| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Pesticidtruslen mod grundvandet fra pesticidpunktkilder på oplandsskala

8 Vertikal transport i den umættede zone

• 8.1 Problemstilling
  • 8.1.1 Krav til risikovurderingsværktøj
• 8.2 Strømning og transport af pesticider i den umættede zone
  • 8.2.1 Sandlokaliteter
  • 8.2.2 Lerlokaliteter
• 8.3 Erfaringer fra danske forskningsprojekter
  • 8.3.1 KUPA-projektet
  • 8.3.2 VAP-projektet
  • 8.3.3 BAM-projekter
  • 8.3.4 EU-projekter
• 8.4 Vertikal transport i risikovurderingsværktøj
  • 8.4.1 Analytiske løsninger
  • 8.4.2 Numeriske løsninger
• 8.5 Metamodel af macro
  • 8.5.1 MACRO5.0
  • 8.5.2 Metamodel
• 8.6 Indbygning af metamodel i risikovurderingsværktøj
  • 8.6.1 Inputdata til metamodel
  • 8.6.2 Outputdata fra metamodel
• 8.7 Usikkerhed
• 8.8 Konklusion

8.1 Problemstilling

Risikovurderingsværktøjet skal indeholde mulighed for at beregne den vertikale transport fra en pesticidpunktkilde til grundvandsmagasinet. Denne transport kan foregå over et vidt spænd af geologiske og hydrogeologiske forhold og inkludere transport igennem en varierende tykkelse umættet zone og eventuelle sekundære magasiner adskilt af lerede dæklag. En eksakt beskrivelse af pesticidtransporten fra en punktkilde til grundvandsmagasinet vil stille store krav til såvel risikovurderingsværktøjet og brugerens viden om de enkelte lokaliteter, der ønskes medtaget i risikovurderingen.

Undersøgelse af vertikal transport af pesticider har vist, at pesticidets skæbne i grundvandsmagasinet først og fremmest er styret af processer, som finder sted i den øverste meter af den umættede zone. Den umættede zones indehold af ilt og organisk materiale betyder nemlig, at der her findes det største potentiale for nedbrydning og sorption af pesticider.

Ved valg af løsningsmetode til beregning af den vertikale transport til grundvandsmagasinet er der derfor udelukkende fokuseret på transporten igennem den øvre del af den umættede zone. Risikovurderingsværktøjet beregner således udvaskningen af pesticid igennem den øverste meter, og anvender denne koncentration direkte som input til grundvandsmagasinet.

Den anvendte løsningsmetode tager således ikke hensyn til eventuel nedbrydning/sorption imellem den øverste meter og grundvandsmagasinet, eller den ekstra transporttid, der kan forventes igennem disse jordlag. Den valgte metode udgør således en worse case betragtning for transporten af pesticid fra den øverste meter til grundvandsmagasinet.

8.1.1 Krav til risikovurderingsværktøj

Vertikal strømning og transport igennem den umættede zone er yderst kompleks og domineres ofte af præferentiel strømning igennem makroporer og sprækker. Tilstedeværelsen af præferentielle strømningsveje betyder, at pesticider vil transporteres hurtigere igennem de geologiske lag og dermed have betydelig mindre tid til nedbrydning og sorption.

Til beregning af den vertikale transport anvender risikovurderingsværktøjet, strømnings- og transportmodeller, som indeholder den nyeste viden om udvaskning fra rodzonen. Endvidere skal den valgte løsning inkludere præferentiel strømning og transport i makroporer og sprækker.

Den valgte løsning skal være tilstrækkelig nuanceret og robust til at kunne skelne mellem forskellige punktkilder. Vælges en simpel konservativ løsning, er der således risiko for, at der ikke kan foretages en prioritering imellem de forskellige punktkilder, idet de alle vil have samme risiko for udvaskning. Vælges derimod en kompleks løsning, er der ofte store krav til inputdata samt til brugerens viden om umættet strømning og transport.

Den valgte løsning skal derfor være i stand til at beregne en realistisk udvaskning fra den umættede zone, men samtidig kunne tilgodese brugervenlighed og den ofte begrænsede viden om de enkelte lokaliteter. Endelig er der krav om, at brugeren skal kunne udføre risikovurdering for et opland på én dag.

I nærværende afsnit beskrives den valgte løsning til beregning af den vertikale transport i risikovurderingsværktøjet. Endvidere er der som begrundelse for valg af metode udført en kort gennemgang af de styrende processer for vertikal transport af pesticider samt erfaringer fra danske forskningsprojekter.

8.2 Strømning og transport af pesticider i den umættede zone

Udvaskningen af pesticid fra den umættede zone er først og fremmest styret af, hvor længe pesticidet opholder sig i den umættede zone samt dets sorptions- og nedbrydningsegenskaber.

