Kvælstoffets vej til recipient erfaringer med kortlægning af retention

Transkript

1 Minihøring, 18. november 2014, Scandinavian Congress Center, Århus Kvælstoffets vej til recipient erfaringer med kortlægning af retention Baggrund Metodik Konklusion GEUS og Aarhus Universitet (DCE og DCA) Seniorforsker, Anker Lajer Højberg, GEUS AARHUS UNIVERSITET

2 Baggrund NST Modelstrategiprojekt Implementering af modeller til brug for Vandforvaltningen Modelværktøjer til brug for vandforvaltningen, herunder vandplanlægningen og vandmiljøovervågningen Delprojekt Oplandsmodel til belastning og virkemidler Modelværktøj til beregning af N-transport og omsætning fra Jord til Fjord og effekt af virkemidler Nye N-reduktionskort Grundvand Overfladevand Samlet reduktion fra jord til fjord

3 Baggrund Rammer Projekt start: sommer 2013 Model og reduktionskort skal anvendes i 2. generations vandplaner Udgangspunkt i eksisterende værktøjer, der kun i begrænset omfang kan nås at videreudvikles Skal etableres på nuværende viden, ingen nye undersøgelser eller dataindsamling Deltagere Naturstyrelsen NaturErhverstyrelsen Miljøstyrelsen GEUS Århus Universitet, DCE, DCA

4 Kvælstoffets transportveje og omsætning Målinger af kvælstoftransport i vandløb Omsætning af kvælstof er bestemt af de samlede processer hele vejen fra jordoverfladen til endelige recipient Kan ikke måles direkte

5 Reduktion af kvælstof Input Udvaskning fra rodzone Andre kilder Reduktion/retention Grundvand Overfladevand Observeret kvælstoftransport i vandløb

6 Eksisterende retentionskort Beregnet nitrat udvaskning fra rodzonen indenfor målt opland Kvælstoftransporter i vandløb Retentionsprocent: kkkkkkkkkkkkkkkkk BBBBBBBB uuuuuuuuuu 100 % Nuværende opgave Underinddele målte oplande Forbedre estimat i umålte oplande

7 Fra vandopland til ID15 Underinddeling af reduktion i ID15 oplande indenfor målt opland Mest simple antage samme reduktion overalt Homogen model

8 Fra vandopland til ID15 Men Udvaskning varierer Afgrøder/gødskning Jordbund nedbør Aarhus Universitet

9 Fra vandopland til ID15 Men Udvaskning varierer Afgrøder/gødskning Jordbund nedbør Reduktion i undergrund varierer Geologiske forhold Redox forhold Aarhus Universitet

10 Fra vandopland til ID15 Men Behov for en model der kan interpolere Udvaskning og ekstrapolere varierer i forhold Afgrøder/gødskning til målte data og hvor der indbygges Jordbund effekt af de naturgivne nedbør variationer der har betydning Reduktion for omsætning i undergrund af kvælstof varierer Geologiske forhold Redox forhold Reduktion i overfladevand varierer afhængigt af antal og type af Vandløb Søer opholdstid Vådområde

11 Overordnet tilgang Udvikling af national model Inkluderer rumlige variationer, der har betydning for N- omsætning Tidsvarierende forhold Input data N-omsætning Kalibrering af model mod målinger i vandløb Udvikle model til bedst mulig overensstemmelse mellem beregnede og simulerede værdier Anvende model og rumlig data til interpolation og ekstrapolation Indenfor vandoplande (til ID15 oplande) Beskrivelse af N-transport og omsætning i umålte oplande

12 Oplandsmodel til belastning og virkemidler N-udvaskning NLES, statistisk model til beregning af udvaskning fra dyrkede arealer Koblet til data for dyrkning og gødskning Udviklet på baggrund af registeret dyrkning og målinger af udvaskning Typetal for øvrige arealer

13 Oplandsmodel til belastning og virkemidler Transport og reduktion grundvand National vandressource model (DKmodel) til beregning af strømninger (partikelbaner) kombineret med redoxgrænse Etableret på baggrund af ca observationer

14 Oplandsmodel til belastning og virkemidler Andre kilder Rensningsanlæg Industri Regnvandsbetinget overløb Spredt bebyggelse Atmosfærisk deposition Organisk kvælstof

15 Oplandsmodel til belastning og virkemidler Transport og retention overflade vand Statistiske modeller udviklet på basis af review af international modeller og data fra overvågning

16 Oplandsmodel til belastning og virkemidler Oplandsmodel Kobling af modelberegninger på oplandsniveau i GIS

17 Beregning af kvælstoftransport Deloplande med middel areal på 1500 ha udgør beregningsenhederne i oplandsmodellen (ID15) Oplandstørrelse med observationer Tilført kvælstof Rodzone efter reduktion i grundvand Andre kilder Reduktion af kvælstof Vandløb, søer, vådområder Routing ned gennem systemet Reduktion af kvælstof ned gennem overfladevandssystem Ingen differentiering indenfor ID15 opland Middel størrelse 1500 ha (mindste skala for resultat)

