Utpumpning av bottenvatten från Bornsjön.

i rj\, BILAGA 2 /V-^. Christer Lännergren/VV 25-11-14/ U ^ C! Stckhlm Vatten, 16 36 Stckhlm christer.lannergren@stckhlmvatten.se Utpumpning av bttenvatten från Brnsjön. Inledning Brnsjöns yta är 66 ha ch medeldjupet 9,8 m. Vlymen är 64,8 Mm 3, tillrinningsmrådets yta 42 km 2 ch den teretiska msättningstiden (med avrinningstal 7,5 l/s/km 2 ) ca 6,5 år. Sjön består av tre mer eller mindre väl åtskilda bassänger. Det största Tabell 1. Prvtag- djupet i den nrdvästra bassängen är 18,3 m ch i den nrdöstra 16, m. tafsäizrnaordi- De två bassän g erna ski U s åt av en tröskel på 11-12 m. Största djup i den narie prvtagnings- södra bassängen, sm står i förbindelse med den nrdöstra, är endast djup är markerade 13,6 m ch någn egentlig tröskel finns inte mellan de två bassängerna. med fetstil. Bassäng NV NO S 5 5 7 7 1 1 12 12 13 14 15 16 17 17,5 18 5 7 1 12 13 14 15 17,5 ch 18 mfrån ch med 31 augusti. Tabell 2. Undersökta parametrar. Temperatur Siktdjup Ledningsförmåga Syre Svavelväte ph Fsfr (ttal, fsfat) Kväve (ammnium, nitrit+nitrat, ttal) Kisel Den nrmala övervakningsprgrammet, med prvtagningar ungefär en gång i månaden, utökades så att prver i NV ch Ö bassängen tgs varje vecka från 1 juni till 27 ktber. Prver tgs ckså på ett större antal djup (Tabell 1). Temperaturen mättes på varje meter med termistr. Prvtagningspunkten i Ö bassängen flyttades någt mt söder till det största djupet i bassängen. Undersökta parametrar framgår av Tabell 2. Pumpen var placerad på 18 m djup i NV bassängen. Utpumpningen påbörjades 11 juni pch pågick till 28 ktber. Vattnet km enligt de kemiska analyserna från 17,5-18 m djup. Den utpumpade vlymen mättes i utlppskanalen vid Vällingen till 4 l/s. Ö bassängen avsågs sm referens. Luftningsapparaten var därför avstängd. NV ch Ö bassängen är åtskilda av en tröskel på 11-12 m, största djup i NV bassängen är 18,3 m ch i Ö bassängen 16, m. Den södra bassängen, med största djup 13,8 m, tar emt huvuddelen av inflödet till Brnsjön. har kntakt med den östra bassängen via ett brett sund utan egentlig tröskel, där det största inflödet kmmer Vlymer ch bttenytr i de två bassängerna framgår av Tabell 3. Djupförhållanden, rvtangningspunkter ch pumpens placering visas i kartan, Figur 1.

-2- Tabell 3. Vlymer ch bttenytr i NV ch Ö bassängen. Nrdvästra bassängen Vlym (m 3 ) Intervall (m) -2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-1 1-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-18,3 4,159 1,97 1,889 1,812 1,742 1,667 1,584 1,484 1,324 1,152 1,27,94,72,47,279,146,62,3 Bttenyta (ha) 13,872 7,985 8,335 7,2 7,76 7,959 8,522 11,6 2,29 14,5 11,1 13,45 26,87 19,64 18,59 7,93 8,913 1,743 Östra Interval! (m) -2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-1 1-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 bassängen Vlym (m 3 ) 3,431 1,664 1,633 1,597 1,558 1,513 1,468 1,42 1,361 1,261 1,34,719,463,265,84 Bttenyta (ha) 7,485 2,716 3,462 3,622 4,217 4,56 4,59 4,869 6,723 13,2 31,59 3,82 19,9 19,3 16,6 O Prvtagningspunkter i nrdöstra ch södra bassängen Pump ch prvtagningspunkt i nrdvästra bassängen Figur 1. Djupkarta över Brnsjön, med prvpunkter ch pumpens placering

