Övervakning av vägsaltets transport och uppträdande i den vägnära miljön Modellsimuleringar och fältmätningar

Transkript

1 Övervakning av vägsaltets transport och uppträdande i den vägnära miljön Modellsimuleringar och fältmätningar Svensk sammanfattning av doktorsavhandlingen: Monitoring transport and fate of de-icing salt in the roadside environment Modelling and field measurements Annika Lundmark Februari 2008

2 Förord Vägsaltets inverkan på mark, vatten och vegetation har studerats under de senaste decennierna vilket har givit en hel del kunskap och erfarenheter om vägsaltets miljöpåverkan. Inom CDU (Centrum för forskning och utbildning i drift och underhåll av infrastruktur) har tidigare två doktorandprojekt genomförts med fokus på att påvisa effekter på grundvatten och ytvatten (Eva- Lotta Thunqvist) och på vegetation (Göran Blomqvist). Det aktuella projektet föregicks också av en förstudie som påvisade behovet av överblick och användbara redskap för att göra förutsägelser om vägsalts miljöpåverkan för att leva upp till de krav samhället idag ställer. Projektet kan ses som en fortsättning och integration av tidigare studier och det främsta syftet har varit att skapa ett operativt instrument för att kunna kvantifiera miljöeffekter med hjälp av en integrerad modell där både vägen och vägens omgivning i form av vegetation, mark och grundvatten ingår. Projektet, som haft benämningen CDU:M11, har genomförts vid Inst. för mark- och vattenteknik, KTH. Per-Erik Jansson har varit huvudhandledare och Bo Olofsson och Ann-Catrine Norrström biträdande handledare. Doktorsavhandlingen försvarades offentligt på KTH fredagen den 15 februari 2008 kl Opponent var Dr. Helen K. French från Bioforsk, Ås, Norge. I betygsnämnden deltog: Prof. Anders Wörman, Inst. för mark- och vattenteknik, KTH, Doc. Stefan Löfgren, Inst. för miljöanalys, SLU och Prof. Maria Viklander, Avd för arkitektur och infrastruktur, LTU. Medlemmar i styrgruppen har varit: Hans Cedermark, CDU, fram till den 1 januari 2005 Håkan Westerlund, CDU, från den 1 januari 2005 Lena Blad, SGU Göran Blomqvist, VTI Dan Eriksson, Vägverket Dick Gahnberg, Vägverket Region Stockholm Torbjörn Gustavsson, Inst. för geovetenskaper, Göteborgs universitet Per-Erik Jansson, Inst. för mark- och vattenteknik, KTH Christer Johansson, SLB analys, Miljöförvaltningen, Stockholm Ann-Catrine Norrström, Inst. för mark- och vattenteknik, KTH Bo Olofsson, Inst. för mark- och vattenteknik, KTH Torbjörn Svenson, Vägverket Jan Ölander, Vägverket Projektet har finansierats av Vägverket genom CDU. Stockholm, Februari 2008 Annika Lundmark 2

