Kustzonsmodell för norra Östergötlands skärgård

Östergötlands norra skärgård har modellerats med kopplade I-dimensionella modeller s.k boxmodeller med hög vertikal upplösning. Området har delats in i 18 bassänger. Indelningen har följt havsområdesindelningen enligt Svenskt Vattenarkiv (SVAR), (Lindkvist 1994). Ett modellsystem i PC miljö har byggts upp bestående av en kustzonsmodell för Östergötlands norra skärgård samt alla drivdataserier. Systemet innehåller också program för olika typer av resultatbearbetning. Den fysiska drivningen består av meteorologiska data från de synoptiska stationerna i Norrköping och Harstena. Sötvattentillrinningen och närsaltstillförseln kommer dels från de tre vattendragen Motala Ström, Pjältån (rinner ut i inre Bråviken) samt Söderköpingsån (mynnar i inre Slätbaken) och dels som diffus tillrinning från land. Dessutom ingår punktkällorna Slottshagens reningsverk och Bråvikens pappersbruk. Utsläppsdata från reningsverket i Söderköping ingår i data från Söderköpingsån och redovisas inte separat. Atmosfärsdeposition av kväve och fosfor har beräknats för samtliga 18 bassänger. I denna version av kustzonsmodellen är inte avdunstning och nederbörd medtagna. Validering. Modellen har validerats mot mätningar gjorda av Motala Ströms Vattenvårdsförbund (MSV). Mätningar sker i sex av områdets 18 bassänger och mätprogrammet är utformat så att det visar vattenkvaliten i yt- och bottenvatten under olika årstider. Modellberäkningarna har utförts under perioden 1985 tom 1998. Som valideringsperiod valdes åren 1992 tom 1998 eftersom salthaltsmätningarna startade först 1993. Valideringen visar att modellen klarar att beskriva salthaltens variationer både i yt- och bottenvattnet vilket indikerar att det horisontella utbytet mellan bassängerna är väl beskrivet. Beräknade vattentemperaturer och syrehalter i ytvattnet beskrivs också bra, men för flera av bassängernas bottenvatten ger modellen för höga temperatur och syrgashalter. Beräkningen av totalkvävehalterna är bra i ytvattnet. I bottenvattnet däremot varierar de beräknade värdena för lite och medelvärdet av beräkningarna är något för lågt. Generellt gäller också att de beräknade totalfosforhalterna är för låga i både yt- och bottenvattnet. Beräknade värden är ungefär hälften så stora som de uppmätta. Den största avvikelsen finns i inre Slätbaken där djupvattnet i verkligheten innehåller 2-4 gånger högre totalfosforhalter än vad modellen visar. Det beror troligen på ett fosforläckage från botten som är mycket större i verkligheten än vad som är beskrivet i modellen. Avvikelsen mellan modellresultaten och mätningarna kan bero på att ett eller flera flöden i modellen inte motsvarar de verkliga flödena men avvikelsen kan också vara påverkad av att vattenprov tagits på lokaler eller på djup som inte är representativa för bassängen. Prov kan t.ex. vara tagna i mer isolerade djupområden än de som modellens beräknade resultat representerar. Resultat. Kustzonsmodellen i Östergötlands norra skärgård beräknar 13 stycken variabler i 18 bassänger 144 gånger per dygn för en period om 14 år (1985-1998). Beräkningarna sker för minst varje meters djup i varje bassäng. Mängden utdata från modellen blir mycket stor och det gäller att få ut resultat från simuleringar på ett användbart och lätt redovisat sätt. I denna rapport visas beräknade halter i form av tidsserier med hög upplösning samt genomsnittliga transporter till kusten och mellan kustområden. Det är två exempel på kunskapsunderlag som är användbara inom t.ex. miljöövervakningens beskrivning av miljötillståndet i olika delar av kustvattnen och vid bedömning av olika källors potentiella betydelse för miljötillståndet i olika delar av kustområdet. I figurerna 19-21 redovisas beräknade årsmedelvärden över åren 1985 - 1998 av vattentransporten, totalkvävetransporten och totalfosfortransporten. Det är ett viktigt kunskapsunderlag som visar varifrån kvävet och fosforn kommer till ett visst havsområde, t.ex. hur stor del som kommer från utsjön (Östersjön) respektive från land och punktkällor. Den typen av flödesschema kan produceras för olika tidsperioder och för olika scenarier där