UNIVERSITY OF GOTHENBURG Department of Marine Sciences Geovetarcentrum/Earth Science Centre Cirkulation och retention av närsalter i Vänern Sandra Lagnevall ISSN 1400-3821 Mailing address Geovetarcentrum S 405 30 Göteborg Address Geovetarcentrum Guldhedsgatan 5A B862 Bachelor of Science thesis Göteborg 2015 Telephone 031-786 19 56 Telefax 031-786 19 86 Geovetarcentrum Göteborg University S-405 30 Göteborg SWEDEN Abstract LakeVänernisSweden'slargestlakeandhasadrainageareathatcovers10%ofSweden's surface.Vänern'sonlyoutletendsinthewestcoastofSweden,makingknowledgeabouthow nutrientsareretainedandcirculateinthelakeisimportanttoreducetheeffectsof eutrophicationinthelakeaswellasinthemarineenvironment.Inthisstudywemakeuseof availablemonitoringandmodeldataonwaterandnutrientfluxestothelakeandnutrient concentrationsinthelaketoestimatetheretentionofnutrients.Theinfluenceofwater exchangebetweenthetwomainbasinsinthelakeisstudiedindetail.Thisisdonebysettingup atime‐dependentbudgetmodelforthetwoconnectedbasinsandusingnewobservationsto parameterizetheexchangebetweenthebasins.Afterseveralinvestigatedscenariositwasfound thatthetotalretentioninthelakeisinsensitivetotheexchangebetweenthebasins. Sammanfattning VänernärSverigesstörstasjöochharettavrinningsområdesomtäcker10%avSverigesyta.Det endautloppetfrånVänernärGötaÄlvvilketgörattkunskapomhurnäringsämnencirkulerar ochsedimenterarisjönärviktigtförattminskaeffekternaavövergödningintebaraiVänern utanävenpåvästkusten.Idennastudieanvändervitillgängligaövervaknings‐ochmodelldata avvatten‐ochnäringsflödeintillsjönsamtkoncentrationisjönförattuppskatta närsaltsretentionochinverkanavvattenutbytetmellandetvåhuvudbassängernaisjön.Detta gjordesgenomattsättauppentidsberoendebudgetmodellfördetvåbassängernaochanvända nyaobservationerförattparametriserautbytetmellanbassängerna.Efterfleraundersökta scenarionframgickdetattretentionenäroberoendeavförutbytetmellanbassängerna. 2 Innehåll Abstract ................................................................................................................................................... 2 Sammanfattning ...................................................................................................................................... 2 Inledning .................................................................................................................................................. 4 Teori ........................................................................................................................................................ 6 Volymbudget ................................................................................................................................... 6 Massbudget för näringsämne ......................................................................................................... 6 Metod ...................................................................................................................................................... 8 Utväxlingen mellan bassängerna .................................................................................................. 10 Resultat .................................................................................................................................................. 13 Diskussion .............................................................................................................................................. 21 Tack ....................................................................................................................................................... 23 Litteraturförteckning ............................................................................................................................. 23 3 Inledning VänernärSverigesstörstasjömedenytapå5650km2somsträckersigfrånnorraVästra GötalandtillsödraVärmland,sefigur1.Sjönkandelasuppitvådelbassänger,Värmlandssjön ochDalbosjön,ochavrinningsområdettäcker46880km2därenstordelavdenarealenärskog ochjordbruk Vattenmyndigheterna,2014 .Storlekenpåavrinningsområdetresulterari påtagliganärsaltsutsläppisjön.EndadefinieradeutflödetärGötaÄlv Drotz,o.a.2014 vilket ledertillattnärsaltersomintesedimenterariVänerntillstörstadelhamnarpåVästkusten,då närsalterharförsumbarretentionifloder Kalff,2001 . Figur1:KartaöverVänernmeddetvådelbassängerna,DalbosjönochVärmlandssjönsamtdestörretillflödena utmärkta Olsson1991 .Tillagtärävendeprovtagningsstationersomomnämnsidennarapport. Markanvändningenruntsjönharlängebeståttavjord‐ochskogsbruk,menävenpappersbruk Drotz,o.a.2014 vilketharletttillsignifikantautsläppavintebaranärsalterutanäven miljögifter.Under70‐taletbörjaderegleringavutsläppenfrånindustrierochreningsverkvilket harletttillatthalternaavexempelvisDDTifiskharsjunkit,halternaavfosforivattnetharockså sjunkit.TrotsdettaärhalternaavmiljögifterfortfarandeförhöjdaiVänern Drotz,o.a.2014 ochLivsmedelsverketsrekommendationomattbegränsasittintagavfiskfrånsjönkvarstår. 