Samhällsbyggnadsförvaltningen. Våtmarkers reningsförmåga i Borgholms kommun. Rapport nr 2014:1

Transkript

1 Samhällsbyggnadsförvaltningen Våtmarkers reningsförmåga i Borgholms kommun Rapport nr 2014:1

2 Våtmarkers reningsförmåga i Borgholms kommun Borgholm, september 2014 Projektansvarig: Göran Borgö Projektledare: Kristin Bertilius, Bertil Lundgren Författare: Johnjohn Bertholdsson Utgivare: Borgholms kommun Box Borgholm Foto: Kristin Bertilius Formgivning: Simon Cederholm Rapporten är ett kandidatexamensarbete: 15 hp BIOK01 ht -13 vid Lunds Universitet. Slutsatser och åsikter förmedlade i rapporten är författarens egna och speglar nödvändigtvis inte Borgholms kommuns uppfattning. Rapporten ingår i serien Samhällsbyggnad i Borgholm. Framsida: Bjärbykanalens inlopp i våtmarken.

3 Harfjärden Innehåll Abstract Inledning Borgholm Syfte Metod Resultat Avskiljning Uppehållstider Analys Diskussion Konklusion Referenser Övriga referenser... 13

4 Abstract Since from the beginning of the 20th century the Baltic Sea has gone from an oligotrophic to an eutrophicated state. At the same time wetlands have decreased substantially, in some parts of Sweden with up to 90 %. Restoring wetlands reduces the flow of nutrients to the sea and is also beneficial for flood control, recreation and bio diversity. Borgholm municipality has made a plan to reduce its nutrient leakage by 50 %. Half of that number is supposed to come from creating 300 hectare of wetlands. In this thesis five of these wetlands with an area of 52 hectare are investigated. The results show that these five wetlands annually retain approximately 33 % of the incoming nitrogen and approximately 50 % of the incoming phosphorous load. If the remaining 248 hectare has the same ability in retention, Borgholm municipality exceeds the goals of lowering the nutrient leakage to the Baltic Sea. Inledning De senaste århundranden har det i Sverige pågått sjösänkningar och utdikande av våtmarker för att skapa mer plats för jord och skogsbruk (Edman et al, 2001). När vatten transporteras genom diken och kanaler forsar det snabbare ut till sjöar och hav än vad som hänt om det fått flyta genom meandrade åar eller genom långsamt flytande våtmarker (Koshiako, 2003). Andelen näringsämnen som kommer till vattendragen är i liknande storlek som för hundra år sedan (Hoffman et al, 2000) medan andelen våtmarker har minskat stort, i vissa delar av landet med upp till 90 % (Naturvårdsverket, 2009). Östersjön räknades tidigare som ett oligotroft hav men har sedan 1900-talets början gått mer och mer till ett eutrofiskt stadium (Helsingsforskommissionen, 2007). Detta har bland annat lett till kraftiga algblomningar, syrefria bottnar och fiskdöd. Helsingforskommissionen kom fram till ett mål om att försöka uppnå 1950 års status i fråga om övergödning. I hav är det kväve som begränsar tillväxten av alger (Enell och Fejes, 1995). Vilket gör att våtmarker har en viktig roll då de minskar en stor del av det kväve som annars hade nått havet. De första våtmarkerna i Sverige som anlagts för minskning av näringsämnen konstruerades 1990 (Fleischer et al, 1994) hektar våtmarker skulle konstrueras fram till 2010 enligt en lag som implementerades 1999 (Regeringens proposition 1997/98:145; Regeringens proposition 2000/01:130). Mellan år

