Cost effectiveness of nutrient retention in constructed wetlands at a landscape level

Since 1990, over 13 000 ha of constructed wetlands (CWs) have been implemented to increase biodiversity and reduce nitrogen (N) and phosphorus (P) loads to Swedish waters. Despite the considerable number of CWs and ambitious investments planned for the coming three years, there is limited follow up of cost-efficiency of catchment- and landscape-scale nutrient retention by existing CWs. Such follow up evaluation could provide clear guidance regarding optimal size and location of future CWs. We present a three-step modelling approach to assess cost-efficiency of 233 CWs in two Swedish regions (East, 4321 km2, and West, 916 km2). Modelled nutrient retention in CWs was predominantly low, especially in the East, due to their suboptimal location in catchments, e.g., with inadequate upstream areas (low hydraulic loads) and/or low share of arable land (low nutrient loads). Suboptimal location of CWs generates both higher than necessary costs and low area-specific nutrient retention, leading to low cost-efficiency. Some high cost-efficiency CWs were identified, especially for N retention in the West. To increase their cost-efficiency, continued investments in CWs require clear guidance and instructions. To achieve optimal placement, both CW site and size in relation to incoming hydraulic and nutrient loads must be considered

Internbelastning av fosfor i svenska sjöar och kustområden

Kunskapen om internbelastning av näringsämnen i svenska sjöar och kustområden är begränsad. Internbelastning innebär att fosfor (P) som finns upplagrad i bottensediment frigörs till vattnet och bidrar till att övergödningsproblemen förstärks och kvarstår trots åtgärder som minskar den externa belastningen. Vattenmyndigheterna och Havs- och vattenmyndigheten (HaV) har gemensamt lagt ett första uppdrag till Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) att sammanställa nuvarande kunskap och data från sjöar och kustområden där internbelastning har konstaterats. Uppdraget omfattade även att uppdatera åtgärdsbiblioteket i VISS med schabloner på effekter och kostnader för åtgärder (exempelvis kemisk fällning, muddring och riktat fiske). I den här studien har vi sammanställt data från 220 vattenförekomster (sjöar och kustområden). De flesta har bedömts att ha (eller har haft) problem med övergödning och som man misstänker har en förhöjd internbelastning av fosfor. Några datakällor, inklusive enstaka studier och modeller, har använts för att bedöma internbelastning av fosfor i svenska sjöar. Definitionen av internbelastning är avgörande för att ge en korrekt beskrivning av problematiken. Så gott som alla sjöar har en naturlig bruttointernbelastning, d.v.s. att det sker ett visst utflöde av fosfor från sedimentet. I normalfallet överskrids bruttointernbelastningen mångfalt av sedimentationen så att det inte sker någon nettointernbelastning utan i stället en nettoretention. I samband med långsiktigt hög extern fosforbelastning, ökar bruttointernbelastningen, och den kan ibland överskrida sedimentationen så att det sker en nettointernbelastning. En ökad bruttointernbelastning kan ha följande konsekvenser: 1) retentionen av fosfor minskar, fosforhalten ökar under en del av året, och därmed ökar risken för algblomning (bruttointernbelastning)  2) retention är obefintlig och uttransporten av fosfor via utloppet blir större än intransporten (nettointernbelastning). 3) Åtgärdsbetinget för påverkanskällor uppströms och nedströms påverkas om åtgärder mot internbelastning inkluderas  Nationellt är andelen av sjöar som har en nettointernbelastning troligtvis liten, men lokalt och regionalt kan det vara ett betydande problem. Framför allt i anslutning till tätorter och jordbruksmark. Nettointernbelastning är ovanligt och den har sannolikt minskat över tid på grund av kraftiga minskningar av utsläppen från andra fosforkällor, främst avloppsreningsverk. Ökad bruttointernbelastning är troligtvis ett större problem i vissa delar av landet, men vi saknar för närvarande data för att beskriva effekten kvantitativt på en större skala. Vi rekommenderar därför att man samlar in och bearbetar befintliga data för att öka antalet sjöar och kustområden som kan bedömas, och att det skapas en databas över ’eutrofa sjöar och kustområden’ som man sedan kan arbeta vidare med. Vi rekommenderar också att vattenmyndigheterna initierar en studie i ett urval av sjöar och kustområden med dokumenterat historiskt hög intern fosforbelastning (1970 - 1980-talen) och med omfattande pågående mätningar. Studien bör omfatta vattenkemi, sedimentkemi, och hydrologi för så långa tidsserier som möjligt, samt en dokumentation över de åtgärder som gjorts i sjöarna och deras tillrinningsområden. Syftet ska vara att kvantifiera de långsiktiga trenderna med avseende på intern fosforbelastning, fosforretention och därmed den interna fosforbelastningens kvantitativa betydelse för recipienten och nedströms liggande vattensystem. Även effekter och kostnader av olika åtgärder (muddring, kemisk behandling, reduktionsfiske etc.) ska kvantitativt belysas. En annan möjlighet för att får bättre information och att skapa ett verktyg för att bedöma internbelastning i sjöar är att något modifiera pågående mätprogram. Som en del i det stora nationella övervakningsprogrammet trendsjöar, finns10 stycken sjöar som provtas 8 gånger per år (övriga provtas 4 ggr) där man kan beräkna internbelastningshastighet. Men eftersom de flesta är opåverkade skogssjöar, bör antalet utökas för att inkludera mer näringsrika sjöar, samt näringsfattiga och näringsrika kustområden. En sådan gradient av näringspåverkan skulle möjliggöra att internbelastningen kan kvantifieras för många fler viktiga sjö- och kusttyper. Sedimentanalyser bör också göras för att identifiera fosforformer i sedimenten som kan bidra till internbelastning. Baserat på vattenkemi och sedimentdata, kan man utveckla empiriska modeller (relaterade till internbelastning och trofisk status/totalfosfor i ytvatten) som kan ge underlag för att, med ett minimum av insatser, bedöma om en sjö ligger i riskzonen för internbelastning av fosfor. Vi rekommenderar också att ett övervakningsprotokoll utvecklas för att vägleda kommuner och andra myndigheter som är ansvariga för förvaltning av vattenförekomster. Övervakning av båda vatten och sediment måste göras noggrant för att bedöma internbelastningens betydelse för vattenkvaliteten. Det är också viktigt med sådan information för att kunna bedöma effekter och kostnadseffektivitet för olika åtgärder som minskar interna och externa källor av fosfor. Denna information saknar vi i stora delar i dagsläget. Protokollet skulle inkludera när, hur ofta, och var man ska provta vatten och sediment, både före och efter att åtgärder har genomförts

