NiCA grundlag for differentieret regulering af nitratudledning NiCA Technical Note Oktober 2014 Jens Christian Refsgaard, Anne Lausten Hansen, Xin He, GEUS Brian H Jacobsen, KU Flemming Gertz, VFL
Referencing this report: Refsgaard JC, Hansen AL, He X, Jacobsen BH, Gertz F (2014) NiCA grundlag for differentieret regulering af nitratudledning. NiCA Technical Note, Oktober 2014. Tilgængelig på www.nitrat.dk NiCA (Nitrate reduction in geologically heterogeneous catchments) is supported by the Danish Strategic Research Council. The NiCA project is led by GEUS (contact: Jens Christian Refsgaard, mail: jcr@geus.dk) and comprise the following partners: Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) Department of Geography and Geology, University of Copenhagen Institute of Food and Resources Economics, University of Copenhagen Department of Earth Sciences, Aarhus University Knowledge Centre for Agriculture Laval University, Quebec, Canada Aarhus Geophysics Alectia A/S DHI SkyTEM Municipality of Aarhus Municipality of Odder Read more about the project and see its outputs at www.nitrat.dk
1. Behov for ny reguleringspraksis Landbruget har halveret nitratudvaskningen gennem de sidste par årtier. Alligevel er der i statens vandplaner lagt op til yderligere betydelige reduktioner for at kunne opfylde kravene i EU's vandlovgivning. De hidtidige resultater er opnået ved at lave grænser for hvor meget og hvornår, der må køres gødning ud på markerne, stille krav om vintergrønne marker, osv. Disse reguleringer har været ens for alle marker. Hvis vandplanerne bliver gennemført med en fortsat stramning af disse ensartede reguleringer, kan danske landmænds indtjening falde så meget, at landbrugsdrift, som vi kender den i dag, ikke længere vil være rentabelt i dele af Danmark. De stramme danske gødningsregler medfører allerede i dag væsentlige økonomiske tab som følge af mindre høstudbytte og forringelse af proteinindholdet i kornet. Der er derfor behov for en nytænkning af, hvordan landbruget kan medvirke til et godt vandmiljø. Regeringens Natur- og Landbrugskommission foreslog derfor i 2013, at reguleringen skal målrettes og differentieres, så ikke alle områder bliver pålagt de samme restriktioner. Hermed kan der tages hensyn til, at de naturlige betingelser for nitratreduktion i undergrunden varierer betydeligt afhængig af de geologiske forhold. På landsplan ved vi, at 2/3 af den nitrat, der udvaskes fra markernes rodzone, reduceret (=forsvinder), inden det når frem til fjorde og kystnære vande på grund af kemiske reaktioner i undergrunden og ådalene. Men vi ved også, at der er store lokale variationer i nitratreduktionen indenfor et opland. Det betyder, at der indenfor et opland findes både landbrugsarealer, hvor naturen selv sørger for reduktionen af nitrat, og hvor reguleringer derfor er unødvendige, men også arealer, hvor nitraten ikke reduceres i undergrunden, og hvor en forsat regulering er nødvendig. Ensartede reguleringer er derfor, samfundsøkonomisk set, en dårlig forretning. En differentieret regulering, med fokus på landbrugsarealer med en stor udvaskning fra rodzonen og samtidig en lille nitratreduktion i undergrunden, vil være langt mere omkostningseffektiv. Men, som også påpeget af Natur- og Landbrugskommissionen, har vi i dag ikke tilstrækkelig viden til at udpege områder med stor henholdsvis lille naturlig nitratreduktion på tilstrækkelig lille skala. Det kan illustreres med den landsdækkende kortlægning af nitratreduktionen som staten (Naturstyrelsen, Miljøstyrelsen, NaturErhvervsstyrelsen) i øjeblikket er ved at få udarbejdet. Her tillader data- og vidensgrundlaget kun, at nitratreduktionen beregnes som gennemsnit for områder på ca. 15 km 2. Eftersom langt størstedelen af variationen fra den ene mark til den anden forsvinder, når der tages gennemsnit over 15 km 2, vil statens nuværende kortlægning derfor kun være i stand til at udnytte en meget lille del af det potentiale, der ligger i differentieret regulering. 