Ämnestransporter under vårflöden i Ume älv och Kalix älv Effekter på transportberäkningarna av en utökad provtagningsfrekvens
Pernilla Rönnback, Lars Sonesten, Mats Wallin
Institutionen för vatten och miljö, SLU Box 7050, 750 07 Uppsala
Rapport 2009:20
Institutionen för vatten och miljö, SLU Box 7050 750 07 Uppsala Tel. 018 – 67 31 10 http://www.ma.slu.se
Tryck:
Institutionen för vatten och miljö, SLU Uppsala, 2009-12-03
Innehåll SAMMANFATTNING .................................................................................................................................... 4 SUMMARY .................................................................................................................................................. 5 BAKGRUND OCH SYFTE ............................................................................................................................... 7 METODER ................................................................................................................................................... 9 OMRÅDESBESKRIVNING ....................................................................................................................................... 9 VATTENPROVTAGNING OCH VATTENKEMISKA ANALYSER ........................................................................................... 10 ÄMNESTRANSPORTBERÄKNINGAR ........................................................................................................................ 10 VÄDRET 2008 OCH 2009.................................................................................................................................. 10 RESULTAT ................................................................................................................................................. 11 VATTENFÖRING OCH KONCENTRATIONER I VATTENDRAGEN....................................................................................... 11 ÄMNESTRANSPORTMÄNGDER ............................................................................................................................. 15 DISKUSSION .............................................................................................................................................. 26 PÅVERKAN PÅ VATTENKEMIN PÅ GRUND AV ÖKAT FLÖDE I ÄLVAR ............................................................................... 26 JÄMFÖRELSE MELLAN DYGNSPROVTAGNING, VECKOPROVTAGNING OCH MÅNADSPROVTAGNING – EFFEKTER PÅ BELASTNINGSBERÄKNINGARNAS KVALITET.............................................................................................................. 27 SLUTSATSER .............................................................................................................................................. 28 REFERENSER ............................................................................................................................................. 30
Sammanfattning Stora mängder av olika ämnen transporteras i våra vattendrag i samband med de vattenflödestoppar som sker i anknytning till avsmältningen av snö och is under våren. I denna rapport har vattenkemidata undersökts och utvärderats från intensifierade provtagningar under vårfloderna 2008 och 2009 i de nedre delarna av Kalix och Ume älv. De båda norrländska älvarna tillhör delprogrammet Flodmynningar där målet är att ta fram dataunderlag som beskriver tillståndet i de viktigaste större vattendragen, samt beräkna hur mycket olika ämnen transporteras med dessa ut till havet. I detta arbete har belastningsberäkningar uträknade från dygnsvattenprovtagningen jämförts med beräkningar gjorda från den ordinarie månatliga vattenprovtagningen där syftet har varit att granska hur en utökad provtagningsfrekvens påverkar belastningsberäkningarnas kvalitet. Vattenföringen i både Kalix och Ume älv karaktäriseras båda åren av en flödestopp under första delen av maj som sakta klingar av för att under mitten av juni nås av en andra, dock mindre flödestopp då den s.k. fjällfloden kulminerar. Dygnskoncentrationerna av de undersökta variablerna pH, totalt organiskt kol (TOC), Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn har liknande mönster i båda älvarna under vårfloden. Signifikanta samband med flödet kunde ses hos pH som sjunker då flödet ökar, medan TOC, P-fraktionerna, Fe, Cu och Abs._Diff ökar. För Nfraktioner och Zn fanns inga signifikanta samband med flödet, dock uppvisade de högre koncentrationer vid ökat flöde. Det positiva sambandet mellan vattenföring och koncentrationen av TOC, P, Fe, Cu och Zn, samt för N i vissa fall innebär givetvis att transporten av dessa ämnen ökade i samband med högt flöde. Då ämnestransporten beräknad från dygnsprovtagningen jämförs med månadsprovtagningen uppvisade den totala transporterade mängden hos de flesta studerade variabler beräknat från dygnsprovtagning högre total mängd jämfört med beräkningar från månadsprovtagningen. Detta tyder på att månadsprovtagningen underskattar belastningen på havet. Dock är underskattningen relativt liten och varierande hos de flesta variabler under de två undersökta åren. Generellt är andelen av de totala ämnestransporterna för de olika variablerna under vårflödet större i Kalix älv än i Ume älv, vilket även följer vattenföringen som är högre i Kalix älv. Den största skillnaden ses hos Fe och Tot-P, vars mängd ut till havet under vårfloden i den reglerade Ume älven är endast ungefär en tredjedel av den sammanlagda årstransporten, medan de i den oreglerade Kalix älv utgör nästan två tredjedelar av årstransporten. Högst sannolikt är orsaken den att Kalix älv är oreglerad och har ett kraftigt vårflöde, som för med sig stora mängder av organiskt material och suspenderade partiklar både från strandkanten och genom snösmältningen inåt land. Dessa partiklar binder till sig både näringsämnen och metaller som sedan förs iväg nedströms. I en tidsstyrd månadsmätning i en oreglerad älv som Kalix älv kan man i värsta fall obemärkt undgå en vårflod, som håller på ungefär en månad, vilket gör att man i så fall kommer att underskatta årstransporten till havet för flera ämnen. En flödesstyrd provtagning i de oreglerade norrländska älvarna, Torne älv, Kalix älv, Pite älv och Vindelälven kan kanske förbättra precisionen något, medan det månatliga provtagningsintervallet förefaller vara tillräckligt för de flesta ämnena. Då reglerade älvar har ett jämnt flöde över året och därmed en jämnare ämnestransport, är troligtvis 12 tidsstyrda provtagningar tillräckliga. Ett alternativ till flödesstyrd provtagning/-mätning kan vara att intensifiera provtagningarna genom att t.ex. ta prover veckovis under perioden då vårflödet antas vara störst. Detta skulle kunna inskränkas till att endast omfatta de oreglerade älvarna eller till samtliga norrlandsälvar med ett tydligt vårflöde. Men beräkningar av veckoprovtagningen i den här studien gav inte nämnvärt bättre resultat än månadsprovtagningen och i så fall bör denna metod undersökas bättre. Detta förfarande 4
är dock mindre lämpligt för vattendragen i den södra delen av landet där vårflödena både är mer varierande i omfattning och tidpunkt.
