Feasibility study of net load of metals: Particulate fraction and retention of metals in lakes and riversShow others and affiliations
Responsible organisation
2011 (English)Report (Other academic)Alternative title
Förstudie nettobelastning av metaller (Swedish)
Abstract [sv]
Belastning av metaller på vattenmiljön beror på bruttobelastning från primära och
sekundära källor, men även på transport och fastläggning av metallerna inom vattenmiljön.
Målet i denna studie var att undersöka möjligheten att använda retentionsmodeller/
metoder för att beräkna nettobelastning av metaller på nationell skala
med relativt hög upplösning. Detta för att uppfylla krav på internationell rapportering
från Sverige. I denna studie har fokus lagts på litteraturstudier av retentionsprocesserna
av metaller, test av två retentionsmodeller och en massbalansmetod.
Dessutom har speciellt fokus lagts på att tillföra kunskap om partiklar, kolloider
och lösta former av metaller i svenska vattendrag och sjöar.
Studier av metallretention som finns redovisade i litteraturen visar att det är stor
variation i resultaten, från ett par procent upp till nära 100 %. Retentionen är i de
flesta studier fördelad enligt: Pb>Cd, Zn, Cu> Ni, Cr. Retentionen i Mälaren har i
en studie beräknats till max 60 % för Cd , 50 % för Zn och 30 % för Cu. I en annan
studie har retentionen i Vättern beräknats för Cd till 60 % och för Hg till 97 %.
Avrinningsområdena till de stora sjöarna är inte fullständigt övervakade med avseende
på tillförseln av metaller, vilket innebär att tester av retentionsmodellerna
inte kunde genomföras i denna studie. Fastläggning av metaller sker genom lagring
i sedimenten. Flera artiklar omfattar framgångsrik användning av uppehållstid för
vattnet för att beskriva retentionen med modeller och pekar på vikten av kornstorlek
i sediment samt mängden partikulärt bundna metaller. Fortsatt arbete bör fokusera
på de parametrarna.
Den partikulära fraktionen av metallerna Al, Fe, Ni, Cu, Zn och Pb i svenska sjöar
och vattendrag har undersökts i denna studie baserat på två metoder; empirisk
regression med linjär regression och PLS analys, respektive kemisk speciering med
hjälp av programmet VisualMinteq. Linjär regression visades vara den mest användbara
metoden för att beräkna partikulärt bunden fraktion av metallerna och bör
användas tills att en förbättrad kemisk karakterisering av metallerna blir tillgänglig.
Regressionsmetoden fungerar bra för att bestämma partikulär koncentration av Al,
Fe och Pb, acceptabelt för Zn och Ni, men dåligt för Cu. Utöver detta har en begränsad
studie genomförts av förändringen av Pb kolloidala specier, järnhydroxider
och organiskt kol, mellan uppströms och nedströms platser baserat på det nationella
miljöövervakningsprogrammet ”Omdrevssjörna” (tidigare Riksinventeringen).
Resultaten tyder på att förluster av organiskt material från markanvändning kan ha
betydande påverkan på belastning av Pb. Fastläggning av organiskt bundet Pb i
vattendragen var större än minerogent bundet Pb. Fortsatta studier av dessa observationer
vid andra platser och med andra metaller rekommenderas starkt.
6
Två dynamiska processbaserade metallretentionsmodeller, Lindström och Håkanson-
modellen samt QWASI-modellen, har i denna studie framgångsrikt testats
avseende metallerna Pb, Cd, Zn och Cu i tre sjöar. En massbalansmodell
(FlowNorm) har också framgångsrikt testats i sex vattendrag. Det fanns bara ett
fåtal nationellt tillgängliga sjödata enligt urvalet, med flera års övervakning av
metallkoncentrationen i inflöde samt utflöde. Antalet sjöar med data kan utökas
genom utökade urvalskriterier som föreslås i denna studie för fortsatt arbete med
kalibrering och validering av modeller. Båda retentionsmodellerna Lindström och
Håkanson samt QWASI gav jämförbara resultat, speciellt av koncentrationen i
utflödet. Koncentrationen från sjöarna Innaren och Vidöstern beskrivs bra för alla
metaller av båda modellerna. Båda modellerna har däremot beräknat koncentrationen
i utflödet från sjön Södra Bergundasjön mycket högre än uppmätt medianhalt.
