Rapport Tjärnöviken Fredrik Ljunghager Tjärnö Marin Biologiska Laboratorium

Rapport Tjärnöviken Fredrik Ljunghager Tjärnö Marin Biologiska Laboratorium 2006-04-28

Introduktion Bakgrund Tillförsel av näringsämnen till havet är en viktig förutsättning för de marina ekosystemens funktion och nödvändigt för existensen av marint liv. Om tillförseln av näringsämnen blir för hög kan problem uppstå för ekosystemens funktion och för specifika arter; systemet har utsatts för eutrofiering. De i havet viktigaste näringsämnena är kväve och fosfor. Organismerna tar oftast upp dessa näringsämnen i jonform, vilket vill säga kväve som nitrit, nitrat och ammonium, samt fosfor som fosfat. Eutrofierade system kan, om inte ekosystemet är naturligt rikt på näring, förändra ekosystemets sammansättning och skada de i systemet naturligt förekommande arterna. Arter som trivs i eutrofa miljöer är exempelvis fintrådiga, ettåriga snabbväxande alger som då breder ut sig på de ekologiskt viktiga tångbältenas bekostnad. Ålgräsängar, som fungerar som barnkammare för många fiskarter, drabbas också hårt av de fintrådiga algerna. En annan allvarlig effekt av övergödning är blomningar av mikroalger, som i vissa fall kan vara giftiga för både djur och människor (Lann and Oscarsson 2000; SMHI 2002; Boesch, Hecky et al. 2006). En stor del av det tillskott på näringsämnen som tillförs Skagerrak transporteras med strömmar från Nordsjön och Östersjön. Lokalt är det främst vattenavrinning, vattendrag och floder som står för den stora delen av utsläppen av näring till kustvattnet. Detta beror till stora delar på den sedan 70-talet ökade användningen av konstgödsel inom jordbruket. Andra källor till utsläpp är avlopp, atmosfären, skogsbruk och utsöndring från sediment (Boesch, Hecky et al. 2006). Tjärnö marinbiologiska laboratorium står för ett punktutsläpp av näringsämnen genom utsläpp av djupvatten i viken utanför laboratoriet. Detta djupvatten pumpas upp från Kosterrännan från ett djup av 41 meter. Vattnet används i experiment, i laboratorierna och slutligen utnyttjas vattnets temperatur, via en värmeväxlare, för att värma upp stationen vintertid och kyla den sommartid. Vattnet släpps sedan ut i Tjärnöviken. Volymen av det uppumpade djupvattnet uppgår till 1500 l/minut, vilket ger ett årligt utsläpp på 788 000 m 3. Om man beaktar att djupvatten oftast innehåller högre halter av näringsämnen så skulle detta kunna ses som ett bidrag till en eutrofiering av viken vilket i sin tur skulle kunna leda till miljöförstöring. Utsläppet av djupvatten sker huvudsakligen i en punkt placerad under bryggan i anslutning till gula labbet. Utsläppsröret under bryggan har en innerdiameter på 14 cm och är placerad i nivå med vattenytan. Mindre utsläpp sker också från ekotronen under experimentsäsongen. TMBL vill utreda sitt ansvar i problemet med eutrofiering av de marina systemen och jag har fått i uppdrag att göra denna utredning. Utredningen skall stå till grund för vidare åtgärder, såsom om utsläppet skall flyttas eller förändras på något sätt. Områdesbeskrivning: Viken utanför Tjärnö marinbiologiska laboratorium är förhållandevis grund med några djupare områden (figur 2). Utmed Tjärnös och Saltös landområden är det på de flesta ställen ganska grunt, upp till 2 meter djupt. Det största djupet i viken är i bassängen mitt i viken där maxdjupet är runt 13 meter. Utbytet av vattenmassor mellan viken och det öppna havet tros huvudsakligen ske i det djupaste partiet mellan Kosterrännan och viken samt genom kanalen mellan Tjärnöviken och Råssöviken (figur 2). Vattenutbyte sker på andra ställen också, det är dock grunda förbindelser till omgivande havsområden där genomströmningen inte är lika stor som de djupare förbindelserna. Vikens area uppgår till 0,51 km 2 och dess volym är 2.57 * 10 6 m 3 2

