Byfjorden – oceanografi och syresättning av djupvattnet
Förord
Den 5:e maj 2024 startade en ny period med syresättning av Byfjordens djupvatten, med syfte att skapa goda livsbetingelser, ett bra habitat, för torsk, hummer och andra djur i fjordens nu helt döda djupvatten. Detta är 12 år efter avslutningen av BOX-projektet som syresatte fjordens djupvatten för att skaffa kunskap som skulle kunna tillämpas vid en eventuell framtida syresättning av Östersjöns syrefria djupvatten. Nu pågående syresättning kom till stånd genom ett medborgarinitiativ via Stiftelsen Byfjordens Framtid och med finansiering av Uddevalla kommun.
Föreliggande skrift skall ge den intresserade en beskrivning av Byfjordens oceanografi och bland annat förklara varför det råder så dåliga förhållanden i fjordens djupvatten och, inte minst, förklara hur man kan åstadkomma bra syreförhållanden.
Den otålige kan bläddra fram till kapitel 7 för att läsa om pågående syresättning och till kapitel 8 för att läsa om förändringar i fjordens djupvatten som inträffat sedan pumpningen påbörjades.
Göteborg den 10 september 2024
Anders Stigebrandt
Seniorprofessor i oceanografi vid Göteborgs universitet
Innehållsförteckning
1 Oceanografiska förhållanden i Skagerrak
2 Skiktning och vattenutbyte
3 Vattenkvalité i djupvattnet
4 Är det möjligt att förbättra vattenkvalitén i djupvattnet?
5 BOX – experimentet
6 Cirkulation i djupvattnet som drivs av pumpningen
7 Pågående syresättning
8 Förändringar av tillståndet i fjordens djupvatten sedan pumpstarten
9 Framtida syresättning
10 Referenslista
1 Oceanografiska förhållanden i Skagerrak
Byfjorden ligger längst bort från öppna Skagerrak i fjordsystemet innanför Orust. Fjorden har ett största djup på nästan 50 m och det 13 m djupa Sunningesund utgör en tröskel mot Havstensfjorden (Figur 1). Tack vare de bredare och djupare sunden mot Hakefjorden, mellan fastlandet och Tjörn, sker Havstensfjordens vattenutbyte med Skagerrak till stor del denna väg. För att förstå vattenutbytet mellan fjordarna innanför Orust och Skagerrak måste man känna till de strömdrivande mekanismerna.
Figur 1 Karta över fjordsystemet innanför Orust och Tjörn.
Havstensfjorden förbinds vid Nötesund med Koljöfjorden, norr om Orust, och vid Svanesund med Almöfjorden vilken avgränsas genom trösklar söder om Tjörnbron från den breda och djupa Hakefjorden. Koljöfjorden förbinds med Ellösfjorden, och Skagerrak, genom de smala och grunda sunden vid Malön (Malö strömmar). (Från Hansson m.fl., 2013).
Baltiska strömmen transporterar ytvatten från norra Kattegatt utmed Bohuskusten. Typiska värden på strömmens djup och salthalt är ca 15 m repektive 22-25 promille (g salt/kilo vatten) och flödet är typiskt 50 000 – 100 000 m3/s. Under Baltiska strömmen finns saltare vatten med bidrag från Jutska strömmen, vilken transporterar sötvatten från de kontinentala floderna Rhen, Elbe med flera, blandat med Nordsjövatten till Skagerrak. På större djup finner man Nordsjövatten med salthalt upp emot 35 promille. På grund av dessa omständigheter har vattnet längs Bohuskusten oftast en mycket stark vertikal saltskiktning. De regionala vattendragen Nordre Älv, en gren av Göta Älv, och Bäveån påverkar skiktningen i sina närområden, där de kan ge upphov till ett upp till några meter tjockt ytskikt med reducerad salthalt.
Havsvattnets densitet bestäms av dess salthalt och temperatur. Tumregel: en minskning av salthalten med 1 promille ger ungefär lika stor densitetminskning som en ökning av temperaturen med ca 8 °C. I starkt saltskiktat vatten har salthalten därför störst betydelse för densiteten. Med lättare respektive tyngre vatten menas vatten med lägre respektive högre densitet.