4 Näringsämnenochpartiklartillförsävenfrånatmosfärendåförbränningfrånblandannat fordonstrafiksamtavdunstningfrånjordbruksmarkharenbidragandefaktortillökningenav näringsämnenihavochsjöar Paerl,1997 .Ökadehalteravnärsalterresulterariökad planktonproduktion,därsnabbväxandealgergynnasvilketisinturledertillhabitatändringoch enhögreriskförsyrebristdådetblirenökadsedimentationavorganisktmaterial Smith, 2003 .EttsättattsehurensjöpåverkasavövergödningärattundersökaRedfield‐ration,ett förhållandemellankväveochfosfor,somfåsgenomattdividerakväve‐med fosforkoncentrationen.Vanligtvissermankvotenimolförhållandet16:1,vilketinnebärattdeti idealaförhållandenskavara16kväveatomerperfosforatom.Detidealaförhållandetuppnås docksällanförsjöarochiviktärkvoten7:1.Omkvotenavvikerfråndetnormalapåverkardetta planktonalgerstillväxtochenhögrekvotän7indikerarettunderskottavfosfor,medanenkvot lägreän7indikerarattvattnetärkvävebegränsat Hecky,o.a.1993 .Kvotenkangeen uppfattningomhurnärsaltsutsläpppåverkarsjön,dåexempelvisfosforutsläppien fosforbegränsadsjöharstörreeffektänfosforutsläppienkvävebegränsadsjö. År2002gjordesenrapportavSLUförlänstyrelsenaiVästraGötalandochVärmlandslän Sonesten,2004 omhurnärsaltsutsläppenpåverkarVänernochVästkustensamtvilkeneffekt olikaåtgärdsprogramskulleha.Irapportentogsdockingenhänsyntillutbytetmellan bassängernautanmanantogattvattnetflödadeutfrånVärmlandssjönintillDalbosjön.Sedan studiengjordesharnyamätningarpåutbytetmellandetvådelbassängernagjorts,därmanvisat attvattenflödarframochtillbakamellanbassängernaidendjuparännan.Idennarapport undersöksdetomdetfinnsettsambandmellanvindochflödetirännan.Omsåärfalletkan flödetparametriserassomenfunktionavvindenochmankanundersökamedenmodellvilken effektutbytetharpåkoncentrationenochsedimentationenisjön,ochvadhänderommanökar ellerminskarsambandetmellanvindochflöde? MankantänkasigattretentionenavnäringsämnensomtillförsDalbosjönblirstörreomde cirkulerasibådasjöarnaänomdetbaraflödargenomdenena.Omeffektenavtillbakaflödet frånDalbosjöntillVärmlandssjönharstorinverkanpåretentionenavnäringsämnensomtillförs någonavbassängerna,kanmanbehövatahänsyntilldetnärmanstuderartidigarestudiers åtgärdsplanersamtiframtidastudiersutformningavåtgärdsplaner.Dettagällerfrämst uppfyllandetavFörordning 2004:660 omförvaltningavkvalitetenpåvattenmiljönsom behandlarövergödningiVänernsamtHavsförordningen 2010:1341 förVästkusten Regeringskansliet,2011 . 5 Teori Volymbudget IdennarapportantasvolymeniVänernvarakonstantdåvolymändringensomuppkommerav förändringavvattenytanärförsumbar.VolymflödetiVänernkandärförförenklastillatt summanavinflödenaplusdifferensenmellannederbördochavdunstningärlikamedutflödet. Ekvation1och2visarvolymflödetfördetvådelbassängerna ∙ . ∙ . 1 2 summanavinflödetfrånälvarnatillVärmlandssjön, ärutflödetfrån Iekvation1är VärmlandssjöntillDalbosjön,Pärnederbörd,Eavdunstningoch ärareanavVärmlandssjön. LiknandeuppställninggällerförDalbosjöniekvation2där ärinflödetfrånälvarnatill ärutflödettillGötaÄlvoch areanavDalbosjön.Ställermanuppen Dalbosjön, volymbudgetenförhelasjönfårmanattdettotalautflödetiGötaÄlvberorpåinflödenatillde tvådelbassängernasamtdifferensenmellannederbördochavdunstningmultipliceratmedsjöns totalaarea ∙ . 3 därvariablernaärdefinieradeovan. Massbudgetförnäringsämne Förattberäknakoncentrationenidetvåbassängernaställskällorochsänkoravnärsaltsmassai Vänernupp,sefigur2.Iekvation4visasbudgetenförtotalmassaavnärsalteriVärmlandssjön, ∙ Iekvation4är ∙ ⋯ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ . koncentrationsändringenövertidiVärmlandssjön, ä ⋯ 4 volymenför delbassängen, ärflödesviktadmedelkoncentrationavallainflödenoch summanav volymflödetavvattentillVärmlandssjön.Punktkällornasmassflöderepresenterasmed , stårföratmosfärisktnedfalloch areanavVärmlandssjön. ärkoncentrationeni Dalbosjönoch ä ärstorlekenpåvattenutbytetmellansjöarna,somtillvarjetidpunktbestår avlikastoramotsattriktadeflödenidjuprännanochidegrundaområden,somnärmare beskrivitnedan.Noteraatt ä alltidärpositivtochintefinnsmedi 1 och 2 dådetinte finnsnågotnettoflödeavvattenmellanbassängerna,trotsdetkandetorsakaettnettoflödeav massaomkoncentrationernaidetvåbassängernaärolika. ärkoncentrationeni Värmlandssjön, utflödettillDalbosjön.Sedimentationenberäknasgenomatt koncentrationenisjön multiplicerasmedbassängensarea samten sedimentationshastighetskonstant . 6 Ekvation5visarenliknandebudgetförDalbosjönsomförVärmlandssjön,menmedindexD iställetförV.Iekvationenärharutbytetmellanbassängerna ∙ bytttecken,dådetsom flödaruturVärmlandssjönharnegativttecken,menärettinflödetillDalbosjön,ochdåfår positivttecken.Dettagälleräven ∙ ä dåutbytetförDalbosjönteknisktsett ∙ ∙ ∙ ä ,mendå ä ä ,användssammabeteckning ibåde 4 och 5 , ∙ ∙ ∙ ∙ ⋯ ∙ ä ∙ ∙ ∙ ⋯ . 