(figur 1). Den dominerande bottentypen i viken är mjukbotten av olika slag. Det finns både ålgräsängar och tångbälten i viken. Båda dessa biotoper är känsliga för övergödning eftersom de blir överväxta av fintrådiga alger. Djup (m) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2 -4-6 -8-10 -12-14 Area (%) Figur 1. Hypsografisk kurva, illustrerar fördelning av arean för olika djupintervall för Tjärnöviken. Vikens totala area uppgår till 0,51 km 2. Strömmar Strömmarna längs den svenska kusten, i Skagerrak, är indelade två olika strömsystem. Dels den cykliska ström som bildas då atlantiskt vatten strömmar in i Skagerrak norr om Jylland för att sedan strömma utmed den svenska kusten och därefter fortsätta utefter den norska kusten. Det andra strömsystemet är den baroklina ström som drivs av det lågsalina vattnet i Östersjön. När det lågsalina vattnet från Östersjön blandas med det salta djupvattnet så ger detta upphov till en nordgående ström. Båda dessa strömsystem har huvudsakligen nordöstlig riktning (Gustafsson and Stigebrandt 1996; Rodhe 1996). I vikar som Tjärnöviken kan strömmarna styras av en rad olika faktorer. Vattenrörelserna i systemen utanför viken kan ha stor påverkan på vikens cirkulation; kustnära strömmar kan spridas in i viken vilket generar en horisontell ström. En rad andra faktorer kan också leda till ström in i viken. Dessa olika vattenutbyten delas in baroklint och barotropt drivna strömmar. Tryckskillnader mellan vikens vatten och vattenmassorna i de närliggande havsområdena som är i kontakt med viken leder till en baroklin cirkulation. Skillnaderna mellan densiteten på vattenmassorna beror bl.a. på salt- och temperaturskillnader. Strömmar kan också vara vindgenererade och färdas i vindens riktning vid ytan för att längre ner vara i motsatt riktning. Vattenståndsvariationer kan också vara en viktig faktor för vattenutbytet mellan viken, barotropt driven ström, och omkringliggande hav. Längs den svenska västkusten är det i huvudsak det halvdagliga tidvattnet som bidrar till detta. Vid högvatten strömmar vatten in i viken och vid lågvatten strömmar vatten ut ur viken (Stigebrandt 2001). Vattenstånd Fluktuationer i havsvattennivån styrs främst av lufttryck, vindar och tidvatten. Lufttrycket och vindarna styrs av hur vädret ser ut medan tidvattnet beror av solens och månens dragningskraft. De väderberoende faktorerna skiljer sig från tidvattnet på så sätt att de har en oregelbunden frekvens. Tidvattnets frekvens är däremot väldigt regelbunden och kan räknas ut 3

med stor noggrannhet genom en harmonisk analys. Längs den svenska västkusten har det halvdagliga tidvattnet störst amplitud (Stigebrandt 2001). Från två tidsserier över vattenståndet i Tjärnöviken kan de olika komponenterna som påverkar vattenståndet särskiljas från varandra. Metod Datainsamling Strömdata, vattenståndsdata samt vinddata samlades in till detta projekt. Vinddata och vattenståndsdata från SMHI:s station på Koster samt från Kungsvik användes. Strömdata samlades in genom två separata veckolånga mätningar (figur 2) De två mätningarna utfördes med en ADCP som med dopplerteknik mäter flödeshastighet i x- och y- riktning. ADCP:n placerades på botten och mätte strömmen från botten och upp till ytan med en meters intervall. Vikens djup lodades med ett ekolod och en GPS-plotter för att få en tillförlitlig volym beräkning samt bathygrafin. Figur 2. Karta över Tjärnöviken med de båda mätstationerna utmärkta. Strömmätningen på station 1 utfördes på 12 meters djup och på 2 meters djup vid station Näring Näringsämnen beräknades utifrån insamlade data under perioden 2000-2005 på en, fem respektive 30 meters djup. Värdena togs ifrån Bohus vattenvårdsförbunds hemsida, www.bvvf.se, och är insamlade från Kosterfjorden (station 16). Omsättningstid och flödeshastigheter Omsättningstiden bestämmer man genom att dividera vattenvolymen i viken med inflödet av vatten till viken. Om man har en liten vik med stort flöde så blir omsättningstiden kort och vattnet rinner snabbt igenom viken. Vattenutbytet beräknades på två olika sätt vilka sedan jämfördes med varandra. Dels räknades flödet ut genom de strömmätningar som gjordes under mätperioden. Vidare beräknades flödet utifrån två olika formler, en för det intermediära (baroklina) vattenflödet (1) och en för det tidvatteninducerade (barotropt) vattenflödet (2) (Stigebrandt 2001). ΔM 2 (1) Qi = γ ( gbmh t Av ) ρ 1 (2) Q = 2a tid 0 A T v 4

