REFERENCETILSTAND I ET URBANT OMRÅDE - BETYDNING AF HISTORISK KLIMA OG OPPUMPNING Hydrogeolog, ph.d. Ulla Lyngs Ladekarl Hydrogeolog, ph.d.studerende Jan Jeppesen ALECTIA Aqua ATV JORD OG GRUNDVAND VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET 4. - 5. marts 2008
RESUMÉ Referencetilstanden i vandrammedirektivsammenhæng kan defineres som den tænkte miljøtilstand, hvor der ikke er nogen betydende menneskelig påvirkning af vandmiljøet. For at give et bud på referencetilstanden er det oplagt at gå tilbage i tid og opstille en vandkredsløbsmodel, hvor man f.eks. kan slukke for oppumpning. Undersøgelsen af referencetilstand er specielt kompliceret i et byområde, fordi vandløbsafstrømningen udover oppumpning også påvirkes af regnafstrømning fra befæstede arealer, udledning af spildevand, ind- og udsivning af vand fra kloakledninger og vandforsyningsledninger. Betydningen af klimaændringer tilbage i tid er ofte overset i den sammenhæng. Klimaændringer opfattes som regel fremadrettet, men klimaændringer har også foregået i løbet af de sidste par hundrede år i Danmark. En model for Københavns Amt viser, at det måske slet ikke er muligt og heller ikke ønskeligt at bruge referencetilstanden. BAGGRUND OG FORMÅL Hovedstadsområdet har store problemer med et vandkredsløb i ubalance. I årtier er grundvandsressourcen blevet overudnyttet, byen er vokset og det befæstede areal er udvidet, hvilket i kombination med flere ekstreme regnhændelser giver anledning til overbelastning af kloaknettet. Med implementering af EU s Vandrammedirektiv er hensynet til overflade-recipienter mere aktuelt end nogensinde, og behovet for at definere realistiske målsætninger for overfladerecipienter og dermed bæredygtig vandindvinding i hovedstadsområdet er åbenlyst. Udgangspunktet for at kunne arbejde sig hen mod et mere bæredygtigt vandkredsløb er at kunne forstå den urbane påvirkning af vandkredsløbet i forhold til den naturlige reference uden oppumpning og udbredelse af byer. For at beskrive og kvantificere påvirkningerne er der for Københavns Amt opstillet en grundvandsmodel for årene 1850-2003. Udgangspunktet for undersøgelsen har været en allerede opstillet grundvandsmodel, figur 1, hvor der er taget højde for oppumpning, regnafstrømning fra befæstede arealer og udledning fra renseanlæg og afværgeanlæg.
Figur 1. Modelafgrænsning for KAM historisk Den regionale vandkredsløbsmodel, KAM historisk for Københavns Amt beskriver den historiske udvikling i vandkredsløbet fra referencetilstanden uden oppumpning i år 1850 op til år 2003 under hensyntagen til aktuel udvikling i klima, byudvikling og grundvandsoppumpning. Nogle af de vigtigste konklusioner er, at Nedbøren er øget med 125 mm eller 20 % igennem perioden Især vinternedbøren er øget Temperaturen er øget 1 grad Fordampningen er faldet 10% i Storkøbenhavn på grund af ændringer i befæstelse Det nutidige samlede afstrømningsniveau for Københavnsområdet er ikke reduceret i forhold til udgangspunktet. Tilstrømmningen til vandløb er ændret fra stor grundvandstilførsel til stor regnafstrømning Hvis der slukkes for oppumpningen i dag vil den gennemsnitlige vandløbsafstrømning forøges med 44% Hvis der slukkes for oppumpning og vi antager, at byudviklingen ikke har fundet sted, vil den gennemsnitlige vandløbsafstrømning forøges med 26%. Resultaterne viser dermed, at nok er afstrømningsmængden den samme som førhen, men det tidsrum, vandet er i vandløbet, har ændret sig drastisk. I lyset af at klimaet og arealanvendelsen har ændret sig i de sidste 150 år er det altså ikke nok at slukke for oppumpningen ved vurdering af referencetilstand.