5 EntotalkoncentrationsändringförhelaVänernvisasiekvation6, ∙ ∙ ∙ ⋯ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ . Ovansermanattdentotalaförändringenavnäringsämneidetvåsjöarna, ∙ ⋯ 6 ∙ ∙ berorpåkällornapåförstaradenavekvation6,somtidigareredovisatsiekvation4och5, minussedimenteratmaterialfördebådabassängernasamtdetsomlämnarsjönviautflödettill GötaÄlv.Dettaberorpåattutbytetmellandelbassängerna ∙ ∙ ä samt ä tarutvarandrapåsammasättsomivolymbudgeten,seekvation1‐3.Enschematiskbildöver allakällorochsänkoridetvåsjöarnavisasifigur2. Figur2:Endeskriptivbildövervariablernamedtagnaimassbudgeten. 7 Metod EnmodellförkoncentrationsändringenidetvådelbassängernasamtförhelaVänernbyggsupp iMatlabbaseratpåekvation4‐6,därkällornaäruppmättavärdenhämtadefrånolika övervakningsprogram.Modellenöverkoncentrationsändringenkommerhädanefterrefereras tillsombaramodellen.UtflödetuturVärmlandssjönberäknasmed 1 ochutflödetur Dalbosjönberäknasfrån 3 .InitialkoncentrationiDalbosjön, ,sättstilldenuppmätta koncentrationeniMegrundetvidtidsseriensstart.FörVärmlandssjönsätts intialkoncentrationenför tilluppmättkoncentrationiTärnanvidtidsseriensstart,1/11988. Tidsmässigtharbegränsningenavtidsseriensattsavförekomstenavmätdatavilkethargjort atttidsperiodensomstuderasär1988‐2005.Startåretsattesavattmätserienförtotal kvävetransportinviaDalbosjönochVärmlandssjönstillflödenbörjarförstår1988.Mätserien förinflödenapågårivarierandelängdmenDalbosjönsinflödeByälvenfortsätterbaratill2005 vilketdärförsattessomslutdatum.Mätningarnastäthetvarierarmellanår,månadochdag beroendepåvilkenmätdatasomanvändsochdiskuterasvidareideavsnittsombehandlarde olikamätningarna. IdennarapportstuderasenbartVänernochdärförsummerasinflödenatilldelbassängernaoch sessomettinflödeförvarjebassäng.Medelvärdefördeolikainflödenaövertidsperiodensom modellenkörs,1988‐2005,redovisasitabell1. MätvärdernaförkväveochfosforärtagnafrånSLU:smiljöövervakningsdatabasförsjöaroch vattendrag Sonesten,2015 ochderasmät‐ochanalysmetoderärväldokumenteradei Vattenkemiisjöar Fölster,2010 .VärdenaförinflödenaärtagetfrånSLU:s transportberäkningarförVänern Sonesten,2015 ,vilketsedanärfördelatlikaöverhelaåret. Förfosforanvändestotalfosforochförkväveanvändestotalkvävebaseratpåpersulfat‐ metoden SS‐ENISO11905‐1:1997 .MätvärdenförvolymflödeutviaGötaÄlvärtagetfrån SMHI:smätstationvidVargönsKraftverk SMHI,2014 ochanvändstillattjämföramot modellen. Tabell1:Medelvärdeavmass‐ochvolymflödeavinflödentillVärmlandssjönsamtDalbosjön. Värmlandssjön Alsterälven Borgviksån Gullspångsälven Klarälven Lidan Norsälven Tidan Visman Ölman Summa Dalbosjön Byälven Dalsbergsån Nossan Upperudsälven Summa Massflödekväve kg s‐1 Massflödefosfor kg s‐1 0.0023 0.0041 0.0426 0.0607 0.0692 0.0332 0.0460 0.0027 0.0023 0.263 0.0001 0.0001 0.0007 0.0022 0.0017 0.0011 0.0015 0.0001 0.0002 0.0077 0.029 0.023 0.022 0.024 0.098 0.0009 0.0012 0.0007 0.0005 0.0033 8 Volymflöde m3 s‐1 3.25 8.90 56.9 159 18.3 48.2 17.2 1.34 1.96 315 53.9 11.7 7.97 37.1 111 FörjämförelseavkoncentrationenidelbassängernasamthelaVänernanvändsSLU:suppmätta koncentrationerförMegrundetNochTärnansomintegrerasöverdjupetförattfåettvärdesom ärjämförbartmotmodellensvärden,ensåkalladmedelvärdesbildning. . 7 Depunktkällorsomärmedräknadeimodellenärde10störstakällornasmedelvärdeav totalutsläppiVänernsnärområdeförkväveochfosfor Vänernsvattenvårdsförbund,2002 ,se tabell2och3.Andrakällortillkväveäratmosfärisktnedfall,beräknatfrånIVL:s krondroppsmätningarvidSödraAverstad PihlKarlsson,o.a.,2014 ,sefigur1.Demätvärden somanvändsärsummanavallakvävehaltigaföreningarsomuppmättsperår,jämntfördelade överåret.Innan1991finnsingamätningarfrånstationenochdåärnedfallsatttillmedelvärdet avdeårmätseriensträckersig,1991‐2012.Atmosfärisktnedfallavfosforsaknarmätvärdenoch ⁄å vilketävenanvändsi hariandrastudier Sonesten,2004;Olsson,1991 sattstill8 ⁄ dennarapport.NederbördärocksåtagetfrånkrondroppsstationenvidSödraAverstad Pihl Karlsson,o.a.,2014 ochävenhäranvändsmedelvärdetavperioden1991‐2012förvärden innan1991.Avdunstningensattestillkonstant500mmperår Olsson,1991 Tabell2:Tabellenvisarmedelvärdetavde10störstakällornastotalutsläppavkvävetillVänernmellanperioden 1993‐2001. 1Karlstadsavloppsreningsverk 2Gruvönsbruk 3Skoghallsbruk 4Vänersborg/Holmsängensavloppsreningsverk 5Kristinehamnsavloppsreningsverk 6Lidköpingsavloppsreningsverk 7BäckhammarsBruk 8Mariestadsavloppsreningsverk 9Göteneavloppsreningsverk 10Säffleavloppsreningsverk Summa Utsläppkväve kg s‐1 8.0 ∙ 10 6.8 ∙ 10 4.3 ∙ 10 4.2 ∙ 10 3.4 ∙ 10 2.4 ∙ 10 1.9 ∙ 10 1.4 ∙ 10 1.3 ∙ 10 1.2 ∙ 10 35 ∙ 10 Tabell3:Tabellenvisarmedelvärdetavde10störstakällornastotalutsläppavfosfortillVänernmellanperioden 1993‐2001. 