Opholdstiden i den umættede zone er bestemt af infiltrationsmængden, dybden til grundvandsspejlet samt de hydrauliske egenskaber for jorden. De hydrauliske egenskaber for umættede porøse medier afhænger af jordens umættede hydrauliske ledningsevne samt dets retentionsegenskaber, dvs. dets evne til at tilbageholde vand. Indeholder jorden endvidere præferentielle strømningsveje som sprækker og makroporer, vil disse have stor betydning for jordens hydrauliske egenskaber samt den transport, der foregår igennem jorden.

Præferentielle strømningsveje findes først og fremmest i hårde aflejringer som ler, kalk og krystalline bjergarter. I sandede porøse medier kan der også forekomme præferentiel strømning i form af fingerstrømning, men denne type præferentiel strømning vil dog ikke blive behandlet nærmere i nærværende projekt. For pesticider, der sorberer kraftigt, kan der endvidere forekomme en accelereret præferentiel transport via kolloider. Denne transportproces er ikke medtaget i nærværende projekt.

Indflydelsen af præferentiel strømning betyder, at de styrende parametre for strømning og transport i den umættede zone er meget forskellig for sandede og lerede lokaliteter. I risikovurderingsværktøjet er det derfor væsentligt at vælge en løsningsmetode, som tager hensyn til begge typer af lokaliteter.

8.2.1 Sandlokaliteter

Strømning i umættede porøse medier beskrives ved Richards ligning. Ligningen anvender to funktionelle relationer, som beskriver henholdsvis den hydrauliske ledningsevne og jordens retentionsegenskaber, begge som funktion af vandindholdet. Der findes forskellige beskrivelser af de to relationer, idet den hyppigst anvendte er udviklet af van Genuchten. De to relationer bestemmes typisk ved forsøg og beskrives efterfølgende ved den mættede hydrauliske ledningsevne og de såkaldte van Genuchten parametre. Transport igennem umættede porøse medier beskrives ved advektions- og dispersionsligningen. For nærmere beskrivelse af de anvendte ligninger henvises til relevant litteratur, f.eks. (Kjærgaard, 2000).

Richards ligning er ulineær. For simple randbetingelser, som fx konstant vandindhold, konstant infiltration og konstant stoftilførsel, kan Richards ligning løses analytisk, og strømning og transport i den umættede zone beskrives. I andre tilfælde anvendes i stedet en numerisk model til beregning af strømning og transport.

8.2.2 Lerlokaliteter

Strømning og transport på lerede lokaliteter er som nævnt ofte domineret af sprækker og makroporer, som danner præferentielle strømnings- og transportveje.

De styrende processer for umættet præferentiel strømning og transport kan ikke beskrives eksakt, hvorfor der i stedet anvendes forskellige tilnærmede modeller med varierende kompleksibilitet. Generelt kan modellerne inddeles i henholdsvis kontinuummodeller, sprækkenetværksmodeller og hybridmodeller, idet sidstnævnte er en kombination af kontinuum- og sprækkenetværksmodeller.

Kontinuum- og sprækkenetværksmodeller er de hyppigst anvendte modeller. Kontinuum modeller opdeles overordnet i tre forskellige typer, se figur 8.1:

• Effektiv kontinuummodel
• Dobbelt-porøs kontinuummodel (også kendt som mobil-immobil model)
• Dobbelt-permeable kontinuummodel

Figur 8.1: Modeller til beskrivelse af præferentiel strømning og transport.

Ved en effektiv kontinuum beskrivelse tages der ikke direkte hensyn til præferentiel strømning. I stedet anvendes effektive parametre til at beskrive henholdsvis strømning og transport igennem mediet.

Dobbelt kontinuummodeller opdeles i henholdsvis dobbelt-porøse og dobbelt-permeable modeller. For begge modeller opdeles mediet i et sprække/makropore-domæne, hvor der foregår hurtig strømning og transport og et matrix/mikropore-domæne. For den dobbelt-porøse model antages der ikke at foregå strømning i matrix, men der kan foregå udveksling af stof mellem de to domæner ved diffusion. For den dobbelt-permeable model medtages strømning i matrix, idet der samtidig tillades udveksling af stof imellem de to domæner.

I en sprækkenetværksmodel inkorporeres sprækker direkte i det porøse medie.

Hvilken løsningsmetode, der er mest optimal, afhænger af det system, der ønskes simuleret, og den viden, som foreligger. Nogle af de væsentligste faktorer, der skal tages med i overvejelserne, er skala, mængde inputdata til rådighed, sprækkekarakteristika og matrixkarakteristika. Endvidere er det væsentligt at tage hensyn til selve formålet med modelleringen.

For nærmere beskrivelse af de anvendte modeller henvises til relevant litteratur om emnet, f.eks. (National research Council Committee on Fracture Characterization and Fluid flow, 1996).