5
Summary A large quantity of different elements is transported in our water courses as the discharge reaches its maximum which happens in connection to snow and ice melting in spring. In this report, water chemistry data from intensified water samplings during spring flood 2008 and 2009 in the lower parts of Kalix and Ume River is examined and interpreted. Both rivers belong to the programme monitoring of the river mouths of large rivers, where the aim is to deliver data that describes the status of the most important large water courses, and calculate how much of different elements are reaching the seas. In this work, calculation of loads, which are calculated from daily water samplings, have been compared with loads calculated from the ordinary monthly water sampling programme. The aim was to examine how an increased sampling frequency will affect the quality of the calculation of loads. The discharge in both Kalix and Ume River is, both years, characterized of a discharge peak during the first half of May which will slowly decrease until middle of June when a second, considerable smaller flow peak will culminate, the so-called mountain flood. The daily concentrations of the examined variables pH, total organic carbon (TOC), Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu and Zn have similar patterns in both rivers during spring flood. Significant relationships to discharge could be seen in pH, which decreases when discharge increases, while TOC, P-fractions, Fe, Cu and Abs._Diff increase. N-fractions and Zn had no significant relationship with discharge, yet they showed increased concentrations with increase discharge. The positive relationship between discharge and the concentrations of TOC, P, Fe, Cu and Zn, and in some cases for N-fractions means certainly that the flux of these elements increase with increase discharge. The element flux calculated from the daily samplings was compared with the element flux from the monthly samplings. The results showed that the total flux of most of the elements calculated from the daily samplings was higher compared with calculations from the monthly samplings, indicating that the monthly sampling underestimates the loads to the sea. The underestimation is, however, relatively small and varies among most of the variables during the two studied years. Generally, the proportion of total element flux is for most of the variables during spring flood higher in Kalix River than in Ume River, which also follows the discharge that is higher in Kalix River. The largest difference is seen among Fe and Tot-P. During the spring flood, in the regulated Ume River are the loads of Fe and Tot-P only one third of the total annual load, while the loads in the unregulated Kalix River are almost two third of the annual loads. The largest reason is that Kalix River is unregulated and has a powerful spring flood that transports a vast amount of organic matter and suspended particles from both the river bed and through snow melting from inland. These particles have a tendency to form complexes with both nutrients and trace metals which will flow downstream. In a regularly spaced monthly sampling programme, in an unregulated river like Kalix River, one could in worst case unnoticed avoid a spring flood that last about one month, which probably will lead to underestimation of the total annual flux of many variables. A flow-weighted water sampling in the unregulated rivers in northern Sweden, Torne River, Kalix River, Pite River and Vindelälven, would maybe give some improvements for the precision, while the monthly water sampling seems to be enough for most of the variables. Since the regulated rivers have a constant discharge over the year and, thus a more or less constant element flux, 12 regularly spaced samples will produce reliable annual load estimates. An alternative to the flowweighted water sampling could be to intensify the water samplings by, for example taking samples weekly during periods when the spring flood seems to be highest. This could be limited to only include the unregulated rivers or every river in northern Sweden that have a clear spring flood, but 6
the calculations of weekly fluxes did not ending in any better results than monthly sampling and should before then be examined more carefully. This procedure is, however, less suitable for the water courses in the southern part of Sweden where the spring floods are more varying in both proportion and time.
7
8
Bakgrund och syfte Flodtransporter och direktutsläpp från punktkällor till havet beräknas, sammanställs och rapporteras kontinuerligt till flera internationella organ så som EEA, OSPAR och HELCOM. För att uppfylla de krav som ställs på de olika rapporteringarna är det viktigt att regelbundet se över beräkningarna och det underlag som används till dessa. I ett tidigare SMED-uppdrag har ett antal möjliga åtgärder identifieras för att förbättra belastningsberäkningarna, bl.a. att utöka antalet stationer inom det nationella övervakningsprogrammet för sötvatten, delprogram flodmynningar, att inkorporera data från SRK-program och att utöka provtagningsfrekvensen i ett antal stationer (Sonesten 2009). Några av dessa åtgärder har nu testats i mindre skala och skall nu utvärderas där syftet med hela projektet är att kvalitetssäkra beräkningarna av belastningen på havet. I detta delprojekt kommer en utökad provtagningsfrekvens i två norrländska älvar, Kalix och Ume älv, att testas och utvärderas. En intensifierad dygnsprovtagning under vårflödena 2008 och 2009 har genomförts och här utvärderas belastningsberäkningar gjorda från dygnsvattenprovtagningarna. Dessa beräkningar jämförs med beräkningar gjorda från de ordinarie månatliga vattenprovtagningarna. De variabler som ingår i studien är i första hand P, N, organiskt material, samt metallerna Fe, Cu och Zn. Syftet med delprojektet är att granska hur en utökad provtagningsfrekvens påverkar belastningsberäkningarnas kvalitet.
Metoder Områdesbeskrivning I detta projekt har två vattendrag i Norrland studerats, Kalix och Ume älv. Båda vattendragsstationerna tillhör delprogrammet Flodmynningar där målet är att ta fram dataunderlag som beskriver tillståndet i de viktigaste flodmynningarna, samt transporten av olika ämnen från Sverige via våra stora vattendrag ut till havet. Kalix älvs avrinningsområde är 23 845 km2 stort och domineras av skogsmark (50 %), våtmark (22 %) och fjällhed-fjällskog (20 %). Ume älvs avrinningsområde är 26 567 km2 stort och domineras av skogsmark (52 %), fjällhed-fjällskog (26 %) och våtmark (13 %). Information om markegenskaper har tagits fram i GIS med vägkartan som bas. Kalix och Ume älv valdes på grund av att de båda anses ha markanta vårflödestoppar och därför kunde vara bra studieobjekt för den här studiens ändamål. Vattenföringens fördelning under året påverkas i hög grad av om en älv är reglerad eller ej. Generellt sett får en reglerad älv ett mer utjämnat flöde jämfört med flödet i en oreglerad älv. Kalix älv är en av fyra stora norrländska älvar (Torne älv, Kalix älv, Pite älv och Vindelälven) som i dagsläget är oreglerade, medan Ume älv är reglerad. Emellertid ansluter sig den oreglerade Vindelälven till Ume älv vid Vännäsby, som ligger några mil från mynningen och provtagningspunkten. Normalt karaktäriseras vårfloden i norrlandsälvar av en flödestopp omkring första halvan av maj som orsakas av snösmältning i skogslandskapet och ungefär en månad senare kommer ett mer utdraget flöde på grund av snösmältning i fjällområdet. De vattenföringsdata som används i det här projektet mäts i Kalix älv vid Räktfors och i Ume älv vid Stornorrfors kraftverk. Båda stationerna ligger nära mynningen. Årsmedelvattenföringen för Kalix älv är 301 m3/s och för Ume älv 449 m3/s. Det årliga månadsmedelvärdets maximum i Kalix älv varierar mellan 511-1422 m3/s och infaller främst under maj. I Ume älv varierar det årliga månadsmedelvärdets maximum mellan 451-1552 m3/s och infaller oftast under juni. Medel- och maxvärden för båda vattendragen baseras på månadsmedelvärden mellan 1969-2008. 9
Vattenprovtagning och vattenkemiska analyser Den ordinarie provtagningen omfattas av månadsvis provtagning och analys av vattenkemi. Provtagningen sker vanligtvis i mitten av varje månad. I detta projekt utökades provtagningen till dygnsprovtagning under vårflödesperioden. Dygnsprovtagning i Kalix älv utfördes år 2008 mellan 5 maj -18 juni och 2009 mellan 15 april – 12 juni. I Ume älv utfördes provtagningen år 2008 mellan 10 maj – 8 juni och 2009 mellan 20 april - 16 juni. I detta projekt har utvärderingen av parametrar begränsats till att studera pH, totalt organiskt kol (TOC), Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn . För samtliga parametrar har SLU, Institutionen för vatten och miljö ansvarat för analys av vattenproverna. För information om analysmetoder hänvisas till Institutionen för vatten och miljös hemsida (http://info1.ma.slu.se/ma/www_ma.acgi$Analysis?ID=AnalysisList). Abs._Diff är ett mått på mängden partikulärt material i vattenprovet och beräknas som differensen mellan ofiltrerad absorbans (Abs._OF) – filtrerad absorbans (Abs._F). Ämnestransportberäkningar Dygnstransporter för de studerade variablerna har erhållits genom multiplicering av dygnskoncentrationer med dygnsvattenföring, vilka sedan summerats till veckotransporter (måndag -söndag) för respektive vattendrag och år. Vid jämförelse med den månatliga provtagningen har dygnskoncentrationer beräknats genom linjär interpolering av koncentrationerna från de månatliga provtagningarna och därefter har samma beräkning gjorts som ovan för att erhålla veckotransporter. Även veckotransporter har beräknats och jämförts med den månatliga provtagningen. Beräkningen utfördes genom att först välja varje onsdagsprov från dygnsprovtagningen och sedan har dygnskoncentrationer beräknats genom linjär interpolering. Därefter har samma beräkning gjorts som ovan för att erhålla veckotransporter. Vädret 2008 och 2009 Vädret 2008 var inledningsvis milt och blåsigt med relativt stora nederbördsmängder. I mars var vattenföringen fortsättningsvis låg, men normal eller något över det normala. I slutet på april, i samband med varmare väder kom snösmältningen igång på allvar i södra Norrland, vilket gjorde att vattenföringen steg kraftigt och gav på vissa håll mycket höga flöden, medan den i norra Norrland och fjällen var på ungefär normal nivå. Vårfloden kulminerade på de flesta håll under första hälften av maj och gav höga eller mycket höga flöden i stora delar av Norrland, vilket i norra Norrland fortsatte under hela juni pga. snabb snösmältning i Lapplandsfjällen. I övriga Norrland var vattenföringen kring den normala eller under det normala jämfört med medelvärdet för månaden (SMHI, Väder och Vatten). 2009 inleddes med en mild och torr månad för att sedan i februari bli kall och få en nederbörd som var högre än normalt, medan mars återigen blev mild och torr. Under april månad startade snösmältningen, vilket gav hög vattenföring i södra Norrland medan övriga Norrland i början av månaden hade en normal vattenföring som gradvis steg till slutet av månaden. I Norrlands kusttrakter kulminerade vårfloden i månadsskiftet april-maj för att sedan klinga av och ligga under det normala månadsmedelvärdet för resten av månaden och in i hela juni månad, förutom en nederbördsrik period i mitten av juni som syns som en tydlig topp i vattenföringen (SMHI, Väder och Vatten).