A web-based pesticide risk assessment tool for drinking water protection zones in Sweden

To protect human health, wildlife and the aquatic environment, " safe uses " of pesticides are determined at the EU level while product authorization and terms of use are established at the national level. In Sweden, extra precaution is taken to protect drinking water, and permits are therefore required for pesticide use within abstraction zones. This paper presents MACRO-DB, a tool for assessing pesticide contamination risks of groundwater and surface water, used by authorities to support their decision-making for issuing such permits. MACRO-DB is a meta-model based on 583,200 simulations of the physically-based MACRO model used for assessing pesticide leaching risks at EU and national level. MACRO-DB is simple to use and runs on widely available input data. In a qualitative comparative assessment for two counties in Sweden, MACRO-DB outputs were in general agreement with groundwater monitoring data and matched or were more protective than the national risk assessment procedure for groundwater

Utveckling av nya digitala verktyg inom dricksvattensektorn: Optimerad rening, förbättrad fällning av NOM och trendanalys av cykliska processer

Dricksvattensektorn i Sverige står för inför ett antal stora framtida utmaningar. Klimatförändringar som försämrar råvattenkvaliteten och städernas tillväxt hotar dricksvattenförsörjningen. Hoten kombinerat med nya mer krävande beredningsprocesser ställer krav på systematiskt arbete med att minska sårbarhet och risker i dricksvattensystemet vårt mest kritiska försörjningssystem. Snabbare förändringar i råvattenkvalitet över tid, större variationer i vattenförbrukningen samt en över lag högre vattenproduktion kan göra dricksvattenförsörjningen sårbart. Ovanstående utmaningar kräver snabbare ändringar i processen än tidigare samt en anpassning av hela produktionen. Vissa vattenverk ställer om sin produktion till nya processlösningar såsom membranteknik. Andra har börjat använder sig av sensorer för detektion av avvikelse i rå- eller processvatten. I båda fallen produceras mycket information och en snabb signalutvärdering är av ökad betydelse för beredningen. I detta projekt ägnade vi oss att driva på digitaliseringen av vattenproduktionen genom att förbättra utbudet av digitala kommersiella produkter och tjänster med hög IT-säkerhet både för den svenska och både den internationella marknaden. Under projektets gång bidrog vi att stödja ett antal VA-organisationer som nu använder nya innovativa system och metoder systematiskt för deras arbete med att analysera historiska data i kombination med realtidsdata. Systemen och metoderna säkerställer en säker leverans av dricksvatten