1Gruvönsbruk 2Skoghallsbruk 3Karlstadsavloppsreningsverk 4NordicPaperSeffleAB 5Kristinehamnsavloppsreningsverk 6Lidköpingsavloppsreningsverk 7Vänersborg/Holmsängensavloppsreningsverk 8KatrineforsBruk 9Hammarö/Skoghallavloppsreningsverk 10Säffleavloppsreningsverk Summa 9 Utsläppfosfor kg s‐1 89 ∙ 10 45 ∙ 10 9.9 ∙ 10 7.9 ∙ 10 5.8 ∙ 10 5.5 ∙ 10 4.3 ∙ 10 3.1 ∙ 10 2.9 ∙ 10 2.8 ∙ 10 176 ∙ 10 FritidshusensantaläruppskattadeförhandviaeninteraktivkartafrånSCB:smätningarav 2010årsfritidshus StatistiskaCentralbyrån,2010 till2500styckentotaltöverallakommuner runtVänern.DerasbidragäruträknatmedhjälpavNaturvårdsverketsschablonvärdeför fritidshus Naturvårdsverket,1995 avtotalutsläppavfosforochkväveför2personerper hushållmeden15%reduktioniutsläpppågrundavreningviaslamavskiljning. Schablonvärdena,effektenefterslamavskiljningsreduktionensamtdettotalabidragettill modellenförde2500fritidshusenmedtvåboenderedovisasitabell4. Tabell4:Naturvårdsverketsschablonvärdenförkväveochfosforutsläppfrånfritidshus,effektenefterslamavskiljning samttotalabidragetför2429fritidshus.Enheten kgp‐1s‐1 stårförkilogramperpersonochsekund. Slamavskiljning Totaltbidrag kgs‐1 kgp‐1 s‐1 2.1 ∙ 10 5.1 ∙ 10 1.3 ∙ 10 3.4 ∙ 10 Parameter BDT‐vatten kgp‐1s‐1 WC kgp‐1 s‐1 Totalfosfor 6.9 ∙ 10 Totalkväve 1.2 ∙ 10 1.7 ∙ 10 1.5 ∙ 10 Sedimentationshastigheten förkväveochfosforberäknasgenomattställauppen jämviktsmodellförhelaVänerndärkoncentrationsändringeniekvation6sattestillnolloch ekvationenlöstesför genomattanvändamedelvärdetförmassflödenasamt medelkoncentrationenuppmättvidMegrundetNochTärnanförtidsperioden1988‐2005i ekvation8. ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ 8 Variablernaiekvation8ärsammasomanvändsiekvation6ochsedimentationshastigheten beräknastill ä 6.9 ∙ 10 ∙ samt 2.5 ∙ 10 ∙ .Detinnebäratt koncentrationeniVänernsedimenterarmedenhastighetS,vilketgerensänkaisjön. Utväxlingenmellanbassängerna MätvärdenaförströmhastighetenärtagnafrånLarsArneborg,somgjordeenundersökningav strömmarnaidjuprännanmellandetvådelbassängernamedtvåakustiskaDopplerströmmätare ADCP underperioden30/9‐3/122014.Idennastudieanvändervidatafrånströmmätaren somstodnäraPålgrunden,figur2.Mätningengjordesförattundersökasambandetmellanvind ochström. 10 Figur2:Kartaövervartflödeshastighetenäruppmätt,medlängduträkningenihögrahörnetochkoordinaterför provtagningsplatsenivänstrahörnet. Somvisasnedan,ifigur3,strömmarvattnetidjuprännanösterutnärdetblåservästerutoch tvärtom.Ettsådantsambandharsettstidigaredärmanharströmmarivindensriktningide grundaredelarnaavsundetochimotsattvindriktningidedjuparedelarnaavsundet Statens naturvårdsverk1978 .EnligtLarsArneborgkandettatolkassomattvindenskaparen vattenståndsskillnadmellansjöarna,såvindenkandrivavattnet”uppför”idegrundadelarnaav sundet,medandetströmmar”nerför”idedjuparedelarna.Förattuppskattavolymflödetidessa tvåmotsattriktadeströmmarnamåstemanuppskattabreddenochdjupetavdjuprännan. Breddenuppskattadesiettinteraktivtsjökorttill160m,somsesidenhögrarutanifigur2. Djupetavmätningarnavar24m.Flödetgenomrännanberäknadesgenomenintegreringöver breddochdjupiekvation9: . 9 Flödet beräknadesgenomattintegreraiMATLAB®medkommandot"trapz"överdesatta gränserna 0, och 0, för 24 samt 160 .NoteraattbreddenLärden störstaosäkerhetenidennaberäkningeftersomviinteharnågondetaljerattopografi,vilket betyderattdenlikavälkanvaradubbeltsåstorsomdenvianvänder. FrånSMHI:smätstationPålgrundenAkundevindvektorerräknasutmedhjälpav vindhastighetenochvindriktningen.Hädanefterkommervindkomponenteniostriktningen refererastillsomvindhastighet. Tidsserierförvolymflödeochvindvisasifigur3,därmantydligtserattvindochströmgåråt olikahåll.EnligtettPearsontestiSPSS,därvindhastighetenvidPålgrundentestadesmotflödeti djuprännan,ärkorrelationskoefficienten0.82ochsignifikansnivån 0.01förettr‐värdepå 11 0.082,vilketvisarattflödetharensignifikantkorrelationtillvindhastigheten.Vikananvända minstakvadrat‐metodenförettförstagradspolynomfåframettsambandmellanflödet ä ochvindhastigheten iekvation10. ä ∙ 10 Iekvation10ställs ä uppsomettsambandmellanenkonstant ,medvindhastigheten i ostriktning,ochenkonstant .Detlåterossbeskriva ä överenlängretidsperiodbaserat påvindmätningar,därkonstanternakochmberäknasgenompolyfitförettförstagradspolynom 45.8 i MATLAB® MathWorks Inc., 2014 till och 186 . I modellen sättsdock m till0,förattundvikaenförskjutningavdetuträknadevärdetav ä .Förattfå storlekenpåflödetanvändsabsolutbeloppetav frånekvation10ochdärefteruppskattas ä flödet från tidigare år då SMHI har haft ett mätstation för vinddata vid Pålgrunden, där mätningarnaärgjordasen01/11/2000 SMHI,2015 . Figur 3: Visualisering av beräknat vattenflöde i Pålgrunden där positiv y‐riktning är österut in i Värmlandssjön. I