Retention of soil particles, phosphorus, nitrogen and pesticides in small constructed wetlands in agricultural watersheds
Atle HaugeNorwegian Institute for Agricultural and Environmental Research
What is the problem?
Soil and Phosphorus leak to the river and lakes –algae growth
JOVA yearly lost from agriculture
Soil particles: 10 – 300 kg/daa
Fosfor: 50 - 950 g/daa
Bent C. BraskerudNVE
Atle HaugeBioforsk, jord og miljø
A typical Norwegian constructed wetland:
bInlet
Outlet
a
c d
Components used in Norwegian constructed wetlands:
(a)sedimentation pond, (b) vegetation filter, (c) overflow
zone covered with vegetation or stones and (d) outlet basin.
Often low dams separate CW-components.
Depths were originally 1 m in a, 0.5 m in b and d, 0 m in c.
Particles in sediment
Sedimentationbasin (s)
Wetland filter (f)Threshold with V-notchDelta (d)
1 2 3
4 5 6
#
Inlet Outlet
#
s. 14
0
100
200
300
400
Sed
imen
t (k
g/m
2)
0 20 40 60 80 100
Meter fra innløpet
Grus: > 2.0 mm
Sand: 0.06-2.0 mm
Silt: 0.002-0.06 mm
Leir: < 0.002 mm
Particle size - Meter from inlet
Vegetation
0
20
40
60
80
100
120V
eget
asjo
nsd
ekn
ing
(%
)
0 1 2 3 4 5 6
Alder (år)
D
C
B
A
Vegetation cover in 4 constructed wetlands6 first years.
Vegetation filter and depth
0
20
40
60
80
Til
bak
ehold
t f
osf
or
(%)
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Anleggets andel av nedbørfeltets areal (%)
Dype våtmarker/dammer
Grunne våtmarker
Shallow wetlands hold back more Phosphoruss. 15
Name of pond: Grautholen
Svært lite sed.kammer
1-2 m dyp
Vegetation prevent resuspension
s. 6
Important for phosphorus retention
• Constructed wetlands work best in polluted creeks, with high amount of particles
• Near to pollution source
• Do not mix with clean water
Constructed wetlands should have
• Deep sedimentation pond in the start
• Shallow vegetation zone
• Vegetation cover
• 0,1 % of watershed size
Partikkeltransport i bekker
0
100
200
300
400
Van
nfø
rin
g (
l/s/
km
2)
0
50
100
150
Jord
par
tik
ler
(mg
/L)
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75
Timer
Vannføring
Partikler i utløp
Partikler i bekk
Figur 2. Partikkelkonsentrasjonen i bekken endrer seg ofte raskt med tida.
First flush Hysterese
Erosjonsrate fra 0,4 til 2,7 tonn, tilbakeholdt fra 40 til 95 %
Erosjonsraten var: 1,5 tonn, tilbakeholdingen: 50 %
Algetilgjengelig fosfor
Berg (A) Kinn (C) Flatabekken (F)
Grautholen (G)
+
+
= Løst reaktivt fosfor
= Totalt reaktivt fosfor
= Partikkelbundet fosfor
Symbolforklaring
Alge-P
s. 9
AQ
Hydraulisk belastning: QA-1
0
5
10
15
20
Hy
dra
uli
c lo
ad
(m d
-1)
200 509 818
Wetland BERG
1998 1999 2000 2001
Snitt Q/A: 2.3 m d-1. Oppholdstid: 4.3 timers. 11
-20
0
20
40
60
80
TP
ret
enti
on
(%
)
0 1 2 3 4
Hydraulic load (m d-1)
y = 6.4x + 21.3; r2 = 0.09; P<0.004
Mod1
CW-G2
CW-G1
CW-F
CW-C
CW-A
Legend
Hvor mye fosfor holdes tilbake?
Best når det gjelder
Aggregater gjør at leire oppfører seg som silt og sand
0
20
40
60
80
Til
bak
ehold
t fo
sfor
(%)
0 1 2 3 4
Hydraulisk belastning (m/d)
Løst fosfor
Partikkelbundet fosfor
Figur 7. Tilbakeholding av fosfor i fangdammer s. 12
Hvor mye fosfor holdes tilbake?
