Vattenkraftregleringens effekt på transporten av metaller och näringsämnen i Luleälven

Transkript

1 Vattenkraftregleringens effekt på transporten av metaller och näringsämnen i Luleälven Vuojaätn Akka Sitoätn a Saggat Sampling it

2 Upplägg av presentation Projektupplägg Mätprogram Trender i ämneskoncentrationer längs Luleälven Modellering av trender Temporala variationer av ämneskoncentrationer i Luleälven vid Boden Slutsatser

3 Organisation Projektledare: Doc. Anders Wörman Institutionen för geovetenskaper Uppsala universitet Ansvarig för mätprogram: Prof. Björn Öhlander Avdelningen för tillämpad geologi Luleå tekniska högskola Doktorander: Karin Jonsson,Uppsala universitet Lisbeth Drugge, Luleå tekniska högskola Magali Collomp, Utbytesstudent (Luleå) Övriga forskare/konsulter: Allan Rodhe, Uppsala universitet Anders Widerlund, Luleå tekniska högskola James Yang, Vattenfall Utveckling Björn Svensson, SwedPower

4 Kvalitativa miljöeffekter av vattenkraftutbyggnad i Luleälven Hydrologiska effekter a) årstidsvariationerna av vattenflödet har utjämnats b) nya vattenmagasin skapas Förändring av lösta ämnen och organiskt material överdämning ger temporärt ökad koldioxidavgång på sikt övergår vattenkemin i vattenmagasin till den naturliga sjöns lägre total transport av partikulärt material till Östersjön ökad accumulering av organiskt material (deposition/retention) förändrade hydrologiska och geokemiska förhållandena ger effekter på de lokala ämnescyklerna och älvtransporten av näringsämnen, metaller, organiskt material, m.m..

5 [Forts: Kvalitativa miljöeffekter ] Förändring av temperaturfördelning Från skiktade vattenmagasin beror det utgående vattnets temperatur på intagets nivå Lokala effekter på ekosystem minskat fiskbestånd

6 Övergripande mål Utveckla den kvantitativa förståelsen för vattenkraftens effekt på transporten av metaller och närsalter i Luleälven.

7 Specifika mål Två stycken teknologie doktorsexamina En databas som beskriver ämnestransporten och vattenflöde under ett år i flera sektioner av Luleälven Transporten i några typiska (m.h.t. avrinningsområdets karakteristika) tillflöden bestäms också under ett år. Massbalansen för olika ämnen kommer att analyseras för de två undersökta delsträckor och vattenmagasin. Härav kan uppskattningar göras av den "effektiva" retentionen. En endimensionell modell kommer att utvecklas för ämnestransporten i Luleälven inklusive viktiga vattenmagasin. Avrinningsområdets hydrologi och geokemi kommer att infogas. Hydrauliska beräkningar kommer att göras för att bestämma sambandet mellan reglering och vattenstånd i grundvattenmagasin och biflöden.

8 Doktorandprojekten en del i forskningsprogram kring Transportprocesser i vattendrag 5 årigt åtagande Finansiering även från Vetenskapsrådet, Uppsala universitet, SLU, LuTH

9 Publikationer "Effect of Flow-Induced Exchange in Hyporheic Zones on Longitudinal Transport of Solutes in Streams and Rivers" Wörman, A., Packman, A., Jonsson, K., Johansson, H., Water Resources Research, 2002, 38(1), 2:1-15. Comparison of the geochemistry of the regulated LuleRiver and the Unregulated kalix River, Northern Sweden., Licentiate thesis of Mgali Colomp, Luleå University of Technology, 2001:60. "Hyporheic Exchange of Reactive and Conservative Solutes in Streams Tracer Methodology and Model Interpretation", Karin Jonsson, Håkan Johansson, Anders Wörman. In press: Journal of Hydrology. "Comparison of Hyporheic Exchange in Vegetated and Unvegetated Reaches of a Small Agricultural Stream in Sweden: Seasonal Variation and Anthropogenic Manipulation", Masfiqus Salehin, Aaron Packman and Anders Wörman, In press: Advances in Water Research. Sorption Behaviour and Long-term Retention of Reactive Solutes in the Hyporheic Zone of Streams, Karin Jonsson, Håkan Johansson and Anders Wörman. In press: Journal of Environmental Engineering. "Tailings dam failure in Aitik, Northern Sweden: A discussion on release, transport and retention in the Kalix River system". Magali Collomp, Anders Wörman, Björn Öhlander, Johan Ingri and Manfred Lindvall, Manuscript. Impact of hyporheic exchange on solute transport in a highly hydropowerregulated river, Karin Jonsson, Anders Wörman, Lisbeth Drugge och Björn Öhlander. Manuscript.

