Bilaga 4 Steg 2 – Beräkning av internbelastning i sjöar

Detta är en bilaga till Handbok för åtgärder mot internbelastning

Syfte

I detta dokument beskriver vi hur man utifrån miljöövervakningsdata kan beräkna internbelastningens storlek. Den beräknade internbelastning kan sedan användas för att ange om internbelastningen i sjön är förhöjd jämfört med den i opåverkade sjöar. Man kan även jämföra den beräknade internbelastningen med den externa belastningen för att få en uppfattning om deras relativa bidrag till den totala belastningen.

I bilaga 3 beskriver vi vilka miljöövervakningsdata som behövs för beräkningarna och hur man kan ta fram dem.

Princip

Internbelastningen beräknas utifrån massbalansberäkningar för fosfor där en positiv balans motsvarar internbelastningen. Denna kallas för nettointernbelastning (PNI) eftersom den är mellanskillnaden mellan den fosfor som frigörs från sedimenten (bruttointernbelastning, PBI) och den fosfor som sedimenterar i vattnet. Där det är möjligt är det önskvärt att man genom uppskattning av sedimentationshastigheten även beräknar bruttointernbelastningen. Det är bruttomängden av fosfor som verkligen belastar och påverkar sjöar. Man bör därför också jämföra denna mängd med externbelastningen för att kunna bedöma vilka åtgärder skulle bli mest effektiva.

Omblandade sjöar och polymiktiska sjöar under perioder utan skiktning

Nettointernbelastningen (PNI) beräknas utifrån en förenklad massbalansberäkning för fosfor:

PNI = ΔPsjö – Pin + Put (netto massbalans),

där ΔPsjö är ändringen i mängden fosfor i sjön mellan provtagningstillfällena och Pin och Put
tillförsel respektive bortförsel av fosfor från sjön.

Under sommaren växer alger, och använder näringsämnen. När algerna sedan dör antingen sedimenterar de eller blir uppätna av djurplankton, som i sin tur dör och sedimenterar eller blir uppätna av fisk. Fosfor i avföring från fisk och djurplankton sedimenterar också.

Nettointernbelastning är därför egentligen summan av två motsatta processer som i en hiss: frigörelse av fosfor från sedimenten med överföring av fosfor till vattenfasen – hissen upp, och sedimentation av fosfor från vattenfasen till sedimenten – hissen ner (Figur 1).

Figur 1. En förenklad version av fosforkretsloppet i helt omblandade och polymiktiska, svagt skiktade sjöar. De svarta (pilar med riktning från botten till toppen) linjerna visar bruttointernbelastning, de röda (pilar med riktning från toppen till botten) sedimentation av fosfor och de gröna (cirkulära pilar) algernas användning av fosfor från interna källor.

I den förenklade massbalansberäkningen mäter man inte dessa processer separat.

Internbelastning avser därför nettointernbelastningen (PNI):

PNI = bruttointernbelastning (PBI) – sedimentation (Psed)

En hög bruttointernbelastning kan därför osynliggöras om det parallellt sker en hög sedimentation så att nettointernbelastningen blir låg. Om man enbart beräknar nettointernbelastningen kan detta alltså leda till en stor underskattning av internbelastningen.

Figur 2. Resultat från dynamisk sjömodellering för internbelastning och sedimentation av fosfor i Finjasjön år 2015 som visar en hög bruttointernbelastning och hög sedimentationshastighet. (data fån Huser 2021). Nettointernbelastningen blir därför låg.

Ett exempel är Finjasjön i Hässleholm (Figur 2). Den beräknade nettointernbelastningen för 2015 var negativ och uppgick till -0,4 ton P, dvs. det skedde en nettosedimentation av fosfor.

Däremot beräknades bruttointernbelastningen till 5,3 ton med hjälp av en dynamisk modell (steg 3 i verktyget) som separerar internbelastning och sedimentation (Tabell 1).

