Bedömning av kalkpåverkade vatten
Försurningspåverkan och försurningsstatus är olika bedömningar. I det ena fallet beräknas vilken grad av försurning vatten hade haft utan kalkning, i det andra fallet statusen efter genomförd kalkning.
Försurningspåverkan i kalkade vatten bedöms idag efter att effekten från kalkningen räknats bort, det vill säga att man bedömer hur försurningspåverkat vattnet skulle vara om man inte kalkade. Detta hänger samman med hur miljömålet ”Bara Naturlig Försurning” är definierat vilket innebär att kalkningen bör ses som ”konstgjord andning”. Den viktigaste åtgärden mot försurning är att minska utsläppen av försurande ämnen följt av att anpassa skogsbruket till de lokala förutsättningarna. Kalkningen kan leda till höga pH-värden och till en vattenkvalité som passar fisk och andra organismer, men den löser inte försurningsproblemet i grunden. Miljömålet är uppfyllt först när man inte behöver kalka längre.
Sättet att bedöma kalkade vatten ställer dock till problem i vattenförvaltningen där man vill visa att man genom kalkning uppnår kemiska förutsättningar för god status med avseende på biologiska parametrar. Ett försurat vatten där kalkningen lyckats vill man kunna rapportera som god status till EU. Det finns därför ett behov av att kunna klassa försurning i kalkade vatten både med och utan kalkningens effekt. Bedömningsverktyget för kalkpåverkade vatten är därmed utformat så att bedömningen av försurningspåverkan görs utifrån beräknat okalkat tillstånd, medan bedömningen av försurningsstatus görs utifrån den faktiska uppmätta vattenkemin i dagens kalkpåverkade tillstånd. En kalkpåverkad sjö eller vattendrag där en god status har åstadkommits genom kalkningen kan därför samtidigt klassas som försurningspåverkad om man bedömer att vattnets pH i okalkat tillstånd skulle ligga >0.4 pH-enheter under historisk referensnivå.
Försurningsbedömningen görs med verktyget MAGIC-biblioteket. Det är inte lämpligt att ta fram en liknande bibliotekssjö eller ett liknande biblioteksvattendrag direkt utifrån den uppmätta kalkpåverkade kemin eftersom man då jämför den med ett okalkat vatten som naturligt har ett högt pH. Istället jämförs därför ett skattat referenstillstånd för den ”okalkade” kemin med det uppmätta kalkade tillståndet för att få en statusbedömning. För att få försurningspåverkansbedömningen jämförs referenstillståndet med beräknat dagens tillstånd dä
Beräkning av försurningspåverkan
Försurningsbedömningen med MAGIC-biblioteket görs med ∆pH från den ”mest lika” sjön i biblioteket. Med ”mest lika” avses det kortaste viktade euklidiska avståndet för de parametrar som utgör indata till matchningsverktyget och vikterna är framtagna med en multipel linjär regression (Moldan m fl. 2013).
Kalkade vatten bedöms med ∆pH från den matchade sjön utifrån den okalkade kemin, som beräknats med kvoten Ca/Mg från närliggande referenser (Fölster m fl. 2011). Det blir därigenom en bedömning av hur försurat vattnet skulle vara om den inte kalkats. Vill man klassa försurningspåverkan för det nuvarande kalkade tillståndet ska det nuvarande pH-värdet jämföras med ett referensvärde för 1860. Det är då mindre lämpligt att beräkna det ur det okalkade pH-värdet och ∆pH från den matchade sjön. Anledningen är att ∆pH är beroende av halten DOC och var i pH-skalan man befinner sig. Om den matchade sjöns pH och DOC inte är mycket lika, kommer det ge ett stort fel vid beräkningen av referens-pH. Det är då lämpligare att använda ∆ANC från den matchade sjön och beräkna försurningspåverkan enligt följande:
- Beräkna ANCokalk ur uppmätt ANC (ANCanalys) och Ca/Mg från referenser.
- Ta dANC från den matchade sjön.
- Beräkna ANCref = ANCokalk + ∆ANC
- Beräkna pHref ur ANCref med kemisk jämviktsmodell
- Beräkna pHkalk och pHokalk ur uppmätta respektive kalkningskorrigerade ANC-värden
- Beräkna försurningsstatus för kalkat tillstånd: dpHkalk =pHref – pHkalk
- Beräkna försurningspåverkan för okalkat tillstånd: dpHokalk = pHref – pHokalk
Schematisk beskrivning av beräkning av försurningspåverkan av kalkat och okalkat tillstånd med ANC-förändring från matchat vatten i MAGICbibliotek.
