MAGIC-biblioteket
Det krävs både generella och objektspecifika data, som inte alltid är lätt tillgängliga, för att kalibrera MAGIC-modellen till en sjö eller ett vattendrag. En kalibrering av MAGIC-modellen till alla ytvatten där försurningspåverkan skall bedömas är inte en enkel, snabb eller kostnadseffektiv metod.
Försurningsbedömning med MAGIC-biblioteket
Användningen av MAGIC-biblioteket är ett sätt att uppskatta förändringen från ett historiskt (och även ett framtida) tillstånd som baseras på tidigare dynamiska modellberäkningar för ett objekt som liknar det aktuella objektet som ska bedömas. Grundtanken bygger på observationen att sjöar som har liknande egenskaper med tanke på försurning, ofta har en likartad utveckling av sjökemin modellerad med MAGIC. Viktiga egenskaper som har betydelse vid en jämförelse är sjöarnas storlek, geografiska läge och vattenkemi. Det finns naturligtvis även andra egenskaper i sjön och avrinningsområdet som har betydelse ur försurningssynvinkel. En del av dessa finns med i matchningen indirekt, genom förhållanden till geografiskt läge och vattenkemi. Exempelvis kan det antas att sjöar och vattendrag från samma område har jämförbar historisk tidsutveckling av försurande nedfall.
Det kan också antas att vattenkemin återspeglar havssaltsnedfall, nedfall av svavel och även vittringshastighet i marken i avrinningsområdet. Det skulle vara fullt möjligt att använda även andra viktiga parametrar för matchningen, såsom markdjup, skogens bonitet och markanvändningen i avrinningsområdet. Anledningen till att man har valt att inte använda sig av dessa och andra parametrar är att det skulle ställa ytterligare krav på datatillgänglighet för de sjöar och vattendrag som skall bedömas och därmed begränsa verktygets användbarhet.
Parametrar för matchning i MAGIC-biblioteket
Urvalet av parametrar som används för matchningen är en kompromiss där mindre viktiga och/eller svårtillgängliga sjö- och avrinningsparametrar har valts bort från matchningen och bara de viktigaste och vanligen tillgängliga parametrarna används. MAGIC-biblioteket är ett verktyg som ger tillgång till redan genomförda MAGIC-beräkningar. En studie av försurningsutvecklingen i den sjö eller det vattendrag som verktyget sorterat fram, och som mest liknar den aktuella sjön eller det vattendrag som ska bedömas, ger en uppskattning av MAGIC:s sätt att beskriva utvecklingen utan att utföra en komplett modellberäkning.
Biblioteket består av en databas med sjöar och vattendrag där modellberäkningar med MAGIC utförts tidigare. Databasen innehåller en mängd parametrar för varje individuellt objekt med sitt tillrinningsområde, uppdelat på olika år som representerar förindustriella förhållanden (1860), tiden medan nedfallet minskade kraftigt och fram till nutid (1990 och framåt), en nutid (2010) och längre fram (2030). De beräknade parametrarna omfattar förindustriellt referenstillstånd, nuvarande tillstånd samt grad av påverkan i form av avvikelse från referenstillståndet. Dessutom finns en beskrivning av genomsnittliga årsvärden av några ytvattenkemiska parametrar.
Databehov
För att testa en sjö eller ett vattendrag med MAGIC-biblioteket behöver man följande data:
- Vattenkemiska parametrar; pH, SO4, Cl, Ca, Mg och DOC, för ett år efter 1990.
- X- och Y-koordinater för sjön/vattendraget i Sveriges rikes nät, RT90 eller i latitud och longitud.
- Avrinningen till sjön/vattendraget i m/år. Denna parameter kan skattas från avrinningskartor.
- För sjöar behövs också sjöns area.