-3- Skiktningsförhållanden Saltinnehållet (knduktiviteten) är låg ch ganska jämnt fördelad ch spelar ingen rll för vattents täthet, sm helt bestäms av temperaturen. En svag skiktning förekm redan i maj. Språngskiktet var fullt utvecklat i början av juni ch låg då på ca 6 m djup. Språngskiktet låg i juli-augusti på ca 8 m. Under hösten sjönk språngskiktet gradvis med ungefär 1 m per vecka, särskilt tydligt i Ö bassängen (Fig 2). Den gradvisa sänkningen av språngskiktet under hösten framgår tydligt av täthetsfördelningen (Fig 3). Täthetsskiktningen i bttenvattnet, under språngskiktet, var mindre stark än i ytvattnet, men tydlig ch stabil under hela periden från juni till nvember. F M A M J J A S Figur 2. Temparturen i NV ch Ö bassängen, februari-nvember 24. '3-15- -15- F ' M ' A ' M ' J ' J ' A ' S ' O ' N Figur 3. Densiteten (Sigma-t) i NV bassängen, februari-nvember 24. Tempaturen i bttenvattnet var vanligt låg 24 (Fig 4). Eftersm temperaturen i bttenvattnet bara kan öka genm att varmare vatten från ytan blandas ner till strt djup, innebär den låga temperaturen att skiktningen var stabilare än vanligt,. TT 12 r 1 2 Q. CD 14 m r, O -9 <M cofcé * 8b/ 1 $ i <"> -yr Kl r8 O e 24 ^ _, n 1986-23 12 1 6 4 17m - «s O- & O O CP &^ M Figur46. Temperaturen på 14 ch 17 m djup, april-ktber 1986-23 ch 24.

-4-12 1 8 6 4 2 12 1 8 6 4 2 12 1 8 6 4 5 2 O) Jr 12-1 8 6 4 2 12 1 8 S - 4 2 12 1 8 6 4 2 12 1 8 6 4 2 \ \ 153 N \ N i -,113 i! \^-.13 ^K_ -,92 A» \ v «-,94 V % ^W -,98 \ V ",14 V ",164 s \\ X 22 217 236 236 236 x/ 236 / ryo-- / / ^O-Oö / Q -O ^-c 22 f 9 T r } 1m 12m 13 m 14 m 15m 16m? 17m O---c M J J A S O N M J J A S O N Syrehalter <,5 mg/l Syrehalter >,5 mg/l. Regressinslinje för linjär minskning Figur 7. Syrehalter på 1-17' m djup i NV bassängen ch 1-15 m djup i Ö bassången, maj-nvember 24, samt syreminskningshastigheten (mg/l/d) under periden med linjär minskning (dag 153-22-236). Syre: Syrehalterna i NV bassängen var höga ner till 7 m djup. På 1-13 m djup minskade syreinnehållet nästan linjärt från början av juni till augusti-september med en hastighet av ca 9 p,g/l/d. Hastigheten ökade med djupet ch var,164 mg/l/d på 17 m. Sänkningen av språngskiktet i september gjrde att minskningen avbröts på 1 m djup, där den lägsta halten var 1,2 mg/l (Fig 7). Halter <,5 mg/l förekm på 12 ch 13 m djup i september, på 16 ch 17 m djup i augusti till mitten av ktber. Svavelväte registrerades bara vid ett tillfälle på 17 m djup men uppträdde kntinuerligt på 17,5 ch 18 m djup ifrån slutet av september till slutet av ktber. Liknande förändringar av syreinnehållet skedde i Ö bassängen men någn ökning av syreminskningshastgheten med djupet kunde inte påvisas. Minskningen av syreinnehållet på 14 ch 17 m djup i NV bassängen visade inga tydliga skillnader mt tidigare år, De mycket låga halterna på 14 m djup varade någt längre än vanligt, vilket rsakades av de låga temperaturerna i bttenvattnet sm gjrde att höstmblandningen på de största djupen km senare än nrmalt. (Fig 8). 16 14 m 1995-23 24 17 m J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Figur 8. Syrehalter på 14 ch 17 m djup i NV bassängen, januaridecember 1995-23 ch 24.