Den vertikala skiktningen vid Bohuskusten ändras ständigt. På grund av den så-kallade Corioliskraften, vilken beror på jordens rotation, går i öppet hav den vinddrivna transporten av ytvatten vinkelrätt till höger om vindens riktning. Vid Bohuskusten skapar därför sydlig vind transport av ytvatten in mot kusten medan nordlig vind skapar transport av ytvatten ut från kusten. Detta ger upphov till omväxlande nervällning av ytvatten med lägre salthalt och densitet och uppvällning av saltare vatten med högre densitet från djupare liggande skikt.
Densitetsvariationer i vattenpelaren vid kusten skapar horisontella densitets- och tryckskillnader mellan kustvattnet och vattnet i innanför liggande fjordar. De horisontella tryckskillnaderna driver ett vattenutbyte i fjordarna vilket är sådant att det strävar efter att anpassa skiktningen i fjordarna över tröskeldjupet mot havet, till skiktningen i kustvattnet. Detta vattenutbyte kallas intermediärt vattenutbyte. En annan drivkraft för vattenutbyte i fjordsystemet är skillnader i vattenstånd mellan detta och Skagerrak. Vattenståndsvariationer i Skagerrak orsakas av det astronomiska tidvattnet samt av variationer i vindens styrka och riktning, särskilt över Nordsjön, och av variationer i lokalt lufttryck och lokal vertikal skiktning. När lufttrycket sjunker stiger havsytan och vice versa.
2 Skiktning och vattenutbyte
På djup mindre än tröskeldjupet i Sunningesund finns inga hinder för vattenutbyte mellan Byfjorden och Havstensfjorden. Medelvärdet av det intermediära vattenutbytet, med samtidigt lika stora in- och utflöden på olika djup och med olika densitet, genom Sunningesund har uppskattats till ca 100 m3/s. Genom detta utbyte upprätthålls i Byfjorden en vertikal skiktning över tröskeldjupet som är snarlik den i Havstensfjorden (och den vid Skagerrakkusten), se Figur 2 i Hansson m. fl. (2013). Därtill kommer mindre utbyten, dels på grund av vattenståndsvariationer dels på grund av så-kallad estuarin cirkulation. Den senare uppkommer vid sötvattentillförsel genom avrinning från land i kombination med vinddriven inblandning av havsvatten i sötvattnet. Blandningen bildar ett ytskikt vilket ofta har låg salthalt. I Byfjorden är vattnet i detta ytskikt brunt på grund av humusämnen som tillförts sötvattnet vid passage genom skogs- och myrmark.
I Byfjordens djupvatten, under tröskeldjupet, är situationen helt annorlunda. Tröskeln hindrar det tyngre djupvattnet från att strömma ut. För att bli utbytt måste ett vatten ännu tyngre än djupvattnet strömma in från Havstensfjorden. Detta tränger ner under och lyfter upp det befintliga djupvattnet. Hur ofta djupvattnet i en fjord blir utbytt beror på följande två faktorer.
1) Hastigheten med vilken densiteten minskar i djupvattnet. Denna bestäms av hur mycket energi som tillförs turbulenta blandningsprocesser i djupvattnet. I Byfjorden är denna energitillförsel liten varför minskningen av densiteten (salthalten) går mycket långsamt. Salthalten minskar bara med ca 0.1 promille/år.
2) Tiden det tar innan ett tillräckligt tungt vatten åter uppenbarar sig i Havstensfjorden på djup grundare än tröskeldjupet i Sunningesund. Denna bestäms av återkomsttiden för en viss densitet (salthalt) i Havstensfjorden strax över tröskeldjupet i Sunningen. Återkomsttiden för en viss salthalt kan uppskattas genom analys av historiska data.
