Synoptisk vattenprovtagning i två Intensivtypområden -resultat av vattenanalyser

Transkript

1 Katarina Kyllmar Synoptisk vattenprovtagning i två Intensivtypområden -resultat av vattenanalyser Synoptisk provpunkt V7 i typområde C6 (mars 27). Foto: Katarina Kyllmar Teknisk rapport 134 Uppsala 29 Sveriges Lantbruksuniversitet Institutionen för Mark och miljö Enheten för Biogeofysik och Vattenvård

2 2

3 Sammanfattning Inom miljöövervakningsprogrammet Typområden på jordbruksmark undersöks ett antal små, jordbruksdominerade avrinningsområden för sambandet mellan odling och vattenkvalitet (främst kväve och fosfor) i ytvatten och grundvatten. Vattenföringsmätningar i typområdenas bäckar mäts kontinuerligt och vattenprov har tagits varannan vecka sedan undersökningarna startade (mellan 1988 och 1996). I en regional del av programmet undersöks 15 typområden och i en nationell del, s.k. Intensivtypområden, undersöks åtta typområden mer omfattande med bl.a. årlig odlingsinventering. För att öka kännedomen om olika delavrinningsområdens inverkan på vattenkvaliteten i vattendraget utfördes som ett specialprojekt en s.k. synoptisk vattenprovtagning i två intensivtypområden. Vattenprover togs då i ett flertal provpunkter i vattendragen och under olika flödessituationer. Resultaten visade att för typområde N34 i Halland med lättare jordarter på åkermarken var halterna av kväve högre från delavrinningsområden med stor andel åkermark. För halterna av fosfor som normalt är låga för området var skillnaden liten mellan delavrinningsområdena. I typområde C6 i Uppland med mellanlera som dominerande jordart var det liten skillnad i halter av kväve mellan provpunkterna. Däremot varierade halterna av kväve mellan provtagningstillfällena. Halter av fosfor varierade både mellan provtagningstillfällen och mellan provpunkter. Högst var halterna i de nedre och centrala delarna av avrinningsområdet. Generellt var det också högre halter vid högflöde. Vid dessa tillfällen var andelen partikulärt bunden fosfor stor och halterna av suspenderat material förhöjda. Trots det begränsade antalet provtagningstillfällen (tre i N34 och sex i C6) gav resultaten en god bild av de olika delavrinningsområdenas inverkan på vattenkvaliteten i vattendragen. Vid källfördelningsberäkning med modell är dessa data värdefulla. Fortsättningsvis bör ett urval av de synoptiska provpunkterna provtas varje år i samband med förändringar i flödet, såsom under höst och vid vårflod. Inledning Inom miljöövervakningsprogrammet Typområden på jordbruksmark (Naturvårdsverket, 28) undersöks ett antal små jordbruksdominerade avrinningsområden för sambandet mellan odling och vattenkvalitet i ytvatten i bäck och i grundvatten. Åtta typområden undersöks inom en nationell del av programmet (Intensivtypområden) med SLU som utförare. Resterande typområden (13 st) undersöks regionalt med länsstyrelserna som ansvariga för undersökningarna förutom två typområden som drivs i kommunal regi. I intensivtypområden är undersökningarna mer omfattande med bl.a. årlig odlingsinventering och undersökning av grundvatten. Vattenprovtagning sker varannan vecka i respektive typområdes utloppspunkt. Vattenproverna har tagits manuellt sedan undersökningarna startade och även som flödesproportionella samlingsprov i intensivtypområden sedan 24 (25 i tre områden). De beräknade transporterna av kväve och fosfor i utloppspunkten gäller för hela avrinningsområdet. Förutom åkermark ingår här betesmark, skog och annan mark samt punktkällor som enskilda avloppsanläggningar. Genom att göra en källfördelning kan de olika källorna till växtnäringsförluster från ett område skattas. Ett sätt att försöka särskilja åkermarkens bidrag, som är den största källan för både kväve och fosfor, från övriga källor är att skatta bidraget från de andra källorna. Bidraget från annan markanvändning än åker baseras då på omfattning i areal och uppgift om arealspecifik förlust antingen från litteratur eller från mätning i området om sådan förekommit. För punktkällor skattas bidraget med kännedom om antal avloppsanläggningar av olika typ, antal personer som belastar dem samt uppgifter från litteratur om olika anläggningars reningsförmåga och genomsnittligt utsläpp till vatten av kväve och fosfor per person. Mellan avloppsanläggning och utlopp i bäck antas även retention förekomma. Med denna typ av skattning har nettobidraget från åkermark vid utloppspunkten i bäcken för de åtta intensivtypområdena skattats till mellan 88 och 98 % för kväve och mellan 74 och 95 % för fosfor. Ett annat sätt att utföra källfördelning är att använda modell och då även beräkna förlusterna från åkermarken baserat på generella koefficienter för utlakning av växtnäring från åkermark med en viss 3

