Retention of soil particles, phosphorus, nitrogen and pesticides in small constructed wetlands in agricultural watersheds

Transkript

1 Retention of soil particles, phosphorus, nitrogen and pesticides in small constructed wetlands in agricultural watersheds Atle Hauge Norwegian Institute for Agricultural and Environmental Research

2 What is the problem? Soil and Phosphorus leak to the river and lakes algae growth JOVA yearly lost from agricultur Soil particles: kg/daa Fosfor: g/daa

3 Bent C. Braskerud NVE Atle Hauge Bioforsk, jord og miljø

4 A typical Norwegian constructed wetland: Inlet a b c d Outlet Components used in Norwegian constructed wetlands: (a)sedimentation pond, (b) vegetation filter, (c) overflow zone covered with vegetation or stones and (d) outlet basin. Often low dams separate CW-components. Depths were originally 1 m in a, 0.5 m in b and d, 0 m in c.

5

6

7

8

9

10 Particles in sediment Delta (d) # Inlet Sedimentation basin (s) Wetland filter (f) Threshold with V-notch # Outlet Sediment (kg/m2) Leir: < mm Silt: mm Sand: mm Grus: > 2.0 mm Particle size - Meter from inlet Meter fra innløpet s. 14

11 Vegetation Vegetasjonsdekning (%) A C Alder (år) B D Vegetation cover in 4 constructed wetlands 6 first years.

12 Vegetation filter and depth 80 Tilbakeholdt fosfor (%) Grunne våtmarker Dype våtmarker/dammer Anleggets andel av nedbørfeltets areal (%) Shallow wetlands hold back more Phosphorus s. 15

13

14 Name of pond: Grautholen 1-2 m dyp Svært lite sed.kammer

15 Vegetation prevent resuspension s. 6

16 Important for phosphorus retention Constructed wetlands work best in polluted creeks, with high amount of particles Near to pollution source Do not mix with clean water Constructed wetlands should have Deep sedimentation pond in the start Shallow vegetation zone Vegetation cover 0,1 % of watershed size

17

18

19

20 Partikkeltransport i bekker 150 First flush Hysterese 400 Jordpartikler (mg/l) Partikler i bekk Partikler i utløp Vannføring Vannføring (l/s/km 2) Timer Figur 2. Partikkelkonsentrasjonen i bekken endrer seg ofte raskt med tida. 0 Erosjonsrate fra 0,4 til 2,7 tonn, tilbakeholdt fra 40 til 95 % Erosjonsraten var: 1,5 tonn, tilbakeholdingen: 50 %

21 Algetilgjengelig fosfor Alge-P Berg (A) Kinn (C) Flatabekken (F) Symbolforklaring = Løst reaktivt fosfor + = Totalt reaktivt fosfor Grautholen (G) + = Partikkelbundet fosfor s. 9

22 Hydraulisk belastning: QA -1 Q A Hydraulic load (m d -1 ) Wetland BERG Snitt Q/A: 2.3 m d -1. Oppholdstid: 4.3 timer s. 11

23 Hvor mye fosfor holdes tilbake? Best når det gjelder TP retention (%) y = 6.4x ; r 2 = 0.09; P< Hydraulic load (m d) Legend CW-A CW-C CW-F CW-G1 CW-G2 Mod1

24 Aggregater gjør at leire oppfører seg som silt og sand

25 Hvor mye fosfor holdes tilbake? 80 Tilbakeholdt fosfor (%) Løst fosfor Partikkelbundet fosfor Hydraulisk belastning (m/d) Figur 7. Tilbakeholding av fosfor i fangdammer s. 12

26 Tilbakeholding av jord og fosfor Tabell 2. Gjennomsnittlig tilbakeholding av jordpartikler og fosfor i fire fangdammer Q/A Jord partikler Total fosfor Nr (m/d) Relativ (%) Spesifikk (kg/m 2 /år) Relativ (%) Spesifikk (g/m 2 /år) A 1, C 1, F 1, G 0, Q/A hydraulisk belastning. s. 11

