Coastal eutrophication status assessment using HEAT 1.0 (WFD methodology) versus HEAT 3.0 (MSFD methodology) and  Development of an oxygen consumption  indicator

Abstract

This report contains two parts which are self standing reports and a contribution to the HELCOM project EUTRO-OPER. The work has been funded and commissioned by SwAM (Swedish agency for marine and water management) 2014-2015. Coastal eutrophication status assessment using HEAT 1.0 (WFD methodology) versus HEAT 3.0 (MSFD methodology) Eutrophication status is assessed nationally in coastal waters within the Water Framework Directive (WFD) and in open sea areas within the Marine Strategy Framework Directive (MSFD). Both WFD and MSFD consider eutrophication but with different approaches and it is therefore a need for harmonisation in the assessment process.   The Excel based tool HEAT (HELCOM Eutrophication Assessment Tool) has been used in previous assessments in the HELCOM region. There are two versions of the tool; HEAT 1.0 and HEAT 3.0, the first is based on the WFD methodology and the second is based on the MSFD methodology. The main difference between HEAT 1.0 and HEAT 3.0 is how the indicators are grouped. Here we assess the eutrophication status in coastal waters by applying HEAT and compare the results with the national WFD assessments. The present test includes data on 33 selected coastal water bodies in five countries: Estonia, Finland, Latvia, Poland and Sweden. Data on reference condition, acceptable deviation, status and class boundaries of all indicators used in WFD for reporting ecological status (biological and physical-chemical) have been provided for each tested water body. The data has been inserted in the HEAT 1.0 and HEAT 3.0 tools and been compared with the national WFD assessments.   Both HEAT versions gave lower status in more than 50 % of the cases. For some tests the status changed to sub-GES from GES when HEAT is applied. The good/moderate boundary is the same in both HEAT and the WFD while the lower class boundaries in general are stricter in HEAT, which explains the lower status. In national WFD assessments expert judgment is used when there is little, no or very uncertain in situ data. The status in HEAT is given by the one-out-all-out principle but it is still possible to include expert judgment through the weighting factors. Development of an oxygen consumption indicator It was investigated if the oxygen consumption can be used as an oxygen indicator for the Baltic Sea. The method is based on the idea of calculating the oxygen consumption in a stabile layer below the productive zone during summer and relating this to nutrient concentrations. With more nutrients available there is an increased biological production. By estimating how much oxygen is needed to mineralise the biological material it may be possible to link the oxygen consumption to eutrophication. The oxygen consumption was calculated for the BY15-Gotland Deep in the Eastern Gotland Basin. We identified a stabile layer between 30 and 50 m and a large change in both oxygen and nutrients from June to August. However, the oxygen consumption had a very high inter-annual variation and there were no significant correlation with the winter mean of nutrient concentrations. It was not possible to calculate the diffusion between the layers because of too sparse measurements at the stratification which limits the method. The calculation of the diffusion is however possible to improve with a model. Further on, the depth of the stabile layer is varying between areas and also between years.   We realised that the method has too many restrictions to be a functional indicator. A functional indicator shall not be dependent on heavy modelling or demand too much on expert judgement. We also investigated if a possible candidate to use as a more simple oxygen consumption indicator could be the use of oxygen saturation at a specific depth. If we assume that the temperature has not changed much since the establishment of stratification we may expect that changes in oxygen saturation observed in August at this depth would be caused by the biological oxygen consumption occurring during late spring and summer. The correlation with winter mean nutrients slightly improved in this case.Den här rapporten innehåller två delar vilka båda är fristående rapporter och ett bidrag till HELCOM-projektet EUTRO-OPER. Uppdraget har finansierats och beställts av Havs- och Vattenmyndigheten (HaV), 2014-2015. Bedömning av övergödning i kustvatten med HEAT 1.0 (Vattendirektivets metodik) versus HEAT 3.0 (Havsmiljödirektivets metodik) Status för övergödning bedöms nationellt i kustnära områden i Vattendirektivet (VD) och i öppet hav inom Havsmiljödirektivet (HMD). Båda direktiven tar hänsyn till övergödning men med olika tillvägagångssätt och det finns därför ett behov av harmonisering i bedömningsprocessen. Det Excelbaserade verktyget HEAT (HELCOM Eutrophication Assessment Tool) har använts i tidigare bedömningar i HELCOM-regionen. Det finns två versioner; HEAT 1.0 och HEAT 3.0, den första är baserat på VD metodik och den andra är baserad på HMD metodik. Den största skillnaden mellan HEAT 1.0 och HEAT 3.0 är hur indikatorerna är grupperade. Här bedömer vi status för övergödning i kustvatten med HEAT och jämför resultaten med den nationella bedömningen inom VD. Detta test inkluderar data för 33 vattenförekomster i fem länder; Estland, Finland, Lettland, Polen och Sverige. Information om referensvärden, acceptabel avvikelse, status och klassgränser för alla indikatorer som används inom VD för att rapportera ekologisk status (biologisk och fysisk-kemisk) har tillhandahållits för varje testområde. Informationen har lagts in i HEAT 1.0 och HEAT 3.0 och jämförts med den nationella bedömningen inom VD. Båda HEAT-verktygen genererade lägre status i mer än 50 % av fallen. För en del fall ändrades status till sub-GES från GES när HEAT användes. Klassgränsen för god/måttlig status är densamma i HEAT och VD medan de lägre klassgränserna generellt är striktare i HEAT vilket förklarar den lägre statusen. I nationella bedömningar inom VD används expertbedömning i de fall där in situ data är bristfällig, saknas eller har hög osäkerhet. Statusen i HEAT ges av en-ut-alla-ut principen men det är ändå möjligt att inkludera expertbedömning genom viktningsprocessen. Utveckling av en syreindikator Det undersöktes om syrekonsumption kan användas som en syreindikator för Östersjön. Metoden är baserad på idén att beräkna syrekonsumptionen i ett stabilt lager under den produktiva zonen sommartid och relatera den till närsaltskoncentrationer. Med mer närsalter tillgängliga ökar den biologiska produktionen. Genom att uppskatta hur mycket syre som behövs för att bryta ned det biologiska materialet borde det vara möjligt att koppla syrekonsumption till övergödning. Syrekonsumptionen beräknades för BY15-Gotlandsdjupet i östra Gotlandsbassängen. Vi identifierade ett stabilt lager mellan 30 och 50 meter och en stor förändring i syre och närsalter från juni till augusti. Syrekonsumptionen hade stora variationer mellan år och det fanns ingen signifikant korrelation till vintermedel av närsalter. Det var inte möjligt att beräkna diffusionen på grund av för glesa mätningar kring skiktningen, detta begränsar metoden. Det är däremot möjligt att förbättra uppskattningen av diffusionen med en modell. Djupet av det stabila lagret varierar mellan områden och även mellan år vilket kräver en del handpåläggning för metoden. Vi insåg att metoden har för många begränsningar för att vara en funktionell indikator. En funktionell indikator ska inte vara beroende av krävande modellering eller för mycket handpåläggning. Vi undersökte också om en möjlig kandidat till en lite enklare syrekonsumptionindikator skulle kunna vara att beräkna syremättnaden på en specifik nivå. Om vi antar att temperaturen inte har ändrats så mycket sedan skiktningen etablerades kan vi förvänta oss att förändringen i syremättnad i augusti beror på biologisk syrekonsumption under sen vår och sommar. Korrelationen med vinternärsalter förbättrades något i detta fall.