Spridningsförutsättningar för föroreningar

Föroreningsspridning
Erosionsförhållanden
Referenser

Föroreningsspridning

Det är välkänt att havs- och sjösediment förändras över tid och att material kommer till och transporteras bort från ett område genom såväl naturliga processer som genom olika typer av mänsklig påverkan. Denna materialtransport tar också med sig föroreningar in och ut ur ett område. När det gäller fibersediment, kan denna föroreningsspridning med tiden, eller genom en händelse (till exempel erosion vid en storm eller vid ett undervattensskred), bli stor och själva fibermaterialet kan avsättas på andra platser. Det kan ge effekter på miljön där föroreningar och fibermaterial ackumuleras och dessa avsättningar kan bli svårare att åtgärda än det var vid källan.

För att kunna bedöma hur spridning sker och var fibrer och föroreningar kan hamna är det av stor vikt att förstå hur vatten-sediment-systemet fungerar. De fibrer och föroreningar som tillfälligt eller kontinuerligt frigörs från de fiberhaltiga sedimenten kommer antingen att sjunka tillbaka inom samma område eller transporteras med vattenströmmarna till dess att strömmarna är för svaga för att transportera substanserna. De sjunker då till botten, begravs av nya sediment eller frigörs på nytt om förutsättningarna ändras. Lätta partiklar kan transporteras en längre sträcka än tyngre. Runt strukturer i vattnet och på botten kan det bildas vattenvirvlar som lokalt river loss partiklar och skapar håligheter i bottnen. Se även nästa kapitel längre ned på denna sida erosionsförhållanden.

Föroreningar kan sitta adsorberade på fibrer eller minerogena partiklar men kan också finnas i löst form i sedimentens porvatten. Spridning av föroreningar i löst form från fibersediment till omgivningen kan främst ske genom advektion och kemisk diffusion.

Kemisk diffusion drivs av koncentrationsskillnader och sprider föroreningar i en relativt långsam takt men kommer att pågå till dess att koncentrationsskillnaderna är utjämnade, vilket i princip aldrig uppträder i en stor vattenmiljö med tillhörande utspädningseffekt. Diffusion kan därför ses som en kontinuerlig process som förekommer både från fiberbankar och fiberrika sediment.

Advektion är spridning genom strömmande vatten och kan t.ex. triggas av gasavgång, uppströmmande grundvatten, fartygstrafik (propellerströmmar, svallvågor och avsänkningsvågor), vattenströmmar (vattendrag, havsströmmar), vindgenererade vågor, undervattenskred eller bottengrävande organismer.

Medan kemisk diffusion frisätter lösta föroreningar från sedimentet kan advektion frisätta både partiklar och lösta föroreningar.

Gas har påträffats i flera fiberbankar och bedöms driva advektiv spridning av fibersediment. Följande processer bedöms vara drivna av gasbildning i fiberbankar (för mer info see GASFIB-projektet):

Resuspension och spridning av partikelbundna föroreningar
Spridning av föroreningar lösta i porvatten
Transport av hydrofoba persistenta organiska föroreningar (POPs) från porvatten till gasbubblor.

En eller fler av ovan beskrivna processer kan transportera föroreningar från sedimentbädden till sedimentytan, troligtvis mycket snabbare än vad som är möjligt genom diffusion, och även troligen snabbare än vad som sker vid utströmmande grundvatten genom sedimentbädden. Som exempel kan nämnas Svartsjöarna där gasbildning i kombination med höga flöden ledde till att en större volym sediment förflyttades från Övre Svartsjön till Nedre Svartsjön. Denna förflyttning skedde efter det att sedimentkartering utförts men innan muddring av sedimenten skulle påbörjats. Detta upptäcktes i tid och sedimentkarteringen fick göras om i direkt anslutning till muddringen. Händelsen visar på att gasbildning och höga flöden kan vara en stor faktor vid föroreningsspridning.