8.3 Erfaringer fra danske forskningsprojekter

Der er over de seneste år udført adskillige forskningsprojekter, heraf flere danske, om pesticiders skæbne igennem den umættede zone. Disse forskningsprojekter har bidraget til en væsentlig bedre forståelse af de styrende processer for udvaskning af pesticider samt udvikling af bedre værktøjer til at beskrive disse processer.

I nærværende projekt er resultater fra udvalgte forskningsprojekter indsamlet med det formål at anvende deres erfaringer til at vurdere den bedste løsningsmetode til beskrivelse af den vertikale transport (bemærk at de udvalgte projekter ikke udgør en komplet liste over pesticidprojekter i den umættede zone). Der er ved gennemgangen fokuseret på erfaringer fra danske lokaliteter udført under danske forhold (geologi, klima og anvendte pesticider). For en fyldestgørende beskrivelse af de enkelte projekter henvises til den relevante litteratur.

8.3.1 KUPA-projektet

KUPA-projektet (Koncept for udpegning af pesticidfølsomme arealer) udføres af Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse (GEUS) og Danmarks Jordbrugsforskning (DJF) (Nygaard, 2004).

Det overordnede formål med KUPA-projektet er at undersøge muligheden for at udføre en zonering af landskabet til udpegning af områder med øget risiko for udvaskning af pesticider til grundvandet. Projektet er inddelt i en sand- og lerdel, idet det kun er resultaterne fra sanddelen, der p.t. er endelig afrapporteret og dermed medtaget i nærværende projekt.

Til simulering af pesticidtransporten gennem den umættede zone er anvendt en dobbelt-permeable kontinuummodel benævnt MACRO4.3. Der er udført i alt 1800 modelsimuleringer, hvor væsentlige inputparametre er varieret med det formål at bestemme, hvilke parametre, der har størst betydning for udvaskningen. De anvendte modelsetups er ikke kalibreret, idet der ikke fandtes faktiske udvaskningsobservationer at kalibrere imod.

Simuleringerne viser en sammenhæng mellem simuleret udvaskning af pesticider fra sandlokaliteter og en række almindelige jordegenskaber. Identifikationen af særligt pesticidfølsomme arealer er styret af, hvor længe pesticiderne opholder sig i den øverste 1 meter af jorden, hvilket bestemmes af jordens hydrauliske egenskaber og dens evne til at binde pesticider. De væsentligste parametre er indholdet af humus og fine fraktioner i form af ler og silt i den øverste meter. Særlige følsomme arealer har således lavt indhold af humus og samtidig et lavt indhold af ler- og siltfraktioner.

8.3.2 VAP-projektet

VAP-projektet (Varslingssystem for udvaskning af pesticider) udføres af Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse (GEUS), Danmarks JordbrugsForskning (DJF) og Danmarks Miljøundersøgelser (DMI) (Kjær, 2005).

Formålet med projektet er at vurdere risikoen for påvirkning af grundvandet ved regelret anvendelse af godkendte pesticider under realistiske danske forhold. Der er i projektet udført forsøg med udvaskning af 29 udvalgte pesticider på 5 forskellige marker. Markerne er udvalgt således, at de repræsenterer forskellige typer af geologi (2 sandlokaliteter og 3 lerlokaliteter) og forskellig klima. Udvaskningen af de påførte pesticider moniteres løbende på de forskellige marker.

Udvaskningen fra hver enkelt mark er simuleret med den numeriske model MACRO5.0. For hver mark er modellen kalibreret vha. udvaskningsdata fra en tilført bromid tracer. Efterfølgende er pesticidudvaskningen simuleret og sammenlignet med de observerede koncentrationer.

8.3.3 BAM-projekter

Der er udført to forskningsprojekter med særlig fokus på BAM forurening, benævnt henholdsvis “Pesticider og vandværker. Udredningsprojekt om BAM forurening” (Elkjær et al., 2005) og “BAM’s skæbne i grundvand” (Ludvigsen et al., 2005).

I projektet “BAM’s skæbne i grundvand” er der udført simulering af udvaskningen fra henholdsvis en sand- og en lerlokalitet. Simuleringen på sandlokaliteten er udført med den dobbelt-permeable model MACRO5.0 og simuleringen på lerlokaliteten er udført med en kombination af MACRO5.0 og sprækkenetværksmodellen FRAC3DVS. På lerlokaliteten er MACRO5.0 anvendt til simulering af udvaskning igennem 3 m umættet, sprækket ler, hvorefter FRAC3DVS er anvendt til simulering igennem henholdsvis mættet, sprækket ler og sandmagasin. Modellerne er kalibreret vha. bromiddata fra VAP-markerne (jf. afsnit 8.3.2), idet der er anvendt hydrauliske og klimatiske data fra forskellige lokaliteter.

8.3.4 EU-projekter

Der er udført flere EU-projekter om pesticidudvaskning, hvoraf flere har inkluderet danske lokaliteter.

