Limnologi og vannressurser (anvendt limnologi)

Transkript

1 Forslag til Masteroppgaver Limnologi og vannressurser (anvendt limnologi) Faggruppe: Hydrologi og limnologi Innhold Foto: Skåntjern Gardermoen (G.Riise) I Innsjøprosesser a) Seasonality of factors limiting algal growth in eutrophic lakes - light, temperature, particles b) En limnologisk oppgave av Østensjøvann, Ås c) Paleolimnological analyses historical archives of lake development d) Dannelse av metallnoduler i innsjøsedimenter p.g.a kalking II Vannkvalitet og klima a) Vannbalanse som verktøy for å kvantifisere forurensingstransport b) Hydrologiske variasjoner og transport av organisk materiale i innsjøer med ulik oppholdstid faktorer som bidrar til fargeøkning c) Variasjoner mellom nedbørfelt mht avrenning av organisk materiale d) Organisk materiale og akkumulering av svovel og kvikksølv i innsjøsedimenter e) Rekruttering av ørret i områder som tidligere har vært sterk forsuret f) Krypsiv et problem i vassdrag i Sør-Norge III Veiavrenning a) Veiavrenning og kobber innvirkning på primærproduksjon i innsjøer?

2 I Innsjøprosesser Overgjødling av innsjøer En av de store utfordringene nasjonalt såvel som internasjonalt er overgjødling av innsjøer. Her er det mulighet for å gjøre undersøkelser i vannforkomster i nærområde (se under), eller undersøkelser av mer regional karakter. Årungen: Årungen er en næringsrik innsjø i Ås kommune, hvor det er foreslått en rekke tiltak for å begrense tilførslene av næringssalter fra omkringliggende områder, bl.a sanering av avløpsnettet ved UMB. Videre fører omfattende landbruksaktivitet til stor avrenning av fosfor, nitrogen og partikler fra omkringliggende jorder, som bidrar til stor algevekst. For å nå miljømålet om god økologisk og kjemisk tilstand innen 2021 i følge Vannrammedirektivet (VRD), må vannkvaliteten bedres. Årungen er en relativt grunn innsjø (maks dyp 13,3 m) med relativt kort teoretisk oppholdstid. Stabiliteten av temperatursjiktingen om sommeren er sterkt avhengig av gjeldene klima, og viser store årlige variasjoner. Sirkulasjonsmønsteret innvirker på oksygenfordelingen som igjen er avgjørende for intern mobilisering av fosfor fra sedimentene. En bedre forståelse av klimaets innvirkning på temperatursjiktning/fordeling i innsjøen er sentralt ved gjennomføring av tiltak som skal bedre vannkvaliteten. Studenter som velger en oppgave i Årungen, vil bli en del av et fagteam, hvor flere ansatte ved IPM deltar, bla en PhD stipendiat. Oppgavene kan gjennomføres som Masteroppgaver (30 eller 60 studiepoeng) eller Bacheloroppgaver (krever noe justering). a) Seasonality of factors limiting algal growth in eutrophic lakes - light, nutrients, temperature Light, nutrients and temperature are factors determining the algal lake primary production. Great seasonality in primary production is observed during the growing season. Chl-a, oxygen, conductivity, ph and temperature are measured continuously at IPM, UMB. In addition sensors for turbidity (particles) can also be installed. The available data can be used as a background for several master-thesis such as: Seasonal variations in factors influencing primary production (Chl-a) Calibration of Chl-a mesurements How do organic matter, algae and suspended solids influence light conditions (different wave-length) and Secchi depth in lakes Nutrient avalability and primary production Depending on focus, field work in Lake Årungen will be a part of the Master-thesis. b) En limnologisk oppgave av Østensjøvann Østensjøvann er svært eutrof på grunn av høye fosforkonsentrasjoner i vannet med utvikling av blågrønnbakterier utover sommeren. Det er særlig slektene av Planktotrix, Anabena og Microcystis som har vært dominerende i denne innsjøen. Det kan virke som disse blågrønnbakteriene, og særlig Planktotrix, i stor grad utvikles i Østensjøvann for senere å fortsette utviklingen i Årungen. Betydningen av Østensjøvann for vannkvaliteten Årungen er viktig å få avklart i forbindelse med tiltakene som gjøres for å bedre vannkvaliteten i Årungenvassdraget. Østensjøvann med omliggende nedbørsfelt utgjør en stor arealandel av Årungenvassdraget, og Østensjøvannets evne til å holde tilbake forurensinger er blant annet avhengig av hydrologiske forhold i sommerperioden. Det er gjennomført en masteroppgave i denne vannforekomsten i 2013, et år hvor det var relativt lav vannføring i vekstperioden.