2. NiCA konceptet Forskning kan bidrage med ny viden. I NiCA projektet, som er finansieret af Det Strategiske Forskningsråd med en bevilling på 14,5 millioner kr. for perioden 2010-2014, har vi udviklet nye metoder til at kortlægge den naturlige nitratreduktion i undergrunden. Metoderne er afprøvet på det 101 km 2 opland til Norsminde Fjord ved Odder, hvor en væsentlig reduktion af nitrattilførslen er nødvendig for at forbedre forholdene i fjorden. De væsentligste elemen- 1
ter i de nye metoder er beskrevet i Refsgaard et al. (2012; 2014) og illustreret i Figur 1. NiCA konceptet består af følgende trin: 1. Helikopterbaseret geofysisk kortlægning med fokus på en høj rumlig opløsning af de øverste 30 m af undergrunden. NiCA har benyttet data fra SkyTEM101, som blev udviklet og testet i NiCA (Pedersen et al., 2013; Schamper et al., 2014). 2. Stokastisk geologisk modellering for at kvantificere usikkerheden på undergrundens geologi som følge af begrænset data og viden. Modelleringen er baseret på geofysiske og geologiske data samt geologisk viden om overordnede strukturer i geologien. Der anvendes et stokastisk geologisk værktøj, som kan generere flere lige sandsynlige versioner af den ukendte undergrund, som alle er i overensstemmelse med boringsdata og som med hjælp fra de geofysiske data laver forskellige interpolationer mellem boringerne. Vi har benyttet programmet TProGS (Carle et al., 1998) og har generet 10 mulige geologier baseret på boringsdata alene samt 10 geologier, hvor både boringsdata og SkyTEM data benyttes (He et al., 2014; Koch et al., 2014). 3. Stokastisk hydrologisk modellering. Udfra de 20 forskellige geologier er der opstillet 20 hydrologiske modeller baseret på modelsystemet MIKE SHE med en integreret beskrivelse af overfladevand og grundvand. De 20 modeller er kalibrerede mod observerede data for trykniveauer i grundvandet og vandføringer i vandløbet (He et al., submitted). 4. Estimering af dybden til redoxgrænsen (100m skala). Nitraten reduceres af reducerede forbindelser (organisk kulstof, pyrit og ferrojern som samlet bliver kaldt redoxkapacitet) i sedimenterne under iltfrie forhold. Overgangen fra iltede til iltfrie forhold i undergrunden kaldes redoxgrænsen, og kendskab til dennes placering er meget vigtig i modellering af nitrattransport og reduktion. Der er dog meget svært at bestemme dybden til redoxgrænsen ud fra data, da dybden varierer meget over korte afstande og der er meget få data tilgængelige. Vi har derfor udviklet et koncept til at estimere dybden til redoxgrænsen. Konceptet er baseret på den hypotese at redoxgrænsen har flyttet sig nedad siden sidste istid, fordi ilt i det nedsivende vand har forbrugt redoxkapaciteten i sedimenterne. Det rumlige mønster for dybden til redoxgrænsen bestemmes derfor af den lokale variation i grundvandsdannelse (transport af ilt fra overfladen) og sedimenttype (redoxkapacitet). Dybden af redoxgrænsen er herefter kalibreret ved at implementere den i en nitratmodel med en gridskala på 100 m. Kalibreringen sker ved at bevæge redoxgrænsen op og ned indtil modellens nitratfluks til Norsminde Fjord svarer til den målte fluks (Hansen et al., 2014a). Modelsimuleringerne af nitrattransporten og reduktionen er gennemført som partikelbanesimuleringer, hvor der er tilført en