___________
___________
Rapport Tjärnöviken
Fredrik Ljunghager
Tjärnö Marin Biologiska Laboratorium
2006-04-28
Introduktion
Bakgrund
Tillförsel av näringsämnen till havet är en viktig förutsättning för de marina ekosystemens
funktion och nödvändigt för existensen av marint liv. Om tillförseln av näringsämnen blir för hög
kan problem uppstå för ekosystemens funktion och för specifika arter; systemet har utsatts för
eutrofiering. De i havet viktigaste näringsämnena är kväve och fosfor. Organismerna tar oftast
upp dessa näringsämnen i jonform, vilket vill säga kväve som nitrit, nitrat och ammonium, samt
fosfor som fosfat.
Eutrofierade system kan, om inte ekosystemet är naturligt rikt på näring, förändra
ekosystemets sammansättning och skada de i systemet naturligt förekommande arterna. Arter
som trivs i eutrofa miljöer är exempelvis fintrådiga, ettåriga snabbväxande alger som då breder ut
sig på de ekologiskt viktiga tångbältenas bekostnad. Ålgräsängar, som fungerar som barnkammare
för många fiskarter, drabbas också hårt av de fintrådiga algerna. En annan allvarlig effekt av
övergödning är blomningar av mikroalger, som i vissa fall kan vara giftiga för både djur och
människor (Lann and Oscarsson 2000; SMHI 2002; Boesch, Hecky et al. 2006).
En stor del av det tillskott på näringsämnen som tillförs Skagerrak transporteras med
strömmar från Nordsjön och Östersjön. Lokalt är det främst vattenavrinning, vattendrag och
floder som står för den stora delen av utsläppen av näring till kustvattnet. Detta beror till stora
delar på den sedan 70-talet ökade användningen av konstgödsel inom jordbruket. Andra källor till
utsläpp är avlopp, atmosfären, skogsbruk och utsöndring från sediment (Boesch, Hecky et al.
2006).
Tjärnö marinbiologiska laboratorium står för ett punktutsläpp av näringsämnen genom
utsläpp av djupvatten i viken utanför laboratoriet. Detta djupvatten pumpas upp från
Kosterrännan från ett djup av 41 meter. Vattnet används i experiment, i laboratorierna och
slutligen utnyttjas vattnets temperatur, via en värmeväxlare, för att värma upp stationen vintertid
och kyla den sommartid. Vattnet släpps sedan ut i Tjärnöviken. Volymen av det uppumpade
djupvattnet uppgår till 1500 l/minut, vilket ger ett årligt utsläpp på 788 000 m3. Om man beaktar
att djupvatten oftast innehåller högre halter av näringsämnen så skulle detta kunna ses som ett
bidrag till en eutrofiering av viken vilket i sin tur skulle kunna leda till miljöförstöring.
Utsläppet av djupvatten sker huvudsakligen i en punkt placerad under bryggan i anslutning till
gula labbet. Utsläppsröret under bryggan har en innerdiameter på 14 cm och är placerad i nivå
med vattenytan. Mindre utsläpp sker också från ekotronen under experimentsäsongen.
TMBL vill utreda sitt ansvar i problemet med eutrofiering av de marina systemen och jag har
fått i uppdrag att göra denna utredning. Utredningen skall stå till grund för vidare åtgärder, såsom
om utsläppet skall flyttas eller förändras på något sätt.
Områdesbeskrivning:
Viken utanför Tjärnö marinbiologiska laboratorium är förhållandevis grund med några
djupare områden (figur 2). Utmed Tjärnös och Saltös landområden är det på de flesta ställen
ganska grunt, upp till 2 meter djupt. Det största djupet i viken är i bassängen mitt i viken där
maxdjupet är runt 13 meter. Utbytet av vattenmassor mellan viken och det öppna havet tros
huvudsakligen ske i det djupaste partiet mellan Kosterrännan och viken samt genom kanalen
mellan Tjärnöviken och ”Råssöviken” (figur 2). Vattenutbyte sker på andra ställen också, det är
dock grunda förbindelser till omgivande havsområden där genomströmningen inte är lika stor
som de djupare förbindelserna. Vikens area uppgår till 0,51 km2 och dess volym är 2.57 * 106 m3
2
(figur 1). Den dominerande bottentypen i viken är mjukbotten av olika slag. Det finns både
ålgräsängar och tångbälten i viken. Båda dessa biotoper är känsliga för övergödning eftersom de
blir överväxta av fintrådiga alger.
