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

Vidensstatus for sammenhængen mellem tilstanden i grundvand og overfladevand

5 Værktøjer til analyse af samspil mellem grundvand og overfladevande

Hans Jørgen Henriksen og Brian Kronvang

5.1 Hydrologiske modeller

5.1.1 Problemformulering

Der er i disse år en voksende fokus på den faglige kvalitet af modelanvendelser indenfor vandressourceforvaltning. Indenfor de seneste år har der været taget en række initiativer både indenfor og udenfor Europa, med henblik på at forbedre troværdigheden af modelsimuleringer. Dette er bl.a. sket ved udarbejdelse af nye retningslinier for modellering fx. i Holland (Rijkswaterstaat, 2000), England, USA og Australien (Middlemis, 2000). I Danmark er nye retningslinier for grundvandsmodellering under udarbejdelse (Henriksen et al., 2001a; Henriksen et al., 2001b). Hvor de hollandske "best practices" søger at dække en række forskellige "domæner" i kredsløbet (fx. nedbør-afstrømningsmodel, umættet zone, grundvandsmodeller osv.) så dækker fx. de danske retningslinier primært grundvandsmodellering. De nuværende hollandske og danske retningslinier er derfor kun i begrænset form repræsentative eller harmoniserede med henblik på brug i forbindelse med integreret modellering, herunder beskrivelse af samspil mellem grundvand og overfladevand. Konsekvenserne af mangel på en videnskabelig baseret metodik, er at slutmodellerne og de beslutninger som baseres på disse er svære at gennemskue, kan være vanskelige at reproducere, og er vanskelige at forstå for tredjepart.

Der er et klart behov for at udbygge retningslinier for grundvandsmodellering, til at kunne håndtere integreret hydrologisk modellering og stoftransportmodellering, med den type modeller der er behov for i forbindelse med Vandrammedirektivet. Det vil også være konstruktivt såfremt der kan opstilles tilsvarende retningslinier for fx. arbejdet med habitatmodeller. For stoftransport-modeller har det vist sig at det nok er muligt at udbygge retningslinierne. For reaktive modeller er der imidlertid påpeget et behov for et helt nyt sæt retningslinier (Henriksen et al., 2001a). En koordinering af disse aktiviteter synes påkrævet.

5.1.3 Eksisterende modelværktøjer

5.1.4 Modellering af vekselvirkning mellem grundvand og overfladevand (kvantitet)

De beskrivelser der anvendes på det mængdemæssige område, i de hydrologiske modeller i dag, er baseret på grundlæggende viden, bl.a. data fra den Internationale Hydrologiske Dekade (Freeze, 1974), og principper om vekselvirkningen mellem grundvand og overfladevand fra Suså og Karup undersøgelserne (Refsgaard og Stang, 1981; Miljøstyrelsen, 1983). Selvom denne viden har vist sig brugbar på stor regional skala (1000 km² eller mere) er den på mange måder utilstrækkelig. Et særligt problem udgør her problemet med den samlede forståelse af vandbalancen vi i dag står overfor (Refsgaard et al., 2001). Systematiske fejl på input kan medføre urealistiske parameterværdier og problemer med at overholde de performancekriterier der stilles til en given model, og dermed opnåelsen af konsensus omkring en given models brugbarhed (Henriksen, 2001b).

De integrerede modelopstillinger fra Danmark for fx. Suså, Karup Å, Tude Å, Århus området, Odense (Rasmussen et al., 1995; Christensen, 1994; Refsgaard og Stang, 1981; Miljøstyrelsen, 1983) har fokuseret på det hydrologiske kredsløb, herunder simulering af minimumsvandføringer under påvirkning af vandindvinding/markvanding og klima. Der er i forbindelse med den DK-modellen arbejdet videre med denne type model med en kobling af et relativt simpelt rodzonemodul (Christensen et al., 2000) og en mere avanceret grundvands-/overfladevandsmodel baseret på MIKE SHE/MIKE 11 (Henriksen, 2001b; Henriksen et al., 1997; Henriksen et al., 1998; Sonnenborg et al., 2001). Når det gælder kvantitative forhold omkring vandkredsløbet og udveksling mellem grundvand og overfladevand for større oplande foreligger der relativ god erfaring incl. afprøvning af såvel koder som koncepter for modelopstilling under de forskellige geologiske forhold vi kender i Danmark. Modellerne er gode til at simulere vandbalanceforhold og grundvandsdannelse på større skala, men mindre gode til at simulere minimumsvandføringer og den nærmere vandudveksling i de ånære områder.

