Vnitřní zatíženi
a eutrofizace
rawtjMiiSwíi

pitná VOda (toxiny, i
rekreace
anoxie hypolimnia
(ryby, koroze,
i   -i<-
eutrofizace

%

Makrofyta:              s
:- rekreace
-  rybářství
- zvýšení koloběhu živirt
Eutrofizace - přírodní vs
MAN-INDUCED EUTROPHICATION
3
Ž
%:$:$::■££  oligotrophy
co
< tu
>-
li-
O
co
+
•   URBAN RUNOFF
•   INDUSTRIAL
EFFLUENT
•   FERTILIZERS AND
PESTICIDES
•   SEDIMENT
Lr~55
EUTROPHY/
HYPEREUTROPHY
-^r----------	ga
	
^^umw ppp^	
EUTROPHV/ Lr     HYPEREUTROPHV	
antropogenni
Přírodní eutrofizace:
- dlouhodobý jev
I ilfia [£!• I íl 11 rsusKsnä íilíTiWšl il I
- fytoplanktonni dominance není nevyhnutelná (záleží na koncentraci živin
v přítoku)
- odraz charakteru povodí
Umělá eutrofizace:
- řádově rychlejší průběh
- důsledek znečištění
- obvykle vede k dominanci fytoplanktonu
100
WATER QUALITY
«    ■                           ■—
FISHERY YIELO
w
E    10

0.1
jimi    i i n mu    i i i mm    i i nun		
Ipříklady - Lipno          X         z		
FISH YIELDy/^		
§7J^		/     30 kg/ha E
	v*.            y	
"""	n*l     X	■~
■*	%w/	—
■i.4 m	•^Xfc	—
	•              ^  *■       :-    ■	
		s                         _
5		v.  2 kg/ha =
-      y		
-    /	Nýrsko	-
i mi	»   « t lllil         1    i   1 MIHI        1    1   1.....	
S:
10

=   1
=             E
S
o.»  3
x
1                           10                         100                     1000
MEAN SUMMER CHLOROPHYLL a (pg L"1)
0.01
Figure 2-24. — Relationship between lake characteristics (e.g., Secchi depth, chlorophyll) and monogement objectives (e.g., water quality fishery yield). Arrows denote decreased clarity ond increased fish yield. Modified from Wagner and Oglesby [1984).
Eutrofizace - je nevratný proces?
Nemusí být - závisí např. na procesech v povodí, průtočnosti, hloubce, typu ekosystému (litorální, pelagický)
Příklad:
Lago di Monterosi, Itálie - palaeolimnologicky záznam (Frey, 1980)
Vznik jezera 24 000letpř.n.l.
Smýcení povodí pro via Casia 200 let př.n.l.
Trofie obnovena 700 letn.l.
1970
Oligotrofní
Eutrofní       Oligotrofní
LAGO DI MONTEROSI
......■'■■-...-:^>^>:>^u,'   '
,x.i.zv-;^\jVfV:--ii.'l
TlPOLOCIA                           SIC (B)
Regione Biogeograf ega    Mediren-anea
Provincia                           Vírerbo
COM UNI                               Monterosi, Nepi.
ESTENSIONE (ha)                  51,1
ALTEZZA MEDIA (m s.l.m.)    236
Ricade in DOCUP           Ob2

