MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

Miljøudvalget 2014-15 (1. samling)
MIU Alm.del Bilag 191
Offentligt

National kvælstofmodel

Oplandsmodel til belastning og virkemidler

Kortleverancer

Anker Lajer Højberg, Jørgen Windolf, Christen Duus Børgesen,

Lars Troldborg, Henrik Tornbjerg, Gitte Blicher-Mathiesen,

Brian Kronvang, Hans Thodsen og Vibeke Ernstsen

De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland

Klima-, Energi- og Bygningsministeriet

Aarhus Universitet

DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi

DCA – Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

ISBN 978-87-7871-400-8

Tilgængelig via:

De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland

Øster Voldgade 10, 1350 København K

Tlf.: 38 14 20 00. Fax: 38 14 20 50

E-mail:

[email protected]

Web:

www.geus.dk

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

Indholdsfortegnelse

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

Introduktion

Den nationale kvælstofmodel

Kortmateriale

Retention i grundvand ..............................................................................................8

Retention i overfladevand ......................................................................................10

Samlet retention fra rodzone til kyst.......................................................................11

Usikkerhed på samlet retention..............................................................................12

Variation i retention i grundvand ............................................................................13

Referencer

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

1. Introduktion

I delprojektet ”Oplandsmodel til belastning og virkemidler” igangsat af Naturstyrelsen, Natu-

rErhverstyrelsen og Miljøstyrelsen, er der udviklet en national kvælstofmodel. Delprojektet

indgår i et samlet modelstrategiprojekt ”Implementering af modeller til brug for vandforvalt-

ningen” igangsat af Naturstyrelsen, der har til formål at implementere modelværktøjer til

brug for vandforvaltningen, herunder vandplanlægningen og vandmiljøovervågningen. Del-

projektet blev igangsat medio 2013 og afsluttet primo 2015, projektperioden har således

været halvandet år.

GEUS og Aarhus Universitet (DCE og DCA) har stået for den faglige udvikling af kvælstof-

modellen, som er dokumenteret i (Højberg et al., 2015). Ved anvendelse af modellen er der

udviklet nye nationale kvælstofretentionskort. Kortene viser hvor mange procent af det

kvælstof, der siver ud af rodzonen, som tilbageholdes eller fjernes ved denitrifiktion. Reten-

tionen er opgjort for hhv. grundvand, overfladevand og den samlede kvælstofretention fra

rodzonen til kysten. De tre institutioner har forestået modelberegningerne med kvælstof-

modelkomplekset for 21 år (1990-2011) der sammen med målingerne af kvælstoftranspor-

ten til havet i samme periode er grundlaget for disse nye N retentionskort.

Hvordan og i hvilken udstrækning den udviklede kvælstofmodel samt retentionskortene

skal indgå i en fremtidig regulering af kvælstofanvendelsen har ikke været en del af projek-

tet.. Denne anvendelse vil være en administrativ og politisk beslutning, som de faglige insti-

tutioner ikke er involveret. Eventuelle spørgsmål relateret til kortenes fremtidige anvendelse

i reguleringen bedes i stedet ske ved henvendelse til styrelserne

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

2. Den nationale kvælstofmodel

I dette kapitel gives et kort resumé af den nationale kvælstofmodel, samt anvendelse af

modellen til udvikling af de nationale retentionskort. For en detaljeret beskrivelse af den

faglige udvikling samt datagrundlaget for udviklingen henvises til (Højberg et al., 2015),

hvor modellens anvendelse og begrænsninger endvidere er diskuteret.

Den nationale kvælstofmodel beskriver den samlede kvælstoftransport og –omsætning

(fjernelse) fra dyrkningsfladen til kysten og er anvendt til beregning af nationale kvælstofre-

tentionskort for hhv. grundvand, overfladevand og den samlede retention fra rodzonen til

kysten. Modellen er etableret ved kobling af delmodeller udviklet ved GEUS og Aarhus

Universitet (DCE og DCA). Ved valg af delmodeller har det været et krav, at disse indenfor

projektperioden (2013-2014) har kunnet udvikles til national anvendelse. Der er således

taget udgangspunkt i eksisterende modeller, der kun i begrænset omfang er blevet videre-

udviklet indenfor projektperioden. Følgende delmodeler indgår i den nationale kvælstofmo-

del:

1. NLES, der er en statistisk/empirisk baseret model til beregning af årlig N-udvaskningen

fra rodzonen for dyrkede arealer.

