Tre olika metoder för att beräkna kritisk belastning för sjöar används i Europa. Två av dessa har använts i Sverige och beskrivs översiktligt i det föl- jande. En fullständig beskrivning återfinns i bilaga 1. Diatomé-modellen har aldrig använts i Sverige och beskrivs därför inte närmare.
1. SSWC-modellen (Henriksen m fl, 1990a; Henriksen m fl, 1992; Henriksen m fl, 1993)
2. FAB-modellen (Kämäri m fl, 1992; Downing m fl, 1993; Henriksen m fl, 1993; Posch m fl, 1997).
3. Diatomé-modellen (Battarbee m fl, 1996) använder information från paleolimnologiska data. Kritisk belastning för försurning beräknas från ett empiriskt samband mellan svaveldeposition och sjöarnas kalciumhalt baserat på sammansättningen av diatoméer (kiselalger) i 41 sjöar i Storbritannien. Förindustriella kalciumkoncentrationer beräknas på samma sätt som i SSWC modellen.
Huvudprincipen för alla modeller är att med empiriska samband kvantifiera i vilken omfattning en sjö har försurats, vilket ger information om den kritiska belastningen. I Sverige används sedan 1995 den s k FAB-modellen (First order Acidity Balance) som har utvecklats ur äldre modeller men som beskri- ver processerna för både svavel och kväve mer fullständigt. Före 1995 använ- des modellen Steady State Water Chemistry (SSWC) och den används fortfa- rande för att uppskatta vittringshastigheten i sjöarnas tillrinningsområde.
SSWC
SSWC utvecklades under 1980-talet av Arne Henriksen på NIVA (Norsk Institutt for Vannforskning) i Norge. Modellen har sedan dess modifierats, men huvud- principen är att den ändring av sjökemi som försurningen har orsakat kan härledas från empiriska samband och dagens vattenkemi. Modellen användes bl a för att ta fram underlag för det andra svavelprotokollet. Den är enkel jämfört med andra modeller och kräver relativt lite indata.
Modellen bygger på att det vattenkemiska tillståndet i en sjö kan användas som ett mått på försurande och neutraliserande processer i hela sjöns tillrin- ningsområde. Metodiken är att ta ett vattenprov och sedan med empiriska ekva- tioner bestämma hur mycket baskatjoner som har lakats ut från markens jonby- tesförråd. Därefter kan vittringshastigheten beräknas, se bilaga 3.
I den ursprungliga modellversionen beaktades endast deposition av sva- vel, och man antog att allt deponerat kväve tas upp av vegetationen. Dagens modellversion använder det verkliga kväveläckaget som ett mått på kvävets försurningseffekt.
Kritisk belastning för försurning, CL(acidity), kan beräknas enligt:
ekv/ha·år eller som:
ekv/ha·år
där
[BC*]o = sjöns förindustriella halt av baskatjoner av icke marint ursprung (vittring och deposition)
ANClimit = kritiskt kemiskt värde för indikatororganism
Q = medelavrinning
BCdep* = deposition av baskatjoner av icke marint ursprung ANCle, crit = den kritiska utlakningen av ANC från avrinningsområdet
BCw = vittringshastigheten i avrinningsområdet
Enligt ekvation 1B bestäms den kritiska belastningen hos en sjö av hur stor mineralvittringen (BCw) är i avrinningsområdet jämfört med den kritiska
crit le w ANC BC acidity CL( )= - ,
CL ( acidity ) =([BC*]o - ANClimit) .Q - BCdep* EKV1A
utlakningen av ANC från sjön. I ekvation 1a utgår man från den förindustri- ella halten av icke-marina baskatjoner multiplicerat med avrinningen minus depositionen av baskatjoner som ett mått på vittringen. Detta gäller eftersom [BC*]o under förindustriell tid kan antas härröra enbart från vittring och deposition av baskatjoner, medan påverkan från jonbyten i mark och bortför- sel av baskatjoner vid skogsavverkningar anses försumbar. Därmed överens- stämmer ekvation 1a med ekvation 1b.
Den förindustriella baskatjonkoncentrationen ([BC*]o) är normalt inte känd utan måste beräknas. Detta kan ske med hjälp av den s k F-faktorn, som anger kvoten mellan förändringen i koncentration av icke- marina baskatjoner och sulfat plus nitrat vid provtagningstillfället relativt för- industriell tid:
F-faktorn anger hur stor del av det antropogena försurningstillskottet från både svavel och kväve (∆([SO4*]+[NO3])) som marken tagit hand om genom jonbytesprocesser (∆(BC*)). Eventuella ändringar i baskatjonflödet orsakade av markanvändning i avrinningsområdet innefattas också i ∆[BC*]. Om F- faktorn är 1,0 är sjön inte försurad. F-faktorn sjunker i takt med att markens förmåga att buffra mot surt nedfall avtar.