5 2000 och 2010 har ca 5290 hektar nya våtmarker anlagts (Strand och Weisner, 2013) vilket gör att det utsatta målet ej uppnåtts. För att minska övergödningen införde Sveriges regering LOVAbidraget 2009 (Länstyrelsen; Förordning 2009:381). Detta är ett bidrag som söks hos länsstyrelsen av kommuner och ideella sammanslutningar. Högst 50 % av kostnaden kan ansökas om och resterande pengar får införskaffas på annat vis. Strand och Weisner (2013) visar att ju högre andel näringsämnen som kommer in till våtmarken ju högre är avskiljningen i kg per hektar. De anser även att många små våtmarker är bättre än få och stora. Saunders och Kalf (2001) visar i sina resultat att våtmarker kan avskilja upp till 64 % av inkommande total-kväve. Ju längre uppehållstid en våtmark har, desto längre tid har processerna som renar vattnet tid att verka. Därför är det viktigt att vattnet inte rinner genom kanaler i våtmarkerna utan rinner i ett så kallat kolvflöde där vattnet sprider sig jämnt över hela ytan. Sedimentation, denitrifikation och upptag av växter är processer som renar vattnet från näringsämnen. De kommer i denna uppsats benämnas som avskiljning eller rening. Koskiaho och Puustinen (2005) visade att växtupptaget har en liten roll i avskiljning men att växter skapar mer yta där bakterier kan utföra denitrifkation, vilket i sammanhanget gör dem viktiga. Utöver rening står våtmarker för en mängd ytterligare ekosystemtjänster som bl. a. översvämningskontroll, klimatreglering och rekreation (Millennium Ecosystem Assessment, 2005). Många djur och växtarter är knutna till våtmarker vilket gör att den biologiska mångfalden ökar med fler våtmarker (Jansson et al, 1998). Borgholm Denna uppsats skrivs i samarbete med Borgholms kommun. Kommunfullmäktige i Borgholm beslutade i juni 2009 att utförseln av näringsämnen ut till Östersjön skulle minska med 50 %. Hälften består i att enskilda avlopp ska åtgärdas och den andra hälften ska uppnås genom att anlägga 300 hektar våtmarker. Förhoppningen är att genom anläggning av våtmarker ska årligen ca 100 ton kväve och 2,5 ton fosfor förhindras från att nå Östersjön. I uppsatsen kommer kvävemålet räknas på total-kväve och fosformålet att räknas på total-fosfor. Våtmarkerna är placerade på den östra sidan av Öland då avrinningsområdena är större än på den västra sidan och mer avskiljning av näringsämnen kan uppnås. För att bekosta detta har statlig stöd i form av LOVA-medel ansökts och beviljats. LOVA (lokala vattenvårdsprojekt) är ett bidrag som

6 går att söka hos länsstyrelsen riktat framför allt kommuner, föreningar och andra sammanslutningar (HaV, 2013) De fem undersökta våtmarkerna är Lilla Hamnen (6 ha stort), Sundet (8 ha), Bjärbymosse (7 ha), Harfjärden (7 ha) och Frönäs mosse (24 ha). Totalt har de en yta av 52 hektar. Alla fem våtmarkerna är placerade på Ölands östkust och mynnar således ut i Östersjön. Andelen jordbruksmark inom avrinningsområdena varierar mellan ca 65 % upp till 85 % (SMHI vattenweb). Syfte Att med hjälp av tillgänglig data räkna på om reningen är så pass stor att målet med att avskilja 25 % av det årliga näringsläckaget uppnås. Analysera vilka våtmarker som fungerar bäst avskiljningskapacitet. Uppskatta teoretisk uppehållstid för de fem våtmarkerna. Metod Nitrat/nitrit, total-kväve, total-fosfor och fosfat är de fyra parametrar som beräknats. Miljöprojektledare på Borgholms kommun har tagit vattenprover under de månader då våtmarkerna har haft vattenflöde och de värdena har sedan erhållits av uppsatsskrivaren. Vattenflödena är modellerade utav SMHI utifrån deras mätstation Strömmen på Öland. Fanns det bara ett mätvärde från en månad så har det räknats som det konstanta flödet av näringsämnet för den månaden. Detta var fallet för de flesta månader. Samtidigt används ett snitt av den totala vattenföringen för samma månad. Dessa värden är sedan flödesvägda enligt följande formel: Medelhalt (mg/l) = (C1 * Q1) + (C2 * Q2) + + (Cn * Qn) Q1 + Q2 + + Qn Där C = Uppmätt halt vid provtagningstillfälle (mg/l) Q = Flöde under provtagningstillfället (m 3 /s) och 1,2...n = Provtagningstillfälle Ett flödesvägt medel har sedan räknats ut för varje år och varje parameter. Dessa har sedan multiplicerats på följande sätt: 60*60*24*antal dygn med flöde