Medianmimimumsvandføringer udgør et værdifuldt grundlag for kalibrering og validering af den rumlige variabilitet i de simulerede grundvandsafstrømninger til vandløb, men er samtidig en "stationær approksimation" af en størrelse som kan være relativ dynamisk (fx. betydelig årstidsvariation under visse geologiske forhold). Her er der behov for identifikation af bedre egnede indikatorer, som er mere relevante for habitatforholdene. Det tætte målestationsnet af faste vandføringsstationer med kontinuert registrering (Ovesen, et al., 2000) giver gode muligheder for udvikling og anvendelse af dynamiske indikatorer.

Når modeller ikke er så gode til at simulere minimumsafstrømninger skyldes det, at grundlaget for at parameterisere modellernes udveksling fra grundvand til overfladevand er for svagt, ligesom at de heterogene geologiske forhold og processer i ånære områder udgør en betydelig udfordring. Det er ikke muligt helt at "koble" parameterfastsættelsen til fx. den geologiske model (Dahl, et al., 1998). Det er derfor fortsat et centralt element i modelleringsprocessen at kunne "konceptualisere" og "parameterisere" de heterogene jordlag der styrer udvekslingen mellem grundvand og overfladevand, med et link til geologi og geomorfologi. I udlandet har fokus i de seneste år været rettet mod kombinerede felt- og modelstudier af detailprocesser omkring udvekslingen mellem grundvand og overfladevand bl.a. sammenstilling af den hydrauliske ledningsevne for kontaktzonen og studier af dennes dynamik (Calver, 2001; Montgomery and Dietrich, 1995). Andre studier har søgt at vurdere betydning af umættet/mættet zone forhold for udvekslingen (Bates et al., 2000) og har påpeget et behov for yderligere studier med inddragelse af flux målinger og tracerstudier med henblik på bedre kortlægning af 3D strømningsveje og opholdstider i ånære områder. makropore kan også have betydning for udvekslingens strømningsveje og hurtig gennemstrømning af øvre jordlag ved stor afstrømning (Montgomery and Dietrich, 1995; Siddle et al., 1995). Kombinationen af feltstudier og modellering vurderes som et stærkt værktøj i forbindelse med sådanne processtudier.

Med såvel de meget detaljerede kortlægningsdata (fra zoneringen), det tætte net af faste vandføringsmålestationer og de unikke synkronmålingsdata fra Danmark, udgør forskning i udvikling af metoder til konceptualisering af hydrologiske processer og parameterfastsættelse for ånære områder et forskningsområde med et betydeligt potentiale og relevans, såvel ved studier i mindre skala, som ved operationalisering af denne viden til anvendelse på større skala. Vurdering af vandløbspåvirkning (påvirkningsgrader) som følge af vandindvinding ved analytiske modeller (Stang, 1982; Hunt, 1999; Nyholm, 2000) og numeriske modeller (Refsgaard og Hansen, 1982; Langhoff, 2001) udgør eksempler på et område med behov for operationelle metodikker til vandressourceforvaltningen. Betydning af "partiel pennetrering" af vandløbet i akviferen og clogging (Zloknik og Huang, 1999) peger på at vandløbets bredde, "penetrering" af grundvandsmagasiner og processer i skillefladen (clogging) mellem vandløb/vådområder/søer/hav og grundvand er vigtige parametre, der bør inddrages i analyserne af udvekslingen.

Det vurderes at der fortsat er et stort behov for at videreudvikle og afprøve metoder til 3D geologisk modellering, parameterfastsættelse, automatisk kalibrering og usikkerhedsvurdering, til brug for grundvands-/overfladevandsmodellering med distribuerede, dynamiske fysisk baserede modeller (Poeter og Hill, 1999; Hill, 1998; Gupta et al., 1998; Madsen, 2000 og Sonnenborg et al., 2001).

5.1.5 Modellering af det kvalitative samspil mellem grundvand og overfladevand

Vurdering af stoftransport mellem grundvand og overfladevand vurderes at være mangelfuld, på grund af den manglende link mellem geologisk model og parameterisering af såvel hydrauliske forhold, redox forhold og andre parametre af særlig betydning for stofomsætning og stoftransport. Der er et klart behov for at undersøge hvordan disse forhold bedre kan kortlægges i 3 og 4 dimensioner, dvs. konceptualisering og parameterfastsættelse for ånære områder (Modica. et al., 1997). Bank storage processer er beskrevne i den udenlandske litteratur men betydningen heraf for danske forhold er i dag dårligt belyst (Kondolf et al., 1987, Sjodin et al., 2001), herunder bedre forståelse af kontaktzonens permeabilitet og dynamik (Woessner, 2000; Younger et al., 1993).