Area (%)
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-2
-4
-6
Djup (m)
-8
-10
-12
-14
Figur 1. Hypsografisk kurva, illustrerar fördelning av arean för olika djupintervall för
Tjärnöviken. Vikens totala area uppgår till 0,51 km2.
Strömmar
Strömmarna längs den svenska kusten, i Skagerrak, är indelade två olika strömsystem. Dels
den cykliska ström som bildas då atlantiskt vatten strömmar in i Skagerrak norr om Jylland för att
sedan strömma utmed den svenska kusten och därefter fortsätta utefter den norska kusten. Det
andra strömsystemet är den baroklina ström som drivs av det lågsalina vattnet i Östersjön. När
det lågsalina vattnet från Östersjön blandas med det salta djupvattnet så ger detta upphov till en
nordgående ström. Båda dessa strömsystem har huvudsakligen nordöstlig riktning (Gustafsson
and Stigebrandt 1996; Rodhe 1996).
I vikar som Tjärnöviken kan strömmarna styras av en rad olika faktorer. Vattenrörelserna i
systemen utanför viken kan ha stor påverkan på vikens cirkulation; kustnära strömmar kan
spridas in i viken vilket generar en horisontell ström. En rad andra faktorer kan också leda till
ström in i viken. Dessa olika vattenutbyten delas in baroklint och barotropt drivna strömmar.
Tryckskillnader mellan vikens vatten och vattenmassorna i de närliggande havsområdena som är i
kontakt med viken leder till en baroklin cirkulation. Skillnaderna mellan densiteten på
vattenmassorna beror bl.a. på salt- och temperaturskillnader. Strömmar kan också vara
vindgenererade och färdas i vindens riktning vid ytan för att längre ner vara i motsatt riktning.
Vattenståndsvariationer kan också vara en viktig faktor för vattenutbytet mellan viken, barotropt
driven ström, och omkringliggande hav. Längs den svenska västkusten är det i huvudsak det
halvdagliga tidvattnet som bidrar till detta. Vid högvatten strömmar vatten in i viken och vid
lågvatten strömmar vatten ut ur viken (Stigebrandt 2001).
Vattenstånd
Fluktuationer i havsvattennivån styrs främst av lufttryck, vindar och tidvatten. Lufttrycket
och vindarna styrs av hur vädret ser ut medan tidvattnet beror av solens och månens
dragningskraft. De väderberoende faktorerna skiljer sig från tidvattnet på så sätt att de har en
oregelbunden frekvens. Tidvattnets frekvens är däremot väldigt regelbunden och kan räknas ut
3
med stor noggrannhet genom en harmonisk analys. Längs den svenska västkusten har det
halvdagliga tidvattnet störst amplitud (Stigebrandt 2001). Från två tidsserier över vattenståndet i
Tjärnöviken kan de olika komponenterna som påverkar vattenståndet särskiljas från varandra.
Metod
Datainsamling
Strömdata, vattenståndsdata
samt vinddata samlades in till detta
projekt. Vinddata och
vattenståndsdata från SMHI:s
station på Koster samt från
Kungsvik användes. Strömdata
samlades in genom två separata
veckolånga mätningar (figur 2) De
två mätningarna utfördes med en
ADCP som med dopplerteknik
mäter flödeshastighet i x- och yriktning. ADCP:n placerades på
botten och mätte strömmen från
botten och upp till ytan med en
meters intervall. Vikens djup
lodades med ett ekolod och en
GPS-plotter för att få en
tillförlitlig volym beräkning samt
bathygrafin.
Figur 2. Karta över Tjärnöviken med de båda
mätstationerna utmärkta. Strömmätningen på station 1
utfördes på 12 meters djup och på 2 meters djup vid station
Näring
Näringsämnen beräknades utifrån insamlade data under perioden 2000-2005 på en, fem
respektive 30 meters djup. Värdena togs ifrån Bohus vattenvårdsförbunds hemsida, www.bvvf.se,
och är insamlade från Kosterfjorden (station 16).
