Modelanalyse af N-fjernelse i Mariager Fjord ved iltning af Dybet og ved muslingeopdræt Rapport december 2017 Mariagerfjord Kommune Rapport December 2017
Denne rapport er udarbejdet under DHI s ledelsessystem, som er certificeret af Bureau Veritas for overensstemmelse med ISO 9001 for kvalitetsledelse mariager fjord model_5_12_17
Modelanalyse af N-fjernelse i Mariager Fjord ved iltning af Dybet og ved muslingeopdræt Rapport december 2017 Udarbejdet for Repræsenteret ved Mariagerfjord Kommune Bjarke Uffe Jensen, Afdelingsleder Simuleret denitrifikation i vandet gennem et tværsnit af Dybet i Mariager fjord Projektleder Kvalitetsansvarlig Erik Kock Rasmussen Flemming Møhlenberg Projektnummer 11819650 Godkendelsesdato 7 december 2017 Revision Endelig Klassifikation Åben DHI Agern Allé 5 2970 Hørsholm Telefon: +45 4516 9200 Telefax: +45 4516 9292 dhi@dhigroup.com www.dhigroup.com
mariager fjord model_5_12_17
INDHOLDSFORTEGNELSE 1 Resumé... 1 2 Baggrund for modelanalyse... 4 2.1 Mariager Fjord, en tærskelfjord... 5 3 Kalibrering af model... 8 3.1 Hydraulisk model... 8 3.1.1 Beregningsnet og batymetri... 8 3.1.2 Drivdata til den hydrodynamiske model... 10 3.1.3 Validering af den hydrodynamiske model... 12 3.2 Økologisk model... 17 3.2.1 Modelleret produktionscyklus i en muslingefarm... 18 3.2.2 Drivdata til økologiske model... 20 3.2.3 Modelvalidering og robusthed af Mariager Fjord modellen... 22 3.2.4 Denitrifikation i vand og sediment samt N- og P-massebalancer... 29 4 Scenarieberegninger... 34 4.1 Iltning af Dybet med 1100-1900 ton ilt pr. år... 35 4.2 N-fjernelse ved periodevis iltning af Dybet 100-400 ton ilt pr. år... 41 4.3 N-fjernelse ved jævn iltning af Dybet, 600-900 ton ilt pr. år... 44 4.4 Effekt af muslingebrug som marint virkemiddel i Mariager Fjord... 47 4.4.1 Høst af muslinger samt massbalance for N og P... 47 4.4.2 Afledte effekter af muslingebrugene... 51 4.5 N fjernelse ved muslingebrug plus periodevist iltning af Dybet... 57 5 Referencer... 63 A Økologisk model... 68 FIGURER Figur 2-1 Mariager fjord med angivelse af det dybe hul ud for Mariager. Fra (Århus & Nordjyllands Amter 2005).... 6 Figur 2-2 Længdeprofil af Mariager Fjord med angivelse af typiske saliniteter. Fra (Christiansen C. 1997).... 6 Figur 2-3 Cirkulation i overfladen af Mariager inderfjord, samt tipning af springlag i en vestenvindssituation, (Århus & Nordjyllands Amter 1998).... 7 Figur 3-1 Horisontalt beregningsnet (mesh) for Mariager Fjord-modellen.... 9 Figur 3-2 Detalje af horisontalt beregningsnet (mesh).... 9 Figur 3-3 Vertikalt beregningsnet (tværsnit af Dybet) for Mariager Fjord-modellen.... 9 i
Figur 3-4 Modelbatymetri for Mariager Fjord-modellen.... 10 Figur 3-5 DCE 4. ordens farvande (indre del, midterdel, ydre del) med indikation af de tilhørende oplande og de fem repræsentative åer inkluderet i Mariager Fjord-modellen.... 11 Figur 3-6 Vandføring (Q) i de fem repræsentative åer anvendt i Mariager Fjord-modellen. Disse fem vandføringer udgør den totale ferskvandstilstrømning til fjorden.... 12 Figur 3-7 Målt og modelleret vandstand i perioden 2011-2016 ved Als Odde (øverst) og Hobro Havn (nederst). Bemærk, at i det nederste plot ses en del spikes, dvs. fejl, i målingerne.... 13 Figur 3-8 Målt og modelleret vandstand i perioden november-december 2013 ved Als Odde (øverst) og Hobro Havn (nederst). Bemærk det store udsving i vandstanden omkring 6.-7. december, som skyldes stormen Bodil. Ved Als Odde faldt måleren ud i nogle dage efter stormen, hvilket ses af den rette sorte linje i det øverste plot.... 13 Figur 3-9 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i forskellige dybder i Dybet (NOR5503).... 14 Figur 3-10 Isopleth plots af målt (øverst) og modelleret (nederst) saltholdighed (PSU) i Dybet (NOR5503)... 15 Figur 3-11 Isopleth plots af målt (øverst) og modelleret (nederst) vandtemperatur ( C) i Dybet (NOR5503)... 15 Figur 3-12 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i to dybder ved Havnø (NOR24013). Bemærk, at der i denne station kun er målinger for året 2016.... 16 Figur 3-13 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i to dybder ved Luftledninger (NOR24019).... 16 Figur 3-14 Placering af 5 muslingebrug i Mariager fjord, 4 brug i Inderfjorden omkring Dybet, og 1 i den inderste del af Yderfjorden.... 17 Figur 3-15 Position (x) for modeludtræk af muslingers tæthed, tørvægt og realiserede filtrationsrate.... 19 Figur 3-16 Tidslig variation i muslingetæthed (antal/m 2 ) og individtørvægt af bløddele i modelpunkt angivet i Figur 3-15. Værdier er midlet over dybdeinterval med muslinger.... 19 Figur 3-17 Modelleret filtrationsrate (m 3 /m 2 farm/d) i modelpunkt angivet i Figur 3-15. Værdier er midlet over dybdeinterval med muslinger.... 20 Figur 3-18 Placering af moniteringsstationer. Rød viser vandkemi, sort profiler af temperatur, salinitet, ilt og sigtdybde. Dokkedal-stationen i Kattegat er brugt som randkemistation.... 20 Figur 3-19 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af kvælstof (total kvælstof, ammonium kvælstof, nitrat-nitrit kvælstof) i overfladen ved station NOR5503.... 23 Figur 3-20 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af fosfor (total fosfor, fosfat) i overfladen ved station NOR5503.... 23 Figur 3-21 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af ammonium kvælstof i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme.... 24 Figur 3-22 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af fosfat i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme.... 24 Figur 3-23 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af sulfid i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme.... 25 Figur 3-24 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af ilt i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Høje ilt koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme.... 25 Figur 3-25 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af nitrat i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Høje iltkoncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme.... 26 Figur 3-26 Målt og modelleret (linje) koncentration af klorofyl i overfladevandet ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016.... 26 Figur 3-27 Målt og modelleret (linje) sigtdybde ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016.... 27 ii mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-28 Denitrifikation i danske fjorde fra (Christensen 2002).... 30 Figur 3-29 Mariager Fjord, N og P massebalance i situation uden Marine Virkemidler. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky)... 31 Figur 3-30 Denitrifikation i Mariager fjord, g N m -2 år -1. Øverst denitrifikation i springlaget i Dybet. Nederst denitrifikation i sedimentet.... 32 Figur 3-31 Nettotransport af TN (øverst) og TP (nederst) ton pr. 15 døgn mellem Inderfjord og Yderfjord i Mariager Fjord. Negative og positive tal betyder hhv. eksport fra og import til Inderfjorden.... 32 Figur 4-1 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en iltdosering tilpasset en mængde svarende til 2 gange en oxidering af NH4 og H2S i Dybet.... 35 Figur 4-2 Mængden af ilt og H2S i Dybet uden tilførsel af ilt (øverst) samt ved tilførsel af 1100-1900 ton ilt pr. år (nederst)... 36 Figur 4-3 Koncentrationen af ilt og H2S på station NOR5503 i Dybet, i en dybde ved siden af og under diffusoren 26.5 m og 20,5 m.... 37 Figur 4-4 Udvikling af N-puljer i Dybet over 12 m dybde uden virkemiddel (øverst) og med iltning (nederst)... 38 Figur 4-5 Udvikling af P-puljer i Dybet over 12 m dybde uden virkemiddel (øverst) og med iltning (nederst)... 38 Figur 4-6 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer ved tilførsel af 1100-1900 ton ilt pr. år til Dybet. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky).... 40 Figur 4-7 Ændring af nettotransporten af TN (øverst) og TP (nederst) summeret over 15 døgn mellem situationen uden iltning og med iltning. Negative tal: Eksporten af N eller P fra Inderfjorden til yderfjorden er højere med iltning end uden iltning. Positive tal: Eksporten af N eller P er mindre med iltning end uden iltning.... 41 Figur 4-8 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en måneds kraftig iltdossering fra 15.6-15.7.... 41 Figur 4-9 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer ved en periodevis tilførsel af 100-400 ton ilt pr. år til Dybet over en måned om sommeren. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inderog Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky).... 43 Figur 4-10 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en måneds jævn iltdossering tilpasset maksimal mængde NH4 og H2S uden ilttilførsel det enkelte år.... 44 Figur 4-11 Mariager Fjord, N og P massebalancer ved en periodevis tilførsel af 600-900 ton ilt pr. år til Dybet jævnt fordelt over året. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky).... 46 Figur 4-12 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer med 5 muslingebrug på i alt 86,7 ha, gennemsnit for 2011-2016. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky).... 49 Figur 4-13 Nettotransporten af TN og TP (2 øverste figurer) i ton pr.15 døgn mellem Inder-og Yderfjord. Negative og positive tal betyder hhv. eksport fra og import til Inderfjorden. Nederste figurer viser ændringen i nettotransporterne ( TN og TP) mellem situationen uden virkemiddel og med muslingebrug. Positive tal: reduktion i eksporten til eller øgning af importen fra Yderfjorden af TN og TP.... 50 Figur 4-14 Modelleret øgning i sommer-sigtdybden (marts-oktober) i Mariager Fjord efter etablering af 5 standard muslingebrug. Gennemsnit af 5 år (2011-2016)... 51 Figur 4-15 Effekten af muslingefarme på bundlevende mikroalger i Mariager Fjord. Beregningsperiode 1. marts 31. oktober.... 51 Figur 4-16 Effekt af muslingefarme på klorofyl (planteplankton), zooplankton og detritus i Inderfjorden og Yderfjorden. Beregningsperiode 1. marts - 31. oktober. Søjler viser gennemsnitlige iii
reduktioner i masser i årene 2012-2016. Standardafvigelser mellem årene angivet ved error-bar... 52 Figur 4-17 Modelleret daglig tilførsel af kulstof til sedimentet under 4 muslingefarme i Inderfjorden. Kortvarige kraftige sedimentationshændelser repræsenterer afstødning af muslinger fra tove, eksempel markeret med pil.... 53 Figur 4-18 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk kulstof efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord... 53 Figur 4-19 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk N efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord.... 53 Figur 4-20 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk P og Fe bundet P efter 6 års produktion (2011-16) I Mariager Fjord.... 54 Figur 4-21 Modelleret ændring i sedimentets pulje af svovlbrinte efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord.... 54 Figur 4-22 Ændring i varighed af særlig kraftigt iltsvind (konc. < 1 mg O2/l) i Inderfjorden efter etablering af muslingefarme.... 55 Figur 4-23 Tidslig variation i beregnede masser af kvælstofforbindelser i dybvandet (> 12 m) i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst).... 56 Figur 4-24 Tidslig variation i beregnede masser af ilt (DO) og svovlbrinte (H2S) i dybvandet (> 12 m) i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst).... 56 Figur 4-25 Tidslig variation i modelleret denitrifikationsrater i dybvandet (DENW) og sediment (SNIM) beliggende på dybder > 12 m i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst)... 57 Figur 4-26 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer med iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 5 muslingebrug på i alt 86,7 ha, gennemsnit for 2011-2016. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky).... 60 TABELLER Tabel 1-1 Opsummering af N & P fjernelse ved to Virkemiddler iltning og muslingebrug. Rød angiver ingen eller negative effekter. Grøn angiver positive effekter.... 3 Tabel 2-1 Nuværende N-belastning til Mariager Fjord samt foreslåede N-reduktioner i medfør af Vandrammedirektivet. Miljø- og Fødevareministeriet 2016.... 4 Tabel 2-2 Marine virkemidler klassificeret efter kategori angivet i Timmermann et al. 2016.... 5 Tabel 3-1 Sammenhæng mellem DCEs 4. ordens farvande og repræsentative åer... 11 Tabel 3-2 Årlig vandtilførsel samt N og P belastning til Mariager fjord.... 21 Tabel 3-3 Fortolker af indeksværdier for modellens evne til at beskrive målinger (baseret på Allen et al 2007, Maréchal 2004). P-bias (%) : numerisk værdi af P-bias (%), som kan være negativ eller positiv.... 28 Tabel 3-4 Numeriske værdier for de tre indeks, der er anvendt til vurdering af modellens evne til at beskrive kemisk-biologiske overvågningsdata fra NOR5503 Dybet. Baseret på 6 års (2011-2016) data. Negative P-bias værdier viser, at modellen overestimerer de målte koncentrationer/værdier. Indeksværdier for klorofyl i () angiver beregninger for perioden 2012-2016.... 28 Tabel 3-5 N-massebalance i ton N pr. år for Mariager Fjord, samt for Inderfjorden og Yderfjorden uden virkemidler. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 30 Tabel 3-6 P-massebalance for Mariager Fjord samt for Inderfjorden og Yderfjorden uden virkemidler. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 33 iv mariager fjord model_5_12_17
Tabel 4-1 Scenarier med årlig ilttilførsel i iltningsscenarierne... 35 Tabel 4-2 N-massebalance, Inderfjord med iltning på 1100-1900 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 39 Tabel 4-3 P-massebalance, Inderfjord med iltning på 1100-1900 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 39 Tabel 4-4 N-massebalance, Inderfjord med iltning på 100-400 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 42 Tabel 4-5 P-massebalance, Inderfjord med iltning på 100-400 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 42 Tabel 4-6 N massebalance, Inderfjord med iltning på 600-900 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 45 Tabel 4-7 P massebalance, Inderfjord med iltning på 600-900 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 45 Tabel 4-8 Høst pr. år fra 2011-16 af muslingernes N, P i bløddele + skal + byssustråde samt høst af bløddeles tørvægt fra 4 muslingebrug i Inderfjorden samt et brug i Yderfjorden.... 47 Tabel 4-9 Massebalance for N i Inder- og Ydefjorden over perioden 2011-16, hvor der er placeret 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 48 Tabel 4-10 Massebalance for P i Inder- og Ydefjorden over perioden 2011-16, hvor der er placeret 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system... 48 Tabel 4-11 5 muslingebrug + iltning. Høst pr. år fra 2011-16 af muslingernes N, P i bløddele + skal + byssustråde samt høst af bløddeles tørvægt fra 4 muslingebrug i Inderfjorden samt et brug i Yderfjorden.... 58 Tabel 4-12 Massebalance for N i Inder- og Yderfjorden over perioden 2011-16, iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 58 Tabel 4-13 Massebalance for P i Inder- og Yderfjorden over perioden 2011-16, iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system.... 59 BILAG BILAG A Økologiske model En kort beskrivelse v
BILAG B Figurer kalibrering-validering Figurer ikke vist i tekstdel BILAG C Denitrifikation i springlag Oktober november 2013 vi mariager fjord model_5_12_17
1 Resumé I forbindelse med vandrammedirektivets anden vandplansperiode (2015-2021) er det estimeret, at den nuværende N-belastning til Mariager Fjord på 880 ton N år skal reduceres med 182,4 ton N pr år for at kunne opnå det fastsatte mål for anden vandplansperiode. Mulighederne for at reducere N- belastningen fra oplandene er imidlertid begrænsede, da N-belastningen stammer fra grundvand, der over flere årtier har modtaget N-holdigt overfladevand fra det åbne land. I 2016 udkom et katalog over Marine Virkemidler med en liste af metoder til fjernelse af N i selve de marine områder. Listen er kategoriseret efter, hvor afprøvede og lovende disse metoder er. Iltning af bundvand er nævnt som en mulig lovende men uprøvet og udokumenteret metode. Fjernelse af N ved oprettelse af muslingefarme er en anden metode på listen, en metode som er afprøvet og dokumenteret. Mariagerfjord Kommune er som hovedaktør gået sammen med SEGES og Miljøstyrelsen om at finansiere et modelprojekt, der har til formål at undersøge mulighederne for at fjerne kvælstof fra Mariager Fjord ved iltning af bundvandet i Inderfjorden samt ved udlægning af muslingebrug fortrinsvist i Inderfjorden. DHI er engageret til at lave og afrapportere modelundersøgelsen. N-fjernelsen ved iltning af det iltfrie NH4 og H2S bundvand i den dybe del af Inderfjorden tænkes at ske ved at øge denitrifikationen i sedimentet og / eller i skillefladen i Dybet. Vandsøjlen i Dybet er lagdelt med med et saltere og dermed tungere bundvandlag og et mindre salt overfladelag. En strategi er at ilte bundvandet op, så der kan etablere sig en bundfanua; forudsætningen for netto at fjerne N er, at denitrifikationen i sedimentet er større end denitrifikationen i skillefladen. En anden strategi er at tilføre bundvandet en mindre mængde ilt, så der kan foregå en nitrifikation efterfulgt af en denitrifikation i bundvandet. N-fjernelsen ved oprettelse af muslingebrug sker ved at høste muslinger dyrket på liner eller på net, som har hængt i fjorden et år. Herved fjernes N- og P-indholdet i muslingerne fra fjorden. Der er opsat en model for Mariager Fjord, som består af en hydraulisk og en økologisk model. En 6-års periode fra 2011 til 2016 er valgt; dels fordi perioden skal repræsentere en nuværende tilstand, og dels fordi perioden indeholder markante indbrud af saltvand fra Kattegat til Inderfjorden som følge af vinterstorme. Indbruddet under stormen Bodil i december 2013 er således med i simuleringsperioden. Som udgangspunkt er der ved modelberegningerne brugt fremskrivninger af DCEs tilførsler af ferskvand samt belastninger af N og P til de tre 4. ordens oplande, der dækker oplandene til Mariager Fjord. Under arbejdet med den hydrauliske model blev det klart, at ferskvandstilførslen kan være ca. 20% for lav, hvilket er bekræftet af to grundvandsmodeller for området udarbejdet af hhv. NIRAS og GEUS. Disse modeller forudser, at der tilføres ca. 20% mere vand til fjorden end DCEs estimater, der kun inkluderer overfladeafstrømning til fjorden. Grundvandsmodellerne estimerer, at op til 40% af tilførslen sker via udsivende grundvand gennem fjordbunden. De forskellige estimater af vandtilførslen viser at opgørelserne er forbundet med en vis usikkerhed. I den hydrauliske model anvender en tilførsel af ferskvand til fjorden svarende til DCEs tilførsel plus 20%. Den hydrauliske model er kalibreret og valideret mod målte profiler af salinitet og temperatur med resultatet excellent. Modellen evner at beskrive lagdelingen i Dybet samt saltvandsindbrud forårsaget af storme om vinteren. Den økologiske model er blevet udvidet med en beskrivelse af denitrifikationen i vandet baseret på forsøg og målinger fra Mariager Fjord samt udvidet med en model, der beskriver væksten og biomassen af blåmuslinger på liner. Man har valgt at bibeholde DCEs belastning af N og P til fjorden på trods af, at der tilføres fjorden 20% mere vand. Dette begrundes med, at N-indholdet i grundvandet, der består af nitrat, skal sive ud gennem en fjordbund med stor nitratreduktionskapacitet, hvor der i et vist omfang 1