7 För att beräkna totalt milligram näringsämnen in eller ut för våtmarken under ett år. För att få fram värdena i kilogram har värdet delats med en miljon. Detta har gjorts för alla år där tillgång till mätvärden har funnits. Alla år har sedan adderats ihop och minskningen har räknats ut genom att värdena in i våtmarken subtraherats med värdena ut ur våtmarken. Årsvärdena har adderats ihop för att få fram de totala in, ut och minskningsvärdena. Detta på samma sätt som tidigare. Den totala minskningen har delats med våtmarkens storlek för att få fram hur mycket som renats per hektar. En procentuell minskning har räknats ut genom: 1-(totalt ut/totalt in)*100 Har det funnits ett invärde men saknats ett utvärde och vice versa har det värdet inte tagits med i beräkningen. Alla våtmarker har sedan adderats och på samma sätt har total och procentuell minskning beräknats. Här har ingen hänsyn tagits till att det inte finns provtagningar för alla år. Det har istället gjorts under tidsperioden 2009 till 2012 då detta är år då alla våtmarker har provtagningar gjorda. Total-kväve och total-fosfor kommer att användas som mått på om avskiljningen uppnår de årliga mål om närmre 100 respektive strax över 2,5 ton som Borgholms kommun har satt upp. En potentiell rening över de planerade 300 hektaren är gjord med resultaten från de undersökta fem på 52 hektar. För att se om våtmarkernas förmåga att avskilja kväve beror på mängden som kommer in likt i Strand och Weisner (2013) rapport ställs ett snitt av inkommande total-kväve mot ett snitt av hur mycket våtmarkerna renar i kg. Storlek kontra total årsavskiljning analyseras också. Uppehållstiderna är teoretiska och beräknade på den modellerade vattenföringen per sekund från SMHI s vattenweb och från Bertil Lundgren på Borgholms kommun erhållna värden på storlek och medeldjup på våtmarkerna. SMHI s vattenweb eller S-Hype är ett gratisprogram med modellberäkningar för söt- och kustvatten inom Sverige. Den totala volymen har delats med snittflödet under månaderna december till maj för att få fram typiska vinter/vårflöden för respektive år. Decembers flöde är medräknat till följande år för att få ett sammanhängande vinter och vårflöde. Uppehållstiderna är beräknade på åren mellan 2006 fram till i år. Att begränsa sig till att börja 2006 är att det är då de första provtagningarna som används i uppsatsen är i från. Alla beräkningar är gjorda i Microsoft Excel.

8 Resultat Avskiljning Hur mycket en våtmark avskiljer i snitt per hektar och år i kilo visas för nitrat/nitrit och total-kväve i figur 1 och total-fosfor och fosfat i figur 2. Dessa resultat är också baserade på åren 2009 till Där ses att Frönäs mosse som hade högst procentuella avskiljning ligger lägst i kväveavskiljning per hektar och år. Tre av de fem undersökta avskiljer mer än ett ton per år och hektar i snitt gällande total-kväve. Standardavvikelsen är i de flesta fall väldigt stor. I tabell 1 visas hur mycket som avskiljs för de fem våtmarkerna om 52 hektar i snitt per år men också den potentiella avskiljningen för de sammanlagt 300 hektar som är planerade Nitrat/nitrit och total-kväve Avskiljning (kg) nitrat/nitrit Total-N Figur 1: Avskiljning av nitrat/nitrit och total-kväve i snitt per våtmark med standardavvikelser mellan 2009 och Resultaten visar att de fem våtmarkerna tillsammans årligen avskiljer runt en tredjedel av de 100 ton kväve som Borgholms kommun vill uppnå. För fosfor uppnås ungefär hälften av avskiljningen varje år. Urvalet av våtmarker står för ca en sjättedel av den totalt planerade ytan. Skulle de resterande våtmarkerna ha samma förmåga att avskilja näringsämnen överträffas förväntningarna. För kväve skulle potentiellt dubbelt så mycket total-kväve avskiljas mot vad målet är medan för fosfor där total-fosfor är det som utvärderats har potentialen att avskilja nästan 200 % mer än de uppsatta målen.