Omsättningstid och flödeshastigheter
Omsättningstiden bestämmer man genom att dividera vattenvolymen i viken med inflödet av
vatten till viken. Om man har en liten vik med stort flöde så blir omsättningstiden kort och
vattnet rinner snabbt igenom viken. Vattenutbytet beräknades på två olika sätt vilka sedan
jämfördes med varandra. Dels räknades flödet ut genom de strömmätningar som gjordes under
mätperioden. Vidare beräknades flödet utifrån två olika formler, en för det intermediära
(baroklina) vattenflödet (1) och en för det tidvatteninducerade (barotropt) vattenflödet (2)
(Stigebrandt 2001).
(1)
Qi = γ ( gBm H t Av
(2)
Qtid = 2a 0
ΔM
ρ
1
)2
Av
T
4
Flödesmodell
En budgetmodell över importen av näringsämnen till viken gjordes där man kan jämföra
inflödet av näringsämnen från olika källor. Genom att studera dessa olika källor kan man
analysera storleken av de olika näringsflödena jämfört med TMBL:s utsläpp. Modellen gjordes
utifrån en period som motsvarar omsättningstiden i Tjärnöviken.
Harmonisk analys
Harmonisk analys är en matematisk metod att beräkna frekvensen på de tidvattenbildande
faktorerna. De enskilda faktorernas frekvenser är mycket regelbundna men de varierar mycket i
förhållande till varandra. Frekvenserna varierar från en timme till en månad.
Genom att använda en tidsserie över vattenståndet kan man beräkna hur det beror av de
tidvattenbildande krafterna. Även amplituden och fasförskjutningen kan beräknas ur
vattenståndsserien. Men detta kan inte göras rent teoretiskt, eftersom det beror på topografin i
området samt friktionens påverkan på tidvattensvågen och lokal resonans.
Den tidvattenbildande kraften delas upp i olika komponenter, vilka har olika perioder.
Resultat
Strömsystem
Under den period systemet studerades (januari 2006) gick ytströmmen från kanalen och
genom viken för att strömma ut vid Gåsholmen. Vid botten pendlade strömmen in och ut ur
viken vid Gåsholmen (figur 3).
Figur 3. Strömmens
riktning under
mätperioden. Ytströmmens
(röd pil) riktning var från
viken och ut mot
Kosterrännan.
Bottenströmmen (blå pil)
pendlade mellan att
strömma in i och ut ur
viken.
Mätningarna av strömförhållandena visade att vid station 1 strömmade huvudsakligen vatten
ut från viken vid ytan medan strömmarna växlade riktning och strömmade ungefär lika mycket in
i som ut ur viken vid botten (figur 4). Vid station 2 var den huvudsakliga strömriktningen in i
viken under hela mätperioden (figur 4).
5
Figur 4. Strömrosor som visar riktning
på strömmen vid Gåsholmen och
Kanalen från 0 till 360 grader. Överst
till vänster: ytströmmen, Gåsholmen.
Överst till höger: bottenströmmen,
Gåsholmen. Nederst till vänster:
strömmen, Kanalen.
Harmonisk analys
I figurerna 5 a och b kan havsvattennivån, tidvattnet samt det av tidvattnet oberoende
faktorerna studeras. En betydande del av vattenståndsvariationerna i viken är påverkade av
tidvattenbildande krafter och strömsystemets påverkas av detta. Andra faktorer såsom lufttryck
påverkar också vattenståndet.
Figur 5 a, b. Resultat från harmonisk analys som visar hur mycket av verkliga vattenståndet som är
påverkat av tidvatten eller andra faktorer. Figur 5 a visar tidvattnets påverkan vid Gåsholmen och figur 5 b
visar påverkan av tidvatten vid Kanalen.
6
Omsättningstid och flödeshastigheter
Omsättningstiden, baserad på strömmätningar i Tjärnöviken, beräknades vara 32.4 timmar.
Vattenflödeshastigheten beräknades till 22 m3 per sekund och byggde på de strömhastigheter som
uppmättes vid station 1 under en veckas tid. Vattenflödet utifrån formel (1) och (2) blev 22.6 m3
per sekund. Omsättningstiden utifrån formlerna blev 31.6 timmar.
Näring
Näringshalterna, N & P, skilde sig inte nämnvärt mellan 1 och 30 meter på medelvärden
uträknade utifrån en sexårsperiod (tabell 1). Om en viss mängd vatten släpps ut i viken trängs lika
mycket undan och därför dras närsaltsinnehållet i ytan bort från den mängd närsalter som finns i
djupvattnet som släpps ut. Värden över endast vår- och sommarperioden presenteras också
eftersom det är då effekterna utav förhöjda närsalter slår hårdast mot systemet.