Tilbakeholding av jord og fosfor
Tabell 2. Gjennomsnittlig tilbakeholding av jordpartikler og fosfor i fire fangdammer
Q/A Jord partikler Total fosfor
Nr (m/d) Relativ
(%)
Spesifikk
(kg/m2/år)
Relativ
(%)
Spesifikk
(g/m2/år)
A 1,7 66 83 42 51
C 1,9 45 89 27 58
F 1,8 62 36 23 37
G 0,8 68 22 42 46
Q/A – hydraulisk belastning.
s. 11
0
200
400
600
800
Red
ox
i v
ann
(m
V)
0
100
200
300
400
Van
nfø
rin
g (
l/s)
0
31
62
93
12
4
15
5
18
6
21
7
24
8
27
9
31
0
34
1
A 2001
Redox
Vannføring
J F M A M J J A S O N D
O2
Mn(IV) NO3100
300
Fe(III)-100
P P Ps. 12
Avrenning og tap av alge-fosfor
0
10
20
30
40
50
Res
usp
ensj
on
(%
)
0 1 2 3 4 5 6Alder (år)
Vegetasjonen hindrer utspyling (resuspensjon)
0
25
50
75
100
Til
bak
eho
ldt
par
tik
ler
(%)
0 25 50 75 100 125
Vegetasjon (%)
Figur 12. Tilbakeholdingen av jordpartikler økte med vegetasjonsdekning i fangdammene
Figur 14. Resuspensjonen av sediment avtok drastisk med økt vegetasjonsdekning
s. 15s. 16
Vegetasjonen hindrer resuspensjon
0
2
4
6
8
10
Sed
imen
tasj
on
(cm
/år)
A B C D
22 cm
Figur 13. Årlig sedimentasjon i vegetasjonsfiltrene i fangdam A-D over 10 år. Sedimentveksten økte de fire første åra. Deretter var det andre forhold som bestemte tilbakeholdingen s. 16
Forbedring av fangdammkonseptet:Forsøksanlegget i Lier
Forbedre tilbakeholdingen av Løst P og N, samt pesticider
Filter 1= Grus og sand;
2= Algefilter;
3= Div. filtertyper: Leca, torv, skjellsand, bark, sand;
4= Vegertasjonsfilter (dybde 0.4-0.5 m), STANDARD FANGDAM;
5= Grunt vegetasjonsfilter (dybde 0.05 m);
6= Skiferheller (IKKE veg. dybde 0-0.05 m);
7= Dypt vegetasjonsfilter (dybde 0.6-0.7 m);
8= Bygghalm. s. 11
PPP
P
Terskler
s. 19
0.5 m
Steindekke
Plastikk
Jord
Fiberduk
Vannspeil
A
Fiber duk Grus/småstein
B
Jordterskel
Hoppeterskel
Er det fisk som vandrer?
Tersklenes akilleshæl
s. 19
0.5 m
Steindekke
Plastikk
Jord
Fiberduk
Vannspeil
Fiberduk mellom jord og stein
Stor nok stein til overdekning
Plassering og dimensjoneringav anlegget
Størrelse avhenger av tilførsler
Fra dyrka mark og bekk
Beregning av partikkelfjerning
0
20
40
60
80
100
Til
bak
ehold
ing (
%)
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
A / Q (m2 /m3 s)
2 µm
0.6 µm
60 µ
m 6 µm20
µm
Fin silt
Middel
silt
Grov leir
s. 25
Ikke planert
Planert
Figur 21. Tilbakeholding av partikler med ulik størrelse i fangdammer avhengig av invers hydraulisk belastning (A/Q).
Hvor stor skal fangdammen være?
Hva er optimalt?
-40
-20
0
20
40
60
80
100
TP
ret
enti
on
(%
)
0.001 0.01 0.1 1 10
Ratio A /catchment area (%)
y = 31.714x0.166
r2 = 0.102
-20
0
20
40
60
80
100
120
spec
ific
TP
ret
enti
on
(g
m-2
yr-1
)
0.001 0.01 0.1 1 10
Ratio A /catchment area (%)
y = 2.3x(-0.83)
r2 = 0.41
?
<1 % ?
Kortslutningsstrømmer – hydraulisk effektivitet
1 2 3
26 % 76 % 61 %
4
76 %
90 % 5
= Vannretning 76 % = Hydraulisk effektivitet
Fig. 22. Hydraulisk effektivitet for fem dammer med dybde 1,5 m
(Etter Persson m.fl., 1999).
s. 27
Sedimentet i fangdammer er matjord
0
1
2
Fo
sfo
r i
sed
imen
tet
(g/k
g)
0 1 2
Fosfor i matjordlaget (g/kg)
G
F
AC
1:1
linje
Figur 26. Fosfor i sedimentet i fangdammeneer ofte høyere enn innholdet i dyrka mark.
s. 31
Figur 20. Aggregater
Hva er viktigst å huske på?
Nedbørfeltene påvirker virkningsgraden
• Ta vare på aggregatene; kort veg fra jorde til tiltak
• Tilbakeholdingen øker med tilførslene; virker best ved høye tap
• Unngå vann fra utmark; reint vann fortynner
Fangdammer skal
• ha sedimentasjonskammer; forlenge levetida
• være grunne; kort sedimentasjonsveg
• ha vegetasjon; hindre utspyling, sprevannet
• være minst 0,1 % av nedbørfeltets størrelse, gjerne 1 %!
Store fangdammer fanger mest og varer lengst!
Fra huskeliste for fangdambyggere s. 33