10
Resultat Vattenföring och koncentrationer i vattendragen Vattenföringen för Kalix och Ume älv för år 2008 och 2009 ses i figur 1. För Kalix älv är vattenföringsmönstret relativt likartad de båda åren. Vårfloden börjar samtidigt, men kulmen av den första vårfloden, där smältvatten från skogsmarken dominerar, infaller några dagar tidigare 2009 än 2008, samtidigt som flödet inte är lika högt det året (dygnsmaximum 2009 = 1442 m3/s jämfört med 2008 = 1923 m3/s). En andra mindre flödestopp då fjällfloden kulminerar infaller i månadsskiftet juni-juli år 2008 respektive senare hälften av juni månad år 2009. Även i Ume älv är vattenföringsmönstret likartad för de båda undersökta åren, medan själva dygnsmaximum är nästan dubbelt så högt 2008 (1487 m3/s) jämfört med 2009 (820 m3/s) och efterföljs samma år av en andra vårflod i mitten på juni, medan den andra vårfloden är knappt synbar för år 2009. 2000
Kalix älv
2008
2000
2009
Ume älv
2008
2009
1500
Q m3/s
Q m3/s
1500
1000
1000 500
500
0
0 J
F M
A M
J
J
A
S
O
N
D
J
J
F M
A M
J
J
A
S
O
N
D
J
Figur 1. Dygnsvattenföringen i Kalix och Ume älv 2008 och 2009. Figure 1. Daily discharge in Kalix and Ume River 2008 and 2009. I figur 2 (Kalix älv) och figur 3 (Ume älv) visas dygnskoncentrationsvariationer för pH, TOC, Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs_Diff, Cu och Zn för vårfloden 2008 och 2009. Dygnsprovtagningen år 2008 kom tyvärr igång sent i båda älvarna och påbörjades endast några dagar innan flödestoppen, vilket gör det svårare att utläsa koncentrationsmönstret för samtliga variabler det året. I Kalix älv uppvisar pH tillsammans med N-fraktionerna Tot-N och NO2+NO3-N ett sjunkande koncentrationsmönster då vattenföringen når sitt dygnsmaximum. N-fraktionerna sjunker först då flödestoppen infaller för att sedan förbli låga under mätperioden, medan pH-värdet börjar sjunka redan då vattenföringen börjar öka och stiger återigen då flödet sjunker. Detta kan även ses i en linjär regression där pH uppvisar ett negativt samband med vattenföringen (R2=0,30, p<0,0001 år 2008 och R2=0,57, p<0,0001 år 2009), medan det inte finns något tydligt samband mellan N-fraktionerna och vattenföringen (Fig. 4). TOC uppvisar motsatsen till pH där koncentrationen stiger då flödet ökar för att igen sjunka vid minskad vattenföring (Fig. 2). Samma mönster uppvisar också Tot-P, PO4-P, Fe, Abs._Diff och Cu, medan Zn har ett koncentrationsmaximum som infaller några dagar innan flödestoppen (Fig. 2). I den linjära regressionen kan signifikanta positiva samband ses för TOC, TotP, PO4-P (endast 2008), Fe, Abs._Diff och Cu mot vattenföringen för båda åren (R2=0,33–0,77, p<0,0001) medan sambandet mellan Zn mot vattenföringen är positivt, men dock ej signifikant (Fig. 4).
11
12
24/jun
17/jun
0
10/jun
2000
03/jun
6000
27/maj
8000
20/maj
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
0 13/maj
200
13/maj
600 24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
0
06/maj
50
06/maj
150
29/apr
200
29/apr
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
29/apr
6 22/apr
15/apr
TOC mg/l
6,5
22/apr
15/apr
100
PO4-P µg/l
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
29/apr
22/apr
15/apr
pH
10
22/apr
15/apr
400
NO2+NO3-N µg/l
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
29/apr
22/apr
15/apr
Tot-P µg/l 7
29/apr
4000
Abs._Diff
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
29/apr
22/apr
15/apr
Tot-N µg/l
15
22/apr
15/apr
24-jun
17-jun
10-jun
03-jun
27-maj
20-maj
13-maj
06-maj
29-apr
22-apr
15-apr
Fe µg/l
7,5
5
0
30
20
10
0
300
200
100
0
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Figur 2. Koncentrationsvariationer för pH, TOC, Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn under vårfloden 2008 (röd linje) och 2009 (blå linje) i Kalix älv. Figure 2. Concentration variations of pH, TOC, Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn during spring flood 2008 (red line) and 2009 (blue line) in Kalix River.
15
4
10
Zn µg/l
2 1
5
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
15/apr
24/jun
17/jun
10/jun
03/jun
27/maj
20/maj
13/maj
06/maj
29/apr
22/apr
15/apr
29/apr
0
0
22/apr
Cu µg/l
3
Figur 2. (Fortsättning) Figure 2. (Continued)
Både pH och TOC uppvisar liknande mönster i Ume älv som i Kalix älv där pH sjunker då vattenflödet ökar, medan TOC ökar vid samma tidpunkt (Fig. 3). P- och N-fraktionerna, Fe, Abs_Diff, samt Cu uppvisar alla ett liknande koncentrationsmönster för år 2009 i Ume älv, dvs. då vattenföringen börjar öka når dessa fraktioner sin topp, för att sedan långsamt sjunka till lägsta nivåer under slutet av mätperioden då även vattenföringen har minskat (Fig. 3). För år 2008 är mätperioden för kort för att eventuellt samma mönster ska kunna ses. Zink däremot uppvisar ett koncentrationsmaximum som infaller några dagar innan flödestoppen, dvs. liknande mönster som Zn i Kalix älv. De linjära regressionerna för år 2008 uppvisar för samtliga variabler, förutom för Cu, ett signifikant samband med vattenföringen (R2=0,37–0,88, p<0,0001), där pH uppvisar ett negativt samband och de övriga ett positivt samband med vattenföringen. Dessa samband är däremot väldigt svaga för 2009 och endast NO2+NO3-N uppvisar ett signifikant positivt samband med vattenföringen (R2= 0,27, p<0,0001) (Fig. 6). En möjlig orsak till detta kan vara den kortare mätperioden 2008 då mätningen genomfördes endast under själva flödestoppen och inte några veckor innan som år 2009. Före flödestoppen har de olika variablerna olika koncentrationsmönster, medan samtliga variabler förutom pH ökar och samvarierar med vattenföringen under själva flödestoppen. Linjära regressioner utfördes även mellan P-fraktionerna mot Fe och Abs._Diff eftersom koncentrationsvariationsmönstren hos dessa variabler ser ut att följas åt och transporten av fosfor till stor del sker i partikulär form (Ulén 2005). Signifikanta positiva samband mellan Tot-P, PO4-P och Fe i både Kalix och Ume älv under båda åren kunde också ses (R2=0,55–0,95, p<0,0001) (Fig. 5 och 7). Sambanden mellan Tot-P, PO4-P och Abs._Diff var även signifikant positiv och höga i båda flodmynningarna (R2=0,91–0,97, p<0,001) (Fig. 5 och 7).