Genom att använda det beräknade värdet på pHkalk istället för det uppmätta, undviker man påverkan från kolsyratrycket, mätfel i pH och systematiska fel i den kemiska jämviktsmodellen vid beräkning av ∆pH. Motsvarande beräkningsmetod används redan idag för beräkning av kritisk belastning där ANClimit beräknas som det ANC där pH är 0,4 enheter lägre än ANCref som beräknats ur den matchade sjöns ∆ANC på motsvarande sätt som beskrivs ovan.
Denna modifiering av beräkningsproceduren gäller bara den delen av MAGIC-biblioteket som hanterar bedömning av kalkpåverkade vatten. Det betyder att olika sätt tillämpas för ∆pH-beräkning av kalkpåverkade vatten jämfört med sjöar och vattendrag utan kalkpåverkan.
Beräkning av pH
pH kan beräknas med kemiska jämviktsberäkningar ur ANC och DOC under antagandet av ett visst kolsyratryck. För DOC används en triprotisk modell för de organiska syrorna d.v.s. man antar att det lösta organiska materialet är en syra med tre protoner och en bestämd syradensitet (mekv syra/mg DOC). Syradensiteten och de tre syrakonstanterna har bestämts empiriskt i flera olika sammanhang. Den modell som hittills använts i MAGIC-biblioteket är från (Hruska m fl. 2003). Den modellen har dock en förenklad behandling av aluminium och ger för låga pH-värden långt ner i pH-skalan. En förbättrad modell finns beskriven i Köhler (2014) med något andra värden på syrakonstanter och syradensitet.
Kolsyratrycket (pCO2) i sjöar och vattendrag är oftast högre än det som motsvarar jämvikt med luften. För pH-beräkningarna i försurningsbedömningarna har kolsyratrycket hittills satts till 4 ggr jämvikt med luft, vilket motsvarar medelvärdet i svenska sjöar. En bättre uppskattning av kolsyratrycket i sjöar kan göras ur halten DOC enligt (Sobek m fl. 2003).
MAGIC-biblioteket för kalkpåverkade sjöar och vattendrag använder sig av pH-beräkningen utifrån Köhler (2014) och Sobek m.fl. (2003). Samma procedur kan komma att implementeras vid nästa uppdatering även för okalkade vatten i den ursprungliga delen av biblioteket.
Databehov
För att testa ett kalkpåverkat vatten med MAGIC-biblioteket behöver man utöka de parametrar som använts för vatten utan kalkpåverkan. Den kompletta listan är enligt följande:
Vattenkemiska parametrar; pH, SO4, Cl, NO3, Ca, Mg, Na, K och DOC: årsvärden för ett år efter 1990. NO3-halten kan sättas till noll om den saknas och vattnet ligger i en region där nitratläckaget från skogsbruket är litet.
Vattenkemiska parametrar; Ca/Mg referensvärde alternativt pHokalk och Caokalk
X- och Y-koordinater för sjön/vattendraget i Sveriges rikes nät, RT90, SWEREF99 eller i latitud och longitud.
Avrinningen till sjön/vattendraget i m/år. Denna parameter kan skattas från avrinningskartor.
För sjöar behövs också sjöns area.
Ca/Mg (referensvärde) beräknas i enheterna mekv/l och hämtas i första hand från okalkade referenser uppströms den kalkade stationen. Om detta saknas kan värdet beräknas ur okalkade referenser inom 20 km från den kalkade punkten.
Caokalk beräknas enligt:
Caokalk = Ca -Mg*Ca/Mg(ref), där Ca och Mg är de uppmätta halterna i det kalkade vattnet i enheterna mekv/l.
pHokalk beräknas med kemisk jämviktsmodell.
Mer info och verktyg finns på www.slu.se/Kalkeffektuppföljning (KEU)
Länk till annan webbplats, öppnas i nytt fönster..
Referenser
Cosby, B.J., Hornberger, G.M., Galloway, J.N., Wright, R.F. (1985a) Modeling the effects of acid deposition: Assessment of a lumped parameter model of soil water and streamwater chemistry. Water Resources Research, 21(1): 51-63.
Cosby, B.J., Wright, R.F., Hornberger, G.M., Galloway, J.N. (1985b) Modeling the effects of acid deposition: Estimation of long-term water quality responses in a small forested catchment. Water Resources Research, 21(11): 1591-1601.