2. DK-model, der er den nationale vandressource model, som beskriver vandstrømnin-

gerne i grundvandszonen.

3. Overfladevandsmodeller, der er statistiske modeller til beregning af kvælstofretentio-

nen i hhv. vandløb, søer og etablerede vådområder.

Sammenhæng mellem de enkelte delmodeller er illustreret i Figur 1.

Figur 1.

Illustration af sammenhæng mellem de tre modelsystemer, der indgår i den samlede

nationale kvælstofmodel.

Det samlede modelkompleks er udviklet og testet på basis af måledata for årlige kvælstof-

transporter ved vandløbsstationer for perioden 1990-2010. Der er anvendt data fra det na-

tionale overvågningsprogram (NOVANA), suppleret med ekstra data indsamlet af de tidlige-

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

re amter ved en række yderligere målestationer. Samlet er der anvendt data fra i alt 344

målestationer til udvikling af den nationale kvælstofmodel. Måledataene er opdelt i to data-

sæt, hvor den ene del er benyttet til kalibrering af modellen, dvs. bestemmelse af værdier

for modelparametrene, mens den anden del er anvendt til en test af modellen (validering).

Der er benyttet en national tilgang ved kalibrering af modellen, hvor den rumlige variation i

transport og retention er bestemt af de naturgivne variationer, eksempelvis tætheden af

vandløbsnetværket og de geologiske samt geokemiske forhold i undergrunden. Denne

tilgang har gjort det muligt, at anvende modellen til at overføre viden fra målte til umålte

oplande og herved estimere transporten og omsætningen af kvælstof i de umålte oplande,

ligesom det er muligt at underinddele de målte oplande til estimering af retentionen på min-

dre skala.

Koblingen af de enkelte delmodeller sker på deloplandsniveau, der således udgør bereg-

ningsenhederne i den samlede kvælstofmodel. Til dette formål er der foretaget en opdeling

af landet i topografiske oplande (polygoner) med en størrelse på ca. 1500 ha (ID15 oplan-

de). Dette er den mindste skala, hvorfra vi har nøjagtige observationer af kvælstoftransport

i vandløb. På denne skala er det således muligt at sammenholde modelberegningerne med

de faktiske målinger.

Som en del af modeludviklingen er der for alle målte oplande foretaget en stationsspecifik

korrektion af kvælstoftransporten. Det betyder, at der for alle målte oplande er foretaget en

korrektion af retentionsprocenten for oplandet, som sikrer overensstemmelse mellem den

observerede og modelberegnede kvælstoftransport. Med metoden opnås således bedst

muligt overensstemmelse mellem de modelberegnede og målte kvælstoftransporter ved

målestationerne. De anvendte delmodeller beskriver herefter den rumlige variation indenfor

både de målte og umålte oplande på basis af variationer i de fysiske og biogeokemiske

forhold.

På basis af en sammenligning mellem de modelberegnede og observerede kvælstoftrans-

porter er der estimeret en usikkerhed på den samlede retention fra rodzonen til kysten.

Denne er estimeret ud fra en antagelse om, at forskelle i observerede og beregnede kvæl-

stoftransporter skyldes, at den modelberegnede retentionsprocent afviger fra den faktiske

retentionsprocent. I vurderingen er der således ikke taget hensyn til usikkerheden på den

beregnede rodzoneudvaskning og på opgørelsen af kvælstoftransporten ved målestatio-

nerne.

Med den anvendte tilgang afspejler de estimerede usikkerheder den generelle usikkerhed

på beregningerne indenfor forskellige landsdele. Usikkerhedsestimaterne er således gæl-

dende for oplande, hvor modellen er i stand til at beskrive den observerede udvikling i op-

landstabet. Der eksisterer imidlertid enkelte områder med særlige udfordringer. For enkelte

vandløbsoplande viser måledata ingen eller kun meget begrænset udvikling i kvælstofkon-

centrationer og kvælstoftransporter i perioden 1990-2010. En analyse af modellens resulta-

ter viser, at dette nærved konstante niveau ikke kan genskabes af modellen, der generelt

beregner et fald i kvælstoftransporten gennem perioden. Estimatet på den generelle usik-

kerhed vil derfor ikke være dækkende for disse oplande. I målte oplande er der foretaget

en korrektion af den modelberegnede retention, så den afspejler de faktisk målte forhold.

