Tilbakeholding av partikler i konstruerte våtmarker/fangdammer

Transkript

1 Tema 3. Tema Tilbakeholding av partikler i konstruerte våtmarker/fangdammer Av Bent Christen Braskerud, NVE Menneskelig aktivitet kan skape erosjon og grumset vann. Fangdammer lages for å bedre vannkvaliteten i bekker og redusere oppfyllingen av reservoar. Selv om anleggene er små og grunne, og vannets oppholdstid kort, viser langvarige undersøkelser at % av partiklene kan fjernes på varig basis. Selv leire som normalt har lang bunnfellingstid holdes tilbake i de konstruerte våtmarkene. Denne artikkelen viser hvordan dette er mulig, og gir samtidig noen enkle råd om konstruering. Bakgrunn Alle vassdrag har en viss partikkeltransport. Partikkelkonsentrasjonen vil variere med vannføringen, og kan i begynnelsen av flommer være meget stor (såkalt: first flush effekt). Partikler i vann kan skape miljømessige og praktiske problemer. I nedbørfelt med landbruk og bebyggelse vil partiklene ofte inneholde næringsstoffer som kan øke eutrofieringen av innsjøer, eller miljøgifter (figur 1). I tillegg vil partiklene hindre lysgjennomtregning og redusere bruken av vannet til fritidsaktiviteter. Partikler kan også øke slitasjen på tekniske installasjoner som pumper og turbiner. Det er mao. mange gode grunner til å redusere partikkelinnholdet i vann. Figur 1. Landbruk og anleggsvirksomhet kan gi erosjon og redusert vannkvalitet Ideelt sett bedres vannkvaliteten ved å hindre erosjon (jordtap) i nedbørfeltene, for eksempel ved å ha minst mulig jord uten vegetasjonsdekke og stabile bekke-/elveskråninger. I praksis vil jord eksponeres for nedbør under utbyggingsarbeider og landbruksvirksomhet. Ofte vil sårene i terrenget gro langsomt pga. hardt klima eller ustabile skråninger. Ett alternativ vil da være anlegging av sedimentasjonsdammer. Grunne dammer virker best Allerede i 1904 viste Hazen at dybden var uten betydning for sedimentasjon (bunnfelling) av partikler i dammer. Hans formel for tilbakeholdelse (T) var: T = wa/q [1] Der w er sedimentasjonshastigheten (synkehastigheten) til partiklene, Q er vannføringen og A er overflatearealet på dammen. Denne formelen gjelder imidlertid kun for laminær vannstrømning, som sjelden finnes i praksis. For turbulent vannstrømning har dybden betydning, men den er så liten at formelen for tilbakeholdelse heller ikke inneholder denne informasjonen (Haan m.fl., 1994): [2] T = 1- e(-wa/q)