vil ske en fjernelse af N ved denitrifikation. For fosfor er det mere usikkert, hvad der vil ske. Der er ingen danske undersøgelser omkring tilbageholdelse af N og P i grundvand, der siver ud gennem fjordbunde. Bestemmelsen af N belastningen er behæftet med en vis usikkerhed, dels på grund af usikkerheden på vandballancen, samt del på grund af usikkerheden af hvor meget af grundvandets N der tilbageholdes i fjordbunden. Den økologiske model er kalibreret og valideret på målte vandkemiske data fra en station i Dybet samt på profilmålinger af ilt og sigtdybder på en række stationer ind gennem fjorden. Kalibreringen og valideringen betegnes som tilfredsstillende. En massebalance-opgørelse på de eksisterende forhold viser, at ca. 41% af den tilførte N- belastning fjernes ved denitrifikation, samt at ca. 9% af N-belastningen ophobes i sedimentet. Det betyder, at kun 50% af N-belastningen når frem til Kattegat. I forhold til andre danske fjordsystemer er det en høj N-tilbageholdelse, hvilket må tilskrives en høj nitratkoncentration en stor del af året kombineret med, at opholdstiden i specielt Inderfjorden er høj. Denitrifikationen pr.m 2 pr. år i skillefladen af Dybet viser sig samtidigt at være på størrelse med eller større end den tilsvarende denitrifikation i sedimentet. Det betyder, at strategien med at øge N-fjernelsen ved at ilte bundvandet op til minimum 4 mg l -1 ikke holder, idet en N-fjernelse i skillefalden blot erstattes med en N-fjernelse i sedimentet. En beregning med tilledning af 1100 til 1900 ton ilt pr. år til Dybet bekræfter dette, idet der netto kun blev denitrificeret 8 ton N pr. år mere i Inderfjorden end uden iltning. Iltningen havde den negative effekt at øge mineraliseringen af organisk bundet N og P i Inderfjordens sediment, som medførte en øget eksport af N og P til Yderfjorden, som herved blev mere eutrofieret, se Tabel 1-1. Der er lavet to beregninger, hvor denitrifikationen i vandet af Dybet søges forøget ved iltning. En metode er afprøvet ved i en sommermåned i juni-juli at ilte bundvandet, så NH4 nitrificeres, og H2S-koncentrationen reduceres ved oxidation til frit svovl eller sulfat. Det sidste er nødvendigt, da H2S hæmmer en nitrifikation af NH4. Efter iltningen skal der gå nogen tid, så der igen opbygges en pulje af H2S. De denitrificerende organismer bruger H2S i denitrifikationsprocessen, der fører til, at NO3 omdannes til gasformigt N2, der ikke kan bruges til ny produktion af planteplankton i fjorden. De tilførte mængder af ilt tilpasses mængderne af NH4 og H2S i bundvandet inden den 15. juni i simuleringen uden iltning, hvilket svarer til en årlig iltning på mellem 100 og 400 ton ilt. Resultaterne fra denne simulering viser, at den samlede denitrifikation i Inderfjorden ikke forøges, men at der blot sker en forrykning af denitrifikationen mod mere denitrifikation i vandet og mindre denitrifikation i sedimentet. Iltningen af bundvandet øger imidlertid mineraliseringen af organisk bundet N og P i sedimentet, hvilket betyder, at der netto eksporteres mere N og P fra Inderfjorden til Yderfjorden. En anden iltningsmetode til at forøge denitrifikationen i dybets bundvand er undersøgt. Metoden går ud på at dosere ilt til bundvandet i mindre mængder det meste af året på nær i vintermånederne, hvor der forekommer saltindbrud. Metoden antager, at der i området omkring iltdiffusoren sker en nitrifikation af NH4, og at der samtidigt i andre område af Dybet er iltfrit og er en pulje af H2S, så der kan foregå en denitrifikation af nitratet. Den totale tilførte mængde ilt er beregnet ud fra, at man årligt skal kunne nitrificere den maksimalt forekomne mængde NH4 og H2S til hhv. NO3 og sulfat, hvilket giver en årlig ilttilførsel på mellem 600 og 900 ton ilt. Resultatet af denne beregning viser, at der i Inderfjorden netto denitrificeres 8 tons mere N end i simuleringen uden iltning. Samtidigt sker der en mineralisering af sedimentet, så der eksporteres mere N og P fra Inderfjorden til Yderfjorden. På baggrund af de foretagne beregninger med iltning af dybet må det konkluderes, at en iltning ikke kan anvendes som Marint Virkemiddel, idet der stort set ikke netto fjernes N, men derimod 2 mariager fjord model_5_12_17
forekommer en øget eksport af N og P ud af systemet, der tidligere har været bundet i sedimentet. N- og P-fjernelse ved oprettelse af muslingebrug er undersøgt ved at lave en modelberegning med 5 muslingebrug dækkende et samlet areal på 86,7 ha. 4 af brugene er placeret omkring Dybet og 1 i Yderfjorden ved Dania. Beregningerne viser, at der kan høstes muslinger med et N- og P-indhold på mellem 61 og 72 ton N pr år og mellem 4 og 4,7 ton P pr år. Muslingebrugene bevirker at der sker en geografisk omfordeling af tilførslen af organisk C, N og P til sedimentet, således at tilførslen øges under og omkring brugene med en reduktion i områder der ligger langt fra brugene. Der er nogle positive afledte effekter fra muslingebrugene i form af, at sigtdybden stiger, at hyppigheden af dage med iltkoncentrationer under 1 mg l -1 i nogle områder af Inderfjorden reduceres en smule, ligesom der er positive effekter, som strækker sig ud i Yderfjorden. Af potentielle negative effekter sker der en ophobning af organisk stof samt N og P i sedimentfladerne i Dybet samt under muslinge-brugene. Den lokale ophobningen af organisk stof med N og P i nærheden af brugene har ikke nået en ligevægt i løbet af 6 år. Det tilrådes derfor, at opbygningen af disse puljer følges, hvis der oprettes muslingebrug. I scenariet med muslingebrug er der gået ud fra anvendelsen af et system med muslingeliner ophængt i bøjer, men andre systemer som Smartfarm, der bruger net ophængt i rør, kan ligeledes anvendes. Tabel 1-1 Opsummering af N & P fjernelse ved to Virkemiddler iltning og muslingebrug. Rød angiver ingen eller negative effekter. Grøn angiver positive effekter. Scenarie N & P fjernelse Andre effekter Iltning af Dybet 1100-1900 ton år -1 Iltning af Dybet 100-400 ton år -1 Iltning af Dybet 600-900 ton år -1 Minimal: 8 ton N år -1 Ingen Minimal: 8 ton N år -1 Belaster Yderfjorden med ekstra 45 ton N og 3,9 ton P pr. år i forhold til scenarie uden Marine Virkemiddel. Belaster Yderfjorden med ekstra 54 ton N og 4,3 ton P pr. år i forhold til scenarie uden Marine Virkemiddel. Belaster Yderfjorden med ekstra 46 ton N og 4 ton P pr. år i forhold til scenarie uden Marin Virkemiddel. 5 muslingebrug 68,0 ton N år -1 4,4 ton P år -1 Reducerer belastning til Yderfjord med 34 ton N og 3,7 ton P pr. år. Belastningen til Kattegat reduceres. Reducerer antal dage år -1 med O2< 1mg l -1 i bundvandet. Der opbygges en pulje af organisk stof, N, P & H2S i bunden under og i nærhed af brugene som på sigt kan give lokale iltsvind. Alt i forhold til scenarie uden Marin Virkemiddel. 5 muslingebrug & iltning 100-400 ton år -1 70,3 ton N år -1 4,6 ton P år -1 Belaster Yderfjorden med ekstra 11 ton N og 0,7 ton P pr. år i forhold til scenarie uden Marin Virkemiddel. Slutteligt er der lavet en simulering med en kombination af muslingebrug og periodevis iltning af Dybet med 100 til 400 ton ilt pr. år mellem 15.6-15.7. Resultaterne viser en blanding mellem det 3
tilsvarende iltningsscenarie og scenariet med 5 muslingebrug. I forhold til scenariet med muslingebrug høstes lidt mere N og P fra muslingerne, men denitrifikationen falder lidt, samt at der sker en øget eksport af N og P fra Inderfjorden til Yderfjorden. Man fjerner ikke mere N ved at kombinere en iltning med muslingebrug. Kun scenariet med muslingebrug som marint Virkemiddel har positive effekter. 2 Baggrund for modelanalyse Baggrunden for at lave en modelanalyse af Mariager fjord udspringer af, at fjorden og specielt den inderste del af fjorden, Inderfjorden, er stærkt eutrofieret på grund af en stor tilledning af næringsstoffer og her specielt kvælstof fra oplandet. Den nuværende årlige belastning af N til Mariager Fjord er beregnet til 880 ton N år -1 i 2012. I vandområdeplanerne for 2015-2021 er opgjort et manglende insatsbehov for belastningen af N på 182,4 ton N år -1 for hele fjorden, dette er ud over en reduktion i belastningen på 137,5 ton N år -1 fra igangværende tiltag indtil år 2021, se Tabel 2-1. En stor del af N-belastningen til Mariager Fjord tilføres via nitratholdigt grundvand og markafstrømning. Ca. 75-80% af N-belastningen til Inderfjorden stammer fra nitratholdigt grundvand, som via åerne strømmer til fjorden. Det høje nitratindhold i grundvandet stammer fra nedsivende nitratholdigt vand fra det åbne land. Det grundvand, som føder åerne, er 10-30 år gammelt. Tiltag, der reducerer N-nedsivningen til grundvandet, vil først vise sig som en reduktion i belastningen til fjorden efter årtier. Mulighederne for at etablere vådområder, der kan opfange og reducere N-belastningen, er begrænsede. Disse er grundene til, at det overvejes at tage alternative virkemidler i brug for at fjerne N, herunder at ilte bundvandet i Dybet af Mariager Fjord samt oprettelse af muslingebrug. Tabel 2-1 Nuværende N-belastning til Mariager Fjord samt foreslåede N-reduktioner i medfør af Vandrammedirektivet. Miljø- og Fødevareministeriet 2016. Nuværende N- belastning for hele Mariager Fjord. Ton N år -1 Indsatsbehov for reduktion af N belastningen Ton N år -1 Igangværende belastningsreduktionr indtil 2021 Ton N år -1 880 182,4 137,5 I januar 2016 udkom publikationen Marine Virkemidler (Timmermann et al. 2016) med et katalog af marine virkemidler, som er kategoriseret, alt efter om de er afprøvet, lovende eller ikke anvendelige, se Tabel 2-2. Kategori 1: Virkemidlet er testet i danske farvande og vurderes operationelt. Kategori 2: Virkemidlet vurderes som værende potentielt lovende, yderligere dokumentation/undersøgelser er nødvendige. Kategori 3: Virkemidlet har teoretisk et vist potentiale, men er stort set udokumenteret Mariagerfjord Kommune foranstaltede efter en række møder mellem Miljøstyrelsen, DCE, SEGES samt DHI, at der blev iværksat en modelanalyse, som nærmere skulle undersøge mulighederne for at fjerne N ved iltning af bundvandet i Mariager fjord samt ved oprettelse af muslingebrug. 4 mariager fjord model_5_12_17
Iltningen af bundvandet følger følgende strategier: 1. Strategi: Hvis denitrifikationen i sedimentet og skillefladen hhv. er 15-20 og 5-6 g N m -2 år -1, kan der så potentielt hentes 10-14 g N m -2 år -1 ved en iltning af bundvandet til 4 mg ilt l -1. Det er en forudsætning, at denitrifikationen i sedimentet er højere end i skillefladen, og at der iltes tilstrækkeligt til, at der etablerer sig en bundfanua. 2. Strategi: Optimering af denitrifikationen i Dybets bundvand ved skiftevis at tilføre ilt og lade det gå iltfrit. Det er en forudsætning, at NH4 nitrificeres til NO3, som efterfølgende denitrificeres med H2S i vandet. Muslingebrug: Der oprettes et antal muslingebrug, hvor muslingelarver i maj sætter sig på liner, eller net ophængt i vandfasen. Efter et år høstes muslingerne, hvorved der fjernes C, N og P fra fjorden. Hertil skal føjes, at muslingernes filtration af partikulært materiale forøger sigtdybden, i det mindste lokalt. Metoden er testet i Skive fjord (Petersen J. K. 2014 et al). Produktionen af fækalier og pseudo-fækalier samt muslinger, som falder af liner eller net, vil berige sedimentet under muslingebrugene. Det tilstræbes at lægge brugene i randen af Dybet, således at en del af det organisk-berigede sediment under vinterstorme resuspenderes og sedimenterer ned i Dybet. Muslingebrug og iltning. Muslingebrugene placeret omkring Dybet forventes at tilføre mere organisk C, N og P til Dybets bundvand. Det undersøges om N- fjernelsen forøges ved en kombination af muslingebrug og punktvist iltning af dybet. Tabel 2-2 Marine virkemidler klassificeret efter kategori angivet i Timmermann et al. 2016. Virkemiddel Kategori Opdræt af muslinger 1 Dyrkning af makroalger (tang) 1 Stenrev som virkemiddel 3 Ålegræsudplantning 2 Sand capping af bløde sedimenter og udplantning af ålegræs 3 Iltning efterfulgt af denitrifikation 2-3 Omplantning af muslinger 2-3 2.1 Mariager Fjord, en tærskelfjord Mariager Fjord er en tærskelfjord, hvor tærsklen, der ligger ca. midt i fjorden, lidt vest for Dania, adskiller den lavvandede ydre del fra den dybe indre del af fjorden. I den inderste del af fjorden er der efter tærsklen og ud for Mariager by et 30 m dybt hul, som under 12,5 m kurven dækker ca. 5,6 km 2. I vinterhalvåret bevirker passage af kraftige storme, at der forekommer et eller to indbrud af iltrigt, saltholdigt vand fra Kattegat om året. Det tungere saltvand lægger sig i bunden af dette hul og skaber en lagdeling i ca. 12-15 m dybde, se Figur 2-1 og Figur 2-2. Bundvandet i dette hul bliver i løbet af nogle måneder iltfrit, og der ophobes høje koncentrationer af sulfid, ammoniak og fosfat i bundvandet. 5
Puljen af biotilgængeligt N og P i bundlaget opblandes med tiden med overfladelaget, enten via en langsom transport over saltlagdelingen eller mere pludseligt ved, at det løftes op i det øvre lag næste gang, der forekommer et saltvandsindbrud. Transporten eller opblandingen over lagdelingen i perioder, hvor der ikke forekommer saltvandsindbrud, er styret af vestenvinden, idet vinden bevirker, at vandet i overfladen strømmer mod øst, hvor der så forekommer en vestgående strøm af vand i bunden af overfladelaget, se Figur 2-3. Samtidig bevirker vestenvinden, at vandstanden er højere ved Dania end ved Hobro. Bundlaget reagerer modsat ved at tippe mod Hobro, hvor en vandstandsforskel på 10 cm i overfladen kan bevirke en mere end 10 gange større tipning af lagdelingen, også kaldet springlaget. I tilfælde af kraftig vedvarende vestenvind kan bundvandet ved Hobro nå overfladen, og der er da tale om en bundvending eller Upwelling af bundvand. Kvælstof kan fjernes fra fjorden ved denitrifikation af nitrat (NO3) i sedimentet samt i skillefladen over Dybet. Denitrifikationen i sedimentet kan ske ved, at der trænger NO3 fra bundvandet ned i sedimentet, hvor det af bakterier omdannes til N2 i den iltfrie del af sedimentet. NO3-kilden til denitrifikation i sedimentet kan også være nitrificeret NH4, som dannes ved nedbrydning af organisk stof i sediment, og som siver op mod sedimentoverfladen. Denne koblede nitrifikation-denitrifikation kræver, at der er ilt i sedimentets øverste millimeter. Det trænger ned i sedimentet fra ilt i bundvandet, eller produceres ved fotosyntese af mikrobenthiske alger i sedimentets øverste mm. Figur 2-1 Mariager fjord med angivelse af det dybe hul ud for Mariager. Fra (Århus & Nordjyllands Amter 2005). Figur 2-2 Længdeprofil af Mariager Fjord med angivelse af typiske saliniteter. Fra (Christiansen C. 1997). 6 mariager fjord model_5_12_17
Figur 2-3 Cirkulation i overfladen af Mariager inderfjord, samt tipning af springlag i en vestenvindssituation, (Århus & Nordjyllands Amter 1998). Der kan ligeledes forekomme en N-fjernelse ved denitrifikation i skillefladen. Fra bundlaget transporteres iltfrit, sulfidholdigt og ammoniumholdigt vand over skillefladen, og samtidig transporteres iltholdigt vand fra overfladelaget mod skillefladen. I den øverste del af skillefladen sker der en nitrifikation af NH4 til NO3, samtidig med, at der sker en denitrifikation af NO3 til N2 ved oxidering af sulfid til svovl eller sulfat i den nederste del af skillefladen. Tre publicerede undersøgelser (Fenchel et al 1995; Zophie et al 2001; & Jensen et al. 2009) har dels påvist eksistensen af denitrifikationen i skillefladen af Dybet samt kommet med nogle bud på størrelsen af denitrifikationen pr. dag. Undersøgelserne har imidlertid ikke angivet størrelsen på årsbasis af denne N-fjernelse, men konkluderet, at den er af samme størrelse som denitrifikationen i danske marine fjordsedimenter, som ligger i intervallet 3-7 g N m -2 år -1. (Christensen et al. 2002). Der er ikke lavet direkte målinger af denitrifikationen i sedimentet i Mariager Fjord, men man må forvente, at denne er større end denitrifikationen i de fleste andre fjordsedimenter, begrundet med, at der det meste af året i sammenligning med andre danske fjorde er høje NO3 - koncentrationer i vandet over sedimentfladerne på mellem 0-12 m i Inderfjorden. I Randers Fjord er der således målt mellem 15 og helt op til 21 g N m -2 år -1 på en enkelt station, (Århus & Nordjyllands Amter 2005), (Asmala et al 2017). Randers Fjord modtager NO3-holdigt vand fra Gudenåen, hvilket gør, at NO3-koncentrationerne i bundvandet er høje hele året. 7
