Vådområder til kvælstoffjernelse Carl Christian Hoffmann A A R H U S U N I V E R S I T E T Afdeling for Ferskvandsøkologi Temadag på SDU: Fosforfældning,bassiner,vådområder?
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
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
Har jeg nogle valg? Typiske projekttyper: 1. Overrisling af områder med drænvand 2. Oversvømmelse af vandløbsnære arealer 3. Ådale & lavmoser: naturgenopretning genskabelse af processerne 4. Konstruerede vådområder - Surface and Subsurface flow 5. Genetablering af søer 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 Temadag på SDU: Fosforfældning,bassiner,vådområder?
Bygholm Egebjerg Enge før og efter restaurering Brede Å Nørrekær Gammelby Bæk Kappel
Odense Å Jan 2004 Odense Å Nov 2003 Karlsmosen efter Karlsmosen før
Nitrat fjernelse i ådale der gennemstrømmes af grundvand Lokalitet Kg NO - 3 -N ha -1 år -1 % Stevns å, eng 57 97 Rabis bæk, eng 398 56 Gjern å: A, eng, 1992 1993 1994 326 340 119 B, mose (1993) 2100 97 B, mose (5 års målinger) 1079 97 C, eng (5 års målinger) 541 96 D, eng (5 års målinger) 398 97 E, eng * 10.4 100 Brede å, storskala enge (63 ha) 1996 92 71 Brede å, storskala enge (94 ha) 2000 108 96 Gudenåens Kilder, storskala enge (57 ha) 8.4 57 * hertil kommer et bidrag på 52.7 kg N ha -1 år -1 fra oversvømmelse. 59 65 68
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 520 65 Glumsø, rørskov 975 62 Glumsø, rørskov 2725 54 Glumsø, fuldskala 569 94 Stevns å, eng* 350 99 Stevns å, eng med gammelt drænrør - 99 Syv bæk, eng 300 72 Stor å, genskabt eng 530 48 Gjern å, eng* (min) 34 88 Gjern å, eng* (max) 200 98 * korttidsforsøg Forskellig hydraulisk belastning og forskellig nitratbelastning.
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(-3.080 + 0,758*ln(A)-0.0030*S + 0.0249*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.
Formlens begrænsninger ~ stor usikkerhed Ntab=1.124*exp(-3.080 + 0,758*ln(A)-0.0030*S + 0.0249*D) 100% Sand (S) Høj nedbør (A, e.g. 1000 mm)
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.
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: 50-75 (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%
Overrisling udnyt topografien
Resultater fra VMP2-Overvågningsprogrammet Projektområde 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 53-53 200 Hellegård å! -! 280 Kappel 14 25 39 140 Geddebækken 90 35 125 215 Horne Mølleå 220 35 255 200 Karlsmosen 337 35 372 270 Lindkær 191 35 226 235 Snaremose Sø 256 35 291 200 Frisvad M.bæk (op til 95) (279)! 279 Ulleruplund 133 37 170 210 Gammelby Bæk 83 22 105 343 Nagbøl Å 163 24 187 300 Hjarup Bæk 170 30 200 475 Lyngbygaards Å 196 30 226 231 Bygholm Å 357 838 24 362