partikel i bunden af rodzonen for hvert kg nitrat der udvaskes i hvert beregningsgrid. Nitratpartiklerne følger strømningslinierne på deres vej mod vandløbene og nitratfluksen til Norsminde Fjord opgøres så ved at tælle, hvor mange partikler der ikke har passeret ned under redoxgrænsen undervejs. Som input til nitratmodellen benyttes beregnede nitratudvaskninger fra rodzonen (Thirup, 2014). Kalibreringen af redoxgrænsen er gennemført for tre forskellige forudsætninger om placeringen af redoxgrænsen nær vandløb og for det rumlige billeder af grundvandsdannelse i kombination med de 20 forskellige geologiske/hydrologiske modeller, dvs. i alt er 60 nitratmodeller sat op og redoxgrænsen er kalibreret. 5. Nitratreduktionskort (100 m skala). For hver af de 60 kalibrerede redoxgrænser er der dernæst produceret nitratreduktionskort. Nitratreduktionen opgøres ved at tælle, hvor mange partikler der for hvert beregningsgrid i modellen undervejs til vandløbet passerer ned under redoxgrænsen. Reduktionsprocenten opgøres som andelen af reducerede partikler i forhold til tilførte partikler (= nitratudvaskning) i det pågældende grid (Hansen et al., 2014a). 2
Figur 1. Hovedelementer i NiCA konceptet (Refsgaard et al., 2012; 2014) 3
6. Usikkerhedsanalyse. Usikkerheden på nitrat reduktionskortene, som følge af den geologiske usikkerhed, bestemmes som spredningen (standardafvigelsen) mellem de 60 modeller for hvert beregningsgrid. Dette gøres dels på modellernes oprindelige 100m skala, men også på skalaer fra 200m op til 2000m ved at aggregere modelresultaterne. Derved findes en sammenhæng mellem modelusikkerhed og den skala, hvorpå modelresultaterne opgøres, dvs. hvor meget usikkerheden på nitratreduktionen kan reduceres hvis resultaterne aggregeres til større skalaer end den mindste beregningsenhed på 100 m (Hansen et al., 2014b). Trin 1 og Trin 2 er beskrevet i Refsgaard et al. (2012). Vi vil derfor her koncentrere os om at beskrive resultater fra de efterfølgende trin med fokus på den hydrologiske modellering og nitratreduktionskortene. 3. Hydrologisk modellering De 20 hydrologiske modeller er opstillet i MIKE SHE med 100 m beregningsgrid. Modellerne er ens bortset fra geologien, som stammer fra 10 realisationer genereret af TProGS med boringdata og 10 andre realisationer baseret på både boringsdata og SkyTEM data. De stokastiske geologiske modeller er kun genereret for den vestlige del af oplandet (Figur 2), mens geologien for resten af oplandet er ens i alle 20 modeller baseret på SkyTEM data. Derfor er usikkerhedsanalyserne kun relevante for dette stokastiske område. De 20 hydrologiske modeller er auto-kalibrerede med brug af parameterestimationsprogrammet PEST mod de samme observationsdata for trykniveauer i grundvandet og vandføringer ved tre vandløbsstationer (Figur 2). Figur 2. Oplandet til Norsminde Fjord med markering af det opstrøms delområde omkring målestation 270003, hvor de stokastiske geologiske modeller blev genereret. 4
Figur 3 viser kalibreringsresultater fra den opstrøms vandløbsstation (st. 270003), hvis opland udelukkende er indenfor området med stokastisk geologi. På figuren bemærkes, at spredningen mellem de modelsimulerede vandføringer bliver reduceret, når geofysikdata bliver medtaget. 0,6 0,5 Geologier baseret på boringsdata Observeret Simuleret Vandføring [m3/s] 0,4 0,3 0,2 0,1 Vandføring [m3/s] 0 01-01-2000 01-01-2001 01-01-2002 01-01-2003 Geologier baseret på SkyTEM + boringsdata 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Observeret Simuleret 0,1 0 01-01-2000 01-01-2001 01-01-2002 01-01-2003 Dato Figur 3. Modelsimuleringer fra kalibreringsperioden med de 10 geologier der kun er baseret på boringsdata (øverst) og de andre 10 geologier der er baseret både på boringer og geofysik (SkyTEM) data (nederst). Observerede data er vist som punkter, mens det grå bånd repræsenterer spredningen blandt de 10 modelsimuleringer (He et al., submitted). 