|
Principper for beregning af nitratreduktion i jordlagene under rodzonen 11. Nitratreduktion og indsatsplaner med hensyn til nitratIndtil der foreligger en veldokumenteret metode til analyse af jordlagenes aktuelle nitrat reduktionskapaciteter vil det være nødvendigt at vurdere indsatsområder på baggrund af den eksisterende viden om bl.a. forekomsten af reducerende stoffer samt disses formodede bidrag til jordlagenes nitratreducerende egenskaber. I det foregående afsnit er vist et eksempel på hvorledes jordlagenes reduktionskapaciteter er beregnet og senere anvendt i forbindelse med udarbejdelsen af et tematisk kort over emnet. I forbindelse med udpegningen af indsatsområder med hensyn til nitrat vil det være nødvendigt at inddrage alle de temaer der kan bidrage ved en vurdering af områdets nitratreduktionspotentiale koblet til den geologiske -, geokemiske - og hydrologiske ramme der knytter sig til området. I det følgende gives eksempler på hvilke temaer der med fordel vil kunne indgå i en vurdering af dæklagenes nitratreduktionskapaciteter. 11.1 Geologiske forhold i indsatsområdetOmrådets geologiske opbygning og udbredelsen af forskellige typer sedimenter beskrives på baggrund af eksisterende borebeskrivelser, geofysiske målinger, geotekniske målinger, grusgravsstudier mm. Der vil normalt være et betydeligt antal eksisterende borebeskrivelser som kan inddrages ved den overordnede beskrivelse af de geologiske forhold i indsatsområdet. I figur 9 ses et eksempel fra Vestsjælland med oplysninger om placeringen af boringer hentet fra GEUS Jupiter-database. Som det fremgår af figuren varierer tætheden af boringer meget, fra områder med meget få eller ingen boringer til områder med et betydeligt antal boringer. Til brug for beskrivelsen af den geologiske model for området vil det, alt andet lige, kræve et større antal boringer i geologisk heterogene områder end for områder med en forholdsvis simpel geologisk opbygning. En sammenkædning mellem områdets geologiske opbygning og områdets landskabselementer kan i nogle situationer afhjælpe med at udbrede boringsoplysningerne til større områder (Henriksen et al., 2000). Geofysiske målinger kan ligeledes være en metode til at udbrede og sammenkæde eksisterende oplysninger om områdets geologiske forhold herunder bidrage når punktoplysninger skal opskaleres til at omfatte større områder og til tolkninger i 3D. Den akkumulerede tykkelse af dæklag vil primært være anvendelig når indsatsen knytter sig til dybe grundvandsmagasiner hvor usikkerheden på bestemmelsen af disse lag er af mindre betydning. I områder med middeldybe eller overfladenære grundvandsmagasiner kan bestemmelsen af den akkumulerede tykkelse af dæklaget være behæftet med betydelige usikkerheder og vil derfor ikke i nødvendigt omfang tilgodese lokale variationer i nedsivningen, der bl.a. skyldes usammenhængende dæklag og "geologiske vinduer". I oplandet til Lillebæk i den sydøstlige del af Fyn antydede en kombination af et 9 meter tykt lerdække og en iltet zone på ca. 4 meter at det underliggende sandmagasin kunne være nitratfrit. Analyser af vandprøver fra sandmagasinet viste imidlertid at de øverste 4 meter var påvirket af nitrat (10-30 mg nitrat pr. liter) og sammenholdt med oplysningerne om de geokemiske forhold i det overliggende morænelerslag må nedsivningen af dette nitratholdige vand være foregået andet steds.
