Indhold:

MIKE 11 model af overløbshændelse

Formål

Formålet med modellering af overløbshændelse i MIKE 11 er at give en vurdering af, hvilke konsekvenser en tilledning af BOD vil have for iltvariationen i Østerå. Det tænkte scenario er en overløbshændelse med en varighed af 1 time. Flowet under overløbshændelsen er sat til 200 l/s med en BOD koncentration på 40 mg/l. Dette svarer til en BOD belastning på 28,8 kg fordelt over 1 time. Punkttilledningen er implementeret i modellen som ”Point Source” 95 m nedstrøms randen ved Indkildevej. Overløbshændelsen er sat ind i modellen kl. 07.30, idet iltkoncentrationen på dette tidspunkt i forvejen er lav. Dette tidspunkt vil af denne grund være kritisk med hensyn til iltkoncentrationen.

 

I følge målsætningen for Østerå må punktkilder ikke forårsage væsentlige ændringer i faunasammensætningen. Østerå er målsat som et B2/B3 vandløb hvilket betyder, at åen er egnet som fiskevand og har en fastsat fiskevandsmålsætning som opvækstvand for laksefisk og karpefisk. I den forbindelse er laksefisk de mest følsomme i forhold til ændringer i iltkoncentration. Generelt gælder det, at iltkoncentrationen skal være over 9 mg O2/l i 50 % af døgnet. Endvidere gælder det at minimumkoncentrationen over døgnet ikke må komme under 6 mg O2/l. Dette gælder dersom, en optimal bestand skal opretholdes. Ved kortvarige ændringer har fisken en evne til at søge mod områder med mere optimale iltforhold. Karpefisk har generelt ikke så strenge krav til iltkoncentrationen som laksefiskene. [Jensen Sand, 2000]

 

Ovenstående forhold er taget i betragtning når konsekvensen af overløbshændelsen er vurderet. Overløbshændelsen, som den er indsat i modellen, ses på Figur 1.

 

Figur 1 BOD tilledning som den er defineret i MIKE 11.

[Til Toppen] [Tilbage]

Forudsætninger

De konstanter og processer, der har indflydelse på BOD nedbrydningen og dermed på iltkoncentrationen, er defineret i WQ Ecolab modulet. BOD nedbrydningen er antaget at følge et 1. ordens nedbrydningsforløb. Konstanter af betydning for en 1. ordens nedbrydning er nedbrydningskonstanten, K1 og halvmætningskonstanten for ilt, Km. Desuden er der i modellen defineret en temperaturkonstant for nedbrydningsraten, θ. Værdierne for ovenstående ses i Tabel 1.

 

Størrelsen på dispersionskoefficienten har ligeledes indflydelse på BOD – og iltkoncentration. En lav dispersion giver en høj BOD koncentration og en lav iltkoncentration, mens en større dispersion giver en lavere BOD koncentration og en højere iltkoncentration. Af denne grund er der anvendt både en høj og en lav dispersionskoefficient i følgende modellering.

Kontrol af BOD nedbrydning

I modellen er BOD nedbrydningen regnet efter følgende udtryk:

 

                                                                                             (1)

hvor

K1          er 1. ordens nedbrydningskonstant ved 20 ºC [d-1]

Θ            er temperaturkoefficient for nedbrydningsraten [-]

T            er temperaturen [ºC]

BOD       er BOD koncentration [mg/l]

DO         er opløst ilt [mg/l]

Km             er halvmætningskonstanten for ilt [mg/l]

Det er i MIKE 11 kontrolleret om BOD nedbrydningen beskrives korrekt. Dette er gjort ved at indsætte en konstant BOD kilde ved øvre rand, hvorefter geniltning, fotosyntese og respiration er slået fra i modellen. Dermed er det forventet at BOD koncentrationen efter en given tid vil indstille sig på en ligevægt med eksponentielt aftagende BOD koncentration i forhold til afstanden fra den konstante tilledning. På Figur 2 ses BOD koncentrationen i forhold til afstanden fra tilledningen. Det fremgår heraf, at modellen beskriver nedbrydningen som forventet i forhold til ovenstående ligning.

 

 

Figur 2 BOD nedbrydningsforløb ved høj og lav nedbrydningsrate. Blå kurve angiver nedbrydningsforløb ved K1 = 0,2 d-1. Rød kurve angiver nedbrydningsforløb ved K1 = 0,6 d-1.

[Til Toppen] [Tilbage]

Resultater

Det er ikke muligt at kalibrere konstanterne med indflydelse på BOD nedbrydningen, idet der ikke foreligger målte data for ovenstående scenario 1. ordens nedbrydningsraten er dog tidligere bestemt ved in-situ forsøg i et dansk vandløb og er på denne baggrund antaget at ligge i intervallet 0,2 – 0,6 d-1 ved 20 ºC [Schaarup-Jensen, 2004]. De anvendte parametre til modellering af overløbshændelse ses i Tabel 1.

 

Parameter

Værdi

K1 [d-1]

0,3

Km [mg/l]

2

θ [-]

1,02

  Tabel 1 Parametre anvendt ved modellering af overløbshændelse.