4. Kort over nitratreduktion De 60 kalibrerede nitratmodeller giver alle en nitratreduktion i undergrunden på 55%, svarende til forskellen mellem den skønnede nitratudvaskning og nitratfluksen til Norsminde Fjord. Men som det fremgår af Figur 4 er kortene ret forskellige, dvs. at der er en betydelig usikkerhed på, hvordan de 55% nitratreduktion fordeles indenfor oplandet. 5
Figur 4. 60 kort med nitratreduktionsprocenter som alle giver en nitratreduktion på 55% for hele oplandet. De tre scenarier svarer til forskellige forudsætninger med hensyn til kalibrering af dybden til redoxgrænsen. For hvert scenarie er der 20 geologiske modeller, hvoraf de øverste 10 er baseret på boringer og SkyTEM geofysik, mens de nederste 10 kun er baseret på data fra boringer (Hansen et al., 2014b). Ud fra de 60 modelsimuleringer er gennemsnit og standardafvigelse for reduktionsprocent i hver enkelt beregningsgrid beregnet, både for de 30 modeller (3 redoxgrænser x 10 geologier) der kun benytter data fra boringer og for de 30 modeller der også medtager SkyTEM geofysikdata (Figur 5). Standardafvigelsen mellem de 30 modeller kan betragtes som et mål for usikkerheden på nitratreduktionen som følge af geologisk usikkerhed og usikkerhed på dybden til redoxgrænsen. Ligesom for vandføringerne i Figur 3 bemærkes det, at usikkerheden er lavere, når SkyTEM data benyttes. Det bemærkes også, at usikkerheden specielt er stor for lavbundsområderne omkring vandløbene. Den gennemsnitlige usikkerhed hen over området beregnes dernæst ved at tage et gennemsnit af standardafvigelseskortene (Figur 5c og d), og dette tal benyttes i den efterfølgende skalaanalyse. Figur 6 viser resultater fra skalaanalysen, hvor resultaterne i de enkelte beregningsgrid er aggregeret og midlet fra 100 m til 200 m (middel over 4 beregningsgrid) og helt op til 2000 m (middel over 400 beregningsgrid), før standardafvigelserne er beregnet. Det bemærkes, at den gennemsnitlige standardafvigelse på 19% og 25% fra Figur 5(c og d) genfindes som startpunktet ved 100 m på de to kurver i Figur 6. Resultaterne i Figur 6 viser for det første at usikkerheden på nitratreduktionen er forholdsvis stor hvis vi anvender modelresultaterne på 100m skala, men usikkerheden falder jo længere vi går op i skala. Dette fald i usikkerhed er størst op til 500 m, hvorefter kurverne flader noget ud. For den SkyTEM baserede geologi er usikkerheden således halveret hvis resultaterne opgøres på 500 m skala (25 ha) sammenlignet med på 100 m (1 ha). For det andet viser figuren, at usikkerheden kan reduceres ved at anvende SkyTEM geofysikdata. 6
Figur 5. Den gennemsnitlige nitratreduktion og usikkerheden herpå, repræsenteret ved standardafvigelsen mellem 30 modelberegninger, for hver beregningsgrid. (Hansen et al., 2014b). Usikkerhed på nitratreduktion [%] 30 25 20 15 10 5 0 SkyTEM + boringsdata Boringsdata 0 500 1000 1500 2000 Skala [m] Figur 6. Usikkerheden på den procentvise nitratreduktion som funktion af længdeskala hvormed resultaterne aggregeres før standardafvigelserne beregnes. 500 m svarer fx til en aggregering over 25 beregningsceller (Hansen et al., 2014b). 7