3 Introduktion Vägar och vägtrafik utgör en stor källa för föroreningar som påverkar ytvatten, grundvatten, mark och vegetation i vägens omgivning. Vägsalt som används i kallt klimat är en sådan förorening som kan orsaka förhöjda kloridkoncentrationer och andra miljöeffekter. När det gäller kloridens påverkan på grund- och ytvatten så finns många skadefall dokumenterade. EG:s vattendirektiv anger att grundvattnet ska ha god kvalitativ status, vilket t.ex. innebär att vattnet inte ska vara påverkat av salt som orsakats av mänsklig påverkan. Enligt miljöbalken måste den som sprider saltet skaffa sig kunskap om vilka effekter (förändrade tillstånd) som förorsakas och vilka eventuella skador som uppkommer genom dessa effekter. Tillsammans med riksdagens 16 miljökvalitetsmål syftar miljöbalken till att främja en hållbar utveckling. Det finns således ett behov av att övervaka och kvantifiera förändringar i miljön kan saltinsatserna styras så att en god miljöstatus kan uppnås och bibehållas nära vägar, utan att trafiksäkerheten och framkomligheten äventyras vintertid. Avhandlingen presenterar ett operativt modelleringsverktyg för att beräkna kloridbelastningen från vägsalt på vägens omgivning. Detta görs genom att vägsaltets tillstånd och flöden på vägen och i omgivande mark- och grundvatten beaktas. För att kunna beskriva salttransporten och effekterna i den omgivande miljön har modellsimuleringar och olika typer av oberoende fältmätningar utförts. Vägen och den vägnära miljön Påverkan av vägsalt på miljön beror på mängden salt som används, hur och när saltet sprids på vägen och hur fortsatt spridning av saltet ger upphov till förändringar i omgivande mark och grundvatten. Detta beror i sin tur på lokala förhållanden både på vägen och i dess omgivning, vilket innefattar olika typer av vegetation, geologi och grundvattenförhållanden. Det är således viktigt att se vägen och den vägnära miljön som ett sammanhållet system för att kunna förutsäga miljöeffekterna av vägsalt (Figur 1). Figur 1. Konceptuell bild av systemet som studerats, vilket inkluderar både vägen och den vägnära miljön. Den vägnära miljön kan representeras av olika hydrogeologiska typmiljöer med olika typer av vegetation och olika jordarter (blå=morän, grön=åsmaterial, orange=svallsand, gul=lera, brun=torv). Efter Naturvårdsverket (1999). 3

4 Dynamisk modell för övervakning Den modell som har utvecklats inkluderar både vägen och dess omgivning och baseras på fyra olika moduler eller delar som kan kopplas samman på ett flexibelt sätt. Dessa moduler omfattar: 1) vägsaltsapplikation och salttransport från vägen, inklusive snöplogning, 2) deposition av salt och plogsnö i vägens sidoområde, 3) transport och koncentrationsförändring i marken, 4) transport och koncentrationsförändring i grundvattnet. De huvudsakliga indata som modellen bygger på är saltanvändning, meteorologiska data, geologi och generella beskrivningar av olika hydrogeologiska miljöer som kan förekomma längs landets vägar. Flödesbanor i grundvattnet beräknas från topografi eller uppmätta grundvattennivåer med hjälp av ett geografiskt informationssystem (GIS). Den första modellmodulen som omfattar applikation av vägsalt och saltemissioner från vägen testades och jämfördes med mätningar av det avrinnande vattnet från vägytan vid Bergaåsen, ca 10 km norr om Ljungby (Figur 3). Vägsaltsapplikations- och emissionsmodulen (1) testades även tillsammans med depositionsmodulen (2) och markvattenmodulen (3) genom att använda data från olika typer av fältmätningar vid Kista, strax norr om Stockholm (Figur 3). Slutligen demonstrerades modellen med alla fyra moduler längs en vägsträcka längs väg 83 som passerar Stråtjära (Figur 3), där modellen även jämfördes med en riskvariabelmetod som tidigare applicerats på området (Gontier & Olofsson, 2003). Väg- och omgivningsmodell VÄGSALT- APPLIKATION OCH EMISSION SALT DEPOSITION Bakgrundsdeposition MARKVATTEN GRUNDVATTEN Figur 2. De fyra olika modulerna (delarna) som ingår i väg- och omgivningsmodellen som beskriver spridningen av vägsalt från vägen till omgivningen och vidare ner genom marken till grundvattnet. 4