Spørgsmålene er derfor: Kan vi vælge et tidspunkt, hvor vi kan sige, at her er referencetilstanden? Målsætningerne for vandmiljøet er ofte defineret i forhold til flora og fauna, men kender vi flora og fauna tilbage til 1850? Ønsker vi en tilstand, hvor der ikke oppumpes, med mulige oversvømmelser til følge? Hvordan definerer vi bedst referencetilstanden? PRÆSENTATION AF HISTORISKE DATA Til opstilling af vandkredsløbsmodellen er der indhentet en lang række data både til direkte input, til kalibrering og validering af modellen: Klimaparametre målt igennem hele perioden. Klimadata omfatter nedbør, temperatur og globalindstråling/solskinstimer. Ændringer i arealanvendelsen (befæstelsesgrad, byområder, naturarealer og dyrkning) undersøgt via historiske kort og litteratur. Koblet sammenhæng mellem klima og dyrkning/afgrødeskift via Daisy-simuleringer. Historiske pejle- og oppumpningsdata fra alle kommuner i amtet og fra Københavns Energis kildepladser tilbage fra 1858, hvor de første kildepladser blev taget i brug. Klimadata Nedbør så langt tilbage som 1850 er kun målt 7 steder i landet, hvoraf en af nedbørsstationerne er Landbohøjskolen/Botanisk have i København. Nedbørdata er hentet fra DMI s hjemmeside, hvor der fra 1850 til 1874 ligger månedlige værdier. Efter 1874 er daglige værdier tilgængelige. Nedbørsmålingen, der repræsenterer Landbohøjskolen/Botanisk have er sammenstillet af flere datasæt, både fordi målingerne kan være mangelfulde og fordi samme måler er blevet flyttet eller har skiftet nummer (figur 2). Målingen er korrigeret efter de faste korrektioner fra 1961-1990 (lækategori B) /1/, fordi denne korrektion indeholder en forbedret sne-korrektion i forhold til de tidligere korrektioner (1931-1960), og fordi snemængden og temperaturen den sidste dekade ikke er repræsentativ for tidligere perioder.! Landbohøjskolen 06186 1997-! Botanisk Have 30370 1971-! Landbohøjskolen 30380 1860-1997 Landbohøjskolen 06186 1995-1997! Gl. Botanisk Have 30371 1818-1859 Figur 2. Placering af nedbørsmålere i København
Temperaturen er den parameter, der er målt i længst tid i Danmark. Den blev i starten målt udenpå Rundetårn, men fra 1850 og frem blev den også målt på landbohøjskolen på Frederiksberg. Udviklingen, det vil sige stigningen, i nedbør og temperatur fra 1873/74 og frem er vist herunder for hele Danmark, Figur 3. Figur 3. Udvikling i nedbør og temperatur for hele Danmark. Fra /2/. Den sidste klimavariabel, der er anvendt, er globalindstråling. Globalindstråling er ikke målt i Danmark før 1961 ved Landbohøjskolen. Det har derfor været nødvendigt at transformere antallet af solskinstimer til globalindstråling. Solskinstimer er blevet målt ved Landbohøjskolen siden 1876. Før 1876 er data fra 1876 og 26 år frem blevet gentaget fra 1850 til 1876. Arealanvendelse Undersøgelse af udviklingen i de befæstede arealer er foretaget ud fra målebordsblade fra 1874-1899, kort fra 1930 erne og 1970 er samt AIS kort fra 1990 erne. Kortmaterialet har vist, at byudviklingen accelererede i 1960 erne. Andelen af nedbør, der strømmer direkte af, afhænger i modellen af årstid og en befæstelseskoefficient, som er høj for industri og bykerne og lav for lav bebyggelse. Målebordsblade fra sidste halvdel af 1800-tallet viser, at området generelt har været kraftigt drænet. Det vil sige, at en stor del af området har været opdyrket. Arealet af skov på øerne har været nogenlunde konstant fra 1860 og til 1980 /3/. Der har formentlig været en del flere vådområder, men samtidig er dyrkningspraksis forbedret så man må formode, at fordampningen fra ikke-byområder er nogenlunde status quo. Afgrødefordelingen har ændret sig og ligeledes gødningstildelingen. Ændringerne i afgrødesammensætningen har især betydet, at andelen af græs er faldet i nyere tid, mens andelen af vinterhvede er steget kraftigt i de seneste år, Figur 4. Siden begyndelsen af 1960 erne er gødningsforbruget steget kraftigt. Det er simuleret ved at tildele vårbyg mere gødning efter 2. verdenskrig. Som input til grundvandsmodellen er der anvendt et vægtet gennemsnit af afgrødetyperne.
Andel af dyrket areal Vinterhvede 0.70 Vårbyg 0.60 Græs 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Figur 4. Udvikling i afgrødesammensætning på øerne. Fra /3/. Udpumpede vandmængder, vandforbrug og tilstrømninger til områdets renseanlæg Diverse punktudledninger til recipienter fra afværgelokaliteter og renseanlæg medtages som input til vandkredsløbsmodellen. Udledningen fra renseanlæg deles op i et bidrag fra husholdninger og industrier henholdsvis regnvand fra det fælles kloakerede opland. Oppumpning af grundvand Der er indsamlet og digitaliseret historiske oppumpnings- og pejledata fra Købehavns Energis (KE) kildepladser og kommunale vandværker i amtet tilbage fra 1858 og til i dag. Fra 1858 til 1901 er oppumpede mængder tolkede. Kalibreringsgrundlag Den historiske model er kalibreret mod pejlinger af grundvandsstande og målinger af afstrømning. Pejlinger ved KE s kildepladser er foretaget tilbage til år 1900. Modellen er kalibreret mod observationer af grundvandsstand fra 1900-1979 og valideret på data fra 1980-2003. Grundlaget for afstrømningsobservationer er begrænset til næsten kun at omfatte data fra tiden efter 1970. Grundet det sparsomme datagrundlag er kalibreringsperioden for vandføring udvidet til 1995, mens der valideres mod data fra 1996-2003. Resultater For at anskueliggøre ændringerne i vandkredsløbet i forhold til nutid er vandbalancekomponenterne vist i Figur 5 beregnet i forhold til perioden fra 1994-2003.
