System-orientert prosess-modellering av eutrofieringsprosesser for å studere effekter av miljø i endring og avbøtende tiltak

Transkript

1 System-orientert prosess-modellering av eutrofieringsprosesser for å studere effekter av miljø i endring og avbøtende tiltak NFR, Miljø2015-Tvers Prosjekt Prof. Rolf D. Vogt m.fl. T. Andersen, R. Vogt m.fl. O. Røyseth m.fl. D. Barton G. Orderud E. Romstad M. Beckman, A.Engebretsen H. Gunnarsdottir

2 Vannramme direktivet Krever en «god status» påoverflatevann og at tilstanden til alle vannressurser ikke skal ha store avvik fra sin naturlige forfatningen innen 2015 Vannrammedirektivet pålegger forskere og miljøforvaltere å vurdere den opprinnelige og nåværende miljøtilstand, og å forutsi framtidige endringer Vurdere effekter av tiltak og endring i drivere Lage en verktøykasse for en optimal og bærekraftig forvaltningspraksis

3 Eutrofiering Eutrofiering er vanligvis årsaken til at kravet om god status ikke oppnås i landbruksdistrikter På Sør-Østlandet er > 30 % av innsjøene klassifisert til å være i faresonen 45 % av de menneskeskapte P-tilførsler til overflatevann kommer fra jordbruksområder Miljostatus.no

4 Studieområdet Vestre Vansjø Morsa vassdraget har fått betydelig oppmerksomhet pga eutrofieringsproblemer som forårsaker hyppige oppblomstringer av cyanobakterier. Morsa er utvalgt av MD som et pilotområde for den praktiske gjennomføringen av Vannrammedirektivet. Vestre Vansjø er den delen av vassdraget med størst problem

5 Vansjø Vestre Vansjø DALEN Skog dominerer Kun 15 % Jordbruk

6 Problemet 1 milliard er brukt i avbøtende tiltak og investeringer de siste 25 årene i Morsa bassenget Ingen bedring Prosessene som styrer P flukser påvirkes av flere miljøforhold (= drivere) Uten tiltak hadde situasjonen trolig vært verre Vansjø

7 Drivere Miljø i endring Klima: Økning i nedbørsmengden og hyppigheten av kraftig nedbørsepisoder 2º C økning i gjennomsnittlig vintertemperatur i Oslo de siste 25 årene Mer overflateavrenning og Økt vinter temperaturen som fører til hyppigere tine perioder på bar og frossen mark Økt erosjon og dermed økt tilstrømningen av næringssalter absorbert til jordpartikler 30 Januar Arealbruk: Urbanisering og avskoging, drenering av våtmark og fjerning av vegetasjon langs elvene, samt utretting av elveløp etc. Endringer i landbruket Acid rain 25 år Luftforurensinger: SO 2-4, som i sure vann i sør Norge 31 January er det dominerende anion, er redusert med > 60% Erorsjon: kg ha -1 Al utlekking er redusert betraktelig Fører til redusert utfelling av AlPO 4 Bakgrunnsmengden av Løst Naturlig Organisk Materiale (DNOM) har økt radikalt i nord-europeiske innsjøer. Fører til økt naturlig tilsig av næringssalter 25 år Øygarden, 2000

8 Effekt av nedbørsmengde på P i Vansjø God samvariasjon mellom nedbør og Total-P Ingen klar effekt av tiltak Total-P varierer mellom μg P/L Thomas Rohrlack, NIVA

9 Metode utvikling Fraksjonering Monitoneringsdata Prosjektdesign Prosess studier i nedbørsfelt Begrepsbaserte hydro-geokjemiske mobiliserings og transport studier Tverrfagligheten er sikret gjennom integrerte arbeidspakker WP1 Utvikling av prøvetaking og lab metoder for P fraksjonering og deteksjon Parameterisering av SWAT nedbørsfelt modellen og tilpassing av MyLake modellen Identifisering av hovedkilder til næringssalter, og miljøpåvirkninger WP2 Nedbørsfelt prosesser relasjoner mellom jord, jordvann og bekkevann fra skog og landbruk WP3 Modellering av nedbørsfelt- og innsjøprosesser WP4 Integrert analyse av usikkerhet i beregninger av Kostnads-effektivitet på avbøtende tiltak ved hjelp Bayesiansk nettverk metodikk WP5 Samfunnets respons Naturens respons på endringer i miljøpåvirkninger Anbefaling av avbøtende tiltak WP2-5 Samfunnets respons på tiltakene Bayesiansk nettverk/ beslutningsanalyse verktøy

10 Analyse og overvåkning WP1 Utvikle overvåkningsmetoder Diffusive Gradients in Thin films (DGT) Utvikle P-fraksjoneringsmetode Lab-robot for CNP (PO 3-4, DNOM-P, Partikkel-P, Alge-P) Deteksjonsgrense på 0,5μg P/L