3 Kalibrering af model Modelkomplekset består af en hydraulisk model, en bølgemodel samt en økologisk model. Sidstnævnte kan køre koblet til den hydrauliske model eller dekoblet ved brug af beregnede felter af strøm, vandstande, saliniteter, og temperaturer. Hertil skal lægges en bølgemodel, hvis resultater anvendes af den økologiske model til beregning til bølgers og strøms bundforskydningsspænding. For at reducere beregningstiden er den økologiske model kørt dekoblet samt paralleliseret med 20 processorer. Der er anvendt en simuleringsperiode fra 2011 til 2016, idet der kun i årene 1999 samt 2012-2016 foreligger vandstandsmålinger fra Als ved mundingen til Mariager Fjord. Det er lykkedes at generere vandstande ved Als ud fra en analyse af modellerede vandstande i DHIs Danmarksmodel for år 2011. År 1999 er fravalgt, idet ét enkelt år ikke er tilstrækkeligt, ligesom næringsstofbelastninger og initial vandkvalitet samt puljer af næringsstoffer i sedimentet var højere end i dag. Hertil skal lægges, at perioden 2011-2016 indeholder en kraftig saltvandsindstrømning i december 2013, som skyldes stormen Bodil. En situation, som ligner en tilsvarende saltvandsindstrømning i vinteren 1996-1997, som blev efterfulgt af et markant iltsvind i sommeren 1997 efter en længere vindstille periode. Opblandingen af bundvandet med ca. 100 ton N og 20-25 ton P i vinteren 1996 til overfladelaget kan have været en medvirkende årsag til, at der udvikledes et iltsvind i den efterfølgende sommer i overfladelaget. 3.1 Hydraulisk model Den hydrodynamiske model, som danner grundlag for den økologiske model af Mariager Fjord er etableret med DHIs MIKE 3 FM HD modelsystem. Modellen løser de tredimensionelle hydrodynamiske ligninger (Navier-Stokes og kontinuitet), transportligningerne for salt og vandtemperatur samt tilstandsligningen for havvandsdensitet. Derudover indeholder modellen et turbulensmodul, som beregner horisontal og vertikal Eddy viskositet, samt et varmeudvekslingsmodul, som beregner udvekslingen af varme mellem fjorden og atmosfæren. Den hydrodynamiske model inklusive drivdata er etableret for en 6-års periode fra 2011-2016. 3.1.1 Beregningsnet og batymetri Modellens diskretisering (beregningsnet) er etableret som et kompromis mellem håndterbar beregningstid og muligheden for at kunne opløse vigtige processer såsom lagdeling og saltvandsindbrud. Det horisontale beregningsnet (illustreret i Figur 3-1 og Figur 3-2) er defineret i UTM-32 projektionen og består af firkantede elementer i sejlrenden og trekantede elementer i de øvrige områder. Den horisontale netvidde varierer fra ca. 100m i inderfjorden og sejlrenden til 200m på de lave områder i Yderfjorden og op til 500m i Kattegat. Det vertikale net (Figur 3-3) består af σ-lag og z-lag med en lagtykkelse på ca. 1m i overfladelaget og 0,2m i bundlaget. 8 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-1 Horisontalt beregningsnet (mesh) for Mariager Fjord-modellen. Figur 3-2 Detalje af horisontalt beregningsnet (mesh). Figur 3-3 Vertikalt beregningsnet (tværsnit af Dybet) for Mariager Fjord-modellen. Modellens batymetri (Figur 3-4) er baseret på det datagrundlag, der blev etableret i DHI (2000), som bl.a. omfatter en flyopmåling af yderfjorden foretaget af Skankort i 1999 og en opmåling af Farvandsvæsnet af inderfjorden i 1995. 9
Figur 3-4 Modelbatymetri for Mariager Fjord-modellen. 3.1.2 Drivdata til den hydrodynamiske model Den hydrodynamiske model drives af følgende drivdata: Tidsserier af vandstand, saltholdighed og vandtemperatur på de åbne rande i Kattegat Meteorologiske felter (tidsserier) ved vandoverfladen af vind, lufttryk, nedbør, lufttemperatur, luftfugtighed og skydække Ferskvandskilder til fjorden (tidsserier) fra overfladevand og grundvand De åbne randbetingelser er baseret dels på målinger ved Als Odde og dels på modelresultater fra DHIs Farvandsmodel (DKBS-model). De meteorologiske felter er leveret af StormGeo og stammer fra StormGeo s regionale (North Atlantic) meteorologiske model. Vindfelterne fra denne model (netvidde 10km) opløser ikke topografien omkring Mariager Fjord, som er karakteriseret ved høje bakker nord og syd for inderfjorden og lavere bakker omkring yderfjorden. Vindhastighederne ved fjordens overflade er derfor overestimeret i den meteorologiske model og er, som en del af modellens kalibreringsproces, blevet reduceret til 60% i inderfjorden og 80% i yderfjorden. Ferskvandskilderne til Mariager Fjord-modellen er baseret på DCEs beregnede tilførsler til 4. ordens farvande (indtil år 2011) og opmålte åer (årene 2012-2016). Den hydrodynamiske model inkluderer fem repræsentative åer, som tilsammen udleder den totale ferskvandstilstrømning (grundvand og overfladevand) til fjorden. I Tabel 3-1 og Figur 3-5 er sammenhængen mellem DCEs tre 4. ordens farvande i Mariager Fjord, deres oplande og de fem åer angivet. Det antages, at Onsild Å udleder al ferskvandet fra det indre opland, at Villestrup Å og Maren Møllebæk udleder henholdsvis 80% og 20% af vandet fra det midterste opland, og at Korup Å og Kastbjerg Å udleder hver 50% af vandet fra det ydre opland. Efter år 2011 har DCEs afstrømningsdata ikke været tilgængelige, så i denne periode er anvendt vandføringsmålinger fra åerne (hentet på Miljøportalen). Målingerne er blevet skaleret til totale afstrømninger ved at anvende årsmidler fra år 2007, hvor DCE data og målinger overlappede. Endelig er de fremkomne ferskvandtilførsler blevet øget med 20%, hvilket forklares af følgende: DCE har indikeret, at det relativt store grundvandsbidrag til Mariager Fjord kan være underestimeret i deres afstrømningsmodel GEUS DK-model viser et signifikant grundvandsbidrag til fjorden NIRAS detaljerede overflade- og grundvandsmodel af oplandet til Mariager Fjord beregner den totale tilførsel til fjorden til 185 mill. m 3 /år i perioden 1995-2009, hvilket er 25% højere end DCEs tilførsel Kalibreringen af den hydrodynamiske model (se nedenfor) bliver markant bedre ved at øge DCEs afstrømningstal med 20% 10 mariager fjord model_5_12_17
Øgningen af DCEs afstrømninger med 20% er blevet diskuteret af projektets følgegruppe. Vi noterer, at det vigtigste for det konkrete modelleringsstudie er at anvende så realistiske estimater for ferskvandstilstrømningen som praktisk muligt, hvilket vi på baggrund af de tilgængelige informationer mener er tilfældet. Tidsserierne anvendt i modelleringen er vist i Figur 3-6. De fem åer er inkluderet i modellen som såkaldte modelkilder, som placeres i åernes udløbspunkter i fjordens overfladelag. Disse kilder repræsenterer indstrømning af både overfladevand og grundvand. Tabel 3-1 Sammenhæng mellem DCEs 4. ordens farvande og repræsentative åer. DCE 4. ordens farvande i Mariager Fjord Repræsentative åer Antaget andel af tilførsel 3613 (Indre del) Onsild Å 100% 3612 (Midter del) Villestrup Å Maren Møllebæk 3611 (Ydre del) Korup Å Kastbjerg Å 80% 20% 50% 50% Figur 3-5 DCE 4. ordens farvande (indre del, midterdel, ydre del) med indikation af de tilhørende oplande og de fem repræsentative åer inkluderet i Mariager Fjord-modellen. 11
Figur 3-6 Vandføring (Q) i de fem repræsentative åer anvendt i Mariager Fjord-modellen. Disse fem vandføringer udgør den totale ferskvandstilstrømning til fjorden. 3.1.3 Validering af den hydrodynamiske model Den hydrodynamiske model er kalibreret ved at justere på modelkonstanter såsom bundruhed og vindfriktionskoefficient, men også ved at justere beregningsnettet og drivdata såsom de åbne randbetingelser, ferskvandkilderne, vindfelterne og varmeudvekslingen med atmosfæren. Modellen valideres ved at sammenligne målte og modellerede data fra den anvendte 6-års modelperiode. Bemærk, at stationernes positioner er vist i Figur 3-18. I Figur 3-7 og Figur 3-8 sammenlignes målte og modellerede vandstande ved Als Odde og Hobro Havn. Figurerne viser, at modellen er i stand til at reproducere vandstandene i begge stationer både med hensyn til daglig variabilitet (bl.a. tidevand og vindstuvninger), årstidsvariationer og ekstremhændelser. At modellen simulerer korrekte vandstande i fjorden betyder endvidere, at den kan simulere den overordnede transport af vand ind og ud af fjorden korrekt. De målte spikes i 2016 i Figur 3-8 skyldes fejl i målingerne. I Figur 3-9, Figur 3-10 og Figur 3-11 ses sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed og vandtemperatur på Dybet-stationen. Figurerne viser, at modellen er i stand til at reproducere såvel lagdeling i saltholdigheden og irregulære saltvandsindbrud forårsaget af storme som lagdeling og årstidsvariation i vandtemperaturen. Også mellemårlig variation er godt beskrevet af modellen. Resultatet af en kvantitativ analyse af overensstemmelsen mellem modelleret og målt saltholdighed og temperatur i overflade- og bundvand ved Dybet er vist i Tabel 3-4. Baseret på 3 forskellige godheds -indekser vurderes modellen som excellent, både hvad angår saltholdighed og temperatur i overflade- og bundvand. I Figur 3-12 ses sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed og vandtemperatur i Havnø-stationen, som ligger i sejlrenden i den indre del af yderfjorden. Denne station har i modellen en vanddybde på 6-7m, men der foretaget målinger ned til 9 m dybde. Ifølge et søkort svinger vanddybden i sejlrende mellem 6.1 m op til 11 m indenfor 1500 m omkring Havnø stationen. Det tunge saltholdige vand fra Kattegat vil lægge sig som en tunge over sedimentet og måske i de dybeste steder lave mogle midlertidige lommer med høj salinitet over bunden. I Figur 3-12 er vist simulerede og målte saliniteter fra 6 m dybde i 2016. De store simulerede fluktuationer i saltholdigheden lige over bunden skyldes daglige påvirkninger fra Kattegat og Inderfjorden på daglig basis. De målte salinitets fluktuationer i 6 m dybde vil være mindre, da de ikke representere det bundnære vand. I Figur 3-13 ses sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed og vandtemperatur i Jordledninger-stationen, som ligger i den indre del af inderfjorden. Denne station har en 12 mariager fjord model_5_12_17
vanddybde på 8-9 m og har således også begrænset lagdeling. I denne station ses en langsom variation i saltholdigheden (over uger og måneder), som hovedsageligt styres af de store saltindbrud til inderfjorden samt af ferskvandtilførslen til inderfjorden. Alt i alt kan konkluderes, at den hydrodynamiske model er i stand til at modellere de vigtige processer i Mariager Fjord, som foregår på forskellige tidsskalaer og i forskellige områder af fjorden. Modellen vurderes derfor at være et velegnet grundlag for den økologiske model. Figur 3-7 Målt og modelleret vandstand i perioden 2011-2016 ved Als Odde (øverst) og Hobro Havn (nederst). Bemærk, at i det nederste plot ses en del spikes, dvs. fejl, i målingerne. Figur 3-8 Målt og modelleret vandstand i perioden november-december 2013 ved Als Odde (øverst) og Hobro Havn (nederst). Bemærk det store udsving i vandstanden omkring 6.-7. december, som skyldes stormen Bodil. Ved Als Odde faldt måleren ud i nogle dage efter stormen, hvilket ses af den rette sorte linje i det øverste plot. 13
Figur 3-9 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i forskellige dybder i Dybet (NOR5503). 14 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-10 Isopleth plots af målt (øverst) og modelleret (nederst) saltholdighed (PSU) i Dybet (NOR5503). Figur 3-11 Isopleth plots af målt (øverst) og modelleret (nederst) vandtemperatur ( C) i Dybet (NOR5503). 15
Figur 3-12 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i to dybder ved Havnø (NOR24013). Bemærk, at der i denne station kun er målinger for året 2016. Figur 3-13 Tidsserie-sammenligninger af målt og modelleret saltholdighed (øverst) og vandtemperatur (nederst) i to dybder ved Luftledninger (NOR24019). 16 mariager fjord model_5_12_17
3.2 Økologisk model DHIs økologiske fjordmodel anvendes som udgangspunkt for modelarbejdet. Fjordmodellen eller EU-MT modellen er kort beskrevet i bilag A. Modellen indeholder en beskrivelse af C-, N- og P-kredsløbet, ligesom den også beskriver sulfid i vandet og sedimentet. Modellen beskriver endvidere produktionen af planteplankton, bundlevende alger samt ålegræs. Den inkluderer en beskrivelse af de naturlige bestande af bundlevende muslingers filtration samt beskriver resuspension og transport af fint sediment inklusive organisk C, N og P. Sedimentdelen af modellen inkluderer en beskrivelse af nitrifikation og denitrifikation samt en sorption og desorption af jern-bundet PO4. Modellen tilstræber i sin eksisterende form at adressere virkemidlerne udplantning af ålegræs samt sand capping og udplantning af ålegræs i Tabel 2-2. I opsætningen for Mariager Fjord, er modellen udvidet med en beskrivelse af denitrifikation i vandfasen ved oxidering af sulfid. En procesbeskrivelse uddraget af forsøg og målinger fra Mariager Fjord (Jensen et al. 2009) er indføjet i modellen. Endvidere udvides modellen med 5 muslingebrug, 4 placeret i Inderfjorden og 1 muslingebrug i den vestlige del af Yderfjorden. Hvert muslingebrug placeret i sammling af modellens beregningsceller. Det er tilstræbt, at hvert anlæg havde et areal på ca. 175.000 m 2 svarende til en normal kommerciel anlægsstørrelse på 250 m x 700 m, se Figur 3-14. Da modellen er opsat med 10 vertikale ϭ-lag på dybder under 10 m og faste z-lag med fin opløsning (0,2 m lag) på dybder over 10 m, vil tykkelsen af de enkelte ϭ-lag variere med vanddybden - fra en lag-tykkelse på 1 m ved dybder 10m til lagtykkelser på 0,2 m ved en vanddybde på 2 m. Indenfor de 5 muslingebrug blev der i de enkelte modelceller placeret faste substrater ( tove ) i de næstøverste, tredjeøverste og fjerdeøverste modellag. Arealet af fast substrat blev tilpasset således, at tæthed af muslinger og maksimalt filtratrationstryk per m 3 var sammenligneligt med forholdene på en kommerciel muslingefarm. Gennemsnitsdybden i de 4 muslingefarme placeret i Inderfjorden var 9-10 m, og muslingerne i disse farme var således fordelt over en vandsøjle på ca. 3 m. Middeldybden i muslingefarmen placeret i Yderfjorden var lavere, ca. 6-7 m, og vandsøjlen (= 3 vandlag af 0,6-0,7 m) med muslinger var mindre, i alt ca. 2 m. Figur 3-14 Placering af 5 muslingebrug i Mariager fjord, 4 brug i Inderfjorden omkring Dybet, og 1 i den inderste del af Yderfjorden. 17
Muslinger blev introduceret i de 5 farme ved larvenedslag i forsommeren 2011. Muslingerne på det faste substrat filtrerer planteplankton og andet partikulært materiale fra det omgivende vand med en hastighed bestemt af deres længde (gælleareal), temperaturen i vandet samt fødekoncentrationen. Ved lave koncentrationer af partikulært materiale (<3 mg/l) indtages alt det filtrerede materiale i muslingerne, men kun planteplanktonet (C, N og P) udnyttes med en høj effektivitet på 75%, mens det antages, at kun 3% af detritus kulstof (og N og P) er tilgængeligt for muslingerne. Ikke-assimileret organisk materiale (97% af det indtagne detritus, 25% af planteplankton) udstødes som fækalier. De millimeter-store fækalier sedimenterer hurtigt (10 m d -1 ) ud af vandet og akkumuleres på bunden under og omkring muslingefarmene. Det akkumulerede materiale indgår i overfladesedimentets C-, N- og P-puljer og omsætningen i disse puljer, men kan ophvirvles under kraftige strømhændelser og evt. endeligt sedimentere i de dybe områder. Den assimilerede føde anvendes til at dække muslingernes stofskifte, og hvis der er overskud efter stofskifteudgifterne, kan muslingerne vokse. Hvis stofskifteudgifterne overstiger energien i den assimilerede føde, taber muslingerne i vægt af bløddelene. Muslingepopulationen indenfor hver model-gridcelle vokser som en kohorte, dvs. alle muslinger er ens i størrelse og vægt både i perioder med tilvækst og i perioder med vægttab. På trods af forholdsvist høje koncentrationer af planktonalger i Inderfjorden kan muslingerne sulte i perioder, hvis tætheden af muslinger er høj (dvs. stor konkurrence om føden) og/eller hvis tilførslen af planktonalger til muslingefarmen er lav pga. strømstille. Ved længerevarende perioder med negativ energibalance (dvs. stofskifte> assimilation af fødeindtag) reduceres muslingernes kødindhold (kondition), og under en fastsat grænse påtrykkes en daglig dødsrate indenfor hver modelcelles kohorte. Døde muslinger sedimenterer og indgår i sedimentets C-, N- og P-kredsløb. Muslingernes bløddele antages at have et fast C:N:P forhold, som også inkluderer N og P i skaller og byssustråde. Muslingernes stofskifte udmøntes i et iltforbrug (optag fra vandet) og en udskillelse af næringsstoffer, primært ammonium. Ved muslingernes filtration fjernes planktonalger og detritus fra vandet og i et område som Mariager Fjord, hvor lysets nedtrængen primært hæmmes af plankton og detritus, må man forvente betydelige forbedringer i lysforholdene omkring opdrætsanlæg. I modellen initialiseres muslingefarmen ved, at muslingelarver settler på tovene i perioden 15.- 31. maj, hvorefter de vokser indtil høsten, der gennemføres over en 14-dages periode i maj (1.- 14. maj), og umiddelbart herefter bliver juvenile muslinger tilført ved larvenedslag (15.-31. maj) og en ny produktionscyklus begynder. 3.2.1 Modelleret produktionscyklus i en muslingefarm I det følgende vises et eksempel på modellens beskrivelse af produktionen af muslinger gennem simuleringsperioden 2011-2016. Beskrivelsen baseres på modeludtræk af muslingers tæthed, individtørvægt samt filtrationskapacitet i et modelpunkt indenfor den sydligst beliggende muslingefarm, se Figur 3-15. 18 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-15 Position (x) for modeludtræk af muslingers tæthed, tørvægt og realiserede filtrationsrate. Muslingernes maksimale tæthed indenfor farmen på ca. 5500 individer/m 2 er på det nærmeste konstant over en periode på mellem 2½ måned (i 2014, 2016) og i mere end 4 måneder (i 2011), se Figur 3-16. I takt med, at muslingerne vokser i sensommeren, bliver antallet reduceret pga. fødebegrænsning (intra-specifik konkurrence). I løbet af vinteren er muslingetætheden kun svagt faldende, fordi muslingernes stofskifte (og dermed vægttab) er minimalt pga. lave temperaturer. Figur 3-16 Tidslig variation i muslingetæthed (antal/m 2 ) og individtørvægt af bløddele i modelpunkt angivet i Figur 3-15. Værdier er midlet over dybdeinterval med muslinger. Muslingernes modellerede filtrationsrate varierede gennem året med maksimale værdier i september, hvor individvægten var høj, tætheden stor, temperaturen ikke begrænsende, samt koncentrationen af planktonalger aftagende, se Figur 3-17. Ved temperaturer under 2 ⁰C stopper muslingernes filtration. Om foråret, når individbiomassen er maksimal, er der en kortvarig top i filtrationsraten inden høsten i maj, men niveauet er betydeligt lavere end i september, fordi temperaturen er lav og koncentrationen af planktonalger høj. 19