13
600
400
Abs._Diff
400
200
NO2+NO3-N µg/l
30
20
PO4-P µg/l
50
0
600
0
1000
800
14
16/jun
09/jun
16/jun
09/jun
02/jun
02/jun
16/jun
09/jun
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
26/maj
26/maj
26/maj
02/jun
19/maj
19/maj
19/maj
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
21/apr
14/apr
19/maj
0
12/maj
0 12/maj
0,05 12/maj
200
12/maj
0,1
05/maj
0,15
05/maj
0,2 05/maj
0
05/maj
50
28/apr
100 28/apr
150
28/apr
0
28/apr
5
21/apr
10
21/apr
10
21/apr
40
21/apr
15 14/apr
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
21/apr
14/apr
Tot-P µg/l 6,5
14/apr
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
21/apr
14/apr
Tot-N µg/l
pH
TOC mg/l
7
14/apr
14/apr
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
21/apr
14/apr
Fe µg/l
7,5 15
10
5
0
Figur 3. Koncentrationsvariationer för pH, TOC, Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn under vårfloden 2008 (röd linje) och 2009 (blå linje) i Ume älv. Figure 3. Concentration variations of pH, TOC, Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Fe, Abs._Diff, Cu och Zn during spring flood 2008 (red line) and 2009 (blue line) in Ume River.
15
2
Zn µg/l
1
0,5 0
10
5
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
14/apr
16/jun
09/jun
02/jun
26/maj
19/maj
12/maj
05/maj
28/apr
21/apr
14/apr
0 21/apr
Cu µg/l
1,5
Figur 3. (Fortsättning) Figure 3. (Continued) Ämnestransportmängder Medelveckoflödet och veckotransporter för Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn och TOC visas för Kalix älv 2008 och 2009 i figur 8 respektive 9, samt för Ume älv 2008 och 2009 i figur 10 respektive 11. I samtliga figurer visas både veckotransporter beräknade från dygnsprovtagning och från månatlig provtagning med hjälp av linjär interpolering. Det positiva sambandet mellan vattenföring och koncentrationen av TOC, P, Fe, Cu och Zn, samt i vissa fall för N innebär givetvis att transporten av dessa ämnen ökar i samband med hög vattenföring (Fig. 4 och 6). Det generella mönstret vid jämförelse av de två olika beräkningssystemen för transporterad veckomängd är att transportmängder som beräknats från månatlig provtagning uppvisar en lägre mängd innan flödestoppen inträffar och överskattar mängden under veckorna efter flödestoppen under de två studerade åren (Fig. 8-11). Vid jämförelse av den totala transporterade mängden under vårfloden uppvisar dygnsprovtagningarna hos de flesta studerade variabler högre total mängd jämfört med beräkningar från månadsprovtagningarna (Tabell 1), vilket tyder på att månadsprovtagningarna underskattar belastningen på havet. Den största skillnaden (-5 – -39 %) ses hos Tot-P där månadsprovtagningarna underskattar mängden transporterat fosfor och här är avvikelsen större i Ume älv än i Kalix älv (Tabell 2). Även TOC och NO2+NO3-N uppvisar en avvikelse i månadsprovtagningen som varierar mellan +5 – -23 (Tabell 2). För övriga variabler är avvikelsen så gott som försumbar, med undantag för Cu och Zn i Kalix älv som vid den ena provtagningen har en något högre avvikelse, -23 % resp. -27 % (Tabell 2). Ser man i absoluta tal så är variationen i transporterad mängd mellan dygnsprovtagning och månadsprovtagning inte stor eller nästan lika i alla fall för PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu och Zn (Tabell 1). Generellt är andelen av de totala ämnestransporterna för de olika variablerna under vårflödet för båda åren större i Kalix älv än i Ume älv, vilket även följer vattenföringen som är högre i Kalix älv (Tabell 1). Transportmängder beräknade från veckoprovtagning jämfördes även med transportmängder beräknade från månadsprovtagning. Fokus var riktat mot P-fraktionerna eftersom de hade den största avvikelsen i månadsprovtagningen från dygnsprovtagning (Tabell 2). Det generella mönstret för TotP och PO4-P vid den här jämförelsen är liknande som vid jämförelsen mellan dygns- och månadsprovtagning, dvs. den måntliga provtagningen uppvisar en lägre mängd innan flödestoppen inträffar och överskattar mängden efter flödestoppen (Fig.12). Det samma gäller även för de andra variablerna och vid jämförelse av den totala transporterade mängden uppvisar veckoprovtagningen hos de flesta studerade variabler högre total mängd jämfört med beräkningar från månadsprovtagningarna och i några fall även högre än hos dygnsprovtagningarna (Tabell 1). Den största skillnaden ses fortfarande hos P-fraktionerna (-11 - -39 %), men även NO2+NO3-N och metallerna uppvisar en stor underskattning i månadsprovtagningen (Tabell 3). 15
7,5
15
y = -0,000x + 6,938 R² = 0,297 y = -0,000x + 7,009 R² = 0,569
pH
TOC mg/l
7
6,5
10
y = 0,002x + 5,171 R² = 0,415
5
y = 0,006x + 4,113 R² = 0,772 6
0 0
500
1000
3 1500
Q m /s
150
2500
0
y = 0,046x + 3,818 R² = 0,461
1000
1500
Q m3/s
2000
2500
PO4-P µg/l
20
10
50
y = 0,01x - 3,381 R² = 0,503 y = 0,002x + 6,030 R² = 0,070
0
0 0
500
1000
1500
Q m3/s
600
2000
0
2500
500
1000
1500
Q m3/s
300
y = 0,029x + 255,5 R² = 0,026
2500
y = -0,173x + 209,7 R² = 0,492
200
Tot-N µg/l
2000
y = 0,016x + 34,92 R² = 0,020
NO2+NO3-N µg/l
y = -0,067x + 398,6 R² = 0,075
400
100
200
0
0 0
500
1000
1500
Q m3/s
8000
2000
0
2500
500
1000
1500
Q m3/s
Abs._Diff
4000
2000
0,3 0,2
y = 0,000x - 0,054 R² = 0,385
0,1
0
y = 0,000x + 0,033 R² = 0,475
0 500
1000
1500
Q m3/s
2000
2500
0,4
y = 1,815x + 748,5 R² = 0,436
0
2000
0,5
y = 1,848x - 259,1 R² = 0,331
6000
Fe µg/l
500
30
y = 0,046x - 18,33 R² = 0,559
100
Tot-P µg/l
2000
2500
0
500
1000
1500
Q m3/s
2000
2500
Figur 4. Linjära regressioner mellan vattenföring (Q m3/s) och samtliga variabler under vårfloden 2008 (röd punkt och text) och 2009 (blå punkt och text) i Kalix älv. Figure 4.Linear regressions between discharge (Q m3/s) and all variables during spring flood 2008 (red point and text) and 2009 (blue point and text) in Kalix River. 16
4
y = 0,000x + 0,474 R² = 0,359
y = 0,003x + 0,605 R² = 0,179 y = 0,001x + 1,747 R² = 0,107
10
Zn µg/l
3
Cu µg/l
15
y = 0,001x - 0,102 R² = 0,484
2
5 1
0
0 0
500
1000
1500
Q m3/s
2000
2500
0
500
1000 3 1500 Q m /s
2000
2500
Figur 4. (Fortsättning) Figure 4. (Continued)
150
30
y = 0,018x - 0,681 R² = 0,890 y = 0,024x - 13,01 R² = 0,949
Tot-P µg/l
PO4-P µg/l
100
50
20
10
y = 0,004x + 0,174 R² = 0,874 y = 0,002x + 2,586 R² = 0,600
0
0 0 150
2000
4000
Fe µg/l
6000
8000
0
4000
y = 315,8x - 5,923 R² = 0,914
PO4-P µg/l
Tot-P µg/l
10
0
y = 47,16x + 0,852 R² = 0,916 y = 36,90x + 3,343 R² = 0,596
0 0,1
8000
20
50
0
6000
Fe µg/l
30
y = 207,4x + 2,249 R² = 0,936
100
2000
0,2
0,3
Abs._Diff
0,4
0,5
0
0,1
0,2
0,3
Abs._Diff
0,4
0,5
Figur 5. Linjära regressioner mellan Tot-P, PO4-P mot Fe och Abs._Diff under vårfloden 2008 (röd punkt och text) och 2009 (blå punkt och text) i Kalix älv. Figure 5. Linear regressions between Tot-P, PO4-P and Fe and Abs._Diff during spring flood 2008 (red point and text) and 2009 (blue point and text) in Kalix River.