Figur 9. 11.2 Geokemiske forhold i indsatsområdetDen eksisterende viden om udbredelsen af nitrat foreskriver at nitrat ofte er knyttet til oxiderede, ofte gule, gulbrune, brune og gråbrune sedimenter mens sedimenter med grå, gråbrune og sorte farver vil fremstå nitratfrie. Farvebeskrivelserne er ikke noget mål for indholdet af nitrat men antyder blot mulighederne for at finde nitratholdigt vand i de pågældende aflejringer. En gennemgang af eksisterende boredata fra oplandet til Vårby å viste at kun ca. 10% af borebeskrivelserne indeholdt en farvebeskrivelse der kunne anvendes til at afgrænse den iltede zone, figur 9. Tilsvarende erfaringer haves fra bl.a. områder ved Svendborg på Fyn og Bjerringbro i Midtjylland, hvor 10-20% af samtlige eksisterende boringer var anvendelige i beskrivelsen af den iltede zone. En medvirkende årsag hertil er blandt andet et for lille antal farvebeskrivelser per boring samt for korte boringer, der begge gør det vanskeligt rimelig præcis at foretage en afgrænsning af iltede og reducerede redoxmiljøer for boringen. Eksemplet fra Vestsjælland viser ydermere at der forekommer store områder, hvor der i borebeskrivelserne ikke/stort set ikke findes oplysninger om sedimenternes farvesammensætning og hvor boringsbeskrivelserne ikke kan indgå i kortlægningen af de geokemiske forhold. I disse områder vil det være nødvendigt at gennemføre et passende antal boringer med indsamling af jordprøver til beskrivelse.
Figur 10. På baggrund af de i figur 9 viste data blev der fremstillet et kort med typiske dybder for den iltede zone indenfor oplandet til Vårby å samt tilgrænsende områder. De tolkede iltningsdybder blev bl.a. relateret til fordelingen af landskabselementer, de geologiske forhold samt fordelingen af jordarter indenfor området. Til brug for en senere modellering blev området inddelt i 4 klasser, der repræsentere iltningsdybder fra 1 til 8 meter, figur 10. Iltningsdybder på maksimalt 1 meter blev anvendt for de vandløbsnære områder og iltningsdybden på 8 meter blev knyttet til et gammelt randmorænekompleks (Henriksen et al., 2000). Figur 11. En gennemgang af Bjerringbroområdet, der geologisk set består af tykke sandlag med spredte linser af silt og ler dækket af moræneler af varierende tykkelse viser store lokale forskelle i udbredelsen af den iltede zone, figur 11. Her blev dybden af den iltede zone indledningsvis opdelt i tre klasser på henholdsvis 5, 15 og 30 meter. Klassen med dybder ned til 5 meter blev efterfølgende delt op i to klasser, den ene med iltede zoner mellem 1 og 5 meter og den anden med iltede zoner mindre end 1 meter. Sidstnævnte klasse kom primært til at omfatte vådområder og lave vandløbsnære arealer der blev bl.a. baseret på oplysninger fra gamle målebordsblade. Udviklingen i redoxdybder i Karup hedesletteområde, med kegledannelsen i øst og gradvis mere finkornede sedimenter gennem den proximale og distale hedeslette længere mod vest er vist i figur 12. På baggrund af de eksisterende boringsdata fremstår den iltede zone mest veludviklet på den grovkornede kegledannelse ved hovedopholdslinien for Weichselisens udbredelse hvorefter den iltede zone aftager med stigende afstand fra hovedopholdslinien. Enkelte boringer med markant afvigende iltningsdybder kan bl.a. skyldes lokale forskelle i forekomsten af reducerende stoffer og/eller mængden af nedsivende vand. Figur 12. Den her viste opdeling i klasser giver et overordnet mønster for udbredelsen af iltede zoner, men tager ikke hensyn til mindre landskabselementer og topografiske variationer der kan have betydning for redoxudviklingen på lokal skala, som eksempelvis de talrige afløbsløse huller der findes på det gamle randmorænestrøg omkring Slagelse eller på morænelersfladen i den sydlige del af området. Småformer kan i forbindelse med udarbejdelsen af indsatsplaner eller i forbindelse med VVM godkendelser have en stor betydning, hvorfor metoden bør tilpasses til brug på lokal skala. Denne skala vil ofte ikke kunne tilgodeses ved eksisterende boringsoplysninger.