Figur 3-17 Modelleret filtrationsrate (m 3 /m 2 farm/d) i modelpunkt angivet i Figur 3-15. Værdier er midlet over dybdeinterval med muslinger. 3.2.2 Drivdata til økologiske model Der behøves en række drivdata til den økologiske model: Belastninger af næringsstoffer fra land og via atmosfæren, randkoncentrationer af næringsstoffer og klorofyl, ilt fra en station i Kattegat foruden meteorologiske data såsom skydække for at kunne beregne det fotosynteseaktive lys ved vandoverfladen. Foruden drivdata er det nødvendigt med kalibreringsdata fra målestationer i fjorden. Vandkemidata, målinger af ilt, temperatur, salinitet og sigtdybder er hentet fra Miljøportalen, se Figur 3-18. Figur 3-18 Placering af moniteringsstationer. Rød viser vandkemi, sort profiler af temperatur, salinitet, ilt og sigtdybde. Dokkedal-stationen i Kattegat er brugt som randkemistation. 20 mariager fjord model_5_12_17
3.2.2.1 Næringsstofbelastninger DCE har beregnet N- og P-belastningerne til fjorden fra fjordens forskellige oplande dækkende perioden 1990 til 2011 (Windolf et al. 2013). Dvs., at de ikke dækker år 2012 til 2016, som det er nødvendigt at estimere ud fra de foregående års belastningsopgørelser. Det er tidligere nævnt, at åerne i stor udstrækning er grundvandsfødte, hvilket betyder, at næringsstofkoncentrationerne i vandet ikke kan forventes at ændre sig meget fra år til år. År-til-år udsving i åernes afstrømning kan ligeledes forventes at være moderate af samme grund. Afstrømningen fra åerne for årene 2012-16 er estimeret ud fra afstrømningsmålinger på enkelte stationer dækkende perioden 2012-16 og anvendt til at køre den hydrauliske model. Det viste sig imidlertid vanskeligt at få den hydrauliske model til at simulere de målte saliniteter, medmindre afstrømningen blev forøget med 20%. En sammenligning med NIRAS og GEUS grundvandsmodeller for området viser, at disse modeller beregner, at der skal tilføres en vandmængde til fjorden svarende til DCEs overfladeafstrømning plus 20%. Grundvandsmodellerne havde imidlertid en mindre overfladeafstrømning til fjorden end DCEs model mod til gængæld at have et større grundandsbidrag, som sivede op gennem fjordbunden. Hvis NO3-holdigt grundvand siver gennem en fjordbund med stor nitratreduktionskapacitet, kan man forvente, at en betragtelig del af nitraten vil blive denitrificeret væk. Der findes ikke danske undersøgelser af N-belastningen til et marint område via udstrømmende grundvand gennem sedimentet. Et evt. bidrag af N-belastningen via fjordbunden er derfor usikkert bestemt. NIRAS og GEUS modeller har en ca. 20% lavere overfladeafstrømning end DCEs model, men et grundvandsbidrag igennem fjordbunden på omkring 40% af vandtilførslen. Hvis NO3 reduktionen ved passage gennem fjordbunden er ca. 50%, vil man ende på en N-belastning svarende til DCEs model.. Tabel 3-2 Årlig vandtilførsel samt N og P belastning til Mariager fjord. År Belastninger med Q *10 6 m 3 år -1 Q- 2011 Q- 2012 Q- 2013 Q- 2014 Q- 2015 Q- 2016 Gennemsnit Inderfjord 83 87 84 90 105 109 93 Yderfjord 78 82 73 84 101 101 86 Mariager Fjord alle 161 169 156 174 206 210 179 År Belastninger af TN i ton N pr. år TN- 2011 TN- 2012 TN- 2013 TN- 2014 TN- 2015 TN- 2016 Gennemsnit Inderfjord 452 462 440 464 536 550 484 Yderfjord 370 390 474 260 452 446 399 Mariager Fjord alle 822 851 786 853 988 996 883 År Belastninger af TP i ton P pr. år TP- 2011 TP- 2012 TP- 2013 TP- 2014 TP- 2015 TP- 2016 Gennemsnit Inderfjord 9.0 9.8 9.3 9.9 11.3 11.6 10 Yderfjord 8.4 8.7 7.6 8.8 10.3 10.1 9 Mariager Fjord alle 17.4 18.6 17.0 18.7 21.6 21.7 19 21
I denne modelopstilling har vi valgt at bruge DCU s overfladeafstrøming + 20%. Vi har bibeholdt en fremskrivning af DCE s N- og P-belastninger i ton pr. år til fjorden ved at reducere koncentrationerne med 20%. Vandtilførslerne samt N- og P-belastningerne til Mariager fjord er præsenteret i Tabel 3-2 3.2.3 Modelvalidering og robusthed af Mariager Fjord modellen Modeller, der anvendes som værktøj til at underbygge beslutninger med økonomiske og/eller miljømæssige konsekvenser, bør ikke anvendes uden en forudgående modelverificering, fordi modellernes nøjagtighed og pålidelighed i så fald ikke kendes. Verificering af modellers evne til at beregne troværdige resultater gennemføres ved en systematisk sammenligning af synoptiske observationsdata og modeldata. Jo mindre afvigelse mellem målte og modellerede værdier, jo større troværdighed af modelresultater - og jo større andel af synoptiske data, som har små afvigelser, jo større er sandsynligheden for, at modelresultater er pålidelige. Modellens evne til at beskrive observerede data (temperatur, saltholdighed, næringsstofkoncentrationer, klorofyl, iltkoncentration og svovlbrinte i bundvand samt sigtdybde) er undersøgt kvalitativt ved visuelt at sammenligne tidslige (sæson og år-til-år) variationer i målte og modellerede værdier samt kvantitativt ved tre forskellige numeriske indeks. Sammenligning af tidslige variationer viser, om modellen reagerer på de overordnede sæsonvariationer i temperatur, indstråling og vandstandsvariationer ved den åbne rand, mens de numeriske indeks belyser forskellige egenskaber ved modellen og dens evne til at beskrive de faktiske forhold (dvs. målte koncentrationer eller sigtdybde). I det følgende præsenteres verifikationen af den anvendte model baseret på data fra NOR5503 Dybet (saltholdighed, temperatur, uorganiske næringsstoffer, ilt/svovlbrinte, klorofyl, sigtdybde) dækkende hele modelperioden 2011-2016. Ved sammenligninger af modeldata og målinger skal man være opmærksom på, at der er tale om forskellige rumlige skalaer, idet modellen gengiver gennemsnitsforholdene i modelcellerne, som repræsenterer en betydelig større vandmasse end den vandmasse, som målingerne foregår i. 3.2.3.1 Kvalitativ model validering Visuel sammenligning af modelleringsresultater med målte data for stationen NOR5503 (Dybet) viser modellens evne til at beskrive de målte sæsonvariationer i både de fysiske parametre (saltholdighed og temperatur), som er upåvirkede af de påtrykte ændringer, der følger af de marine virkemidler, samt kemisk-biologiske parametre, der forventes at reagere på iltning af det iltfrie Dybet og etablering af muslingefarme i Inderfjorden. For de opløste uorganiske næringsstoffer i overflade- og bundvand (nitrat-n, ammonium-n, fosfat-p), som sammen med klorofyl og sigtdybde overordnet definerer fjordens kemiskbiologiske tilstand, er modellen både i stand til at beskrive sæsonvariationer i overfladevandet og også variationer i bundvandet som følge af vertikal opblanding om vinteren og følgerne af saltvandsindbrud se Figur 3-19 til Figur 3-27. I modsætning til vindeksponerede fjorde viser sigtdybden stor sæsonvariation med de maksimale værdier om vinteren, når planktonbiomassen er lav. Modellen beskriver den overordnede sæsonvariation i klorofyl, men kan ikke tidsmæssigt reproducere sommeropblomstringer korrekt. Det gennemsnitlige niveau i sommerhalvåret synes dog at være tilfredsstillende. 22 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-19 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af kvælstof (total kvælstof, ammonium kvælstof, nitrat-nitrit kvælstof) i overfladen ved station NOR5503. Figur 3-20 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af fosfor (total fosfor, fosfat) i overfladen ved station NOR5503. 23
Figur 3-21 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af ammonium kvælstof i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme. Figur 3-22 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af fosfat i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme. 24 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-23 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af sulfid i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Lave koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme. Figur 3-24 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af ilt i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Høje ilt koncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme. 25
Figur 3-25 Målte og modellerede (linjer) koncentrationer af nitrat i bundvandet (25 m), det øvre bundvand (20 m) og omkring skillefladen (15 m) ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. Høje iltkoncentrationer skyldes saltvandsindbrud under vinterstorme. Figur 3-26 Målt og modelleret (linje) koncentration af klorofyl i overfladevandet ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. 26 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-27 Målt og modelleret (linje) sigtdybde ved station NOR5503 (Dybet) i perioden 2011-2016. 3.2.3.2 Kvantitativ modelvurdering på basis af numeriske indeks De tre kvantitative indeks omfatter: Regressionskoefficienten R 2 beskriver andelen af variationen i observerede data, som kan beskrives i modellen. R 2 kan antage værdier mellem 0 og 1, hvor høje værdier viser god overensstemmelse mellem observationer og model. R 2 er dog meget følsom overfor ekstreme (høje) værdier, men er ufølsom overfor systematiske afvigelser mellem observationer og modelresultater ( bias ). Procent model-bias (Pbias) beskrevet ved summen af modelafvigelser (fra målinger) normaliseret til summen af observationer: P bias = N 1 (O i P i ) N 1 O i 100 Pbias udtrykker, om modellen systematisk over- eller underestimerer observationer; jo tættere på 0, jo bedre er modellen. Cost Function (CF) kvantificerer graden af overensstemmelse mellem to datasæt: CF = 1 N O i P i N 1 SD O Hvor SD O er standardafvigelsen i observerede data. Jo lavere værdi af CF, jo bedre er modellen til at beskrive de observerede data. Tabel 3-3 Viser forslag fra den videnskabelige litteratur til en skalering af indeksværdier fra excellent-til-utilstrækkelig. Modeller, som scorer excellent i alle indeks, må anses som særligt troværdige. 27
Tabel 3-3 Fortolker af indeksværdier for modellens evne til at beskrive målinger (baseret på Allen et al 2007, Maréchal 2004). P-bias (%) : numerisk værdi af P-bias (%), som kan være negativ eller positiv. P-bias (%) Kostfunktion R 2 Excellent < 10 < 1 >0,4 God 10-20 1-2 0,2-0,4 Tilstrækkelig 20-40 2-3 0,1-0,2 Utilstrækkelig > 40 > 3 < 0,1 Tabel 3-4 Numeriske værdier for de tre indeks, der er anvendt til vurdering af modellens evne til at beskrive kemisk-biologiske overvågningsdata fra NOR5503 Dybet. Baseret på 6 års (2011-2016) data. Negative P-bias værdier viser, at modellen overestimerer de målte koncentrationer/værdier. Indeksværdier for klorofyl i () angiver beregninger for perioden 2012-2016. Variabel P-bias (%) Kostfunktion R 2 Saltholdighed (overflade) Saltholdighed (bundvand) Temperatur (overflade) Temperatur (bundvand) NOx-N (overflade) NH4-N (overflade) PO4-P (overflade) Klorofyl (overflade) -0,70 0,37 0,76-1,0 0,54 0,86-0,50 0,12 0,98 6,4 0,62 0,62-2,6 0,18 0,93 13 0,68 0,57 33 0,49 0,75-22 (-16) 1,82 (1,4) 0,31 (0,34) NH4-N (25 m) -17 0,42 0,83 PO4-P (25 m) -3,7 0,35 0,74 Sigtdybde -4,3 0,40 0,76 Ilt/H2S (bundvand) -5,5 0,57 0,51 I Tabel 3-4 ses de tre indeks præsenteret for hver parameter. Sammenfattende viser analysen at: - saltholdighed, temperatur i overflade- og bundvand, nitrat-n i overfladen, fosfat-p i bundvandet, sigtdybden og ilt/h2s i bundvandet ved NOR5503 baseret på alle tre indeks beskrives på excellent niveau i modellen, 28 mariager fjord model_5_12_17
- at de modellerede koncentrationer af ammonium i overflade- og bundvand viser mindre niveauafvigelser fra målinger, men at sæsonvariationer reproduceres korrekt, - at koncentrationen af fosfat i overfladevandet underestimeres i modellen i sommerperioden, - at koncentrationen af klorofyl overestimeres (med i gennemsnit 22%) af modellen. Hvis der ses bort fra år 2011, hvor afvigelser mellem model og målinger er særlig udprægede, reduceres afvigelsen til 16%, og modellens beskrivelse af klorofyl ender i kategorien god for alle tre indeks. 3.2.4 Denitrifikation i vand og sediment samt N- og P-massebalancer Massebalancerne for N er præsenteret i Tabel 3-5. I gennemsnit over perioden 2011-2016 tilføres der 883 ton N pr. år fra land og atmosfære, af disse transporteres 50% ud i Kattegat. Denitrifikationen i sedimentet og vandet fjerner 41% af N-belastningen, og ca. 9% deponeres i vand og sediment. Mariager Fjord har således en meget høj N-tilbageholdelse i forhold til andre danske fjordsystemer. Dette skyldes primært, at vandets opholdstid er højere end i mange andre fjorde. Randers Fjord tilbageholder f.eks. kun få % af N-belastningen på trods af, at denitrifikationen (15 g N m -2 år -1 ), er højere end i Mariager Fjord, se Figur 3-28 og Figur 3-30. 319 ton N denitrificeres væk af sedimentet, og 44 ton denitrificeres i skillefladen i Dybet, og 81 ton N forbliver i fjordens vand og sediment, hvorefter 439 ton N eksporteres til Kattegat. Denitrifikationen udgør omkring 40-42% af den landbaserede belastning i begge fjordafsnit. Indregnes tilførslen af N fra Inderfjorden i Yderfjordens belastning, reduceres denitrifikationen i Yderfjorden til 27% af den landbaserede belastning + N-tilførslen fra Inderfjorden. Der er en netto tilbageholdelse af N i vand ( -vand) og sediment ( sediment) på 89 ton N i Inderfjorden mod en netto-reduktion på 8 ton N i Yderfjordens vand og sediment. Den årlige denitrifikation i gram N m -2 år -1 i Dybets skilleflade samt i sedimentet er præsenteret i Figur 3-30. Det fremgår, at denitrifikationen i skillefladen (6-20 g N m -2 år -1 ) har samme størrelse eller er højere end denitrifikationen i sedimentet (8-12 g N m -2 år -1 ). Det er således næppe muligt at øge den samlede denitrifikationen i Inderfjorden ved at ilte bundvandet op til minimum 4 mg l -1. Dvs., at strategi nummer 1 er tvivlsom som marint virkemiddel. Denne strategi baserer sig på at denitrifikationen i skillefladen er omkring 5-6 g N m -2 år -1. Denne årlig denitrifikation er estimeret ud fra få punktmålinger af denitrifikationen i skillefladen i Mariager Fjord foretaget i forskningsprojekter. Der er lavet 3 undersøgelser af denitrifikationen i skillefladen, som, hvis man ekstrapolerer disse estimater til en årsdenitrifikation, vil ligge i intervallet 5-6 g N m -2 år -1, (Fenchel et al 1995; Zopfi et al 2001; Jensen et al 2009). Selvom prøvetagningerne er foretaget på forskellige tidspunkter, er disse på nær en enkelt udtaget i sommermånederne med et stabilt springlag og formodentlig i godt vejr med svage vinde. Denitrifikationen i springlaget er basalt set afhængig af et stabilt springlag samt den vertikale transport over springlaget af H2S og NH4 fra bundlaget samt NO3 og ilt i laget over springlaget. I efterår-vinter og i forårsmånederne må man regne med, at den vertikale transport over springlaget er forøget på grund af flere perioder med kraftige vinde fra vest samt at NO3- koncentrationen i disse perioder er højere i overfladelaget. De relativt lave denitrifikationer målt i de 3 forskningsprojekter er derfor ikke representative for et årsgennemsnitlig, idet de undervurdere denitrifikationen i forårs og efterårs månederne. Modelberegningerne viser, at vil man bestemme denitrifikationen i springlaget på årsbasis, må man måle i forskellige blæsevejrssituationer og på alle fire årstider. I bilag C Figur C - 1 er vist en serie figurer med længdeprofiler af springlaget gennem Dybet. Springlaget er illustreret ved det denitrificerende lag i en periode fra oktober til november 2013 hvor det nedbrydes af vestenvinden. 29
Tabel 3-5 N-massebalance i ton N pr. år for Mariager Fjord, samt for Inderfjorden og Yderfjorden uden virkemidler. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Figur 3-28 Denitrifikation i danske fjorde fra (Christensen 2002). 30 mariager fjord model_5_12_17
