Nitrat i grundvand grundvandskemi og forvaltning Seniorrådgiver, geokemiker Lærke Thorling De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Klima-, Energi- og Bygningsministeriet
Hvad er indholdet af nitrat i grundvand? Status og udvikling, beskyttelsesbehov Banalt spørgsmål, mange svarmuligheder. Vandværkernes råvand Seneste nitrat 2010 Alle data i Jupiter, middel nitrat Der er ikke taget højde for indvindingsmængder. Der er ikke taget højde for forskellige dybder.
Lovgivningsmæssige rammer EU: Nitratdirektivet Drikkevandsdirektivet Vandrammedirektivet Grundvandsdirektivet DK: Miljøbeskyttelsesloven Vandmiljøplanerne Områder særlige drikkevandsinteresser---
Nødvendighed af konceptuelle modeller Vi kan ikke se grundvandet. Konceptuelle modeller er en forudsætning for Beskyttelses og overvågningsstrategi samt fortolkning af data, når grundvands tilstand fastsættes, udredning af effektmålinger. Grundvandsdirektivet skriver fx: på grundlag af relevante overvågningsresultater og en passende konceptuel model af grundvandsforekomsten vurdere: tilstand osv. 5D forståelse af systemet: Hver enkelt måling repræsenterer et punkt (x,y,z,t g,t p ). (x,y,z) placeringen af boringen filter /indtag, t g tidspunkt for grundvandsdannelsen, (periode) t p tidspunkt for prøveudtagning.
Nitratfrontens dynamik- teori Bemærk ingen skala eller geologiske lag!! Findes ved grundvandskortlægning!
Konceptuel model for nitratfrontens beliggenhed på typelokaliteter Kalk
1. Tykke tætte lerlag 2. Tynde oxiderede lerlag 3. Forstyrrede utætte lerlag 4. Hedeslette 5. Bakkeøer, ofte pyrit og brunkul 6. Postglaciale marine aflejringer 7. Velbeskyttede små magasiner 8. Sand over kalk 9. Bornholm, klipper mv Side 8 29. november 2013 Geologiske sårbarhedstyper mht nitrat. Fra NPO-forskning 1986-1990
Konsekvenser af basale konceptuelle nitrat-model Nuværende tilstand for nitrat er et resultat af nitratudvaskning over de sidste 50 år eller mere Overvågede tilstand ser først grundvandet > 5-10 år efter udvaskning fra jordbunden Tilstanden er afhængig af både geologi og arealanvendelsen Effekten på økosystemer og overfladevand afhænger af strømningsmønsteret, der skal kortlægges. Mængde/konc. Kort vil vise grundvand af forskellig alder, selv hvis alle prøver er udtaget samme dag. Kort kan blande grundvand fra lag med og uden nitrat, og data bør derfor sorteres før indtegning på kort. Kortlægningsskala afhænger af behov og økonomi
Nitratfronten kortlagt på basis af boringsoplysninger-farve Depth (mbs) < 1 1-5 5-10 10-15 15-30 30-50 50-100 m 1x1 km grid Hver celle kan have: Ingen data Modsigende data Repeterede fonter Øverste er valgt Bemærk myten om det sårbare Vestjylland. Ernstsen et al., 2006
Kort over nitrat i grundvandet: To MEGET forskellige kort, data fra boringer med og uden nitrat Mægtigheden af de vandførende lag ukendt!
Nitratkoncentrationer i grundvandet 1 NO 3 mg/l = 4,43 NO 3 -N mg/l Side 12 29. november 2013
Side 13 29. november 2013 Status i EU Husdyrgødning- N Har Danmark særlige problemer?
Side 14 29. november 2013 Status i EU Total- N-gødning kg/ha Har Danmark særlige problemer? DK 121-170 kgn/ha ca 50-100% mere end røde, lyserøde signatur
Side 15 29. november 2013 Hvad siger overvågningen i EU? Husk for behold for stationsnettets design!
