Retention of soil particles, phosphorus, nitrogen and pesticides in small constructed wetlands in agricultural watersheds Atle Hauge Norwegian Institute for Agricultural and Environmental Research
What is the problem? Soil and Phosphorus leak to the river and lakes algae growth JOVA yearly lost from agricultur Soil particles: 10 300 kg/daa Fosfor: 50-950 g/daa
Bent C. Braskerud NVE Atle Hauge Bioforsk, jord og miljø
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.
Particles in sediment Delta (d) # Inlet Sedimentation basin (s) Wetland filter (f) 4 5 6 Threshold with V-notch # Outlet 1 2 3 400 Sediment (kg/m2) 300 200 100 Leir: < 0.002 mm Silt: 0.002-0.06 mm Sand: 0.06-2.0 mm Grus: > 2.0 mm Particle size - Meter from inlet 0 0 20 40 60 80 100 Meter fra innløpet s. 14
Vegetation 120 100 Vegetasjonsdekning (%) 80 60 40 20 A C 0 0 1 2 3 4 5 6 Alder (år) B D Vegetation cover in 4 constructed wetlands 6 first years.
Vegetation filter and depth 80 Tilbakeholdt fosfor (%) 60 40 20 0 Grunne våtmarker Dype våtmarker/dammer 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Anleggets andel av nedbørfeltets areal (%) Shallow wetlands hold back more Phosphorus s. 15
Name of pond: Grautholen 1-2 m dyp Svært lite sed.kammer
Vegetation prevent resuspension s. 6
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
Partikkeltransport i bekker 150 First flush Hysterese 400 Jordpartikler (mg/l) 100 50 Partikler i bekk Partikler i utløp Vannføring 300 200 100 Vannføring (l/s/km 2) 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 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 %
Algetilgjengelig fosfor Alge-P Berg (A) Kinn (C) Flatabekken (F) Symbolforklaring = Løst reaktivt fosfor + = Totalt reaktivt fosfor Grautholen (G) + = Partikkelbundet fosfor s. 9
Hydraulisk belastning: QA -1 Q A Hydraulic load (m d -1 ) 20 15 10 5 0 200 509 818 Wetland BERG 1998 1999 2000 2001 Snitt Q/A: 2.3 m d -1. Oppholdstid: 4.3 timer s. 11
Hvor mye fosfor holdes tilbake? Best når det gjelder TP retention (%) 80 60 40 20 0-20 y = 6.4x + 21.3; r 2 = 0.09; P<0.004 0 1 2 3 4 Hydraulic load (m d) Legend CW-A CW-C CW-F CW-G1 CW-G2 Mod1
Aggregater gjør at leire oppfører seg som silt og sand
Hvor mye fosfor holdes tilbake? 80 Tilbakeholdt fosfor (%) 60 40 20 Løst fosfor Partikkelbundet fosfor 0 0 1 2 3 4 Hydraulisk belastning (m/d) Figur 7. Tilbakeholding av fosfor i fangdammer s. 12
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 1,7 66 83 42 51 C 1,9 45 89 27 58 F 1,8 62 36 23 37 G 0,8 68 22 42 46 Q/A hydraulisk belastning. s. 11
Avrenning og tap av alge-fosfor 400 800 Redox i vann (mv) 300 200 100 Mn(IV) NO3 200 100 600 400 0 0 Vannføring (l/s) 0 31 62 93 124 155 186 217 248 279 310 341 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
Vegetasjonen hindrer utspyling (resuspensjon) 50 100 Resuspensjon (%) 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 Alder (år) Tilbakeholdt partikler (%) 75 50 25 0 0 25 50 75 100 125 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
Vegetasjonen hindrer resuspensjon 10 22 cm Sedimentasjon (cm/år) 8 6 4 2 0 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
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 0.4-0.5 m), STANDARD FANGDAM; Forbedre tilbakeholdingen av Løst P og N, samt pesticider 5= Grunt vegetasjonsfilter (dybde 0.05 m); 6= Skiferheller (IKKE veg. dybde 0-0.05 m); 7= Dypt vegetasjonsfilter (dybde 0.6-0.7 m); 8= Bygghalm. s. 11
Terskler Jordterskel Vannspeil Jord Steindekke 0.5 m Plastikk Fiberduk Hoppeterskel A B Er det fisk som vandrer? Fiber duk Grus/småstein s. 19
Tersklenes akilleshæl Vannspeil Steindekke 0.5 m Jord Plastikk Fiberduk Fiberduk mellom jord og stein Stor nok stein til overdekning s. 19
Plassering og dimensjonering av anlegget
Størrelse avhenger av tilførsler Fra dyrka mark og bekk
Beregning av partikkelfjerning Tilbakeholding (%) 100 80 60 40 20 0 60 µm 20 µm Middel silt Planert Ikke planert Fin silt Grov leir 6 µm 2 µm 0.6 µm 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 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
Hva er optimalt? Hvor stor skal fangdammen være? TP retention (%) 100 80 60 40 20 0-20 y = 31.714x 0.166 r 2 = 0.102-40 0.001 0.01 0.1 1 10 Ratio A /catchment area (%) specific TP retention (g m -2 yr -1 ) 120 100 80 60 40 20 0? y = 2.3x (-0.83) r 2 = 0.41 <1 %? -20 0.001 0.01 0.1 1 10 Ratio A /catchment area (%)
Kortslutningsstrømmer hydraulisk effektivitet 1 2 3 26 % 76 % 61 % 4 5 90 % 76 % = Vannretning 76 % = Hydraulisk effektivitet Fig. 22. Hydraulisk effektivitet for fem dammer med dybde 1,5 m (Etter Persson m.fl., 1999). s. 27
Sedimentet i fangdammer er matjord 2 G Fosfor i sedimentet (g/kg) 1 C A 1:1 linje F 0 0 1 2 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
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