-5- Syrehalterna i Ö bassängen var betydligt lägre 24 än tidigare år med luftning, då halter <1 mg/l bara registrerades någn enstaka gång (Fig 9). 12 m» 1995-23 24 14 m ^ 12 _ ^ _ J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Figur 9. Syrehalter på 12 ch 12 m djup i Ö bassängen, januari-december 1995-23 ch 24. Fsfr. Ttalfsfrhalterna i bttenvattnet i NV bassängen började öka i slutet av juli ch nådde de högsta halterna i ktber. Halter >1 ug/1 var med ett undantag begränsade till djup under 14 m (Fig 11 A). Halter >5 jj.g/1 förekm bara på 17-18 m djup. Den högsta halten, 12 jag/l, registrerades på 18 m djup 13 ktber. B i (en btt:nen rån a UD > < 217 b 191 165 139 Qk 113 O 87 O 61 O 35 O J1 Fsfatfsfr, 5 1 15 2 25 9 ^ ^ @ \ i å i ;\i \ \ i i in %\\ \ \ 12 14 ; 16 i \ i ug/i 3 35 4 ^ i ; 18; 3 1 8 6 4 2 F M A M _ 7 m _ 1 m J J A S O N D - 12 m 14 m»13m F M A M J J A S O N D 15m 17 m 18 m 16 m 17,5 m Figur 11. (A) Ttalfsfrhalter på 7-18,5 m djup i NV bassängen, (B) Fsfatprfiler 35-217 cm från sedimentytan på 1, 12, 14, 16 ch 18 m djup, NV bassängen 22 september 24. Gradienten mt bttnen var mycket brant i september-ktber, med vid flera tillfallen mer än en fördubbling av halten från 17 till 18 m djup. 22 september tgs prver på 1, 12, 14, 16 ch 18 m vattendjup med en specialtillverkad prvtagare, sm gjrde det möjligt att få prver från var med 26:e cm med det djupaste prvet 35 cm över sedimentytan. Resultaten, sm fsfatfsfr, visar tydligt gradienten på 18 m djup, ch även att gradient mt sedimentytan saknades på mindre vattendjup - gradienterna från de lika djupen bildar istället en mer eller mindre sammanhängande djupkurva (Figur 11 B).

-6- Den ttala fsfrmängden i NV bassängens vattenmassa minskade från knappt 6 kg i april till ca 3 kg i juni ch ökade därefter till någt över 9 kg i nvember (Fig 12). -18 m 1-18 m 12-18 m 15-18 m 17-18 m Figur 12. Mängden ttalfsfr i NV bassängen april-nvember 24, ttal ch på >1, >12, >15 ch >I7 m. M 44 SS AS _ _ 7/1 _«_ 13/1 _,«_ 2/1 _»_ 27/1 15/11 ^^S^^S^SE^ 5 1 2 4 6 8 1 Ttalfsfr ( jg/l) Figur 13. Ttalfsfrhalter på -18 m djup i NV bassängen i ktber nvember 24. Ökningen av den ttala fsfrmängden fram till början av ktber rsakades huvudsakligen av ökningen i bttenvattnet 1-18 m. Efter mitten av ktber minskade mängden i bttenvattnet. Samtidigt frtsatte mängden i hela vattenmassan att öka, vilket berdde på den gradvisa sänkningen av språngskiktet sm gjrde att bttenvattnets fsfrinnehåll successivt fördes upp i ytvattnet (Fig 13). Fsfrmängden i NV bassängen var ungefär lika str 24 sm tidigare under 2-talet (Fig 14). Förändringen under året visade inte heller någn tydlig skillnad mt tidigare år (Fig 15). 12 1-17 m 12-17 m 2 21 22 23 24 Figur 14. Fsfrmängden i NV bassängen -17 m ch 12-17' m 1986-24, resp 2-24.