Behov for mere detaljeret modellering fx. i forbindelse med en kombination af feltstudier, hydrofacies modeller af udvekslingsdynamik i ådale og til søer og hav og modellering på mindre skala vurderes at være et stort behov med henblik på yderligere videnopbygning vedr. udveksling mellem grundvand og overfladevand. Det vurderes, at det i første omgang er omkring opstilling af "konceptuel" model, 3D geologisk model, ånære områders hydrofacies og parameterestimering, og i mindre grad omkring yderligere kodeudvikling at indsatsen i de kommende år skal fokuseres. Herved kan der evt. identificeres yderligere behov for kodeudvekling som giver større fleksibilitet omkring beskrivelsen af udvekslingen, kobling af modeller på forskellig skala, løsning af særlige numeriske problemer. Det er vigtigt at den nye viden operationaliseres så den er anvendelig af vandressourceforvalterne også i modelleringen på større skala for de enkelte distrikter. Der er i den forbindelse fortsat et behov for at styrke vandressourceforvalternes modelkompetance, idet de nuværende amter i dag hverken organisatorisk eller fagligt vurderes at kunne løfte opgaven med integreret modellering der skønnes nødvendigt i Vandrammesammenhæng.

Behovet for videnopbygning vedr. overgangszonen mellem grundvandet og overfladevandet (de ånære områder, søbunden, havbunden) og forståelse af strømningsveje fra grundvandsdannelse, gennem grundvandssystemet og gennem ånære områder til overfladevandet, er parallelle med vidensbehovene vedr. de kvantitative forhold, og bør kunne integreres hermed. Samspillet mellem de geologiske aflejringer (sedimentære facies) og den lokale geologi er her afgørende. Behovet er metoder til karakterisering af et område i rumlige elementer, som har ensartede geokemiske og hydrologiske karakteristika (hydrokemiske facies), som grundlag for beskrivelse af stofomsætning og skøn af parameterværdier (Sear et al., 1999; Morrice et al., 1997).

Redoxforhold er væsentlige eller ligefremt styrende for mange stoffer i grundvand (fx. fosfor, nitrat, miljøfremmede stoffer). Anvendelse af hydrologiske modeller og partikelbanemodeller som kan beskrive strømningsveje og stofomsætning ved passagen af forskellige redoxmiljøer, herunder i særdeleshed omkring ådalene, er vigtige værktøjer til analyse af strømnings- og transportveje samt til opstilling af massebalancer for de forskellige stoffer på oplandsskala. En væsentlig udfordring er her at benytte modellerne til en videnopbygning, baseret på bl.a. feltstudier. Således er grundvandets strømningsveje fra grundvandszonen gennem "reaktoren" i ådalene til vandløbene i dag mangelfuldt belyst. Det er derfor i dag ikke muligt at opstille konsistente stofbalancer for fosfor, kvælstof og pesticider på oplandsniveau - specielt for de lidt større oplande.

5.1.6 Sammenfatning om hydrologiske modeller

Det primære problem i forbindelse med de hydrologiske problemer i dag er hvordan modellerne bruges. Fastlæggelse af det nødvendige kompleksitetsniveau til en given opgave, dvs. parmeterfastsættelse, valg af nøjagtighedskriterier, kalibrerings- og valideringsmetoder og usikkerhedsanalyser på forskellig skala udgør de væsentligste udfordringer. Arbejdet med geologi i ånære områder, konceptuel model og tilvejebringelse af nødvendige datakrav bør have stor vægt. På visse områder er der dog behov for videreudvikling af modelkode, af hensyn til beskrivelsen af udveksling mellem grundvand og overfladevand, numeriske løsningsmetoder osv.

5.2.1 Problemformulering

EU’s Vandramme Direktiv sætter krav til indenfor Vanddistrikter at kunne udpege overfladevand i forskellige kategorier. Vedrørende vandløb opdeles der i naturlige vandløb, kunstigt skabte vandløb og stærkt modificerede vandløb. Indenfor hver af disse tre kategorier skal der ske en opdeling af vandløbene i typer. Alle vandløb indenfor vanddistriktet skal på baggrund af eksisterende og eventuel ny overvågning tildeles en økologisk status indenfor 5 klasser: Høj status (high), god status (good), moderate status (moderate), dårlig status (poor) og meget dårlig status (bad). Den økologiske status skal bedømmes ud fra referencetilstanden (dvs. den uforstyrrede tilstand) både hvad angår de biologiske, fysisk-kemiske og hydro-morfologiske forhold. Vanddistrikterne skal indenfor en 15 års periode efter Vandramme Direktivets ikrafttrædelse sikre, at alle vandløb opnår en god økologisk status. Samtidig skal det sikres at kunstige vandløb og stærkt modificerede vandløb opnår et godt økologisk potentiale og en god kemisk status.