4 typ av klimat, jordart och odling. Utlakning från åkermark har beräknats med koefficienter som underlag för nio typområden i Skåne, Halland och Blekinge (Kyllmar, 25). Ett sätt att ytterligare förbättra beräkningarna av källfördelning är att vid samma provtagningstillfälle ta vattenprover på ett flertal platser i vattendraget (s.k synoptisk vattenprovtagning) och också under olika flödessituationer för att öka förståelsen för olika delavrinningsområdens inverkan på vattenkvaliteten i vattendraget. Syftet med detta projekt (uppdrag Naturvårdsverket ) är att undersöka hur halter av främst kväve och fosfor varierar i vattendragen i två intensivtypområden under några provtagningstillfällen vid olika årstider och flödessituationer. Material och metoder Typområden på jordbruksmark Två typområden valdes för de synoptiska studierna, N34 i Halland och C6 i Uppland (Tabell 1). Provpunkter för synoptisk provtagning valdes genom att först studera kartor över områdenas vattendrag och därefter vid fältbesök bestämma läge för provtagning. Kriterier för val av provpunkt var att de skall avvattna delavrinningsområden och inte enskilda fält, vara lätt åtkomliga för provtagningspersonal och att provtagningen i möjligaste mån inte innebär intrång på tomtmark och tramp i växande gröda. För de provpunkter som inte kan nås från väg eller annan allmän plats har markägaren/brukaren kontaktats innan provtagning. Tabell 1. Karakteristik för typområde N34 och C6 Typområde Avrinningsområde Produktionsområde 1 Area (ha) Åkermark (%) Jordart 2 Start 3 N34 Lagan Gss sand, mo 1996 C6 Örsundaån Ss mellanlera Produktionsområden (PO8): Gss: Götalands södra slättbygder; Ss: Svealands slättbygder 2 Dominerande jordart på åkermark Synoptisk vattenprovtagning I typområde N34 togs vattenprover i 14 provpunkter vid tre tillfällen (juni 28 till mars 29). I C6 togs vattenproverna i 9 provpunkter vid sex tillfällen (mars 27 till april 29). Vattenprover togs både vid högflöde under olika årstider och under lågflöde. Vid lågflöde kunde det i några provpunkter vara för lågt flöde eller obefintligt flöde för att provtagning skulle kunna ske. Vattenprover togs först i områdets övre delar och sedan i ordning nedströms. Varje provtagningsomgång avslutades med ett prov i områdets utloppspunkt. Provtagning utfördes med vattenhämtare, d.v.s. en flaska monterad på en stång med teleskopförlängning. Flaskan sköljdes med vatten från provpunkten innan provtagning. Vid provtagning i utlopp från kulvert provtogs vattnet innan det blandats med annat vatten. I öppen bäck utfördes provtagning mitt i bäckfåran strax under vattenytan. Provtagningen utfördes av ordinarie provtagningspersonal i typområde N34 och av SLU i C6. Sammanlagt togs 97 synoptiska vattenprov i de två typområdena. Vattenproverna skickades till laboratorium för analys samma dag eller påföljande dag efter förvaring i kylskåp. Synoptisk vattenprovtagning har förekommit tidigare i de båda områdena. I de fall provpunkterna är desamma som i detta projekt redovisas analysresultaten från tidigare provtagning. 4