Tilsvarende er der oplande med mange søer i kæde, hvor kvælstofomsætningen i de ned-

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

strøms beliggende søer kan være reduceret. Dette skyldes, at nitrat-N omsættes først, og

andelen af organisk N derfor øges i det vand, der strømmer videre nedstrøms. Endvidere

vil en del af det uorganiske N, ved biologiske processer, omsættes og eksporteres som

organisk N til nedstrøms søer. Disse processer er ikke medtaget i den anvendte delmodel

for retention af kvælstof i større søer. Det skal bemærkes, at de største sø-systemer ligger i

målte oplande, hvortil der sker en stationsspecifik korrektion af den samlede retention, så

den afspejler de faktisk målte forhold. En varierende omsætning for søer i kæder, vil såle-

des ikke have betydning for estimatet af den samlede retention, men det kan resultere i en

forkert fordeling af retentionen opgjort for hhv. grundvand og overfladevand.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

3. Kortmateriale

Ved anvendelse af den nationale kvælstofmodel er der etableret nationale kort over kvæl-

stofretentionen, dvs. omsætning eller tilbageholdelse af kvælstof under transport fra rodzo-

nen til kysten. Kortene viser den procentuelle omsætning kvælstof og er opgjort for hhv.

grundvand, overfladevand og den samlede transport fra rodzonen til kysten. Kvælstofreten-

tion vil variere fra år til år afhængig af de aktuelle klimatiske forhold. Til etablering af de

nationale kort, er retentionsprocenterne beregnet på basis af den samlede mængde kvæl-

stof, der er blevet reduceret, i forhold til den samlede tilførte mængde for hele perioden

1990-2010. Ved anvendelse af hele perioden udlignes effekten af klimatiske år til år variati-

oner og der opnås et estimat for en ”gennemsnitlig” kvælstofretention.

Oplandsmodellen er opstillet for hele landet med undtagelse af enkelte øer. For disse er

den samlede retentionsprocent fra rodzone til kysten, estimeret som middel for de umålte

oplande i den øvrige del af landet.

3.1 Retention i grundvand

Retentionskortet for grundvand, Figur 2, viser den samlede retention af kvælstof fra det

udvaskes fra rodzonen og til det når frem til overfladevandssystemet. Retentionsprocenter

angiver, hvor mange procent af det kvælstof, der udvaskes fra et ID15 opland, som bliver

reduceret (omsat) inden det når frem til overfladevandssystemet. Der tages ikke hensyn til,

hvor i undergrunden reduktionen finder sted, dvs. om det sker under transport til overflade-

vandet indenfor det samme ID15 opland, eller om reduktionen sker under transport til over-

fladevandssystemet i et nabo ID15 opland.

Kvælstof omsættes under iltfrie (reducerende) forhold, men transporteres med grundvandet

i de dele af undergrunden, hvor der er ilt tilstede (oxiderende forhold). De oxiderende for-

hold eksisterer primært i de øvre dele af grundvandsmagasinet, hvor de topografiske for-

hold har stor betydning for grundvandstrømningen. Da ID15 oplandene er afgrænset ved

topografiske oplande, vil den overvejende del af det kvælstof, der udvaskes fra rodzonen

og ikke bliver omsat i undergrunden, ende i overfladevandssystemet indenfor det samme

ID15 oplande.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

Figur 2.

Procentuel omsætning af kvælstof i grundvand opgjort for ID15 oplande.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

3.2 Retention i overfladevand

For overfladevandet viser retentionskortet, Figur 3, hvor stor en procentdel af det kvælstof,

som kommer til overfladevandet indenfor et ID15 opland, der bliver omsat eller tilbageholdt

i vandløb, vådområder og søer inden det transporteres til kystvandene. I denne beregning

er der taget hensyn til den kumulerede effekt af retentionen ned igennem vandløbssyste-

met, dvs. kvælstof der ledes til et ID15 opland opstrøms i vandløbssystemet, vil undergå en

retention i vandløb samt eventuelle vådområder og søer i nedstrøms ID15 oplande.

Figur 3.