10 Avhandlingar Magali Colomp, Licentiatexamen vid LuTH, September Lisbeth Drugge, Licavhandling planerad LuTH. Karin Jonsson, Licentiatavhandling vid UU, Maj Karin Jonsson, Disputation planerad vid UU den 3:e Oktober 2003.

11 Mätprogram som gör det möjligt att bestämma aktuella uppehållstider Vattenprovtagning vid olika stationer längs älven en gång per månad eller oftare Sektioner som avgränsar magasin (Stora Lulevatten, Seitevare, Tjakjajaure) Provtagning av biflöden

12 Vattendata ICP-AES/ICP-MS ger totalhalter av Metaller: Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Cd, Si, Mg, Na, Ba, Mo, Ni och Sr Andra ämnen: Ca, S, C, P och N In-situ mätningar med vattensond: Temperatur, ph, konduktivitet, ORP (redox), DO och TDS Andra vattenkvaliteparametrar: TSM, TOC and POC.

13 Provtagningsplatser Vuojaätn Akka Sitoätn a Saggat Sampling it

14 Trender längs Luleälven t=0 motsvarar juni 2000 Na Koncentration (mg/dm3) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Tid (h) Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden Koncentration (mg/dm3) 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0, Tid (h) Si Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden

15 Mg 0,75 Koncentration (mg/dm3) 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0, Tid (h) Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden Ca Koncentration (mg/dm3) 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2, Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden Tid (h)

16 Flux Ca Tid (h) Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden Flux Mg 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00-100, Tid (h) Vietas Porjus Ligga Messaure Porsi Laxede Boden

17 Comparison between Unregulateed Kalix River and Lule River Discharge Ca, Si and Fe Regulation acts for a uniform transport of solute elements over the year

18 Nettoretention i Stora Lulevatten Biflöde Inflöde Avdunstning Stora Lulevatten Utflöde

19 Hydrauliska och kemiska mekanismer Evaporation Dispersion Advection Phase in alga metabolisms Biouptake Dissolved phase No. 1 Mouldering Sorption Dissolved phase No. 2 Chemical reactions Phase adsorbed on particles Bed exchange Bed exchange Phase in bacteria Phase in bed sediments Phase in plant metabolisms Hydraulic transport Mass phase species transfer

20 Hydrauliska beräkningar Icke-stationär strömning Flodvågsberäkningar i en dimension med hjälp av Dambrk Kvasistationär strömning Allmänna stegmetoden i matlab-program Dam The water depth is found by iterative calculations. Timeseries of water elevation and water flow. Dam Q UA 2 3 Rh S n 1 2 b A Cross-sections with known geometry

21 Geometridata, kraftverksdata m.m. inhämtat från Vattenfall. Initial River Channel Plot Vittjärv - Boden

22 Dambrk bygger på följande ekvationer: Masskonservering: Q x t sa A 0 q 0 Rörelseekvationen: t sq x > Q 2 h ga A x S S f e S i L' 0 där h = the water surface elevation A = the active cross-sectional area of flow A 0 = the inactive (off-channel storage) cross-sectional area s = the sinuosity factor after DeLong (1986) which varies with h x = the longitudinal distance along the channel (valley) t = the time q = the lateral inflow or outflow per lineal distance along the channel (inflow is positive and outflow is negative in sign) >= the momentum coefficient for velocity distribution g = the acceleration due to gravity S f = the boundary friction slope S e = the expansion-contraction slope S i = the additional friction slope associated with internal viscous dissipation of non-newtonian fluids such as mud/debris flows L the momentum effect of lateral flow assumed herein to enter or exit perpendicular to the direction of the main flow.

23 Ett Matlab-program som kan lösa generella problem med ämnestransporter 1 Advection = motion due to water flow! 2 3 Advection = 0! Ekvationssystem i varje nodpunkt: c c A Sc t A t 1 A UAc x 2 c E 2 x Sq i-1 i i+1 Nodlinje längs älven

24 Example: simulated water residence times between Vietas and Boden Inert flow pulse (no dispersion, no hyporheic zone exchange) Hydrological data from 20 th of June 2000 and onwards Residence time for a single water particle (days) Vietas Boden Vietas Porjus Day when the water particle is released at the upstream station

25 Retention i hyporeiska zonen Inverkan av regleringsförhållanden Utbyte av partikulärt material (deposition och resuspension) Löst utbyte Streamflow High-pressure zone Low-pressure zone Slow groundwater flow Wavelength Uppehållstid för vatten?