Flödesmodell En budgetmodell över importen av näringsämnen till viken gjordes där man kan jämföra inflödet av näringsämnen från olika källor. Genom att studera dessa olika källor kan man analysera storleken av de olika näringsflödena jämfört med TMBL:s utsläpp. Modellen gjordes utifrån en period som motsvarar omsättningstiden i Tjärnöviken. Harmonisk analys Harmonisk analys är en matematisk metod att beräkna frekvensen på de tidvattenbildande faktorerna. De enskilda faktorernas frekvenser är mycket regelbundna men de varierar mycket i förhållande till varandra. Frekvenserna varierar från en timme till en månad. Genom att använda en tidsserie över vattenståndet kan man beräkna hur det beror av de tidvattenbildande krafterna. Även amplituden och fasförskjutningen kan beräknas ur vattenståndsserien. Men detta kan inte göras rent teoretiskt, eftersom det beror på topografin i området samt friktionens påverkan på tidvattensvågen och lokal resonans. Den tidvattenbildande kraften delas upp i olika komponenter, vilka har olika perioder. Resultat Strömsystem Under den period systemet studerades (januari 2006) gick ytströmmen från kanalen och genom viken för att strömma ut vid Gåsholmen. Vid botten pendlade strömmen in och ut ur viken vid Gåsholmen (figur 3). Figur 3. Strömmens riktning under mätperioden. Ytströmmens (röd pil) riktning var från viken och ut mot Kosterrännan. Bottenströmmen (blå pil) pendlade mellan att strömma in i och ut ur viken. Mätningarna av strömförhållandena visade att vid station 1 strömmade huvudsakligen vatten ut från viken vid ytan medan strömmarna växlade riktning och strömmade ungefär lika mycket in i som ut ur viken vid botten (figur 4). Vid station 2 var den huvudsakliga strömriktningen in i viken under hela mätperioden (figur 4). 5

Figur 4. Strömrosor som visar riktning på strömmen vid Gåsholmen och Kanalen från 0 till 360 grader. Överst till vänster: ytströmmen, Gåsholmen. Överst till höger: bottenströmmen, Gåsholmen. Nederst till vänster: strömmen, Kanalen. Harmonisk analys I figurerna 5 a och b kan havsvattennivån, tidvattnet samt det av tidvattnet oberoende faktorerna studeras. En betydande del av vattenståndsvariationerna i viken är påverkade av tidvattenbildande krafter och strömsystemets påverkas av detta. Andra faktorer såsom lufttryck påverkar också vattenståndet. Figur 5 a, b. Resultat från harmonisk analys som visar hur mycket av verkliga vattenståndet som är påverkat av tidvatten eller andra faktorer. Figur 5 a visar tidvattnets påverkan vid Gåsholmen och figur 5 b visar påverkan av tidvatten vid Kanalen. 6