Figur 13. Ofte vil det være nyttigt at inddrage oplysninger om områdets geologiske, topografiske og morfologiske forhold. Disse typer basisoplysninger kan være med til at systematisere de relativ få oplysninger der fremkommer ved brugen af eksisterende boreoplysningerne. For at øge datagrundlaget kan andet tilgængeligt materiale inddrages, herunder gamle kort, der som allerede nævnt i visse områder kan bidrage med værdifulde oplysninger om udbredelsen af bl.a. lavtliggende mose og vådbundsområder. Disse kort viser forholdene forud for de gennemgribende dræningsaktiviteter, der siden blev igangsat og kan dermed give en indikation af hvor der findes lavbundsjorde med ringe udviklet oxideret zone. De efterfølgende dræningsaktiviteter kan selvfølgelig have medført markante ændringer i udbredelsen i den iltede zone, men vil dog for mange områder tilføje nye informationer om områdets specielle karakter. Almindelige jordbundskort samt GEUS jordartskort (Hermansen og Jakobsen, 1998) er andre datakilder der kan indgå i vurderingen af udbredelsen af bl.a. vådområder. Jordartskort kan ligeledes finde anvendelse ved afgrænsningen af bl.a. områder med smeltevandsler hvor nedsivningen af vand er lille samtidig med at den iltede zone en ofte ringe udbredelse. Hvis antallet af observationer er for lavt sammenlignet med de ønskede for området, vil det være nødvendigt at gennemføre supplerende boringer til udtagning af sedimentprøver, hvis egenskaber beskrives med bl.a. sammensætning og farve inkl. farvemønstre. Hvis indsatsområdet dækker flere landskabselementer (geomorfologiske elementer) vil det foruden udbredelsen af redoxmiljøer inden for det enkelte element være nyttigt supplere med boringer på overgangen fra et landskabselement til et andet. 11.3 Grundvandskemiske forhold i indsatsområdetGrundvandets kemiske sammensætning kan ligeledes bidrage i forbindelse med vurderingen af jordlagenes nitratreducerende evne og være et væsentlig supplement til de oplysninger om udbredelsen af den iltede zone som er baseret på boringsbeskrivelser. Indhold og fordeling af nitrat vil give et groft billede af jordlagenes evne til at reducere nitrat. Områder med høje nitratkoncentrationer ned til stor dybde vil normalt være karakteristisk for områder med ringe eller manglende reduktionskapacitet hvorimod områder med høje nitratkoncentrationer i ringe dybde vil være typisk for områder med høje nitratreduktionskapaciteter, figur 13. Under skov og naturarealer kan dette mønster være mindre udtalt idet koncentrationen af nitrat i det nedsivende vand generelt er lavere end under landbrugsarealer. Fordelingen af nitrat i grundvandet på Karup hedeslette viser ofte høje nitratkoncentrationer til stor dybde, figur 14. Til sammenligning viser udbredelsen af nitrat i oplandet til Vårby å samt tilgrænsende områder at langt de fleste boringer ikke indeholder eller kun indeholder ringe koncentrationer af nitrat, figur 15.
Figur 14. Som supplement til fordelingen af nitrat kan forekomsten af andre redoxfølsomme stoffer, som eksempelvis ilt, mangan, jern, sulfat og methan, være nyttige i videnopbygningen om sedimenternes reduktionskapaciteter. Således vil nitrat og ilt ofte forekomme samtidigt. Når ilten aftager ses en begyndende nitratreduktion og i sedimenter med høje koncentrationer af reducerende stoffer vil indholdet af ilt og nitrat aftage inden for et snævert interval, figur 13. I sedimenter med mindre indhold af reducerende stoffer kan være flere meters forskel mellem den dybde hvori ilten forsvinder og den dybde hvori nitratreduktionen sætter ind, figur 13. I nogle områder er
Figur 15.