Figur 3-29 Mariager Fjord, N og P massebalance i situation uden Marine Virkemidler. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 31
Figur 3-30 Denitrifikation i Mariager fjord, g N m -2 år -1. Øverst denitrifikation i springlaget i Dybet. Nederst denitrifikation i sedimentet. Figur 3-31 Nettotransport af TN (øverst) og TP (nederst) ton pr. 15 døgn mellem Inderfjord og Yderfjord i Mariager Fjord. Negative og positive tal betyder hhv. eksport fra og import til Inderfjorden. 32 mariager fjord model_5_12_17
Massebalancer for fosfor er præsenteret i Tabel 3-6. P-belastningen i perioden 2011-2016 er 19 ton pr. år, hvor der eksporteres 20,6 tons ud af fjorden til Kattegat. 2,4 tons P pr. år immobiliseres, hvilket svarer til et fald i sedimentet, og puljerne af P i vand og sediment falder med ca. 2,5 tons P pr. år. Nettoeksporten af P til Kattegat er således lidt større end P-tilførslen fra land og atmosfære. Ser man på P massebalancerne for Inderfjorden og Yderfjorden, sker der er forøgelse af sedimentpuljen i Inderfjorden, som modsvares af en tilsvarende reduktion i Yderfjorden. Disse gennemsnit er dog domineret af et kraftigt udsving i år 2011 og kan skyldes, at puljerne i sedimentet ved starten af simuleringen har brugt et år til at indstille sig i en ligevægt. Ser man på perioden 2012-2016, svinger puljen i vand og sediment modsat hinanden. Et fald i puljen i vandet modsvares helt eller delvist af en stigning i sedimentet og omvendt. Disse svingninger skyldes sedimentets evne til at optage og frigive PO4, alt efter hvor store sedimentflader der er oxiderede. Tabel 3-6 P-massebalance for Mariager Fjord samt for Inderfjorden og Yderfjorden uden virkemidler. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. I ovenstående massebalance tabeller er angivet den årlige nettotransport af N og P mellem Inderfjorden og Yderfjorden. Implementering af et eller flere Marine Virkemidler kan tænkes at ændre på den tidslige udvikling af nettotransporterne af N og P over året. F.eks. vil muslinge være mest aktive i sommerhalvåret. Effekten af iltningen skulle gerne reducere N puljen i 33
Dybets vand, men denne pulje vil typisk først komme op i overfladelaget under vinterhalvårets storme, således at effekten på nettotransporten vil tidsmæssigt være koncentreret til vinterhalvåret. Det er muligt at præsentere den tidslige opløsning nettotransporten mellem Inder- og Yderfjoren, idet modellen beregner den akkumulerede nettotransport af alle N og P komponenterne i vandet mellem de to fjordafsnit. Nettotransporten af TN og TP er præsenteret med en tidslig opløsning på 15 døgn i Figur 3-31Error! Reference source not found.. Både for TN og TP gælder at eksporten (negative tal) ud af Inderfjorden sker om vinteren efter de første vinterstorme har nedbrudt eller opblandet bundlaget. F.eks. er eksporten størst de første 3 måneder af 2014 efter at stormen Bodil havde opblandet bundlaget med overfladelaget i december 2013. 4 Scenarieberegninger Der er lavet 5 scenarieberegninger, 3 beregninger med iltning af dybet. En beregning med udlægning af 5 muslingebrug samt en beregning hvor iltning og 5 muslingebrug kombineres. De 3 iltningsberegninger kan opdeles i en beregning der søger at øge denitrifikationen i Dybets sedimentet ved jævn tilførsel af 1100-1900 ton ilt pr år, samt to beregninger der søger at øge denitrifikationen i Dybets vand, dels ved en punktvis tilførel af 100-400 i perioden 15.6-15.7 samt en jævn tilførsel af ilt med 600-900 ton ilt pr.år, se Tabel 4-1. I beregningen der øger sedimentets denitrifikation, tilføres ilt i en mængde der er dobbelt så stor som der skal til at ilte bundvandets NH4 til NO3 samt ilte H2S til sulfat, se Figur 4-2, Figur 4-4 øverst. Den tilførte mængde ilt er estimeret til at svinge mellem 1100-1900 ton pr. år. Det skulle give en iltkoncentration i bundvandet omkring 4 mg/l. En så stor ilttilførsel skulle reducere forekomsten af hvidt vand mellem Dybet og Hobro, i kraftige vestenvindssituationer hvor dele af Dybets bundvand presses op til overfladen. Der er lavet 2 scenarieberegninger med iltning af Dybet for at undersøge mulighederne for at øge denitrifikationen i bundvandet. Dette gøres ved at tilføre ilt så NH4 nitrificeres til NO3, for derefter at lade bundlaget blive iltfrit, således at denitrifikationsprocessen efter nogen tid kan fjerne den dannede NO3. Nitrificeringen af NH4 til NO3 hæmmes af H2S, hvorfor H2S i det mindste skal reduceres lokalt. Der er to måder ilten kan tilføres for at øge bundvandets denitrifikation: En intens punktvis periode (25.6-15.7) med iltning til fjernelse af H2S og dannelse af NO3 efterfulgt af en passende lang periode, hvor iltfrie forhold med H2S dannes og således, at der igen kan foregå en denitrifikation. En jævn tilførsel af ilt over det meste af året. Der tilføres ilt således, at der i området omkring diffusoren foregår en nitrifikation af NH4 til NO3, som via de interne strømme, som ilttilførslen danner, tilføres områder, hvor der er iltfrit og H2S, hvor denitrifikationen kan foregå. Endelig er der lavet to simuleringer med udlægning af 5 muslingebrug med et samlet areal på 86,7 ha med det formål at se, hvor mange ton N og P der kan fjernes ved høstning af muslinger, samt for at se, hvilke andre afledte effekter der kan forekomme på sigtdybden, iltforholdene ved bunden samt på massebalancen af N og P. I den ene beregning udlægges kun muslingebrug og i den anden beregning kombineres muslingebrug med en iltning på mellem 100-400 ton ilt i sommerperioden, se Tabel 4-1. 34 mariager fjord model_5_12_17
Tabel 4-1 Scenarier med årlig ilttilførsel i iltningsscenarierne. Scenarierne vurderes på, om de evner at virke som et Marint Virkemiddel ved at fjerne N fra vandområderne. Hvis de har denne evne, undersøges det, om Virkemidlet har andre økologiske effekter. 4.1 Iltning af Dybet med 1100-1900 ton ilt pr. år Der ligger en brintfabrik i Hobro (Verdo Hydrogen A/S), som via spaltning af vand i ilt og brint producerer brint. Brinten sælges, og ilten, som ikke sælges, udledes pt. i atmosfæren. Det er overvejet at lede den overskydende ilt via et røranlæg til Dybet. Den tilførte mængde ilt i dette scenarie ligger over eller i overkanten af, hvad brintfabrikken i Hobro kan levere af ilt. Det må derfor påregnes, at der skal investeres i en supplerende tilførsel af ilt til Dybet i form af tanke med flydende ilt, fra hvilke der kan ledes ilt til Dybet. Den daglige mængde af ilt, som skal tilføres Dybet, ligger mellem 0,5 6 tons ilt, se Figur 4-1. Det største behov for ilttilførsel er i år 2014; dette skyldes, at stormen Bodil i december 2013 medførte et markant indbrud af saltvand til Dybet med saliniteter, som var ca. 2 PSU højere end mindre markante saltindbrud, se Figur 3-9. Indbruddet i december 2013 forøgede bundvandets volumen, samtidigt med at den forhøjede salinitet gjorde, at lagdelingen blev mere stabil i den efterfølgende sommer. Den største mængde ilt tilføres da også i år 2014. Figur 4-1 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en iltdosering tilpasset en mængde svarende til 2 gange en oxidering af NH4 og H2S i Dybet. Den resulterende mængde af ilt i Dybet ligger mellem 100-500 ton, hvor 100 ton ilt svarer til en gennemsnitlig koncentrationen på 2-3 mg O2 l -1, alt efter om lagdelingen er placeret i 12 m eller 14 m dybde, se Figur 4-2Error! Reference source not found.. Sammenligner man med situationen uden tilførsel af ilt, reduceres mængden af H2S i sensommeren fra 250-350 tons til mellem 0-50 tons, se Figur 4-2Error! Reference source not found.. Den ringe mængde H2S er imidlertid stadig i stand til at danne baggrund for en intens denitrifikation i vandet, men den foregår nu nede over sedimentet i områder lige under iltdiffusoren samt i områder lidt væk fra diffusoren, se Figur 4-3. 35
Hvis man skal nå en gennemsnitlig iltkoncentration på 4 mg l -1, vil det være nødvendigt at tilføre ekstra ilt også i vintermåmederne, så massen af ilt i Dybet kommer op omkring 200-250 ton ilt Figur 4-2 Mængden af ilt og H2S i Dybet uden tilførsel af ilt (øverst) samt ved tilførsel af 1100-1900 ton ilt pr. år (nederst). ekstra pr. år. Samtidigt skal ilten fordeles bedre i Dybet via flere diffusorer. Det vil betyde, at ilttilførslen skal hæves om sommeren med ca. 200 tons. Det er tidligere estimeret, at der i årene 1998-1999 skal tilføres ca. 1600 tons ilt pr. år for at opnå en gennemsnitlig iltkoncentration på 4 mg l -1 (Rasmussen E.K. 2015). Ser man bort fra år 2014, vil iltbehovet ifølge modelberegningerne ligge tæt på 1600 tons ilt pr. år for at opnå en gennemsnitlig iltkoncentration på 4 mg O2 l -1. I foregående afsnit er det beregnet, at denitrifikationen i vandet pr. m 2 er på størrelse med eller større end denitrifikationen i sedimentet. N-massebalancen i Inderfjorden for scenariet med tilførsel af 1100-1900 ton ilt viser da også kun en øgning af sedimentets og vandets denitrifikation på 8 ton N pr. år i forhold til, at der ikke iltes, sammenlign Tabel 3-5 med Tabel 4-2. Ophobningen af N i vand og sediment i Inderfjorden reduceres ved iltningen til 36 ton N pr. år mod 89 ton N pr. år uden iltning, hvilket skyldes en mere effektiv mineralisering af organisk bundet N ved iltning. Dette medfører, at N- og P-puljerne i Dybets vand stiger i forhold til situationen uden iltning, se Figur 4-4 og Figur 4-5. Resultatet er, at der eksporteres 45 ton pr. år mere N fra Inderfjorden til Yderfjorden med iltning end uden iltning (kan ses ved sammenligning af Tabel 4-2 og Tabel 3-5, samt Figur 3-29 og Figur 4-6). Yderfjorden evner for en tid at assimilere den ekstra tilførte N, ved at denitrifikationen forøges med 22 ton N pr. år. Samtidigt opbygges Yderfjordens sedimentets N-pulje med 82 ton N pr. år. Samlet resulterer dette i, at 36 mariager fjord model_5_12_17
eksporten fra Mariager Fjord til Kattegat falder med 38 ton N med iltning i forhold til situationen uden iltning. P-massebalancen ændrer sig på tilsvarende vis som for N, idet puljerne af P i Inderfjordens vand og sediment reduceres med 2,4 ton pr. år, hvor der uden ilt sker en ophobning på 2,6 ton P pr. år. Resultatet bliver, at der med iltning eksporteres 3,9 ton P pr. år mere fra Inderfjorden til Yderfjorden (kan ses ved sammenligning af Tabel 4-3 og Tabel 3-6 samt Figur 4-6 og Figur 3-29). Yderfjorden evner at opsuge den ekstra tilførte P-mængde, ved at aflastningen af sedimentets P- pulje går fra -5 ton P pr. år til -0,8 ton P pr. år. Opbygningen af sedimentets N-pulje samt en reduceret aflastning af sedimentets P-pulje i Yderfjorden er et tegn på, at Yderfjorden med iltning bliver mere eutrofieret. Tilførslen af næringsstoffer til de bundlevende alger på de lavvandede flader vil øge deres produktion og biomasser om sommeren, hvis næringsstoffer efter henfald om efteråret vil indgå i og forøge sedimentets N- og P-puljer. Ændringen i nettoeksporten af N og P mellem situationen med iltning og uden iltning (nettotransport med iltning minus nettotransport uden iltning hhv. TN og TP) er afbilledet i Figur 4-7. Iltes bundvandet bliver eksporten af N og P højere end uden iltning i slutningen af året ( TN og TP bliver negativ), hvor bundlaget nedbrydes og opblandes med overfladelaget. Figur 4-3 Koncentrationen af ilt og H2S på station NOR5503 i Dybet, i en dybde ved siden af og under diffusoren 26.5 m og 20,5 m. 37
Figur 4-4 Udvikling af N-puljer i Dybet over 12 m dybde uden virkemiddel (øverst) og med iltning (nederst). Figur 4-5 Udvikling af P-puljer i Dybet over 12 m dybde uden virkemiddel (øverst) og med iltning (nederst). 38 mariager fjord model_5_12_17
Tabel 4-2 N-massebalance, Inderfjord med iltning på 1100-1900 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Tabel 4-3 P-massebalance, Inderfjord med iltning på 1100-1900 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Opbygningen an N og P puljerne i sedimentet i Yderfjorden vil over en årrække betyde, at sedimenterne vil øge frigivelsen af N og P til vandet, hvorved eksporten af N og P fra Mariager Fjord vil stige. Reduktionen i eksporten af N og P til Kattegat mod en opbygning af sedimentets N-pulje skal tages med det forbehold, at belastningen til Yderfjorden kun er repræsenteret ved 2 kildepunkter (Korup Å & Kastbjerg Å), se Figur 3-5. Belastningen fra de udmålte oplande, der udleder til de store lavvandede flader i Yderfjordens sydlige del er lagt ind i de to kilder. Sattelitbilleder indikerer at der er bertagtlige forekomster af makroalger på de sydlige lavvandede flader. Sedimenternes N- og P-puljer er i realiteten allerede mættet med N og P fra disse umålte kilder, hvilket betyder, at eksporten af N og P til Kattegat må forventes at være højere end beregnet og deponeringen af N og P i sedimentet mindre end beregnet. I betragtning af, at der ved iltning kun denitrificeres 8 ton N pr. år mere end i situationen uden iltning, samt at der netto eksporteres mere N og P fra Inderfjorden til Yderfjorden med iltning kan man ikke betragte iltning med 1100 til 1900 ton ilt pr. år som et effektivt Marint Virkemiddel i Mariager Fjord. En iltning af denne størrelse vil dog reducerer sandsynligheden for, at der i vestenvindssituationer opstår bundvendinger med iltfrit vand til overfladen. 39
Figur 4-6 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer ved tilførsel af 1100-1900 ton ilt pr. år til Dybet. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 40 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-7 Ændring af nettotransporten af TN (øverst) og TP (nederst) summeret over 15 døgn mellem situationen uden iltning og med iltning. Negative tal: Eksporten af N eller P fra Inderfjorden til yderfjorden er højere med iltning end uden iltning. Positive tal: Eksporten af N eller P er mindre med iltning end uden iltning. 4.2 N-fjernelse ved periodevis iltning af Dybet 100-400 ton ilt pr. år I dette scenarie tilføres der mellem 100-400 ton ilt til Dybet. Ilttilførslen er estimeret ud fra, hvor meget NH4 og H2S der ophobes i Dybet indtil 15. juni de enkelte år. Ilten tilføres over én måned midt på sommeren fra 15. juni til 15. juli, se Figur 4-8. Figur 4-8 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en måneds kraftig iltdossering fra 15.6-15.7. Effekten af iltningen på denitrifikationen i Inderfjorden er yderst begrænset, idet denitrifikationen i vandet øges fra 44 ton pr år til 52 ton pr år. Samtidigt reduceres denitrifikationen i sedimentet med 7 ton pr år i forhold til simuleringen uden iltning, se Tabel 4-4 og Tabel 3-5 samt Figur 4-9 og Figur 3-29. 41
Netto-depositionen af N i sedimentet ( sediment) falder fra 96 til 38 ton pr år. Samtidigt stiger eksporten af N fra Inderfjorden til Yderfjorden med 54 ton N pr år, når bundvandet iltes. Ved tilførslen af ilt øges mineraliseringen af organisk stof i vand og sediment i Dybet, hvilket bevirker en mobilisering af uorganisk N til vandet. Ser man på P massebalancen i Inderfjorden, kunne man håbe på, at sedimentet ved iltningen ville opsuge noget PO4-P ved binding til oxideret jern. Der sker imidlertid en øget frigivelse af P fra sedimentet. Dette kan ses ved sammenligning af sediment i Tabel 4-5 og Tabel 3-6. Nedbrydningen af organisk P er således større end den mængde P som kan bindes til det oxiderede sediment. Iltningen øger vandcirkulationen i bundvandet, hvilket får vandtemperaturen til at stige over de dybereliggende sedimentflader i Dybet. Begge faktorer øger mineraliseringen af organisk stof. Resultatet er, at Inderfjordens eksport af P til Yderfjorden stiger fra 7,5 ton pr. år til 11,8 ton pr. år. Beregningerne viser, at en punktvis iltning af dybet i sommerperioden på 100-400 ton ilt pr. år ikke medfører en fjernelse af N fra systemet, derimod mobiliseres N og P, som eksporteres til Yderfjorden. Dette betyder, at den anvendte iltningsmetode ikke kan fungere som Marint Virkemiddel. Ligesom for iltning af Dybet med 1100-1900 ton ilt stiger denitrifikationen i Yderfjordens sediment ligesom der sker en ophobning af N i Yderfjordens sedimentet. Tabel 4-4 N-massebalance, Inderfjord med iltning på 100-400 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Tabel 4-5 P-massebalance, Inderfjord med iltning på 100-400 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. 42 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-9 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer ved en periodevis tilførsel af 100-400 ton ilt pr. år til Dybet over en måned om sommeren. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 43
4.3 N-fjernelse ved jævn iltning af Dybet, 600-900 ton ilt pr. år I dette scenarie tilføres ilt hele året, men således, at ilttilførslen er tilpasset den maksimale mængde af NH4 og H2S i de enkelt år estimeret ud fra simuleringen uden ilttilførsel, se Figur 4-10. Ideen bag anvendelsen af denne metode er, at der tæt ved iltdiffusoren sker en nitrifikation, hvorimod der i fjernere dele af Dybet sker en denitrifikation af det dannede NO3. Resultaterne for N-massebalancen er præsenteret i Tabel 4-6 og Figur 4-11. I alt denitrificeres 51 ton N i vandfasen og 160 ton N i sedimentet, hvilket er en stigning på 7 ton N i vandet og 1 ton N i sedimentet. Der eksporteres 238 ton N fra Inderfjorden til Yderfjorden, hvilket er 42 tons N mere end i situationen uden iltning. Som for iltningsscenariet med 100-400 ton pr. år skyldes den øgede eksport en øget mineralisering af organisk materiale i sedimentet med en øget mineralisering af uorganiske N og P til følge. I Tabel 4-7 og Figur 4-11 er massebalancen for P præsenteret i Inderfjorden. Eksporten af P stiger med 4 ton P pr. år til Yderfjorden, hvilket skyldes en øget mineralisering af organisk bundet P i Dybet. Beregningerne viser, at en jævn, kontinuert iltning af dybet, nogle få vintermåneder undtaget, på 600-900 ton ilt pr. år medfører en minimal forøgelse af denitrifikationen. Derimod mobiliseres N og P, som eksporteres til Yderfjorden. Dette betyder, at den anvendte iltningsmetode ikke kan fungere som Marint Virkemiddel. Ligesom for de to foregående simuleringer af iltning af Dybet medfører den øgede N eksport fra Inderfjorden til Yderfjorden at denitrifikationen i Yderfjorden stiger. Samtidigt sker der en ophobning af N i sedimentet. Figur 4-10 Daglig ilttilførsel til Dybet i ton pr. dag ved en måneds jævn iltdossering tilpasset maksimal mængde NH4 og H2S uden ilttilførsel det enkelte år. 44 mariager fjord model_5_12_17