9 Total-fosfor och fosfat Avskiljning (kg) Total-P fosfat Figur 2: Avskiljning av total-fosfor och fosfat i snitt per våtmark med standardavvikelser mellan 2009 och 2012 Totalt har våtmarkerna under åren 2006 till 2013 avskilt ca kg total-kväve och ca kg total-fosfor. In, ut och minskning för alla parametrar visas i figur 3. Kg In, ut och avskiljning (kg) nitrat Tot-N Tot-P fosfat in (kg) ut (kg) avskiljning (kg) Figur 3: In, ut och total avskiljning för alla våtmarker mellan 2006 och Värdena mellan 2009 och 2012 har använts för att räkna ut en snittavskiljning för alla våtmarker tillsammans för respektive parameter och år. De fem undersökta våtmarkerna har en total area av 52 hektar vilket är cirka en sjättedel av den totala planerade yta av våtmarker i Borgholms kommun. Under varje enskilt år avskiljs i snitt per hektar ca 650 kg av både nitrat/nitrit och total-kväve medan för fosfat ligger siffrorna runt 25 kg och för total-fosfor på strax över 20 kg.

10 Tabell 1: Avskiljning under 2009 och 2013 och potentiell avskiljning för de planerade 300 hektaren. nitrat/nitrit (ton) total-kväve (ton) total-fosfor (ton) fosfat (ton) Undersökta våtmarkers avskiljning per år (52 ha) Potentiell avskiljning per år (300 ha) 34,0 34,1 1,3 1,0 196,3 196,8 7,4 6,0 Procentuellt skiljer sig våtmarkernas avskiljning med värden mellan under 10 % upp till nästan 70 %. I figur 4 visas varje våtmarks procentuella avskiljning. Totalt är det en positiv avskiljning där mindre går ut än vad som kommer in. Positiv avskiljning kan ses för alla våtmarker och näringsämnen förutom hos Harfjärden där totalfosfor och fosfat har en negativ avskiljning. Harfjärden släpper således ut mer fosfor till havet än vad som kommer in. I topp ses den största våtmarken Frönäs mosse över alla parametrar. 80 Procentuell avskiljning Procentuell ändring Harfjärden Bjärbymosse Frönäs mosse Lilla hamnen Sundet Totalt 20 nitrat/nitrit total-kväve total-fosfor fosfat Figur 4: Procentuell avskiljning på inkommande vatten för de fem våtmarkerna. Uppehållstider Våtmarkernas teoretiska uppehållstider vid vinter och vår-flöden mellan åren 2006 och 2013 kan ses i tabell 2. Frönäs mosse med störst yta är också den med längst uppehållstid, både vad gällande enskilt längst och högsta snittiden för hur länge vattnet stannar i våtmarken. Harfjärden kommer sist i listan med en snittid på så lite som 0,3 dygn eller cirka 8 timmar i snittid för hur länge vattnet stannar kvar är det år med längst uppmätt teoretisk

11 uppehållstid för alla fem undersökta våtmarker. Alla våtmarker har sina lägsta uppehållstider Tabell 2: Storlek och medeluppehållstid (dygn) under dec maj per år Våtmark Storlek Snitt Frönäs mosse 24 ha 6,5 7,8 12,8 8,4 4,4 3,2 8 4,5 6,9 Harfjärden 7 ha 1,9 2,5 3,6 3,1 1,3 1 2,5 1,5 2,2 Bjärbymosse 7 ha 0,3 0,4 0,5 0,4 0,2 0,2 0,3 0,2 0,3 Lilla hamnen 8 ha 1,1 1,1 2,1 1,3 0,7 0,4 1,4 0,7 1,1 Sundet 6 ha 0,5 0,68 1 0,8 0,4 0,3 0,7 0,4 0,6 Analys Frönäs mosse har lägst medelhalt av total-kväve in har också lägst avskiljning per hektar och år i kilo. Bjärbymosse med den högsta enskilda årliga avskiljningen per hektar och år är den våtmark som har högst medelhalt av total-kväve in i våtmarken. De och de andra våtmarkernas avskiljningsförmåga i procent förhållande till medelhalt in av total-kväve ses i figur Kg Medelvärde total-n in (mg/l) Sundet Lilla hamnen Frönäs mosse Bjärbymosse Harfjärden Figur 5: Avskiljning i kg ställt mot ett medelvärde av inkommande total-kväve (mg/l). I fråga om huruvida storleken på våtmarkerna har någon betydelse för reningsförmåga ses att den största har sämst medelavskiljning per år och hektar. Mellan de mindre som har en yta mellan sex och åtta hektar finns ingen storleksbaserad skillnad (Figur 6).