Tabell 1. I tabellen visas källor och sänkor för fosfor samt ändring av fosformassan i sjön (p.g.a. olika fosforhalter och volymer) mellan start och slut av modelleringsperioden (ΔPsjö). (Opublicerad data från Huser 2021.)

Beräkning av enbart nettointernbelastningen skulle därför leda till slutsatsen att ingen risk för förhöjd internbelastning föreligger. Detta trots att det sker en betydande bruttointernbelastning under sommarhalvåret, vilket leder till algblomning och att när algerna sedan dör och sedimenterar bidrar de till en hög sedimentation (jämför Figur 1). Därför rekommenderar vi att man när det är möjligt använder den modifierade ekvationen nedan för att beräkna internbelastning av fosfor för omblandade och svagt skiktade sjöar:

PBI = ΔPsjö – Pin + Put + Psed (bruttomassbalans),

där Psed är mängden fosfor som sedimenterar från sjövattnet.

Hur beräkningen kan göras beskriver vi längre ner i avsnittet ”Hänsyn till sedimentation och beräkning av brutto internbelastning”.

Dimiktiska sjöar

I dimiktiska sjöar med en stabil skiktning ackumuleras fosforn som frigörs från sedimenten i vattenmassan under språngskiktet. Fosforns rörelse från vattenmassan nära botten mot ytvattnet är begränsad av ämnets låga diffusionshastighet i vatten. Under perioder med stabil skiktning synliggörs därför internbelastningen i dessa sjöar som en typisk fosforprofil med höga fosforhalter i vattenmassorna nära botten och gradvis lägre halter mot ytan (Figur 3). Internbelastningen kvantifieras som ökningen av mängden fosfor i vattenmassorna under språngskiktet under perioder med stabil skiktning.

Figur 3. Skiktad, dimiktisk sjö (vänster) och profildata för temperatur och TP (höger). Horisontella streckade linjer i sjön representerar gränser för termoklinen. Den vertikala streckade linjen i figuren till höger representerar bakgrund TP (20 µg L^-1 i detta exempel) som subtraheras från alla TP koncentrationer i profilen innan P-massan beräknas.

Beräkning av internbelastningen

Omblandade sjöar och polymiktiska sjöar med instabil skiktning

Metoden används för helt omblandade sjöar och polymiktiska sjöar under perioder när de inte visar någon stabil skiktning.

Databehov

Följande behövs för att kunna utföra beräkningen:

• djupkarta med upplösning på minst 1 m samt hypsograf konstruerad från djupkartan
• minst månatliga data på tillförsel och bortförsel av fosfor, vilket kräver mätning av både vattenflöden och fosforhalter
• minst månatliga data på Ptot i sjön samt vattennivån vid provtagningen i sjöar med varierande vattenstånd.

Beräkning av nettointernbelastning i kg P

Nettointernbelastningen, P_ni, beräknas utifrån nettomassbalansen:

P_ni = ΔP_sjö – P_in + P_ut (i kg P)

Tillförsel och bortförsel av fosfor beräknar man genom att multiplicera den uppmätta fosforhalten med vattenföringen. För att kunna beräkna mängderna fosfor mellan två provtagningar behöver man ta ett medelvärde av fosforhalten och av vattenföringen vid första och vid andra provtagningstillfället.

Om vattenmassan i sjön var helt omblandad vid provtagningstillfället beräknar man mängden fosfor i sjön genom att multiplicera den uppmätta halten med sjöns hela vattenvolym. Om man har mätningar av vattenståndet vid provtagningarna kan man använda dessa för att med hjälp av hypsografen för sjön beräkna vattenvolymen vid olika vattenstånd. Det förutsätter dock att vattenståndet (eller maximaldjupet) var känt när djupkarteringen som ligger till grund för hypsografen genomfördes.