FOCUS Groundwater Scenarios Workgroup udarbejdede 9 europæiske scenarier til vurdering af udvaskning af pesticider (Focus, 2000)). Scenarierne blev udviklet i følgende modeller PELMO, PEARL, PRZM og MACRO4.3. Formålet med FOCUS var at udvikle nogle færdigkalibrerede scenarier, som kunne anvendes som standardscenarier ved vurdering af udvaskning af pesticider. Udvaskningen til grundvandet er bestemt ved koncentrationen i 1 m’s dybde, idet den anvendte koncentration er bestemt ved 80% fraktilen af den gennemsnitlige udvaskning over en 20-års klimaperiode. Under FOCUS blev der endvidere udviklet to danske scenarier for henholdsvis en sandlokalitet (Karup) og en lerlokalitet (Langvad). Disse to scenarier, opstillet i modellen MACRO ver. 4.3, anvendes af Miljøstyrelsen til vurdering af udvaskning på danske lokaliteter.

I EU-projektet PEGASE “Pesticides in European Groundwater: Detailed study of representative aquifers and simulation of possible evolution scenarios” blev 8 europæiske scenarier, heraf en dansk lerlokalitet (Havdrup) undersøgt (Mouvet et al., 2004). Udvaskningen af pesticider blev her simuleret ved at linke MACRO5.0 og FRAC3DVS på samme vis som i BAM-projektet (jf. afsnit 8.3.3).

FOOTPRINT ”Funtional tool for pesticide risk assessment and management” er et nyt EU-projekt, der har til formål at udarbejde et risikovurderingsværktøj for pesticidudvaskning (FOOTPRINT, 2006b). Til beskrivelse af den umættede vertikale transport anvendes MACRO5.0. Med MACRO planlægges udført 1,5 mill. simuleringer med forskellige input for pesticider, geologi og klima med det formål at udvikle en såkaldt emulator eller metamodel. Metamodellen baseres på en statistisk beskrivelse af de 1,5 mill. udførte simuleringer og kan anvendes til at vurdere udvaskningen fra en given lokalitet på få sekunder uden at køre MACRO modellen.

8.4 Vertikal transport i risikovurderingsværktøj

Risikovurderingsværktøjet skal give brugeren mulighed for at beregne den vertikale transport igennem den umættede zone, men samtidig tilgodese krav om brugervenlighed og hurtig simuleringstid. Beregningerne skal kunne udføres med et fåtal af inputparametre, idet der må forventes at foreligge begrænset viden om de enkelte lokaliteter. Vi har derfor valgt at anvende en metamodel baseret på simuleringer med MACRO5.0 – en numerisk model. I de følgende afsnit er de forskellige løsningsmuligheder sammenfattet.

8.4.1 Analytiske løsninger

For sandede lokaliteter kan simple analytiske løsninger for strømning og transport anvendes under antagelses af konstant vandindhold og kontinuert stoftilførsel. Udvaskningen fra lerede lokaliteter kan ligeledes beskrives ved en analytisk løsning under antagelse af, at strømning og transport kan beskrives ved en dobbelt-porøs model, jf. afsnit 8.2.2. Ulempen ved den analytiske løsning er imidlertid, at den kræver kendskab til to parametre, som angiver henholdsvis andelen af sprækker/makroporer og udvekslingen af pesticid imellem sprækker og matrix. Disse parametre kan ikke umiddelbart måles, men bestemmes oftest ved kalibrering af modellen i forhold til målte udvaskningsdata. For en given lokalitet, hvor der ikke er udført forsøg, vil disse parametre således være ubekendte, hvilket vanskeliggør anvendelsen af den analytiske løsning i risikovurderingsværktøjet.

8.4.2 Numeriske løsninger

Hovedparten af de danske forskningsprojekter beskrevet ovenfor har anvendt en numerisk model til beskrivelse af strømning og transport igennem den umættede zone. En ofte anvendt model er den dobbelt-permeable model MACRO, der er udviklet af det Svenske Landbrugsuniversitet (Larsbo og Jarvis, 2003). Modellen simulerer 1D-strømning af vand og transport af pesticider igennem den umættede zone ved opdeling af mediet i henholdsvis et makropore- og et mikropore-domæne, jf. afsnit 8.2.2.

En væsentlig fordel ved at anvende en model som MACRO i risikovurderingsværktøjet er, at modellen kan anvendes til at simulere udvaskning fra såvel sand- og lerlokaliteter. Dette er muligt, eftersom modellen er dobbelt-permeabel og således tager hensyn til strømning og transport i såvel makroporedomænet og i mikropore-domænet (matrix). Ønskes simulering af udvaskning fra sandede lokaliteter uden makroporestrømning, beskrives strømning og transport således udelukkende i mikropore-domænet.