I udlandet er der i de senere år arbejdet meget med opstilling af metoder og empiriske habitat modeller, der kan benyttes til at beskrive den økologiske referencetilstand i vandløb indenfor forskellige økoregioner og/eller vandløbstyper ud fra en række forklarende fysisk-kemiske variable. De udviklede metoder og modeller kan for eksempel benyttes til at kvantificere eventuelle afvigelser fra referencetilstanden på en given vandløbsstrækning, ved at sammenligne de eksisterende biotiske forhold (fisk, makroinvertebrater og planter) med den af metoden/modellen forudsagte diversitet på et givet niveau (art, familie). Endvidere er der i udlandet arbejdet med at udvikle mere dynamiske habitatmodeller, som analyseværktøj til at vurdere de økologiske konsekvenser på biota af fx. et øget pres på grundvandsresursen, etablering af reservoirer, vandløbsvedligeholdelse, mv.

I Danmark mangler vi i dag den nødvendige viden om referencetilstanden i de forskellige regioner og vi har derfor ikke mulighed for objektivt at vurdere den økologiske kvalitet i vandløb som krævet i EU’s Vandramme Direktiv. Vi mangler i dag en grundlæggende viden om hvor stor betydning grundvandets mængde har for regulering af de økologiske forhold i vandløb og ånære arealer. Vi mangler ligeledes en grundlæggende viden om hvilke kvalitetskriterier der kan fastsættes for koncentrationen af naturlige og miljøfremmede stoffer i de strømmende vande set i forhold til tålegrænser for planter og dyr.

I det følgende gennemgås den internationale og danske vidensstatus omkring metoder og modeller til kortlægning og kvantificering af habitater i vandløb. Endelig peges der i et idekatalog på hvordan den manglende viden på området kan opnås.

5.2.2 Hvad menes der med fysiske habitater og hvorfor er de vigtige?

Akvatiske habitater kan defineres som de lokale fysiske, kemiske og biologiske elementer som tilsammen danner levesteder for organismer. I den internationale litteratur er der mange beviser for at både kvaliteten og kvantiteten af tilgængelige habitater påvirker strukturen og sammensætningen af de tilstedeværende biologiske samfund både hvad angår fisk (fx. Milner et al., 1998; Pusey et al., 2000; Vismara et al., 2001), makroinvertebrater (Jowett et al., 1991; Quinn and Hickey, 1994; Peeters and Gardeniers, 1998; Schleiter et al., 1999; Turak et al., 1999; Marchant et al., 1999; Smith et al., 1999) og perifyton (Biggs et al., 1998). I forbindelse med anvendelsen af ordet ’habitater’ er det vigtigt at holde sig for øje, at betegnelsen ikke alene omfatter en fysisk genkendelig form eller beregnbar størrelse, men at den skal have en påvist biologisk betydning. Det er her at samspillet mellem hydrologi, morfologi, kemi og biologi træder i karakter.

De fysiske habitater afspejler de natur- og kulturskabte påvirkninger af vandløb og opstår som interaktionen mellem fysiske strukturer i vandløb (størrelse, form, hældning, bundsubstrat, brinkens form, mv.) og de hydrauliske forhold, der ved en given vandføring bestemmer dybdeforhold, strømhastighed, shear stress, mv. De fysiske habitater er ikke stabile størrelser men ændrer sig ned igennem vandløbet (udspring til munding), på tværs af vandløbet og ådalen og fra bunden mod vandoverfladen. Hertil kommer at de på grund af ændringer i vandføring varierer med tiden både hvad angår substratforhold (sedimenttransport og sedimentation) og vandløbets skikkelse og form (brinkerosion og løb i ådalen).

5.2.3 Hvorfor er der behov for at kortlægge fysiske habitater?

Kortlægning og beskrivelse af de fysiske habitater har stor betydning indenfor fiskeøkologi især i forbindelse med ophjælpning af fiskebestande. Derudover er det benyttet i forbindelse med evalueringer af restaureringsprojekter i vandløb og ved fastsættelse af krav til minimums vandføringer ved opdæmninger af vandløb, oppumpning af drikkevand, mv. I mange år er de fysiske forhold blevet beskrevet i forbindelse med bedømmelser af vandløbskvaliteten både herhjemme og i udlandet. Det er dog først indenfor de senere år at der i Danmark og især i udlandet er blevet arbejdet med at udvikle standardiserede metoder til kortlægning af de fysiske habitater i vandløb. Det er stadigvæk få steder at hvor de fysiske habitater indgår som en integreret del af bedømmelser af vandløbskvaliteten (Raven et al., 1998).