-7- NV bassängen 15 1 5 14 m 17 m! <^ ^J^ff S C / \ \ I \ J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Ö bassängen j12m B 1995-23 24 114 m 6 4 + 2 i J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Figur xx. Kncentratiner av ttalfsfr på 14 ch 17 m djup i NV bassängen ch 12 ch 14 m djup i Ö bassängen 1995-23 ch 24. Halterna var betydligt högre i Ö bassängens bttenvatten 24 än tidigare år ch den ttala mängden ökade vid höstmblandningen med ca 8 kg mt tidigare 3-4 kg, huvudsakligen berende på stra mängder under 12 m djup. (Fig xx). 12 1 86 87 89 9 91 92 93 94 95 96 97 99 1 2 3 4-14 m 12-14 m 1 2 3 4 Figur 14. Fsfrmängden i Ö bassängen -14 m ch 12-14 m 1986-24, resp 2-24. Kväve. Det ttala innehållet av kväve i de två bassängerna har varierat mindre än fsfrinnehållet, både mellan ch inm åren. Mängden i bttenvattnet har varit relativt knstant (Fig 16).

15 1 = 5-17 m 12-17 m 15 1 5-14 m 4ggtg^--SgjIft%>-Q^g<g%>- 3^- Fgggg- g^i^yh^ (SS&gb^ggaSEE^HStSggl^^giltSD; gg33ie><his3ai*k>o^38) 86 87 88 89 9 91 92 93 94 95 96 97 98 99 1 2 3 4 1*-"14 HI Figur 16. Kvävemängder på -17 ch 12-17 m djup i NV ch -14 ch 12-14 m djup i Ö bassängen 1986-24. 25 12 =& 2-15 = 1 - = 5- ra i < J J A S O N J J A S O N Figur 17. Kncentratiner av nitrit+nitratkväve ch ammniumkväve på 15-18 m djup, NV bassängen juni-nvember 24. Nitrit+nitratkväve (pg/l) 1 2 3 4 Ammniumkväve, pg/i 1 2 3 4 5 6 Figur 18. Fördelningen av nitrit+nitratkväve ch ammniumkväve 35-217 cm från sedimentytan på 1, 12, 14, 16 ch 18 m djup, NV bassängen 22 september 24. De lösta, rganiska fraktinerna visar däremt stra förändringar med djupet. Innehållet av nitrit+nitratkväve minskar vid låga syrehalter medan ammniumkväve ökar. Bttenvattnet innehöll efter augusti mycket låga nitrit+nitrathalter. Innehållet av ammniumkväve ökade med tid ch djup, ch nådde sm mest strax över 1 ug/1 på 18 m djup i början av ktber (Fig 17). De prver, sm tgs med den specialtillverkade prvtagaren 22 september, visade en slående likhet mellan fördelningen av ammniumkväve ch fsfatfsfr, framförallt i prverna från ca 16-18 m djup (Fig 18). Halterna av nitrit+nitratkväve var genmgående låga med de högsta på ca 11,5-14 m djup. Under ca 16 m var halten <2 ug/1. Utpumpning av kväve. Ttalkvävehalten i det utpumpade vattnet ökade från ca 5 till 15 ug/1 till slutet av ktber (Fig 19). Det ttala kväveinnehållet i det utpumpade vattnet var 45 kg, Ungefär hälften, 22 kg, förekm sm ammniumkväve ch 25 kg sm nitrit+nitratkväve.

