Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 414: Muligheder for modellering af miljøfarlige forurenende stoffer i overfladevand

Sørensen, P.B., Andersen, H.E., Fauser, P., Bjerg, P.L., Bro, R., Holm. P.E. & Abrahamsen 20201 Muligheder for modellering af miljøfarlige forurenende stoffer i overfladevand. Aarhus Universitet, DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi, 60 s. - Videnskabelig rapport nr. 414. http://dce2.au.dk/pub/SR414.pdf

Sammenfatning

 

Tilstanden i vandløb, søer og kystvande skal, på lige fod med de biologiske kvalitetselementer, vurderes på baggrund af forekomsten af miljøfarlige forurenede stoffer (MFS) i vandmiljøet. De kemiske tilstandsvurderinger er hidtil gennemført ved at sammenholde målte koncentrationer i vandområderne opnået i regi af NOVANA-programmet med fastsatte miljøkvalitetskrav. Det er imidlertid en ressourcetung opgave at gennemføre overvågning i samtlige målsatte vandområder alene basseret på målte koncentrationer.  En mulig løsning på denne udfordring kan være at udvikle modeller, der kan estimere eller vurdere stofkoncentrationer, der er tilstrækkeligt robuste til at supplere de målte værdier i bl.a. tilstandsvurderinger til brug for vandplanarbejdet. På denne baggrund har Miljøstyrelsen ønsket at få afklaret mulighederne for udvikling og anvendelse af modeller til brug for tilstandsvurderingerne for MFS. Denne rapport søger således at afsøge mulighederne for en sådan anvendelse af modeller, med det forbehold at MFS dækker meget stort antal stoffer med vidt forskellig egenskaber, hvorfor rapporten skal ses som første skridt ind i en større opgave.

Konceptet for modellering af MSF i vandmiljøet kan bygges op om fire forskellige domæner.

  • Kilde-domæne: Kildedomænet er en stof-kilde, som kan give anledning til en emission af stoffet direkte ud i vand-, jord- eller luftmiljøet.
  • Jord-domæne: I jorddomænet kan der være to hovedpuljer af stof, den ene pulje er stof i vandfasen i jorden (porevand), og den anden pulje er bundet til jordens partikler (jordmatricen). De to fænomener nedbrydning og tilbageholdelse er således de egenskaber, der er styrende for den frigivelse af stof, der finder sted til vandmiljøet.
  • Vand-domæne: Typisk vil der være tre hovedfaser i vanddomænet. Den frie vandfase kan transportere opløst stof og stof adsorberet til suspenderet stof. Sediment i vanddomænet vil være i kontakt med vandfasen og kunne optage og afgive stof ved diffusion og sedimentation/suspension. Desuden kan optage af MFS i biota have stor betydning.
  • Atmosfære-domænet: I atmosfæren kan stoffet nedbrydes kemisk/fotokemisk, inden det afsættes til enten jord- eller vand-domænet igen. Reelt for vand-domænet vil atmosfære-domæne typisk indgå som en randbetingelse, der giver et input/output af stof til vand-domænet.

Disse fire domæner kan med fordel håndteres modelteknisk på mange forskellige måder, alt efter hvilket specifikt stof der er i fokus og mængden af tilgængelig viden. Det er derfor operationelt at forstå modellering ud fra to hovedtyper:

  • Kildemodeller: Emission af stof til miljøet skal kvantificeres med brug af en model, der bestemmer kildens styrke samt den tidslige og rummelige variation.
  • Skæbnemodeller: Når et stof er frigivet fra en kilde, vil det gennemgå et forløb med nedbrydning, tilbageholdelse og transport. Modeller, der søger at regne konsekvensen ud af denne skæbne og dermed forudsige koncentrationsniveau, kaldes samlet set for skæbnemodeller.

Den bedste tilgang til modellering vil være stærkt afhængig af vidensgrundlaget og dermed variere. Tre arketyper af modeller med forskellig kompleksitet er defineret således:

  • Empiriske skæbnemodeller: Kunne også betegnes statistiske skæbnemodeller og kan sammenfattes som hørende ind under machine learning eller artificial intelligence, som også kendes under mange andre termer såsom multivariat analyse, kemometri m.m. De varierer fra meget simple modeller såsom lineær og log-lineær regression til meget komplekse og ikke-lineære modeller.
  • Semi-empiriske skæbnemodeller: Her indpasses brugen af empiri i deterministiske sammenhænge ud fra f.eks. massebalancer og relativt simple teoretiske sammenhænge.
  • Deterministiske skæbnemodeller: er primært bygget op efter teoretiske lov-mæssigheder, der kan formuleres matematisk. De teoretiske lovmæssigheder bygger på fysisk-kemiske lovmæssigheder, samt masse- og kraftbalancer.

Når man betragte noget så komplekst som MFS i vandmiljøet, er det vigtigt at se modelleren som er værktøjskasse med mange forskellige typer af værktøj, hvor forskellige værktøjer bruges sammen i forskellig kombination alt efter den specifikke problemstilling.  Kildemodeller kan således evt. bruges over større områder til at udpege områder, hvor der med fordel kan bruges mere komplekse modeller, eller indsamles målinger med størst nytte. Omvendt kan komplekse modeller understøtte brugen af mere simple modeller. Dette kan f.eks. udmøntes ved, at relativt komplekse deterministiske modeller bruges til systematisk at gennemregne et stort antal realistiske scenarier, der igen, og som supplement til målinger, kan bruges til at kalibrere empirisk eller semi-empirisk modeller. En således kalibreret empiriske eller semi-empiriske model kan efterfølgende bruges til at beregne koncentrationsniveauer for hele landet. 

Relevante datakilder bliver beskrevet og opdelt separat efter hhv. målt koncentration i vandmiljøet, og beskrivende data, der er centrale for at kunne lave modeller. Desuden vises en oversigt over de relevante internationale modeller, som projektdeltagerne er bekendt med.

Det er en udfordring både at give en struktureret og fyldestgørende beskrivelse af potentiale og muligheder ved modellering af MFS’s forekomst i overfladevand og samtidig komme med specifikke ansvisninger til næste skridt i processen, da overblikket let kan drukne i detaljen. Denne udfordring er håndteret ved, at der først er givet en generel beskrivelse af potentialet for modellering med udgangspunkt i centrale stoffer og stofgrupper. Derefter er nogle udvalgte stofgrupper beskrevet som forslag til, hvorhenne de lavest hængende frugter vil være i bestræbelserne på en modellering af MFS koncentrationsniveauer i vandmiljøet.

Generelt er det tydeligt, at opstilling af modeller med et så generelt sigte som at beskrive MFS i vandmiljøet på nationalt plan er en meget stor opgave. Arbejdsgruppen bag denne rapport ser derfor rapporten som en start på en mulig strategisk satsning og ikke som en komplet beskrivelse af alle nødvendige elementer for modellering af MFS i Danmark. Det tidsmæssige forløb ved modeludvikling bør altid starte med at få godt styr på kilderne til stoffet og betragte denne opgave som en selvstændig modellering. Først når kildemodellen er på plads, bør den videre proces med udvikling af modellen starte. Det er også vigtigt, at modeludvikling foregår i tæt dialog med myndighederne, f.eks. Miljøstyrelsen, og meget gerne i et tværfagligt miljø, helst i en tværfaglig arbejdsgruppe, men som minimum med en tværfaglig følgegruppe.

Rapporten beskriver konkrete aktiviteter med en 3 årig horisont, der dækker pesticider, metaller og ikke polære organiske forbindelser.