5.2.4 Skalaens betydning

Mange af de eksisterende metoder til beskrivelse af fysiske habitater bliver anvendt på forskellige skalaer. Jo mindre skala, jo mere bliver de fysiske habitater og biota følsomme overfor forstyrrelser og det tager længere og længere tid at genskabe den oprindelige tilstand (recovery). Den mindste skala er punkter eller delområder af et vandløb (mikrohabitater), hvor de fysiske og hydrauliske forhold på selve levestedet for en organisme beskrives. Eksempler herpå er undersøgelser af habitatforholdene for de punkter i vandløb hvor fisk står eller hvor enkeltindivider af forskellige arter af smådyr lever. Sektioner af vandløbet (mesohabitater) er den næste skala og den identificerer delområder af vandløbet som er foretrukne levesteder for forskellige livsstadier af dyr eller planter. Et godt eksempel er laks og ørreders habitatkrav til gydepladser. Der er udviklet forskellige beskrivende systemer for mesohabitater, der dog alle indeholder den typiske opdeling af vandløbet i morfologiske elementer (stryg, høl, osv.). Den tredje skala er strækningsniveauet (makrohabitater) hvor både habitat- og biologiske forhold er mere stabile over tid, end ved de lavere niveauer. På dette niveau beskrives de dominerende fysiske forhold på strækningen, som substrat, hældning, dybde/bredde ratio, sinuositet, arealanvendelse på tilstødende arealer, sammen med de overordnede topografiske, geologiske, hydrologiske, og arealanvendelsesmæssige forhold. Det sidste niveau er hele vandløbsoplande. På dette niveau er det helt overordnede parametre som beliggenhed (længde og breddegrad), topografi, geologi, klima, arealanvendelse, spærringer, mv., der indgår i beskrivelsen af habitatforhold.

5.2.5 Metoder og index benyttet til kortlægning af fysiske habitater

I praksis arbejdes der oftest på strækningsniveau med beskrivelsen af fysiske habitater og beregning af forskellige former for index eller scores. Dette er tilfældet med de fleste af de habitat kortlægnings metoder, som er udviklet i udlandet. En metode til kortlægning af fysiske habitater i vandløb er blevet udviklet af Rosgen (se fx. Thorne, 1997). Metoden er baseret på objektive og let målelige kriterier hvor strækninger på 1 niveau inddeles i 9 typer baseret på hældning, længdeform, tværsnitsform og bredde/dybde ration for derefter at blive yderligere inddelt på 2 niveau efter bund- og brinksubstrat. Klassifikationssystemet kan anvendes til at sammenligne nuværende tilstand med en upåvirket tilstand, og der kan arbejdes med empiriske sammenhænge mellem tilstanden og vandføring, mv. Andre har udarbejdet metoder til klassificering af mesohabitat typer på baggrund af visuelt identificerbare primære og sekundære morfologiske, hydrauliske og vegetationsmæssige habitater på vandløbsstrækningen (Kershner and Snider, 1992). Typisk er der tale om habitater som stryg (lille og stort fald), høl (mange sekundære typer), kantzone, bagvand, trærødder, forskellige makrofytarter, mv.

Det engelske River Habitat Survey (RHS) omfatter en kortlægning af fysiske strukturer i vandløbet, på dets bredder og omgivende land på 500 m lange strækninger af vandløb (Raven et al., 1998). Kortlægningen gennemføres ved en visuel inspektion langs vandløbet (af certificeret personale), der ved hjælp af en manual, klassificerer vandløb og ånære arealer ud fra ca. 200 parametre. I Storbritannien blev der i årene 1994-1996 indsamlet beskrivende data fra 3 naturlige eller semi-naturlige vandløb indenfor hver af i alt 1523 10x10 km grids (4569 strækninger). Ni vandløbstyper blev i første omgang defineret ud fra databasen baseret på overordnede forhold vedrørende geologi, hældning og arealanvendelse.

Den amerikanske Miljøstyrelse (US EPA) har udviklet et system til bedømmelse af vandløbsstrækninger (Rapid Bioassessment Protocol) (Plafkin et al., 1989). Udover bedømmelser af tilstanden ud fra fisk og makroinvertebrater anvendes en metode til evaluering af de fysiske habitater. Den indeholder tre niveauer: 1) substrat og skygning i vandløb; 2) vandløbets morfologi; 3) Udformning af brink og ådal. De tre niveauer tillægges forskellig betydning i den endelige score med størst vægt på den første gruppe og mindst på den sidste gruppe. Svagheden ved den amerikanske metode er at de tre indeks ikke er udviklet set i en sammenhæng og at det fysiske habitat index ikke er målrettet mod betydning for biota.