utsläpp, flöden eller klimatförhållanden antagits vara förändrade. När det gäller vattentransporten mellan två bassänger styrs den av täthets- och vattenståndsskillnaden mellan bassängerna. Figur 19 visar att skillnaden mellan långtidsmedelvärdena av ut- och inflöde över ett sund till en bassäng är lika stor som summan av uppströms liggande sötvattenstillrinningar. På den långa tidsskalan (flera år) gäller att lika mycket vatten som kommer till en bassäng ska rinna ut, vilket innebär att bassängernas volymer är konstanta. Motala ström, som mynnar i inre Bråviken, utgör det största sötvattenstillflödet till systemet med en genomsnittlig vattenföring på ca 88 m /s. Vattenutbytet mellan bassängerna i Bråviken är dock betydligt större än sötvattentillförseln. Mellan yttre Bråviken och Bråvikens mynningsområde strömmar i genomsnitt ut 693 m3/s och in 647 m3/s (figur 19). Nettoutflödet från yttre Bråviken till bassängerna Bråvikens mynningsområde och Bosöfjärden blir ca 93 m3 /s vilket är lika med summan av all sötvattenstillförsel till hela Bråviken och Bosöfjärden. Vattnets omsättningstid för bassängerna i Bråviken varierar mellan 2 - 9 dagar. Denna snabba omsättningstid beror på de stora flödena mellan bassängerna. Slätbaken mottar i genomsnitt en sötvattentillförsel på ca 6 m3 /s. Vattenutbytet med utanför liggande bassänger är begränsat av grunda och smala sund. Vattnets genomsnittliga omsättningstid blir därmed relativt lång. Modellens resultat ger en omsättningstid i Slätbaken på 105 dagar och i utanför liggande Trännöfjärden 18 dagar. Dessa omsättningstider överensstämmer väl med beräkningar som gjordes i mitten på 1980-talet (Bergstrand 1987). För totalkväve, se figur 20, gäller att de genomsnittliga totalkvävetransporterna till hela Bråviken från land och från luften är ca 2975 ton/år. Nettotransporten ut från Bråviken till Bråvikens mynningsområde och till Bosöfjärden är på 2715 ton/år. Det innebär att 260 ton totalkväve blir kvar i Bråvikens bassänger. Till inre Slätbaken kommer det 312 ton totalkväve per år från land och från luften. Nettotransporten ut från inre Slätbaken är 259 ton/år. Av tillfört totalkväve stannar därmed 53 ton/år kvar i bassängen. Detta faktum att kvävetransporten minskar på sin väg från källan till havet kallas retention. Retentionen har beräknats för samtliga 18 bassänger och presenteras i tabell 7. I genomsnitt är totalkväveretentionen ca 2 g N/m2*år. Störst retention nås i bassängerna inre Slätbaken 3,4 g N/m2*år och i Bråvikens mynningsområde 3,1 g N/m2*år. Resultaten visar också att det existerar en totalkväveexport ut från kustzonsområdet till utsjön på 1496 ton/år. I den kommande beskrivningen av totalfosforflödena är det värt att komma ihåg att valideringen visade att de beräknade värdena är alldeles för låga. Det finns ingen bra 3 förklaring till detta eftersom valideringen av övriga variabler visade på en god överensstämmelse med mätningar. För totalfosfor, se figur 21, gäller att de genomsnittliga totalfosfortransporterna till hela Bråviken från land och från luften är 116 ton/år. Den totalfosformängd som lämnar Bråviken och når Bråvikens mynningsområde och Bosöfjärden är på 89 ton/år. Det innebär att 27 ton totalfosfor blir kvar i Bråvikens bassänger. Till inre Slätbaken kommer det 19 ton totalfosfor per år från land och från luften. Nettotransporten ut från inre Slätbaken är 16 .ton/år. Av tillfört totalkväve stannar därmed 3 ton/år kvar i bassängen. Denna retention av totalfosfor har beräknats för samtliga 18 bassänger och presenteras i tabell 7. I genomsnitt är retentionen ca 0,25 g P/m2*år. Störst retention nås i bassängerna Svensksundsviken 0,38 g P/m2*år och i Bråvikens mynningsområde 0,37 g P/m2*år. Eftersom valideringen visade att de beräknade totalfosforvärdena var alldeles för låga är det troligt att den verkliga fosforretentionen är betydligt större än vad modellen ger. Resultaten visar också att det existerar en totalfosforimport in till kustzonen från utsjön på 122 ton/år vilket är i samma storleksordning som summan av all totalfosfortransport från land och från luften vilken är 143 ton/år. Framtida modellförbättring. En svaghet