Överskridandet av kritisk belastning avseende både svavel och kväve vid steady-state kan ej beräknas eftersom de kväveprocesser som är neutralise- rande (upptag, immobilisering, denitrifikation) ej ingår i modellen. Däremot kan ett momentant överskridande, som speglar den aktuella situationen vid provtagningstillfället beräknas enligt:
där
S*dep = svaveldeposition av icke-marint ursprung
Q = medelavrinning
[NO3-] = halt av nitratkväve i sjön BC*
dep = deposition av icke marina baskatjoner
Exc = Sdep* + Q•[NO3-] - BCdep* + f •BCu- CL (acidity)
F = BC * [ ]
(
[SO4*] + NO[ 3])
EKV2 EKV3BCu = upptag av baskatjoner, motsvarande bortförsel vid avverkning
f = andelen skog i avrinningsområdet
I det momentana överskridandet förutsätts att summan av kväveprocesserna (Ndep-Nsänkor) speglas i utlakningen av nitrat vid det tillfälle sjön provtogs. Detta mått på överskridandet är inte identiskt med överskridandet vid steady- state, som skall återspegla skillnaden mellan källor och sänkor över en lång tidsperiod.
FAB
För det europeiska luftvårdsarbetet, där det är nödvändigt skilja på försur- ning orsakad av svavel och kväve, används FAB-modellen som kan ses som en vidareutveckling av SSMB (se kapitel 4). Vittringshastigheten bestäms utifrån SSWC medan grundstommen är en ANC-balans som i SSMB. Det som skiljer FAB från SSMB är att ANC-balansen gäller för ett helt avrin- ningsområde i stället för en markprofil, samt att modellen är utvecklad spe- ciellt för att passa det europeiska luftvårdsarbetet där optimeringsparamet- rarna CLmax(S), CLmin(N) och CLmax(N) används.
Med hjälp av FAB-modellen beräknas således kritisk belastning separat för svavel och kväve med hänsyn till flera processer i mark och sjö där kväve och svavel medverkar. Detta gör att modellen blir mer komplicerad genom att fördelningen mellan olika ägoslag (skog, myr, öppet fält) och sjöyta påver- kar de olika processernas betydelse. Dessutom är denitrifikation av kväve och retention av svavel och kväve i sjön depositionsberoende vilket ytterli- gare komplicerar beräkningarna.
Processbeskrivning
Beräkningarna med FAB grundar sig på följande ANC-balans som gäller för ett avrinningsområde. Enheten blir ekvivalenter per hektar avrinningsområ- de och år.
Sdep, Ndep, Cldep = deposition av svavel, kväve och klorid
Nu = nettoupptag av kväve i biomassa
f = andelen skog i avrinningsområdet
le le ret ret de i u dep dep dep N Cl f N r N N rN r S BC ANC S + + = +(1- )( + )+ + + - EKV4
1-r = andelen fastmark i avrinningsområdet
r = andelen sjöyta i avrinningsområdet
Ni = immobilisering av kväve i avrinningsområdets fastmark
Nde = denitrifikation i avrinningsområdets fastmark
Nret, Sret = retention av kväve och svavel i sjön
BCle = utlakning av baskatjoner (BCw+ BCdep– f.BCu)
ANCle = utlakning av ANC
Uppgifter om upptag av kväve och baskatjoner hämtas från befintliga data- baser och ska motsvara det långsiktiga nettoupptaget, dvs bortförsel av näringsämnen med skogsavverkning.
Kväveimmobiliseringen i mark är baserad på uppskattningar för skogs- mark. Den har ett värde på 2 kg N/ha och år som viktas efter andelen fast- mark i avrinningsområdet.
Kväveförlust till atmosfären genom denitrifikation formuleras som ett depositionsberoende och en denitrifikationskonstant. Denitrifikations- konstanten beror av andelen torvmark i avrinningsområdet eftersom den syr- gasfria miljön medför högre denitrifikation. För övrig mark är denitrifikatio- nen låg (se kapitel 8).
Retention (fastläggning) av svavel och kväve i sjön formuleras som depo- sitionsberoende processer.
Vittringshastigheten (BCw) bestäms enligt SSWC.
Beräkning av kritisk belastning och överskridande
Utifrån ANC-balansen (ekv 4) kan optimeringsparametrarna, CLmax(S), CLmin(N) och CLmax(N) härledas (se bilaga 1). Dessa utgör CL-funktionen som illustrerar alla tänkbara kombinationer av svavel- och kvävenedfall som motsvarar den kritiska belastningen, figur 6.1.
Eftersom det finns många kombinationer för hur svavel- och kvävenedfall kan minskas går det inte att definiera överskridandet på ett enkelt sätt med FAB. Beroende på hur stor den verkliga depositionen (S och N) är i förhål- lande till funktionslinjen uttrycks överskridandet på olika sätt. Ett mått på överskridande har emellertid definierats (Posch m fl, 1999) utifrån det kor-
taste avståndet mellan funktionslinjen och det verkliga nedfallet, figur 6.1. Överskridandet beräknas som summan av reduktionsbehovet för svavel och kvävedeposition:
I denna rapport har överskridandet beräknats på detta sätt.