Även vattenströmmar kan orsaka resuspension av sedimenterade partiklar vilket i sin tur kommer att frigöra och sprida föroreningar i högre grad än diffusionen. De resuspenderade processerna är inte kontinuerliga utan uppstår när de erosiva krafterna är tillräckligt starka. Strömmarna från t.ex. propelleruppvirvling, vattenflöden och vindvågor behöver överstiga de adhesiva krafter som håller samman partiklarna för att dessa ska rivas loss och röras upp i vattenmassan. På flertalet platser har mindre sjok av fibermaterial från fiberbankar kunnat synas i samband med att sedimenten störts vid fartygstrafik eller vid provtagning.

Bottenlevande organismer kan grumla upp botten och på så sätt bidra till spridning. Det förutsätter att det finns bottenlevande organismer. I områden där fibrerna har ansamlats som stora bankar är förekomsten av bottenlevande organismer oftast i det närmaste obefintlig (se mikrobiota), framförallt på grund av den anaeroba miljön men även på grund av högre halter föroreningar. Uppgrumling och spridning av föroreningar genom bioturbation är därmed troligen mer aktuellt i områdena med fiberrika sediment.

En annan process som kan orsaka spridning av föroreningar är undervattenskred. Undervattenskred kan momentant sprida en stor mängd föroreningar men är relativt sällsynta händelser jämfört med övriga processer som beskrivits ovan. Undervattenskred drivs av en obalans mellan pådrivande och mothållande krafter. De pådrivande krafterna utgörs exempelvis av sedimentets tyngd, portryck, belastning och erosion av släntfot, medan de mothållande krafterna utgörs av materialets friktion och kohesion och inte minst vattenmassans tyngd. När de pådrivande krafterna överstiger de mothållande krafterna ger slänten ge vika och massorna glider ut. Detta förhållande är inte statiskt utan kan förändras. Med hjälp av hydroakustik har spår av undervattenskred kunnat identifieras vid flera fiberbanksområden.

I miljöer där landhöjningen överstiger hastigheten för stigande havsnivåer kan effekten av vattenströmmar öka i takt med att vattendjupet minskar, särskilt i områden där fiberbanken redan idag ligger ganska grunt. På samma sätt så kan erosionen av fiberbankar minska i områden där havsnivån stiger snabbare än landhöjningen.

I Figur 1 illustreras olika mekanismer som kan frigöra fibrer och föroreningar från fiberbankar. Dessa mekanismer kan även gälla fiberrika sediment om de ligger tillräckligt grunt (vilket sällan verkar vara fallet).

Figur 1.Bilden ska illustrera olika mekanismer som kan frigöra föroreningar och fibrer från områden där cellulosafibrer har ackumulerats som bankar. (Ur Snowball et al., 2020. Illustration: Gunnel Göransson, SGI) se också Figur 12 i Norrlin & Josefsson 2017.

Angående sannolikheten för spridning genom de olika spridningsvägarna kan du läsa mer här.

Spridning av metaller och persistenta organiska föroreningar (POP) från fiberbankar och fiberrika sediment till porvatten och ovanliggande bottenvatten har undersökts i pilotområden i Ångermanälvens mynning inom projektet TREASURE. Studierna inkluderade provtagning av vatten och sediment samt mätningar av föroreningsflöden in situ med hjälp av ”bentiska fluxkammare”, i det här fallet monterade på bentiska landare (Figur 2).

Figur 2. Två bentiska landare med ”fluxkammare” för mätning av metallflux. Foto Paul Frogner-Kockum, SGI.

Studierna visar att metaller i både fiberbankar och fiberrika sediment är hårt bundna till partiklar och koncentrationerna av lösta metaller i porvattenproverna är låga. Även halterna av både partikulärt bundna och lösta metaller i ovanliggande bottenvatten är låga vid ostörda förhållanden. Vid resuspension av sedimenten, ökade dock halten av de partikulärt bundna metallerna medan halten lösta metaller minskade. Detta tyder på att diffusion av metaller från sediment till omgivande vatten går långsamt och att det är partikelspridning som förmodligen dominerar transporten av metaller från fiberbanksområden (1). Undersökning av de organiska miljöföroreningarna DDT (samt metaboliter), PCB (20 kongener) och HCB visar att ämnena kan sprida sig från sediment till porvatten men att bindningen till sedimenten är stark även för dessa ämnen, speciellt i fiberbanksediment (Dahlberg et al., submitted).

