Peter Borgen Sørensen, Christian Frølund Damgaard, Poul Løgstrup Bjerg, Hans Estrup Andersen, Peter Engelund Holm, Henrik Tornbjerg, Jesper Leth Bak, Goswin Johann Heckrath, Ane Kjeldgaard, Patrik Fauser. 2022. Udvikling af model til understøttelse af vandplanlægningen i fastlæggelsen af koncentrationsniveauer af metaller i danske vandløb. Aarhus Universitet, DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi, 70 s. - Videnskabelig rapport nr. 484. 
https://dce2.au.dk/pub/SR484.pdf

Sammenfatning

Dette projekt har til formål at udvikle en pilot-model til prædiktion af forekomst af metaller i vandløb og har karakter af et pilotprojekt, der afdækker anvendeligheden af forskellige beskrivende data til brug for eventuelle fremtidige modelleringsprojekter for også andre grupper af miljøfarlige forurenende stoffer. Det bemærkes, at projektet er et første forsøg på at anvende målinger af metalkoncentrationer i vandløb fra NOVANA programmet i kombination med en række beskrivende variable med det formål at opstille en model til estimering af koncentrationer af miljøfarlige forurenende stoffer i vandløbsvand.

Som rumlig opløsning vælges ID 15 oplande, der er topografiske oplande på ca. 1500 ha. Disse oplande er allerede defineret ud fra topografi og koblet hydrologisk til hinanden for hele Danmark og vil derfor danne en naturlig basis for en rumlig model, hvor en rumlig analyse skal relateres til ID 15 oplande opstrøms udvalgte vandløbsvandområde. De etablerede vandløbsstationer under NOVANA er typisk placeret tæt ved udløbet fra et ID 15 opland. Nogle ID 15 oplande vil således føde vand til vandløb, der er målt for metaller i NOVANA, mens andre ID 15 oplande vil være uden for disse områder.

Der er valgt en data-drevet (statistisk) tilgang, hvor de eksisterende data fra NOVANA-programmet styrer opstilling og parametrisering af modellen. Modellen kan håndtere usikkerheden relateret til både prøvetagningen og den kemiske analyse samt usikkerheden ved modellens forudsigelser af koncentrationsniveauer for ikke overvågede vandløbsvandområder. Der er to hovedkilder til input:

• Målinger af metalkoncentrationer i vandfasen fra udvalgte vandløbsstationer under NOVANA opdelt på sæson og år.
• Oplysninger (uafhængige variable) om forhold i alle ID 15 oplande, der formodes at kunne have betydning for metalkoncentrationen i vandfasen, såsom f.eks. landbrugsdrift, jordbund og spildevandsudløb.

Modellen vil løbende kunne opdateres og dermed forbedres både i forhold til nye målinger og i forhold til nye oplysninger om ID 15 oplandene. Modellen har pga. sin statistiske opbygning fået navnet MetalStat.

Beregningsarbejdet for MetalStat kan inddeles i en fase, hvor modellens forudsigelser skal konvergere mod den mest realistiske sammenhæng mellem model og målinger, samt derefter en simuleringsfase, hvor modellen giver prædiktioner jf. de forespørgsler, der måtte være interessante. Da der er mange variable i modellen, tager det lang tid for den at konvergere, men når det er overstået, vil modellen kunne give prædiktioner momentant. Den lange tid, det tager modellen at konvergere, har besværliggjort udviklingsarbejdet i den relativt kort projektperiode, da enhver rettelse og ændring betyder, at modellen skal starte helt eller delvist forfra med at konvergere, og der er sket løbende justeringer som en naturlig del af udviklingsarbejdet. Modellen blev justeret i sin strukturligning op mod projektafslutning i december, og det har betydet, at kun de tre metaller bly, cadmium og nikkel er ved at være konvergeret, men endnu ikke helt er konvergeret i forhold til denne nye tilstand ved projektets afslutning. En anden kørsel med bly, cadmium, nikkel, kobber og zink er også ved at konvergere, men vil kræve mindst en måneds ekstra regnetid, der vil forsætte ind i 2022, da det vil være en fordel at have en færdig konvergeret model som udgangspunkt for en evt. driftsfase, hvis en sådan besluttes. Grundet de ovenstående forhold, herunder den lange konvergenstid, blev den oprindelig liste af metaller reduceret til de fem metaller bly, cadmium, nikkel, kobber og zink i første omgang, og for at få beregninger så tæt på at konvergere som muligt blev omfanget i nærværende projekt yderligere fokuseret til bly, cadmium og nikkel. Det anbefales, at de øvrige metaller barium, chrom, kviksølv og arsen først inkluderes i modellen, når de første fem metaller er bragt i drift. Beregningerne med at konvergere fortsætter efter aflevering af denne rapport for at kunne understøtte en evt. kommende modelleringsaktivitet. De konkrete beregningsresultater i denne rapport må derfor ikke tages til indtægt for tolkning af metallers forekomst, da modellen i skrivende stund er ved at konvergere.