Den samlede procentuelle retention af kvælstof i overfladevandssystemet fra ID15

oplandet til det når kysten/havet.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

3.3 Samlet retention fra rodzone til kyst

Reduktionskortet for den samlede kvælstofretention gengiver den procentvise omsætning

og tilbageholdelse af kvælstof fra rodzonen til et kystafsnit, Figur 4. Da kvælstoftransporten

i grundvandet ikke er begrænset af de topografiske oplandsgrænser, vil en mindre del kun-

ne transporteres på tværs af vand- eller kystoplande. Andelen af oxideret vand der krydser

disse grænser vil dog forventeligt være af underordnet betydning på kystoplandsniveau.

Figur 4.

Samlede procentuelle retention fra rodzonen til kyst. For øer der ikke indgår i modelop-

stillingen (rød konturlinje) er der anvendt et middel for umålte oplande i den øvrige del af landet.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

3.4 Usikkerhed på samlet retention

Usikkerhederne på den samlede retention er estimeret på basis af 10 regioner, der tilsam-

men dækker hele landet, Figur 5. Indenfor de 10 regioner er der estimeret en generel usik-

kerhed på de estimerede kvælstofretentioner, Tabel 1. Usikkerheden er beregnet så den

tilnærmelsesvis giver et 95 % konfidensinterval, dvs. at de sande retentionsprocenter med

95 % sandsynlighed ligger indenfor det estimerede usikkerhedsinterval. Er det optimale

estimat på reduktionen for et ID15 opland beliggende i region 3 eksempelvis 60 %, vil usik-

kerhedsintervallet for dette oplande være 39 – 81 %, idet usikkerhedsintervallet er estime-

ret til 21 % for region 3.

Figur 5.

Opdeling af landet til beregning af usikkerhed på samlet retention fra rodzonen til ky-

sten.

Tabel 1.

Estimeret usikkerhed i retention i procent point for oplande i hver af de 10 regioner.

Region

1 2 3 4 5 7.2 7.3 7.4 8 9 Nationalt

Usikkerhed i procent point 18 7 21 27 16 28 22 20 12 12

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

3.5 Variation i retention i grundvand

Beregningsenhederne i den nationale kvælstofmodel er ID15 oplande. Transport og om-

sætning i grundvandssystemet er imidlertid baseret på DK-modellen, hvor beregningerne

foregår i et 500 m grid, med mulighed for at opgøre en grundvandsretention på gridniveau.

Tidligere studier har vist, at der kan være stor variation i grundvandsretentionen selv på lille

skala (mark). Der eksisterer i dag ikke tilstrækkeligt detaljerede data på nationalt niveau til

beregning af kvælstofretentionen på 500 m grid niveau eller til en vurdering af modellens

gyldighed på denne skala. Variationen i grundvandsretentionen er styret af de lokale

strømningsforhold og heterogeniteten i dybden til redoxgrænsen. Mens disse ikke kan veri-

ficeres på grid skala vil den hydrogeologiske tolkning i DK-modellen samt det nationale kort

over dybden til redoxgrænsen udvise regionale tendenser i såvel de overordnede strukturer

samt variationerne heri. Dette betyder, at der vil være større sikkerhed mht. estimering af

variationen i grundvandsretention og de regionale forskelle heri, i forhold til estimering af

den absolutte værdi for retentionen på gridniveau. Resultaterne på gridniveau kan derfor

anvendes til at opnå et estimat for, hvor stor variationen i grundvandsretentionen er inden-

for ID15 oplandene, og derved vurdere om der er regionale mønstre heri, dvs. om der er

nogle landsdele, hvor modelberegningerne angiver hhv. lille eller stor variation i retentionen

i grundvandet.. Dette er vist på Figur 6, hvor der på basis af den beregnede grundvandsre-

tention på gridniveau er beregnet en standard afvigelsen for alle grids, der ligger inden ét

ID15 opland. Med en middelstørrelse af ID15 oplandene på 15 km

, vil denne opgørelse i

gennemsnit være baseret på 60 grid fra DK-modellen.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

Figur 6.

Simuleret grid variation i grundvandsomsætning af kvælstof opgjort pr ID 15.

MIU, Alm.del - 2014-15 (1. samling) - Bilag 191: Rapport fra GEUS omkring det nye retentionskort, fra miljøministeren

4. Referencer

Højberg, A.L., Windolf, J., Børgesen, C.D., Troldborg, L., Tornbjerg, H., Blicher-Mathiesen, G.,

Kronvang B., Thodsen, H. og Ernstsen, V. (2015) National kvælstofmodel, Oplandsmodel til

belastning og virkemidler – Metode Rapport. GEUS.