2 Begge formler viser at tilbakeholdingen øker når vannføringen avtar, eller når overflatearealet øker. Store sedimentasjonsbasseng gir mao. den største tilbakeholdingen. Grunne anlegg virker best fordi partiklene må treffe bunnen i dammen for å bli holdt tilbake. Det hjelper ikke med lav transporthastighet gjennom dammen pga. stor dybde og stort vannvolum, hvis partiklene ikke når bunnen før vannet har nådd utløpet! Hvis en utbygger skal grave ut 1000 m 3 masse, er det bedre med en dam på 1 m dyp og 1000 m 2 overflate fremfor 2 m dybde og 500 m 2 overflate. Selv om dybden ikke er med blir ikke sedimentasjonsbasseng laget grunnere enn 1-2 m i praksis. Det skyldes nok at tømmehyppigheten blir høy ved små volum og at praktisk fornuft tilsier at svært grunne anlegg (vanndyp på 0,01 m) trolig vil ha erosjon ved høye vannføringer! Vi skal se nærmere på om dette stemmer seinere. Fangdammer kan lages som konstruerte våtmarker Sedimentasjonsdammer kan ha mange utforminger. I kulturlandskapet har tapet av småbekker og våtmarker vært enorm. Som et eksempel er det lukket over 1500 km bekker og grøfter i Østfold siden 1960 (Hauger, 1994). Rakkestadelva forsvant 80 % av første ordens bekker i perioden Den samme utviklingen har skjedd over det meste av det vestlige landbruksystem (Mitsch, 1994). Anlegging av dammer kunne derfor få en multifunksjon hvis anleggene ble anlagt som våtmarker. Figur 2 viser hvordan sedimentasjonsdammer i landbruksnære bekker fikk form som våtmarker. Anleggene ble kalt fangdammer, siden hovedmålsetningen var å fange næringsrike partikler gjennom sedimentasjon. Inlet a b c d Outlet Figur 2. En fangdam er en konstruert våtmark bestående av (a) et sedimentasjonskammer i innløpet (dybde 1-2 m), etterfulgt av (b) ett eller flere våtmarksfiltre (dybde 0,8-0,2 m), og eventuell en eller flere overrislingsoner (dybde 0-0,1 m). Etter overrislingsonene legges alltid et våtmarksfilter (d). Anlegget starter alltid med et sedimentasjonskammer. For øvrig kan rekkefølgen på komponentene b-d i figur 2 variere avhengig av terrenget og disponibel plass. Enkelte komponenter kan også utelukkes eller gjentas. Norske fangdammer i kulturlandskapet er vanligvis svært små. Det anbefales å lage anleggene større enn 0,1 % av nedbørfeltets størrelse (1000 m 2 per km 2 ), men de er ofte mindre. Resultatene i denne artikkelen stammer fra anlegg som dekker 0,03-0,4 % av nedbørfeltet (tabell 1). I praksis er det største anlegget 900 m 2 (figur 3). Små anlegg i forhold til nedbørfeltet gir svært lav oppholdstid; i gjennomsnitt under 10 timer. I fangdam D var oppholdstida under 2 timer. Sted Fylke Nedbørfelt Fangdam Andel av (km 2 ) størrelse (m 2 ) nedbr.felt (%) A Akershus 1, ,06 B " 0, ,07 C Østfold 0, ,07 D " 0, ,03 F S-Trøndelag 1, ,21 G Rogaland 0, ,38 Tabell 1. Forsøk med fangdammer for tilbakeholding av partikler ble gjennomført i 4 fylker i Sør-Norge. B og D hadde ikke kontinuerlig prøvetaking om vinteren (mer detaljer om prøvetakingsprogrammet i Braskerud, 2001a).

3 Figur 3. Innløpspartiet av fangdammen Berg i Aurskog-Høland kommune (A i tabell 1). Vannet strømmer inn i bildet mot sedimentasjonskammeret som etterfølges av et våtmarksfilter. Vannproposjonale blandprøver ble tatt fra inn- og utløp fra Vannføringsdata fra Berg ligger på Hydra II (stasjon 1.198). Leira er et problem Leire er partikler med diameter under 0,002 mm (2 µm). Det gjør at overflata er meget stor, avhengig av leirtype (5-800 m 2 /gram). Til sammenligning er overflata på grov sand (0,6-2 mm) ca 0,01 m 2 /gram. Stor spesifikk overflate muliggjør binding av næringsstoffer og miljøgifter. I tillegg farger leire vannet meget lett. Sedimentasjonshastigheten er meget lav slik at tilbakeholding i dammer er vanskelig. For den groveste leira med størrelse 0,002 mm er sedimentasjonshastigheten (w) ca 88 timer per meter i stillestående vann. I de fleste fangdammer varierer oppholdstiden fra 2 til 10 timer i gjennomsnitt. For finere leire er w så lav at formel [1] og [2] gir lite håp om tilbakeholdelse i dammer. Figur 4 viser hvordan formel [2] beregner tilbakeholdelsen av enkeltpartikler i fangdammen Berg ved forskjellige vannføringer (Q) eller areal (A). Vannprøvene ble analysert på NVEs sedimentlaboratorium. I teorien skulle tilbakeholdingen av 2 µm leire være ca 17 % (nedre stiplet linje i figur 4) for den gjennomsnittlige vannføringen i fangdammen. For 0,6 µm leire skulle tilbakeholdingen være nesten neglisjerbar. I praksis ser vi at tilbakeholdingen for samleprøver av alle leirfraksjoner er ca 57 % (øvre stiplede linje). Kun i 3 av 26 prøver oppførte leira seg som leir. For øvrig sedimenterte den som partikler med siltstørrelse. Hva kan det skyldes?