11 Biogeokjemi WP2 Plot og nedbørsfelt studier Kartlegging av vannkjemi og P fraksjoner i avrenning og innsjø (plot og overvåkning) Prosess-orienterte studier Studere hydro-biogeokjemiske prosesser

12 Hydro-biogeokjemisk modell for P kretsløp i skog Opptak PO4 Nedbør Biologisk sirkulasjon Kronedrypp PO4, P-DNOM O horisont Humification Overflateavrenning (f.eks. på frossen jord) P-partikler (P-Al, P-Fe) Snø Smelte perioder Sub-lateral gjennomstrømming under mettede forhold P-DNOM Hydrologisk modell Prosesser & Drivere som styrer P utlekking Erosjon Klima (nedbørintensitet og tine perioder) Organisk nedbrytning og humifisering Klima (nedbør & temp.), DNOM Opptak PO4 Bhs horisont PAL, Org.mat., CEC, PSD Sub-lateral gjennomstrømming under mettede forhold PO 4, P-DNOM Desorpsjon og Anion bytting DNOM, ph, Ali PO 4, P-DNOM C horisont CEC, PSD Riverine zone Konstant grunnvannssig PO 4 Vann fra våtmark og myrer rundt bekken i dalbunnen PO 4, P-DNOM P-partikler Desorpsjon og Anion bytting ph, Ali Redox, Desorpsjon og Anion bytting Redox, ph, Ali, Fe Erosjon Klima, urbanisering AlPO 4, FePO4 Utfelling/ Løselighet Ali, Fe

13 Hydro-biogeokjemisk modell for P kretsløp i lanbruksjord Nedbør Hydrologisk modell Vanngjennomstrømming gjennom sprekker og makro kanaler Snø Smelte perioder Dreneringsrør PO 4, P-DNOM, P-partikler PO 4, P-partikler Ap horisont PAL, Org. innhold, CEC, PSD C horisont CEC, PSD Buffer Sone PO 4 Gjødsling Overflateavrenning (f.eks. på frossen jord) PO 4, P-DNOM, P-partikler (P-Al, P-Fe) Sub-lateral gjennomstrømming under mettede forhold PO 4, P-DNOM, P-partikler Konstant grunnvannssig PO 4 Vann fra våtmark og myrer rundt bekken i dalbunnen P-DNOM Prosesser & Drivere som styrer P utlekking P-partikler Elv Erosion Jordskjødsel, Klima (Nedbørsintensitet, tine perioder) Redox og Organisk nedbryting Klima (Nedbør og temperatur) Desorption og Anion bytting ph, Ali Desorption og Anion bytting, organisk nedbrytning Redox, ph, Ali,Fe Erosjon Elveavrenning, urbanisering Utfelling/ Løselighet Ali,Fe AlPO 4, FePO4

14 P kretsløp i innsjø Skogs jord P-DNOM Drenerings rør Landbruks jord P-DNOM PO 4, PO 4 P-Partikler Elve-tilførsler P-DNOM PO 4 Foto-oksidasjon Bakterier PO 4 Assimilasjon Dekomponering, minerlisering Avrenning P-Partikler P-Alger P-Al P-Fe P-Si Reduksjon av Fe 3+ Mineralisering av org. materiale P-Al, P-Si

15 Modell arbeid (WP3) EMMA relaterer jordvæske kjemi (end-members) til bekkevann kjemi slik at en kan bestemme vannets vei gjennom nedbørsfelt SWAT er en vassdragsmodell utviklet for å kvantifisere effekten av landbrukspraksis MyLake (Multi-year Lake) modellen er en er prosessbasert modell for å simulere den daglige vertikale fordelingen av vanntemperatur, samt prosesser mellom sediment-vann og fosfor-fytoplankton dynamikk SWAT; Modellene vil bli tilpasset og brukt til hypotese-testing i tillegg til å identifisere kunnskapshull Markov Chain Monte Carlo (MCMC) vil bli brukt til å beregne usikkerheter Saloranta & Andersen, 2007

16 Noen foreløpige resultater P fraksjonering Stor forskjell avhengig av vannføring og arealbruk Under avrennings-episoder (E) er det høyere konsentrasjoner og Partikulært-P som dominerer Fra skogsområder dominerer DNOM-P % av fosfortilførselen til vestre Vansjø stammer fra naturlig bakgrunnstilstrømming i form av løst organisk materiale (DNOM) Data: BioForsk/Morsa