Om sjön var skiktad vid provtagningen och proverna visar att fosforkoncentrationen inte är konstant med djup beräknar man mängden fosfor i sjön genom att addera mängden fosfor för varje skikt. Hur detta görs beskriver vi i avsnittet om dimiktiska sjöar nedan. Observera dock att man för polymiktiska sjöar även tar med mängden fosfor i ytvattenskiktet i beräkningen, och inte enbart mängden under språngskiktet. Man beräknar alltså mängden fosfor i hela vattenmassan. Om man använder denna metod måste den användas under hela säsongen för att man ska kunna jämföra fosformängder och beräkna internbelastningen mellan provtagningstillfällena.

Hänsyn till sedimentation och beräkning av bruttointernbelastning

I polymiktiska sjöar är det inte ovanligt med perioder där det sker (netto)sedimentation, dvs. att sedimentationen är högre än internbelastningen. Om man med provtagningen har fångat in perioder med nettosedimentation kan man använda data för dessa perioder för att uppskatta nettosedimentationen. Det är viktigt att vara medveten om att eftersom det handlar om nettosedimentation (dvs. att det kan finnas internbelastning samtidigt) är dessa data en underskattning av den verkliga (brutto)sedimentationshastigheten. För att beräkna sedimentationen är det bäst att använda minskningen av mängden fosfor i vattnet som ofta sker under våren och senhösten då internbelastningen är som lägst.

För att kunna uppskatta sedimentationen, använder man den vanliga massbalansekvationen för beräkning av internbelastning:

P_ni = ΔP_sjö – P_in + P_ut (nettomassbalans)

När P_NI är negativ finns det mer sedimentation än internbelastning och P_NI kan likställas med sedimentationshastigheten, P_sed, om man kan anta att internbelastningen är försumbar. Eftersom det oftast går olika många dagar mellan provtagningarna, måste mängden fosfor (kg) förvandlas till mängden fosfor per tid (kg/dag). Detta gör man enkelt genom att dividera mängden sedimentation med antalet dagar mellan provtagningarna. Dessa mängder lägger man till nettointernbelastningen.

I tabell 2 visas ett exempel från en helt omblandad sjö där prover togs från den 28 april t.o.m. den 19 oktober. Nettointernbelastningen beräknades enligt formeln för en nettomassbalans. Under de perioder där nettointernbelastningen var negativ var sedimentationen större än (brutto-) internbelastningen. I detta exempel var den beräknade nettointernbelastningen mest negativ under senhösten mellan den 7 och den 19 oktober (283 kg). Det är rimligt att anta att (brutto)internbelastningen var försumbar under denna period på senhösten och den beräknade negativa nettointernbelastningen kan därför likställas med sedimentationen. Sedimentationshastigheten under denna period var 23,6 kg P/dag (283/12 dagar). Genom att även anta att sedimentationshastigheten är konstant under hela provtagningsperioden kan man beräkna sedimentation i kg P mellan varje provtagningstillfälle. Detta gör man genom att multiplicera sedimentationshastigheten (23 kg P/dag) med antalet dagar mellan provtagningstillfällena. Dessa mängder lägger man till den beräknade nettointernbelastningen för att beräkna bruttointernbelastningen, P_bi:

P_bi = P_ni + P_sed

Resultaten visas i tabell 2.

Tabell 2. Nettointernbelastning, sedimentation och beräknad bruttointernbelastning (nettointernbelastning + sedimentation) mellan provtagningstillfällena. Nettointernbelastningen är beräknad utifrån nettomassbalansen.