Tabel 4-6 N massebalance, Inderfjord med iltning på 600-900 ton pr. år. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Tabel 4-7 P massebalance, Inderfjord med iltning på 600-900 ton pr. år. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. 45
Figur 4-11 Mariager Fjord, N og P massebalancer ved en periodevis tilførsel af 600-900 ton ilt pr. år til Dybet jævnt fordelt over året. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 46 mariager fjord model_5_12_17
4.4 Effekt af muslingebrug som marint virkemiddel i Mariager Fjord I de følgende to afsnit beskrives først massebalancen for N og P i Inder- og Yderfjorden samt høsten af muslingernes N, P og tørvægt, derefter beskrives afledte effekter af muslingebrugene. Opsætningen af muslingemodellen er i princippet uafhængig af om det er et muslingebrug der består af liner ophængt i bøjer eller net ophængt i luftfyldte rør, idet der i modellen lag indlægges et forud estimeret antal m 2 som muslingerne kan hæfte sig fast på. De styrende variable for produktionen af muslinger er koncentrationen af føde (primært planteplankton) samt transporten af vand med føde ind til muslingerne. I Mariager Fjord hvor koncentrationen af planteplankton er høj er det således transporten (de hydrauliske forhold) som er den mest styrende faktor. Muslingerne filtrerer alt partikulært materiale, dvs. planeplankton, dødt patikulært materiale, mindre zooplankton og fint uorganisk materiale. Fækalierne samt frasorteret materiale (pseudofækalier) sedimenterer til sedimentet under eller i nærheden af muslingebrugene, se Bilag A. 4.4.1 Høst af muslinger samt massbalance for N og P Muslingebrugene opsættes i år 2011 således at høsten af muslinger kan foregå de følgende år fra 2012 til 2016. I gennemsnit høstes der pr. år 68 ton N og 4.4 ton P fordelt med 58.6 ton N fra de 4 muslingebrug i Inderfjorden og 9.4 ton fra bruget i Yderfjorden, se Tabel 4-8. Tabel 4-8 Høst pr. år fra 2011-16 af muslingernes N, P i bløddele + skal + byssustråde samt høst af bløddeles tørvægt fra 4 muslingebrug i Inderfjorden samt et brug i Yderfjorden. Omregnet giver dette at der hhv. høstes 0.78 ton N og og 0.05 ton P pr. ha muslingebrug pr. år i Mariager Fjord. I et forsøgsmuslingebrug i Skive Fjord høstedes mellem 0.6-0.9 ton N ha -1 år -1 og 0.03-0.0.04 ton P ha -1 år -1 (Pedersen J. K. et al 2014). Den beregnede høst af N og P pr. ha muslingebrug i Mariager Fjord er således tæt på de høstværdier som er fundet i Skive Fjord. Massebalancen for N i Inder- og Yderfjorden er præsenteret i Tabel 4-9. Denitrifikationen falder i gennemsnit 5 ton N pr år i Inderfjorden, men er den samme i Yderfjorden i forhold til simuleringen uden muslingebrug, se Tabel 3-5. Faldet i denitrifikationen er en konsekvens af, at der fjernes N fra systemet ved høst af muslinger. I tabellen er forholdet mellem denitrifikation og belastning beregnet til 41% og 40% i hhv. Inderfjorden og Yderfjorden. Fratrækker man den høstede mængde N fra belastningen, får man, at denitrifikationen fjerner ca. 47% og 41% af den landbaserede og atmosfæriske belastning minus høst af N i muslinger. Selvom denitrifikationen falder i ton pr år, kan man på denne baggrund argumentere for, at høsten af N i muslingerne effektiviserer denitrifikationen i systemet. Den største forskel i massebalancen ved oprettelse af muslingebrugene ligger imidlertid i, at eksporten af N fra Inderfjorden til Yderfjorden falder med 34 tons N, samt at eksporten af N fra Mariager Fjord til Kattegat falder med 22 tons N, sammenlign Tabel 3-5 og Tabel 4-9 samt Figur 3-29 og Figur 4-12. Deponeringen af N i sedimentet ( sediment) falder med 6 ton N pr. år i Inderfjorden, men som det fremgår af næste afsnit, sker er der en opkoncentrering af organisk C, N og P i områder under og omkring muslingebrugene. 47
Massebalancen for P er præsenteret Tabel 4-10. Eksporten af P fra Inderfjorden til Yderfjorden falder med 3,7 ton P pr. år, og samlet for hele fjorden falder eksporten af P til Kattegat med 2,7 ton P pr. år, sammenlign Tabel 3-6 og Tabel 4-10 samt Figur 3-29 og Figur 4-12. Tabel 4-9 Massebalance for N i Inder- og Ydefjorden over perioden 2011-16, hvor der er placeret 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Tabel 4-10 Massebalance for P i Inder- og Ydefjorden over perioden 2011-16, hvor der er placeret 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. 48 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-12 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer med 5 muslingebrug på i alt 86,7 ha, gennemsnit for 2011-2016. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 49
Figur 4-13 Nettotransporten af TN og TP (2 øverste figurer) i ton pr.15 døgn mellem Inder-og Yderfjord. Negative og positive tal betyder hhv. eksport fra og import til Inderfjorden. Nederste figurer viser ændringen i nettotransporterne ( TN og TP) mellem situationen uden virkemiddel og med muslingebrug. Positive tal: reduktion i eksporten til Yderfjorden, eller øgning af importen fra Yderfjorden af TN og TP. 50 mariager fjord model_5_12_17
Den tidslige udvikling af transporten af TN og TP mellem Inder- og Yderfjord viser at muslingefarmene reducerer eksporten af N og P fra Inderfjorden til Yderfjorden, hvilket primært sker i sommerhalvåret hvor muslingerne vokser sig store, se Figur 4-13. 4.4.2 Afledte effekter af muslingebrugene En direkte og velkendt effekt ved dyrkning af muslinger er, at vandet bliver mere klart, fordi muslinger lokalt reducerer koncentrationen af planktonalger og andre suspenderede partikler i vandet, som kan absorbere og sprede lyset. Denne effekt blev også vist i modellen, hvor sigtdybden blev øget med mere end 1,5 m lokalt i muslingefarmene, men også med markante øgninger i sigtdybden (> 0,7 m) over en strækning på 5-7 km. Selv i yderfjorden kan der forventes øgninger i sigtdybden på ca. ½ m over store områder, se Figur 4-14. Figur 4-14 Modelleret øgning i sommer-sigtdybden (marts-oktober) i Mariager Fjord efter etablering af 5 standard muslingebrug. Gennemsnit af 5 år (2011-2016). Den øgede lysnedtrængning betyder, at bundplanter potentielt kan udbrede sig til større arealer på fjordbunden. I modellen responderer de bundlevende mikroalger på den øgede lysmængde, som når bunden ved næsten at fordoble den samlede biomasse i Inderfjorden og øge den med ca. 20% i Yderfjorden, se Figur 4-15. Den begrænsede effekt i Yderfjorden var forventet, fordi de store lavvandede arealer her allerede har tilstrækkeligt med lys ved bunden. Figur 4-15 Effekten af muslingefarme på bundlevende mikroalger i Mariager Fjord. Beregningsperiode 1. marts 31. oktober. 51
Det øgede filtrationstryk fra de 5 muslingefarme i modellen førte til betydelige reduktioner i biomassen af planktonalger (bestemt ved klorofyl), zooplankton og suspenderet detritus. Således reduceredes den samlede masse af planteplankton i Inderfjorden med 23% og med 29% i Yderfjorden. Massen af zooplankton reduceredes med henholdsvis 16% og 29% i Inderfjorden og Yderfjorden, og detritusmassen reduceredes med 32% i Inderfjorden og 25% i Yderfjorden Figur 4-16. Zooplankton i Mariager Fjord er karakteriseret ved lave biomasser, at være artsfattig og primært bestå af hurtigt-voksende arter som hjuldyr eller meroplankton (larver af muslinger og børsteorm) (Bioconsult 2001). I modellen konsumerer muslinger zooplankton med samme effektivitet som planteplankton, og reduktioner i zooplanktonmasser afspejler derfor både effekt af prædation samt indirekte effekter i form af fødebegrænsning, fordi muslingernes filtration reducerer koncentrationen af planteplankton. Figur 4-16 Effekt af muslingefarme på klorofyl (planteplankton), zooplankton og detritus i Inderfjorden og Yderfjorden. Beregningsperiode 1. marts - 31. oktober. Søjler viser gennemsnitlige reduktioner i masser i årene 2012-2016. Standardafvigelser mellem årene angivet ved error-bar. En stor defækation af ikke-assimilerede alger og detritus samt tab af muslinger, medfører en stor lokal tilførsel af organisk stof, organisk N samt organisk P & Fe-P til sedimentet under og omkring muslingefarmene, se Figur 4-17, Figur 4-18, Figur 4-19 og Figur 4-20. Summeret over 6 års modellering tabes der ca. 4.000 tons kulstof. De fire muslingefarme i Inderfjorden er placeret langs kanten til det dybe område, og drevet af periodevis kraftige strømhastigheder især i forbindelse med tipning af skillefladen resuspenderes en del af det organiske stof og fordeles over større områder; en del antages at slut-sedimentere i dybet. 52 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-17 Modelleret daglig tilførsel af kulstof til sedimentet under 4 muslingefarme i Inderfjorden. Kortvarige kraftige sedimentationshændelser repræsenterer afstødning af muslinger fra tove, eksempel markeret med pil. Figur 4-18 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk kulstof efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord. Figur 4-19 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk N efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord. 53
Figur 4-20 Modelleret ændring i sedimentets pulje af organisk P og Fe bundet P efter 6 års produktion (2011-16) I Mariager Fjord. Figur 4-21 Modelleret ændring i sedimentets pulje af svovlbrinte efter 6 års produktion (2011-16) i Mariager Fjord. Efter 6 år med produktion af muslinger øges arealkoncentrationen af kulstof i sedimentet i nærområdet til farmene, lokalt under og omkring farmene med op til en fordobling af arealkoncentrationen, se Figur 4-18, hvilket medfører en forøgelse af sedimentets pulje af sulfid, se Figur 4-21. Udenfor nærområdet reduceres sedimentets arealkoncentrationer drevet af lavere sedimentationsrater af planktonalger, zooplankton og detritus pga. disse komponenters lavere koncentration i vandsøjlen. På trods af højere indhold af organisk stof i sedimentet (og et større iltforbrug) efter etablering af muslingefarme forbedres iltforholdene i bundvandet på intermediære vanddybder omkring Dybet, se Figur 4-22. Således reduceres varigheden af særligt kraftigt iltsvind ( < 1 mg O2 l -1 ) med 15-30 dage per år i et samlet område på 3-4 km 2. Forbedring af iltforholdene ved bunden skyldes muslingernes reduktion af plankton og detritus, der fører til højere lysintensitet ved bunden og en større primærproduktion (og iltproduktion) af benthiske mikroalger. 54 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-22 Ændring i varighed af særlig kraftigt iltsvind (konc. < 1 mg O2/l) i Inderfjorden efter etablering af muslingefarme. Efter etablering af muslingefarme ændres mønstret i tilførslen af organisk stof til Dybet. En større andel af stoftilførslen vil ske ved hurtig sedimentation af store partikler, som derved opholder sig i kortere tid i vandet under skillefladen. Dette medfører en lavere stofomsætning i vandet og en større tilførsel af organisk stof til bunden. Den mindre mineralisering afspejles i modellen ved lavere masser af ammoniak i dybvandet (Figur 4-23), af fosfat (ikke vist), lavere masse af svovlbrinte (Figur 4-24) og lavere rater af denitrifikation (Figur 4-25). 55
Figur 4-23 Tidslig variation i beregnede masser af kvælstofforbindelser i dybvandet (> 12 m) i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst). Figur 4-24 Tidslig variation i beregnede masser af ilt (DO) og svovlbrinte (H2S) i dybvandet (> 12 m) i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst). 56 mariager fjord model_5_12_17
Figur 4-25 Tidslig variation i modelleret denitrifikationsrater i dybvandet (DENW) og sediment (SNIM) beliggende på dybder > 12 m i Inderfjorden; uden muslingefarme (øverst), med muslingefarme (nederst). 4.5 N fjernelse ved muslingebrug plus periodevist iltning af Dybet I sidste scenarie kombineres 5 muslingebrug med periodevis iltning om sommeren med mellem 100-400 ton ilt pr. år. I gennemsnit høstes 70,3 ton N og 4,6 ton P fra de 5 muslingebrug i dette scenarie. Det er 2,3 ton N og 0,2 ton P mere end i scenariet med de 5 muslingebrug som eneste virkemiddel. Årsagen hertil skal findes i, at der ved iltningen sker en øget mineralisering af organisk bundet N og P i Dybet, som om vinteren ved opblanding kommer op i overfladelaget og giver anledning til en forhøjet produktion af plankton det efterfølgende forår. Muslingerne får adgang til lidt mere plankton at konsumere, hvorved deres biomasse forøges lidt inden høstning i maj. De 2,3 ton N og 0,2 ton P udgør dog kun en lille del af den mængde N og P, som mineraliseres ekstra ved iltningen. N-massebalancen for Inderfjorden viser, at denitrifikationen i vandet stiger med 8 ton N, men at denitrifikationen i sedimentet falder med 10 ton N i forhold til simuleringen med kun 5 muslingebrug. Dvs., at denitrifikationen i Inderfjorden falder med 2 ton N pr. år, se Tabel 4-12. Tilbageholdelsen af N i vand og sediment ( ) falder 44 ton N, når der iltes, hvilket bevirker, at nettoeksporten af N fra Inderfjorden til Yderfjorden stiger med en tilsvarende mængde N, 44-45 ton N pr. år. Ca. 50% af dette N denitrificeres i Yderfjorden, resten fanges af de benthiske planter (makroalger og mikrobenthiske alger) og deponeres i sedimentet. Den samlede eksport af N fra Mariager Fjord falder med 51 ton N pr. år over den simulerede 6-års periode, når der iltes i dybet, men dette sker kun, fordi der opbygges en N-pulje i Yderfjordens sedimentet, se 57
Tabel 4-9 og Tabel 4-12 samt Figur 4-122 og Figur 4-26. Over en længere tidshorisont vil sedimentet i Yderfjorden frigive noget af dette N, så eksporten af N til Kattegat vil stige. Tabel 4-11 5 muslingebrug + iltning. Høst pr. år fra 2011-16 af muslingernes N, P i bløddele + skal + byssustråde samt høst af bløddeles tørvægt fra 4 muslingebrug i Inderfjorden samt et brug i Yderfjorden. Sammenligner man simuleringen med 5 muslingebrug plus iltning med den tilsvarende simulering uden iltning viser P massebalancen, at der i vand og sediment tilbageholdes 4,8 ton P mindre i Inderfjorden med iltning, hvilket medfører, at der eksporteres 4,4 ton P mere til Yderfjorden, som tilbageholder en del af dette P i det benthiske system, se Tabel 4-10 og Tabel 4-13 samt Figur 4-12 og Figur 4-26. Tabel 4-12 Massebalance for N i Inder- og Yderfjorden over perioden 2011-16, iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Denit-vand: denitrifikation i skilleflade. Denit-sediment: denitrifikation i sedimentet. vand-n og sediment N: ændring af N puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. Det forhold, at Yderfjorden tilbageholder mere N og P, når belastningen af N og P fra Inderfjorden stiger, er et tegn på øget eutrofiering, idet næringsstofferne bevirker en øget produktion, primært af benthiske alger, som herefter ved henfald leverer næringsstofferne til N- og P-puljerne i sedimentet. Iltning i kombination med muslingebrug vil samlet set ikke være en fordel i forhold til en situation, hvor man kun har muslingebrug. 58 mariager fjord model_5_12_17
Tabel 4-13 Massebalance for P i Inder- og Yderfjorden over perioden 2011-16, iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 4 muslingebrug i Inderfjorden og 1 brug i Yderfjorden. Imobilisering: begravning i sediment. vand-p og sediment P: ændring af P puljerne i hhv. vand og sediment. Nettotransport: negativ for transport ud af system. 59
Figur 4-26 Mariager Fjord, N- og P-massebalancer med iltning af Dybet med 100-400 ton ilt pr. år kombineret med 5 muslingebrug på i alt 86,7 ha, gennemsnit for 2011-2016. Pile angiver ton pr. år. Hoisontalt opdelt i Inder- og Yderfjord med Kattegat som rand. Vertikalt inddelt i N eller P puljeændringer ( ) i Vand, sediment og begravning samt denitrifrikation (sky). 60 mariager fjord model_5_12_17
61