27 Avrenning og tap av alge-fosfor Redox i vann (mv) Mn(IV) NO Vannføring (l/s) A 2001 O2 Vannføring Redox 300 Fe(III) -100 J F M A M J J A S O N D P P P s. 12

28 Vegetasjonen hindrer utspyling (resuspensjon) Resuspensjon (%) Alder (år) Tilbakeholdt partikler (%) Vegetasjon (%) Figur 14. Resuspensjonen av sediment avtok drastisk med økt vegetasjonsdekning s. 16 Figur 12. Tilbakeholdingen av jordpartikler økte med vegetasjonsdekning i fangdammene s. 15

29 Vegetasjonen hindrer resuspensjon cm Sedimentasjon (cm/år) A B C D Figur 13. Årlig sedimentasjon i vegetasjonsfiltrene i fangdam A-D over 10 år. Sedimentveksten økte de fire første åra. Deretter var det andre forhold som bestemte tilbakeholdingen s. 16

30 Forbedring av fangdammkonseptet: Forsøksanlegget i Lier P P P P Filter 1= Grus og sand; 2= Algefilter; 3= Div. filtertyper: Leca, torv, skjellsand, bark, sand; 4= Vegertasjonsfilter (dybde m), STANDARD FANGDAM; Forbedre tilbakeholdingen av Løst P og N, samt pesticider 5= Grunt vegetasjonsfilter (dybde 0.05 m); 6= Skiferheller (IKKE veg. dybde m); 7= Dypt vegetasjonsfilter (dybde m); 8= Bygghalm. s. 11

31 Terskler Jordterskel Vannspeil Jord Steindekke 0.5 m Plastikk Fiberduk Hoppeterskel A B Er det fisk som vandrer? Fiber duk Grus/småstein s. 19

32 Tersklenes akilleshæl Vannspeil Steindekke 0.5 m Jord Plastikk Fiberduk Fiberduk mellom jord og stein Stor nok stein til overdekning s. 19

33 Plassering og dimensjonering av anlegget

34 Størrelse avhenger av tilførsler Fra dyrka mark og bekk

35 Beregning av partikkelfjerning Tilbakeholding (%) µm 20 µm Middel silt Planert Ikke planert Fin silt Grov leir 6 µm 2 µm 0.6 µm A / Q (m 2 /m 3 s) Figur 21. Tilbakeholding av partikler med ulik størrelse i fangdammer avhengig av invers hydraulisk belastning (A/Q). s. 25

36 Hva er optimalt? Hvor stor skal fangdammen være? TP retention (%) y = x r 2 = Ratio A /catchment area (%) specific TP retention (g m -2 yr -1 ) ? y = 2.3x (-0.83) r 2 = 0.41 <1 %? Ratio A /catchment area (%)

37 Kortslutningsstrømmer hydraulisk effektivitet % 76 % 61 % % 76 % = Vannretning 76 % = Hydraulisk effektivitet Fig. 22. Hydraulisk effektivitet for fem dammer med dybde 1,5 m (Etter Persson m.fl., 1999). s. 27

38 Sedimentet i fangdammer er matjord 2 G Fosfor i sedimentet (g/kg) 1 C A 1:1 linje F Fosfor i matjordlaget (g/kg) Figur 20. Aggregater Figur 26. Fosfor i sedimentet i fangdammene er ofte høyere enn innholdet i dyrka mark. s. 31

39 Hva er viktigst å huske på? Nedbørfeltene påvirker virkningsgraden Ta vare på aggregatene; kort veg fra jorde til tiltak Tilbakeholdingen øker med tilførslene; virker best ved høye tap Unngå vann fra utmark; reint vann fortynner Fangdammer skal ha sedimentasjonskammer; forlenge levetida være grunne; kort sedimentasjonsveg ha vegetasjon; hindre utspyling, sprevannet være minst 0,1 % av nedbørfeltets størrelse, gjerne 1 %! Store fangdammer fanger mest og varer lengst! Fra huskeliste for fangdambyggere s. 33