Vid sydvästliga vindar över Skagerrak transporteras ytvatten ut från den norska kustströmmen, vilken går längs norska Skagerrakkusten mot Nordsjön. Strömmen försvagas då och kan periodvis upphöra att existera längre västerut. När detta inträffar förekommer inget utflöde av ytvatten vilket då ackumuleras i Skagerraks ytskikt (Aure and Sætre 1981).
Vid Nordostliga vindar över Skagerrak transporteras ytvattnet mot norska kusten. Därvid förstärks den norska kustströmmen riktad mot Nordsjön. Kustströmmen tömmer då Skagerrak på ytvatten med lägre salthalt. Detta ersätts genom uppvällning av vatten med högre salthalt. Vatten med hög salthalt och densitet kan då strömma in i fjordsystemet. Om nordostvinden är tillräckligt stark under tillräckligt lång tid kan salthalten vid Bohuskusten bli särskilt hög. Det är under sådana sällsynta episoder som det sker utbyte av djupvatten i Byfjorden. Historiskt brukar det gå 3-5 år mellan
utbytena av djupvattnet. Senaste vattenutbytet ägde rum år 2017. Den stora variabiliteten av salthalt på några djup i Havstensfjorden framgår av Figur 2 nedan. Man inser från denna figur att de allra högsta salthalterna inträffar mycket sällan vilket betyder att de har en lång återkomsttid.
3 Vattenkvalité i djupvattnet
Vid utbyte av djupvattnet blir detta syresatt. Men redan efter ca ett halvt år har syret förbrukats genom oxidering av från sedimenten utströmmande giftigt svavelväte och ammonium. Därefter fylls djupvattnet med dessa ämnen. Djupvattnet och dess bottnar kan då inte hysa högre liv. Situationen förvärrades i Byfjorden genom muddringar av Sunningesund vilka ökade den vertikala tvärsnittsytan av sundet och därigenom minskade tidvattnets hastighet i sundet, se Stigebrandt & Andersson (2022).
Det är huvudsakligen tidvattenströmmar över trösklar som ger energi till turbulenta blandningsprocesser i djupvattnet i fjordar. Tidvattenströmmar genererar så-kallat internt tidvatten (vågor i skiktningen) vid trösklar. Energiöverföringen till det interna tidvattnet är proportionellt mot kvadraten på tidvattenhastigheten i sundet. Det interna tidvattnet förlorar sin energi till turbulens i djupvattnet. Om det hade funnits en topografisk kopia av Byfjorden på Norska Vestlandet, där tidvattenamplituden är ca 1 m, mot ca 0,12 m i Byfjorden, hade denna fjordkopia haft mycket bra syreförhållanden i djupvattnet tack vare den åtminstone 50 gånger starkare tidvattendrivna blandningen och därmed följande högre frekvens av vattenutbyten.
Figur 2 Antal observationer (vertikala axeln) av salthalt i olika intervall (horisontella axeln) i Havstensfjorden. Data från SMHI. (Från Stigebrandt & Andersson, 2022).
4 Är det möjligt att förbättra vattenkvalitén i djupvattnet?
Av ovanstående framgår att problemet med dålig vattenkvalitet i Byfjordens djupvatten beror på den ogynnsamma kombinationen av mycket svag vertikal omblandning i djupvattnet och lång återkomsttid för vatten med mycket hög salthalt (densitet) i Havstensfjorden, över tröskeldjupet i Sunninge sund, vilket kan byta ut djupvattnet. Detta gör att det, som redan nämnts, brukar gå 3-5 år mellan utbytena av djupvattnet. Genom att öka hastigheten med vilken densiteten minskar i djupvattnet kan man framkalla vattenutbyten oftare. Ett sätt att åstadkomma detta är att blanda in mindre salt ytvatten, eller sötvatten, i det saltare djupvattnet. Detta praktiserades under pilotexperimentet BOX som beskrivs nedan.