5 Vattenanalyser Analyser av ph, konduktivitet, totalkväve, nitrat+nitritkväve, ammoniumkväve, totalfosfor, fosfatfosfor, partikulärt bunden fosfor, suspenderat material och totalt organiskt kol har utförts enligt Handboken för miljöövervakning (Naturvårdsverket, 28) vid ackrediterat laboratorium på SLU (Institutionen för Mark och miljö). Delavrinningsområden Delavrinningsområdenas avgränsning och storlek bestämdes för de olika provpunkterna med underlag i form av topografisk karta (höjdkurvor och öppna vattendrag) och historiska kartor över vattendragens sträckning före eventuell dränering och kulvertering. Avgränsningarna gjordes i GIS varmed höjdkurvor (5 m) konverterades till raster med 1 m upplösning. Vattendragen sänktes i GIS för att en hydrologisk modellering av flödesvägarna skulle kunna göras och därmed indelning i delavrinningsoråden. De totala arealer som beräknades för typområdena med denna metod överensstämmer inte helt med tidigare karterade arealer. Dessa får dock kvarstå tillsvidare. Arbetet utfördes av Faruk Djodjic på Institutionen för Vatten och miljö, SLU. Odlad åker Synoptiska provpunkter Barrskog Delavrinningsområden Lövskog Vattendrag Öppen mark Sankmark Vattenyta DA 24 1 DA 25 DA DA 27 DA 1 8 DA DA 28 DA 29 5 DA 3 6 DA DA 31 9 DA 32 DA 33 DA ,5 1 Kilometer Figur 1. Synoptiska provpunkter och delavrinningsområden i typområde N34. 5

6 Q1 V7 V V8 V3 3 3 V4 V5 6 7 V1 8 V Kilometer Odlad åker Barrskog Hygge Lövskog Öppen mark Sankmark Öppen sankmark Blöt sankmark Vattenyta Vattendrag Synoptiska provpunkter Delavrinningsområden Figur 2. Synoptiska provpunkter och delavrinningsområden i typområde C6. 6

7 Resultat Provpunkter och delavrinningsområden I typområde N34 är större delen av vattendraget kulverterat vilket begränsade möjligheterna att välja de mest önskvärda provtagningsplatserna. Mest kulverterade är de södra och nordvästra delarna av området vilket återspeglas i färre provpunkter där än i områdets nordöstra del (Figur 1). I de kulverterade delarna av avrinningsområdet är också andelen åkermark störst (Tabell 2). Längs med områdets norra huvudfåra av vattendraget är andelen åkermark i delavrinningsområden i de södra tillflödena störst (ca 9 %) och minst i de norra. För hela typområdet beräknades andelen åkermark till 88 %. Det något lägre än tidigare skattning men då skiljer också den totala arealen för området. I typområde C6 är vattendraget öppet främst i de nedre delarna av området. Övriga delar av vattendraget är mestadels kulverterat vilket har begränsat antalet möjliga provpunkter. Störst andel åkermark (ca 7 %) har nedre och centrala delavrinningsområden. Andelen åkermark och total areal stämmer väl med tidigare kartering. Vattenföring före och vid provtagning Provtagningarna i typområde N34 utfördes i mars (år 21, 22 och 29), november (år 2 och 28) och i juni (år 29). Vattenföringen var måttlig vid samtliga provtagningar utom vid den i juni då vattenföringen var låg (Figur 3). Ingen provtagning gjordes vid riktigt höga flöden. I typområde C6 gjordes en provtagning vid mycket låg vattenföring i oktober 23. Provtagning i vårfloden gjordes både år 27 och 29. Vid provtagningen i mars 27 var vattenföringen hög men i avtagande. I samband med vårflöden 29 togs vattenprover vid tre tillfällen. Först i den begynnande snösmältningen när marken fortfarande var tjälad och då ytavrinning från åkermark förekom. Därefter när tjälen i åkermarken hade släppt och flöde genom markprofil och dräneringssystem dominerade. Det tredje provet togs när vattenflödena från skogen ökade. Vid de två första provtagningarna var det fortfarande snö och fruset i skogen. Under år 28 togs vattenprover i maj vid lågflöde och i november vid hög vattenföring. Halter i vattendragen I typområde N34 var halter av totalkväve och nitratkväve högst i provpunkter som avvattnar delavrinningsområden med hög andel åkermark (Figur 4a och 6). De allra högsta halterna i dessa delavrinningsområden förekom vid lågflöde i juni 28. Vid områdets utloppspunkt var däremot halterna i samma nivå, ca 7 mg/l (Tabell 3), vid de tre provtagningstillfällena i perioden I jämförelse med proverna som togs under åren 2-22 i utloppspunkt och från den norra huvudfåran var halterna lägre under de senare åren. Halter av totalfosfor visade liten skillnad mellan provpunkterna (Figur 4a). Förhöjda halter av totalfosfor, och då främst partikulärt fosfor, förekom i några provpunkter i juni 28. Samtidigt var halterna av suspenderat material förhöjda i samma provpunkter (Figur 4b). Alkaliniteten var i samtliga provpunkter högre när flödet var större. I typområde C6 var det för samma provtagningstillfällen liten skillnad i halter av totalkväve och nitratkväve mellan provpunkter längs med huvudfåran (Figur 5a och Tabell 4) om man bortser från den översta provpunkten (V2) som avvattnar ett skogsområde. Höga halter i denna provpunkt vid några tillfällen beror på att det finns en bergtäkt utanför avrinningsområdet varifrån det i perioder pumpas nitratkväverikt vatten (från sprängning med nitroglycerin) till skogsbäcken. I provpunkter från biflöden var halterna i genomsnitt lägst i provpunkt V6 vars delavrinningsområde innehåller endast 35 % åkermark. Vid jämförelse av halter av totalkväve mellan de olika provtagningstillfällena skilde de både i huvudfåra och i biflöden. Lägst var halterna av totalkväve vid högflöde i den begynnande snösmältningen i mars 29 och vid lågflöde i oktober 23. 7

