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
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
Kvælstofcyklys
Respirations processer 1 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 2 5C 6 H 12 O 6 + 24NO - 3 24H + 30CO 2 + 12N 2 + 42H 2 O 3 C 6 H 12 O 6 + 12MnO 2 + 24H + 6CO 2 + 12Mn 2+ + 18H 2 O 4 C 6 H 12 O 6 + 24Fe(OH) 3 + 48H + 6CO 2 + 24Fe 2+ + 66H 2 O 5 C 6 H 12 O 6 + 3SO 2-4 6CO 2 + 3S 2- + 6H 2 O 6 2FeS 2 + 6NO - 3 + 2H 2 O 2N 2 + 2FeOOH + 4SO 2-4 + 2H + 7 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O
Redox interval for forskellige respirations processer Zone Interval Disappearing Appearing mv ox mv red. Oxygen reduction 700-300 O 2 320 H 2 O Nitrate reduction 300-100 NO 3 220 N 2 Manganese reduction 200-100 Mn 4+ 200 Mn 2+ Iron reduction 100- -100 Fe 3+ 120 Fe 2+ Sulfate reduction -100- -200 2- SO 4-150 H 2 S Methanogenesis -200- -300 CO 2-250 CH 4
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
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
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 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
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
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
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
Konstruerede vådområder eller minivådområder
Konstruerede vådområder Svenske erfaringer viser N-fjernelse: 900 kg N ha år (gennemsnit for 50 damme) Svenske erfaringer viser også overraskende høj P-retention: 18-48 kg P ha år Forsøgs- og demonstrationsanlæg vil blive aftestet i DK ved systematiske undersøgelser
Svensk våtmark (pond, dam) Norsk fangdam
Konstrueret vådområde i oplandet til Odderbæk, Vejle kommune
Bemærkning We omitted 2001 2002, 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 1538-1546
Søer Sliv Sø Ødis sø på en kold januardag i 2003
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
CASE: Vilsted sø der afvander til Limfjorden
Case study Vilsted sø Lake Vilsted (2004) 472 ha lake and 441 ha wet meadow Før restaurering Efter restaurering Vitskøl å (udløb)
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 Case study Vilsted sø 12000 Phosphorus discharge (outflow) Før Prior sø lake Efter After sø lake kg P / year. 10000 8000 6000 P in outflow increased by lake 4000 2000 0 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
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
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 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 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 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 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 2.60 6.00 0.86 0.31 0.05 0.05 0.28-5.0-265 2.9 23-1.3-5 2.7 35 0.9 26 0.7 67-2.3-192 3.0 43 N fjernelse, men P frigivelse! (mineralisering af oversvømmet vegetation) 0.48 16.2 91 Tilbageholdelse af P i 2/3 af søerne
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
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
[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 2 0.750R 2 0.750 2.55 BD BD 2.55 0,002 0,001 0,000 0 10 20 30 40 50 Fe BD :P BD -molar ratio Kjaergaard et al., 2007
Roden, E.E. and J.W. Edmonds. 1997. Phosphate mobilization in iron-rich anaerobic sediments: microbial Fe(III) oxide reduction vs. iron-sulfide formation. Arch. Hydrobiol. 139:347-378.
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 1000 0-1000 0 50 100 150 200 250 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)
35 Fosforfrigivelse under anaerobe forhold Organogene jorde PO 4 -P (kg ha -1 år -1 ) 30 25 20 15 10 500 kg m -3 100 kg m -3 Soil samples 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Fe BD :P BD -molar ratio Kilde: Kjærgaard et al, 2009
Fosforfrigivelse under anaerobe forhold 35 Organogene jorde PO 4 -P (kg ha -1 år -1 ) 30 25 20 15 10 500 kg m -3 100 kg m -3 Prøver Høst af biomasse 5 0 Tørvedannelse 0 10 20 30 40 50 60 Fe BD :P BD -molforhold Kilde: Kjærgaard et al, 2009
Naturlige systemer, ådale: Belastning Tilbageholdt kg PO 3-4 -P ha -1 år -1 % Stevns å, eng 2.92 2.80 96 Rabis bæk, eng 0.36 0.36 100 Gjern å: A, Eng, 1992 1,70-0,88-52 A, Eng, 1993 1,57-0,36-23 A, Eng, 1994 1,20 0,47 39 B, mose 4.0-16.4-410 Gudenå (kilder)før 0.18-0.70-400 Gudenå efter rest. 0.12-0.11-8
Overrislingssystemer Belastning Tilbageholdt % kg PO 4 3- -P ha -1 år -1 Glumsø, rørskov 24-49 -206 52-21 -41 107-365 -342 Glumsø, fuldskala 7.5-29.2-389 Stevns å, eng* 15.2 14.1 93 (overrisling 1 mdm) Stevns å, eng conc. conc. 96 (drænvand) (460) (26) Syv bæk, eng 6.29 0.07 1 Stor å, eng 4.8 2.0 42 Gjern å, eng* 3.04 2.19 72 (1 uge) Gjern å, eng* 5.28 4.80 91 (1 uge) Ulleruplund (mose/eng) VMP2 0.45-0.43-96 * korttidsforsøg koncentration i µg PO 4 3- -P l -1
Overrisling udnyt topografien
Vigtigt!!! Inden man starter må man se på de historiske kendsgerninger Områdets historie -set med P øjne
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
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
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
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
N og P vådområder
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 Vandplaner problemstillinger vedr. fjorde
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 http://www.skovognatur.dk/naturprojekter/projekttyper/vandprojekter/ Resultater fra overvågningsprogrammet http://www2.dmu.dk/1_viden/2_publikationer/3_fagrapporter/ rapporter/fr576.pdf