5 N Stråtjära Bergaåsen Kista Figur 3. De olika platserna som studerats genom fältmätningar (Kista och Bergaåsen) och modellsimuleringar (Kista, Bergaåsen och Stråtjära). Modellen utgör en integrerad del av CoupModel, en modellplattform som finns tillgänglig för användning på KTH ( CoupModel är en endimensionell fysikaliskt baserad ekosystemmodell som hanterar dynamiken för och interaktionen mellan mark, växt, snö och atmosfär (Jansson & Moon, 2001; Jansson & Karlberg, 2004). Tonvikten i denna studie har legat på klorids spridning från vägen till omgivningen och efterföljande koncentrationsförändring i mark- och grundvatten. Specifika vinterprocesser som borttransport av snö från vägen genom plogning och efterföljande deponering av plogsnön i vägens sidoområde och frysning/tining av marken har också beaktats i modellen. De olika transportvägarna och delarna som ingår i modellen framgår av Figur 4. Modellen använder information om meteorologiska faktorer och saltgivor varje timme och kan beskriva kloridkoncentrationsförändringar beroende på avståndet från vägen för olika tids- och rumsupplösningar. E Nederbörd E Vägsaltsapplikation Bakgrundsdeposition Ytvattenpool Snö Salt på vägen VÄGEN Ytavrinning Plogning Plogemission Luftemission Saltavrinning ET Ytligt in-, utflöde Ytvattenpool Ytavrinning Mark E Snö Luftburen deposition E VÄGENS OMGIVNING Grundvattenflöde Grundvatten Figur 4. Konceptuell beskrivning av de olika transportvägarna och delarna som ingår i väg- och omgivningsmodellen. Vattenflöden (vita pilar) och kloridflöden (grå pilar) inom och mellan vägen (skuggat område) och den vägnära miljön. E= evaporation (avdunstning), ET= evapotranspiration från vegetation. 5

6 Modellen användes även för distribuerad simulering längs en vägsträcka, vilket möjliggjordes genom att de endimensionella markprofilerna simulerades i en serie där vatten och salt transporterades från en profil till en annan. De beräknade flödesbanorna i grundvattnet bestämmer i vilken ordningsföljd markprofilerna ska simuleras. Kopplingen till GIS gjordes också för att organisera och generera indata från tillgängligt kartmaterial och för att presentera modellresultatet. Kopplingen mellan den fysikaliskt baserade modellen och GIS kan ses i Figur 5. Klimat Vägsalt Kartor Fysikaliskt baserad modell Parametrar Hydrogeologiska miljöer Jordart Vegetation GIS Kloridkoncentrationer i mark och grundvatten Parametrar Ordningsföljd av gridceller Gradient Grundvattnets flödesriktning Grundvattnets flödesackumulation Kartor Figur 5. Schematisk koppling mellan den fysikaliskt baserade modellen och GIS för distribuerad modellering. Fältmätningar Olika typer av fältmätningar genomfördes för att testa modellen och för att beskriva saltspridningen från väg, saltdepositionen i den vägnära miljön och den medförda förändringen av kloridkoncentrationen i marken. Vid Bergaåsen (Figur 3), mättes vattenflöde och elektrisk konduktivitet i det avrinnande vattnet från vägytan längs en 1,5 km lång vägsträcka under perioden januari-maj Vid Kista (Figur 3) testades olika mätmetoder för att beskriva saltets deposition med avstånd från vägen och efterföljande kloridkoncentrationsförändringar i marken under åren (Figur 6). Årsmedeldygnstrafiken (ÅDT) längs den studerade vägsträckan i Bergaåsen är ca 9000 fordon och i Kista ca fordon. Meteorologiska data har erhållits från Vägverkets VViS-stationer, MESAN-data, samt från SMHI. Information om saltning (mängder och tidpunkt) har erhållits från Vägverket Produktion i Ljungby och Täby. Klimatet skiljer sig inte nämnvärt mellan de två platserna. Årsmedelnederbörden är ca 650 mm och årsmedeltemperaturen ca 6 C. 6