3 Sammenligning mot et år med et annet vannføringsregime, er derfor veldig relevant i forhold til: Østensjøvannets betydning som fangdam eller kilde for partikler og næringsstoffer i Årungen. Næringsstatus (trofigrad) i Østensjøvann sammenlignet med Årungen c) Paleolimnological analyses historical archives of lake development Norway is a land of many lakes with a wide variety of community and nutrient structures. For a number of lakes, monitoring of trophic status and watershed activity has been ongoing for many years. However, this is not the case for all lakes. Sedimentations in lakes are the results of the settling out of the lake contents over time. The goal of this project is to ask the question, is it possible to compare sedimentation cores with monitoring data and to reconstruct the history of the lake. For instance, one of the key species in monitoring water quality is the cyanobacterium, Planktothrix. Can we determine Planktothrix presence in sediment cores if it was found during lake monitoring. And, will the use of sediment cores allow us to understanding the historical trophic status and chemical composition in nonmonitored Norwegian lakes? The goal is to gather as much monitoring data as possible, from a wide variety of sources, and use these data to construct a set with which to compare information obtained from the sediment. One key to understanding a lake is to view it as a system that includes the surrounding land that encompasses the watershed for the lake. Watershed composition and land use, along with human activities in the catchment area will be an important aspect of this study. Focus on the analysis of the sediment cores will be to date the layers of the core using 137 Cs, to determine the fraction of inorganic to organic contents and what percentage of water content. Additional analysis of the cores will include specific chemical analysis as well as pigment analysis to assess how the cores compare with the monitoring data. Given the results, some DNA analysis might also be done. Interesting lakes to core would be those with a Planktothrix history such as: Hålandsvannet (Stavanger, collaboration with IRIS), Akersvannet (Vestfold, collaboration with NIVA), Helgetjernet (Ørje), and possibly some in western Norway. Kontaktpersoner (a,b og c): Gunnhild Riise (gunnhild.riise@umb.no), Thomas Rohrlack (thomas.rohrlack@umb.no), Nils-Otto Kitterød (nils-otto.kitterod@umb.no), Marcia Kyle (marcia.kyle@umb.no), Ståle Haaland (staale.haaland@umb.no), Pål Brettum (paal.brettum@niva.no) m. fl. d) Dannelse av metallnoduler i innsjøsedimenter p.g.a. kalking Det er funnet Fe/Mn-noduler (uregelmessige kulestrukturer) på sedimentoverflaten i kalkede innsjøer. Nodulene kan være opp til 1-3 cm i diameter, og sammensetningen er dominert av Fe og Mn. Etter et pilotprosjekt hvor nodulene ble oppdaget i to av fire innsjøer, er det gjennomført tilsvarende kartlegging i ytterligere 13 kalkede innsjøer, og i fem ble det påvist noduler. De kalkede innsjøene har trolig aldri hatt ph over 6,5, men det kan være tilfellet etter kalking, særlig på sedimentoverflaten hvor nodulene dannes. Det er kjent at Mn felles lettere ved ph>6,5-7. Metallutfelling etter kalking er kjent, men Fe/Mn-noduler av denne størrelsen er ikke

4 dokumentert fra verken kalkede eller andre norske innsjøer. Det er foreløpig ikke kjent om det er uønskede biologiske effekter knyttet til funnene, men undersøkelser høsten 2012 indikerer at dette ikke er tilfellet. Nodulenes overflate er imidlertid aktive i dynamikken til både løst organisk stoff og metaller, og utfellinger kan også skje på vannlevende dyr. Innsjøkalking er utbredt i deler av Norge, og det er viktig å klarlegge dannelsesmekanismer for disse metallutfellingene. Fokus må være på det fysisk-kjemiske miljøet i sedimentet der de dannes, i og med at metallutfellingene ikke har en homogen utbredelse i hver enkelt innsjø. Siden slike noduloverflater kan være viktige i omsetningen av organisk stoff og påvirke metalldynamikken i innsjøer, blant annet Hg, vil det også være viktig å klarlegge metallmobiliteten ved skiftende ph og red-oks forhold. Oppgaven vil skje i samarbeid med Norsk institutt for vannforskning (NIVA) v7 Atle Hindar og Sigurd Rognerud. Kontaktperson: Gunnhild Riise (gunnhild.riise@umb.no). II Vannkvalitet og klima a) Romlig fordelt vannbalanse Problemstilling: Hvor nøyaktig kan vi beskrive vannbalansen- og massebalansen for norske innsjøer basert på informasjon fra offentlige databaser? Datakilder: NVEs digitale kart for vannbalanseberegninger; digitale terrengkart (25x25m); strømningsretningskart; GIS-kart (innsjø; elver og bekker); vannføringsmålinger. Tidsserier for måling av kjemiske parametre. Motivasjon: Offentlige etater produserer romlig fordelte data om avrenning (NVE); temperatur (met.no); topografi (Kartverket); samt kjemiske data som f.eks. kan si noe om forurensningsbelastningen for et punkt eller for et område. Felles for alle slike datakilder større eller mindre oppløsning og større eller mindre usikkerhet. Tanken er å undersøke hvordan slike åpne datakilder kan benyttes for å beskrive vann- og massebalansen i vassdrag og innsjøer hvor det ikke foreligger noen direkte målinger på forhånd. Hvordan kan slik informasjonen benyttes for å minke usikkerheten i de anslagene vi må gjøre for å beskrive miljøtilstanden i et vassdrag eller i en innsjø. Denne problemstillingen er aktuell i forbindelse med implementeringen av EUs vannrammedirektiv i norsk forvaltning. Samme metodikk blir også benyttet av Vegvesenet for å beregne hvor store mengder vegsalt som kan benyttes uten at det får alvorlige konsekvenser for vannforekomsten i avrenningsområdet til spesifiserte vegstrekninger. Liknende modellverktøy tas i bruk av NVE i forbindelse med flomvarslig og skredvarsling (Skaugen and Onoff, 2013). Det er også mulige anvendelser for dette hovedfagsarbeidet i Vegvesenet (NORWAT) og i vannforsyningssammenheng hvor problemstilligen er Naturlig Organsik Materiale i innsjøer (NOMiNOR). Aktuelle arbeidsoppgaver er: Feltarbeid for kartlegging av lokal vannbalanse (Rv4, Gran på Hadeland, NORWAT). Vannføringsmålinger fra utvalgte vannverk (NOMiNOR). Griddearbeid på GIS. Grunnvannsmodellering. Tidsserieanalyse av avrenningsdata. Enhetshydrogram