4 Retention (%) µm Coarse silt 20 µm Medium silt Fine silt Coarse clay µm 2 µm AQ -1 (m 2 m -3 s) 0.6 µm Figur 4. Tilbakeholdingen (retention) av partikler med forskjellig diameter øker med økende damoverflate (A) eller avtakende vannføring (Q) i følge formel [2] (vist som linjer). Grov leire (coarse clay) er partikler med størrelse 0,6-2 µm. + viser målt tilbakeholding av leirpartikler (alle partikler mindre enn 2 µm) i fangdam A. + i sirkel viser gjennomsnittet av alle målte enkeltepisoder. Stiplede piler viser forventet og målt tilbakeholding i fangdammen for gjennomsnittlig vannføring (etter Braskerud, 2002). Aggregater øker sedimentasjonshastigheten For å finne svaret, samlet vi inn uforstyrra prøver fra damsedimentet (Sveistrup m.fl.). I sedimentasjonskammeret vistes en tydelig sjiktning med sandfraksjonslag og finere lag (Figur 5). Prøvene tatt ut i våtmarksfiltrene viste ikke like tydelig sjiktning. Figur 5. Foto av sediment fra en fangdam. Legg merke til den horisontale sjiktningen med fine og grove lag. Målestokk i cm. Det meste av de grove partiklene er aggregater (foto: T.E. Sveistrup) Mikroskopstudiene viste at alle fangdamsprøvene besto av aggregater og mineralkorn. Aggregater er partikkelklumper med mange forskjellige kornstørrelser. Alle aggregatene var vel avrundet og atskilt fra hverandre (Figur 6). Tydeligst var aggregatene i sedimentasjonskammeret i innløpet. Her var det lag med store og små aggregater sammen med mineralkorn som gjennomgående hadde en mindre diameter. Tykkelsen på lagene var fra deler av mm til flere cm. Lagene gjenspeiler erosjonsepisoder i nedbørfeltet. Diameteren på aggregatene varierte fra fraksjonen grov silt til grov sand, mens diameteren på mineralpartiklene varierte fra fin silt til grov sand. Ved en sammenligning av aggregater fra matjordlag på jordet med de største aggregatene i sedimentasjonskammeret, var det stor likhet i tekstursammensetningen, men aggregatene i fangdammen var mer avrunda enn de som vi fant i jorda i nedbørfeltet.

5 Figur 6. Mikroskopbilde av aggregater fra sedimentasjonskammeret.de lyse partiene inne i aggregatene er sandkorn. Legg merke til den avrundede formen etter transport i vassdraget. Den hvite horisontale streken i nedre høgre hjørne er 0,24 mm lang (foto: T.E. Sveistrup) Funnet av tydelige, vel avgrensa aggregater i fangdammen, med en sammensetning tilsvarende den i nedbørfeltet, viser at partiklene er avsatt som aggregater og ikke som enkeltpartikler. Leira må ha sedimentert som aggregater siden leirpartikler vanligvis ikke har tilstrekkelig oppholdstid i dammen til å sedimentere (jf. figur 4). At vi i mikroskopstudiene heller ikke finner lag med homogene leirmasser bekrefter at leir i liten grad har sedimentert som enkeltpartikler. Størrelsen på aggregater og enkeltpartikler avtok mot utløpet av fangdammene, dvs. de største aggregatene/partiklene sedimenterte først. Dybden har betydning Sammenlignes dammer med samme overflateareal kan grunne anlegg i prinsippet virke like godt som dype, selv om oppholdstiden reduseres. Formel [1] og [2] viser dette. Dette ble testet i en sammenstilling av resultat fra svenske og finske (dype) dammer og norske (grunne) fangdammer/våtmarker (Uusi-Kämppä m.fl. 2000). Vi hadde ikke data på partikler fra alle anlegg, så vi valgte å bruke næringsstoffet fosfor i sammenligningen. Fosfor bindes normalt sterkt til partikler. Resultatet er presentert i figur 7.