2.1 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 10 års bagudskridende middel i forhold til de sidste 10 år (1994-2003) Nedbør Regnafstrømning Oppumpning Grundvandsafstrømning Temperatur 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Figur 5. Udvikling i vandkredsløbet i forhold til perioden fra 1994-2003. På baggrund af figur 5 kan der udledes følgende: Nedbøren er øget med ca. 20% Temperaturen er øget med 1 grad Regnafstrømningen fra befæstede arealer steg kraftigt i 60 erne Grundvandsoppumpningen udgjorde de første 40 år under 10% af det nutidige niveau. Grundvandsafstrømningen til vandløb faldt kraftigt allerede i starten af sidste århundrede samtidig med stigningen i oppumpning og en begyndende stigning i regnafstrømning. Grundvandsbidraget til vandløbene er igennem perioden reduceret til fordel for regnvandsbidraget og især vinternedbøren er øget. Det betyder, at der er sket en ændring i afstrømningsmønstret. I Figur 6 ses, at nedbøren i vintermånederne er øget betragteligt de seneste 30 år (1974-2003) i forhold til perioden 100 år tidligere (1874-1903). Den totale vandløbsafstrømning er øget om vinteren men ikke om sommeren. Den lille ændring på trods af langt større oppumpning i den seneste periode, skyldes, at nedbøren er øget i samme periode. Det ses også, at grundvandsbidraget er reduceret kraftigt i sommermånederne. Det har konsekvenser for minimumsvandføring, vandkvalitet og ikke mindst vandets temperatur i vandløbet,
fordi overfladevand har en betydeligt højere temperatur i sommerhalvåret end grundvandet. For flora og fauna betyder selv små ændringer i vandtemperatur, at en del oprindelige arter har svært ved at overleve. 80 70 60 50 40 Mm/md 30 20 10 0-10 -20 Nedbør 1974-2003 Nedbør 1874-1903 Tot.af strømning 1974-2003 Tot.af strømning 1874-1903 Grv.af strømning 1974-2003 J F M A M J J A S O N D Figur 6. Sæson nedbør og afstrømning over to 30 års perioder. KONKLUSION Udgangspunktet for vurdering af referencetilstanden kan vælges mange steder : 1890 før oppumpning, 1950 før byudviklingen tog fart, eller bør vi vælge et tidspunkt med aktuel byudvikling? Som det ses af resultaterne fra KAM-modellen, spiller klimaet en afgørende rolle. Effekten af byudviklingen og oppumpningen på vandløbsafstrømningen ses i nedenstående figur 7, hvor KAM-modellen er kørt med 2 forskellige scenarier for oplandet til Harrestrup Å: Ingen oppumpning, aktuel byudvikling Ingen oppumpning, ingen byudvikling Ud fra scenarierne kan følgende udledes: Oppumpningen har påvirket vandføringen siden 1850 erne. Den aktuelle byudvikling medfører en forøgelse af vandføringen. Befæstede arealer i bymæssig bebyggelse medfører øget gennemsnitlig vandløbsafstrømning, men minimumsvandføringen mindskes. Uden oppumpning ville vandløbsafstrømningen i bymæssig bebyggelse forøges betydeligt.
Figur 7. Vandløbsafstrøming ved 2 scenarier for oppumpning og byudvikling set i forhold til aktuel afstrømning. De klimaændringer, vi har foran os, tyder på en forøgelse af vinternedbøren og dermed endnu større pres på vandløbene om vinteren. Hvis vi ønsker at opnå en referencetilstand svarende til ingen oppumpning, vil den årlige vandløbsafstrømning forøges. Vil det give flere oversvømmelser? Hvis vi opnår at få mere vand i vandløbene, er det så overhovedet muligt at genskabe den miljøtilstand, der var for 150 år siden med lidt lavere temperatur? Hvis vi skal finde en referencetilstand, kræver det, at vi har gjort os nogle overvejelser om, hvad vi gerne vil have: Er det en vild natur med mange vådområder, stor biodiversitet, sjældne arter? Er det en robust natur med levedygtige arter, som kan klare kommende temperaturstigninger? Vejer hensynet til boliger, byplanlægning højere end hensynet til natur? REFERENCER /1/ Technical Report 98-10. Standardværdier (1961-1990) af nedbørkorrektioner. Peter Allerup, Henning Madsen og Flemming Vejen. /2/ Technical Report 06-08. DMI Annual Climate Data Collection 1873-2005. Denmark, the Faroe Islands and Greenland with graphics and Danish summary. John Cappelen. /3/ Dansk landbrug. Udvikling i produktion og kulturlandskab. Jensen, K.M. og A. Reenberg, 1984. Jordbrugsforlaget.