Side 16 29. november 2013
Farver på oxiderede og reducerede sedimenter MUNSEL Soil Color Charts 10YR 5Y 2.5Y Oxiderede sedimenter Reducerede sedimenter Side 17 29. november 2013 Vibeke Ernstsen
Side 18 29. november 2013
Side 19 29. november 2013
Side 20 29. november 2013
Side 21 29. november 2013
Nitratkoncentrationer i grundvand i praksis Nitrat har ikke kun én værdi i et grundvandsmagasin, fordelingen afhænger af redox og arealanvendelsen over tid Side 22 29. november 2013
Heterogen geologi, vandindvinding og nitratreduktion Boulstrup DGU 108.240 Side 23 29. november 2013
Redoxforhold ved Boulstrup i en begravet dal, nitratsårbarhed Side 24 29. november 2013
Den Umættede Zone
UMÆTTET ZONE Rodzone eller jordvandszone Intermediærezone Kapillære zone MÆTTET ZONE (GRUNDVANDS-ZONE) Side 26 29. november 2013
Reducerende stoffer: biotilgængeligt organisk stof reduceret svovl (pyrit & svovlbrinte) tilgængeligt ferrojern (opløst og strukturelt bundet) mangan methan? NOGEN FORBRUGES - NOGEN GENDANNES Side 27 29. november 2013 Vibeke Ernstsen
Nitratreduktion: umættede forhold Forekomst af nitratreduktion under umættede forhold afhænger af: Mulighederne for at etablere iltfri forhold TILFØRSEL af let omsættelige reducerende stoffer Fx udvaskning af org. stof fra gylle Opstigende metan Evt ferrojern fra jordmatrix- i opsprækket ler. Reaktionshastigheden afhænger blandt andet af Tilgængeligheden af reduktionsmidlerne Vandmætning og jordtemperatur Nitratindhold og iltindhold Side 28 29. november 2013
Viden om nitratreduktion i umættet zone Nitratreduktion i umættet zone er kun konstateret i op til 3 m.u.t ( fx i vandlidende jorde) I feltundersøgelser er nitratreduktion altid påvist i mættet zone. Eks LOOP, hvor der udtages prøver fra boringer i mættet zone Eks NPO og SMP undersøgelser af GEUS/Foulum Markante nitratreduktion i grundvandsspejlet set flere steder, dvs ved overgang til mættet zone og iltfri forhold. Side 29 29. november 2013
Reduktion af nitrat - geologiske typeområder I II III IV V Tilførsel af reducerende stoffer Oxiderede sedimenter Reducerede sedimenter Grundvandsspejl I Nitrat II Nitrat III Nitrat IV Nitrat V Nitrat 3 mut. Dybde Dybde Dybde Dybde Dybde Vibeke Ernstsen 2006 Side 30 29. november 2013
Hvad er reduktionskapacitet. Potentielle reduktionskapacitet- samlede mængde stoffer pr volumenenhed, der teoretisk set kan reducere nitrat. Aktuelle reduktionskapacitet- delmængde stoffer pr volumenenhed, der i praksis set kan reducere nitrat. Man kan kun måle den potentielle reduktionskapacietet ved alm simple laboratorie målinger. Bestemmelse af aktuelle nitratreduktionskapacitet kræver helhedsforståelse af hele strømningssystemet. Side 31 29. november 2013
Nitratfrontens dynamik- teori Side 32 29. november 2013
Historisk arealanvendelse afspejlet i grundvandet
Hvorfor varierer nitrat med tiden? Årsager til variationer Ændret arealanvendelse. Økonomi og regulering. Ændret rumlig udbredelse af nitrat, fx indvinding. Geokemiske processer. Hvad mener vi med tiden? Tidspunkt for måling eller tidspunkt for udvaskning? Brug af datering til at transformere data med forskellig grundvandsalder, kan give meget fine ideer om nitrat i grundvand gennem tiden, og dermed forklaringskraft over for rumlige fordeling af nitrat som ikke skyldes geokemiske forhold