Djup (m)
Djupvatten
Ytvatten
Djupvatten - Ytvatten(Årsmedel)
Djupvatten - Ytvatten (Sommar)
TotalFosfor (kg/år)
TotalKväve (kg/år)
13,62
13,50
176,07
199,90
0,12
-1,10
-23,83
-34,28
Tabell 1. Närsaltshalter i yt- respektive djupvattnet. Mängden närsalter baseras på volymen utsläppt vatten
ifrån TMBL per år. Om samma volym ytvatten, som det utsläppta djupvattnet, strömmar ut ur viken med
sitt innehåll av närsalter fås de justerade värdena i tabellens två sista rader.
Atmosfär
Total Fosfor 0 kg
Total Kväve 1,6 kg
TMBL utsläpp
Total Fosfor 0,05 kg
Total Kväve 0,64 kg
Markavrinning
Total Fosfor 0,13 kg
Total Kväve 3,2 kg
Tjärnöviken
Omkringliggande hav
Total Fosfor 44 Kg
Total Kväve 652 Kg
Sediment
Total Fosfor ? kg
Total Kväve ? kg
Figur 6. Den totala tillförseln av kväve och fosfor per omsättningsperiod, 31,6 timmar, från
olika källor. Tillförseln är betydligt lägre ifrån TMBL än från alla övriga källor, < 1 ‰.
Om allt tillskott av näring, kväve och fosfor, till viken betraktas från varje källa ser man tydligt att
utsläppet av djupvatten från Tjärnö marinbiologiska laboratorium står för det minsta
näringstillskottet. Utsläppet av fosfor är 0,05 kg och kväveutsläppet är 0,64 kg under 31,6 timmar
vilket motsvarar en omsättningsperiod (figur 6). Markavrinningen baseras på en 400 hektar stor
markyta och är då 0,13 kg fosfor och 3,2 kg kväve per omsättningsperiod. Atmosfärens bidrag av
7
kväve till viken är 1,6 kg. Tillskottet ifrån omkringliggande hav baseras både på egna mätningar av
ström samt av matematiskt uträknat vattenflöde. Värdena räknas ut efter ytvattnets
näringsinnehåll och tillskottet blir 44 kg fosfor och 652 kg kväve. Sedimentets tillskott av näring
till vattenmassan är svår att precisera då det är en näringsfälla under vissa perioder och en källa
under andra. Det skiljer sig dessutom beroende på vilken typ av botten det är. TMBL:s utsläpp
motsvarar mindre än 1 ‰ av det totala tillflödet av närsalter.
Diskussion
Djupvattnet som släpps ut ifrån TMBL skulle kunna spridas på olika sätt beroende av
egenskaperna hos både utsläppsvattnet och vattnet i viken. Vid nedströmning av vatten utanför
viken skulle eventuellt det tyngre djupvattnet kunna strömma tillbaka till Kosterrännan utmed
botten. Det är dock mest troligt att djupvattnet som släpps ut sprider sig plymlikt i vikens
ytvatten. Ytvattnet strömmar ut ur viken med intermediär (barotrop) cirkulation. Den
intermediära cirkulationen drivs huvudsakligen av densitetsskillnader i havet utanför viken.
Densitetsskillnaderna beror på temperaturförändringar, vindinducerad upp- och nedströmning,
samt av att vattenmassor med divergerande salthalter kommer till området från exempelvis
Östersjön eller Oslofjorden. Ett betydande flöde av vatten mellan viken och omkringliggande hav
sker också av de tidvatteninducerade (baroklina) strömmarna som bildas. De barotropt och
baroklint drivna strömmarna verkar oberoende av varandra. Djupvattnets möjlighet att strömma
utmed botten tillbaka till Kosterfjorden ökar om utsläppet förläggs till botten av viken istället för
att släppas ut vid ytan som nu är fallet. Man bör också se till att utsläppsrörets dimension är så
stort att det aldrig blir ett turbulent flöde ut ur röret. Då viken inte är speciellt djup så befinner sig
troligen även det vatten som strömmar utmed botten i den fotiska zonen och näringen kan tas
upp av biologin även i detta vatten. Men även om man förlägger utsläppet vid botten av viken så
har inte det utsläppta vattnet någon möjlighet att rinna tillbaka till Kosterrännan så länge ett
barotropt flöde, med inflöde vid botten, sker (figur 7).