Habitat
3150 Laghi eurrofici naturali con vegerazione del Mü^H'piua-nu-n; o Hyarodhuiuoa
Faktory řídící úživnost nádrží a jezer
koncentrace živin v Dřítoku:
geologie, morfologie, klima, hydrologie, půdy
doba zdrženi vodv:
v kombinaci s přítokovou koncentrací určuje látkové zatížení
hloubka:
vliv na stratifikaci, sedimentaci, styk produkční vrstvy se sedimenty
dominance tvou vodního ekosystému:
litorální- retence živin vysoká, koloběh v příbřežních zónách pelagický- zakalená voda, resuspenze, sedimentace v nejhlubších
částech vodního tělesa
f
Na Mg  Si    P    N    K   Ca Mn Fe Co Cu Zn Mo
podle Brönmark & Hansson 1988
* f
nejsi zdroje fosforu
Atmosferická depozice  -
aeolitická eroze, sopky, emise, kosmický prach, organogenní částice, fosfin Pce,k - 0,01-0,03 (max 0,1) mg/l
Povrchový odtok - přírodní pozadí
koncentrace závisejí na geologii, typu a druhu půd a erozi RRP - <0,01-0,03 mg/l, Pcdk - <0,01-101 mg/l
Povrchový odtok - zemědělství
důsledky zvýšené eroze, hnojení (kapacita půdního komplexu, povrchové splachy), odvodnění
RRP - <0,01-0,5 mg/l, Pcelk - <0,01-10° mg/l
Odoadní vod v
lidská produkce ~1,5 g/d + 0,8 g/d
pceik ~ 8_15 m9/!; °/°04 mg/l/obyv./km2 (v podmínkách ČR)
Modely koncentrace živin
(Vollenweider 1969, Chapra 1975)
Předpoklady:
- ustálený stav (ideálně míchaný reaktor)
- retence je závislá na koncentraci (tj. reakční mechanismus 1. řádu)
Retenční koeficient R:
R =
vstup — výstup
vstup
mechanismy retence: usazování, ztráty do atmosféry, změna formy
KfHélSlililMiMtSLiĚlĚá \
A. Retence - funkce objemu (Vollenweider, 1969) i------
vstup I    odtok
sedim./ ztráta
T
dt        T             T
°x=-
1 [XJ-[X}
T        [X]
R =
G
x
GXT
Gx +
j_      GxT + l
B. Retence - funkce zatížení
(Chapra, 1975) —
sedim./ ztráta
vstup I    odtok
&z = l[Xm]-^[X]-vx[X]
dt          T             T
7?=
-yw	[X]
^x	_    VXT
^X+tfw	VXT + Z
[X\ - koncentrace látky X v jezeře (|jg M; mg M)
[jy - koncentrace ve vstupech (|jg M; mg M)
r- doba zdržení vody (rok)
cjfw- plošné zatížení vodou (m rok"1)
<7X- sedimentační / rychlostní součinitel (rok-1)
vx- usazovací rychlost (m rok-1)
IM Ml k WiililiidW
Vollenweider (1969)
konstanta
R   _o*t_
0.5T + 1     v p        '    7
Chapra (1975)
závislost na z
7
16t
^=tt—-       (Gp=16/Z)
lOT + Z
Vollenweider (1976), Mercier&Larsen (1976)
1
Rp-~r   t
Vr + 1
(o> = -r)
závislost na t
závislost na [Pin\
Frisk (1980) P    0.034[PJí-+l v p          L miJ
OECD (1982)
í
1.55
R = l-
ll + VŤ
A
0.81
y
tfj
Nürnberg (1984)
RP =
15r
18T + Z
empirické
Prairie (1989)
0.25 + 0.18T
RP =
1 + 0.187
jgUghlSiĚaĚÍS,
1000.00
100.00
10.00
a lake • reservoir
0.001       0.010      0.100      1.000     10.000    100.000
j: g=t
—/r-0.5
x,yr
(d)
100.00
10.00
1.00
0.10
0.01
0.00
y = 0.12(0.08)x
0.79(0.10)
("■)
R =0.39
A    A
83(0.15)
(res.)
0.1
1.0
10.0
100.0         1000.0
z m
(a)   1r^-r-
0.8
0.6
0.4
0.2
-0.2
-0.4
10               100             1000
qw, m yr"1
10000
(b)
210
140
E oľ
DP-10 □ median
p-90
	