26 Principstudier av det lösta utbytet Spårämnesförsök i mindre vattendrag med tritium ( 3 H 2 O) och 51 Cr(III) Utveckling av generella samband för vattenytbytet som funktion av geomorfologi och strömninsgregim

27 Spårämnesinjektion i Sävaån Injektion Vattengenombrottskurvor Bedprovtagning Concentration (dpm/cm 3 ) Station E ( m) Station F1 ( m) Station F2 ( m) Station G ( m) 3 H Time (h)

28 Simulated effect of hyporheic zone on water residence time in regulated Lule River Short inpulse V A Sit Sa Sampl Response at Boden Concentration (kg/m 3 ) No hyporheic exchange Hyporheic exchange α 12 =α 21 = Hyporheic exchange α 12 =α 21 = Time (h) Hydrological data from 20 th of June 2000 and onwards

29 Effect of regulation on water residence time and hyporheic exchange 5000 Concentration (kg/m 3 ) No hyporheic exchange α=0.0071, λ 23 =0.008, λ 32 =4e 6 α=0.0769, λ 23 =0.008, λ 32 =4e Time (h) Water response at Porjus for regulated conditions Concentration (kg/m 3 ) No hyporheic exhange Hyporheic exchange α 12 =α 21 = Hyporheic exchange α 12 =α 21 = Time (h) Water response at Porjus for unregulated conditions Ten times longer residence times Much less exchange with hyporheic zone of inert and reactive elements Lower oxygenation of bed sediments

30 Modellering av löst ämnestransport pågår Exempel för Na Data och randvillkor vid Laxede Koncentration av Na [ g/l] Observation vid Boden Simulerad Tid [dagar] W=10e-6;T=300000;h=1;u=0.5;a=4.31e-5;E=3;x=70000;KB=2; Impact of hyporheic exchange on solute transport in a highly hydropowerregulated river, Karin Jonsson, Anders Wörman, Lisbeth Drugge och Björn Öhlander. Manuscript.

31 Example of simulated retention for sorptive solute Concentration (kg/m 3 ) 3.5 x No hyporheic exchange α=0.0071, λ 23 =0.008, λ 32 =4e 6 α=0.0769, λ 23 =0.008, λ 32 =4e Time (h)

32 Failure of Aitik tailingsdam

33 Koncentration peaks observed at Kalmunge, 150 km from Aitik Ca (mg/l) 4 2 Na (mg/l) S (mg/l) Sep 11-Sep 15-Sep 19-Sep 23-Sep 27-Sep 1-Oct Distribution of filtered Cu in Kamlunge between the 11th and the 27th of September Sep 11-Sep 15-Sep 19-Sep 23-Sep 27-Sep 1-Oct Distribution of Na in Kamlunge between the 11th and the 27th of September Sep 11-Sep 15-Sep 19-Sep 23-Sep 27-Sep 1-Oct Distribution of S in Kamlunge between the 11th and the 27th of September Mo ( g/l) Sr ( g/l) Sep 11-Sep 15-Sep 19-Sep 23-Sep 27-Sep 1-Oct Distribution of Mo in Kamlunge between the 11th and the 27th of September 0 7-Sep 11-Sep 15-Sep 19-Sep 23-Sep 27-Sep 1-Oct Distribution of Sr in Kamlunge between the 11th and the 27th of September

34 Reaktiva element uppvisar högre retention Normalised concentration Settling pond 2 km 20 km 50 km Na, S och K Mg th Sep 10 th Sep 11 th Sep 12 th Sep 13 th Sep Date The concentration of Mg is 6%, 14% and 41% lower than the concentrations of Na, S and K at the distances 2, 20 and 50 km

35 Model results 10 2 Settling pond Concentration of Na [mg/l] km 150 km Without dispersion and hyporheic exchange With dispersion and hyporheic exchange th Sep 13 th Sep 17 th Sep 21 th Sep 25 th Sep 29 th Sep Date

36 Slutsatser Tydliga gradienter i fleratalet ämnen längs Luleälven: Avrinningsområdets funktion är viktig, inte enbart Luleälven Preliminär modellering visar att ett väsentligt hyporeiskt utbyte förekommer för lösta ämnen Uppehållstiden i den hyporeiska zonen förlängs i en reglerad älv med större vattendjup; T ~ (g A 2 h 2 )/(Q 2 K) Regleringen av flödet minskar transporten av partikulärt material