18 Beregninger Input data etableret for perioden på ID15 niveau Beregning på månedsskridt For hver måned beregnes det samlede input og reduktion (klimaafhængigt) Model beregninger holdes op mod målinger ved kalibrering

19 Kalibreringsmetodik Der anvendes en national kalibrering Variationer i omsætning styres af de rumlige forskelle Betydning af de fysiske forhold (størrelsen af omsætningen) kalibreres nationalt Eksempel: RRd vvvvvvv = A KKKKKKKKKKKKKK(dddddddd, bbbbbb, oooooooooo) National kalibreringsparameter Nationale data (FOT vandløb) National kalibreringsparameter Bestemmes for kalibreringsopland Testes for valideringsoplande Kan overføres til umålte oplande og give samme præcision som fundet for valideringsoplande

20 Kalibrering/ validerings stationer 183 kalibreringsoplande ~ 50 små oplande (ID15 oplands skala eller mindre) 159 valideringsopland ~ 30 små oplande (ID15 oplands skala eller mindre) Ikke overlappende kalibrerings-/valideringsoplande

21 Input Udvaskning fra rodzone Andre kilder Kalibrering oplande Aarhus Universitet Nationale kalibreringsparametre sikre, at beregningerne kan overføres til umålte oplande og det er muligt at estimere usikkerheden på de umålte oplande Nationale kalibreringsparametre vil derimod ikke kunne fange regional/lokale variationer For målte oplande kan der foretages en lokal kalibrering Reduktion/retention Grundvand Overfladevand Observeret kvælstoftransport i vandløb Ensartet korrektion i alle ID15 oplande opstrøms målestation Kalibrering af reduktion Korrektion af reduktion Sikre overensstemmelse mellem målt og beregnet transport for perioden Målt: 10 Beregnet: 12 Overfladevandsreduktion 25 % 30 % 12 % 10 % 5 %

22 Samlet tilgang Aarhus Universitet NLES Database Input Udvaskning fra rodzone Andre kilder National kalibrering DK-model Reduktion i grundvand Strømningsveje Redoxgrænse Reduktion i overfladevand Vandløb Søer Vådområder Forbedring mulig? Ja Justering A*rumlig fordeling Vertikal placering af redoxgrænse Parametre for overfladevandsretention Observeret N-transport vandløb Regional kalibrering Nej Analyse af residualer Bias korrektion Korrektion til målinger Korrektion af umålte oplande Korrektion til målte oplande

23 Beregnet og målt udvikling i N- koncentrationer på landsplan

24 Eksempel på resultater Aarhus Universitet Vandføringer (mm) Oplandstab (kgn/ha) N-koncentrationer (mg/l)

25 Eksempel på resultater Aarhus Universitet Vandføringer (mm) Oplandstab (kgn/ha) N-koncentrationer (mg/l)

26 Reduktionskort FORELØBIG Eksempel Reduktionskort beregnes på basis af den samlede tilførte og reducerede mængde for perioden Afspejler en effektiv middel reduktion under nuværende forhold

27 Regner modellen rigtigt? Enhver tolkning af observationer sker på baggrund af en model Kan være simpel model i hovedet Ved komplekse systemer, med interaktion mellem forskellige processer, er der behov formaliserede beskrivelse af årsags virkning sammenhænge Model til retentionskortlægning bygger på den bedst tilgængelige viden og datagrundlag Internationalt review af koncept påpegede udfordringer, men ikke alternative løsninger i forhold til de anvendte Modeller er altid en forsimpling af naturen og vil derfor være behæftet med usikkerhed Men modeller giver mulighed for at kvantificere denne usikkerhed

28 Udfordringer Elementer der kan bidrage til usikkerhed Videnshuller (procesforståelse og beskrivelse heraf) Modelbeskrivelser Usikkerhed i observationer Heterogenitet, variationer i de naturlige forhold, der ikke er kendte Redoxgrænse N-udvaskning Geologi/strømning N-transport/omsætning terrænnært (dræn, lavbund, ådale etc.) Observationer N-omsætning overfladevande

29 Det er teknisk muligt at gennemføre beregninger på vilkårlig lille skala Usikkerhed generelt stigende med faldende arealstørrelse Usikkerhed og skala Aarhus Universitet Vi kan kun estimere usikkerheden på den skala hvorpå vi har observationer Skala for modelberegning identisk med mindste skala med observationsdata Usikkerhed på retention fra jord-til fjord estimeres ved sammenligning af målt og beregnet data

30 Konklusion Retentionskortene udvikles ved kombinering af målte kvælstoftransporter i vandløb og model Model nødvendig Samlet reduktion fra jord-til fjord kan ikke måles Tolkning af observationer Interpolation/ekstrapolation under hensyntagen til rumlig og tidslig variationer af forhold betydende for N-reduktion Model bygger på bedst tilgængelig viden og datagrundlag Fagligt niveau er state-of-the-art givet projektets rammebetingelser Kan vi blive klogere? Ja Stort fokus på problemstillingen i forskningsverdenen