Ulempen ved at anvende MACRO i risikovurderingsværktøjet er, at modellen er relativt omfattende og udviklet til simulering af udvaskning fra landbrugsmarker med afgrøder. Modellen kræver en betydelig mængde inputdata og skal endvidere ofte kalibreres i forhold til faktiske udvaskningsdata for at kunne simulere en realistisk pesticidudvaskning. Endelig har MACRO den væsentlige ulempe, at simuleringstiden er >5 timer.

MACRO kan dog med fordel anvendes i risikovurderingsværktøjet i en mere simpel udgave.

En mulig løsning er at anvende de allerede kalibrerede scenarier for henholdsvis en sand- og en lerlokalitet i Danmark, udviklet under FOCUS projektet, jf. afsnit 8.3.4. Ulempen er imidlertid, at denne løsning forudsætter, at de to scenarier er repræsentative for samtlige sand- og lerlokaliteter, samt at simuleringstiden stadig er >5 timer pr. kørsel.

Endvidere kan der anvendes en mere simpel version af MACRO modellen, benævnt MACRO-GV (Stenemo, Jarvis og Jonsson, 2005). MACRO-GV er baseret på følgende antagelser i forhold til MACRO:

• Simulerer kun udvaskning fra den øverste 1 m
• Fast inddeling af den øverste meter i 3 horisonter
• Anvender pedotransfer funktioner til vurdering af hydrauliske egenskaber baseret på ler- og sandfraktionen i de 3 horisonter.
• Anvender fast parametrisering af makroporeparametre.

MACRO-GV er med ovenstående antagelser et realistisk bud på løsning af den vertikale transport i risikovurderingsværktøjet, eftersom modellen kan beregne en realistisk koncentration, og samtidig er betydelig mere brugervenlig og kræver færre inputdata. Den væsentligste ulempe ved modellen er dog, at simuleringstiden stadig er relativ høj (>20 minutter).

Der er endvidere udarbejdet en såkaldt metamodel af MACRO (Stenemo et al., 2006). En metamodel er en forsimplet model med færre inputdata, som erstatter den mere komplicerede modermodel (i dette tilfælde MACRO5.0). Metamodellen er opbygget ud fra 23.760 simuleringer med MACRO5.0, som er udført med en kombination af faste og frie inputparametre. Metamodellen er baseret på resultaterne af alle disse simuleringer beskrevet ved en kompleks ikke-lineær matematisk funktion baseret på kunstige neurale netværk. Metamodellen bygger på mange af de samme antagelser som MACRO-GV, idet den endvidere forudsætter, at klimainput kan beskrives ved klimadata for Sydsverige.

Metamodellen har den fordel i forhold til MACRO, at den beregner udvaskningen nærmest momentant, kræver betydelig færre inputparametre og er yderst brugervenlig. Endelig er metamodellen let at inkorporere i et større simuleringsværktøj som risikovurderingsværktøjet. Anvendelse af en metamodel af MACRO svarer til den løsningsmetode, som planlægges implementeret i EU-projektet FOOTPRINT, jf. afsnit 8.3.4. I FOOTPRINT planlægges metamodellen dog opbygget ud fra 1,5 mill. simuleringer med MACRO.

Metamodellen opfylder hovedparten af de krav, som stilles til løsning af den vertikale transport i risikovurderingsværktøjet. Den kræver et fåtal af inputparametre, er brugervenlig og kræver intet kendskab til numerisk modellering af strømning og transport i den umættede zone. Endelig kan modellen beregne udvaskning af pesticider på få sekunder. Metamodellen er derfor anvendt som løsning af den vertikale transport i risikovurderingsværktøjet.

Metamodellen og MACRO beskrives nærmere i næste afsnit.

8.5 Metamodel af macro

Den valgte metamodel til risikovurderingsværktøjet er baseret på simuleringer med MACRO5.0 og bygger derfor på de samme processer, som anvendt i MACRO5.0.

8.5.1 MACRO5.0

MACRO er en 1D-model, der simulerer strømning af vand og transport af pesticider igennem den umættede zone. Mediet er opdelt i to domæner, en makroporedel og en mikroporedel (se figur 8.2), som beskrives med hver deres vandindhold, trykgradient, hydraulisk ledningsevne og stofkoncentration.

Vandstrømning i mikropore-domænet beskrives ved Richards ligning og vandstrømning i makropore domænet beskrives ved en modificeret kinematisk bølge. Retentionsegenskaberne er beskrevet ved van Genuchtens ligning. Transport af pesticider beskrives i mikropore-domænet ved advektions-dispersionsligningen og i makropore-domænet ved advektionsligningen, idet der ikke tages hensyn til dispersion. Sorption beskrives ved Freundlich isoterm og nedbrydning ved 1. ordens kinetik. Udveksling af vand mellem makro- og mikroporer beskrives ved et 1. ordens udtryk og stoftransport imellem de to domæner ved en effektiv diffusionslængde.