Man kan även använda perioder under sommaren för att uppskatta sedimentation. Detta gör man om det inte finns några perioder under tidig vår eller sen höst då mängden fosfor i sjöns vatten minskar. Det är dock viktigt att vara medveten om att det vid mätning på sommaren nästan säkert blir en underskattning. Om det inte finns några tillfällen med negativ internbelastning (nettosedimentation) kan man inte beräkna bruttointernbelastningen.[¹]

Beräkning av internbelastningshastigheten, Li

Internbelastningshastigheten för omblandade och polymiktiska sjöar uttryckt per bottenareal beräknar man genom att dividera internbelastningens storlek i kg P med antal dagar mellan provtagningarna och sjöns hela bottenareal. Den beräknade hastigheten, Li, uttrycks i mg P m^-2 d^-1 och kan jämföras med värdena i tabell 3 nedan.

Tabell 3. Steg 2: bedömning av nivån på internbelastningen i grunda, helt omblandade sjöar. Internbelastningshastigheten (Li) avser bruttointernbelastning, dvs. sedimentationen är fråndragen. Värdena representerar medianen för varje nivå.

Dimiktiska sjöar

Metoden används för dimiktiska sjöar med stabil skiktning. Den kan även användas som kompletterande beräkningssätt för polymiktiska sjöar under perioder när de har stabil skiktning.

Databehov

Följande behövs för att kunna utföra beräkningen:

• djupkarta med upplösning på minst 1–3 m beroende på sjöns djup
• minst månatliga data på Ptot i hela profilen (se bilaga 3 för hur provtagningen bör utföras)
• profildata för temperatur minst varje meter (för att kunna bestämma språngskiktet).

Beräkning av internbelastning i kg P

Mängden fosfor i sjön (kg P) under språngskiktet beräknar man genom att multiplicera fosforhalten i varje djupskikt under språngskiktet med vattenvolymen i det skiktet. För att bedöma det djup där ”bottenvattnet” börjar använder man storleken på temperaturändringen för varje meters djup. Där ändringen är 1 °C eller mer börjar språngskiktet. Vattenvolymen från den nivån och djupare används för att beräkna fosformassan under språngskiktet (se exemplet i tabell 4).

Tabell 4. Vattentemperatur genom vattenpelaren i en sjö med ett maximaldjup på 10,5 m. Volymen vid de djup som är i fet stil i tabellens gråskuggade fält används med fosforkoncentrationer på samma djupnivå för att beräkna mängden fosfor under språngskiktet. Mängden fosfor på de olika djupnivåerna summeras för att beräkna den totala mängden fosfor i bottenvattnet.

Fosforhalterna i sjöns ytvatten (ca. 0–2 m, oftast tas provet från 0,5 m) ovanför språngskiktet påverkas främst av fosforhalterna i det tillrinnande vattnet i starkt skiktade sjöar. Alger använder denna fosfor, dör, och sedimenterar sedan genom vattenpelaren på väg till sedimentet. Detta sker kontinuerligt och ökar mängden fosfor under språngskiktet. För att inte inkludera denna fosfor i beräkningen, subtraherar man fosforhalten i ytvattnet från alla prov innan man gör beräkningarna.[²] Bäst är att beräkna mängden fosfor med 1 m djupintervall.[³] I bilaga 5 beskriver vi hur man kan beräkna vattenvolymen för varje meter. Eftersom vattenkemiprovtagningen vanligtvis är utförd med större djupintervall än 1 m behöver man uppskatta fosforhalten för varje meters djupintervall genom att interpolera mellan provtagningsdjupen. Detta kan man göra genom att dra en rak linje mellan mätvärdena för provtagningsdjupen (figur 3). Eftersom det djupaste provet oftast tas minst 1 m ovanför botten kan det vara nödvändigt att uppskatta fosforhalten i vatten djupare än det maximala provtagningsdjupet. Detta gör man genom att fortsätta med samma interpoleringslinje som kopplar det djupaste provet med det näst djupaste. Som ett alternativ till att dra raka linjer mellan mätvärdena för provtagningsdjupen kan man anpassa en empirisk kurva som beskriver hur fosforhalten ändras med djup och använda ekvationen som beskriver kurvan för att beräkna fosforhalter för varje meters intervall.