figurenrepresenterasvattenflödetavdenvänstray‐axelnochvindhastighetenavdenhögray‐axeln. FörattfåenlängretidserieundersöksvindsstationernaNavenAsamtLuröochmedhjälpav sammametod 10 somförattuppskattaflödetbaseratpåvindhastighet,därkonstanternaoch idöpsomtilllochn,redovisasitabell5ochdärefteranvändsvinddatafråndessastationeri ställetförPålgrundenförattberäknaflödet. Tabell5:DekonstantersomanvändsförattuppskattavindhastigheteniPålgrundetAbaseratpåmätningargjorda vidNavenAochLurö. PålgrundenA‐NavenA 1.2192 NavenA‐Lurö 0.7390 0.2532 0.1722 12 Resultat Modellenföljerdenuppmättakoncentrationenibassängernabraförkvävekoncentration, möjligenföljermodellenskvävehaltdeuppmättavärdenaiVärmlandssjönbättreänför Dalbosjön,vilketvisasifigur4.Detärävenendippvid1997,ca9årinimodelleringen,vilket kanberopåomsättningstidenisjön,somocksåliggerpårunt9år.Förfosforliggermodellenlite överochliteunderuppmättavärden,medsammadippvid1997,sefigur5. Modellenkördesupprepadegångermedenändringavsambandetmellanvindoch ä föratt undersökaomdetblirnågonändringavkoncentrationenellerretentioneninågonav delbassängernaellerihelaVänern.Sambandettestasgenomattändra iekvation10,till 0 , ⁄2samt2 .Effektenavändringarnaav förväntaspåverkabådekoncentrationi vattenmassanmenävenretentionenochdärförredovisaskoncentrationenförkväveöver tidsperioden1988‐2005fördeolikamodellkörningarna,samtuppmättavärden,ifigur4och retentionenitabell6ochifigur5ochtabell7förfosfor.Kväveretentionenavserdetkvävei modellensomsedimenterasbaseratpåekvation 4 och 5 ,detvillsägakoncentrationC multipliceratmedareaAochsedimentationshastighetS.Envisseffektpåretentionenkanses avdeolikavariationernaavmodellenochretentionensolikamassflödenvisasitabell6,dåsom medelvärdeöverhelatidsperiodenför ,0 , ⁄2,samt2 förkväve,därantaletsignifikanta siffrorärhögtförattvisadenlillaförändringensomsker. Tabell6:SkillnadenaviretentionförkvävefördeolikadelbassängernasamthelaVänern.Antaletsignifikantasiffror ärhögtförattvisadenlillaförändringensomskerimassflöde. Dalbosjön kgs‐1 Värmlandssjön kgs‐1 106.95∙ 10 192.10∙ 10 0 107.08∙ 10 191.79∙ 10 ⁄2 107.00∙ 10 191.97∙ 10 2 106.65∙ 10 192.29∙ 10 Vänern kgs‐1 299.05 ∙ 10 298.87 ∙ 10 298.97 ∙ 10 299.16 ∙ 10 Somtabell6ovanvisarblireffektenpåsedimentationenväldigtliten.Störstblirändringenför 2 ,därdetblirenminskningmed3 ∙ 10 kgs förDalbosjönvilketrepresenterar0.28%av retentionenförnormalt .Attminskningenärlitenmärksävenpåkoncentrationen,dåmani figur4a,knapptkanurskiljadeolikalinjernaförvariationernaav . Itabell6sermanattförVärmlandssjönfårmanstörsteffektav0 ,medenminskningpå 3.1 ∙ 10 kgs .Ändringenrepresenterar0.16%avmassflödetförnormalt ochsommanser ifigur4bärändringenpåkoncentrationenförlitenföratturskiljadeolikamodellkörningarna avvarierat .FörhelaVänernminskarretentionenmed1.8 ∙ 10 kgs vid0 ,vilketär mindreänskillnadenförbådeDalbosjönochVärmlandssjön,enminskningpå0.06%av sedimentationen. 13 a b c Figur4:Graferöverkvävekoncentrationeni a Dalbosjön, b Värmlandssjönsamt c helaVänerndärmodellens uträknadekoncentrationsynstillsammansmedkoncentrationenvid0k,k/2,2ksamtuppmätta koncentrationsvärden. 14 Ifigur4aärmätvärdenförkväveuppmättavidSLU:smätstationMegrundetN,ifigur4bfrån SLU:smätstationTärnanochifigur4csermandehoplagdamätvärdenaförattrepresentera helaVänern.Förbådastationermedelvärdebildasvärdenaöverdjupetförattfåettvärdesomär jämförbartmotmodellenskoncentrationsvärden,enligtekvation7.Ifigur4cärmodellens värdenettviktatmedelvärdeavdemodelleradevärdenaförDalbosjönsamtVärmlandssjön,för varjetidsstegimodellen.Modellensvärdenpåminnerdärförmeromdemodelleradevärdena förVärmlandssjönänDalbosjöndåVärmlandssjönärca2.5gångerstörre 68 ∙ 10 . Ifigur4asermanattmodellenföljertrendenavmätvärdenautöverendippvid1996‐1997, vilketär8‐9årinimodellen.Manserävenifigur4bsammadippsomi4a,avmodellerad koncentration,fastnuvid1997‐1998.Dippensynsäveni4c,förhelaVänern,ochföljersamma principsommassflödet,påminnermeromVärmlandsjönänDalbosjön.Dettakanåterigenvara pågrundavVärmlandssjönsstörrevolym. Sambandettestadespåsammasättförfosforkoncentrationenocheffektenavändringarnaav förfosforkoncentrationenfördeolikadelbassängernasamthelaVänernvisasifigur5.Förfosfor harändringenavsambandetmellanvindoch ä ,precissomförkväve,ingenstörreeffektpå koncentrationenochretentionen.Fosforretentionenavserdetfosforimodellensom sedimenterasbaseratpåekvation 4 och 5 ,koncentrationCmultipliceratmedareaAoch sedimentationshastighetS.Eneffektpåretentionenkansesavdeolikavariationernaav modellkörningarnaochretentionensolikamassflödenvisasitabell7,dåsommedelvärdeöver helatidsperiodenför ,0 , ⁄2,samt2 förfosfor,därantaletsignifikantasiffrorärhögtföratt visadenlillaförändringensomsker. Tabell7:SkillnadenavsedimenteratmassflödeförfosforfördeolikadelbassängernasamthelaVänern.Antalet signifikantasiffrorärhögtförattvisadenlillaförändringensomskerimassflöde. Dalbosjön kgs‐1 Värmlandssjön kgs‐1 3.7194∙ 10 6.7598∙ 10 0 3.7178∙ 10 6.7597∙ 10 ⁄2 3.7185∙ 10 6.7599∙ 10 2 3.7209∙ 10 6.7592∙ 10 Vänern kgs‐1 10.479 ∙ 10 10.477 ∙ 10 10.478 ∙ 10 10.480 ∙ 10 Somtabell7visarblireffektenpåsedimenteratmaterialmindreförfosforänförkväve.För vilket Dalbosjönblirändringenför0 störst,därdetblirenminskningmed1.6 ∙ 10 representerar0.4%avsedimentationenförnormalt .Dettabekräftasifigur5a,därmantydligt kansehurkoncentrationenfördeolikavariationernaav knapptgåratturskiljafrånnormalt modellvärde.IVärmlandssjönfårmanstörsteffektav2 ,någotsomavvikerfrån kvävesedimentationen,medminskningpå6 ∙ 10 .