8 Halter av totalfosfor varierade både mellan provpunkter och mellan provtagningstillfällen. Högst var halterna i utloppspunkt och i biflöden i de nedre och centrala delarna av avrinningsområdet. Halterna av totalfosfor var generellt högst vid höga flöden. Andelen partikulärt fosfor var då ofta stor. Vid höga flöden var också halter av suspenderat material högst (Figur 5b). Ett samband mellan höga flöden och hög halt av totalfosfor kan skönjas i figur 7. Provpunkterna V1 och V2 med liten andel åkermark respektive ingen alls avviker från detta mönster. Förhöjda halter av fosfor vid provtagningen i oktober 23 då flödet var mycket lågt kan vara en följd av att dikesrensning nyligen hade gjorts. I den begynnande vårfloden i mars 29 togs förutom de synoptiska proverna även vattenprover i tre extra provpunkter. Ett prov togs från dräneringsröret från ett fält och två prov togs i ytavrinnande vatten från två fält. I vattnet från provtagningen i dräneringsröret (V5_pip) var halterna av både kväve och fosfor högre än i de ordinarie synoptiska provpunkterna. I provpunkt V1_yt där yterosion (i plöjda fåror längs med vattendraget) förekom vid provtagningen var halterna av både totalfosfor och suspenderat material höga. I provpunkt V8_yt var det däremot smältvatten som rann på mestadels tjälad mark. Halterna av fosfor och suspenderat material var i denna provpunkt låga jämfört med de synoptiska provpunkterna i delavrinningsområden med åkermark. Alkalinitet och konduktivitet var högre vid provtagningstillfället i maj 28 då det var lågflöde jämfört med vid provtagningar under vinterhalvåret. Diskussion Resultat från synoptisk vattenprovtagning ger värdefull information om de stora variationer i vattenkvalitet som förekommer i både rum och tid inom ett avrinningsområde. Delavrinningsområden med avvikande vattenkvalitet kan därmed närmare studeras vilket kan ge ökad kunskap om orsaker till växtnäringsförluster till vatten. Även ett relativt litet antal provtagningstillfällen ger en god bild av variationen i vattenkvalitet. För beräkning av förluster som kan relateras till de som beräknas för utloppspunkten kan de däremot vara för få. Dessutom är det inte alls säkert att den arealspecifika avrinningen är densamma i de synoptiska provpunkterna som i utloppspunkten. Möjligen skulle flödet i provpunkterna kunna beräknas med en hydrologisk modell som tar hänsyn till grundvattenflöden. I ett utvecklingsprojekt inom SMED-konsortiet där källfördelningsmodellen FyrisNP skall användas för att beräkna tillförsel av kväve och fosfor från några olika typområdens delavrinningsområden, valdes för studien de typområden där synoptisk vattenprovtagning har förekommit eller är planerade att genomföras. Resultat från synoptiska vattenprovtagningar förbättrar betydligt möjligheterna att kunna testa och därmed förbättra modellen. Fortsättningsvis bör ett urval av de synoptiska provpunkterna i varje typområde provtas varje år när det sker en förändring i flödet, som under hösten och i vårfloden. Det skulle innebära en extra analyskostnad för ca 5 till 1 prov per år. 8

