Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Eutrophication is one of the main threats to the Baltic Sea and Sweden is not expected to reach its environmental target of No Eutrophication by 2020. Phosphorus (P) lossfrom terrestrial systems is one of the principal causes of eutrophication in water recipients and the need to decrease P loss from agricultural land is pressing. One wayto reduce P losses from agricultural areas is by constructing wetlands (CW), with sedimentation as the primary process for P reduction. The efficiency of CWs is dependent on several factors regarding P load and hydraulic load (HL), which to a high degree is governed by CW area and shape as well as catchment area and land usedistribution. Today, the most common method of estimating catchment area is to use low-resolution topography maps. There is an increasing availability of digital elevationmodels (DEM) and databases that could aid the planning process of CWs by better estimating their catchment size and potential efficiency.

The DEM of 2x2 m has been used to determine catchment areas of 39 CWs, showing that catchments are on average 8 % larger compared to earlier estimations based on low-resolution maps. Orthophotographs have been used to calculate current CW areas, to determine the ratio between wetland and catchment area (AW:AC). Using existing data on P accumulation in 8 previously studied CWs, the relation to several catchment and wetland factors was studied. Modelled runoff data from SMHI was used to calculate annual average, maximum and 95th percentiles of HL. Land use distribution in the associated catchments was determined using data from HELCOMs sixth pollution load compilation (PLC-6) as well as textural soil distributions of arable land from the Digital Arable Soil Map of Sweden (DSMS). The best modelledHL for estimation of P accumulation was long-term annual average (R2 = 0.93; p = 0.0006). However, trends were also found between accumulated P and other catchmentfactors. Multiple regression analyses showed that HL, AW:AC, and share of arable land within the catchment can be used to estimate CW efficiency in terms of potential P accumulated per CW area and year (R2 = 0.77; p = 0.03). However, the multiple regression analysis also showed that it is difficult to determine optimum values of studied parameters as they can compensate for one another. The result of the regression analysis was used to predict the P retention of a total of 39 CWs, showing a high variation of potential P accumulation, indicating the usefulness of estimating the potential P retention prior to construction to optimize CW size and location.

Övergödning är ett av de främsta hoten mot Östersjöns vattenkvalitet och Sverige förväntas inte nå miljömålet Ingen övergödning tills år 2020. Fosfor (P) -förluster från marken är en av de främsta orsakerna till övergödning i vatten och behovet av att minska P-förluster från jordbruksmark ökar. Ett sätt att minska P-förluster frånjordbruksområden är att anlägga våtmarker, där sedimentering antas vara den huvudsakliga processen för P-reduktion. P- och hydraulisk belastning (HL), som i hög grad styrs av våtmarkens storlek och utformning, samt avrinningsområdets storlek och markanvändning, är avgörande för effektiviteten av våtmarker. Idag är den vanligaste metoden för att uppskatta avrinningsområdet att använda topografiska kartor med relativt låg upplösning. Det finns en ökad tillgänglighet av digitala höjdmodeller (DEM) och databaser som skulle kunna hjälpa planeringsprocessen av våtmarksanläggning genom att bättre uppskatta deras avrinningsområden och därmed även potentiella effektivitet.

Högupplöst DEM (2x2 m) har använts för att bestämma avrinningsområden för 39 våtmarker, och visade att avrinningsområden i genomsnitt är 8 % större än vad som tidigare uppskattats med hjälp av kartor med lägre upplösning. Ortofoton har använts för att beräkna aktuella våtmarksområden för att bestämma förhållandet mellan våtmark och avrinningsområde (AW:AC). Genom att använda befintliga data för P-ackumulering i 8 tidigare undersökta våtmarker, studerades förhållandet mellan olika faktorer för avrinningsområden och våtmarker. Modellerad avrinning från SMHI användes för att beräkna årsmedel, maximala och 95:e percentiler av HL. Fördelning av markanvändning i avrinningsområden bestämdes med hjälp av data från HELCOMs sjätte Pollution load compilation (PLC-6). Kornstrorleksfördelningar inom jordbruksmark uppskattades med hjälp av den digitala åkermarkskartan (DSMS). Långsiktigt årligt genomsnittlig HL var den bästa av de modellerade HL för uppskatta P-ackumulering (R2 = 0,93; p = 0,0006), men trender kunde också ses mellan ackumulerad P och andra faktorer. Multipla regressionsanalyser visade att HL, AW:AC och andel jordbruksmark i avrinningsområdet kan användas för att uppskatta våtmarkseffektiviteten med avseende på potentiell P ackumulering per våtmarksyta och år (R2 = 0,77; p = 0,03). Den multipla regressionsanalysen visade emellertid också att det är svårt att bestämma optimala värden av studerade parametrar eftersom de kan kompensera för varandra. Resultatet av analysen användes för att uppskatta P-retentionen av totalt 39 våtmarker. Variationen av potentiell P-ackumulation var stor, vilket belyser vikten av att uppskatta den potentiella P-retentionen före anläggning för att optimera våtmarkens storlek och plats.