Ändringenärca0.01%av retentionenförnormalt ochsommanserifigur5bärändringenpåkoncentrationennästintill omöjligatturskilja. FörhelaVänernminskarmassflödetmed2 ∙ 10 för0 ,vilketärstörreänändringen förbådeDalbosjönochVärmlandssjön.Detärdockbaraenminskningpå0.02%av sedimenteratmaterial,vilketärnästanmittemellanDalbosjönochVärmlandssjön. 15 a b c Figur5:Graferöverfosforkoncentrationeni a Dalbosjön, b Värmlandssjönsamt c helaVänern,därmodellens uträknadekoncentrationsynstillsammansmedkoncentrationenvid0k,k/2,2ksamtuppmätta koncentrationsvärden. 16 Ifigur5aärmätvärdenförfosforuppmättavidSLU:smätstationMegrundetN,ifigur5bfrån SLU:smätstationTärnanochifigur5csermandehoplagdamätvärdenaförattrepresentera helaVänern.Förbådastationermedelvärdesbildasvärdenaöverdjupet,enligtekvation7,föratt fåettvärdesomärjämförbartmotmodellenskoncentrationsvärden.Ifigur5cärmodellens värdenettviktatmedelvärdeavdemodelleradevärdenaavkoncentrationernaiDalbosjönsamt Värmlandssjön. Ifigur5asermanattmodellenföljertrendenavmätvärdenaävenomdeliggerlägreände uppmättavärdenaibörjanavtidsserien.9årinimodelleringen,vid1997,serdetutsomatt modellenbörjarföljamätvärdenaförfosforbättre,ävenomdeefter1997liggernågothögt.Man seringentydligskillnadmellannormalt ochdevarierade :na. Manserävenifigur5battmodellenförstliggerunderdeuppmättavärdenaochsedanvid1997 liggerövermätvärdena.HelaVänernvisasi5cochprecissomförkvävepåminnermodellens värdenmeromVärmlandssjönänDalbosjön. EnjämförelsemellanuppmättavärdeniutflödetvidGötaÄlvmotdemodelleradevärdenaför flödeochkoncentrationgjordesförattundersökamodellensgiltighet.Modellensutflöde, , uttillGötaÄlvberäknasmedekvation3ochjämförsmotSMHI:smätvärdenfrånstationenvid Vargön,sefigur6a.Ifigurensermanattmodellensutflödeföljerdeuppmättaflödetiutloppet, omänmedmindrefluktuationer,vilketärförväntatdåmodellensvärdenbyggerpå årsmedelvärdenavinflödenochatmosfärsdeposition.Enjämförelseiutloppetgörsävenmot kväveochfosfor,dåmedmätvärdenfrånSLU:sstationvidVargön.Utloppetsvärdenförkväve visasifigur6bochförfosfori6c. Figur6bvisarattkvävehalteniutloppetförmodellenliggernågotlägreändefaktiskavärdena somuppmättspåplatsen.Manserdessutomingeneffektavdeändrade ‐värdenaiutloppet. Sammasakförfosforredovisasifigur6cochmanserhurävenfosforhaltenliggerunderde uppmättavärdenavidVargön,menefter1997börjamodellensvärdenföljakoncentrationen bättre.Manserävenhäringenskillnadmellannormalt ochdevarierade :na. 17 a b c Figur6:Jämförelseavflödemellanmodellochmätvärden,avkvävekoncentrationmellanmodellför ,0 , /2,2 och mätvärdensamtavfosforkoncentrationmellanmodellför ,0 , /2,2 ochmätvärdeochmätvärdeniutloppetGöta Älv. 18 Enundersökningavstorlekenpådeolikakällorochsänkorsomtasmedimodellenfördetvå delbassängernagenomenjämviktsberäkning ∙ 0förekvation4och5.Värdenaär medelvärdenöverhelatidsperioden1988‐2005ochärbaseradepåsammavärdensomanvänds imodellen.Dettagerattinvärdenärbaseradepåmätdatamedanut‐ochsedimentationsvärdena ärbaseradepåmodellvärden. ∙ ä gerenuppfattningomhurstoreffektsom kommeravflödetsomparametriserasavvinden. ärsummanavinflöde,punktkällorsamt atmosfärsdeposition. ärnettoutflödeochresultatetredovisasitabell8förkväveoch tabell8förfosfor. Tabell8:Jämviktsvärdenavmassflödetförkväveikg/s. kg kg ∙ kg ä kg Dalbosjön Värmlandssjön 0.472 0. 447 0.358 0.258 0.113 0.193 ‐0.001 0.001 Manseritabell8sågårjämviktsekvationenihopochblir0förDalbosjönsamtVärmlandssjön ∙ närmantartotaltinflöde,ochdrarifrånutflöde,sedimentationsamt ä . Anledningentillatt ∙ ä harmotsattteckenförVärmlandssjönmotDalsbosjönär förattdetär ∙ ∙ ä förflödetfördendelbassängen.Eftersom ä ∙ ∙ används mednegativtteckenistället.Itabell9serman ä ä sammauppställningförfosfor. Tabell9:Jämviktsvärdenavmassflödetförfosforikg/s. kg kg ∙ kg ä kg Dalbosjön 7.57∙ 10 3.85∙ 10 3.72∙ 10 4 ∙ 10 Värmlandssjön 9.61 ∙ 10 2.85 ∙ 10 6.76 ∙ 10 4 ∙ 10 ∙ Manseritabell8och9attutbytet ä ärmycketmindreändeövrigakälloroch sänkorna,vilketåterspeglardetmanseriretentionochkoncentrationsändringarna. RedfieldförhållandetiVänernundersöksocksågenomatttittapåN/P‐kvotenfördeolika delbassängernaochhelaVänern.