I Danmark har amterne igennem mange år gennemført visuelle, subjektive registreringer af de fysiske forhold i vandløb på alle de lokaliteter hvor der er blevet gennemført bedømmelser af forureningsgraden. Oftest er der dog blevet anvendt vidt forskellige skemaer i de enkelte amter til støtte for karakteristikken af de fysiske forhold. De gennemførte registreringer af de fysiske forhold er meget subjektiv og bedømmelsen af de enkelte elementer (bredde, substrat, mv.) er formentlig gennemført på forskellig måde i de enkelte amter og af de enkelte personer involveret. Der har ikke i Danmark været gennemført forsøg på at teste sammenligneligheden af de udførte registreringer af de fysiske forhold. I forbindelse med indførelse af Dansk Faunaindeks er der sket en harmonisering af den fysiske bedømmelse så alle benytter samme skema og registrerer de samme variable. Kaarup (1999) har udarbejdet et forslag til nyt fysisk index til brug for entydig beskrivelse af de fysiske forhold i vandløb i Århus amt. De registrerede fysiske parametre et opdelt i positive og negative grupper og der er lavet en score for hver parameter. Positive parametre er eksempelvis forekomst af stryg/høl, mæanderbuer, gydegrus, sten, rødder, underskårne brinker, mv., mens negative parametre er sandvandring, blød bund, bredt vandløbsprofil, mv.

5.2.6 Statistiske metoder og modeller benyttet til kobling af biota og fysiske habitater

I de sidste 20 år er der i udlandet forsket i udvikling af metoder og modeller til kobling af fysiske habitater og biota. Der er både blevet forsket i udvikling af statistiske modeller til forudsigelse af levesteder og bestande for forskellige livsstadier af laks og ørred, andre fiskearter, makroinvertebrater og bentiske alger.

HABSCORE er en simpel metode som bygger på empiriske sammenhænge mellem fisketæthed og kombinationer af oplands- og strækningsspecifikke oplysninger. HABSCORE er udviklet på baggrund af tætheder af laks (2 livsstadier) og ørred (4 livsstadier) og fysiske parametre fra 602 vandløbsstrækninger (30-100 m) i England og Wales (Milner et al., 1998). Pusey et al. (2000) har undersøgt sammenhængen mellem artstæthed og forekomst/fravær af enkelte fiskearter mod en række miljøvariable i Queensland, Australien. Data er indsamlet fra 4 større vandløbssystemer ved gentagen elbefiskning på i alt ca. 650 vandløbsstrækninger, der er 40 m i udstrækning. Miljøvariable dækker fra geografiske data til detaljerede fysiske data (bredde, substrat, middel strømhastighed, skjul, mv.) fra strækningen. Multivariat analyser blev gennemført vandløbssystem for vandløbssystem. Undersøgelsen viser at det er muligt at forudsige både artsdiversitet og forekomst/fravær i vandløb der har stabile afstrømning i modsætning til vandløb med store udsving i vandføring. Undersøgelsen viste også, at det hovedsageligt er de overordnede geografiske parametre, som har indflydelse på fiskebestanden (højde, afstand fra udspring, længdegrad, mv.).

Det engelske RIVPACS (River In Vertebrate Prediction And Classification System; Wright, 1989) er udviklet på baggrund af sammenhænge mellem makroinvertebrat samfund og de fysisk/kemiske forhold på i alt 438 upåvirkede (reference) vandløbsstrækninger i næsten 80 vandløbssystemer i Storbritannien. RIVPACS kan anvendes til at vurdere de nuværende økologiske forhold på en vandløbsstrækning i forhold til referencesituationen. Ud fra de indsamlede fysiske og kemiske data kan RIVPACS forudsige artssammensætningen på strækningen på forskellige sandsynlighedsniveauer. Marchant et al. (1999) har analyseret sammenhængen mellem makroinvertebrater (art eller slægt) og forskellige kemiske og fysiske parametre på baggrund af feltmålinger i 199 upåvirkede referencevandløb i 29 afstrømningsområder i Victoria, Australien. I alt 46 miljøvariable blev målt samtidig med prøvetagningen spændende fra oplandsdata, over kemiske data til strækningsfysiske –og biologiske data (perifyton, trådalger, mv.).

Smith et al. (1999) har udviklet en metode til bedømmelse af vandløbskvaliteten i Australien (AusRivAS) baseret på makroinvertebrater og en række miljøvariable som indikatorer. Metoden er udviklet på baggrund af data fra 188 minimalt forstyrrede vandløbsstrækningen i Vestaustralien. Samtidig med prøvetagningen blev der målt 44 miljøvariable spændende fra oplandsdata, kemiske data til strækningsspecifikke data. Turak et al. (1999) opstiller en RIVPACS type model baseret på undersøgelser af 250 upåvirkede vandløbsstrækninger i New South Wales, Australien. Ca. 30 fysiske, kemiske og vegetationsmæssige parametre blev registreret.