5 Referencer /1/ Allen JI, Somerfield PJ & FJ Gilbert. 2007. Quantifying uncertainty in high-resolution coupled hydrodynamic-ecosystem models. J Mar Systems 64: 3-14 /2/ Asmala Eero, J. Carstensen, D. J. Conley, C. P. Slomp, J. Stadmark, M. Voss. 2017. Efficiency of the coastal filter: Nitrogen and phosphorus removal in the Baltic Sea. Limnol. Oceanogr. 2017, 1 17 /3/ Bioconsult. 2001. Mesozooplankton i Mariager Fjord i 1991 & 1993-1999. Rappport 41 pp. /4/ Christensen Bondo P., T. Dalsgaard, H. Fossing, S. Rysgaard & N. Sloth. 2002. Stofomsætning i havbunden, TEMA-rapport fra DMU, 42/2002. ISSN (trykt): 0909-8704 ISSN (elektronisk): 1399-4999, ISBN: 87-7772-667-7 /5/ Christiansen C. 1997. Iltsvind i Mariager Fjord Hvorfor kom det i 1997. Geologisk Nyt. No. 6 s 12-14 (1997) /6/ DHI (2000). Modellering af Mariager Fjord, Rapport, Nov. 2000. Udarbejdet af DHI-Institut for Vand og Miljø for Nordjyllands Amt og Århus Amt /7/ Erichsen A., H. Kaas, K. Timmermann, S. Markager, J. Christensen, C. Murray 2015. Metode til bestemmelse af målbelastning. Aarhus Universitet (DCE) & DHI. Rapport til Miljøstyrelsen 2015. /8/ Fenchel Tom, C. Bernard, G. Esteben, B. J. Finlay, P.H. Hansen, N. Larsen. 1995. Microbial diversity and activity in a Danish fjord with anoxic deep water. OPHELIA 43 (1): 45-100 /9/ Fossing Henrik, P.B. Christensen 1999. Produktion og forekomst af svovlbrinte I Mariager Fjord 1998. Faglig rapport fra DMU nr. 270. ISBN 87-7772-455-0, ISSN: 0905-815X /10/ Jensen Marlene M., J. Petersen, T. Dalsgaard, B. Thamdrup. 2009. Pathways, rates, and regulation of N2 production in the chemocline of an anoxic basin, Mariager Fjord, Denmark. Marine Chemistry 113 side 102-113, 2009. /11/ Kuusemäe Kadri, Erik Kock Rasmussen, Paula Canal-Vergésc, Mogens R. Flindt 2016. Modelling stressors on the eelgrass recovery process in two Danish estuaries. Ecological Modelling 333 (2016) 11 42. /12/ Maréchal D. 2004. A soil-based approach to rainfall-runoff modelling in ungauged catchments for England and Wales. PhD thesis, Cranfield University. 157 pp /13/ Petersen Jens Kjerulf, B. Hasler, K. Timmermann, P. Nielsen, D. B. Tørring,M. M.Larsen, M. Holmer. 2014. Mussels as a tool for mitigation of nutrients in the marine environment. Marine Pollution Bulletin 82 (2014) 137 143 /14/ Rasmussen E. K. 2015. Iltning af bundvand i Mariager Fjord. Estimering af N-fjernelse og P-immobilisering. DHI rapport til SEGES. DHI sag 11816773. /15/ Timmermann Karen (ed.) 2016. Marine Virkemidler. Beskrivelse af virkemidlernes effekter og status for vidensgrundlag. Rapport fra DCE 28.1.2016. ISBN: 978-87-7156-190-6. /16/ Miljø- og Fødevareministeriet 2016. Vandområdeplan 2015-2021 for Vandområdedistrikt Jylland og Fyn, juni 2016. ISBN 978-87-7175-582-4. 63
/17/ Windolf Jørgen, A. Timmermann, A. Kjeldgaar, J. Bøgestrand, S.E. Larsen, H. Thodsen 2013. Landbaseret tilførsel af kvælstof og fosfor til Danske fjorde og kystafsnit, 1990-2011. AAhus Universitet. Teknisk rapport fra DCE nr. 31, 2015 /18/ Zopfi Jakob, T. G. Fredelman, B.B. Jørgensen, A. Teske, B. Thamdrup. 2001. Influence of water column dynamics on sulfide oxidation and other major biogeochemical processes in the chemocline of Mariager fjord (Denmark). Marine Chemistry 74 side 29-51, 2001. /19/ Århus Amt og Nordjyllands Amt, 1998. Mariager Fjord. Udvikling og status 1997. /20/ Århus & Nordjyllands Amter 2005. Vestlige Kattegat og tilstødende fjorde 2004. Århus og Nordjyllands Amter. ISBN: 87-7906-336-5. 64 mariager fjord model_5_12_17
BILAG 65
66 mariager fjord model_5_12_17
BILAG A Økologiske model En kort beskrivelse 67
A Økologisk model Grundlaget for den anvendte model er DHIs MIKE 3 modelsystem med fleksibel net. Modelsystemet består af et hydraulisk modul samt et eutrofieringsmodul (EU) modul, som er udvidet til at beskrive sedimentation og resuspension af fint sediment eller mudder. Modulet kaldes derefter for EU-MT modulet. I forbindelse med to strategisk forskningsprojekter, det afsluttede eelgrass projekt samt det igangværende Novagrass modellens beskrivelse af ålegræs vækst og død blevet forbedret og sat op blandt andet Odense Fjord, Roskilde og Fjord Limfjorden. Det hydrauliske modul beregner vandstand, vandstrømme, temperatur, salinitet og densitet i tre dimensioner, (DHI 2016a). Det økologiske modul beregner koncentrationen af planteplankton, klorofyl, dyreplankton, dødt organisk partikulært materiale samt N- og P-næringsstoffer i vandet. Det benthiske system indeholder biomassen af rodfæstet vegetation, biomassen af makroalger samt mikrobenthiske alger i sedimentoverfladen. I sedimentet inkluderer modellen en beskrivelse af sedimentets puljer af organisk kulstof, kvælstof og fosfor, samt en pulje af PO4 adsorberet til oxideret jern (Fe +++ ). Hertil kommer mindre puljer af NH4, NO3 samt PO4 i sedimentets porevand. Den anvendte økologiske model inkluderer filtration fra muslinger, en beskrivelse, som blev indført i forbindelse med modelberegninger på Ringkøbing Fjord fra 2001, (DHI 2003) men som senere er anvendt på er række andre fjorde og laguner i Danmark og i udlandet, Rasmussen et al. 2009, Kuusemäe et al 2006). Den økologiske model beskriver transporten af fint organisk og uorganisk sediment med en kornstørrelse under 63 μm, dvs. sedimentets silt og lerfraktionen samt organisk stof. Grunden hertil er, at resuspension af det fine sediment i lavvandede fjordsystemer som f.eks. Ringkøbing Fjord, Nissum Fjord, Limfjorden og Odense fjord har betydning for lysnedtrængningen til bunden og dermed betydning for udbredelsen af den rodfæstede bundvegetation. Der eksisterer positive og negative tilbagekoblinger mellem den rodfæstede bundvegetation og resuspensionen af fint sediment, idet bundvegetationen beskytter sedimentet mod at blive påvirket af bølger og strøm, samtidigt med at vegetationen kan virke som et sedimentfang. Tilsvarende kan mikrobenthiske alger forøge sedimentets kritiske forskydningsspænding, dvs. den kraft, der skal til fra strøm og bølger, før sedimentet begynder at resuspendere. Omvendt har løstliggende makroalger (søsalat & trådformede arter) vist sig at reducere den kritiske forskydningsspænding og derved fremme resuspension. Tilsvarende har det vist sig at flerårige makroalger som blæretang og savtang der er fastet til sten kan blive slæbt over bunden af strøm og bølger hvorved der ophvirvles sediment. Både den rodfæstede vegetation og de mikrobenthiske alger er afhængige af, at der er lys på bunden for at kunne gro. Reduceres sigtdybden, fordi næringstofbelastningen stiger, vil de rodfæstede planter og de mikrobenthiske alger forsvinde fra de dybere dele af fjorden. Den bare fjordbund eksponeres i højere grad for resuspension, hvorved lysnedtrængningen mindskes, og arealet med bar bund forøges. Ved øgning af næringstofbelastningen opstår der en negativ spiral mellem udbredelsen af bundplanter og mikrobenthiske alger på den ene side og den mørklagte bare bund i fjordenes dybere dele på den anden side. Den omvendte proces kan foregå ved en reducering af belastningen, idet en øget lysnedtrængning vil øge dybdeudbredelsen af de mikrobentiske alger, hvilket vil reducere resuspensionen og dermed koncentrationen af suspenderet stof i vandet. 68 mariager fjord model_5_12_17
Modellen inkluderer resuspension af fint sediment, den kritiske forskydningsspændings afhængighed af de mikrobenthiske alger samt de nævnte effekter af makroalgernes og den rodfæstede vegetation på resuspensionen. I de følgende afsnit beskrives stofomsætningen i vandet og i bunden mere detaljeret. Pelagisk stofkredsløb Stofkredsløbet for kulstof (C), kvælstof (N) og fosfor (P) i vandet er illustreret i Figur A - 1. Algerne vokser ved fotosyntese, der er bestemt af lys, temperatur samt adgang til næringssalte. Algerne kan blive græsset af hhv. zooplankton eller sandmuslinger eller blot henfalde. Ved død og græsning af zooplankton indgår det tiloversblevne døde C, N og P i vandets pulje af dødt partikulært materiale - også kaldet detritus. Dette kan nedbrydes i vandet eller sedimenteres til bunden. En mere detaljeret beskrivelse af den del af modellen, som beskriver omsætningen i vandfasen og sedimentet, findes i (DHI 2016b). Mineraliseringen i vandet og sedimentet styres af C:N forholdet samt af temperaturen. Ilt, NO3 og SO4 virker som elektron-acceptorer i den nævnte rækkefælge. Slipper ilten op reduceres NO3 til N2 ved nitratreduktion (denitrifikation), er der ingen NO3 reduceres SO4 til sulfid. Produktionen af planteplankton og planterne på bunden er afhængig af lysets nedtrængning i vandet. I modellen er lyssvækkelsen beskrevet som en funktion af partiklerne lysspredningen samt lysets absorption (Effer 1988). Lyset absorberes af planteplankton, løst partikulært organisk materiale og opløst organisk stof. Filtrationsmodellen beskriver udelukkende filtrationen af bundlevende muslinger, dvs. blåmuslinger, sandmuslinger og hjertemuslinger. Filtrationsmodellen beskriver således ikke vækst og filtration af blåmuslinger fra muslingebrug. Filtrationsmodellen er bygget op på den måde, at filtrationen er proportional med muslingernes skalarealet pr. m 2. Skalarealet er beskrevet som en arealspecifik parameter i modellen, dvs. at brugeren laver et kort over skalarealet ud fra foreliggende målinger. 69
Figur A - 1 C, N og P cyklus i vandfasen af det økologiske modul inklusive filtration fra sandmuslinger (Mya areneria). Muslingerne filtrerer vandet med gællerne der har et areal proportionalt med skalarealet og sorterer den lødige del af det organiske materiale fra og spiser dette. Den lødige del består for 90-100% vedkommende af alger; den resterende del af det filtrerede organiske og uorganiske materiale afleverer muslingerne som pseudofækalier og fækalier til sedimentet, se Figur A - 1. Muslingerne respirerer op til 30% af det organiske materiale (C, N og P), som de assimilerer. Modellen opererer ikke med biomassen af muslinger som tilstandsvariabel; hvorfor det antages, at biomassen af muslingerne er konstant. Det betyder, at nettoproduktionen af muslingekød sættes lig med døden. Denitrifikation, nitrifikation og sulfid og NH4 i vandfasen Denitrifikationen i skillefladen beskrives ud fra nedenstående ligning, som er hentet fra (Jensen et al 2009) Processen foregår under iltfrie forhold, hvilket i modellen er defineret som værende ved iltkoncentrationer under < 0.32 g m -3 NO3 DENW = 0.165 H2S, g N NO3+0.05 m-3 d -1 DENW: denitrifikation, g N m -3 d -1 H2S: sulfid, g S m -3 0.165: maksimal specifik denitrifikation, d -1, 15 C⁰ NO3: nitrat N, g N m -3 0.05: halvmætningskoncentration, g N m -3 70 mariager fjord model_5_12_17
Figur A - 2 Modelberegnet tværsnit af Dybet i Mariager fjord. Øtv: smalt lag med denitrifikation i nederste del af springlaget. Øth: iltkoncentrationen nærmer sig 0 i springlaget. Ntv: nitrifikation i øvre del af slaget. Nth: koncentrationen af H2S. Modellens vertikale opløsning er på 1 m hvilket betyder at der i den nederste del af laget er iltfrit hvor der i den øverste del er iltkoncentration hvor denitrifikationen ikke vil forekomme. Således bemærker (Jensen et al 2009), at det denitrificerende lag ved en måling var på omkring 16 cm. Anvendelsen af en iltkoncentrationsgrænse på 0,32 g m -3 er en approksimation for at finde det lag i modellen hvor overgangen til iltfrie forehold foregår. Sammenhængen mellem ilt, nitrifikation af opstigende NH4 fra bundvandet over skillefladen samt opstigende H2S of denitrifikation i nedre del af skillefladen er præsenteret i Figur A - 2. Stofkredsløb i og på sedimentet EU-MT modulet indeholder en beskrivelse af sediment i to lag, et øvre ukonsolideret lag og et nedre konsolideret lag. I hver af disse lag indgår fint uorganisk sediment (SSin) organisk kulstof (SOC1 & 2), organisk kvælstof (SON1 & 2) og organisk fosfor (SOP1 & 2), se Figur A - 3. 71
Figur A - 3 Diagram over sedimentdelen af den kombinerede EU-MT modul. Organisk stof i form af algekulstof (PC) og detritus kulstof (DC) kan sedimentere til sedimentoverfladen, hvor det indgår i den ukonsoliderede organiske kulstofpulje (SOC1). Der sker til stadighed en konsolidering af sedimentet, hvilket i modellen er beskrevet som en konstant proces, hvor SOC1 flyttes til puljen af det konsoliderede organiske materiale (SOC2). Resuspension sedimentation Det organiske materiale i begge lag kan blive resuspenderet ved påvirkning af bølger og strøm. De kræfter eller den forskydningsspænding, som påvirker sedimentoverfladen, beregnes ud fra strømhastigheden samt ud fra bølgernes påvirkning. En bølge kan betragtes som en cirkulær vandbevægelse, der bevæger sig fremad i vandet med en given hastighed. EU-MT modulet indeholder en beskrivelse af vindgenererede bølgers cirkulære vandbevægelse (orbital hastighed) over sedimentet, som kan omsættes til en kraftpåvirkning på sedimentoverfladen, (Soulsby R. L. & S. Clark 2005). Bølgernes kraftpåvirkning beregnes ud fra kendt vindhastighed og retning samt ud fra områdets bathymetri. Ved en given vindretning vil der blive dannet små bølger på læsiden af fjorden, som efterhånden vil vokse sig større, når de kommer ud på dybt vand, og som vil blive brudt, når de kommer ind på lavt vand i fjordens modsatte vindeksponerede side. Bølgernes kræfter på sedimentoverfladen beregnes for hvert beregningspunkt i modellen, hvilket betyder, at sedimentet udsættes for en større forskydningsspænding i den vindeksponerede side af fjorden end på læsiden. Overskrider forskydningsspændingen sedimentets kritiske forskydningsspænding, sker der en resuspension af organisk materiale, organisk bundet N og P samt fint uorganisk sediment og (SOC, SON, SOP & SSin). Det betyder, at modellen kan beskrive en lokal resuspension af sediment i den vindeksponerede side af fjorden. Sediment transporteres rundt i fjorden med strømmen, inden det enten sedimenterer ud på læsiden, på dybt vand eller transporteres ud af fjorden. Hvis det ukonsoliderede lag er eroderet bort, sker resuspensionen fra det konsoliderede lag. Den kritiske forskydningsspænding for det konsoliderede lag er imidlertid højere end for det ukonsoliderede lag. 72 mariager fjord model_5_12_17
Sedimentets kritiske forskydningsspænding er en variabel størrelse, som i de fleste modeller er beskrevet ud fra rent fysisk-kemiske forhold. Det kan måske gå i højenergisystemer, dvs. havområder påvirket af store bølger og tidevand. De indre danske fjorde er imidlertid kendetegnede ved at være lavenergisystemer, idet tidevandspåvirkningen er begrænset, og bølgerne ikke kan nå at blive store, inden de kommer ind på lavt vand igen. I de danske fjordsystemer påvirker biologien i form af bunddyr og planter sedimentets kritiske forskydningsspænding. Det har man vidst i mange år, men at sætte tal på har været vanskeligt. Nogle bunddyr, f.eks. dyndsnegle, reducerer den kritiske forskydningsspænding, hvorimod mikrobenthiske algemåtter forøger forskydningsspændingen ved at udskille polysakkarider, der kitter sedimentkornene sammen. De mikrobenthiske algers forøgelse af den kritiske forskydningsspænding er beskrevet i modellen som en funktion af algernes produktion efter sidste resuspension, idet det antages at udskillelsen af polysakkarider er proportional med produktionen. Strøm og bølger kan få løstliggende makroalger til at bevæge sig over bunden hvor de medierer strømmens og bølgernes energi ned i sedimentoverflader og dermed skaber mulighed for resuspension, (Canal-Vergés et al 2010; Valdemarsen et al. 2010; Kuusemäe et al 2016). Biomassen af flerårige makroalger (f.eks. blæretang(fucus)) der er hæftet på sten kan i sensommeren blive så stor at bølger og strøm kan slæbe sten + alger over sedimentet hvorved der skabes resuspension, /8/. Den rodfæstede vegetation, som dæmper strøm og bølgers påvirkning af sedimentet. Forekomsten af sandorm (Arenicola marina) påvirker sedimentets struktur idet sandorm begraver større partikler (>1 mm) inc. ålegræs frø til 10-20 cm og efterlader den mere finkornede fraktion i overfladen. Dette reducerer sedimentets kritiske forskydningsspænding ligesom det reducerer mulighederne for spredning af ålegræsbestanden via frøspredning i et område, (Valdemarsen et al 2011). EU-MT modulet indeholder en beskrivelse af de mikrobenthiske alger, løstliggende og stenfæstet makroalger, rodfæstede vegetation samt sandormes graveaktivitet, hvorfor deres påvirkning af den kritiske forskydningsspænding ligeledes er inkluderet i modulet. Sedimentets N kredsløb EU- MT modellen indeholder en beskrivelser af omsætningen af organisk N og P. Organisk bundet N tilføres sediment ved sedimentation af alger, detritus samt via muslingernes produktion af fækalier, pseudofækalier samt muslingernes død, se Figur A - 4. En del af dette N mineraliseres på sedimentoverfladen, resten tilføres en pulje af organisk bundet N, som kan mineraliseres (SON1 & 2) i sedimentet. Sedimentets C:N forhold er styrende for mineraliseringshastigheden af det organiske stof i sedimentet. Kommer C:N forholdet over en tærskel (12-14), stopper nedbrydningen, og det resterende organisk bundne C, N og P vil herefter blive begravet (immobiliseret) i sedimentet. Total ammonium (NH4-N) frigives fra den organiske N pulje ved ammonifikation til porevandet (SNH). Hvis der er ilt i vandet over sedimentet, kan ammonium nitrificeres til nitrat (SNO3) i sedimentets øverste lag (KDO2), der typisk er mellem 0-5 mm tykt. Nitratet kan enten transporteres ned i den iltfrie del af sedimentet, hvor det kan denitrificeres til N2, eller transporteres op i vandet. Transporten af næringssalte mellem vand og sediment er dog afhængig af koncentrationsforskellen mellem porevandet og vandet over sedimentet. I den iltfrie del af sedimentet bruges nitratet af mikroorganismer til omsætning af organisk materiale ved denitrifikation eller nitratrespiration. Under den dybde, hvor nitratkoncentrationen er 0 (KDOX), antages sedimentets omsætning i højere grad at være domineret af sulfatreduktion med produktion af sulfid til følge. 73