Ävenhurkvotenförändrasviddeolikavariationernaav undersökssamtenjämförelsemotkvotenavuppmättavärdenredovisasitabell10.Kvoten baseraspåviktförhållandet,däridealaförhållandetär,somnämtstidigare,7:1. 19 Tabell10:Kväve/fosforkvot,baseratpåviktförhållande,fördeolikadelbassängernasamthelaVänernöverdeolika modellkörningarna. Dalbosjön 88.1 0 88.3 ⁄2 88.2 2 88.0 Mätvärden 86.9 Värmlandssjön 87.1 86.9 87.0 87.2 104.8 Vänern 87.4 87.3 87.4 87.4 95.0 MansertydligtattRedfieldförhållandetförVänernliggerväldigthögt,föroptimalahavssystem skakvotenliggapå7gkväveförvarjegramfosfor,somnämntsiinledningen.Manserocksåatt kvotenändrasmeddeolikavariationernaav ,menprecissomförretentionoch koncentrationsändringenliggerkvoteninärhetenavnormalt .Värdenaärbaseradepå medelvärdenöver1988‐2005avdemodelleradekoncentrationernaochfördeuppmätta mätvärdena.DettakantyckassomväldigthögtmenenjämförelsemotRedfieldförhållandetav totalkvävegenomtotalfosforfrån1973‐1975gerenkvotpå70.7 Statensnaturvårdsverk, 1978 . 20 Diskussion Flödetmellanbassängernaärbaseratpåettsambandmellanvindochvattenflöde.Mätningenav vattenflödetsomanvändesförattfinnadettasambandärbaragjordaengång,under vinterhalvåret,vilketkanpåverkasäkerhetenimodellendåVänernutvecklarenstarktermoklin påsommaren Statensnaturvårdsverk,1978 .Mätningenansestrotsdetvararepresentativi dennastudie,menenundersökningavflödetundersommarhalvåretbordekunnabekräftaeller motbevisadetantagandet.VindmätningenvidPålgrundenstartadeförst2000såettsamband mellanNavenAochPålgrundensvindhastighetvartvungetatthittas,ochsedanytterligareett sambandmellanNavenAochLuröförattkunnafårimligtidsperiodattköramodellenöver. Begränsningavmätvärdenharvaritettgenomgåendetemaistudienochleddetill begränsningenavtidspannettill1988‐2005.Allamätvärdenhardessutominterpoleratstill timmar,vilketutgårfrånattdetfinnsettlinjärtsambandmellanmätningarsomgjordes månadsvisochmätningarsomärsummeradeöverettheltårharantagitsvaralikafördelade överallaåretsmånader.Detärsådantsomkanpåverkamodellensgiltighet. Fritidshusensantaläruppskattadeförhandfråneninteraktivkartaför2010,samtallahus antashareningiformavslamavskiljningvilketreducerarkväveochfosfortillförselnmed15% Sonesten,2004 .Utsläppenfrånfritidshusärdärförkonstantaimodellen,någotsominte stämmermedverkligheten,dåutsläppenbörvarasignifikantmindrepåvinterhalvåret. AvrinningfrånjordbrukansestillstordelhamnaiVänernstillflöden,menettbidragfrånde åkrarsomliggerinom1km2frånVänernskullekunnatänkas.Överslagsräkningbaseratpå SLU:smätningarpåtypområdeO14samtS13förtotalkväve kg/km2 samttotalfosfor kg/km2 gerettmaxvärdeavkvävetillflödepå475.8tonperår ca16%avtotaltinflödeavkväveperår och17.1tonfosfor ca32%avtotaltinflödeavfosforperår .Dessasiffrorärmedhög sannolikhetmindreförVänerndådebaseraspåatthelakustlinjen,4800km Drotz,o.a.2014 , skullevaraåkermark.Bidragettasdärförintemedimodellen,vilketkanvaraenav anledningarnatillattmodellensvärdenförutflödetillGötaÄlvärnågotlägreänuppmätta värden. Modellenföljeruppmättakvävekoncentrationenbättreänfosforkoncentrationen,vilketkan beropåsänkorsominteärmedräknadimodelluppställningen,exempelvisfrånbiologisk aktivitetsomärsvårtatttahänsyntill,dettaskulleocksåförklaravarförfosforhaltenärlägrei modellenänuppmättavärdeniutloppet.Detkanocksåfinnaskällorsominteärmedräknade, sompunktutsläppfrångolfbanor,vilketomnämnsiKväveochfosfortillVänernochVästerhavet Sonesten,2004 .Idennastudiehartillexempelingavärdenföreventuelltutsläppfrån golfbanorkunnatfinnas,ochiovanståendestudieomnämnsgolfbanorsomenpotentiellkälla tillframföralltkväveutsläppviagödslingavgräsmattor.Idenrapportenkundehelleringa kvantiteterpåutsläppenhittas,vilketgörenuppskattninghurstoreffektutsläppenskullekunna varaärsvårattgenomföra Sonesten,2004 .Attflödesdatavartvungetattberäknasfråntre olikavindsstationeröverolikatidsperioderkanpåverkaeffektenavändrat ‐värde,mendå effektenavkärsålitenärdetinterimligtatttroattdetpåverkar.Enkörningmellanåren2001‐ 2005medbaravärdenfrånPålgrundensvindhastighetgerhelleringenändradeffekt,men tidsperiodenblirmindreänVänernsomsättningstidpårunt9årärosäkerhetenpåresultatet större.Omsättningstidenkanocksåförklaravarförmodellvärdetverkarföljamätvärdenabättre ibörjanochslutet. 