Inom ramen för TREASURE gjordes också mätningar av metallflux (transport av lösta metaller) från fiberbankar i ett landarsystem (se figur 3) med hjälp av ”benthic flux chamber metoden” (2, 3). Fiberbankarna som har undersökts ligger vid Sandviken och Väja i Ångermanälvens mynning. Jämförelse mellan metallflux och totalkoncentrationerna i fiberbankarna visar att metallflux från sedimenten enbart erhölls för metallerna kobolt, molybden, nickel och zink. Trots förhöjda halter av bly, kvicksilver och krom i fiberbankarna förekom ingen metallflux för dessa ämnen (2). Studien visar på stora skillnader mellan de totalhalter av metaller som förekommer i fiberbankar och vad som kommer ut från fiberbanken (flux), vilket sannolikt kan förklaras av att vissa metaller, som bly, kvicksilver och krom, är hårdare bundna till fiberbanksmaterialet än metaller, som kobolt, molybden, nickel och zink. Detta visar på specieringens betydelse för riskbedömning av föroreningar i havsvatten (4, 5, 6).

Figur 3. Bentisk fluxkammare för organiska föroreningar, foto Paul Frogner-Kockum, SGI.

Angående sannolikheten för spridning genom de olika spridningsvägarna kan du läsa mer här.

Erosionsförhållanden/Sedimentdynamik

Erosion som kan påverka fibersediment orsakas i regel av naturliga vattenrörelser så som strömmar i älvar, havsströmmar och vågerosion. Erosionen kan också bero på massrörelser, t.ex. undervattensskred, samt av mänsklig påverkan som exempelvis muddring eller propellerturbulens och ankring, se Figur 1 och 4.

Figur 4. Bottentopografisk bild från ett område med fibersediment invid före detta massaindustri. Såväl i grunt och brant belägna strandnära fibersediment som i naturliga sediment vid stranden längst i sydost framträder skredärr som flackt bågformade hak. På något större vattendjup, lite längre ut från land har skredmassorna tryckts ihop och avsatts i oregelbundet småkuperade kullar och valkar på den i övrigt nästan plana bottenytan. På den västra delen av fiberbanken, i anslutning till en kaj, syns också släpspår från ankare. Bilden är tidigare publicerad i Norrlin & Josefsson 2017 och har spridningstillstånd enligt Sjöfartsverkets beslut med beteckning 12-02372.

Ungefär två tredjedelar av de fiberbankar som hittills har inventerats av SGU är inte översedimenterade av yngre naturliga sediment. Detta indikerar att fibrerna i dessa fiberbankar deponerats på bottnar där naturliga partiklar (mineralkorn och detritus) inte sedimenterar eller möjligen att mängden sediment som vattnet för med sig inte är tillräckligt omfattande för att vara märkbar. Dessa förhållanden kan delvis ha varit annorlunda när sedimentet avsattes. Fiberbankar återfinns alltså inte enbart på bottnar som i nutid är ackumulationsbottnar. Fiberrika sediment påträffas däremot i regel på eller i nära anslutning till ackumulationsbottnar där vattendjupet tenderar vara större.

I jämförelse med förorenade sediment på ackumulationsbottnar, ligger fiberbankarna deponerade på grundare bottnar. Detta medför att de är mer påverkade av fysiska processer som resuspenderar sedimenten och som medför risk för transport av partikelbundna ämnen. I norra Sverige kan på längre sikt även landhöjningen vara ett problem då bottnarna längs kusten lyfts upp och exponeras för erosiva krafter som vågor och vind, även om detta kan motverkas av en förmodad havsnivåhöjning orsakad av klimatförändring. Teoretiskt sett kan även effekter av klimatförändring komma att påverka erosionen av fibersedimenten. Ökad vattenföring i älvar till följd av snabb snösmältning eller ökad nederbörd i tillrinningsområdena kan ge ökad erosion av fiberbankar deponerade längs älvsidorna samt en förändrad salinitet och pH för de fiberbankar som ligger i närheten av älvmynningen. Förändringar i kemiska parametrar såsom salinitet, pH, löst syrgas och temperatur kan i sin tur förändra mönstret för spridning av metaller i den akvatiska miljön. Det största hotet med ett varmare klimat är sannolikt ökande metangasbildning i fiberbankarna vilket i sin tur gör dem mer erosionsbenägna.