Projektet har haft fokus på vandkoncentrationen af metaller, da det er her, der er flest data, men andre matricer, såsom sediment, kunne godt inkluderes i modellen, når modellering af vandkoncentrationen er implementeret. Modellens multivariate struktur betyder, at målinger i forskellige miljømatricer kan understøtte hinanden med en samlet viden om et stofs forekomst.

Fire hovedspørgsmål blev opstillet fra projektets begyndelse, og er her nævnt i kursiv med en kort besvarelse:

1. I hvilket omfang kan modellen forudsige koncentrationsniveauer for ikke overvågede vandløbsvandområder? Ud fra de overvågede områder kan koncentrationsniveauerne forudsiges for hele Danmark som fordelinger, der beskriver usikkerheden.
2. Med hvilken sikkerhed er prædiktionerne opnået ved en sådan modellering bestemt? Sikkerheden for en prædiktion uden for overvågede områder vil afhænge af, hvor godt det er muligt at beskrive vigtige mekanismer i en landsdækkende oplandsmodel og derfor være meget stofafhængig. Oplandsmodellen vil til gengæld ikke have så stor betydning for prædiktionen inden for de overvågede områder, hvor usikkerheden primært skyldes målingen og dennes evne til at beskrive forholdende i vandløbet det pågældende sted. Begge steder er der en usikkerhed, men den er altså størst uden for de overvågede områder. Rapporten illustrerer, hvordan MetalStat kan kortlægge usikkerheden bag en forudsigelse af koncentrationsniveau uden for det overvågede område, så der ikke opstår en falsk sikkerhed i forhold til forudsagte værdier.
3. En vurdering af hvorledes nærværende model med fordel kan indgå i tilrettelæggelsen af et fremtidigt overvågningsprogram for metaller i vandløb. MetalStat kan forbedre evnen til at finde sammenhænge i overvågningsdata, der kan understøtte en bedre forståelse for metallernes skæbne og tilførsel til vandmiljøet. Denne slags analyser vil kunne indgå i tilrettelæggelsen af et fremtidigt overvågningsprogram. Det vil især være oplagt at prioritere et fremtidigt overvågningsprogram mod de ikke-monitorerede områder, som MetalStat forudsiger har største sandsynlighed for de højeste koncentrationsniveauer.
4. En evaluering af projektet med henblik på opmærksomheds-og læringspunkter til eventuelle kommende modelprojekter. Modeller for miljøfarlige forurenende stoffer er typisk meget komplekse, og forudsigelser fra disse vil være behæftet med en betydelig usikkerhed. Hvis det efterfølgende besluttes at anvende den udviklede model til beslutningsstøtte, skal der laves en version til driftsfasen, hvilket stiller specifikke krav, dels til en optimal drift og dels til en ekstra kvalitetssikring af selve kodningen, som i øvrigt kan understøttes ved at sammenligne resultater fra pilotmodellen med resultater fra driftsmodellen. MetalStat sætter nye standarder for, hvad der kan konkluderes på baggrund af overvågningsdata, og dermed også krav til de kompetencer, der kræves af dem, som skal anvende modellen. Det betyder, at der med fordel kan laves en faglig struktur bag modellen, som behandler resultater, og som sørger for drift og forbedringer. Den faglige struktur omkring modellen kan evt. være bygget op i fire faglige grupper, der virker i synergi:
5. En brugergruppe, der dels forestår formidling af modellen til alle relevante i Miljøstyrelsen, dels formulerer de specifikationer, som modellen skal indfri.
6. En miljøfaglig gruppe, der løbende diskuterer modellens resultater i forhold til, om de virker miljøfagligt troværdige. Desuden skal denne gruppe sikre, at modellen bliver opdateret med ny viden om de processer, som modellen beskriver. Den miljøfaglige gruppe kan evt. udgive en tilstandsrapport, der konkluderer på baggrund af modelsimuleringer med brug af indrapporterede overvågningsdata.
7. En driftsgruppe, der forestår den regnetekniske kobling til datakilder samt dokumentation af modellens beregninger og sikrer, at modellen indfrier de ønskede specifikationer. Driftsgruppen skal sikre, at modellen leverer resultater svarende til forventningerne fra brugergruppen. De udtrukne gennemregninger vil kunne behandles med deskriptiv statistik som f.eks. histogrammer eller fraktilværdier vist for hvert ID 15 opland i GIS. Disse udtræk specificeres af brugergruppen.
8. En udviklingsgruppe, der kombinerer miljøkemisk faglig viden med matematisk og regneteknisk viden i samråd med den miljøfaglige gruppe og kommer med projektforslag til mulige udviklingsprojekter. Evaluerer og overvåger modellens resultater og laver forslag til forbedringer og justeringer i forhold til nye datakilder og forbedringer i modellens matematiske opbygning. Denne gruppe kan evt. også vurdere mulighederne for at udbrede modelleringen til andre stoffer og problemstillinger.