Omsättningstid och flödeshastigheter Omsättningstiden, baserad på strömmätningar i Tjärnöviken, beräknades vara 32.4 timmar. Vattenflödeshastigheten beräknades till 22 m 3 per sekund och byggde på de strömhastigheter som uppmättes vid station 1 under en veckas tid. Vattenflödet utifrån formel (1) och (2) blev 22.6 m 3 per sekund. Omsättningstiden utifrån formlerna blev 31.6 timmar. Näring Näringshalterna, N & P, skilde sig inte nämnvärt mellan 1 och 30 meter på medelvärden uträknade utifrån en sexårsperiod (tabell 1). Om en viss mängd vatten släpps ut i viken trängs lika mycket undan och därför dras närsaltsinnehållet i ytan bort från den mängd närsalter som finns i djupvattnet som släpps ut. Värden över endast vår- och sommarperioden presenteras också eftersom det är då effekterna utav förhöjda närsalter slår hårdast mot systemet. Djup (m) TotalFosfor (kg/år) TotalKväve (kg/år) Djupvatten 13,62 176,07 Ytvatten 13,50 199,90 Djupvatten - Ytvatten(Årsmedel) 0,12-23,83 Djupvatten - Ytvatten (Sommar) -1,10-34,28 Tabell 1. Närsaltshalter i yt- respektive djupvattnet. Mängden närsalter baseras på volymen utsläppt vatten ifrån TMBL per år. Om samma volym ytvatten, som det utsläppta djupvattnet, strömmar ut ur viken med sitt innehåll av närsalter fås de justerade värdena i tabellens två sista rader. Atmosfär Total Fosfor 0 kg Total Kväve 1,6 kg Markavrinning Total Fosfor 0,13 kg Total Kväve 3,2 kg TMBL utsläpp Total Fosfor 0,05 kg Total Kväve 0,64 kg Tjärnöviken Omkringliggande hav Total Fosfor 44 Kg Total Kväve 652 Kg Sediment Total Fosfor? kg Total Kväve? kg Figur 6. Den totala tillförseln av kväve och fosfor per omsättningsperiod, 31,6 timmar, från olika källor. Tillförseln är betydligt lägre ifrån TMBL än från alla övriga källor, < 1. Om allt tillskott av näring, kväve och fosfor, till viken betraktas från varje källa ser man tydligt att utsläppet av djupvatten från Tjärnö marinbiologiska laboratorium står för det minsta näringstillskottet. Utsläppet av fosfor är 0,05 kg och kväveutsläppet är 0,64 kg under 31,6 timmar vilket motsvarar en omsättningsperiod (figur 6). Markavrinningen baseras på en 400 hektar stor markyta och är då 0,13 kg fosfor och 3,2 kg kväve per omsättningsperiod. Atmosfärens bidrag av 7

kväve till viken är 1,6 kg. Tillskottet ifrån omkringliggande hav baseras både på egna mätningar av ström samt av matematiskt uträknat vattenflöde. Värdena räknas ut efter ytvattnets näringsinnehåll och tillskottet blir 44 kg fosfor och 652 kg kväve. Sedimentets tillskott av näring till vattenmassan är svår att precisera då det är en näringsfälla under vissa perioder och en källa under andra. Det skiljer sig dessutom beroende på vilken typ av botten det är. TMBL:s utsläpp motsvarar mindre än 1 av det totala tillflödet av närsalter. Diskussion Djupvattnet som släpps ut ifrån TMBL skulle kunna spridas på olika sätt beroende av egenskaperna hos både utsläppsvattnet och vattnet i viken. Vid nedströmning av vatten utanför viken skulle eventuellt det tyngre djupvattnet kunna strömma tillbaka till Kosterrännan utmed botten. Det är dock mest troligt att djupvattnet som släpps ut sprider sig plymlikt i vikens ytvatten. Ytvattnet strömmar ut ur viken med intermediär (barotrop) cirkulation. Den intermediära cirkulationen drivs huvudsakligen av densitetsskillnader i havet utanför viken. Densitetsskillnaderna beror på temperaturförändringar, vindinducerad upp- och nedströmning, samt av att vattenmassor med divergerande salthalter kommer till området från exempelvis Östersjön eller Oslofjorden. Ett betydande flöde av vatten mellan viken och omkringliggande hav sker också av de tidvatteninducerade (baroklina) strömmarna som bildas. De barotropt och baroklint drivna strömmarna verkar oberoende av varandra. Djupvattnets möjlighet att strömma utmed botten tillbaka till Kosterfjorden ökar om utsläppet förläggs till botten av viken istället för att släppas ut vid ytan som nu är fallet. Man bör också se till att utsläppsrörets dimension är så stort att det aldrig blir ett turbulent flöde ut ur röret. Då viken inte är speciellt djup så befinner sig troligen även det vatten som strömmar utmed botten i den fotiska zonen och näringen kan tas upp av biologin även i detta vatten. Men även om man förlägger utsläppet vid botten av viken så har inte det utsläppta vattnet någon möjlighet att rinna tillbaka till Kosterrännan så länge ett barotropt flöde, med inflöde vid botten, sker (figur 7). Figur 7. Vattenutbytet mellan Tjärnöviken och omkringliggande hav. Strömsystemet styrs till stor del av intermediär cirkulation samt av tidvatteninducerade strömmar. Det totala inflödet/utflödet är 22,6 m 3 /s och tidvattenamplituden är 0,3 m. Djupvattenutsläppet från TMBL ger ingen som helst ökad effekt av eutrofieringen på Skagerack. Vattnet pumpas in från Kosterrännan för att sedan släppas ut i samma område vilket inte innebär något som helst tillskott på näring till det stora systemet. Det skulle kunna diskuteras om man tillför näringsämnen till den fotiska zonen genom att lyfta upp dem från botten och släppa ut dem vid ytan. Om djupvattnet blandas med ytvatten skulle det kunna leda till en höjning 8