Figur 16. reduktionskapaciteten så begrænset at nitratkoncentrationen i det vand, der forlader rodzonen vil være nogenlunde den samme som i grundvandsmagasinet, figur 13. Når ilt ikke længere findes i målbare koncentrationer vil indholdet af mangan normalt stige betydeligt og nå et niveau, bestemt af bl.a. sedimenternes mineralogiske sammensætning. Tilsvarende vil der normalt indtræffe en stigning i indholdet af ferrojern når nitrat ikke længere forekommer i målbare mængder og ofte ses nitratholdigt grundvand afløst af nitratfrit grundvand med ferrojern. Med henblik på afgrænsning af geokemiske miljøer sættes forekomsten af ferrojern lig med tilstedeværelse af reducerede forhold (Schüring et al., 2000) og tjener som en god indikation for hvornår de geokemiske forhold er til stede for nitratreduktion – men udtrykker på ingen måde omfanget af de nitratreducerende processer. Til sammenligning med udbredelsen af nitrat, figur 15, er fordelingen af ilt og ferrojern i Vårby området vist i figur 16 og figur 17. Der er en generel god overensstemmelse mellem den forventede og den faktuelle fordeling af redoxfølsomme stoffer. Eventuelle afvigelser kan bl.a. skyldes at vandet stammer fra filtre, der repræsenterer flere redoxmiljøer.
Figur 17. Grundvandet kan ved dets kemiske sammensætning antyde hvilke reducerende stoffer der er aktive i nitratreduktionsprocessen. Forhøjede koncentrationer af sulfat, hvis der da ikke er tale om marint vand, tyder på at pyrit er en aktiv komponent i nitratreduktionsprocessen. Til sammenligning med fordelingen af nitrat, ilt og ferrojern fremgår fordelingen af sulfat for Vårby området af figur 18. Nitratreduktion ved organisk stof vil normalt betyde forøgede indhold af alkalinitet, men hvor nitratreduktionen ligeledes samtidig forløber med pyrit kan det være vanskeligt at se forøgelsen i alkaliniteten. Indholdet af redoxfølsomme komponenter giver således et øjebliksbillede af hvorledes forholdene er i nogle udvalgte grundvandsmagasiner og kan derfor ikke indgå i en beregning af jordlagenes reduktionskapaciteter. Det vil være nødvendigt at foretage en monitering af grundvandskvaliteten over tid og i flere dybder for at kunne følge udviklingen i grundvandskvaliteten og dermed også i jordlagenes evne til at reducere nitrat og deres robusthed overfor en nitratpåvirkning.
Figur 18. 11.4 Nitratreduktionskapacitet i indsatsområdetDe sedimentkemiske data er oftest yderst sparsomme og det samme gælder for indeværende også kendskabet til jordlagenes nitratreduktionskapaciteter udtrykt ved indholdet af reducerende stoffer eller ved mikrobielle parametre (denitrifikationsrater). Oplysningerne om indholdet af reducerende stoffer kan kun i beskedent omfang trækkes fra eksisterende geologiske boreoplysninger, hvor bl.a. brunkul og pyrit normalt noteres - begge betydningsfulde komponenter i nitratreduktionsprocessen. Det vil derfor ofte være nødvendigt at gennemføre et passende antal boringer med prøveudtagning med henblik på analyse i laboratoriet af de jordlag der er karakteristiske for indsatsområdet. Analyseprogrammet tilpasses sedimenttypen. For sandsedimenter med organisk stof som eneste indhold af reducerende stof synes analyser af TOC indholdet at være tilstrækkeligt, eventuelt erstattet af analyser ved vådkemisk oxidation med kaliumdichromat (Gravesen et al., 1990). Sidstnævnte metode giver urealistisk høje nitratreduktionskapaciteter for siltede og lerede sedimenter og derfor må der for disse sedimenttyper anvendes langt flere analysemetoder inkl. måling af organisk stof, pyrit, ferrojern og det totale jernindhold samt evt. andre væsentlige reducerende stoffer så som methan. Det samme gælder for en lang række sedimenttyper, f.eks. kalksedimenter, fede tertiære lere og en række bornholmske bjergarter. Da de reducerende