17
7,5
15
y = -0,000x + 7,134 R² = 0,620
10
TOC mg/l
pH
y = -0,000x + 7,068 R² = 0,030 7
5
6,5
y = 0,002x + 4,358 R² = 0,633 y = 0,005x + 3,418 R² = 0,185
0 0
500
1000 3
Q m /s
1500
2000
0
500
Q1000 m3/s
y = 0,001x + 0,979 R² = 0,467
30
y = -0,002x + 4,933 R² = 0,053
PO4-P µg/l
10
20 y = 0,027x - 9,960 R² = 0,880
10
y = 0,003x + 12,39 R² = 0,004
0 0
500
1000
Q m3/s
600
1500
2000
0
1000 Q m3/s
1500
2000
y = 0,032x - 4,784 R² = 0,607
y = -0,006x + 240,0 R² = 0,000
Tot-N µg/l
500
150
y = 0,070x + 138,7 R² = 0,588
400
5
0
NO2+NO3-N µg/l
Tot-P µg/l
2000
15
40
200
0
y = -0,100x + 96,82 R² = 0,268
100
50
0 0
500
1000 3
Q m /s
1500
2000
0
1000
500
1000
Q m3/s
0,2
800 600 400
y = 0,592x - 145,7 R² = 0,803
200
1500
2000
y = 9E-05x - 0,026 R² = 0,880
0,15
Abs._Diff
Fe µg/l
1500
y = 3E-06x + 0,051 R² = 0,000
0,1
0,05
y = 0,263x + 271,2 R² = 0,034
0
0
0
500
1000 Q m3/s
1500
2000
0
500
1000
Q m3/s
1500
2000
Figur 6. Linjära regressioner mellan vattenföring (Q m3/s) och samtliga variabler under vårfloden 2008 (röd punkt och text) och 2009 (blå punkt och text) i Ume älv. Figure 6. Figure 4.Linear regressions between discharge (Q m3/s) and all variables during spring flood 2008 (red point and text) and 2009 (blue point and text) in Ume River. 18
15
2
y = 0,005x - 0,284 R² = 0,729 y = 0,004x + 1,656 R² = 0,131
1,5
Zn µg/l
Cu µg/l
10 1
5
y = 0,000x + 0,309 R² = 0,372
0,5
y = 0,000x + 0,648 R² = 0,005
0
0
500
1000 Q m3/s
1500
0 0
2000
500
1000
Q m3/s
1500
2000
Figur 6. (Fortsättning) Figure 6. (Continued)
40
y = 0,002x + 1,366 R² = 0,582
y = 0,030x + 1,226 R² = 0,890
PO4-P µg/l
30
Tot-P µg/l
15
y = 0,042x - 1,935 R² = 0,927
20
y = 0,005x + 0,869 R² = 0,551
10
5
10
0
0 0
200
400
600
Fe µg/l
800
0
1000
200
400
600
Fe µg/l
800
1000
15
40
y = 18,80x + 1,439 R² = 0,568 y = 47,27x + 0,857 R² = 0,760
PO4-P µg/l
Tot-P µg/l
30
20 y = 308,1x - 1,169 R² = 0,956
10
y = 210,7x + 2,922 R² = 0,919
0 0
0,05
0,1
Abs._Diff
0,15
10
5
0 0
0,2
0,05
0,1
Abs._Diff
0,15
Figur 7. Linjära regressioner mellan Tot-P, PO4-P mot Fe och Abs._Diff under vårfloden 2008 (röd punkt och text) och 2009 (blå punkt och text) i Ume älv älv. Figure 7. Linear regressions between Tot-P, PO4-P and Fe and Abs._Diff during spring flood 2008 (red point and text) and 2009 (blue point and text) in Ume River.
19
0,2
60
15
2000
2000
1500
PO4-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
50
30
1500
10
40 1000
20 500
1000 5 500
10 0 3
4
5
6
7
400
2000
300
1500
200
1000
2
3
4
5
6
7 2000
100 80
1500
NO2_N ton/vecka
2
0 1
60 1000
40
100
500
0
0
0 1
2
3
4
5
6
500
20
0 1
7
2
2000
1,5
1500
1
1000
0,5
2
3
4
5
6
7 2000
10
1500 Zn ton/vecka
Tot_N ton/vecka
1
Cu ton/vecka
0
0
1000
5
500
500
0
0
0 1
2
3
4
5
6
0 1
7
2
3
4
5
6
7
4000
2000
7500
1500
3000
1500
5000
1000
2000
1000
2500
500
1000
500
0
Fe ton/vecka
2000
TOC ton/vecka
10000
0
0 1
2
3
4
5
6
0 1
7
2
3
4
5
6
7
Figur 8. Veckoavrinning (m3/s, höger y-axel) samt veckotransporter av Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC och Fe från Kalix älv 2008. Blå stapel är resultat från dygnsprovtagning och röd stapel är resultat från månatlig provtagning. X-axel refererar till veckor. Vecka 7 endast beräknad för 3 dagar. Figure 8. Weekly discharge (m3/s, right y-axis) and weekly fluxes of Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC and Fe from Kalix River 2008. The results from the daily sampling are shown on blue bars and the results from monthly sampling are shown on red bars. X-axis refers to weeks. Week 7 is only calculated for 3 days.
20
70
1500
15
1500
50
PO4-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
60 1000
40 30 500
20
10
1000
5
500
0
0
10 0
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 1500
300
1000
200 500
100 0
0 3
4
5
6
7
8
1500
1
1000
0,5
2
3
4
5
6
7
8
TOC ton/vecka
9
40 500
20
0 2
3
4
5
6
7
8
9 1500
3
1000
2 500
1 0
0 1
1500
7500
8
1000
9
10000
7
4
0 1
6
0
500
0
5
60
1
1,5
4
1500
9
Zn ton/vecka
2
3
2
3
4
5
6
7
8
9 1500
4000 3000
1000
1000
Fe ton/vecka
Cu ton/vecka
1
2
80
NO2-N ton/vecka
400
Tot-N ton/vecka
1
5000
2000
500
2500 0
0 1
2
3
4
5
6
7
8
500
1000 0
9
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Figur 9. Veckoavrinning (m3/s, höger y-axel) samt veckotransporter av Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC och Fe från Kalix älv 2009. Blå stapel är resultat från dygnsprovtagning och röd stapel är resultat från månatlig provtagning. X-axel refererar till veckor. Vecka 1 och 9 endast beräknade för 5 dagar. Figure 9. Weekly discharge (m3/s, right y-axis) and weekly fluxes of Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC and Fe from Kalix River 2009. The results from the daily sampling are shown on blue bars and the results from monthly sampling are shown on red bars. X-axis refers to weeks. Week 1 and 9 are only calculated for 5 days.