5 Bakgrunnskunnskap: Det er ønskelig med kjennskap til GIS-verktøy (ArcGIS el. lign) og ev. MATLAB (eller lignenede verktøy), men det er ingen forutsetning. Kontaktperson: Nils-Otto Kitterød b) Hydrologiske variasjoner og transport av organisk materiale og jern i innsjøer med ulik oppholdstid faktorer som bidrar til fargeøkning Årlige og sesongmessige variasjoner i temperatur og nedbør innvirker på det hydrologiske strømningsmønsteret som igjen kan innvirke på vannkvaliteten i innsjøer. Avrenning som strømmer igjennom øvre humussjikt, i perioder med mye nedbør og mettede forhold i jorda, kan ha en annen vannkjemisk sammensetning enn avrenning som strømmer gjennom dypere sjikt i jorda. Videre kan høy vannstand bidra til reduserende forhold i områder som drener direkte til innsjøen, og på den måten øke tilførselen av redoks-følsomme elementer (for eksempel Fe) som også påvirker fargen i innsjøen. I mange vannforekomster er det en relativt sett større økning i farge sammenlignet med organisk materiale. Årsaker til denne fargeøkningen og optiske forhold som endrer spredning av lys i den synlige delen av spekteret vil bli nærmere undersøkt. Kunnskaper om innsjøenes respons på hydrologiske endringer, er svært viktig for å skille ulike påvirkningsfaktorer, det være seg naturlige eller menneskeskapte. Den foreslåtte Masteroppgaven kan tilpasses ulike regioner/ naturtyper avhengig av masterstudentens interessefelt. Kontaktpersoner: Gunnhild Riise (gunnhild.riise@umb.no), m.fl.. c) Variasjoner mellom nedbørfelt mht avrenning av organisk materiale Organisk materiale er en viktig vannkvalitetskomponent, som kan påvirke lysforhold, ph, stoffkonsentrasjon, sirkulasjonsforhold, med mer, i innsjøer. Det er derimot store forskjeller mellom nedbørfelt mht i hvilke konsentrasjoner og av hvilken kvalitet det organiske materiale lekker ut fra jordsmonn til bekker, elver og innsjøer. Det vil være store forskjeller i vannkvaliteten i en tilførselsbekk gjennom året, grunnet variasjon i hydrologi, produksjon, dreneringsmønster, osv (jf forslag til Masteroppgave (b) beskrevet over). Denne Masteroppgaven fokuserer hovedsakelig på forskjeller mellom nedbørfelt mht utlekking av naturlig organisk materiale fra jordsmonn til bekker. Det vil bli lagt ut loggere av vannkvalitetsparametere i bekker, både på Sør- og Østlandet, samt analyse av vannprøver på laboratorium. Oppgaven tar i bruk GIS i karakterisering av nedbørfelt. Oppgaven gjøres i et samarbeid mellom UMB og Bioforsk. Kontaktpersoner: Ståle Haaland (staale.haaland@umb.no), m fl. d) Organisk materiale og akkumulering av svovel og kvikksølv i innsjøsedimenter Antropogene avsetninger fra atmosfæren er viktig kilder for svovel og kvikksølv i ferskvann. I tillegg er bidrag fra sjøsalter viktig for svovel. Både svovel og kvikksølv bindes i det øverste humussjiktet. Ved utvasking av organisk materiale fra humussjiktet, kan svovel og kvikksølv følge med ut i vann og vassdrag og eventuelt akkumuleres i sedimentene sammen med organisk materiale. Organisk materiale kan følgelig ha stor innvirkning på mobilitet og akkumulering av disse elementene. I de senere år har avrenningen av organisk materiale økt i boreale skogsområder, mens den antropogene avsetningen av svovel og kvikksølv er sterkt redusert. Organisk materiale kan imidlertid føre med seg Hg som er akkumulert i nedbørsfeltet ut i innsjøene. Viktig å avklare hvordan avrenningen av organisk materiale, svovel og kvikksølv varierer med tiden, og en eventuell sammenheng mellom disse tre