7 Figur 6. Konceptuell bild över de olika mätmetoder som användes i Kista för att mäta luftburen deposition och detektera förändringar i kloridkoncentration i marken p.g.a. vägsalt inom ett avstånd av m från vägen och ned till ca 3 m djup under markytan. Saltspridning från vägen Saltet kan spridas från vägen genom avrinning, via luften eller snöplogning. Kunskap om fördelningen mellan dessa olika spridningssätt är av stor vikt för att kunna bedöma var miljöpåverkan uppkommer. I studien av avrinnande vatten från vägytan i Bergaåsen beräknades spridning genom avrinning till % av det salt som nyttjats på vägen (Figur 7). Andelen salttransport via avrinning varierade mellan olika perioder beroende på väderförhållandena. Diskrepansen mellan simulerad och observerad saltmängd i det avrinnande vattnet kan förklaras om det antas att en viss mängd luftburet salt deponerat på de plogvallar som byggts upp på vägytan längs med räcket. Vid snösmältning kommer det salt som lagrats i dessa plogvallar att passera mätsystemet och ingår således i den uppmätta mängden men inte i den simulerade eftersom modellen i detta fall inte tagit hänsyn till någon andel luftburen deposition på plogvallarna. Modellsimuleringarna visade en god överensstämmelse med de uppmätta vattenvolymerna för samma perioder (Figur 7). En markant skillnad i andel avrinnande vatten i förhållande till nederbörden kunde ses mellan perioder med snö (15 januari 12 februari, 28 februari mars) och perioden med i huvudsak regn (26 mars 2 maj), vilket visar på en stark inverkan av plogning. I en separat studie av saltdepositionen vid sidan av vägen i Kista konstaterades att den luftburna spridningen uppgick till % av saltförbrukningen under mätperioden som omfattade större delen av en vintersäsong. Som slutsats kan därför dras att salttransport via avrinning utgör den större delen av saltspridningen från vägen (50-80 % av det salt som nyttjats på vägen), men att även transport via plogning och luftburen spridning uppgår till en väsentlig del (20-50 %). 7

8 100 Observation Simulation 100 Observation Simulation Uppmätt/Simulerad vattenvolym i förhållande till nederbörd (%) Jan - 12 Feb 28 Feb - Mar 26 Mar - 2 May 15 Jan - 2 May Uppmätt/Simulerad saltmängd i förhållande till saltförbrukning (%) Jan - 12 Feb 28 Feb - Mar 26 Mar - 2 May 15 Jan - 2 May Figur 7. Uppmätt och simulerad vattenvolym och kloridmängd jämfört med beräknad nederbördsmängd på vägytan och saltförbrukning på den aktuella vägsträckan. Resultaten presenteras för fyra olika flödesperioder varav den sista omfattar hela mätperioden. Felstaplarna visar osäkerheten i modellsimuleringarna, där hänsyn även har tagits till osäkerheten i observationerna. Deposition i den vägnära miljön Depositionen i vägens sidoområde följde en exponentiell avklingning med avståndet från vägen, i enlighet med en tidigare föreslagen depositionsfunktion (Blomqvist, 2001). Denna exponentiella avklingning kunde dock inte bekräftas närmast vägen (<2 m avstånd från vägen) på grund av stora osäkerheter i den rumsliga fördelningen av snö- och saltdeposition. Det mesta (80-90 %) av saltet som spreds via luften beräknades deponera inom 10 m avstånd från vägen. På 100 m avstånd från vägen var den mätta depositionen nära bakgrundsvärdet, men en viss påverkan från vägsalt kunde inte uteslutas. Förändringar av kloridkoncentrationer i marken Såväl den rumsliga som den säsongsmässiga variationen av kloridkoncentrationen i marken påverkades av vägsalt. Avståndet från vägen visade sig ha stor betydelse för förändringarna av de naturliga kloridhalterna i marken. Även betydelsen av jordart, vegetationstyp och grundvattenförhållanden visades tydligt vid simulering av transport av vägsalt i den vägnära miljön och den medförda ökningen av kloridkoncentrationen i mark och grundvatten. Olika vattenhållande förmåga och transportmöjligheter för salt i den omättade zonen demonstrerades för tre jordarter (lera, morän och sand), baserat på utsökning och statistisk analys av jordar i en svensk databas. De finkorniga jordarna (i huvudsak lera) visade en minskad transport av klorid till grundvattnet och en ökad kvarhållning av klorid och vatten i den omättade zonen, jämfört med de mer grovkorniga jordarna (i huvudsak sand). Moränen visade sig ha den högsta kloridkoncentrationen, räknat som medelvärde på lång sikt, vilket kan påverka vegetationen på dessa jordar. Transportdynamiken var högst i sandjorden, vilket resulterade i stora säsongsmässiga variationer i kloridkoncentrationen i marken. Genom att kombinera modellsimuleringar och olika oberoende fältmätningar kunde de tids- och rumsmässiga variationerna i kloridkoncentrationen i marken nära vägen kvantifieras på ett effektivt sätt. Modellen gav en god överensstämmelse med variationer i elektrisk resistivitet som mättes med två olika metoder (TDR (time domain reflectometry) och resistivitetsmätningar), trots stora skillnader i både tids- och rumsupplösning mellan dessa två mätmetoder. 8