5 BOX-experimentet
I en artikel visades att Östersjöns fosfortillförsel och därmed övergödning skulle kunna minskas genom syresättning av det syrefria djupvattnet (Stigebrandt & Gustafsson, 2007). Miljöminister Andreas Carlgren ordnade med finansiering för pilotprojekt på både ost- och västkusten. Ett forskarlag lett av Anders Stigebrandt fick förtroendet att genomföra ett pilotexperiment BOX (Baltic Sea Oxygenation Project) 2010 -2012 i Byfjorden för att skaffa kunskap för tillämpning vid en eventuell framtida syresättning av Östersjön. Byfjorden valdes för experimentet därför att fjorden i flera avseenden är en mycket bra mini-modell av Östersjön.
Från en flotte (Figur 3) pumpades syrerikt och relativt saltfattigt ytvatten (2 m3/s) ner i djupvattnet där det sköts ut i horisontella strålar med hög hastighet för att åstadkomma stor inblandning med djupvattnet, se Stigebrandt med flera (2015). Härigenom ökade hastigheten med vilken densiteten minskar i djupvattnet hundrafalt. Därmed ökade sannolikheten för nya inflöden och i stället för 1 inflöde vart 3-5 år fick djupvattnet ca 1 inflöde per år. Salthalten i djupvattnet sänktes till 26-27 promille som lägst, se Figur 4 nedan. Syret som kom med det nya djupvattnet tillsammans med syret från det inblandade syremättade ytvattnet höll djupvattnet syresatt varvid bottnarna koloniserades av bottenlevande djur. Pumparna drevs med el från nätet via kabel från land (Lindesnäs).
Det kan verka mycket att sänka salthalten i djupvattnet till 26-27 promille men djupvattnets salthalt var sannolikt i detta intervall på 1700-talet – innan man hade börjat muddra Sunninge sund och tröskeldjupet var då ca 5 m, se Stigebrandt & Andersson (2022). Det är också nära salthalten i djupvattnet i den närbelägna Koljöfjorden som har grunda trösklar (ca 5 m) i både nord och syd. För Byfjorden står valet mellan ett saltare men syrefritt och dött djupvatten och ett mindre salt djupvatten med syre och djurliv tack vare ökad blandning i djupvattnet och därmed ökad frekvens av vattenutbyten.
Utvecklingen av salthalt, densitet, temperatur och syrekoncentration (volymviktade medelvärden) under perioden 2000 – 2021 visas i Figur 4. Pumpningen startade i början av oktober 2010 och avslutades i slutet av december 2012. Man kan se att pumpningen sänker densiteten snabbt och att inflöden höjer salthalten och syremängden i djupvattnet. Tack vare mycket lång återkomsttid för höga salthalter, hade pumpningen effekt under flera år efter det att pumpningen hade avslutats.
Figur 3 Flotten med pumpar som användes under BOX-projektet (Från Stigebrandt m.fl. 2015).
Ekologiska och biogeokemiska effekter av syresättningen beskrivs i Stigebrandt m. fl. (2015). Bottnarna koloniserades efter det att de syresatts. Provtagning visade att läckaget av metaller och andra gifter från bottnarna inte ökade efter det att dessa syresatts. Dessutom upphörde det omfattande läckaget av fosfor från de tidigare syrefria bottnarna då dessa hade syresatts (oxiderats), se Stigebrandt & Andersson (2022). Vid naturliga vattenutbyten vart tredje till femte år transporteras 15-20 ton fosfor ut i fjordsystemet, se Figur 4 i Stigebrandt m.fl. (2015). Om Byfjordens djupvatten hålls syresatt upphör denna fosforbelastning på fjordsystemet i samband med vattenutbyten. Denna effekt av syresättning av djupvatten låg till grund för förslaget att syresätta Östersjöns djupvatten för att minska övergödningen, vilken i Östersjön numera väsentligen drivs av tillförseln (läckaget) av fosfor från de syrefria bottnarna, se Stigebrandt & Andersson (2020).
Figur 4 Medelvärden i djupvattnet (under 17.5 m djup) av salthalt (S), densitet (σ), temperatur (T), och löst syrgas (DO) för perioden 2000 - 2021. Från Stigebrandt & Andersson (2022).