Input til modellen består af daglige klimadata for 26 år, idet de første 6 års klimadata udelukkende anvendes til indkøring af modellen for at bestemme det initielle vandindhold. Output fra modellen er udvaskningen af pesticid for den anvendte 20 års klimaperiode.

Figur 8.2: Opbygning af MACRO modellen (Larsbo og Jarvis, 2003).

MACRO har været anvendt ved simulering af pesticidudvaskning i mange projekter og dens resultater dokumenteret i forhold til faktiske udvaskningsdata. For nærmere beskrivelse af MACRO5.0 henvises til (Larsbo og Jarvis, 2003).

8.5.2 Metamodel

Metamodellen er baseret på 23.760 simuleringer med MACRO5.0. Simuleringerne er udført ved at fastholde en del af inputparametrene og variere de resterende parametre inden for relevante intervaller.

Faste inputparametre

Følgende parametre er fastholdt for hver enkelt simulering og er dermed også faste input i metamodellen (Stenemo et al., 2006):

De væsentligste faste inputparametre med betydning for simulering med metamodellen er klimadata, afgrødedata, koncentration og dosering.

MACRO-simuleringerne og dermed også metamodellen er baseret på sydsvenske klimadata fra Barkåkra. Klimafilen indeholder værdier for daglig nedbør samt parametre til beregning af potentiel fordampning for en 26-års periode, idet de første 6 års klima anvendes til at bestemme startbetingelsen for vandindholdet. For klimaperioden er den gennemsnitlige nedbør 632 mm og den gennemsnitlige temperatur 7,1ºC.

Til sammenligning er klimanormaler for Danmark gengivet i tabel 8.1, idet der er angivet gennemsnitlige værdier for hele landet samt for 8 regioner. Heraf ses, at den gennemsnitlige nedbør i den anvendte sydsvenske klimafil er ca. 10% under landsgennemsnittet for Danmark, men dog inden for det spænd, der måles i Danmark. De sydsvenske klimadata vurderes derfor, i forhold til de øvrige usikkerheder forbundet med beregningen, at repræsentere danske klimaforhold. Metamodellen vurderes derfor at kunne anvendes til simulering af udvaskningen på danske jorde.

Tabel 8.1: Klimadata for 1961-1990 (DMI, 2006).

Simuleringerne er udført med en fast forårsafgrøde. Denne afgrøde vurderes ikke at have nogen stor betydning for den simulerede udvaskning (Stenemo et al., 2006). Den beregnede udvaskning vurderes derfor også at være repræsentativ for udvaskning på jorde uden afgrøde eller jorde med en anden type afgrøde.

Simuleringerne er udført med en fast inputkoncentration på 1 kg/ha doseret én gang årligt. Eftersom modellen er en-dimensional og anvender lineær sorption og nedbrydning, kan den simulerede udvaskning imidlertid skaleres lineært i forhold til den faktiske inputkoncentration.

Modellen forudsætter dosering af pesticid én gang om året for hvert af de 20 år i klimaserien. Dette betyder, at bruger, såfremt der sker spild af pesticid med et andet interval, må vurdere den samlede årlige mængde. Modellen kan ikke direkte simulere enkeltforekommende spild, som ikke gentages hvert år. Denne begrænsning har imidlertid kun betydning for det fåtal af pesticider, som sorberer meget kraftigt. For de resterende pesticider vil udvaskningen ske så hurtigt, at simuleringen kan anvendes som resultat for enkeltforekommende spild, idet der ikke forventes en opkoncentrering af pesticid i den umættede zone.

Simuleringerne er udført udelukkende for den øverste 1 meter umættet zone. Det betyder, at udvaskningen beregnet i 1 meters dybde antages at svare til koncentrationen i grundvandet. Denne antagelse stemmer overens med resultater fundet i for eksempel KUPA-projektet (jf. afsnit 8.3.1), hvor dybden til grundvandet på sandjorde blev fundet at have mindre betydning for udvaskningens størrelse, idet binding og nedbrydning er forholdsvis beskeden i de større dybder. Antagelsen om, at størsteparten af tilbageholdelsen finder sted i den øverste 1 meter, er ligeledes anvendt i scenarierne udviklet under FOCUS-projektet, jf. afsnit 8.3.4. I de tilfælde, hvor udvaskningen finder sted over en betydeligt større umættet zone, vil antagelse af en 1 meter umættet zone være på den sikre side (worse case).

Frie inputparametre

Følgende parametre er varieret ved kørsel med MACRO og fungerer således som inputparametre for metamodellen:

Teksturdata angives for 2 horisonter, defineret fra 0-30 cm og fra 30-100 cm, i form af ler- og sandfraktionerne. Lerfraktionen er defineret som andelen af materiale med en kornstørrelse <2 µm og sandfraktionen som andelen af materiale med en kornstørrelse mellem 50-2.000 µm. For den øvre horisont (0-30 cm) skal modellen endvidere have det organiske indhold som input.