9 Kontinuerliga resistivitetsmätningar Resistivitetsmätningar som upprepades ungefär varje månad visade sig vara en användbar och effektiv metod för att detektera variationer i marken som härrör från infiltration av vägsalt. Detta inkluderade även inverkan av plogsnön som deponerats närmast vägen. Minskningen av resistivitet mellan mars och april 2005 var upp till 70 % närmast vägen (Figur 8), vilket visar på infiltration av vägsalt och smältvatten från plogsnön. Genom att mäta de mer naturliga variationerna av resistivitet i samma område, kunde hänsyn tas till hur stor del av minskningen av resistivitet som berodde på naturliga variationer. Minskningen av resistiviteten under vintern i den övre delen av marken närmast vägen var upp till 35 % högre (på en log-skala) än mer naturliga förändringar. Detta indikerar att minskningen av resistivitet närmast vägen orsakats av icke-naturliga källor, såsom vägsalt. Resistivitetsmätningar med fast installerade elektroder och kablar gjorda med en hög tidsupplösning under vintern, och speciellt under snösmältningsperioder, är således en metod med god potential att detektera infiltrationen av vägsalt och följa dess transport vidare ner genom marken till grundvattnet. (m) 0m 4m 8m 12m 16m 20m April 05 (m) October 05 March 06 Figur 8. Resultat från time-lapse modellering av upprepade resistivitetsmätningar i sandområdet i Kista, presenterat som procentuell förändring av resistiviteten i mars Profilerna visar förhållandena inom 20 m avstånd från vägen och ner till ett djup av ca 3 m under markytan. Applicering av modellen längs en väg Modellens användning för övervakning av miljöpåverkan av vägsalt demonstrerades längs väg 83 som går förbi Stråtjära vattentäkt (Figur 3). Förändringar i kloridkoncentrationen i rotzonen och i grundvattnet under 2004/05 simulerades längs en 10 km lång vägsträcka till ett avstånd av 300 m från vägen. Området delades upp i m rutor som var och en simulerades. Ingen platsspecifik kalibrering av modellen gjordes, istället användes tillgängliga kartor och databaser lagrade i GIS och litteraturvärden för att beskriva de olika hydrogeologiska miljöerna längs 9

10 vägen. Som grund för områdesbeskrivningen låg jordartskartan, vegetationsdata, topografin och den lokala hydrogeologiska kartan. Grundvattnets flödesriktning i den ås som vägen går längs beräknades utifrån interpolerade grundvattennivåer från den hydrogeologiska kartan med hjälp av ArcGIS från ESRI. Den simulerade medelkloridkoncentrationen under 2004/05 i grundvattnet kan ses i Figur 9, som även visar en jämförelse med resultaten från en statistisk riskvariabelmetod som tidigare applicerats längs samma vägsträcka (Gontier & Olofsson, 2003). Inverkan av flödesriktningen kan tydligt ses i den fysikaliskt baserade modellsimuleringen. Trots de stora skillnaderna mellan dessa båda metoder visade de många likheter i resultaten, vilket styrker användbarheten av den fysikaliskt baserade modellen och de generella beskrivningar som använts. Den fysikaliskt baserade modellsimuleringen och indelningen i fyra olika kloridklasser resulterade i att 55 % av de simulerade rutorna uppvisade kloridkoncentrationer under 10 mg/l och 8 % hade koncentrationer över 100 mg/l. Med riskvariabelmetoden uppvisade 45 % av cellerna mycket liten sårbarhet och 4 % hamnade i klassen mycket hög sårbarhet. Avståndet från vägen hade således betydligt starkare inverkan på resultaten med den fysikaliskt baserade modellen än med riskvariabelmetoden. <10 mg L mg L mg L -1 >100 mg L -1 Very small vulnerability Small vulnerability High vulnerability Very high vulnerability Figur 9. Resultat av modellsimuleringar med den fysikaliskt baserade modell som tagits fram i detta projekt som visar årsmedelkloridhalter i grundvattnet (till vänster) och en riskvariabel metod som tidigare applicerats på samma vägsträcka, som visar sårbarheten för grundvattenpåverkan av vägsalt (till höger, modifierad från Gontier & Olofsson, 2003). 10