5. Betydning for vandforvaltning Spørgsmålet er så, hvordan denne variation i nitratreduktion i naturen kan nyttiggøres? For bedre at forstå det, laver vi det tankeeksperiment illustreret i Figur 7. Et vandløb modtager nitrat fra to lige store marker (A og B), der hver har en årlig udvaskning af 125 kg nitrat og en nitratreduktion i undergrunden på 60%, hvilket giver en nitratbelastning af vandløbet på 40% x 125 kg + 40% x 125 kg = 100 kg (kolonnen A=B i Figur 7). Hvis nitratbelastningen skal nedsættes fra 100 kg til 80 kg, vil det med en ensartet regulering kræve, at begge marker nedsætter deres udvaskning fra 125 kg til 100 kg. Hvis de to marker i stedet har reduktionsprocenter på 100% for A og 20% for B (kolonnen A B til højre i Figur 7), vil en ensartet regulering også her betyde, at markerne skal nedsætte deres udvaskning fra 125 kg til 100 kg. Ved en differentieret regulering kan den krævede reduktion i nitratbelastning fx ske ved, at udvaskningen fra mark B reduceres fra 125 kg til 100 kg, mens restriktionerne for mark A kan ophæves, fordi alt nitrat herfra nedbrydes af naturen, og der kan være en udvaskning svarende til økonomisk optimal dyrkning, fx 150 kg. Hvis forskellen på de to marker er en mellemting mellem de to foregående eksempler (kolonnen A B i figur 7) med reduktionsprocenter på 80% for A og 40% for B, bliver resultatet også en mellemting. Det er her værd at bemærke, at det under visse omstændigheder er muligt at reducere den samlede udledning til vandløbet, uden at udvaskningen fra markerne samlet set reduceres. Men under alle omstændigheder vil det være muligt at have større udvaskninger fra markerne, når der benyttes differentieret regulering end ved den ensartede regulering, og den mulige gevinst ved differentieret regulering øges jo større forskelle, der er i reduktionsprocenter inden for et område. Dette illustrerer, hvorfor ensartede reguleringer er en dårlig forretning. Marker A og B med nitratreduktion i undergrunden A = B A B A B 125 100 125 100 125 100 125 100 125 100 125 100 Ensartet regulering A 60% B 60% A 80% B 40% A 100% B 20% 50 40 50 40 25 20 75 60 0 0 100 80 120 80 130 90 150 100 Differentieret regulering A 60% B 60% A 80% B 40% A 100% B 20% 48 32 26 54 0 80 Udvaskning fra marken Udledning Nitratudledningskrav fra A+B 100 til vandløb Nitratudledningskrav fra A+B 80 Figur 7. Illustration af hvordan differentieret regulering kan udnytte forskelle i naturlig nitratreduktion i undergrunden. Hvad betyder de nye NiCA resultater så i praksis? Vi har i samarbejde med landmænd i Norsminde oplandet regnet på, hvor meget landbrugsproduktionen kan øges, hvis vi tillader landmændene at øge gødskningen på marker med stor naturlig nitratreduktion mod til gengæld at lave indgreb, der reducerer udvaskningen på marker med lille nitratreduktion. Resultaterne viser, at gevinsten ved differentieret regulering i form af afgrødevalg kan blive op til flere hundrede kr. pr. hektar hvert år, hvis nitratreduktionskravet er som hidtil. Hvis reduktionskravet i fremtiden øges i nogle oplande vil gevinsten øges i forhold til en ensartet regu- 8
lering. Ligeledes kan optimal placering af nye virkemidler, som for eksempel minivådområder eller udtagning være relevant for at øge gevinsten. Der er med andre ord mange penge at hente ved at omlægge reguleringen, men det kræver at vi har tilstrækkelig viden og data til det. Vi vurderer, at det vil koste 400 800 kr. pr. hektar at gennemføre en NiCA kortlægning (dvs. geofysisk kortlægning, geologisk modellering, hydrologisk modellering og nitratmodellering, usikkerhedsvurderinger). Så det vil være samfundsøkonomisk fordelagtigt at gennemføre denne engangsinvestering i de oplande, hvor der er væsentlig nitratreduktionskrav. Den opnåede gevinst vil, alt efter politiske prioriteringer, kunne benyttes til at forbedre miljøtilstanden og/eller forbedre den