21 Tabell6och7visarattdetärväldigtsmåskillnadermellandeolikavariationernaav bådeför retentionochkoncentration.FörDalbosjönfickmanstörsteffektnärmandubbladesambandet 2 förkväve,vilketintegälldeförfosforhalten,somficklägrekoncentrationför0 ,medandet ärtvärtomförVärmlandssjön,0 gerstörsteffektpåkväveoch2 gerstörsteffektpåfosfor. Attkoncentrationernaidetvådelbassängernaärsålika,oberoendeavutbytetmellan bassängerna,tyderpåattbelastningenavVärmlandssjöndominerarellerattbelastningenav bådasjöarnaärjämförbara.Enintressantfrågasomdennastudieinteharhunnitsvarapåär, hureffektivenbelastningsminskningiVärmlandssjönärjämförtmedenbelastningsminskningi Dalbosjön,samtomdettapåverkasavutbytetmellanbassängerna. EnjämförelseavvärdenfrånmodellenmotdemodellvärdensomredovisasiMaterialbalanser förVänernsfosfor‐ochkvävetransporter1970‐1989visarattmodellengerrimliga koncentrationshalter Olsson,1991 ,medanenjämförelseavretentionenmotKväveochfosfor tillVänernochVästerhavet Sonesten,2004 gerförhögsedimentation.Förkväveligger modellenförnormalt på106.9∙ 10 kgs iDalbosjönmedanSonestensrapportfrån2004 liggerpå97.4∙ 10 kgs .FörVärmlandssjönliggermodellenpå192.1∙ 10 kgs mot 115.5∙ 10 kgs .Förfosforliggermodellenpå3.72∙ 10 kgs mot3.08∙ 10 kgs frånSonestensrapportförDalbosjönoch6.76∙ 10 kgs mot4.36∙ 10 kgs för Värmlandssjön.Skillnadenkanberopåattmodellenutgårfrånenkonstant sedimentationshastighetförbådabassängerna,vilketärenförenkligavverkligheten. Undersökningenavkväve/fosfor‐kvotenförhelaVänernochdessdelbassängernvisarattden liggernågotlägreäntidigareuppmättavärdenförVärmlandssjönochhelaVänernmenhögre förDalbosjön,samtsignifikantmyckethögreänidealförhållandet.Kvotenliggerisamma storleksordningsomBottenviken Bydén,o.a.2003 vilketkanberopåökadkvävetillförseltill Vänernsedan70‐talet,ellerattfosfatetbindstilljärnsomtillförsfrånskogochmyrar,detförsta vilketfinnsdetgottomiVänernsavrinningsområde.MankandockkonstateraattVänernsom deflestasvenskasjöarärfosforbegränsad. Slutsats EtttydligtsambandmellanvindochvattenflödekundesäkerställasavettPearsontest,samtmed envisuellbekräftning.Enändringavförhållandetmellanvindochflödeleddetillenvissändring avkoncentrationenochretention.Attmanfårstörsteffektavändratflödevid0 visaratt studiersomintetarhänsyntillutväxlingenmellanbassängernafårenfelmarginalisina koncentrationsberäkningarochattutbytetkanpåverkaframtidaochföregåendemodellers giltighet.Endiskussionkringstudiensfelkällorsamtatteffektensomuppståravmanipulerat utbyteärsålitet,ledertillslutsatsenattutbytetintegerensignifikanteffektpåVänerneller dessdelbassänger. Förattsäkerställastudiensslutsatsenutförligarestudiedärflervariablerkantasmed,bland annathurretentionenavnärsaltskällornatillDalbosjönärjämförtmedhelasjön.Dessutom skulleenbättrebeskrivningavsänkornaidetvåsjöarnabehövas. 22 Tack JagskulleviljatackaminhandledareLarsArneborgförstödochhjälpunderarbetesgångsamt minpojkvänLeoHedbergsomharståttutmedmigunderdeveckordennarapporttagitupp störredelenavmintid. Litteraturförteckning Bydén, Stefan, Anne‐Marie Larsson, och Mikael Olsson. Mäta vatten. Vol. 3. Göteborg. Göteborgs Universitet, 2003. ISBN: 9789188376220. Drotz, Marcus K, Sten‐Åke Wängberg, Eva Jakobsson, Eva Gustavsson, och Lars Göran Nilsson. ”Lake Vänern: A historical outline.” Aquatic Ecosystem Health & Management, vol 17, nr 4: 323‐330. 2014. ISSN: 1463‐4988. Fölster, Jens. Undersökningstyp: Vattenkemi i sjöar. Handledning för miljöövervakning: Version 1:1 2010:02:17. Uppsala. Naturvårdsverket, 2010. Hecky, R E, P Campbell, och L L Hendzel. ”The stoichiometry of carbon, nitrogen, and phosphorus in particulate matter of lakes and oceans.” Limnology and Oceanography vol 38, nr 4: 709‐724, Association for the Sciences of Limnology and Oceanography 1993. Kalff, D.L. Saunders & J. ”Nitrogen retention in wetlands, lakes and rivers.” Hydrobiologia 443: 205– 212, Kluwer Academic Publishers, 2001. Naturvårdsverket. Vad innehåller avlopp från hushåll? Rapport 4425, Stockholm: Naturvårdsverkets reprocentral, 1995. Olsson, Håkan. ”Materialbalanser för Vänerns fosfor‐ och kvävetransporter 1970‐1989.” Vatten vol 4: 263‐272, 1991. Paerl, Hans W. ”Coastal eutrophication and harmful algal blooms: Importance of atmospheric deposition and groundwater as “new” nitrogen and other nutrient sources.” Limnology and Oceanography vol 42, nr 5, part 2: 1154‐1165, Association for the Sciences of Limnology and Oceanography, 1997. Pihl Karlsson, Gunilla, Cecilia Akselsson, Sofie Hellsten, och Per Erik Karlsson. Tillståndet i skogsmiljön i Värmlands län. Rapport B 2170, Göteborg, IVL Svenska Miljöinstitutet, 2014. Regeringskansliet. Förordning (2004:660) om förvaltning av kvaliteten på vattenmiljön. den 1 Juli 2011. Smith, Val H. ”Eutrophication of Freshwater and Coastal Marine Ecosystems ‐ A global problem.” Environmental Science and Pollution Research vol 10, nr 2: 126‐139, 2003. Sonesten, Lars. Kväve och fosfor till Vänern och Västerhavet. Rapport nr 2004:33, Länsstyrelsen i Västra Götalands län, Länsstyrelsen i Värmlands län, Vänerns vattenvårdsförbund, Västervik, 2004. ISSN: 1403‐168X. 23 Statens naturvårdsverk. Vänern ‐ en naturresurs. Stockholm: Liber Förlag, 1978. ISSN: 0347‐8173. Vattenmyndigheterna. ”Sammanställning för åtgärdsområde 40. Vänern och dess närområde.” Vattenmyndigheterna. September 2014. Vänerns vattenvårdsförbund. Vänern – Årsskrift 2002. Rapport nr 22, Vänerns vattenvårdsförbund, Västervik, 2002. ISSN 1403‐6134. 24