11 Även om Figur 9 visar medelkoncentrationen under ett års tid är den största styrkan med den fysikaliskt baserade modellen att den tidsmässiga variationen i kloridkoncentrationen ges. Modellen möjliggör också en kvantitativ utvärdering av olika saltstrategier och andra förändringar längs vägen. Detta förutsätter dock att drivdata (saltdata och meteorologiska data) med hög upplösning i både tid och rum finns tillgängliga. Osäkerhetsanalys kan användas för att visa kvantitativt hur fel i indata ger upphov till motsvarande fel i modellens utdata. Generella slutsatser och framtida utblick Modellen kombinerat med tillgängliga kartor, databaser, allmänna beskrivningar och GIS möjliggjorde en effektiv övervakning av miljöpåverkan längs vägar och kan således fungera som ett användbart verktyg för att kvantifiera vägsaltets påverkan på den vägnära miljön och för att testa olika scenarios, så att Vägverket kan leva upp till de krav som ställs av samhället. Framtida övervakning av vägsalt och dess miljöeffekter bör baseras på en kombination av simuleringar och systematisk datainsamling för att minska osäkerheten i bedömningarna av miljöpåverkan av vägsalt. Simulering av kloridkoncentration, vattenhalt och marktemperatur tillsammans med upprepade mätningar av elektrisk resistivitet i mark och grundvatten kan utgöra en kostnadseffektiv kombination för att kvantifiera förändringar i den vägnära miljön. Osäkerhetsanalys är en användbar metod för att beskriva hur olika felkällor (indata, modellparametrar och modellens uppbyggnad) kan påverka modellresultatet. Detta bör inkorporeras som en del i framtida miljöövervakning. Genom att kontinuerligt uppdatera och förbättra modellen när nya data som omfattar andra vägsträckor och andra klimatförhållanden finns tillgängliga kan osäkerheten i modellsimuleringarna successivt minska. Modellen kan köras on-line för att ge en aktuell bild över hur mycket salt som spridits vid en given tidpunkt och vilket miljötillstånd som råder längs en väg. Detta möjliggörs genom att data såsom saltanvändning, väderförhållanden och hydrogeologiska beskrivningar av den vägnära miljön finns lätt tillgängliga och organiserade i databaser och GIS som är direkt kopplade till modellen. En sådan utveckling kräver fortsatt forskning och ett intensivt samarbete mellan olika aktörer och datavärdar i samhället. Referenser Blomqvist, G De-icing salt and the roadside environment: Air-borne exposure, damage to Norway spruce and system monitoring. Doctoral Thesis TRITA-AMI-PHD 1041, Division of Land and Water Resources, Department of Civil and Environmental Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm. Gontier, M. & Olofsson, B., Areell sårbarhetsbedömning för grundvattenpåverkan av vägförorening. TRITA-LWR Report 3011, KTH Mark- och vattenteknik, Stockholm. Jansson, P.-E. & Karlberg, L Coupled Heat and Mass Transfer Model for Soil-Plant- Atmosphere Systems. Royal Institute of Technology, Dept of Land and Water Resources Engineering, Stockholm, 435 pp. (ftp:// Jansson, P.-E. & Moon, D.S A coupled model of water, heat and mass transfer using object orientation to improve flexibility and functionality. Environmental Modelling & Software 16, Naturvårdsverket, Bedömningsgrunder för miljökvalitet Grundvatten. Naturvårdsverket Rapport