stoffer, der findes i sedimenterne, kan være vanskeligt tilgængelige for nitratreduktionsprocessen vil det ofte være nødvendigt at gennemføre analyser på sedimentprøver af samme type udtaget fra iltede og reducerede jordlag indenfor indsatsområdet. Indholdet af reducerende stoffer i de reducerede sedimenter bruges til at beskrive den potentielle nitratreduktionskapacitet medens forskellen mellem indholdet i den reducerede og den oxiderede zone bruges i beskrivelsen af den aktuelle reduktionskapacitet. Denne skelnen mellem potentiel og aktuel nitratreduktionskapacitet er meget væsentlig idet den aktuelle kapacitet tager højde for en måske kun delvis udnyttelse af de reducerende stoffer. 11.5 Modellering af indsatsområdet - nedsivning og aldersfordelingEn detaljeret modellering af grundvandsdannelsen indgår i udarbejdelsen af indsatsplaner. Da indsatsplanerne i praksis kan afhænge af et nærmere kendskab til indvindingsoplandenes placering og da stoftransportmodelleringen af nitratomsætningen i grundvand i mange tilfælde udføres ved en simpel partikelbanesimulering, vil en robust metode til vurdering af nitratpåvirkning være ved brug af en kombination af numerisk grundvandsmodel og partikelbanesimulering i indsatsområderne, figur 19. Dette vil ligeledes kunne give baggrund for vurderinger af konsekvenser af forskellige indsatser og reguleringer i f.eks. gødningstilførsel og arealanvendelse indenfor indsatsplanens område. Usikkerheder på indvindingsoplande, grundvandsdannelser og partikelbanesimuleringer bør indgå i modelleringen af området. Figur 19. Ud fra grundvandsdannelser, aldersfordelinger og viden om nitratreduktionskapacitet giver ovenstående metodik mulighed for vurdering af nitratpåvirkning af grundvandet, figur 20 og 21. I mange tilfælde vil denne vurdering være tilstrækkelig til at der kan udarbejdes en indsatsplan for et givent område. I visse situationer vil der desuden være behov for en nærmere vurdering af opholdstider eller partikelbaner i systemet af hensyn til afgrænsning af de enkelte indvindingsoplande, herunder usikkerheden på fastlæggelse af disse på det nuværende datagrundlag (usikkerheder på input f.eks. nedbør, geologi/struktur og parameterværdier kan indgå i en sådan usikkerhedsvurdering ved brug af stokastiske metoder). Figur 20. I de tilfælde hvor ovenstående metodik ikke er tilstrækkelig (f.eks. såfremt reduktionskapaciteten ikke giver anledning til forenklet "on/off" betragtning eller hvis det er nødvendigt af hensyn til forureningssituationen) vil det være nødvendigt at foretage en mere detaljeret modellering ved hjælp af stoftransportmodel og evt. reaktiv model. Der skal i såfald anvendes et koncept til vurdering af nitratreduktionskapaciteten i umættet og mættet zone, der som input dels har beregninger af N-udvaskningen fra rodzonen (f.eks. ved hjælp af Daisy), og dels indebærer en detaljeret bestemmelse af strømningsveje og opholdstider i forskellige geokemiske miljøer, som muliggør enten en vurdering af nitratreduktionen baseret på strømnings- og partikelbane eller stoftransportsimuleringer med en numerisk grundvandsmodel. Som output giver dette koncept nitratkoncentrationer i grundvand i såvel øvre som dybere magasiner, når nitratreduktionskapaciteten i forskellige geologiske lag og geokemiske miljøer tages i betragtning. Der er tidligere i forbindelse med et NPo projekt opstillet regionale modeller for oplandene til Karup å og Langvad å (Storm et. al., 1990; Styczen et. al, 1999). Ligeledes er der foretaget modellering af nitratreduktion i et frit magasin i Rabis bæk oplandet med PHREEQ (Postma et al. 1991), en geokemisk model som i dag også er bygget ind i MIKE SHE. En nærmere beskrivelse af retningslinier for strømning- og stoftransportmodellering findes i Henriksen et al. (2001). Figur 21.
|