6 60 CWs G2 Retention of TP (%) A F Ponds G Ratio surface area:watershed area (%) Figur 7. Tilbakeholdingen (retention) av fosfor (TP) i grunne fangdammer (CW) og dypere dammer (ponds) øker med størrelsen på anlegget i forhold til nedbørfeltet. Fangdammenes virkningsgrad var imidlertid den dobbelte av dammenes (etter Braskerud 2002). Vegetasjonen hindrer utspyling av sediment Dybden kan imidlertid ikke neglisjeres helt. Når anlegget er fylt, vil vannet kunne erodere i sedimentet. Etter hvert som anleggene ble fylt, la vi merke til at det i perioder kunne være mer sediment i utløpsprøvene enn i utløpsprøvene: Anleggene tapte noe av partiklene som var fanget inn. Tap var imidlertid ikke hovedregelen, selv i overfylte anlegg var det en netto vekst i sedimentmengdene over året (Figur XF). 70 Sedimentation rates (cm) A B C D Years after construction Figur 8. Sedimentvekst i våtmarksfiltrene til fire fangdammer (A-D). Legg merke til at sedimentet vokser over vannlinja (stiplet linje) i anlegg D (etter Braskerud, 2002).

7 Vegetasjonen spiller en viktig rolle i fangdammenes tilbakeholding av partikler i vann. I nye anlegg med liten vegetasjon, er årlig tilbakeholding liten. I fangdammene A-D økte sedimentveksten årlig de 4 første åra til vegetasjonsdekket ble om lag 50 %. Etter den tid var de andre forhold som styrte sedimentasjonsratene, for eksempel tilførslene av partikler. De første åra var den interne flyttingen av sedimentet ca 40 %. Etter hvert som vegetasjonen utviklet seg ble den umålbar (Braskerud, 2001). I tillegg til å virke stabiliserende på sedimentet bidrar vegetasjonen til å spre vannet i fangdammen ved høye vannføringer. Vegetasjonen virker som et selvregulerende teppe over sedimentet. Våtmarksplantene vokser i takt med sedimentoppbygningen. Figur 9. Dunkjevle er en plante som trives i mange fangdammer. Stengelen er stiv slik at planten påvirker tilbakeholdingen av partikler hele året. Om høsten visner vegetasjonen, men stenglene under vann blir stående som børster som fanger partikler som bunnfeller og hindrer høye vannhastigheter i å spyle ut sedimentet (figur 9). Sedimentet fra fangdammene må graves opp når anlegget er fullt. Tømmefrekvensen vil avhenge av anleggets størrelse i forhold til nedbørfeltet og partikkelmengdene som tilføres. Figur 8 viser at det minste anlegget, D, var overfylt etter 9 år. A og B fylles trolig etter år. Der sedimentet er rent, dvs. uten miljøgifter, kan det tilbakeføres nedbørfeltet. Stabile aggregater vil styrke sedimentets bruk som dyrkingsmedium. Tilbakeholdingen er avhengig av kvaliteten på partiklene Sedimentasjon i dammer er et fagområde som har hatt mye oppmerksomhet over lang tid (jf. Hazens formel [1] fra 1904). Erfaring viser at sedimentasjonsratene for partikler med sand og siltstørrelse (partikler større enn 0,006 mm) kan beregnes med formel [2], dvs. ved hjelp av figur 4 (se for eksempel Braskerud 2003a). Ved kjent damstørrelse og vannføring kan man beregne hvor stor andel av en partikkelstørrelse som holdes tilbake. For den gjennomsnittlige vannføringen i fangdam A (i figur 4) vil all sand og grov silt holdes tilbake. I tillegg fjernes ca 80 % av partikler med størrelse 0,006 mm fra vannet. For fin silt og leire derimot er beregningene vanskeligere. Det skyldes, som vi har sett, at leira kan opptre som aggregater. Av den grunn kan tilbakeholdingen av partikler fra nedbørfelt med leirjord være like god som tilbakeholdingen av partikler fra leirfattige områder (jf. A med F og G i tabell 2). Kvaliteten på aggregatene vil imidlertid ha betydning. På areal der aggregatene er ødelagt, for eksempel etter planering, har vi observert dårligere tilbakeholding ved ellers like forhold (jf. A og C, Braskerud 2003a). Jevnt over er fjerningsratene meget gode når den korte oppholdstiden vannet har i anleggene tas med i betraktningen.