Pi, ug /I	Vp, m/yr
<10	7
10-35	15
>35	40
100
Pi, m g m
>100
Absolutní průměrná chyba (AME) modelu /?™
P„ ug/l
AME
(rozsah)
<10
10-35
0.09            0.13
(0.05-0.19)     (0.01-0.42)
35-100
0.16 (0-0.54)
>100
0.19 (0-0.59)
Faktory ovlivňující RD:
• formy P ve vstupech (PP - minerální/ organický)
(Wetzel 1975, Straskraba et al. 1995)
•  hydrodynamika (stratifikace, hloubka výpustí)
(Straskraba et al. 1995, Duras & Hejzlar 2001, Kennedy et al. 2002)
• stupeň limitace fytoplanktonu P (recyklace / sedimentace)
(Reynolds 1984)
Faktorv ovlivnuiici RD:
formy P ve vstupech (PP - minerální/ organický) (Wetzel 1975, Straskraba et al. 1995)
hydrodynamika (stratifikace, hloubka výpustí) (Straskraba et al. 1995, Duras & Hejzlar 2001, Kennedy et al. 2002)
stupeň limitace fytoplanktonu P (recyklace / sedimentace)
(Reynolds 1984)
typ vodního ekosystému (dominance makrofyta / fytoplankton) (Hansson 1992)'
> chemismus vody a sedimentů (02, N03", S042~, S2~, Ca, Al, Fe)
(Mortimer 1941, Bostrom 1988, Gachter & Müller 2002)
>  morfologie (protáhlá/kompaktní vodní tělesa) (Higgins & Kim 1981, Hejzlar & Vyhnálek 1988)
Závěry k modelům P
- popisují "průměrný" stav
- přesnost je malá
Koloběh P ve vodním ekosystému (vnitř ní zatteni
Důležité faktory:
- využití P ve vodním sloupci (frakce P v přítoku - např. P
rozp' ' p-org' ' p-min>
- chemismus sedimentu
- stratifikace x míchání vodního sloupce (důsledek morfologie,
spojení koloběhu P s hydrologickým režimem nádrže)
-  kyslíkové poměry v hypolimniu
- biologická struktura ekosystému (makrofyta, zooplankton, ryby, ptactvo)
Vnitřní zatížení = Uvolňování ze sedimentu
VSTUP
Čistá retence:
Sedimentace > Uvolnění
Čisté uvolnění:
Sedimentace < Uvolnění
Vnitřní zatížení
-  jedna složka koloběhu mezi sedimentem a vodou
-  vysoké v mělkých, polymiktických nádržích
-  nevýznamné, je-li doba zdržení vody krátká (<1 r)
-  závisí na poměru "zatížení P : vazebná kapacita
minerální složky sedimentu"
-  ovlivňováno fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi sedimentu
Hodnocení vnitřního zatížení P:
i. intenzita uvolňování, ii. potenciál, iii. mechanismy, iv. indikátory
i. Zjevná rychlost uvolňování (pro reálné podmínky v nádrži)
a) bilance "vstup - výstup - změna stavu" (pouze čisté uvolňování)
b)   akumulace P in hypolimniu (uvolňování+mineralizace ve vodě)
c) experimentální inkubace / gradient v pórové vodě sedimentu (uvolňování)
VSTUP
a)
b)
c)
bilancel     akumulace experimenty
v hypolimniu
>5
a) změny v koncentračním profilu P
b) chemické extrakční metody
Frakcionace P (e.g., Psenner & Pucsko 1988)
1. volně vázaný (H20), 2. redoxně labilní (BD), 3. vázaný na hydroxyoxidy kovů (NaOH20oC),
4. apatitovy (HCl), 5. refraktorní-organicky vázaný (NaOH85oC) jezero s tvrdou vodou        acidifikované jezero
15%    3%r4%
11%
r/r 3%   2%   5%
67%
89%
nádrž s měkkou vodou
6
3%
6%   2o/o
27%
62%
■  H20 D BD
■ NaOH-25°C
■ HCl D NaOH-85°C
a)  hlavní vazebné sloučeniny:
Fe (nejčastěji), AI (acid if i kovaná povodí), Ca (tvrdé vody),
b) retenční procesy: sedimentace (Pp_mjn), mineralizace (Pp-0rg)+ adsorpce/srážení
c) mechanismy uvolňování:
mineralizace, rozpouštění/desorpce závislé na pH-pE resuspenze, bioturbace
Teplota
zvýšení bakteriální aktivity Oxidačně-redukční podmínky
redukce a rozpouštění sloučenin P-Fe, P-Mn
výměna P043za ionty OH- ve sloučeninách s Fe, Mn, AI
rozpustnost Fe a AI hydratovaných oxidů Fyzikální procesy
d if use
míchání vody nad sedimentem Biologické faktory
Bioturbace
- zrychlení výměny vody mezi pórovou a okolní vodou
- narušení bariéry oxidovaných sloučenin Bakteriální aktivita a mineralizační procesy
Diagenetické přeměny forem P v sedimentech
voda
bentická hraniční vrstva
fiTSpfí l [i 11 i
r et al. 2004
Bi - bioturbace, Bu - pohřbení, D - difuse, M - mineralizace, Přec - srážení, U - příjem organismy, Re - resuspenze, S - sedimentace, So - sorpce
iv. Indikátory mechanismu uvolňování P
Žádné uvolňování:			
P v sedimentujícím sestonu :  P v	sedimentu	< 1	
Fece|k:Pce|k v sedimentu  >  15		(Jensen et al.	1992)
Fe(II):Prozp v pórové vodě >  1		(Phillips et a	. 1994)
AI(OH)3:Fe(OH)x v sedimentu > 3
nebo
AI(OH)3:Fe(OH)x v sedimentu < 3 a dále
AI(OH)3:
Ph2o+bd v sedimentu > 25
(Kopáček et al. 2005)
Řídící faktor
Oxidace NO nebo 02
Srážení AI Srážení Fe
redox potenciál
chem.vazba chem.vazba
Koprecipitation s vápencem
Překrytí
Odtěžení
chem.vazba
chem.vazba a porozita
obsah P
Hypolimnetické vypouštění
koncentrace P v hypolimniu
Efektivita          Životnost opatřeni
krátkodobá
krátko - dlouhodobá krátkodobá
krátko - dlouhodobá
krátko - dlouhodobá
krátkodobá
dlouhodobá
PKKÜAMON
Water Research 37 {2002i 801-B 12
WATER RESEARCH
wvfwx lücviur.corn/lt iĽalĽ/wmrcs
Decision support for the selection of an appropriate in-lakc measure to influence the phosphorus retention in sediments
*
hike Sdiauscr. Jörg Lewandowski. Michael IIupier
Lčibnh-lttitŕitite of Freshwater Eťúksgy tmd Mand Fisheries, Mügaekeedumtn ÍÚI, D-I2S&1 Berlin, Cermtttty Received 24 January 2002; received in revised form 8 July 2002: accepted 3 September 2002
Abstract
Many in-lake measures which aimed (tí influence (.lie phosphorus retention in lake sediments have Tailed to improve the trophic slate oľ the lakes. The present paper introduces a systematic approach to select an appropriate in-Like measure. Before selecting an in-lake measure the goal of the measure should he defined, the prohlems oľlhtí lake
Vývojový diagram expertního systémi
PREDPOKLADY:
1.  Je řízení pomocí limitace P vhodné pro danou nádrž a cíl?
2.  Je dosažení cílové úživnosti realistické?
3.  Je další snížení vnějšího zatížení nemožné?
3xANO. expertní systém je vhodný
EXPERTNÍ SYSTEM
A. Předvyběr: Vyloučí se nevhodná opatření srovnáním jednotlivých opatření
s třídami vhodnosti (viz tab. Schauser et al. 2004)
• souučasné a kritické vnější zatížení
• časové charakteristiky nádrže - t, adaptační doba, životnost opatření
• morfologie nádrže - hloubka, stratifikace
T
Formalizovane hodnocení významu a vhodnosti