6 Cirkulation i djupvattnet som drivs av pumpningen
För att inte erodera underliggande bottnar skjuts det lättare ytvattnet ut i strålar i djupvattnet genom horisontella munstycken (Figur 3). Strålarna har en initial hastighet av 2 m/s vilket innebär att ytvattnet blandas effektivt med omgivande djupvatten. Blandningen, jmf ”Buoyant plume” i Figur 5, är lättare än omgivande djupvatten varför den har flytkraft och stiger under ytterligare inblandning till dess att blandningen har samma densitet som omgivande vatten, vilket sker strax under djupet H i Figur 5. Blandningen ”dumpas” på denna nivå i undre delen av språngskiktet (pyknoklinen, haloklinen), typiskt på 17-18 m djup. Det dumpade vattnet sprider sig horisontellt över fjorden. Mätningar visar att det pumpade ytvattnet river med sig uppåt 30 gånger mer djupvatten än det som pumpas. För att kompensera för förlusten av det genom inblandning upptransporterade djupvattnet, induceras en horisontellt homogen (dvs lika över hela fjorden) sjunkande rörelse i djupvattnet, jmf de vertikala pilarna i Figur 5. Syret från ytvattnet kommer alltså ner överallt i djupvattnet genom den sjunkande rörelsen.
Figur 5 Cirkulation i djupvattnet som drivs av det nedpumpade mindre salta och därför lättare ytvattnet vilket släpps ut på djupet D genom horisontella munstycken (Pump Outlet). (Från Stigebrandt & Andersson, 2022)
7 Pågående syresättning genom pumpning i Byfjorden
Byfjordens djupvatten, under ca 15 m djup, syresätts vid inflöden av syrerikt vatten från Havstensfjorden. Sådana inflöden kommer naturligt vart tredje till femte år. Tyvärr har syret förbrukats efter ca ett halvt år. Därefter fylls djupvattnet med giftigt svavelväte och ammonium från nedbrytningsprocesser i sedimentet och är då dött med avseende på högre former av liv.
För att skapa ett bra habitat i djupvattnet för torsk, hummer och andra djur har medborgare genom Stiftelsen Byfjordens Framtid i samarbete med Uddevalla kommun startat syresättning av Byfjordens djupvatten. Tillstånd har erhållits från Länsstyrelsen att pumpa på samma sätt som gjordes under BOX-projektet. En ny flotte har byggts, se Figur 6. Den ligger förankrad där BOX-flotten låg. Pumpningen startade den 5te maj 2024. Djupvattnet bör bli syresatt genom ett inflöde av nytt djupvatten från Havstensfjorden efter 6-9 månaders pumpning då salthalten i djupvattnet sänkts med 4 – 6 promille.
Effekter av pumpningen dokumenteras genom det månatliga övervakningsprogram som SMHI utför för Bohuskustens Vattenvårdsförbund.
Forskare från institutionen för marina vetenskaper vid Göteborgs universitet kommer att följa olika aspekter av utvecklingen av tillståndet i fjorden. Bl.a. koloniseringen av de syresatta bottnarna.
Stiftelsen planerar att följa utvecklingen med avseende på miljögifter genom att låta analysera blåmusslor som växer i fjorden på samma sätt som under BOX-projektet.
Lantbruksuniversitetet följer utvecklingen av olika fiskbestånd i fjorden.
Stiftelsen filmar utvecklingen vid bottnarna i djupvattnet.
En kort beskrivning av utvecklingen i fjorden kommer att ges månatligen på stiftelsen Byfjordens framtids hemsida.
Figur 6 Nya flotten med pumpar i Byfjorden utanför Rödön. Det vita huset till höger i bilden är Villa Lindesnäs. (Foto Lars-Olof Axelsson).
8. Förändringar av tillståndet i fjordens djupvatten sedan pumpstarten
Nedan redovisas i tabellform hur medelsalthalten i djupvattnet (under 17,5 m djup) samt innehållet av svavelväte (H2S), Ammonium (NH4), Fosfor (Top P), Silikat (SiO2) har förändrats sedan mätningarna den 6 maj.