av näring i ytvattnet (jämför yt- och bottenvatten). Analyser av mätningar visar dock att det inte är några större skillnader på innehållet av näringsämnen i ytvattnet jämfört med bottenvattnet. Eftersom volymen i viken är beroende av vattenståndet i närliggande havsområden måste hela tiden lika mycket vatten som släpps ut i viken också strömma ut därifrån. Om det är så att djupvatten släpps ut från TMBL och ytvatten trängs ut ur viken så måste det totala näringsinnehållet i viken justeras i uträkningarna. Tabell 1 innehåller de resultat man får om djupvattnets näringsvärde tillsätts till viken och ytvattnets näring istället flödar ut ur viken. Resultatet visar att det snarare skulle bli mindre näring i viken vid detta scenario än mer. Under sommaren, då näringsinnehållet i ytvattnet är lägre, skulle man kunna tänka sig skillnaden på näringsinnehållet mellan yt- och djupvattnet skulle vara stort men inte heller då är det någon större skillnad i området (tabell 1). Om det är så att Tjärnöviken är i sämre skick på grund av övergödning så beror nog detta på en rad faktorer och inte enbart, om alls, på utsläppet av djupvatten från TMBL. Då omsättningstiden i viken är snabb så skulle det räcka med något dygns inflöde av djupvatten vid en uppströmmningssituation för att föra med sig lika mycket näring som ett årligt utsläpp från TMBL. Tidigare forskning visar på att ökad primärproduktion skulle kunna vara ett resultat av väderkrafter som resulterar i ett starkt positiv NAO (North Atlantic Oscillation) index, vilket ökar tillgången av näring från djuphaven. En ökning av fintrådiga alger i Tjärnöviken skulle också kunna vara ett resultat av allmänt högre näringsinnehåll i havet. Om man skulle vilja följa det utsläppta vattnets väg skulle man kunna märka vattnet som släpps ut med någon form av indikator, exempelvis färg eller gift, för att sedan spåra detta i viken. Detta görs lämpligen under sommarhalvåret då vattnet är skiktat på grund av temperaturskillnader. Det vore också intressant att jämföra Tjärnövikens och Kosterfjordens kemiska sammansättning och se om och hur de skiljer sig åt. Dessutom vore det önskvärt att studera om det bildas några språngskikt i viken. Referenser Boesch, D., R. Hecky, C. Charles O Melia, D. Schindler and S. Seitzinger (2006). Eutrophication of Swedish Seas. Stockholm, Naturvårdsverket: 52-61. Gustafsson, B. and A. Stigebrandt (1996). "Dynamics of the freshwater-influenced surface layers in the Skagerrak." Journal of Sea Research 35: 39-53. Lann, H. and H. Oscarsson (2000). Hur man minskar näringstillförseln till Skagerrak. Göteborg, Länsstyrelsen i Västra Götalands Län. Rodhe, J. (1996). "On the dynamics of the large-scale circulation of the Skagerrak." Journal of Sea Research 35(1-3): 9-21. SMHI (2002). Swedish national report on eutrophication status in the Kattegatt and the Skagerrak. S. Bertil Håkansson, Oceanographic Laboratory, Nya Varvet 31, Göteborg. Stigebrandt, A. (2001). FjordEnv - A water qualitymodel for fjords and other inshore waters. Göteborg, Institutionen för geovetenskaper. 9