í
B. Výběr: Nejvhodnější opatření podle kritéria náklady/účinnost
T
Hodnocení specialisty
Vhodná opatření    <
Nevhodná opatření
^^B <_,e ■ B^r ■ ^^ A^B     ^^^     B^a ^^ a^B ■»■ r»        I B^m Wtmm ^3 B^B
(hypertrofie pro dlouhodobé zaústění splaškových odpadních vod a difusní znečištění v povodí)
Charakteristika
Hodnota*
Plocha
Objem
Max./Prům.houbka Doba zdržení vody Vnější zatížení P Kone. P v přítoku Kone. P v odtoku Kone. P v nádrži Chlorofyl I a Výpusti
0.43 km2 2.2 mil. m3 11 m/5.1 m 0.25 yr 2.1 g nr2r 102 mg m 3 94 mg m 104 mg nr3 20 mg nr3 povrchové
průměr 2000, 2001, 2003
Tisrneriick potok. .
O odbör vzorků    i\ 1
■' y ■■■*■ "....     Z
nJO-B ^ ■;-,- '  ,
*pm?&&
Podélný profil chemismu vody
4. září 2000
Temperature, °C
416^
DO, mg/l
Total P, ug/l
DRP, M9/I
S04, mg/l
NH4-N, mg/l
	2.0	2.5	3.0        3.5 River km	4.0	4.5	2.0	2.5	3.0       3.5 River km	4.0	4.5
										