17 Noen foreløpige resultater Avrenning fra skogsfelt DOC mg C/L Al i μg/l ph Tot-P μg/l 5 μm Al i 25 μg tot-p

18 Noen foreløpige resultater P utlekking fra skog 25μg/L Hovedfraksjonen av P i avrenningen fra skogområde er i form av DNOM-P Røft overslag: 85% av nedbørsfeltet til Morsa er skog Total-P fra Dalen varier fra 1,5 160 μg P/L, snitt = 25 μg P/L Perioder med høy avrenning har de høyeste konsentrasjonene Ekstrapolert for all skog i Morsa gir 25 μg P/L en fluks fra skogsområder på ca. 6,7 t. (17% av total P fluks)

19 Noen foreløpige resultater Utfelling med Aluminium Aluminium er et sterkt fellingsreagens for fosfat [Al]x[PO 4 ] = Ksp = [Al i ] = 5 μm Spekulasjon: Ekstrapolert for skogområdene i Morsa gir 5 μm Al/L en potensiell utfelling av 43 t P/år Total fluks av P til Morsa er nå ca. 39 t P/år I sur nedbør tida var det sannsynligvis en 3 x så høy Al utlekking. Da ville vi potensielt kunne ha felt ut over 130 t P hvert år.

20 Bærekraftig forvaltning Avbøtende tiltak må vurderes i forhold til kost/nytte effekt og en analyse av gårdeiernes respons på disse tiltakene ØKONOMISK PRODUKSJON Det som spesielt mangler i tidligere studier er en vurdering av sannsynligheten for gjennomføring av tiltak. MILJØVERN BÆRE KRAFTIG HET SOSIAL RETTFERD

21 Bayesisk Nettverkmetode (WP4) Felles rammeverk for å kombinere (usikkerhets) informasjon fra mange ulike kilder Beskriver sannsynlighetsbaserte, snarere enn deterministiske sammenhenger Bruke Bayesisk nettverk for å integrere prosjektaktivitetene Redusere usikkerhet ved å Inkludere begrepsbaserte prosesser og Beregne mot nye overvåkningsdata Gårdsbrukerens respons Gjennomføre en undersøkelse på gårdsnivå Utvikle en ny modell på gårdeierens respons på avbøtende tiltak Undersøke effektiviteten på tiltak Tilpasse det Bayesiske nettverket til resultater fra MCMC simuleringene NIVA Report

22 Samfunnets respons (WP5) Det er mange motstridende interesser Landbruksproduktivitet, fritidsaktiviteter, generelle miljøhensyn, drikkevannsbestemmelser Vårt fokus er i hovedsak på bønder og offentlige myndigheter Bønder fordi de representerer en av de største kildene til utslipp av næringssalter og Offentlige myndigheter som ansvarlig for å regulere utslippene og dermed forurensningsnivået. Ifølge spillteori, kan det være rasjonelt å ikke samarbeide så lenge man ikke vet om andre har tenkt å bidra.. Kunnskap er en forutsetning for kollektiv handling mellom aktørene Utføre en grunnlinjestudie av forvaltningsprosessen Gjennomføre en analyse av den politiske / forvaltningsmessige beslutningsprosessen Utvikle og forbedre DPSIR modellen

23 TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN..

24 Forskningsbehov Mål: Øke modellenes evne til å forutsi effekter av miljøendringer og tiltak Behov: Forbedre påliteligheten til de underliggende modellene Strategi: Målrettet fokus på å analysere biotilgjengelig-p og supplere empiriske betraktninger med begrepsbasert prosessforståelse Forutsetning: Klare å knytte geokjemiske- og hydromorfologiske prosesser i nedbørsfelter sammen med de prosesser som bestemmer nivået og effekten av næringssalter i innsjøer

25 Hypoteser Metoder Bedre metoder for P-fraksjonering i overvåkingen vil forbedre vår evne til å identifisere prosessene som styrer flukser av den biotilgjengelige fraksjonen og dermed algevekst. Prosesser Det er mulig å identifisere prosessene som styrer mobilisering og transport av næringsalter fra jord og sedimenter gjennom å bestemme de forskjellige P-lagre i jordsmonnet og vannkjemi i jordvæsken. Flere og mer intensive nedbørepisoder vil øke eutrofieringen gjennom økt erosjon og utvasking av næringssalter. En fortsatt strøm av P fra overgjødslet jord og sedimenter vil opprettholde eutrofieringen av vannene i områder med landbruk til tross for avbøtende tiltak. Modeller Det er mulig å parameterisere prosessene som styrer strømmene av næringsalter og dermed forbedre de begrepsbaserte modellene. Bayesisk Nettverk Koblede usikkerheter i kost/nytte beregninger på avbøtende tiltak vil reduseres ved å ta hensyn til korrelasjon mellom felles drivere for to eller flere del-modeller. Usikkerheten koblet til gjennomføring av avbøtende tiltak vil øke når en tar med usikkerhet i atferdsrespons. Samfunnets respons Kunnskap om brukerinteresser er avgjørende for å lykkes med en helhetlig forvaltningspolitikk