AbspectroscoPY, a Python toolbox for absorbance-based sensor data in water quality monitoring

The long-term trend of increasing natural organic matter (NOM) in boreal and north European surface waters represents an economic and environmental challenge for drinking water treatment plants (DWTPs). High-frequency measurements from absorbance-based online spectrophotometers are often used in modern DWTPs to measure the chromophoric fraction of dissolved organic matter (CDOM) over time. These data contain valuable information that can be used to optimise NOM removal at various stages of treatment and/or diagnose the causes of underperformance at the DWTP. However, automated monitoring systems generate large datasets that need careful preprocessing, followed by variable selection and signal processing before interpretation. In this work we introduce AbspectroscoPY ("Absorbance spectroscopic analysis in Python"), a Python toolbox for processing time-series datasets collected by in situ spectrophotometers. The toolbox addresses some of the main challenges in data preprocessing by handling duplicates, systematic time shifts, baseline corrections and outliers. It contains automated functions to compute a range of spectral metrics for the time-series data, including absorbance ratios, exponential fits, slope ratios and spectral slope curves. To demonstrate its utility, AbspectroscoPY was applied to 15-month datasets from three online spectrophotometers in a drinking water treatment plant. Despite only small variations in surface water quality over the time period, variability in the spectrophotometric profiles of treated water could be identified, quantified and related to lake turnover or operational changes in the DWTP. This toolbox represents a step toward automated early warning systems for detecting and responding to potential threats to treatment performance caused by rapid changes in incoming water quality

Drivers of phytoplankton responses to summer wind events in a stratified lake: A modeling study

Extreme wind events affect lake phytoplankton by deepening the mixed layer and increasing internal nutrient loading. Both increases and decreases in phytoplankton concentration after strong wind events have been observed, but the precise mechanisms driving these responses remain poorly understood or quantified. We coupled a one-dimensional physical model to a biogeochemical model to investigate the factors regulating short-term phytoplankton responses to summer wind events, now and under expected warmer future conditions. We simulated physical, chemical, and biological dynamics in Lake Erken, Sweden, and found that strong wind could increase or decrease the phytoplankton concentration in the euphotic zone 1 week after the event, depending on antecedent lake physical and chemical conditions. Wind had little effect on phytoplankton concentration if the mixed layer was deep prior to wind exposure. Higher incoming shortwave radiation and hypolimnetic nutrient concentration boosted phytoplankton concentration, whereas higher surface water temperatures decreased concentrations after wind events. Medium-intensity wind events resulted in more phytoplankton than high-intensity wind. Simulations under a future climate scenario did not show marked differences in the way wind events affect phytoplankton concentration. These findings help to better understand how wind impacts vary as a function of local environmental conditions and how climate warming and changing extreme weather dynamics will affect lake ecosystems

Drivers of phytoplankton responses to summer wind events in a stratified lake: A modeling study

Extreme wind events affect lake phytoplankton by deepening the mixed layer and increasing internal nutrient loading. Both increases and decreases in phytoplankton concentration after strong wind events have been observed, but the precise mechanisms driving these responses remain poorly understood or quantified. We coupled a one-dimensional physical model to a biogeochemical model to investigate the factors regulating short-term phytoplankton responses to summer wind events, now and under expected warmer future conditions. We simulated physical, chemical, and biological dynamics in Lake Erken, Sweden, and found that strong wind could increase or decrease the phytoplankton concentration in the euphotic zone 1 week after the event, depending on antecedent lake physical and chemical conditions. Wind had little effect on phytoplankton concentration if the mixed layer was deep prior to wind exposure. Higher incoming shortwave radiation and hypolimnetic nutrient concentration boosted phytoplankton concentration, whereas higher surface water temperatures decreased concentrations after wind events. Medium-intensity wind events resulted in more phytoplankton than high-intensity wind. Simulations under a future climate scenario did not show marked differences in the way wind events affect phytoplankton concentration. These findings help to better understand how wind impacts vary as a function of local environmental conditions and how climate warming and changing extreme weather dynamics will affect lake ecosystems