Figur 7. Vattenutbytet mellan Tjärnöviken och omkringliggande hav. Strömsystemet styrs till stor del av
intermediär cirkulation samt av tidvatteninducerade strömmar. Det totala inflödet/utflödet är 22,6 m3/s
och tidvattenamplituden är 0,3 m.
Djupvattenutsläppet från TMBL ger ingen som helst ökad effekt av eutrofieringen på
Skagerack. Vattnet pumpas in från Kosterrännan för att sedan släppas ut i samma område vilket
inte innebär något som helst tillskott på näring till det stora systemet. Det skulle kunna diskuteras
om man tillför näringsämnen till den fotiska zonen genom att lyfta upp dem från botten och
släppa ut dem vid ytan. Om djupvattnet blandas med ytvatten skulle det kunna leda till en höjning
8
av näring i ytvattnet (jämför yt- och bottenvatten). Analyser av mätningar visar dock att det inte
är några större skillnader på innehållet av näringsämnen i ytvattnet jämfört med bottenvattnet.
Eftersom volymen i viken är beroende av vattenståndet i närliggande havsområden måste hela
tiden lika mycket vatten som släpps ut i viken också strömma ut därifrån. Om det är så att
djupvatten släpps ut från TMBL och ytvatten trängs ut ur viken så måste det totala
näringsinnehållet i viken justeras i uträkningarna. Tabell 1 innehåller de resultat man får om
djupvattnets näringsvärde tillsätts till viken och ytvattnets näring istället flödar ut ur viken.
Resultatet visar att det snarare skulle bli mindre näring i viken vid detta scenario än mer. Under
sommaren, då näringsinnehållet i ytvattnet är lägre, skulle man kunna tänka sig skillnaden på
näringsinnehållet mellan yt- och djupvattnet skulle vara stort men inte heller då är det någon
större skillnad i området (tabell 1).
Om det är så att Tjärnöviken är i sämre skick på grund av övergödning så beror nog detta på
en rad faktorer och inte enbart, om alls, på utsläppet av djupvatten från TMBL. Då
omsättningstiden i viken är snabb så skulle det räcka med något dygns inflöde av djupvatten vid
en uppströmmningssituation för att föra med sig lika mycket näring som ett årligt utsläpp från
TMBL. Tidigare forskning visar på att ökad primärproduktion skulle kunna vara ett resultat av
väderkrafter som resulterar i ett starkt positiv NAO (North Atlantic Oscillation) index, vilket ökar
tillgången av näring från djuphaven. En ökning av fintrådiga alger i Tjärnöviken skulle också
kunna vara ett resultat av allmänt högre näringsinnehåll i havet.
Om man skulle vilja följa det utsläppta vattnets väg skulle man kunna märka vattnet som
släpps ut med någon form av indikator, exempelvis färg eller gift, för att sedan spåra detta i viken.
Detta görs lämpligen under sommarhalvåret då vattnet är skiktat på grund av
temperaturskillnader. Det vore också intressant att jämföra Tjärnövikens och Kosterfjordens
kemiska sammansättning och se om och hur de skiljer sig åt. Dessutom vore det önskvärt att
studera om det bildas några språngskikt i viken.
Referenser
Boesch, D., R. Hecky, C. Charles O’Melia, D. Schindler and S. Seitzinger (2006).
Eutrophication of Swedish Seas. Stockholm, Naturvårdsverket: 52-61.
Gustafsson, B. and A. Stigebrandt (1996). "Dynamics of the freshwater-influenced surface
layers in the Skagerrak." Journal of Sea Research 35: 39-53.
Lann, H. and H. Oscarsson (2000). Hur man minskar näringstillförseln till Skagerrak.
Göteborg, Länsstyrelsen i Västra Götalands Län.
Rodhe, J. (1996). "On the dynamics of the large-scale circulation of the Skagerrak." Journal
of Sea Research 35(1-3): 9-21.
SMHI (2002). Swedish national report on eutrophication status in the Kattegatt and the
Skagerrak. S. Bertil Håkansson, Oceanographic Laboratory, Nya Varvet 31,
Göteborg.
Stigebrandt, A. (2001). FjordEnv - A water qualitymodel for fjords and other inshore waters.
Göteborg, Institutionen för geovetenskaper.
9