Den gode 50.12.03.01 70 60 50 40 30 70.11.06.01 600 Tidsserier i enkelte indtag. 500 Den rædsomme 400 120 O2 300 NO3 100 SO4 200 80 100 60 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 40 2009 O2 Nitrate, oxygene, sulphate NO3 20 SO4 15.14.05.01 Fremtiden? O2 NO3 SO4 20 10 0 70.11.06.01 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 160 Den onde Nitrate, oxygene, sulphate 0 198970.11.23.01 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 Den grusomme Nitrate, oxygene, sulphate 200 180 160 140 140 120 120 O2 100 100 NO3 80 O2 SO4 80 60 NO3 60 40 SO4 40 20 20 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 0 Nitrate, oxygene, sulphate 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 Nitrate, oxygene, sulphate
En national tidsserieanalyse 1. 20-års-tidsserier fra GRUMO programmet: 2. Årlige N overskud i landbruget fra Danmarks Statistik 3. CFC datering af grundvand udført 1997-2006 ES&T paper: 45, 228-234: Hansen et al. 2011
Udvikling i nitrat i grundvand og kvælstofoverskud i landbruget Iltet grundvand i GRUMO dateret med CFC
Nitrat udvikling i 3 aldersgrupper 152 oxiske overvågningsindtag - 94 med significante trends
Nitrattrends (1990-2008) i øvre grundvand (LOOP) og GRUMO
Dybden og Nitrattrends i grundvand Loop og GRUMO (1990-2008)
Konklusioner Trends Vandmiljøplanerne ser ud til at have forbedret grundvandets kvalitet på national skala. Uden konceptuel model kan grundvandet ikke vurderes mht. kvalitet og udviklingstendenser. Pas godt på vores overvågningsprogrammer, de skal være konservative og stabile. Uden datering af grundvandet kan fortolkning af tidsserierne ikke ske sikkert og relativt hurtigt efter indsatsplanerne. Overvågningsbranchen er som skovbrug: Værdien af investeringerne stiger med tiden, og der er kun begrænset afkast på den korte bane. Vi skal kunne planlægge over dekader.
Vandmiljøplanerne gør en forskel for grundvandets kvalitet Photo: Bente Fyrstenberg Nedergaard
Grundvandet påvirker overfladevand STORT VIDENSBEHOV Ravnkilde
Grundvandets betydning for Fjorde og andre miljøforhold Overordnet konceptuel model for DK: Afhængigt terrestrisk økosystem (ådalseng): Tilknyttet akvatisk økosystem: Side 44 29. november 2013 Modified after Hinsby et al.l (2008)
Fosfor i grundvand, relevant for natur og drikkevand Naturligt indhold fra sedimentkilder eller påvirkning fra samfundet?? Iltfrit grundvand har højeste fosforindhold Påvirkning fra grundvand til søer mv. Manglende viden Fjernes let på vandværker ved beluftning.
Videnshuller Grundvandets påvirkning af overfladevand og grundvandsafhængige terrestiske økosystemer Metoder til fastlæggelse af tærskelværdier i grundvandet af hensyn til ydre miljø. Metoder til trendanalyser Opstilling af operationelle konceptuelle modeller.
Vidensgrundlag til næste vandplaner Målretning af grundvandsovervågningen Stationsnettet er under omlægning skal dække alle GVF i risiko. Påvirkning af overfladevand: BEHOV FOR FORSKNING, en smule metodeudvikling i gang med små midler. Fokus på det påvirkede grundvand i overvågningen. Repræsentativitet? Synergi med viden fra grundvandskortlægningen Udnyttelse af viden fra Vandværkerne (bias) Nye dateringsmetoder under udvikling til datering af det yngste vand. Kortlægningsbehov ifht stedspecifik regulering.
Grundvandskortlægningen Udgangspunkt: Kortlægningen slutter i 2015 Stedspecifik indsats! Kortlægning af forskelle i sårbarhed. Den nye betænkning fra landbrugskommisionen Stedspecifik regulering ihft generel regulering kræver mere viden. Miljømål skal stadig forfølges- Hvad er det realistiske videnbehov! Og dermed sikkerhed?