9 Tabell 2. Markanvändning för mark uppströms provpunkter och i delavrinningsområden* Areal (ha) Åkermark (%) Skog (%) Annan mark (%) Typområde Vattendrag Provpunkt Delavrinningsområde Vattensamling (%) N34 Huvudfåra N Q1 1-5, <1 DA22 1-5, 7, <1 DA23 1-5, <1 DA24 1, 2, 4, 5, <1 DA27 4, 5, <1 DA28 5, <1 DA <1 Biflöde N DA DA <1 Huvudfåra S DA3 9, 1, 12, <1 DA31 9, 1, <1 DA <1 Biflöde SO DA <1 DA < < < < < < < < <1 C6 Huvudfåra Q V4 3, 4, V3 4, V1 8, V Biflöde SV V Biflöde SO V Biflöde NO V Biflöde NV V < < *Indelning i delavrinningsområden beräknade genom hydrologisk modellering. Total areal för området skiljer något jämfört med tidigare karterad areal för området. 9

10 3 25 Typområde N34 Provtagning 2 Flöde (l/s) Typområde C6 Provtagning 4 Flöde (l/s) Figur 3. Dygnsmedelflöde (l/s) vid mätstation för vattenföring i utloppspunkt och tidpunkter för synoptisk vattenprovtagning i typområde N34 (överst) och C6 (nederst). 1

11 Typområde N34 P part (mg/l) P PO4 (mg/l) P tot (mg/l) N NH4 (mg/l) N NO3 (mg/l) N tot (mg/l) Huvudfåra N Biflöde NO Huvudfåra S Biflöde SO Figur 4a. Halter av kväve och fosfor (mg/l) vid synoptiska provpunkter i typområde N34. 11

12 Typområde N34 Alk (mg/l) Kond (mg/l) ph (mg/l) TOC (mg/l) Susp (mg/l) Huvudfåra N Biflöde NO Huvudfåra S Biflöde SO Figur 4b. Halter av suspenderat material och TOC (mg/l), ph, konduktivitet (ms/m) och alkalinitet (mmol/l) vid synoptiska provpunkter i typområde N34. 12

13 Typområde C6 8 Huvudfåra Biflöden N tot (mg/l) N NO3 (mg/l) N NH4 (mg/l) P tot (mg/l) P PO4 (mg/l) P part (mg/l) Figur 5a. Halter av kväve och fosfor (mg/l) vid synoptiska provpunkter i typområde C6. 13

14 Typområde C6 Susp (mg/l) Huvudfåra Biflöden TOC (mg/l) ph (mg/l) Kond (mg/l) Alk (mg/l) Figur 5b. Halter av suspenderat material och TOC (mg/l), ph, konduktivitet (ms/m) och alkalinitet (mmol/l) vid synoptiska provpunkter i typområde C6. 14

15 N NO3 (mg(l) Andel åkermark (%) Expon. (28 6 3) Expon. ( ) Expon. () Figur 6. Halt av nitratkväve i synoptiska provpunkter och andel åkermark i mark uppströms respektive provpunkt i typområde N34. P to (mg/l) Flöde (l/s) Q1 V4 V3 V1 V2 V8 V5 V6 V7 Figur 7. Halt av totalfosfor i synoptiska provpunkter och flöde vid station för vattenföringsmätning i typområde C6. V5_pip V1_yt V8_yt Figur 8. Extra provtagningspunkter i typområde C6 vid provtagningen 18 mars

16 Tabell 3. Analysresultat från synoptisk vattenprovtagning i typområde N34 Provpunkt Datum Tid ph Kond Alk Tot_N NO3_N NH4_N Tot_P PO4_Pf Part_P Susp TOC (ms/m) (mmol/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Q : DA : DA : Q : DA : DA : Q : DA : DA : Q : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : Q : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : Q : DA : DA DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA : DA :

17 Tabell 4. Analysresultat från synoptisk vattenprovtagning i typområde C6 Provpunkt Datum Tid ph Kond Alk Tot_N NO3_N NH4_N Tot_P PO4_Pf Part_P Susp TOC (ms/m) (mmol/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Q V V5_pip V V4_uppstr V Q : V : V : V : V : V : V : V : Q V : V : V V : V : V : Q : V : V : V : V : V : V : V : Q V : V1_yt : V : V : V : V5_pip : V : V : V : V8_yt : Q : V : V : V : V : V : V : V : V : Q : V : V : V : V : V : V : V : V :

18 18

19 Referenser Kyllmar, K. 25. Model-based coefficient method for calculation of N leaching from agricultural fields applied to small catchments and the effects of leaching reducing measures. Journal of Hydrology 34, Naturvårdsverket, 28. Handbok för miljöövervakning. Programområde Jordbruksmark. Undersökningstyper för Typområden. 19