Cosby, B.J., Hornberger, G.M., Galloway, J.N., Wright, R.F. (1985c) Time scales of catchment acidification: A quantitative model for estimating freshwater acidification. Environmental Science and Technology, 19: 1144-1149.
Cosby, B.J., Ferrier, R.C., Jenkins, A., Wright, R.F. (2001) Modelling the effects of acid deposition: refinements, adjustments and inclusion of nitrogen dynamics in the MAGIC model. Hydrology and Earth System Sciences, 5(3): 499-517.
Erlandsson, M., Bishop, K., Fölster, J., Guhrén, M., Korsman, T., Kronnäs, V and Moldan, F. (2008) A Comparison of MAGIC and Paleolimnological Predictions of Preindustrial pH for 55 Swedish lakes. Environmental Science and Technology 42:43—48
Henriksen, A.: 1984, ‘Changes in base cation concentrations due to freshwater acidification’, Verh. Internat. Verein. Limnol. 22, 692–698.
Hruska J, Kohler S, Laudon H, et al. Is a universal model of organic acidity possible: Comparison of the acid/base properties of dissolved organic carbon in the boreal and temperate zones Environmental Science and Technology 37 (9): 1726-1730 MAY 1 2003
Jacobson & Mattson. 1998. Snurran — ett excelprogram som beräknar näringsuttag vid skörd av trädrester. SkogForsk Resultat Nr 1, 1998.
Jenkins, A., Larssen, T., Moldan, F., Posch, M., Wright, R.F. (2002) Dynamic modelling of surface waters: impact of emission reduction — possibilities and limitations. ICP Waters Report 70/2002, NIVA, Norway.
Larssen, T., Cosby, J. & Högåsen, T. 2004. Uncertainties in predictions of surface water acidity using the MAGIC model. Water, Air and Soil Pollution: Focus 4:125-137.
Larssen, T., Høgåsen, T., and Wright, R.F. 2005. Target loads for acidification of Norwegian surface waters Fagrapport nr. 121, NIVA, O-25125, Ser. No. 5099-2055. 34p.
Moldan, F., Cosby, B.J., Wright, R.F. 2013. Modeling past and future acidification of Swedish lakes. Ambio, DOI 10.1007/s13280-012-0360-8.
Moldan F, Jutterström S, Stadmark J, Holmgren K och Fölster J. 2022. Bedömningsgrunder försurning - tester av MAGIC-biblioteket. IVL rapport C695, 32 p, ISBN 978-91-7883-406-8 https://www.ivl.se/publikationer/publikationer/bedomningsgrunder-forsurning---tester-av-magic-biblioteket.htmlLänk till annan webbplats.
Moldan, F., Kronnäs, V., Wilander, A, Karltun, E., and Cosby, B.J., 2004 Modelling acidification and recovery of Swedish lakes. Water, Air and Soil Pollution: Focus 4:139-160.
Moldan, F., Kronnäs, V. & Westling, O., 2005. Magicmodellering av försurningspåverkan på sjövatten och markkemi i 80 utvalda sjöar med avrinningsområden i Västra Götalands län. Rapport 2005:43, Länsstyrelsen Västra Götalands län. http://www5.o.lst.se/pdf/rapport200543.pdfLänk till annan webbplats.
Moldan, F., Kronnäs, V. & Westling, O., 2006. MAGIC-modellering av försurningspåverkan på sjövatten i 90 sjöar i Hallands län. Länsstyrelsen Hallands län.
Mylona, S. 1996. Sulphur dioxine emissions in Europe 1880-1991 and their effect on sulphur concentrations and depositions. Tellus 48B:662-689 and Corrigendum, Tellus 49B: 447-448.
Naturvårdsverket 2003. Bara naturlig försurning. Underlagsrapport till fördjupad utvärdering av miljömålsarbetet. Naturvårdsverket Rapport 5317.
Schöpp, W., Posch, M., Mylona, S. & Johansson, M. 2003. Long-term development of acid deposition (1880-2030) in sensitive freshwater regions in Europe. Hydrology and Earth System Sciences, 7(4): 436-446.
Simpson, D., Olendryzynski, K., Semb, A., Stören, E. & Unger, S. 1997 Photochemical oxidant modelling in Europe: Multi-annual modelling and source-receptor relationships. EMEP/MSC-W Report 3/97.
Skjelkvåle, B.L., Mannio, J.,Wilander, A. & Andersen, T. 2001. Recovery from acidification of lakes in Finland, Norway and Sweden 1990-1999. Hydrology and Earth System Sciences 5:327-337.