-9- Jämförelser mellan NV ch NO bassängen Prverna från NO bassängen var avsedda sm referens för NV bassängen, där utpumpningen gjrdes. Förhållandena i de två bassängerna var dck så lika, huvudsakligen berende på mrflgiska egenskaper, att värdet sm referens var litet. Det största prvtagningsdjupet i NO bassängen var 15 m. När jämförelser görs mellan samma djup, framstår förhållandena i NO bassängen sm betydligt sämre än i NV bassängen. Syreinnehållet minskade snabbare ch låga syrehalter förekm under längre tid (Fig 2), fsfrhalterna på 12-15 m djup var avsevärt högre (Fig 2), liksm ammniumhalterna (Fig 21), vilket trts mindre innehåll av nitrit+nitratkväve resulterade i högre ttalkvävehalter (Fig 21). Syre (mg/l) Fsfatfsfr (jag/1) Ttalfsfr (pg/l) 12 12m 13m 14m 15m J F M A M Figur 2. Syre, fsfatfsfr ch ttalfsfr på 12-15 m djup i NO (blå symbler) ch NV bassängen 24. Ammniumkväve {pg/l} Nitrit+nitratkväve (pg/l) Ttalkväve (Mg/l) 12 m 13 m 14 m 15m A M J J A S O N Figur 21. Ammnium-, nitrit+nitrat- ch ttalkväve på 12-15 m djup i NO (blå symbler) ch NV bassängen 24.

-1- Syre (mg/l) 1 8 6 4 Fsfatfsfr (pg/l) A I X Ttalfsfr (pg/l)?a fl 2 Figur 22.Syre, fsfat- ch ttalfsfr på 15 m djup i NO bassängen (blå symbler) ch på 17 m djup i NV bassängen. Om jämförelsen istället görs mellan 15 m djup i NO ch 17 m djup i NV bassängen, i båda fallen ungefär 1 m över största djup, är förändringen av syrehalterna likartad. Fsfrhalterna är emellertid avsevärt högre i NO bassängen, vilket ckså framgår av sambanden mellan syre ch fsfr i de två bassängerna (Fig 22). De ganska fåtaliga analyserna av fsfr ch kväve i bttenvattnet i NO bassängen innan luftning påbörjades 1986 ger inget stöd för antagandet, sm ibland framförts, att luftningen har medfört ackumulering av lättrörligt fsfr i sedimenten (Fig 23) ch att det skulle vara rsaken till de höga fsfrhalterna i bttenvattnet. 1 = 8 \ O) i NO 14 m 1972-86 NO 14 m NO 15 m k 6 8 u- 2 e 1 8 NV 15 m NV 16 m NV 17 m 6 s-j 4 2 4 6 8 1 m 2 4 6 8 1 2 4 6 1 Syre (mg/i) Syre (mg/l) Syre (mg/l) Figur 23. Sambandet mellan syre (halter >1 mg/l) ch fsfathalter på 14 ch 15 m djup i NO bassängen ch på 15, 16 ch 17 m djup i NV bassängen 24, samt sambandet på 14 m djup i NO bassängen 1972-86, innan luftning påbörjades. Vilett färg: minskande syrehalter, blå färg: ökande syrehalter under ch efter höstmblandningen. Syrehalterna var betydligt lägre 24 än 1987-23 då bttenvattnet luftades (Figur 24). Skillnaderna var stra på samtliga djup under språngskiktet, störst på 14 m där syrehalten var >,5 mg/l från början av augusti till slutet av september - en så låg halt registrerades bara en gång (14/7-95) under de år luftningen pågick. O) «5 4 j 1987-23 2 \ - - 24 J. J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Figur 24. Syrehalter i NO bassängen på 1, 12 ch 14 m djup 1987-23 ch 24.