9. Da MetalStat er en multivariat model for metaller, vil viden om et metals koncentrationsniveau per automatik kunne bidrage med viden om et andet metals koncentrationsniveau på samme sted og til samme tid. På samme måde kan en inddragelse af en målt hjælpe-variabel, som f.eks. litium, udnytte en mulig sammenhæng med koncentrationen af metal, til at understøtte en viden om niveauet for metalkoncentrationerne. Det bør overvejes, om sådanne hjælpe-variable skal med i den første driftsversion af MetalStat.

   De aktuelle beregninger i dette projekt har afdækket nogle vigtige opmærksomhedspunkter, der bør adresseres under opstilling af en model til drift: X matricen bør evalueres grundigt på baggrund af resultatet fra dette pilot-projekt, når modellen er konvergeret, med henblik på at optimere den lineære oplandsmodel, især i forhold til de stærkt ulineære uafhængige variable så som lerindhold og pH. Det synes muligt at reducere antallet af uafhængige variable, og i den forbindelse bør det overvejes, om andre skal testes, såsom areal med industri, by og ferskvand. Det bør undersøges, om det er muligt at fastholde betydningen af X matrices variable til kun at være positiv, da det vil modvirke estimering af negative koncentrationer og dannelsen af fiktive modsatrettede +/- effekter fra forskellige uafhængige variable. Datagrundlaget bør løbende opdateres til de nyeste NOVANA, efterhånden som disse blive gjort tilgængelige.

   MetalStat bruger estimeret tilførsel af grundvand i en ret simpel beskrivelse, hvor en bedre beskrivelse ville være baseret på en statistisk model for grundvandskoncentrationen, der udnytter viden om grundvandskoncentration fra oplandets boreprøver. På denne måde kan grundvandsovervågningen integreres i vandløbsovervågningen. På samme måde som beskrevet for grundvand kan andre matricer, som f.eks. sedimentbundet metal, kobles til MetalStat gennem en ny statistisk (latent) variabel for sedimentkoncentrationen, hvis der kan findes en troværdig funktion, der kobler adsorberet fase til opløst fase, evt.- baseret på ligevægtskemi eller første ordens udveksling mellem sediment og vandfase.