12 Avskiljning i snitt per år (kg) Storlek (ha) Sundet Frönäs mosse Lilla hamnen Bjärbymosse Harfjärden Figur 6: Årsavskiljning ställt mot storlek på respektive våtmark. Diskussion Resultaten visar att det skiljer mellan de fem våtmarkerna hur bra de avskiljer näringsämnen. Frönäs mosse som är den klart största har lägst avskiljning vad gällande kväve. En sak som förklarar detta kan vara att det kommer minst kväve till denna våtmark. Den potentiella reningen visar på mycket god förmåga där avskiljningen skulle bli nästan 200 % för kväve och 300 % för fosfor av de årliga målen. Detta skulle innebära att alla de planerade våtmarkerna inte skulle behöva byggas för att uppnå målet om minskning med 25 %. Problemet är att det kanske inte helt går att lita på de siffror som resultaten visar. En del felkällor skulle behöva rättas till för att få fram ett mer exakt värde. De åren med mycket bra avskiljning har ofta många fler mätvärden. Finns det bara ett fåtal mätvärden för ett år räknas bara de månaderna in när avskiljningen summeras. De andra månaderna räknas då som att någon rening ej sker. Då det ej finns något vatten i tillflödet till våtmarken tas ej något prov. Våtmarkerna är då oftast helt uttorkade men kan ha små vattensamlingar där viss avskiljning kan ske. De borde dock inte ha någon större inverkan på det totala resultatet. Som tidigare nämnts har värden där det bara finns antingen ett ut eller invärde inte räknats med. De månaderna har då räknats bort då jag ej känner att jag har den expertisen som krävs för att uppskatta de värden som saknas. Hade de saknade värdena funnits hade den totala avskiljningen sett annorlunda ut. Den totala avskiljningen hade med stor sannolikhet blivit större då den procentuella reningen oftast är stor. Det ska dock inte glömmas att månader med negativ avskiljning finns. I dagsläget är proverna oftast tagna samma dag vilket medför problemet att det inte går med säkerhet att säga hur stor avskiljning

13 på det inkommande vattnet som faktiskt är gjord. Ett påhittat exempel är att utvärdet visar på 10 mg/l samtidigt som invärdet låg på 15 mg/l. Avskiljningen blir då 33 %. Hade in och utvärdet tagits med uppehållstiden i beaktning hade det antagligen sett annorlunda ut då resultaten är räknade efter att processerna för rening faktiskt ägt rum. Provtagningar skulle också kunna utföras fler än en gång per månad för att ett värde inte ska räknas som medelvärdet för hela den månaden. Utförs en provtagning strax efter att åkrarna runt om våtmarken gödslats kan det innebära att medelvärdet för avskiljning för den månaden blir högt. På samma sätt skulle månadsvärdet bli lågt om provtagningen sker innan en gödsling. Med korrekta uppehållstider kan provtagarna planera så att utvärdet tas efter den tid det tar för vattnet att transporteras genom våtmarken. Då fås ett mer korrekt resultat på hur mycket av näringsämnena som går in avskiljs innan vattnet går ut. Flödesproportionerliga mätare skulle kunna användas ifall kostnaden anses vara rimlig. Vattenföringen som används är modellerad. För att vara säker på hur mycket vatten som kommer till våtmarken hade det varit bättre med en fältundersökning över perioden december till maj för att med säkerhet fastställa hur mycket vatten som beräkningarna ska göras på. På detta vis skulle de totala in och ut bli mer exakta. Att resultaten ändå visar på både procentuell nedgång och att näringsämnen faktiskt avskiljs visar på att våtmarkerna fungerar. Våtmarkerna fyller sin funktion men mer data skulle behövas för att vara säker på hur mycket avskiljning som faktiskt sker. I frågan om avskiljning i kilo per hektar och år borde slutsatsen vara att anlägga mindre men flera våtmarker. Detta för att Frönäs mosse som är den största är den med lägst avskiljning av kväve i kilo per hektar och år räknat, vilket är det som reglerar produktionen av alger i Östersjön. Det är även av stor vikt att placera våtmarker i områden där vattnet innehåller höga värden av näringsämnen. Det viktiga är inte en procentuell nedgång utan hur mycket i kilo som faktiskt tas bort. Resultaten för uppehållstiderna visar överlag på ganska korta tider från det att vattnet kommer in till det att det flyter ut. Förutom Frönäs mosse med ca en vecka i snitt är det ingen av våtmarkerna som kommer upp i mer än ett par dygn. Sundet och Bjärbymosse har inte ens snittider på över ett dygn i uppehållstid. Att vissa våtmarker har så pass korta uppehållstider kan förklaras med att vattenflödet är modellerat och att medeldjupet är uppskattat. Genom att räkna ut den exakta volymen och göra egna mätningar på vattenflödet skulle antagligen uppehållstiden visa på ett mer korrekt resultat. Uppehållstiderna skulle kanske inte ändras mycket