A framework for ensemble modelling of climate change impacts on lakes worldwide : the ISIMIP Lake Sector

Empirical evidence demonstrates that lakes and reservoirs are warming across the globe. Consequently, there is an increased need to project future changes in lake thermal structure and resulting changes in lake biogeochemistry in order to plan for the likely impacts. Previous studies of the impacts of climate change on lakes have often relied on a single model forced with limited scenario-driven projections of future climate for a relatively small number of lakes. As a result, our understanding of the effects of climate change on lakes is fragmentary, based on scattered studies using different data sources and modelling protocols, and mainly focused on individual lakes or lake regions. This has precluded identification of the main impacts of climate change on lakes at global and regional scales and has likely contributed to the lack of lake water quality considerations in policy-relevant documents, such as the Assessment Reports of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Here, we describe a simulation protocol developed by the Lake Sector of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP) for simulating climate change impacts on lakes using an ensemble of lake models and climate change scenarios for ISIMIP phases 2 and 3. The protocol prescribes lake simulations driven by climate forcing from gridded observations and different Earth system models under various representative greenhouse gas concentration pathways (RCPs), all consistently bias-corrected on a 0.5 degrees x 0.5 degrees global grid. In ISIMIP phase 2, 11 lake models were forced with these data to project the thermal structure of 62 well-studied lakes where data were available for calibration under historical conditions, and using uncalibrated models for 17 500 lakes defined for all global grid cells containing lakes. In ISIMIP phase 3, this approach was expanded to consider more lakes, more models, and more processes. The ISIMIP Lake Sector is the largest international effort to project future water temperature, thermal structure, and ice phenology of lakes at local and global scales and paves the way for future simulations of the impacts of climate change on water quality and biogeochemistry in lakes.Peer reviewe

Climate Effects on Phytoplankton Biomass and Functional Groups

Future climate in temperate regions is projected to get warmer and in many cases wetter. This poses questions about how phytoplankton in our lakes will respond. A dynamic modeling approach based on an allometric description of phytoplankton characteristics was used to investigate how the biomass of different functional groups of phytoplankton will respond to a changed future climate. Simulations based on a warmer future climate scenario suggest that we will experience an increase in phytoplankton biomass in northern temperate lakes. Moreover, phytoplankton groups are projected to shift towards a dominance of cyanobacteria at the expense of diatoms. Climate may affect phytoplankton, either via in-lake changes in temperature and stratification, or due to altered processes at the watershed level, which influence rates of nutrient export and water discharge. This study found that changes in lake temperature and stratification are the major causes of the projected increase in phytoplankton biomass, but that changes in the timing of nutrient export did influence the succession of diatoms. Variation in SPIM (suspended particulate inorganic matter) can have an important role in influencing the depth of the euphotic zone in a turbid lake, and hence the light climate experienced by phytoplankton. Wind and river discharge were found to regulate SPIM in this study, not only wind as in many other studies. Variations in SPIM could be adequately described by a few governing equations. This thesis suggests that, as a result of climate change, lakes close to the limit of becoming eutrophied may be pushed past a threshold beyond which water quality problems will become more prevalent. Finally it is important to bear in mind that all models are simplifications of the reality as we understand it. Still, the use of models can often give a good indication as to what might be expected in the future

Optimizing placement of constructed wetlands at landscape scale in order to reduce phosphorus losses

Constructed wetlands (CWs) are one of the main countermeasures to reduce diffuse phosphorus (P) losses, but there is still a lack of systematic guidance accounting for spatially variable effects of hydraulic and P load on P retention. We present a three-step modelling approach for determining suitable placement of CWs in four different size groups (0.1-1.0 ha), based on incoming hydraulic and P load. The modelled hypothetical CW area was only 17% of that previously estimated and area of efficient CWs is even lower. The mean area-specific P retention increased with CW size. However, the spatial variation in retention was large for all size groups and largest (6-155 kg ha(-1) year(-1)) for the smallest CWs due to highly variable incoming P loads, showing the possible benefits of targeted placement of CWs. The presented modelling approach has also flexibility to include and account for possible future changes in land cover and management