Case: Lyngbygaards Å
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 1,450 7.7 257-3 -1.3 Jan-08 26,784 1,409 5.3 369 5 1.3 Feb-08 13,244 955 7.2 220 18 8.0 Mar-08 17,093 1,054 6.2 262 9 3.5 Apr-08 6,300 518 8.2 121-192 -159.1 Maj-08 1,836 339 18.5 53 17 31.6 Jun-08 1,295 463 35.8 38 17 45.3 Jul-08 675 298 44.1 33 14 43.4 Aug-08 1,269 380 29.9 67 12 17.3 Sep-08 1,090 289 26.5 41 10 24.8 Okt-08 1,539 76 4.9 56 3 4.5 Nov-08 10,187 591 5.8 167 28 16.6 Total 100,076 7,822 7.8 1,685-63.4-3.8 P retention: Inklusive April 2008 : -1.6 kg P ha Uden April 2008 : 3.3 kg P ha Hoffmann et al., 2011, Hydrobiologia
Overrisling: Stor Å & Egeskov Fyn Year Load Loss Retention Retention (%) Egeskov Kg ha -1 Kg ha -1 Kg ha -1 % of load Nitrate-N 2007-08 251 147 104 41 Nitrate-N 2008-09 26 3 23 90 TN 2007-08 282 161 121 43 TN 2008-09 37 9 28 75 PO4-P 2007-08 0.41 0.39 0.02 5 PO4-P 2008-09 0.26 0.39-0.13-50 TP 2007-08 1.28 1.20 0.08 6 TP 2008-09 0.59 0.74-0.15-25 Fe 2007-08 15.16 8.15 7.01 46 Fe 2008-09 0.73 0.58 0.15 21 SS 2007-08 171 81 90 53 SS 2008-09 88 114 26-30 Storå Nitrate-N 1996-97 685 466 219 32 Nitrate-N 1997-98 589 438 150 26 TN 1996-97 719 490 229 32 TN 1997-98 626 469 157 26 PO4-P 1996-97 0.66 1.09-0.44-67 PO4-P 1997-98 0.45 1.15-0.70-154 TP 1996-97 1.48 1.81-0.33-22 TP 1997-98 0.71 1.60-0.90-127 Fe 1996-97 Fe 1997-98 0.88 0.98-0.10-11 SS 1996-97 SS 1997-98 Hoffmann et al. submitted
Egeskov N & P
Stor Å: N & P
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 2 499 9.1 - Stevns å, eng 300-525 7.4-10.5 0.8-1.3 Syv Bæk, eng 427-538 10.4-12.5 - Gjern Å: A, eng 500-750 8-12 1.3-1.4 B, mose 1200-1400 13-26 2.4-2.9 C, eng 350-650 5-10 0.9-1.5 D, eng 300-450 5-7 0.9-1.2 Glumsø, rørskov 1260 17.5 1.8
Tørvedannelse P Kg P ha -1 år -1 N Kg N ha -1 år -1 0.04 2.4 1-47
Søer Sliv Sø Ødis sø på en kold januardag i 2003
Kvælstoffjernelse i lavvandede søer Nretention (%) = log42,1+ 17,8log 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. 10 (T Eventuelt alternativ 300 kg N ha -1 år -1 - DOG max 10% af belastningen (bør nøje overvejes i hvert tilfælde) Årslev Engsø før Efter w ) Efter
CASE: Vilsted sø der afvander til Limfjorden
Vilsted sø Lake Vilsted (2004) 472 ha lake and 441 ha wet meadow Før restaurering Efter restaurering Vitskøl å (udløb)
Case study Vilsted sø 12000 Phosphorus discharge (outflow) Før Prior sø lake Efter After sø lake 10000 8000 6000 4000 2000 0 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 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 Temadag på SDU: Fosforfældning,bassiner,vådområder?