I årene 1978 og frem blev makrofytsamfundet i vandløb og på brink bedømt til art på mere end 1500 strækninger i 250 engelske vandløb alle med et tilnærmelsesvis intakt naturligt makrofytsamfund (Holmes et al., 1998). Ægte vandplanter (dykkede og submerse makrofyter) blev bedømt til artsniveau ud fra en check-liste på 223 arter i de fleste tilfælde af den samme bedømmer. Hvert sted blev den relative forekomst af makrofyter bedømt i 3 klasser og dækningsgraden bedømt i 3 klasser. Fysiske beskrivelser af vandløbet blev også opsamlet sammen med data om geologi, højde og hældning. Systemet er i dag udvidet til også at omfatte landplanterne i ådalen i et scoringssystem kaldet SERCON (Boon et al., 1997). Biggs et al. (1998) har påvist at fysiske forstyrrelser i forbindelse med afstrømningshændelser i vandløb kan være med til at regulere biomassen af bundlevende alger på strømmende steder (stryg og strømrende). Det gælder specielt i mindre vandløb, mens den fysiske forstyrrelse ikke er så betydende længere nedstrøms i vandløb.

Landsdækkende og repræsentative undersøgelser af sammenhængen mellem fauna i vandløb og de fysiske forhold er ikke gennemført. I en enkelt undersøgelse er forureningstilstanden i mindre vandløb sammenlignet med de fysiske forhold baseret på amternes oplysninger (DMU, publicerede data). Der blev her konstateret sammenhænge mellem både et strømindeks, et substrat index og et regulerings index og forureningsgraden. Sand-Jensen and Mebus (1998) har studeret forskellige plantearters modificerende indvirkninger på strømhastighed og turbulens i danske vandløb. De har vist at de enkelte plantearter danner sine egne helt specielle habitater ved at modificere strømmen omkring og inden i planteøerne og ved at påvirke sedimentations- og substratforhold. Indirekte effekter af dette er påvirkninger af fødegrundlag, iltforhold, mv.

Kronvang et al. (2001) gennemførte en mikrohabitat kortlægning af 5 delstrækninger af et restaureret vandløb med henblik på at kunne kvantificere effekten af restaureringen for de fysiske og biologiske forhold ved sammenligning til 2 opstrøms kontrolstrækninger. Friberg et al. (2001) testede sammenhængen mellem de fysiske habitater og indsamlede makroinvertebrater prøver (Surber sampler) på 5 replikater af hver habitattype på henholdsvis den restaurerede og den udrettede kontrolstrækning. I den multivariate analyse udskilte kun 2 af de 5 fysiske habitater sig tydeligt i forhold til invertebratsamfundet (grusstryg og kanthabitat). Fyns amt (2001) har analyseret sammenhængen mellem en række fysiske, kemiske og oplandsmæssige forhold (fx. spredt bebyggelse) og vandløbskvaliteten målt som faunaindeks i 52 mindre fynske vandløb (< 2 m brede). De mest betydende parametre til forklaring af faunaindeks var fysisk kvalitet og BI5, med førstnævnte som den der korrelerer stærkest.

Forskellen mellem de fysiske forhold og makrofytsamfundet er blevet undersøgt på syv vandløbsstrækninger, der var reguleret og kanaliseret og 7 strækninger der var naturligt slyngende (Baatrup-Pedersen et al., 1998). Der var næsten samme høje dækningsgrad af planter i de to typer vandløb, men den gennemsnitlige artsdiversitet var signifikant højere på de slyngede (22 arter), end på de regulerede strækninger (15 arter). Makrofytsamfundet ændrer sig ned gennem de danske vandløb (Sand-Jensen et al., 2000). For eksempel falder dækningsgraden af planter med vandløbsstørrelsen på grund af den øgede dybde. Hyppigheden af amfibiske og sekundære planter falder også med vandløbsstørrelsen og arts sammensætningen af de ægte vandplanter ændres, så vandstjerne arter dominerer i små vandløb (< 3 m) og vandaksarter i større vandløb (> 9 m).

5.2.7 Hydrauliske modeller koblet til præferencekurver for biota

I udlandet er der i mange år forsket i koblingen mellem hydrauliske modeller og modeller der beskriver de optimale fysiske forhold for dyr og planters (præferencekurver). Disse modeller kan som regel gennemføre dynamiske beregninger af habitatforhold for fisk og makroinvertebrater på baggrund af input af døgnvandføringer. De fleste modeller er en-dimensionelle (1D), men enkelte har også arbejdet med 2D og 3D modeller.