Skillnaden beror troligtvis på överskattad bruttobelastning till Södra
Bergundasjön. Testet visar nyttan av retentionsberäkningarna för att validera och
korrigera bruttobelastning av metallerna. Lindström och Håkanson-modellen testades
vidare i denna studie genom en känslighets- och en osäkerhetsanalys. Modellen
var mest känslig för variationen i bruttobelastning. Nyttan av de dynamiska modellerna
har vidare testats, som verktyg för att förutsäga effekten av eventuella
förändringar av belastningen, vilket illustreras genom scenarioberäkningar i denna
studie av Innaren och Vidöstern. Lindström och Håkanson-modellen kräver färre
indata än QWASI och rekommenderas för fortsatt arbete.
Enbart ett fåtal provplatser var lämpliga för retentionsmodellering med FlowNormprogrammet
för vattendrag, och ännu färre data fanns tillgängligt för att beräkna
den potentiella retentionen av metaller längs med vattendragen. För att kunna beräkna
metallretentionen längs vattendragen på nationell nivå behövs ett annat urvalskriterie
än de krav som ställts i denna studie. De platser som fanns tillgängliga
för denna studie, visade dock att retention av metaller sker i vattendragen till olika
grad. Fortsatt arbete bör därför beakta retention av metaller i både sjöar och vattendrag.
Rekommendationer för fortsatt arbete:
- Linjär regressionsmodell fungerar bäst för beräkning av den partikulära
fraktionen av metaller och bör användas tillsvidare.
- Ytterligare undersökningar av kolloidala och partikulära fraktioner, liknande
den som genomförts för Pb i denna studie, rekommenderas för andra
platser och metaller, vilket även innebär följande rekommendationer för att
utöka underlagen:
- Provtagning av sediment i de områden där den synoptiska provtagningen
ägde rum.
- Provtagning av filtrerade och ofiltrerade prover i de områden där
den synoptiska provtagningen ägde rum.
7
- Fortsatt arbete med retention av metaller rekommenderas starkt för att förbättra
beräkningarna av bruttobelastningen av metallerna.
- Öka antalet platser för kalibrering och validering genom föreslagna urvalskriterier.
- Tillämpa Lindström och Håkanson-modellen på nationell nivå.
Abstract [en]
The load of metals on the water environment is dependent on the gross load from
primary and secondary sources, but also on the transport and fate of the metals
within the water environment. The target in this study was to investigate the possibility
to use retention models/methods of metal loads on national scale with the
relatively high resolution needed to fulfil international reporting obligations of
Sweden. This study has been focusing on literature studies on the processes of
retention of metals, testing of two retention models and a mass balance approach.
Specific attention has been given to add knowledge of particulate, colloid and dissolved
forms of metals in Swedish rivers and lakes.
The metal retention studies found in literature indicate a large variation of retention
of metals, from a few per cent up to nearly 100%, but the retention is relatively
constant in the order of magnitude between the different metals. The retention
order is in most studies Pb>Cd, Zn, Cu>Ni, Cr. The retention in the Swedish large
lake Mälaren has been calculated to max Cd 60%, Zn 50 % and Cu 30%. In Lake
Vättern the retention has been calculated in one study to Cd 60% and Hg 97%. The
tributaries to the large lakes are not completely monitored and the retention tests
could therefore not be performed on the large lakes within this study. Metals are
retained by the burial in the sediments. Several authors in literature successfully
use water residence time to describe the retention by models and point out the importance
of grain size and particulate forms of metal. The focus of continued work
should mainly be on those parameters.