Med ovenstående parametre for BOD nedbrydning er følgende forløb af iltkoncentrationen opnået, se Figur 2. Det skal bemærkes, at der i dette scenario kun er regnet på BOD opløst i vandfasen. Sedimentation og resuspension er processer, der i praksis vil have betydning for iltkoncentrationen i et vandløb ved en overløbshændelse.

 

 

Figur 3 Iltvariation efter BOD tilledning 5 m nedstrøms tilledningen. Rød kurve angiver iltvariation før tilledning. Blå kurve angiver variation med en dispersionskoefficient på 4,8 m2/s. Sort kurve angiver variation med en dispersionskoefficient på 0,6 m2/s.

Det ses, at den laveste iltkoncentration er opnået med den laveste dispersionskoefficient. Dette skyldes, at BOD spredningen er lille, hvormed nedbrydningen foregår i et mindre vandvolumen, end det er tilfældet ved en højere dispersionskoefficient. Dette forhold bekræftes af nedenstående plot, hvor det fremgår, at den højeste BOD koncentration optræder ved den mindste dispersionskoefficient.

 

Figur 4 BOD variation 10 m nedstrøms punktkilden. Blå kurve angiver BOD variationen ved en dispersionskoefficient på 4,8 m2/s. Sort kurve angiver BOD ved en dispersionskoefficient på 0,6 m2/s.

Med en dispersionskoefficient på 4,8 m2/s er den højeste BOD koncentration observeret 5 m nedstrøms punktkilden. Med en dispersionskoefficient på 0,6 m2/s er den højeste BOD koncentration observeret 15 m nedstrøms punktkilden

 

Hvorvidt, overløbshændelsen påvirker iltkoncentrationen længere nedstrøms i Østerå, er undersøgt i det følgende. Idet scenariet med en lav dispersionskoefficient giver de højeste BOD koncentrationer og de laveste iltkoncentrationer, er denne anvendt i det følgende.

 

Iltvariationen er illustreret ved Over kæret for på den måde at bestemme, om tilledningen påvirker iltkoncentrationen længere nedstrøms i Østerå.   

Figur 5 Iltvariation ved Over Kæret (ca. 1900 m nedstrøms tilledningen) før og efter tilledning af BOD. Rød kurve angiver variation før tilledning. Blå kurve angiver variation efter tilledning.

Det fremgår af Figur 5, at iltvariationen ved Over Kæret stort set er upåvirket af den modellerede overløbshændelse. Eftersom det kun er BOD i vandfasen der modelleres i dette scenario sker påvirkningen over en periode på få timer. Det er derfor ikke overraskende at tilledningen har en begrænset effekt på iltkoncentrationen i vandløbet.

 

For at illustrere effekten på Østerå som helhed vises nedenstående et længdesnit af iltkoncentrationen i åen til 5 tidspunkter efter overløbshændelsen med 2 timers interval.

 

Figur 6 Iltkoncentration før (sort) og efter (blå) tilledning samt BOD koncentration (rød) 1 time efter overløbshændelsens start.

Figur 7 Iltkoncentration før (sort) og efter (blå) tilledning samt BOD koncentration (rød) 3 timer efter overløbshændelsens start.

Figur 8 Iltkoncentration før (sort) og efter (blå) tilledning samt BOD koncentration (rød) 5 timer efter overløbshændelsens start.

Figur 9 Iltkoncentration før (sort) og efter (blå) tilledning samt BOD koncentration (rød) 7 timer efter overløbshændelsens start.

Figur 10 Iltkoncentration før (sort) og efter (blå) tilledning samt BOD koncentration (rød) 9 timer efter overløbshændelsens start.

Det bekræftes af ovenstående, at påvirkningen af iltkoncentrationen i åen kun kortvarigt antager kritisk lave værdier.

 

 
[Til Toppen] [Tilbage]

Vurdering af konsekvenser ved overløbshændelse

Som det indledningsvist blev nævnt har Østerå fastsat fiskevandsmålsætning som opvækstvand for laksefisk og karpefisk. Generelt kræver laksefisk, at iltkoncentrationen ikke kommer under 6 mg O2/l, for at en stabil bestand skal opretholdes. Den naturlige døgnvariation i iltkoncentrationen giver en minimumværdi på ca. 6 mg O2/l, mens der efter en overløbshændelse optræder minimumværdier på ca. 4 mg O2/l over en periode på få timer. Det skal dog bemærkes, at sedimentation af organisk stof ved overløbshændelsen kan forårsage forsinkede effekter på iltforholdene i vandløbet.

 

På baggrund af ovenstående er overløbshændelsen vurderet at være af ringe betydning i forhold til målsætningerne for Østerå.

 
[Til Toppen] [Tilbage]

Sammenfatning

På baggrund af modellen til beskrivelse af den naturlige iltvariation, er det forsøgt at beskrive hvilke konsekvenser en tilledning af BOD har på Østerå. Det er her fundet, at en BOD tilledning svarende til en overløbshændelse på en time forårsager et beskedent fald i iltkoncentrationen. Hvorvidt tilledningen har konsekvenser for faunaen i Østerå, afhænger dels af hvornår på dagen tilledningen foregår og i et vist omfang af hvilken dispersionskoefficient der anvendes. Samlede set er overløbshændelsen vurderet at være af ringe betydning i forhold til målsætningerne for Østerå.


[Til Toppen] [Tilbage]