Case study Vilsted sø Vilsted sø(2004) 472 ha sø and 441 ha våd eng 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
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 913 472 1.0 205 195 225 214 Slivsø 203 160 2.2 89 50 440 244 Aarslev Engsø 210 100 1.0 80 53,0 382 252 Nakkebølle Ind. 110 85 1.0 33 13,7 300 125 Gødstrup Engsø 90 55 0.5 22 9,0 246 100 Hals Sø 53 42 1.7 11 1,7 200 120 Ødis Sø 40 26 1.5 9 7,3 230 183 Skibet Enge 40 26 0.6 8 5,0 205 125 Wedellsborg H. 27 11 0.3 6 3,15 234 117 Rødding Sø 33 21 230 212 Range (målt): 100 252 kg N ha -1 år -1 ( x: 164) Range (forventet) : 200 440 kg N ha -1 år -1 ( x: 274)
Lakes Status 2009 Resultater fra overvågningen af 10 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 913 472 1.0 205 195 225 214 Slivsø 203 160 2.2 89 50 440 244 Aarslev Engsø 210 100 1.0 80 53,0 382 252 Nakkebølle Ind. 110 85 1.0 33 13,7 300 125 Gødstrup Engsø 90 55 0.5 22 9,0 246 100 Hals Sø 53 42 1.7 11 1,7 200 120 Ødis Sø 40 26 1.5 9 7,3 230 183 Skibet Enge 40 26 0.6 8 5,0 205 125 Wedellsborg H. 27 11 0.3 6 3,15 234 117 Rødding Sø 33 21 230 212 Forskelle i N fjernelse skyldes: 1) Vandets opholdstid 2) N-belastning
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 913 472 1.0 59 Slivsø 203 160 2.2 36 Aarslev Engsø 210 100 1.0 20 Nakkebølle Ind. 110 85 1.0 43 Gødstrup Engsø 90 55 0.5 53 Hals Sø 53 42 1.7 64 Ødis Sø 40 26 1.5 70 Skibet Enge 40 26 0.6 49 Wedellsborg H. 27 11 0.3 78 3.70-5.0-265 2.60 2.9 23 6.00-1.3-5 0.86 2.7 35 0.31 0.9 26 0.05 0.7 67 0.05-2.3-192 0.28 3.0 43 0.48 16.2 91 N fjernelse, men P frigivelse! (mineralisering af oversvømmet vegetation) Tilbageholdelse af P i 2/3 af søerne
Vigtigt!!! Inden man starter må man se på de historiske kendsgerninger Områdets historie -set med P øjne
Fosforindhold i danske lavbundsjorde 100 Lavbundslokaliteter (%) 90 80 70 60 50 40 30 Organogene Minerogene 20 10 0 14000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Total P (mg/kg) Andel af lavbundslokaliteter med tilsvarende total P (TP) indhold i overjorden 0-30 cm. Antallet af undersøgte lokaliteter er 1315 organogene og 2064 minerogene danske lavbundslokaliteter. Kjærgaard et al., 2011
Potentiel P-frigivelse 40 1.00 Potentiel PO 4 -P frigivelse (mmol/kg/dag) 30 20 10 100 kg m -3 500 kg m -3 1000 kg m -3 Potentiel PO 4 -P frigivelse (kg/ha/dag) 0.75 0.50 0.25 0 0 20 40 60 80 0.00 0 20 40 60 80 Fe BD :P BD -molforhold Fe BD :P BD -molforhold Potentiel P-frigivelse som funktion af jordens Fe BD :P BD -molforhold for tre jordtyper defineret ved jordens volumenvægt (kg/m 3 ) i hhv. µmol/kg/dag og kg/ha/dag. Kjærgaard et al., 2007 & 2011
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
Resultater fra overvågningsprogrammet Vådområde lokalitet P-retention % kg P ha -1 år -1 Ulleruplund, overrislet engområde -0.43-88 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 -0.4-20 -7-75 0.13 6 8.1 9.0 53-60 2.6 18 Lindkær, overrislet eng- og moseområde -0.5-11 Geddebækken, overrislet eng- og moseområde Nagbøl Å, remeandreret, overrislet og oversvømm Hjarup Bæk, remeandreret, overrislet og oversvømmet 0.5 21 0.9 11 12 42 Bygholm Å 2.5 6 10-23
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)
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)
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
Hjemmeside faktablade ttp://www.np-risikokort.dk/virkemidler/virkemidler.htm 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 Temadag på SDU: Fosforfældning,bassiner,vådområder?
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. 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 http://www.naturstyrelsen.dk/ Naturbeskyttelse/Naturprojekter/Projekttyper/Vandprojekter/Viden/ Resultater fra overvågningsprogrammet http://www2.dmu.dk/1_viden/2_publikationer/3_fagrapporter/ rapporter/fr576.pdf Ny teknisk anvisning på trapperne: Faglig rapport fra DMU nr. xxx, Etablering af P-ådale