vodní květ sinic v srpnu 2000
s^Eg?        :'^-- ^
^Nsi

'••v^..
--* £*»f-
•%g
'm.                *
■ \.~-v,   ':-.,  . íel^
měny koncentrace P přitok-odtok
inflow outflow
OOOOt-^Ot-cnjCNJOOOoO^-
oo^ooo^oooo^oo
DRP
0.16
•B) 0.12
E
ü." 0.08
OĹ
Q
0.04
inflow outflow
0
OOOOt-^Ot-cnjCNJOOOoO^-
oo^ooo^oooo^oo
letní
stratifikace -usazování P
mimovegetační období -mineralizace a uvolňování
Bilance přítok-odtok:
1570
CT
XL
600 450 300
Q.
o
75    150
0 -150 -300
F
2000
Retence
= p   — P    - P
r in      r out     r accum
Input, kg Ret.X-lll, kg
Ret.IV-IX, kg Ret., kg
2001
2003
v.'
Ret.X-III ä Uvolnění
Rok             Uvolňování
[kg]      [% Ret.IV-IX]
2000 2001 2003
73
238
33
38 60 35
ezonni zmeny ve siozeni sea i mentu
Tismenický potok»
e odběr vzorků
1.4.03
=   19.5.03
13.8.03
2.2.04
1.4.03
<   19.5.03
13.8.03
2.2.04
DM, %       TOC, mg/g      TON, mg/g     TP, mg/g      Fe, mg/g IiM^i^M liBlilill li^^Mi— h^M ■ ■ ■'■■ ^M l ■ I■ ■
50 100 150
_i____________________i____________________i
50 100 150
2.5 5.0 7.5   25 50 75
I
	20       40
1.4.03 ap   19.5.03 ó —> 13.8.03 2.2.04	^^^^H
	«xxxxxxxl ......... «XXXXXWI ........ 1 ....... 1 ........ 1
"0    50 100 150
10   20  2.5 5.0 7.5  25 50 75
0-0.5 cm
10.5-1 cm Em 1-1.5 cm
Přítoková část - rychlý obrat P ze sedimentujícího sestonu Stratifikovaná iezerní část - roční cyklus sedimentace-uvolňování
ořova voaa - sezónni zmeny Koncentrace
Přítoková část
Hrázová část
10.4. 9.7. 29.10. 17.1.
Hodnocení složení sedimentu
Frakcionace P (Psenner & Pucsko 1988)
přítoková část
10%\     2%
27%
24%
hrázová část
4%\    3%
18%
36%,
37%
■  H20 D BD
■   NaOH-25°C D HCl
D   NaOH-85°C
39%
Indikátory mechanismu uvolňování P
vysoký potenciál uvolňování P ze sestonu !
5Í
kritická hodnota
P v sestonu (9.3 mg g-1) : P v sedimentu NVSS (2.8 mg g-1) = 3.5	< 1
Fe:P v sedimentu =  13.5	> 15
Fe(II):Prozp v pórové vodě = 0.7 (hrázová část), 7 (přítoková částV	> 1
AI(OH)3:Fe(OH)x v sedimentu  = 4 (hrázová část), 0.5 (přítoková část)
oř
AI(OH)3:Fe(OH)x v sedimentu < 3, ale
AI(OH)3:
Ph2o+bd v sedimentu = 90 (hrázová část), 26 (přítoková část)
>3
nizky potenciál uvolňovaní P ze sedimentu !
7
Veličina
Hodnota
Současné vnější zatížení (Pin = 104 mg nr3)
2,1 g m2 r
2r-l
Kritické vnější zatížení	0,6 g m2 r1
(Pcíl = 20 mg m3)	
Adaptační doba	0,75 r    *
Trvání efektu	
jednorázového opatření	0,9 r     +---------"
Rychlost uvolňování	0,3 g m2 r1    ^
Potenciál uvolňování	
(ze 30-cm vrstvy)	0,8 g m2   *------"
Stratifikace	dimiktická
Hloubka resuspenze	2 až 5 m   A____-
Příčinou hypertrofie je vysoké vnější zatížení P
Rychlá odezva na pokles vnějšího zatížení P
Krátká životnost jednoráz.o.
Vysoce nepravděpodobný trvalý efekt vnitřního zatížení P po snížení vnějšího zatížení P
Srážení AI v nádrži vhodné pouze v jezerní části nádrže
Efektivní typy opatření - kontinuání přidávání sražedla P do přítoku
- vypouštění z hypolimnia (částečně)
•fTTBraSTREETifi
ve stádiu před zazemněním vratný,
řízený především velikostí vnějšího zatížení fosforem
led i menty jsou dynamickou složkou vodního ekosystému:
- napojení na složení přítoku a procesy ve vodním sloupci
- časová odezva je ve vztahu k době zdržení vody
3. Význam sedimentů jako zdroje vnitřního zatíženi P lze vyhodnotit pomocí chemické analýzy sedimentů a látkové bilance nádrže
4. Opatření proti vnitřnímu zatíženi P lze optimalizovat pomocí funkčních kritérií hodnotících vhodnost-účinnost-náklady

Děkuji za pozornost!
,«*■
Sediment s porostem Polygonum am phi biu m a Limosella aqautica
v oligotrofní nádrži Nýrsko