Simuleringerne er udført med forskellige kombinationer af inputparametre. Teksturdata er varieret imellem intervallet 8 til 94% for sandfraktionen og 2 til 65% for lerfraktionen. Det organiske indhold for den øvre horisont er varieret imellem intervallet 0,98% til 8,95%. For pesticidparametre er halveringstiden, DT₅₀, varieret imellem 1 til 100 dage og K_oc er varieret imellem 3 til 1.000 ml/g.

Output

Metamodellen beregner på baggrund af ovennævnte inputdata udvaskningen ved 1 m u.t. MACRO simulerer som nævnt udvaskningen for en 20-års klimaperioden, men i metamodellen er det udelukkende 80% fraktilen af den simulerede årlige udvaskning for de 20 års klima, som præsenteres. Den angivne koncentration repræsenterer således den 4. største udvaskning simuleret for klimaperioden. Samme metode anvendes i EU-projektet FOCUS (jf. afsnit 8.3.4), hvor 80% fraktilen af udvaskningen for en 20-års klimaperiode anvendes som en repræsentativ koncentration.

Output-koncentrationen er som nævnt beregnet ud fra en fast inputkoncentration på 1 kg/ha. Resultatet kan imidlertid skaleres lineært, svarende til den ønskede inputkoncentration.

8.6 Indbygning af metamodel i risikovurderingsværktøj

Metamodellen anvendes i risikovurderingsværktøjet ved beregning af kildestyrken fra henholdsvis et spild af pesticid eller en målt jordforurening. Modellen er indbygget direkte i risikovurderingsværktøjet, og brugeren mærker således ikke, at beregningen af udvaskningen foregår med metamodellen.

8.6.1 Inputdata til metamodel

Teksturdata

Teksturdata i form af ler- og sandfraktioner for den øverste meter vil ofte ikke være målt på de pågældende lokaliteter og skal derfor vurderes af den enkelte bruger. Endvidere vil teksturdataene variere betydeligt inden for selv korte afstande, således at der ikke kan angives egentlige default-værdier, som kan anvendes af brugeren.

Det er væsentligt, at brugeren for hver enkelt lokalitet vurderer hvilke parametre, som beskriver den forventede geologi bedst. Denne vurdering skal for eksempel tage udgangspunkt i hvilken jordtype, der generelt forventes i profilet, samt hvorvidt der kan forventes en A-horisont (rodzone) med organisk indhold. Især A-horisonten har stor betydning for den omsætning, der kan forventes af pesticidet. Dvs. på lokaliteter hvor der ikke eksisterer en A-horisont, som fx på en vaskeplads, må brugeren vurdere den geologiske sammensætning af den øvre horisont og angive et betydelig mindre organisk indhold. Ved simulering af udvaskningen fra en målt jordforurening er det endvidere vigtigt, at bruger vurderer de anvendte teksturdata for A-horisonten. Er jordforureningen målt under A-horisonten, er det væsentligt ikke at udføre simuleringen med en A-horisont med højt organisk indhold, hvor der vil ske kraftigt sorption og nedbrydning.

Som vejledning til brugeren er der i risikovurderingsværktøjet angivet eksempler på teksturdata for 3 typer af lokaliteter for henholdsvis moræneler med A-horisont, morænesand med A-horisont og smeltevandssand med A-horisont. De angivne værdier er vurderet ud fra målte jordbundsprofiler fra Den Danske Jordprofildatabase (DJF, 2006). Eksempler på teksturdata er givet i tabel 8.2.

Tabel 8.2: Eksempler på teksturdata for moræneler, morænesand og smeltevandssand.

Som hjælp til vurdering af teksturdata henvises til følgende databaser:

Den Danske Jordprofil Database (DJF, 2006) indeholder beskrivelse af ca. 2000 profiler fra terræn til 1,7 m u.t. Profilbeskrivelserne indeholder måling af tekstur samt organisk indhold. Denne database er yderst anvendelig ved vurdering af teksturdata til risikovurderingsværktøjet.

Den Danske Jordklassificering indeholder landsdækkende datasæt for tekstur af pløjelag og underjord. Der er udtaget prøver fra i alt 36.000 lokaliteter, svarende til ca. 1 prøve pr. km². Prøverne er inddelt i 8 jordklasser. Fordelen ved datasættet er dets store indhold af teksturdata, dog er sandfraktionen defineret ved en kornstørrelse på 20-2000 µm og ikke 50-2000 µm, som anvendt i metamodellen. Brugeren kan derfor ikke anvende teksturdataene fra databasen direkte, men i stedet vurdere den forventede geologi for en given lokalitet.

Det Geologiske Jordartskort indeholder kortlægning af den geologiske jordart i 1 meters dybde. Eftersom databasen udelukkende indeholder værdier for én jordtype, er den ofte ikke tilstrækkelig til at kunne vurdere de nødvendige teksturdata til risikovurderingsværktøjet, men kan anvendes til vurdering af den forventede geologi.