-11- J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Figur 25. Ttalfsfr- ch ttalkvävehalter i NO bassängen på 1, 12 ch 14 m djup 1987-23 (röda symbler) ch 24. De låga syrehalterna rsakade kraftigt förhöjda fsfrhalter i bttenvattnet, medan kväveinnehållet bara visade en mindre ökning ch endast på 14 m djup (Figur 25). De höga fsfrhalterna i bttenvattnet medförde en kraftig ökning av innehållet i ytvattnet under höstmblandningen, Ökningen började i september, från <2 ug/1, ch var störst i NO bassängen där den högsta halten i ktber var 35 ug/1 mt 29 ug/1 i NV bassängen en vecka senare. Ökningen av ttalfsfrhalten var ungefär lika str - från ca 15 till 45 resp 4 ug/1 (Fig 26). Ytvattnets innehåll av ttalkväve visade jämförelsevis små variatiner, medan ammniumkväve ökade från <1 ug/1 till 25-3 ug/1 i slutet av ktber ch nitrit+nitratkväve från <5 (j.g/1 i slutet av ktber till ca 5 ug/1 i mitten av nvember, det senare trligen pga att växternas aktivitet då i strt sett hade upphört. Upptransprten av fsfr vatten i september-ktber gjrde att fsfr förekm i översktt i ytvattnet ch att växtligheten därför begränsades av tillgången på kväve. Eftersm de stra fsfrmängderna km sent på året, uppstd aldrig någn blmning av blå-gröna alger. J F M A M J J A S O N Figur 26. Kncentratiner av fsfr ch kväve i ytvattnet (medelvärde -7 m), NV, NO ch S bassängen 24.

-12- Syrefrbrukning ch utlösning av fsfr. Syreförbrukningen gick frtare i NV än NO bassängen, men pga av större syreinnehåll vid början av den skiktade periden, var innehållet litet under längre tid i NO bassängen, vilket medförde en större utlösning av fsfr från sedimenten. Figur xx. Bttenytr >12 m djup i NV ch NO bassängen. Syreinnehållet minskade någtsånär linjärt från början av juni till början av augusti. Minskningen under 12 m djup (tröskeldjupet mellan de två bassängerna) uppgick till 18 tn i NV ch 1 tn i NO bassängen. Beräknat per kvadratmeter bttenyta under 12 m mtsvarade detta,28 resp,17 mg/cm 2 /dygn. 3 25 Syre NV bassängen NO bassängen 2 15-1 - 5 7 6 5 4-3 - 2-1 -j Fsfr 25 kg Figur xx. Förändringen av mängden kväve ch fsfr i bttenvattnet under 12 m djup i NV ch NO bassängen, juni-nvember 24. Fsfrinnehållet började öka i slutet av juli ch nådde det högsta värdet i mitten av september i NO ch i början av ktber i NV bassängen, ttalt en ökning med 56 resp 25 kg - mer än dubbelt så mycket i NO sm i NV bassängen. Beräknad per areal bttenyta var skillnaden mellan de två bassängerna ännu större - 11, resp 3,3 mg/m 2 /d. Ökningen var inte linjär utan gick snabbare mt slutet av den skiktade periden, särskilt i NO bassängen.

-13- Hur str bör iitpiimpningen vara? Den främsta målsättningen med utpumpningen var att förhindra uppkmsten av mycket låga syrehalter (<1 mg/l) i NV bassängens bttenvatten ch därigenm minska utlösningen av fsfr från sedimenten. Först i andra hand var målsättningen att minska fsfrinnehållet genm utpumpningen av fsfrrikt vatten. Det första målet uppnåddes inte alls - det finns ingenting i värdena sm tyder på att syresituatinen var bättre 24 än tidigare år. Det andra målet nåddes genm att det första misslyckades - höga fsfrhalter i bttenvattnet gjrde att en ganska str mängd fsfr fördes brt från Brnsjön; 16 kg av en beräknad internbelastning i NV bassängen av 775 kg (utpumpad mängd + ökning med 615 kg). Hur mycket vatten behöver pumpas ut för att hålla syrehalten över ca 1 mg/l i bttenvattnet?