14 från det som är uträknat i denna uppsats men det skulle ändå ge en tydligare och mer korrekt bild av uppehållstiden. En korrekt tid i våtmarken skulle underlätta framtida beräkningar på våtmarkens avskiljning. Vet man när vattnet går in och ut kan man anpassa provtagningarna för att veta hur mycket av de näringsämnen som faktiskt avskiljs innan vattnet försvinner ut till havet. En annan sak att undersöka är om vattnet rinner jämnt genom våtmarkerna eller om det har bildats kanaler där vattnet forsar ut snabbt. Konklusion När de planerade 300 hektar våtmarker är anlagda kommer Borgholms kommun att klara sina mål om minskat näringsläckage med 25 % utifrån resultaten från de fem i den här uppsatsen undersökta våtmarkerna. Ett mer rättvist resultat skulle kunna fås genom att mäta exakta flöden, fler provtagningar och genom att ta prover utifrån uppehållstider i våtmarkerna. Med jämna mellanrum bör denna studie upprepas för att se hur bra våtmarkerna fungerar över tid. Pelnabrobäcken

15 Referenser Edman, S., Hagman, T., Töve, J Hornborgarsjön. Naturvårdsverket förlag Enell, M., Fejes, J The nitrogen load to the Baltic sea Present situation, acceptable future load and suggested source reduction, Water, Air, and Soil Pollution. December (II) 1995, Volume 85, Issue 2, pp Fleischer, S., Gustafson, A., Joelsson, A., Pansar, J., Stibe, L, Nitrogen removal in created ponds. Ambio 23, Hav och vattenmyndigheten [hämtad ], sidansvarig Martina Liljegren Förordning (2009:381) om statligt stöd till lokala vattenvårdsprojekt Hoffmann, M., Johansson, H., Gustafsson, A. & Grimvall, A Leaching of nitrogen in Swedish agriculture a historical perspective. Agriculture, Ecosystem & Environment 80: Jansson, Å., Folke, C., Langass, S., Quantifying the nitrogen retention capacity of natural wetlands in the large-scale drainage basin of the Baltic Sea. Landscape Ecology 13: Koskiaho, J Flow velocity retardation and sediment retention in two constructed wetland-ponds. Ecological Engineering 19: Länsstyrelsen Kalmar län [elektronisk]: [hämtad: ] Helsingforskommissionen [elektronisk]: n/bsap_final.pdf [hämtad: ] Millennium Ecosystem Assessment, ECOSYSTEMS AND HUMAN WELL-BEING: WETLANDS AND WATER Synthesis. World Resources Institute, Washington, DC. [elektronisk]: [hämtad: ]

16 Naturvårdsverket, Våtmarksinventeringen resultat från 25 års inventering. Rapport 5925 [elektronisk]: [hämtad: ] Regeringens proposition 1997/98:145, Svenska miljömål. Miljöpolitik för ett hållbart Sverige Regeringens proposition 2000/01:130, Svenska miljömål delmål och åtgärdsstrategier Saunders, D.L., Kalf, J Nitrogen retention in wetlands, lakes and rivers. Hydrobiologia 443: SMHI vattenweb [elektronisk]: Strand, J.A., Weisner, S.E.B Effects of wetland construction on nitrogen transport and species richness in the agricultural landscape Experiences from Sweden Effects of wetland construction on nitrogen transport and species richness in the agricultural landscape Experiences from Sweden. Ecological Engineering 56 (2013) Övriga referenser Mejlkontakt: Bertil Lundgren, Borgholms kommun

17

18