21
1500
25
3
1500
2
1000
1
500
PO4-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
20 1000
15 10
500
5 0
0
0 1
2
3
4
200
4
5 1500
NO3-N ton/vecka
Tot-N ton/vecka
3
30
1000
100
1000
20
500 50
500
10
0
0
0 1
2
3
4
0
5
1 1500
1
2
3
4
5 1500
6 5
0,8 1000
0,6 0,4
Zn ton/vecka
Cu ton/vecka
2
40
1500
150
500
0,2
1000
4 3
500
2 1
0
0
0 1
2
3
4
0 1
5 1500
7000
2
3
4
5 1500
600
6000
500
5000
1000
Fe ton/vecka
TOC ton/vecka
0 1
5
4000 3000 500
2000
400
1000
300 200
500
100
1000 0
0
0 1
2
3
4
5
0 1
3
2
3
4
5
Figur 10. Veckoavrinning (m /s, höger y-axel) samt veckotransporter av Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC och Fe från Ume älv 2008. Blå stapel är resultat från dygnsprovtagning och röd stapel är resultat från månatlig provtagning. X-axel refererar till veckor. Vecka 1 endast beräknad för 2 dagar. Figure 10. Weekly discharge (m3/s, right y-axis) and weekly fluxes of Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC and Fe from Ume River 2008. The results from the daily sampling are shown on blue bars and the results from monthly sampling are shown on red bars. X-axis refers to weeks. Week 1 is only calculated for 2 days.
22
1000
2
10 500 5
0 1
2
3
4
5
6
7
8
1000
500
50 0 2
3
4
5
6
7
8
Zn ton/vecka
500 0,2 0,1 0 3
4
5
6
7
8
Fe ton/vecka
500 2000 1000 0 3
4
5
6
7
8
0 2
3
4
5
6
7
8
9 1000
3 2
500
1 0 2
3
4
5
6
7
8
9
400
3000
2
500
1
4000
1
9
0
1000
0
8
10
9
5000
7
4
0,3
2
6
20
1
0,4
1
5
0
1000
0
4
1000
9
0,5
3
30
0 1
2
40
150 100
0 1
NO3-N ton/vecka
Tot-N ton/vecka
500
0
9
200
Cu ton/vecka
1
0,5
0
TOC ton/vecka
1000
1,5
PO4-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
15
1000
300 200
500
100 0
9
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Figur 11. Veckoavrinning (m3/s, höger y-axel) samt transporter (veckovis) av Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC och Fe från Ume älv 2009. Blå stapel är resultat från dygnsprovtagning och röd stapel är resultat från månatlig provtagning. X-axel refererar till veckor. Vecka 9 endast beräknad för 2 dagar. Figure 11. Weekly discharge (m3/s, right y-axis) and weekly fluxes of Tot-P, PO4-P, Tot-N, NO2+NO3-N, Cu, Zn, TOC and Fe from Ume River 2009. The results from the daily sampling are shown on blue bars and the results from monthly sampling are shown on red bars. X-axis refers to weeks. Week 9 is only calculated for 2 days.
23
60
25
2000
Kalix älv 2008
20
1500
Tot-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
50 40 30
1000
10
20 500 0
0
3
4
5
6
1 3
2000
Kalix älv 2008
1500
10 1000 5 500 0
0 1
80
2
3
4
5
6
Tot-P ton/vecka
1000 40 500 20
15
3
4
5
6
7
8
1500
1
500
0
0 2
3
4
5 1000
Ume älv 2009
500 5
0
0 1
9 2
1500
Kalix älv 2009
5
10
0 2
4
1000
15
60
3
2
1 1500
0
2
Ume älv 2008
7
Kalix älv 2009
1
0
7
PO4-P ton/vecka
PO4-P ton/vecka
15
2
500
5
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 1000
Ume älv 2009
1,5
PO4-P ton/vecka
Tot-P ton/vecka
1000
15
10
PO4-P ton/vecka
1500
Ume älv 2008
1000
10
500
5
1
2
3
4
5
6
7
8
500
0,5 0
0
0
0
1
1
9
2
3
4
5
6
7
8
9
Figur 12. Veckoavrinning (m3/s, höger y-axel) samt veckotransporter av Tot-P och PO4-P från Kalix och Ume älv 2008 och 2009. Blå stapel är resultat från veckoprovtagning och röd stapel är resultat från månatlig provtagning. X-axel refererar till veckor. Figure 8. Weekly discharge (m3/s, right y-axis) and weekly fluxes of Tot-P and PO4-P from Kalix and Ume River 2008 and 2009. The results from the weekly sampling are shown on blue bars and the results from monthly sampling are shown on red bars. X-axis refers to weeks.
24
Tabell 1. Transporterad mängd av samtliga variabler från Kalix och Ume älv under vårfloden 2008 och 2009. DP = beräknad från dygnsprovtagning, VP = beräknad veckoprovtagning och MP = beräknad från månadsprovtagning. Table 1. Total fluxes of all variables from Kalix and Ume River during spring flood 2008 and 2009. DP = calculated from daily sampling, VP = calculated weekly sampling and MP = calculated from monthly sampling.
(ton) TOC
DP VP MP Tot-P DP VP MP DP PO4-P VP MP Tot-N DP VP MP NO2+NO3-N DP VP MP Fe DP VP MP Cu DP VP MP Zn DP VP MP
Kalix älv Ume älv 2008 2009 2008 2009 34 487 26 357 14 772 19 727 34 691 26 515 14 730 19 533 28 989 24 797 13 197 20 307 142 119 36 42 125 131 36 40 136 83 22 34 33 23 5,5 9,6 33 24 5,4 10,4 33 22 5,8 8,8 1 162 968 450 694 1 140 965 449 665 1 328 983 430 657 216 187 59 97 242 207 56 105 167 169 62 87 7 634 6 338 935 1 291 7 040 6 737 954 1 265 6 360 6 234 626 1 196 6,2 2,6 1,7 2,1 5,9 2,6 1,5 2,0 5,9 2,0 1,8 2,0 20 8,0 11 13 16 8,2 10 12 15 8,1 13 13
Tabell 2. Avvikelse (%) i månadsprovtagning från dygnsprovtagning. Table 2. Deviation (%) of monthly sampling from daily sampling
Tabell 3. Avvikelse (%) i månadsprovtagning från veckoprovtagning. Table 3. Deviation (%) of monthly sampling from weekly sampling
Kalix älv Ume älv 2008 2009 2008 2009 TOC -16 -6 -11 3 Tot-P -5 -30 -39 -19 -1 -7 5 -8 PO4-P Tot-N 14 2 -4 -5 -23 -9 5 -11 NO2+NO3-N Fe -17 -2 -33 -7 Cu -5 -23 4 -6 Zn -27 1 22 1
Kalix älv Ume älv 2008 2009 2008 2009 TOC -16 -6 -10 4 Tot-P 9 -37 -39 -14 0 -11 7 -15 PO4-P Tot-N 16 2 -4 -1 -31 -18 11 -17 NO2+NO3-N Fe -10 -7 -34 -5 Cu -1 -24 16 1 Zn -5 -1 30 7
25
Diskussion Påverkan på vattenkemin på grund av ökat flöde i älvar TOC spelar en viktig roll i många biogeokemiska processer i boreala ytvatten. Tidigare är det visat att löst organiskt material och suspenderade partiklar ökar i dessa vattendrag vid ökat flöde (bl.a. Forsgren och Jansson 1992, Kortelainen och Saukkonen 1992, Laudon et al. 2004). En av de mer påfallande effekterna av TOC i dessa system är dess starka påverkan på pH, speciellt under perioder av högt flöde (t.ex. Köhler et al. 2002, Laudon et al. 2001, Laudon och Bishop 2002). TOC påverkar även starkt transporten av metaller från marken till ytvatten pga. dess förmåga att bilda komplex (Tipping 1993). Således är en förväntad konsekvens av kraftiga vårflöden i de undersökta älvarna, Kalix och Ume älv, att koncentrationer av bl.a. organiskt material, näringsämnen och metaller ökar i vattendragen tillsammans med ökande halt av partikulärt material, vilket även kunde ses i figur 2 och 3. Orsaken till ökande TOC-halter vid vårflöden är ett resultat av att vattnet transporteras genom de övre jordlagren som är rika på organiskt material som sedan frigörs (Kortelainen och Saukkonen 1992, Laudon et al. 2004). En annan möjlig orsak till ökande TOC-halter vid ökat flöde är erosion vid strandkanten och suspenderat material från sedimentavlagringar i åbädden. Av de undersökta metallerna är samvariationen med TOC tydligare för Cu än Zn, eftersom koppar binds starkare till organiskt material, medan Zn är lättrörligare och mer pH-beroende (Adriano, 2001). Under högvattenflöde kan fosfor transporteras bort i olika former från stora aggregat och organiska föreningar, ner till fina lerpartiklar och kolloider eller i helt löst form som ortofosfater (Ulén 2005). I både Kalix och Ume älv fanns ett signifikant samband mellan Tot-P och Abs._Diff (Fig. 5 och 7), vilket tyder på att en stor del av fosforn transporteras i partikulär form. I huvudsak tillförs fosfor via markläckage från både skog, myr och övrig mark, men det suspenderade materialet kan även delvis utgöra eroderat material från fosforrika, marina avlagringar i åbädden under högsta kustlinjen (Löfgren, 1992). Signifikanta samband kunde även ses mellan Tot-P, PO4-P och Fe i båda flodmynningarna (Fig. 5 och 7), vilket tyder på att fosfor, både partikulärt och löst kan transporteras bundet till Fe. Fosfor kan antingen bilda komplex med partikulära Fe (III)oxyhydroxider eller transporteras tillsammans med Fe-kolloider (Forsgren och Jansson 1992, 1993). Ämnestransportmängderna för samtliga variabler (Zn endast 2008) är större i Kalix älv än i Ume älv, vilket även följer vattenföringen som har en högre flödestopp än Ume älv (Tabell 1). Orsaken till den högre flödestoppen är att Kalix älv är oreglerad, medan Ume älv är reglerad och således har ett mer utjämnat flöde över hela året. I den oreglerade Kalix älven utgör ämnestransporten för samtliga variabler under vårfloden 2008 runt hälften eller mer av årstransporten (Tabell 4). Vid en jämförelse av de totala ämnestransportmängderna för hela år 2008 i Kalix och Ume älv ser man att transporten av TOC, N-fraktionerna och Cu är ungefär lika stor i båda älvarna, medan Zn är större i Ume älv och P-fraktionerna, samt Fe är dubbelt så stora respektive fyra gånger större i Kalix älv (Tabell 4). I en reglerad älv är uppehållstiden för vattnet mycket längre än i en oreglerad älv då vattnet samlas i de stora vattenmagasinen. Det innebär att olika naturliga kemiska och biologiska processer kan ske under längre tid i en reglerad och utbyggd älv än i en oreglerad. Vattenkemiskt medför detta att en stor del av det partikulära materialet stannar kvar uppströms i vattenmagasinen och sjunker ned på bottnen istället för att föras iväg med vattenflödet. Hos P-fraktionerna som i Ume älv har både betydligt lägre koncentrationer och transporterad mängd till havet betyder detta troligtvis att en stor del av den fosfor som mobiliseras under vårfloden och tillförs vattendragen transporteras bundet till partikulärt material och således sjunker ned till botten då vattnet bromsas upp och samlas i de stora vattenmagasinen uppströms älven. Den här retentionen av fosfor i sedimenten förefaller vara rätt så stabil eftersom årstransporten av fosfor är betydligt lägre i Ume 26
älv än i Kalix. Koncentrationen och den transporterade mängden Fe är betydligt mindre i Ume älv än i Kalix äv. Orsaken till detta är delvis samma som för fosfor, dvs. att Fe, som till en stor del förekommer som partikulära Fe (III)oxyhydroxider eller Fe-kolloider sedimenteras då vattnet ansamlas i de stora vattenmagasinen uppströms älven. Järn är även ett redox-känsligt ämne, vilket i det här fallet kan ha betydelse och kan orsaka en frisättning av järn och därtill bunden fosfor vid förhållanden med låga syrgashalter. Samma mönster som hos fosfor och Fe kan delvis även ses hos Cu, som har något lägre årstransport i Ume älv än i Kalix och även här är en utfällning och retention möjlig. De andra ämnena fälls inte ut lika lätt utan transporten ut till havet sker troligtvis i en mer jämn ström under hela året.
Tabell 4. Jämförelse av Kalix och Ume älvs transportmängder för samtliga variabler under 2008 samt under vårfloden 2008 (dygnsmätning) med totalbelastning för år 2008 för Bottenviken, Bottenhavet och hela Sverige. Table 4.Annual fluxes 2008 and fluxes during spring flood 2008 (daily sampling) of all variables in Kalix and Ume River compared to total load for 2008 to the Bothnian Bay, the Bothnian Sea and Sweden. Kalix älv TOC Tot-P PO4-P Tot-N NO3+NO2-N Fe Cu Zn
ton ton ton ton ton ton ton ton
Areal
km
2
Ume älv
Botten- Botten- Sverige viken havet
2008 Vårflod 2008 Vårflod 69 743 34 487 64 701 14 772 407 299 506 698 221 142 112 36 957 741 63 33 27 5,5 277 200 2 774 1 162 2 575 450 14 451 22 097 636 216 536 59 2 056 6 256 14 376 7 634 3 416 935 52 866 20 908 11 6,2 8,0 1,7 89 62,4 31 20 50 11 338 306 23 845
26 567
130 951 179 713
1 494 908 3 386 1 176 99 814 47 166 110 329 267 954 472 819
Jämförelse mellan dygnsprovtagning, veckoprovtagning och månadsprovtagning – effekter på belastningsberäkningarnas kvalitet Resultaten från de båda beräkningssätten, där belastningsberäkningar uträknade från månadsprovtagning har jämförts med belastningsberäkningar uträknade från dygnsprovtagning, visar att månadsprovtagningen i de flesta fall underskattar ämnestransportmängden ut till havet. Dock är underskattningen relativt liten och varierande hos de flesta variabler förutom hos Tot-P och Fe där avvikelsen (underskattningen) är upp till 39 % respektive 33 % i Ume älv (Tabell 2). Samtidigt kunde man se i jämförelsen av veckotransporter att ämnestransportmängder som beräknats från månatlig provtagning uppvisar en lägre mängd innan flödestoppen inträffar och överskattar mängden efter flödestoppen under de två studerade åren, där underskattningen ändå är större överlag. Den största orsaken till både underskattningen och den stora variationen mellan de två undersökta åren är att den månatliga provtagningen inte är flödesstyrd utan sker i mitten på varje månad, vilket gör att det är svårt att fånga in flödestoppen från år till år och istället blir det slumpen som avgör i vilket skede av vårfloden som provtagningen sker. Resultatet från provtagningen ligger sedan till grund för belastningsberäkningen till haven som beräknas med hjälp av linjär interpolering mellan de olika provtagningstillfällena. Vårfloden från skogslandskapet håller på ca en månad från början till slut, vilket gör att den i sämsta fall i stort sett obemärkt kan passera förbi mellan två månadsprovtagningar. I en naturlig oreglerad älv kan detta ha stora skillnader i beräkning av den totala årstransporten för en del variabler, främst organiskt material, 27
fosfor och metaller då närmare hälften av den årliga transportmängden till havet transporteras under vårfloden (Tabell 4). I reglerade älvar såsom i Ume älv är effekterna troligtvis inte lika stora då andelen transporterat material under vårfloden är mindre pga. utjämnat flöde under hela året, samt att en del material hinner sedimentera i vattenmagasinen (Tabell 4). Orsaken till den stora avvikelsen i främst Ume älv hos Tot-P och Fe är ännu inte helt klarlagd, men ser man i absoluta tal och jämför med totalbelastning till Bottenhavet, där Ume älv mynnar ut så utgör Ume älvs vårflodsbelastning av Tot-P och Fe endast 4,9 % respektive 4,5 % av den totala belastningen (exklusive direktutsläpp från punktkällor). En annan aspekt är biotillgängligheten av fosfor – vilken P-fraktion är mest biotillgänglig? Löst fosfor och fosfat har en hög biotillgänglighet, medan partikelbunden fosfor har betydligt lägre biotillgänglighet i vattenekosystemen (Uusitalo 2004, Bergström et al. 2007). Det här betyder sannolikt att fosforn som transporteras under vårfloden inte är speciellt biotillgänglig då den till största delen transporteras i partikulär form. Vid jämförelse av veckoprovtagningen med månadsprovtagningen var resultatet ungefär lika eller i några fall sämre än samma jämförelse med dygnsprovtagningen. Detta betyder att en veckoprovtagning under vårflödet inte alltid ger ett tillförlitligare resultat än en månadsprovtagning. Detta bekräftar åter igen att slumpen till stor del avgör i vilket skede av vårfloden som provtagningen sker. I en tidigare undersökning av Ekholm et al. (1995) utvärderades nordiska älvars ämnestransporter och beräkningar, samt vattenkemiprovtagningarnas antal och tidpunkt. Då uppställdes en målnivå där de årliga ämnesflödesuppskattningarnas fel och spridning skulle vara ≤ 10 %. Det resulterade i att de stora reglerade älvarna behövde i allmänhet 12 tidstyrt tagna prov för att målnivån inte skulle överskridas (Ekholm et al. 1995). I Kalix och Ume älv är avvikelsen i månadsprovtagningen jämfört med dygnsprovtagningen i över hälften av mätningar ≤ 10 % (Tabell 2). En flödesstyrd provtagning i den oreglerade Kalix älven skulle troligtvis förbättra precisionen marginellt och även förbättra belastningsuppskattningarna till havet, samtidigt som ett utökad provtagningsintervall troligtvis anses onödig.