6 elementene. En del av kvikksølvet som tilføres innsjøene metyleres av svovelreduserende bakterier i innsjøsedimentet. Mengden organisk materiale i vannmassene synes å innvirke på akkumulering av kvikksølv i næringskjeden. Videre er det i norsk sammenheng, spesielt sørøstnorske innsjøer med mye organisk materiale og de største avsetningene av kvikksølv som viser de høysete kvikksølvkonsentrasjonene i fisk. I den foreslåtte masteroppgaven vil mengden av svovel og kvikksølv som er akkumulert i innsjøsedimenter bestemmes, og om nivåene av disse elementene er relatert til organisk karbon. Oppgaven krever at studenten har et nødvendig grunnlag i analytisk kjemi. Kontaktpersoner: Gunnhild Riise (gunnhild.riise@umb.no), m fl. e) Rekruttering av ørret i områder som tidligere har vært sterk forsuret Nedbørkvaliteten over Sør-Norge har nå en kvalitet mht sure komponenter som kan sammenlignes med det vi hadde før 2. verdenskrig. Det har vært en dramatisk reduksjon av sulfat i den atmosfæriske deposisjonen siden midt på 1970-tallet. Vi vet mye om konsekvensene av sur nedbørs effekt på jordsmonn og vann og vassdrag. I dag er fisken på vei tilbake i bekker og innsjøer i Sør-Norge, samtidig som ph øker, konsentrasjonen av giftige komponenter som aluminiumkomplekser reduseres og konsentrasjonen av organisk materiale (humusstoffer) øker. Oppgaven tar for seg utvalgte vassdrag på Sør-Vest Norge. Det skal kartlegges rekruttering av ørret i områder med ulike nedbørfeltkarakteristika og vannkvalitet. Oppgaven innebærer elfiske i felt, innhenting og analyse av vannprøver, samt bruk av GIS i karakterisering av nedbørfelt. Kjennskap til akvatisk økologi er en fordel. Oppgaven gjøres i et samarbeid mellom UMB og Bioforsk. Oppgaven vil tilpasses 2 studenter. Kontaktperson: Ståle Haaland (staale.haaland@umb.no), m fl. f) Krypsiv et problem i vassdrag i Sør-Norge Vekst av krypsiv (Juncus sp.) er et stort problem i flere vassdrag i Sør-Norge. Det er fremlagt en rekke teorier vedrørende utbredelse av krypsiv, der faktorer som menneskelige inngrep i vannforekomster via kalking og regulering ofte har blitt diskutert. Denne Masteroppgaven tar sikte på å undersøke den naturlige utbredelsen av krypsiv. Oppgaven vil fokusere på hvilke faktorer som her påvirker vekst av planten. Organisk materiale som påvirker både lys- og phforhold i innsjøene vil bli undersøkt spesielt. Oppgaven innebærer kartlegging av krypsiv i felt, innhenting og analyse av vannprøver, samt bruk av GIS i karakterisering av nedbørfelt. Kjennskap til akvatisk økologi er en fordel. Oppgaven gjøres i et samarbeid mellom UMB og Bioforsk. Kontaktperson: Ståle Haaland (staale.haaland@umb.no), m fl. III Veiavrenning

7 a) Veiavrenning og kobber innvirkning på primærproduksjon i innsjøer? Flere veinære innsjøer viser forhøyede konsentrasjoner av kobber (Cu), et tungmetall som kan være svært giftig for flere primærprodusenter (bl.a Cyanobakterier). Flere variable påvirker både mobilitet og toksisitet av Cu, bl.a. ph og organisk materiale. I denne oppgaven er det flere mulige problemstillinger slik som: - mobilitet av Cu i tilknytning til veiavrenning - sesongmessige variasjoner i Cu og invirkning på primærproduksjon Oppgaven vil formuleres i samarbeid med Statens vegvesen. Kontaktpersoner: Thomas Rohrlack (thomas.rohrlack@umb.no), Gunnhild Riise (gunnhild.riise@umb.no) m.fl.