Pesticiddata

Til beregning af udvaskningen anvender Metamodellen pesticidets halveringstid DT₅₀ og fordelingskoefficient, K_oc samt jordegenskaberne herunder indholdet af organisk kulstof. I risikovurderingsværktøjet hentes halveringstiden, DT₅₀ og fordelingskoefficient, K_oc, automatisk fra pesticiddatabasen.

Da glyphosat bindes hovedsagelig til jordmineraler, er K_d uafhængig af det organiske indhold i jorden (Fomsgaard, 2004). Ved simulering af glyphosat med metamodellen er det derfor nødvendigt at udføre simuleringen med en kunstig K_oc-værdi omregnet fra den bedste bud på K_d–værdien i topjord på 50 (Kjærgaard et al., 1998). Ved et organisk indhold er 3% (f_oc = 0,03) vil K_d–værdien for glyphosat på 50 svarer til en K_oc-værdi på 1700.

8.6.2 Outputdata fra metamodel

Den beregnede koncentration fra metamodellen er automatisk skaleret i forhold den anvendte inputkoncentration (jf. afsnit 8.2.3), idet der skelnes mellem udvaskning fra spild og udvaskning fra en målt jordkoncentration.

Simulering af udvaskning fra spild forventes at udgøre hovedparten af de udførte beregninger med metamodellen. Udvaskningen beregnes ved at skalere det simulerede output fra metamodellen med den spildte masse [kg] divideret med spildarealet [ha].

Ved simulering af udvaskning fra en målt jordkoncentration foretages skaleringen ud fra den antagelse, at den målte jordkoncentration repræsenterer forureningen i den øverste meter under terræn, samt at tørstofindholdet for jord er 1800 kg/m³.

Skalering af udvaskningen fra metamodellen sker automatisk for begge situationer. Brugeren præsenteres således udelukkende for den skalerede output-koncentration og ser ikke de mellemliggende beregninger.

8.7 Usikkerhed

Metamodellen er en simplificeret udgave af MACRO, og dens anvendelse er begrænset af de inputparametre, med hvilken MACRO-simuleringerne er udført. Metamodellen vil derfor ikke indeholde samme fleksibilitet som MACRO.

Den væsentligste usikkerhed ved anvendelse af metamodellen er den generelle parameterisering, som MACRO-simuleringerne er udført med. De hydrauliske parametre er således fastsat ud fra pedotransfer funktioner for europæiske jorde, givet ved ler- og sandfraktionen for den øverste meter. Hydrauliske parametre for makroporestrømning er givet ved default-værdier. Ønskes en mere korrekt parameterisering, vil det kræve måling af parametre på de enkelte lokaliteter, kombineret med faktiske udvaskningsdata til kalibrering af modellen. Eftersom disse data typisk ikke vil være til rådighed som inputdata i risikovurderingsværktøjet, vurderes den anvendte metode til parameterisering at være den bedst mulige løsning.

Anvendelsen af sydsvenske klimadata er en yderligere begrænsning for metamodellens anvendelse. Ved sammenligning med danske klimanormaler, vurderes de svenske data imidlertid at være repræsentative og at kunne anvendes ved simulering af udvaskning fra danske jorde. Endvidere er den simulerede koncentration angivet som 80% fraktilen af udvaskningen i 1 meters dybde for en 20-års klimaperiode. Denne koncentration vurderes at være konservativ og således udgøre en worse case situation. Den anvendte metode svarer dog til retningslinier anvendt i EU-projektet FOCUS for beregning af pesticidudvaskning til grundvandet.

Metamodellen er testet for udvalgte datasæt, og den simulerede udvaskning stemte overens med simuleringer udført med MACRO (Stenemo et al, 2006). De to mest styrende parametre for udvaskningen er det organiske indhold af den øverste horisont samt pesticidets halveringstid. Endvidere er teksturdata for den øverste horisont væsentlig pga. deres betydning for makroporestrømning og -transport.

8.8 Konklusion

Den vertikale transport af pesticider beregnes i risikovurderingsværktøjet ved hjælp af en metamodel af den dobbelt-permeable model MACRO.

Metamodellen beregner udvaskningen af pesticid igennem den øverste meter umættet zone under hensyntagen til eventuelle sprækker og makroporer. Beregningen foregår på baggrund af teksturdata (ler- og sandfraktion) for den øverste meter samt indhold af organisk stof for de øverste 30 cm. Den beregnede udvaskning anvendes direkte som inputkoncentration til grundvandsmagasinet.

Anvendelse af metamodellen til beregning af den vertikale transport opfylder kravet om, at risikovurderingsværktøjet skal indeholde den nyeste viden indenfor pesticidtransport, samtidig med at brugervenlighed og kort simuleringstid tilgodeses.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Februar 2007, © Miljøstyrelsen.