Slutsatser Syftet med den här studien har varit att granska hur en utökad provtagningsfrekvens påverkar belastningsberäkningarnas kvalitet i två norrländska älvar. Resultaten visar att månadsprovtagningar i de flesta fall underskattar ämnestransportmängden ut till havet. Dock är underskattningen relativt liten och varierande hos de flesta variabler under de två undersökta åren. Den största avvikelsen hittas hos Fe och Tot-P där månadsprovtagningarna underskattar ämnestransporten med 33 % respektive 39 % i Ume älv under 2008. Samtidigt så utgör mängden transporterat P och Fe under vårfloden i den reglerade Ume älven endast ungefär en tredjedel av den sammanlagda årstransporten, medan de i den oreglerade Kalix älv utgör nästan två tredjedelar av årstransporten. Den totala mängd P och Fe som transporteras ut till havet från Kalix älv är dessutom dubbelt respektive fyra gånger större än transporten från Ume älv fast avrinningsområdena är i samma storleksklass. Den största orsaken till detta är att Kalix älv är oreglerad och har ett kraftigt vårflöde. Den kraftiga vårfloden för med sig stora mängder av organiskt material och suspenderade partiklar både från strandkanten och genom snösmältningen inåt land. Dessa partiklar binder till sig både näringsämnen och metaller som sedan förs iväg nedströms. I en tidsstyrd månadsmätning i en oreglerad älv som Kalix älv kan man i värsta fall obemärkt undgå en vårflod, som ungefär håller på en månad, vilket gör att man i så fall kommer att underskatta årstransporten för främst organiskt material, fosfor och metaller det året, då närmare hälften av den årliga transportmängden till havet transporteras under vårfloden. 28
I Norrland finns endast fyra oreglerade älvar kvar - Torne älv, Kalix älv, Pite älv och Vindelälven där Vindelälven ansluter sig till Ume älv nära mynningen. En flödesstyrd provtagning i de oreglerade norrländska älvarna kan kanske förbättra precisionen något, medan det månatliga provtagningsintervallet förefaller vara tillräckligt för de flesta ämnena. Då reglerade älvar har ett jämnt flöde över året och därmed en jämnare ämnestransport är troligtvis 12 tidsstyrda provtagningar tillräckliga. Ett alternativ till flödesstyrd provtagning/-mätning kan vara att intensifiera provtagningarna genom att t.ex. ta prover veckovis under perioden då vårflödet antas vara störst. Detta skulle kunna inskränkas till att endast omfatta de oreglerade älvarna (i detta fall exklusive Vindelälven som ju ingår i Ume älvs flodmynningsstation) eller till samtliga norrlandsälvar med ett tydligt vårflöde. Men beräkningar av veckoprovtagningen i den här studien gav inte nämnvärt bättre resultat än månadsprovtagningen och i så fall bör denna metod undersökas bättre. Detta förfarande är dock mindre lämpligt för vattendragen i den södra delen av landet där vårflödena både är mer varierande i omfattning och tidpunkt.
29
Referenser Adriano D.C. 2001. Trace Elements in Terrestrial Environments; Biogeochemistry, Bioavailability and Risks of Metals. 2nd edition, Springer-Verlag Bergström L., Djodjic F., Kirchmann H., Nilsson I. och Ulén B. 2007. Fosfor från Jordbruksmark till Vatten - tillstånd, flöden och motåtgärder i ett nordiskt perspektiv. SLU, Rapport MAT 21 nr 2. Ekholm P., Kronvang B., Posch M. and Rekolainen S. 1995. Accuracy and precision of annual nutrient load estimates in Nordic rivers. Vatten och miljöförvaltningens publikationer, serie A 205, Vatten och Miljöstyrelsen, Helsingfors, Finland. Forsgren G. och Jansson M. 1992. The turnover of river-transported iron, phosphorus and organic carbon in the Öre estuary, northern Sweden. Hydrobiologia 235/236: 585-596. Kortelainen P. och Saukkonen S. 1992. Leaching of organic carbon and nitrogen from peatland dominated catchments. Mires and Peat 43: 221-225. Köhler S., Hruska J., Jonsson J., Lövgren L. och Lofts S. 2002. Evaluation of different approaches to quantify strong organic acidity and acid-base buffering of organic-rich surface waters in Sweden. Water Res. 36: 4487-4496. Laudon H., Köhler S. och Buffam I. 2004. Seasonal TOC export from seven boreal catchments in northern Sweden. Aquat. Sci. 66: 223-230. Laudon H. och Bishop K. 2002. Episodic stream water decline during autumn storms following a summer drought. Hydrol. Proc. 16: 1725-1733. Laudon H., Westling O., Löfgren S. och Bishop K., 2001. Modeling preindustrial ANC and pH during the spring flood in northern Sweden. Biogeochemistry 54: 17-195. Löfgren, S. 1992. Samordnad vattendragskontroll i Norrbottens län – vattenkvalitet och ämnestransport 1965-90, samt förslag till ändring av kontrollprogram. Länstyrelsen i Norrbottens län, Rapportserie nr 2. Sonesten L. 2009. Förbättrade belastningsberäkningar till de internationella rapporteringarna Eurowaternet-Marine data, Ospar Rid och Plc Annual – Genomgång av dagens beräkningar och jämförelser med recipientkontrolldata och PLC5-data, samt förslag till förbättringar av beräkningar av närsaltsbelastningen. SMED Leveransrapport januari 2009. Tipping E., 1993. Modeling the competition between alkaline-earth cations and trace-metals species for binding by humic substances. Environ.Sci. Technol. 27: 520-529. Ulén B. (Red.) 2005. Fosforförluster från mark till vatten. Naturvårdsverket, Rapport 5507. Uusitalo R. 2004. Potential bioavailability of particulate phosphorus in runoff from arable clayey soils. Doctoral Dissertation, Agrifood Research Reports 53, MTT Agrifood Research. Väder och Vatten 2008-2009, SMHI 30