En del fiberbankar har ansamlats på svagt sluttande botten eller på en terrass i en slänt som sluttar ner mot en djupare botten. Fiberbankens överyta kan också vara sluttande, ibland mer än de naturligt underliggande sedimenten. Ifall slänt och släntfot utsätts för erosion kan sedimenten tappa sin bärighet och helt enkelt glida ut som ett skred eller en slamström och därigenom sprida stora mängder fibrer, se Figur 4.

Erosionsprocesserna är sällan kontinuerliga utan uppstår vid tillfällen när de erosiva krafterna är tillräckligt starka. Erosion av fibrerna uppstår således när den pådrivande kraften (t.ex. kraften av strömmande vatten) är större än de adhesiva krafter som håller samman fibrerna. Storleken på de sammanhållande krafterna varierar bland annat beroende på fibrernas karaktär.

Fiberpartiklar som grumlas (resuspenderar) upp i vattenmassan kan antingen återsedimentera på samma plats eller följa med vattenmassans rörelser och spridas bort från fiberbanken. Effekten av fiberpartiklar som har eroderats har tydligt observerats genom de fiberrika sediment som finns belägna i anslutning till fiberbankar, ofta på större djup, på flera platser utefter Norrlandskusten. Där har observerats att de översta yngsta och mer fiberfattiga sedimentlagren, som överlagrar mycket fiberrika sediment belägna 3–4 dm under bottenytan, fortfarande innehåller en viss mängd massafibrer trots att spridning från fabriken upphörde för 40–50 år sedan. Att fibrerna i dessa ytliga sediment sedimenterat långt senare än vid tillfällen med primära utsläpp kan visas genom att radiometriskt fastställa nivån för Tjernobylolyckan (dvs. år 1986) i lagerföljden.

Referenser

1. Apler, A., Snowball, I., Frogner-kockum, P., Josefsson, S., 2019. Distribution and dispersal of metals in contaminated fi brous sediments of industrial origin. Chemosphere 215, 470–481. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.10.010

2. Frogner-Kockum, P, Kononets, M, Apler, A, Snowball, I, Hall, P, 2020, ‘Less metal fluxes than expected from fibrous marine sediments’, Marine Pollution Bulletin vol 150, pp 1 – 10.

3. Frogner-Kockum, P., Göransson, P., Åslund H., Ländell, M., Stevens, R., Göransson, G., Ohlsson, Y., 2016, Metal contaminant fluxes across the sediment water interface. Marine Pollution Bulletin 111: 321 – 329. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2016.06.092

4. Frogner Kockum, P., Herbert, Roger B, Gislason, S., R, 2004, A diverse ecosystem response to volcanic ash falls, Geochimica et Cosmochimica Acta, v 69 no 11, Supplement S, p. A682.

5. Frogner-Kockum, P.C., Herbert, R.B., Gislason, S.R., 2006, A diverse Ecosystem Response to Volcanic Aerosols, Chemical Geology, 231, 57 – 66.

6. Frogner, P., Gislason, S.R., Oskarsson, N., 2001, Fertilizing Potential of Volcanic Ash in Ocean Surface Water. Geology, 29: 487 – 490.

7. Norrlin, J., Josefsson, S., 2017: Förorenade fibersediment i Svenska hav och sjöar. SGU-rapport 2017:07. Sveriges geologiska undersökning.

8. Snowball, I., Apler, A., Dahlberg, A.K., Frogner-Kockum, P., Göransson, G., Hedfors, J., Holmén. M., Josefsson, S., Kiilsgaard, R., Kopf, A., Löfroth, H., Nylander, P., O’Regan, M., Paul, C., Wiberg, K., Zillén, L. 2020, TREA-SURE – Targeting Emerging Contaminated Sediments Along the Uplifting Northern Baltic Coast of Sweden for Remediation, En sammanfattning av ett fyraårigt forskningsprojekt om fiberbankar inom forskningsprogrammet TUFFO, Statens geotekniska institut, SGI, Linköping, 2020-07-07.