Tabell 1 Förhållandena i djupvattnet, medelvärden under 17,5 m djup vid de månatliga provtagningstillfällena för Bohuskustens Vattenvårdsförbund (mätningar utförda av SMHI). Salthalt ges i promille. Mängderna av svavelväte, ammonium, fosfor och silikat ges i procent relativt mängderna den 6 maj 2024.
Datum Salthalt Svavelväte Ammonium Fosfor Silikat
promille % % % %
240506 31.12 100 100 100 100
240603 30.48 108.8 88.6 95.4 81.9
240702 29.79 96.3 76.9 92.2 78.5
240805 29.06 64.1 64.9 69.1 62.1
240902 28.61 64.0 74.0 81.0 67.8
Från tabellen ser man att medelsalthalten har minskat fram till mätningen den 2 september med 2.51 promille vilket ger en minskningstakt på ca 0.6 promille/månad. Mängderna svavelväte, ammonium, fosfor och silikat har alla minskat med drygt en tredjedel jämfört med startvärdet även om utvecklingskurvan har skilt sig åt en del mellan ämnena.
Fram till det i perioden november – januari väntade vattenutbytet är reduktionen av densitet (salthalt) den absolut viktigaste effekten av pumpningen eftersom den ökar sannolikheten för ett nytt vattenutbyte i närtid. Efter vattenutbytet är också tillförseln av syrgas från ytvattnet, ca 2 ton syrgas/dygn, viktig för att upprätthålla syrekoncentrationen i djupvattnet.
9 Framtida syresättning
Pilotexperimentet under BOX-projektet i Byfjorden är fortfarande det enda experimentet i världen med syresättning av en större havsvattenbassäng. Det finns nu ett växande intresse att syresätta havsvatten med hjälp av så-kallad grön syrgas, som är en biprodukt vid produktion av grön vätgas genom hydrolys av vatten med hjälp av grön energi (sol, vind). Detta kan bli aktuellt även för Byfjorden när grön vätgas produceras i närheten av Byfjorden. Det återstår dock en hel del utvecklingsarbete innan en säker metod att tillsätta syrgas i havsbassänger är klar för användning.
10 Referenslista
Aure, J and Sætre, R., 1981. The Norwegian coastal current. University of Bergen Norway
Hansson D, Stigebrandt A, Liljebladh B 2013: Modelling the Orust fjord system on the Swedish west coast. Journal of Marine Systems, 113-114, 29-41, doi: 10.1016/j.marsys.2012.12.00
Stigebrandt, A., Andersson, A., 2020: The Eutrophication of the Baltic Sea has been Boosted and Perpetuated by a Major Internal Phosphorus Source. Frontiers in Marine Science, 7:572994, doi: 10.3389/fmars.2020.572994.
Stigebrandt, A., and Andersson, A., 2022: Improving oxygen conditions in periodically stagnant basins using sea-based measures - Illustrated by hypothetical applications to the By Fjord, Sweden. Continental shelf Research. 244, 104806, https://doi.org/10.1016/j.csr.2022.104806
Stigebrandt, A. and Gustafsson, B.G., 2007: Improvement of Baltic proper water quality using large-scale ecological engineering. Ambio, 36, 280-286.
Stigebrandt, A., Liljebladh, B., De Brabandere, L. Forth, M., Granmo, Å., Hall, P.O.J., Hammar, J., Hansson, D., Kononets, M., Magnusson, M., Norén, F., Rahm, L., Treusch, A., Viktorsson, L., 2015: An experiment with forced oxygenation of the deepwater of the anoxic By Fjord, western Sweden. AMBIO, 44, 42-54, DOI: 10.1007/s13280-014-0524-9
Organisationsnummer | 802481-9743 |
Bank | SEB, Uddevalla |
Konto | 5180 10 266 61 |
Bankgiro | 5766-7206 |
Länkar till ett urval externa kontakter hittar du här.