8 Type nedbørfelt Fangdam Tilbakeholdt jord (%) Leirfattig morenejord F og G Leirjord A Planert leirjord C Tabell 2. Årlig tilbakeholding av jordpartikler er avhengig av jordtype og hvorvidt arealet er planert eller ikke. Tilbakeholdingen angir 90 % av alle observasjoner i fangdammer (Braskerud 2003b). Best når det gjelder! Den største overraskelsen i undersøkelsen av fangdammer var effekten av vannføringen på tilbakeholdingen. I følge formlene [1] og [2] skal tilbakeholdingen avta når vannføringen (Q) øker. Vi observerte ofte det motsatte! Det skyldes trolig erosjons og transportprosesser i nedbørfeltet. Ved økende nedbørsintensitet (i) øker den mulige erosjonen og (ii) vannets transportkapasitet. Kombinert gir det et større tap av store partikler og aggregater enn ved lavere vannføringer. Når partiklene kommer til fangdammen, avtar vannhastigheten tilstrekkelig til at partiklene sedimenterer. De store partiklene trekker de mindre med seg mot bunnen. På denne måten virker fangdammer som buffere for partikkelstrømmer mot innsjøer og andre vannmagasin vi ikke ønsker skal motta partikler. Det beste tiltaket er imidlertid å forebygge erosjon i utgangspunktet. I mange utbyggingsprosjekter og forskjellig type arealbruk er dette imidlertid vanskelig. Da kan fangdammer være et godt supplement. Referanser Braskerud, B. C., 2001a. Sedimentation in Small Constructed Wetlands. Retention of Particles, Phosphorus and Nitrogen in Streams from Arable Watersheds. Dr. Scient. Theses 2001:10, NLH (nå: UMB), Ås, Norway (finnes i NVEs bibliotek). Braskerud, B. C., 2001b. The Influence of Vegetation on Sedimentation and Resuspension of Soil Particles in Small Constructed Wetlands. Journal of Environmental Quality 30 (4): Braskerud, B.C Design considerations for increased sedimentation in small wetlands treating agricultural runoff. Water Science and Technology 45(9): Braskerud, B. C., 2003a. Clay Particle Retention in Small Constructed Wetlands. Water Research. 37(16): Braskerud, B.C. 2003b. Bestemmelse av jord- og fosfortap fra dyrka mark ved måling av sedimenter i fangdammer. Jordforsk rapport nr. 109/03 (nå: Bioforsk jord og miljø), Ås. Haan, C. T., Barfield, B. J. and Hayes, J. C Design Hydrology and Sedimentology for Small Catchments. Academic Press, San Diego. Hauger, T., Mange bekker små. Landbruksforlaget, Oslo. Hazen, A., On sedimentation. Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 53: Jaana Uusi-Kämppä, J., B. Braskerud, H. Jansson, N. Syversen and R. Uusitalo, Buffer Zones and Constructed Wetlands as Filters for Agricultural Phosphorus. Journal of Environmental Quality 29 (1): Mitsch, W. J The Nonpoint Source Pollution Control Function of Natural and Constructed Riparian Wetlands. In W. J. Mitsch (ed.) Global Wetlands: Old World and New, Elsevier, New York, NY: Sveistrup, T.E., B. C. Braskerud and V. Marcelino. Aggregates keep clay and pollutant retention high in small constructed wetlands. Innsendt til Science of the total environment.