The particulate fraction of metals Al, Fe, Ni, Cu, Zn and Pb in Swedish lakes and
rivers was further investigated within this study using two different approaches;
empirical regression approach by linear regression and partial least square analysis
and chemical speciation approach by the program VisualMinteq. The results
showed that linear regression models are most useful for estimating the particulate
fraction of metals and should be used for all metals until a better chemical characterization
of the particulate fraction becomes available. The efficiency with which
the concentration of the particulate concentration of the various metals can be predicted
using linear equations is good for the metals Al, Fe and Pb, acceptable for
Zn and Ni, but poor for Cu. Further, a limited study has been performed of the
changes of the Pb carrier colloids such as ferrihydroxide particles and organic carbon
using so called snapshot samplings upstream and downstream lakes. This data
suggests that losses of organic matter from soils within the landscape may significantly
affect the load of Pb. In this study the organic bound Pb was retained in
watercourses to a larger degree than minerogenic bound Pb. Further investigations
of these types of observations at other sites and for other metals are strongly suggested.
9
Two dynamic process-based metal retention models, the Lindström and Håkanson
model and the QWASI model, were successfully tested on Pb, Cd, Zn and Cu in
three lakes within this study, and one mass balance program (FlowNorm), was
successfully tested on six rivers stretches. Only a few lakes were nationally available
with the critera of several years inlet and outlet monitoring of metals. An expanded
selective criteria described in this study will increase the number of available
sites for calibration and validation in the future. The tested lake retention models
Lindström & Håkanson and the QWASI model give comparable results specifically
in the outlet concentration and predict the concentrations from two lakes,
Innaren and Vidöstern well for all metals. Both models largely over-predict the
outlet concentrations of Lake Södra Bergundasjön, which has been evaluated to be
due to errors in the calculated gross load to that lake. The tests thus show the importance
of calculation of retention as a tool to validate and correct gross load estimations.
The Lindström and Håkanson model was further tested in this study by
sensitivity and uncertainty analysis, and the results showed that the model was
most sensitive to variations of the gross load. The retention models are furthermore
dynamic and are a useful tool to predict responses in changes of the load, illustrated
in a scenario example of lake Innaren and lake Vidöstern. The Lindström and
Håkanson model requires less indata and is therefore recommended for future
work.
For the river retention program FlowNorm there were only a few paired stream
stations present and even fewer data available for use in calculating potential retention
of metals in stream reaches. A different type of selection of sites along different
stream reaches is necessary to quantify metal retention. The sites available for
this study did show, however, that retention can occur for metals in streams, to
varying degrees. Future work should thus regard metal retention in both lakes and
rivers.
Recommendations for future work:
- The linear regression models are most useful for estimating the particulate
fraction of metals.
- Further investigation of the colloid carrier and particulate fractions, as performed
for Pb in this study, at other sites and for other metals, which further
includes recommendations to increase the data by:
- Sampling of sediments in the areas where synoptic sampling was
done.
- Sampling of filtrated and unfiltrated samples in the areas where the
synoptic sampling was done.
- It is strongly recommended to continue the work on retention of metals to
improve the gross load calculations.
- Increase the number of sites for modeling using suggested criteria.
10
- Apply the Lindström and Håkanson model on national scale.
Place, publisher, year, edition, pages
Norrköping: SMHI , 2011. , p. 74
Series
SMED Rapport, ISSN 1653-8102 ; SMED Rapport Nr 50 2011
National Category
Environmental Sciences
Research subject
SMED (Svenska MiljöEmissionsData); SMED (Svenska MiljöEmissionsData), Water
Identifiers
URN: urn:nbn:se:naturvardsverket:diva-7775OAI: oai:DiVA.org:naturvardsverket-7775DiVA, id: diva2:1214932
2018-06-072018-06-07Bibliographically approved