Internbelastningen i kg P beräknar man genom att summera mängden fosfor för varje djupskikt under språngskiktet. Internbelastningen beräknas som skillnaden i mängden fosfor mellan två olika provtagningsdatum. Den maximala internbelastningen beräknas som skillnaden mellan den största mängden fosfor under språngskiktet (vanligtvis vid sensommarprovtagningen) och mängden fosfor under språngskiktet strax efter våromblandningen.

I skiktade sjöar förblir fosforn som har frigjorts från sedimenten i vattenfasen utan sedimentation så länge det inte sker någon påtaglig tillväxt av växtplankton under språngskiktet. Man kan därför betrakta den enligt ovan beräknade internbelastningen som bruttointernbelastning.

Det är viktigt att man enbart tillämpar ovanstående beräkningssätt under perioder när sjön har en stabil skiktning, annars är risken stor att internbelastningen kommer att underskattas. En underskattning uppstår om fosfor som frigörs från sedimentet når ytvattnet när skiktningen är svag, vilket ökar fosforhalterna i ytvattnet och minskar dem i bottenvattnet. Ofta visar detta sig genom att djupet på språngskiktet förflyttar sig under säsongen, medan fosforhalterna strax ovanför språngskiktet är högre än i ytvattnet. Se bilaga 2 för att bedöma om sjön är starkt skiktad eller inte.[⁴] Om man bedömer att sjön inte är starkt skiktad ska man använda metoden för polymiktiska sjöar för att beräkna internbelastningen.

Beräkna internbelastningshastigheten, Li

För att beräkna internbelastningens hastighet uttryckt per den bottenareal som bidrar till internbelastningen, dividerar man internbelastningens storlek i kg P med antalet dagar mellan provtagningarna och bottenarealen för den del av sjön som har ett djup större än språngskiktet. Den beräknade hastigheten, Li, uttrycks i mg P m^-2 d^-1 och kan jämföras med värdena i tabell 5 nedan.

Tabell 5. Steg 2: bedömning av nivån på internbelastningen i dimiktiska sjöar med stabil skiktning. Internbelastningshastigheten (Li) avser bruttointernbelastningen. Värdena representerar medianen för varje nivå.

---

[1] I Danmark används en modell för att uppskatta sedimentation utifrån sjöegenskaper som t ex. sjöns djup (Jensen et al 2006). Modellen är kalibrerad för grunda sjöar i Danmark men kan även vara tillämpbar på grunda sjöar i södra Sverige.

[2] Om detta ger upphov till negativa fosforhalter i bottenvattnet kan internbelastningen inte beräknas. Det innebär dock inte att det inte finns någon internbelastning. Det kan vara så att externbelastningen har ökat fosforhalterna i ytvattnet så att de är högre jämfört med de i bottenvattnet. Det kan också vara så att sjön inte är starkt skiktad och en del av den fosfor som frigjordes från sedimentet har nått ytvattnet. I sådana fall behöver man försäkra sig om att sjön verkligen är starkt skiktad.

[3] I stället för att beräkna mängden fosfor med 1 m djupintervall kan man som ett enklare alternativ beräkna mängden för varje djupintervall mellan djupkartans isolinjer, eller för varje djupintervall som har använts för vattenkemiprovtagningen. Detta är dock ett grövre beräkningssätt som enbart är motiverat om man anser att tillgängliga data är för osäkra för att motivera interpolering till 1 m djupintervaller. Det är dock viktigt att se till att fosforhalten man använder vid beräkningen för ett djupintervall är representativ för intervallet eftersom fosforhalten ofta ändras snabbt med djup.

[4] Sjön kan fortfarande betraktas ha en stabil, stark skiktning även om djupet på språngskiktet ändrar sig något under sommaren (1–2 m). Detta förutsatt att bottenvattentemperaturen förblir under 10 °C och att temperaturändringen vid språngskiktet är > 1 °C per meter.