i indata till modellen är att känna till vilken kvalite de hypsografiska kurvorna har. Ett exempel på en felaktighet visas genom att recipientkontrollens provtagningar i bottennära vatten i Arkösundsområdet sker på ett större djup än det maximala djupet för bassängen enligt modellens hypsografiska kurva. SMHI har köpt en digital djupdatabas från Sjöfartsverket för svenska kustområden och den manuella hanteringen har därmed ersattas med en automatisk rutin för generering av hypsografer. K valiten har därmed ökat genom att rent manuella misstag försvinner. Denna djupdatabas innehåller dock bara de djupuppgifter som finns på sjökorten och därmed kommer det även i framtiden att saknas djupdata inom vissa områden längs kusten. Den biogeokemiska delen av kustzonsmodellen, SCOBI, har enbart funnits ett par år och är relativt oprövad. Den beskriver de mycket komplicerade sambanden i kväve och fosforcyklerna i havet. Trots att SCOBI, som innehåller 9 samverkande variabler, upplevs som komplicerad innehåller den givetvis många förenklingar. I växtplanktonekvationen beskrivs t.ex. hur ett typiskt växtplankton beter sig i vattenmassan medan det i verkligheten finns hundratals olika sorters växtplankton med olika beteenden. SCOBI beskriver enbart omvandlingarna mellan det lösta oorganiska kvävet (DIN) och fosforn (DIP) och det partikulära organiska kvävet och fosforn. För att kunna beräkna totalkväve och totalfosfor behövs även en behandling av det lösta organiska kvävet (DON) och av löst organisk fosfor (DOP) och partikulär oorganisk fosfor (PIP). I den nuvarande versionen av SCOBI ingår inte beräkningar av DON respektive DOP och PIP. Detta har lösts i kustzonsmodellen så att DON, DOP och PIP behandlas som passiva ämnen som inte ingår i det biogeokemiska kretsloppet och alltså inte ingår i de rutiner som styr SCOBI. Troligen ska DON, DOP och PIP ingå i det biogeokemiska kretsloppet och därmed ska de i kopplas in i en vidareutvecklad SCOBI modell. Framtida forskning får visa detta. I Sverige pågår sedan ett år ett stort forskningsprojekt inom MISTRA programmet som heter MARE. Detta projekt syftar bl.a. till att ta fram nya processbeskrivningar vad gäller kväve och fosforflöden i vattenmassan samt utveckla budgetmodeller för kväve och fosfor i Östersjön. Det är mycket viktigt att SMHI följer och har nära kontakt med denna forskning. Härigenom kommer SCOBI eller någon liknande biogeokemiskrnodell i kustzonssystemet att löpande kunna utvecklas och förbättras. Kustzonsmodellen skall användas inom miljöövervakning och miljöanalys som komplement till mätdata och som utvärderingsverktyg. Modellen skall kunna beräkna vattenomsättning och vattenkvalitet med hjälp av information om kustens geografi, relevanta meteorologiska faktorer och tillförsel av ämnen från land och luft. Sammantaget förväntas detta ge bra 4 - underlag för miljöövervakningens specificering av och uppföljning av miljömål, samt för utredningar om konsekvenser av olika verksamheters utsläpp och läckage av näringsämnen. Resultaten från modellberäkningar kan t.ex. redovisas i kartor som visar eutrofieringstillståndet i de olika kustbassängerna. Eutrofieringstillståndet kan också visas som tidsserier i grafer som uppdateras med nya data från kustzonsmodellen. De senaste årens resultat från recipientkontrollen eller annan miljöövervakning kan där grafiskt jämföras med genomsnittsvärdet för tillståndet under t.ex. alla beskrivna år eller en referensperiod. Man kan dessutom göra mer skräddarsydda utvärderingar. Ett användbart exempel är att göra scenarier som kan användas vid miljökonsekvensbeskrivningar samt vid utformning respektive uppföljning av miljömål. Man kan göra beräkningar där klimat och/eller tillförsel av näringsämnen systematiskt ändras enligt scenariernas utgångspunkter. I ett fortlöpande miljömålsarbete kan beräkningsresultat från kustzonsmodellen användas som komplement till mätdata. Modellens resultat kan i detta fall användas för att ge information om tillstånd i delar av kusten där inga mätningar görs. Dessutom kan modellen ge information om hur tillståndet som mätts ett aktuellt år påverkats av just det årets vädersituation