Metoder til modellering af egnetheden af vandløbshabitater har været udviklet i 20 år. De bygger alle på feltmålinger af vandløbets skikkelse, vanddybde, strømhastigheder og substrat, der i en hydraulisk model simulerer ændringer i de fysiske forhold under forskellige vandføringer, koblet til præference kurver for biota. Modellerne opstilles ud fra feltmålinger i repræsentative tværsnit i et vandløbs længdeforløb. En omdiskuteret svaghed i modellerne er den simple beskrivelse af de fysiske habitater (hydrauliske forhold) der ofte er punktorienteret og endimensional, mens de habitater biota udnytter normalt har en større udstrækning og kun kan modelleres korrekt hydraulisk ved 2D eller 3D hydrauliske modeller (Crowder and Diplas, 2000).

PHABSIM der er udviklet i USA er den igennem tiden mest anvendte model til forudsigelse af egnetheden af habitater i vandløb ved forskellige vandføringer (fx. Bovee, 1982). Det er en 1D hydraulisk model, der bygger på Instream Flow Incremental Methodology (IFIM). RHYHABSIM er en videreudviklet version af PHABSIM fra New Zealand (Mosley and Jowett, 1999). RHYHABSIM bygger som PHABSIM på IFIM og præferencekurver for biota. Den opstilles enten for repræsentative tværsnit langs en vandløbsstrækning eller bedre efter en forudgående kortlægning af morfologiske elementer (stryg, høl, planteøer, kant, mv.), hvorefter et antal tværsnit udvælges tilfældigt indenfor hver habitattype.

Schleiter et al. (1999) har analyseret sammenhængen mellem makroinvertebrat samfund (individantal på artsniveau) og forskellige miljøvariable fra 3 tyske vandløb ved hjælp af neurale netværk (NN). Metoden ser ud til at være bedre til at beskrive de oftest ikke lineære sammenhænge mellem invertebrater og miljøvariable (bredde/dybde, substrat, BOD, mv.) end simple regressionssammenhænge.

Lamouroux et al. (1999) har anvendt en statistisk hydraulisk model og koblede denne til multivariate præference kurver for to fiskearter (døbel og karpe) i Rhone floden, Frankrig. I en undersøgelse fra en flod i Italien har Vismara et al. (2001) undersøgt muligheden for at udvikle habitat egnetheds kurver (Habitat Suitability Curves – HSC) på baggrund af målinger af de fysiske forhold (strømhastighed, dybde, substrat og skjul) på 528 standpladser for havørreder (Salmo Trutta Fario L.).

Peeters and Gardeniers (1998) har undersøgt muligheden for at anvende logistisk regression, som en metode til at definere habitat kravene for to bunddyrsarter i hollandske vandløb (Gammarus fossarum og Gammarus pulex). Ud fra et stort landsdækkende datasæt (ca. 4000 observationer) af sammenhængende data mellem de to bunddyrs arter og en række forklarende kemiske og fysiske variable opstillet de sandsynlighedskurver for arternes forekomst. Jowett et al. (1991) har undersøgt muligheden for at opstille præferencekurver for 12 arter af makroinvertebrater på baggrund af stratificeret prøvetagning i 4 vandløb i New Zealand. De opstiller præferencekurver for den sværeste art mod strømhastighed, dybde og substrat og finder at præferencekurver oftest er vandløbsspecifikke.

På trods af den rimeligt store udbredelse af habitathydrauliske modeller i udlandet er de kun i meget begrænset omfang blevet benyttet i Danmark. Det skyldes for det første, at der ikke er udviklet/aftestet præferencekurver for biota i danske vandløb. Den anden grund er formentlig den manglende indsats forskningsmæssigt på dette område i Danmark. Lund og Clausen (1998) har som de første aftestet RHYHABSIM på Elverdamsåen på Sjælland. I den forbindelse anvendte de præferencekurver for forskellige livsstadier af ørred fra udenlandske undersøgelser. Fjordback et al. (2001) har i en undersøgelse af effekterne af genslyngningen af et dansk vandløb (Gelså i Sønderjylland) også anvendt RHYHABSIM. I en nyere undersøgelse omkring gydepladsers funktion er habitatkrav for ørredyngel blevet undersøgt (Pedersen et al., 1999). På baggrund af disse målinger er der lavet de første præferencekurver for ørredyngel baseret på undersøgelser i danske vandløb.

5.2.8 Sammenfatning og idekatalog