmålingerne. Parameter Enhed Værdi Værdi kalibreret MIKE 11 bestemt ved ilt måling model Total respiration v. 20 C R(20) mgo 2 /l/d 20 21,6 Iltproduktion v. fotosyntesen P mgo 2 /l/d 28 15,10-17,42 Geniltningskonstant K 2 d ,16 I nedenstående figur er resultatet af kalibreringen vist. [mu-g/m^3] Fisketrappe slut (1), Kalibrering