Oxidation og reduktion af jern og mangan er ikke direkte beskrevet i modellen. Det antages, at grænselaget mellem oxideret (Fe +++ ) og reduceret jern (Fe ++ ) er sammenfaldende med dybdenedtrængning af nitrat (KDOX), samt at dette grænselag følger KDOXs bevægelser op eller ned i sedimentet. Såvel iltnedtrængningen (KDO2) som nedtrængningen af nitrat (KDOX) er variable, som er uafhængige af sedimentets konsoliderings lag beskrevet i Figur A - 4. Mængden af oxideret jern har betydning for beregning af puljen af PO4 bundet til oxideret jern (FESP). Målinger i forbindelse med HAV90 undersøgelserne i Århus Bugt har imidlertid vist, at grænsefladen mellem oxideret og reduceret jern normalt ligger lidt under (0-1 cm), den dybde man kan måle nitrat i sedimentet. Dette kompenseres der imidlertid for ved at regulere det oxiderede jerns P bindingskapacitet, således at puljen af FESP pr m 2 svarer til målte puljer. Figur A - 4 Modellens N-omsætning i sedimentet. Sedimentets P kredsløb Sedimentets P-cyklus er præsenteret i Figur A - 5. Sedimentet modtager organisk bundet P på overfladen ved sedimentation af plankton, detritus, samt ved at modtage fækalier og pseudofækalier fra muslinger. En mindre del omsættes på sedimentoverfladen, en anden del af det organiske P antages at blive immobiliseret ved binding til kalk eller ved at være svært nedbrydeligt organisk P. Resten indgår i sedimentets organisk bundne P- pulje (SOP). SOP kan nedbrydes af bakterier, hvorved der frigives fosfat til porevandet (SIP). Fosfatet kan enten blive transporteret op i vandet, eller det kan blive bundet til oxideret jern (FESP). Mængden af oxideret jern i sedimentet bestemmes i modellen af nitratnedtrængningen (KDOX). Hvis KDOX mindskes, frigives der fosfat fra puljen af FESP; øges KDOX, optages der fosfat fra porevandet til FESP puljen. 74 mariager fjord model_5_12_17
Kobling mellem sediment og vand Der sker en udveksling mellem vandets og sedimentets næringssalte gennem en transport over sedimentoverfladen. Figur A - 5 Modellens P-omsætning i sedimentet. Figur A - 6 Konceptuelt diagram for P omsætningen med resuspension og sorption-desorption af P til partikulært oxideret jern. 75
I modellen styres denne transport af en diffusionskonstant, koncentrationsforskellen mellem porevandet og vandet over sedimentet, samt af forskydningsspændingen fra strøm og bølger. En høj forskydningsspænding medfører således en forøget diffusion. "Diffusionen" dækker i denne sammenhæng over samtlige processer, som er med til at transportere opløst stof mellem porevand og vandet over sedimentet, inklusive molekylær diffusion samt bunddyrenes aktivitet i sedimentet. Det er tidligere omtalt, at PO4 kan adsorberes og desorberes til partikulært oxideret jern, hvilket medfører, at resuspenderet partikulært jern kan virke som en buffer på PO4 koncentrationen i vandet, ved at frigive PO4 til vandet ved lave PO4 koncentrationer og optage PO4 ved høje koncentrationer. Denne mekanisme er inkluderet i EU-MT modellen ved at antage, at der til det uorganiske fine sediment er knyttet jern i et fast forhold (Fe/SSin), som kan sorbere og desorbere PO4. Det sorberede PO4 (IPssin) kan sedimentere og indgå i puljen af jenbundet PO4 (FeSP) i sedimentet. Omvendt kan en del af FeSP puljen blive resuspenderet til vandet, se Figur A - 6. Planter på bunden Modellen indeholder en beskrivelse af benthiske makroalger, samt rodfæstet vegetation som f.eks. ålegræs. Makroalgernes biomasse kan opsplittes i en biomasse der sidder fast på sten f.eks. blæretang) samt en løstliggende makroalger, f.eks. søsalat ud fra et kort over områdets stendækning. Makroalgernes vækst er afhængig af, hvor meget lys der kan trænge end på bunden samt af adgangen til næringssalte fra vandet. Makroalgernes vækst er desuden afhængig af iltkoncentrationen i bundlaget, idet væksten reduceres under 2 mg O2 l -1. Der findes i modellen ingen beskrivelse af transport og drift af disse alger, hvorfor modellen viser, hvor algerne gror, men ikke hvor de evt. flytter sig hen som funktion af strøm og vind. Benthiske mikroalger Benthiske mikroalger kan være en vigtig autotrof komponent i lavvandede systemer. De ligger som et tæppe på sedimentet eller i de øverste mm og kan dels få næringsstoffer fra vandet over sedimentet og dels næringsstoffer, som siver op fra det underliggende sediment. EU-MT modellen beskriver puljerne af PO4 NH4 og NO3 i porevandet (g m -2 ), ud fra hvilke en gennemsnitlig koncentration (g m -3 ) i porevandet kan beregnes. I EU-MT modellen får de mikrobenthiske alger tilbudt næringsstoffer (PO4, NO3 & NH4) fra vandet over sedimentet samt fluksen (g m -2 d -1 ) af NH4 og PO4 fra det underliggende sediment. Væksten af de mikrobenthiske alger er gjort afhængig af iltkoncentrationen og nedtrængningen af NO3 i sedimentet på samme måde som for de rodfæstede planter. De mikrobenthiske alger betragtes i modellen som stationære, dvs. de transporteres ikke rundt i fjorden som følge af resuspension. I meget lavvandet områder der er udsat for resuspension kan adskillelsen i modellen mellem pelagiske og benthiske mikroalger medføre at modellen underestimere koncentrationen af klorofyl i vandet, idet en stor del af det målte klorofyl i vandet reelt består af resuspenderet mikrobenthiske alger som i modellen befinder sig i sedimentoverfladen. Makroalger I modellen er der en stationær makroalge som tilstandsvariabel. Der er imidlertid mulighed for at splitte biomasse op i en biomasse af hhv. løstliggende makroalger og stenfæstede makroalger hvis modellen forsynes med et kort over stendækket. Makroalgerne optager næringsstoffer fra vandet og deres vækst er afhængig af lys, interne puljer af N, P, samt iltforholdene. Temperatur afhængigheden beskrives med en brugerdefineret optimumtemperatur over hvilket væksten reduceres. 76 mariager fjord model_5_12_17
Ålegræs De rodfæstede planter er i modellen beskrevet som værende afhængige af lysnedtrængningen til bunden samt ved at kunne optage næringsstoffer fra vandet eller fra porevandet i sedimentet. Planternes rizomer og rødder trænger adskillige cm ned i sedimentet, hvorfra de kan hente næringsstoffer i porevandet. Det betyder, at de rodfæstede planter i modsætning til makroalgerne vil kunne vokse, selv om der er lave næringsstofkoncentrationer i vandet, ved at optage næringsstofferne fra sedimentet. De rodfæstede planters vækst er ligesom makroalgernes vækst gjort afhængig af iltkoncentrationen i bundvandet. Væksten reduceres desuden, hvis nedtrængningen af NO3 i sedimentet er mindre end 1 cm. Døden af rodfæstede planter er beskrevet som en funktion af dybden, bundvandets iltmætning, samt hvor tæt sulfidfronten i sedimentet er på sedimentoverfladen udtrykt ved nedtrængningen af NO3 i sedimentet. Dybden er brugt som parameter for døden da der er et ikke lineært mellem dybden og bølgernes afrivning af planter fra bunden, hvortil skal lægges græsning fra svaner i den øverste meter. Modellen inkluderer frøsætning, frøspredning, frøbank i sedimentet samt spiring af nye planter. Det medfører at der er inkluderet en begravning/død af frø pga. sandormenes begravning af frø til en dybde under 5 cm, hvorfra der ikke sker frøspiring. Der er inkluderet en død af nyspirede åregræsplanter på grund af begravning af sandorm samt fysisk ødelæggelse af drivende stenfæstede makroalger (blæretang (Fucus)). EU-MT modellen indeholder seks tilstandsvariable som beskriver den overjordiske biomasse af ålegræs. EC, En & EP: Ålegræs C, N & P biomasse, g C m -2 ; NNEC: antal skud pr m -2 ; Es: antal ålegræs frø i vandfasen, no m -3 ; EsB: antal spiredygtige frø i sedimentet no m -2. Muslingebrug Muslingebrugene antages at bestå af vertikalt hængende tove, net eller strømper fastgjort på liner der holdes horisontalt i vandet ved bøjer eller luftfyldte rør (f.eks. Smartfarm ), se se Figur A - 7, Figur A - 9 og Figur A - 8.. Muslingelarver sætter sig på tovene on foråret hvor de vokser sig store i løbet af sommeren. Høst af muslinger foretages i det efterfølgende forår. Figur A - 7 Muslingebrug med vertikalt ophængt tove hvorpå larverne setter sig. (fra Ingienøren 12.11.12). Det areal som de ophængte vertikal tove besidder (m 2 pr. m 3 ) indlægges i et passende antal lag i modellen der svare til det dybdeinterval som tovene er hængt op i. 77
Figur A - 8 Smartfarm muslingenet ophængt i luftfyldte rør. (marbio.sdu.dk) Figur A - 9 Tove med blåmuslinger. Muslingebrug modellen er en kohode model. Dvs. at muslingerne i hver beregningscelle har den samme længde og tørvægtsbiomasse med samme indhold af C, N og P. Men da der er mange beregningsceller horisontalt som vertikalt vil der i selve muslingebruget være varierende størrelse af muslinger med forskelligt kødindhold. Væksten er beskrevet ud fra tilgængeligheden af mad samt temperaturen. Mad vil for blåmuslingers vedkommende vil sige planteplankton, som med vandet omkring muslingen pumpes ind i muslingen og filtreres via cilier eller fimrehår der sidder på muslingernes gæller. Vandet indeholder forskellige former af partikler, som uorganisk ler og silt partikler, dødt partikulært materiale (detritus) samt planteplankton. Muslingerne sorterer partiklerne og indtager planteplanktonet samt en lille del af detrituset. Den del der ikke indtages udskilles i pilleform som pseudofækalier sammen med egentlige fækalier. Fækalier og pseudofækalier, der har en høj sedimentationshastighed, synker ned mod bunden hvor de undervejs undergår en nedbrydning. I modellen er nettovæksten af muslingernes bløddele beskrevet ud fra koncentrationen af planteplankton med en temperaturreguleret Michaelis-Menten kinetik, se Figur A - 10 og Figur A - 11. Hvis koncentrationen af plankton er under ca. 0.03 g C m -3 eller 0.5-1 mg klorofyl m -3 bliver nettovæksten negativ. Koncentrationen af plankton i muslingebrugene er bestemt af strømforholdene samt af koncentrationen af plankton i vandet omkring muslingebrugene, idet muslingerne hurtigt kan tømme vandet for i brugene for partikler. I modellen beskrives tilgængeligheden af mad til muslingerne ved en kombination af den 78 mariager fjord model_5_12_17
hydrauliske models transport af vand til muslingebrugene samt den økologiske models beskrivelse af produktion og død af plankton. Muslingernes skalvækst beskrives ud fra deres kondition, som defineres som mg bløddele som tørvægt L -3 (mg cm -3 ). Hvor L er skallængden i cm af muslingen. Længden af muslingen afstemmes med konditionen, er konditionen således at muslingen længde vokser hvis konditionen stiger. Sulter muslingen reduceres konditionen idet længden af muslingen ikke kan falde, bliver konditionen for lav dør muslingen. Der kan ske et tab af muslinger fra tovene hvis der påstår pladsmangel. Efterhånden som muslingerne vokser vil der ikke være plads nok til at alle muslingerne at sidde fast på tovene. I modellen beskrives dette tab som en funktion af antallet og længden af muslinger i forhold til det tov areal som muslingerne har til rådighed at hæfte sig fast på. Figur A - 10 Netto vækst af blåmuslingernes bløddele som funktion af fytoplankton koncentrationen (AlgaeB, g C/m 3 ). Alg½ angiver en halvmætningskoncentration, og a angiver en minimums fødekoncentration for positive vækst. Figur A - 11 Temperaturfunktionen (MytTempF) angiver filtrationsratens relative afhængighed af temperaturen. 79
Muslingernes respirationen beregnes ud fra MytGrf kurven negative del. N og P indholdet i muslingerne er konstante, i modellen regnes kun på N og P i bløddelene, men da skal og bysustråde også indeholder N og P er dette indregnet ved at forhøje N:C og P:C forholdene af bløddelene. I Skive fjord er der resultater fra et forsøgsmuslingebrug som viser mængderne og forholdet mellem de høstede mængder af N og P i muslingernes bløddele, skal og bysustråde, se Tabel A - 1. Tabel A - 1 Estimeret ton af N og P i muslinger fra test brug i Skive Fjord (Pedersen et al 2014). N indholdet i bløddel er 6.5% af tørvægten. Hvis man regner med at forholdet mellem tørvægt og C indhold er ca. 2 giver dette et N:C på 0.13, hertil skal så ganges med 16/9 for at få N indhold i skal og bysus med i regnskabet: resulterende N:C = 0.23 for bløddelene men med skal og bysus inkluderet. På tilsvarende vis kan man beregnet et P:C forhold for bløddelene som inkluderer skal og bysus til 0.015. 80 mariager fjord model_5_12_17
Tilstandsvariable og processer For hver tilstandsvariable er der et antal processer som beskriver ændringen af biomesserne eller antal skud over tid. De typiske processer er vækst, produktion, død og tab via respiration samt sedimentation for tilstandsvariable i vandfasen f.eks. frigivne ålegræsfrø (Es).En liste over den økologiske models tilstandsvariable i vandet og i samt på sedimentet er præsenteret i nedenstående Tabel A - 2. Tabel A - 2 Tilstandsvariable i økologisk model Tilstandsvariable, vand Benthiske tilstandsvariable PC, Phytoplankton C, g C /m 3 BC, Macroalgae C, g C/m 2 PN, Phytoplankton N, g N/m 3 BN, Macroalgae N, g N/m 2 PP, Phytoplankton P, g P/m 3 BP, Macroalgae P, g P/m 2 CH, Chlorophyll-a, g Chl/m 3 EC, Rooted vegetation, g C/m 2 ZC, Zooplankton C, g C/m 3 EN, Rooted vegetation N, g N/m 2 DC, Detritus C, g C/m 3 EP, Rooted vegetation P, g P/m 2 DN, Detritus N, g N/m 3 NNEC, Rooted vegetation, no. of shoots, no/m 2 DP, Detritus P, g P/m 3 BDC, benthic micro algae C, g C/m 2 DCf, muslinge fækalier C, g C/m 3 BDN, benthic micro algae N, g N/m 2 DNf, mulsinge fækalier N, g N/m 3 BDP, benthic micro algae P, g P/m 2 DPf,mulinge fækalier P, g P/m 3 SSinf, SSin i muslingefækalier, g/m 3 KDO2, DO penetration into sediment, m KDOX, depth of NO3 penetration into sediment, m IPssf, IP sorbed to SSin, muslingefækalier g/m 3 SOC1, sediment organic C, layer 1, g C/m 2 NH4, NH4 g N/m 3 SOC2, Sediment organic C, layer 2, g C/m 2 NO3, NO3+2, g N/m 3 SOP1, Sediment organic P, layer 1, g P/m 2 H2S, Hydrogen Sulfide, g S/m 3 SOP2, Sediment organic P layer 2, g P/m 2 IP, phosphate, g P/m 3 FESP, sediment PO4 adsorbed to Fe, g P/m 2 DO, Dissolved oxygen, g DO/m 3 SIP, Pore water PO4, g P/m 2 CDOC, DOC refractory, g C/m 3 SON1, Sediment organic N layer 1, g N/m 2 CDON, DON refractory, g N/m 3 SON2, Sediment organic N, layer 2, g N/m 2 CDOP, DOP refractory, g P/m 3 SNH, Pore water NH4, g N/m 2 LDOC, labile DOC, g C/m 3 SNO3, Pore water NO3-N, layer (0 - KDO2), g N/m 2 LDON, labile DON, g N/m 3 SH2S, sediment reduced substances as g H2S/m 2 LDOP, labile DOP, g P/m 3 Sim1, Sediment inorganic matter < 63 µm, 1. layer, g/m 2 SSin, F. fine inorganic solids, g/m 3 Sim2, Sediment inorganic matter < 63 µm, 2. layer, g/m 2 IPss, IP sorbed to SSin, g/m 3 musb, dyrkede mudslingers bløddele, g C/m 2 musn, dyrkede antal muslinger, no./m 2 sum_harvn, akkumuleret høst af mudslinger, g C/m 2 sum_prmc_p, akk. net production af mussels, g C/m 2 sum_pmc_p, akk. faces+pseudo faces prod.+mortb, kultur muslinger, g C/m 2 81
82 mariager fjord model_5_12_17
Referencer Canal-Vergès P., M. Vedel, T. Valdemarsen, E. Kristensen, M.F. Flindt. 2010. Resuspension created by bedload transport of macroalgae: implications for ecosystem functioning. Hydrobiologia 649, P: 69-76. DHI 2003. Modelberegninger af den fremtidige vandkvalitet i Ringkøbing Fjord, ved en slusepraksis, hvor der tilstræbes 6-8 PSU i fjorden. Rapport til Ringkøbing Amt. Februar 2003. DHI 2016a. MIKE 21 and MIKE3 flow model FM. Hydrodynamic and transport module. Scientific documentation. DHI 2016. DHI 2016b. DHI eutrophication model 1 including sediment and benthic vegetation. DHI 2016. Effer S. W. 1988. Secchi depth transparency and turbidity. Journal of Environmental Engineering. Vol 114 no. 6, P: 1436-1447. Kuusemäe K., Erik Kock Rasmussen, Paula Canal-Vergés, Mogens R. Flindt. 2016. Modelling stressors on the eelgrass recovery process in two Danish estuaries. Ecological Modelling 333 P: 11-42. 2016. Marbio.sdu.dk http://www.marbio.sdu.dk/index.php?page=wp2 Petersen Jens Kjerulf, B. Hasler, K. Timmermann, P. Nielsen, D. B. Tørring,M. M.Larsen, M. Holmer. 2014. Mussels as a tool for mitigation of nutrients in the marine environment. Marine Pollution Bulletin 82 (2014) 137 143 Rasmussen E. K., O. S. Petersen, J.R. Thomsen, R.J. Flower, F. Ayache, M. Kraiem, & L. Chouba. 2009. Model analyses of the future water quality of the europhicated Ghar El Melh lagoon (Northern Tunisia). Hydrobiologia 622 P: 173-193, 2009. Soulsby R.L. & S. Clarke 2005. Bed Shear-stresses under combined waves and current and smooth and rough beds. (Defa project FD1905 (EstProc)). Report TR 137 August 2005, HR Wallingford. Valdemarsen T., P. Canal-Vergès, E. Kristensen, M. Holmer, M.D. Kristiansen, M.R. Flindt. 2010. Vulnerability of Zostera marina seedlings to physical stress. Marine. Ecol. Prog. Ser. 418 P:119-130. Valdemarsen T., K. Wendelboe, J. T. Egelund, E. Kristensen, M.R. Flindt 2011. Burial of seeds and seedlings by lugworm Arenicula marina hampers eelgrass (Zostera marina) recovery. J. Exp. Marine Biol. Ecol. 410, P: 45-52. 83
BILAG B Figurer kalibrering-validering Figurer ikke vist i tekstdel 85
Figur B - 1 Klorofyl målt og simuleret ved Havnø i Yderfjorden af Mariager Fjord. Figur B - 2 Ilt målt og simuleret ved Havnø i Ydefjorden af Mariager Fjord. 86 mariager fjord model_5_12_17
Figur B - 3 TN, NH4 og NO3 målt og simuleret, fra station ved Havnø i Mariager Fjord. Figur B - 4 TP og PO4-P målt og simuleret fra station ved Havnø i Mariager Fjord. 87
Figur B - 5 Ilt målt og simuleret ved station Sandhagen i Inderfjorden af Mariager Fjord. Figur B - 6 Ilt målt og simuleret ved station Luftledninger i Inderfjorden af Mariager Fjord. 88 mariager fjord model_5_12_17
Figur B - 7 Ilt målt og simuleret ved station Gl. Spølledning i Inderfjorden af Mariager Fjord. Figur B - 8 Sigtdybde målt og simuleret ved station Sandhagen i Inderfjorden af Mariager Fjord. 89
Figur B - 9 Sigtdybde målt og simuleret ved station Luftledninger i Inderfjorden af Mariager Fjord. Figur B - 10 Sigtdybde målt og simuleret ved station Gl. Spølledning i Inderfjorden af Mariager Fjord. 90 mariager fjord model_5_12_17
BILAG C Denitrifikation i springlag Oktober november 2013 91
Figur C - 1 Nedbrydning af lagdeling med denitrificerende lag igennem perioden oktober-november 2013, inden saltvandsindbruddet forårsaget af stormen Bodil 6-8.12.2013 fjernede den sidste rest af det gamle bund og skabte et nyt bundlag med højere salinitet. Se også Figur 2-3. 92 mariager fjord model_5_12_17