enkelte landmands økonomi. Selvom der samlet set er en gevinst ved øget målretning vil der være bedrifter, der taber på målretning i forhold til generel regulering, men i NiCA er der ikke taget stilling til, hvordan denne udfordring løses. For den enkelte landmand kan det betyde yderligere bindinger på sædskiftet, såfremt fx efterafgrøder skal målrettes de marker, der giver den største effekt. Indførelse af differentieret regulering af nitratudvaskning efter NiCA-konceptet i stedet for den gængse ensartede regulering vil være et fundamentalt nyt princip, og der vil være behov for mere ny viden. Vi ved for eksempel ikke nok om, hvor drænrørene ligger, og hvor effektive de er til at aflede vand og nitrat fra de enkelte marker. Vi ved ikke med stor sikkerhed hvor dybt redoxgrænsen ligger, og vi ved også meget lidt om nitratomsætningen i våde lavbundsjorde tæt på vandløbene. NiCA har vist, at der er et betydeligt potentiale ved en mere detaljeret regulering. Hvis det skal lykkedes at udnytte potentialet ved en detaljeret regulering fuldt ud, må der investeres tid og ressourcer til en fortsat videns oprustning. 6. Referencer Carle SF, LaBolle EM, Weissmann GS, Van Brocklin D, Fogg GE (1998) Conditional simulation of hydrofacies architecture: a transition probability/markov approach. In: Fraser GS, Davis JM, editors. Concepts in hydrogeology and environmental geology, 1. SEPM Special Publication; 147 70. Hansen AL, Christensen BSB, Ernstsen V, He X, Refsgaard JC (2014a) A concept for estimating depth of the redox interface for catchment-scale nitrate modelling in a till area in Denmark. Hydrogeology Journal, doi: 10.1007/s10040-014-1152-y Hansen AL, Gundermann D, He X, Refsgaard JC (2014b) Uncertainty assessment of spatially distributed nitrate reduction potential in groundwater using multiple geological realizations. Journal of Hydrology, 519, 225-237. He X, Koch J, Sonnenborg TO, Jørgensen F, Schamper C, Refsgaard JC (2014) Transition probability based stochastic geological modeling using airborne geophysical data and borehole data. Water Resources Research, 50, WR014593. He X, Hansen AL, Jørgensen F, Refsgaard JC (submitted) Assessing hydrological predictive uncertainties from geological model structural uncertainty using transition probability geostatistics. Koch J, He X, Refsgaard JC (2013) Challenges in conditioning a stochastic geological model of a heterogeneous glacial aquifer to a comprehensive soft dataset. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss 10, doi: doi:10.5194/hessd-10-15219- 2013. Pedersen J, Effersø F, Jørgensen F, Refsgaard JC, Auken E, Schamper C, Christiansen AV (2013) Mini-SkyTEM et nyt kortlægningsværktøj. Vand & Jord, 20(3), 118-121. Refsgaard jc, Auken E, Gertz F (2012) Nitratreduktion i grundvand som virkemiddel. Vand & Jord, 19(5), 107-111. Refsgaard JC, Auken E, Bamberg CA, Christensen BSB, Clausen T, Dalgaard E, Effersø F, Ernstsen V, Gertz F, Hansen AL, He X, Jacobsen BH, Jensen KH, Jørgensen F, Jørgensen LF, Koch J, Nilsson B, Petersen C, De Schepper G, Schamper C, Sørensen KI, Therrien R, Thirup C, Viezzoli A (2014) Nitrate reduction in geologically heterogeneous catchments a framework for assessing the scale of predictive capability of hydrological models. Science of the Total Environment 468-469, 1278-1288. 9
Schamper C, Jørgensen F, Auken E, Effersø F (2014) Assessment of near-surface mapping capabilities by airborne transient electromagnetic data an extensive comparison to conventional borehole data. In press, Geophysics. Thirup C (2013) Nitrate leaching in the Norsminde area. NiCA Technical Note. Kan downloades fra www.nitrat.dk. 10