Filter
När en sjö eller ett vattendrag matchas i biblioteket används, förutom själva matchningsformeln, också tre stycken filter, för att välja ut vilken sjö som är mest lik, eller vilket vattendrag som är mest likt den aktuella sjön eller det aktuella vattendraget. Filtren finns för att öka säkerheten i bedömningen. Detta sker genom att ett objekt som helt saknar liknande objekt i biblioteket inte får någon match, istället för att få en felaktig match som då inte egentligen skulle säga något om objektets försurningstillstånd. Matematiskt sett går det alltid bra att räkna fram vilket objekt i biblioteket som är mest likt det objekt som ska bedömas. Men att objektet är mest likt betyder inte att det faktiskt är likt. Om det inte finns något objekt i biblioteket av samma typ som det man vill bedöma kan det mest "lika" objektet vara mycket annorlunda. Filtret är den spärr som förhindrar att bedömning baseras på ett mycket olikt objekt bara för att alla andra objekt i bibliotek är ännu mera olika det objekt som ska bedömas.
Det finns tre filter med ökande stränghetsgrad. Om inget filter klaras är matchningen inte tillräckligt bra och objektet får bedömas på annat sätt, genom att man modellerar objektet med MAGIC eller möjligen att man utgår från tillståndet idag i objektet istället för förändringen av tillståndet över tid (fast då bedömer man om objektet är surt, inte om det är försurat). En annan funktion av filtren är att de hjälper till att välja match i de fall då det finns flera objekt med ungefär samma avstånd med avseende på alla tio matchningsparametrarna. I det fallet väljs inte per automatik det biblioteksobjekt ut som har det allra minsta avståndet, utan istället väljs den match ut som har ett litet avstånd samtidigt som ingen enskild av parametrarna avviker mycket, det vill säga den match av de närmaste som passerar det strängaste filtret.
Hur är filtren byggda?
Filtren sållar bort biblioteksobjektet där någon av matchningsparametrarna (X- och Y-koordinat, sjöarea, pH, SO4, Cl, Ca, Mg, DOC och Q, avrinning) avviker för mycket från parametrarna hos det objekt man vill bedöma. Vad som är för mycket utgår från bedömningen av riksinventeringens sjöar. För varje sjö (2410 stycken.) och parameter räknades skillnaden i parametern mellan den sjö som ska bedömas och den bibliotekssjö som den matchas mot ut. För att passera Filter 1 ska skillnaden mellan bedömningssjö och matchningssjö ligga mellan 5- och 95-percentilerna i de totala data, för Filter 2 mellan 1- och 99-percentilerna och för Filter 3 inte överstiga de dubbla gränsvärdena för Filter 2.
För vattendragen används samma filter som för sjöarna. Det som är "tillräckligt likt" för att bedömningen ska bli bra för sjöarna antas också vara det för vattendragen.
Matchningen bestäms av den parameter hos bibliotekssjön eller biblioteksvattendraget som avviker mest från värdet för samma parameter hos objektet som ska bedömas. Om exempelvis alla parametrar utom en klarar det strängaste filtret, och den enda parametern klarar det mellersta filtret, så har matchningen klarat det mellersta filtret.
Matchning
Grundförutsättningen för att kunna göra en bedömning med biblioteket är att det finns minst en sjö eller ett vattendrag i biblioteket som utifrån alla väsentliga parametrar är lik den sjö eller det vattendrag som ska bedömas. För att hitta det mest lika objektet används ett mått på multidimensionellt avstånd, som i princip är summan av skillnaderna, eller avståndet (matchningsobjekt–biblioteksobjekt) för alla parametrar. Det objekt i biblioteket som har minst summa för avstånden av alla parametrar jämfört med den sjö eller det vattendrag man vill bedöma är det som sammanlagt är närmast.
Om det objekt man vill bedöma är en sjö räknas avståndet ut för alla sjöarna i biblioteket, enligt ekvation 1 (se nedan), som är en variant av viktat normaliserat euklidiskt avstånd. Om det objekt man vill bedöma istället är ett vattendrag används både alla bibliotekets vattendrag och sjöar i ekvationen.
När avstånden är beräknade väljs det biblioteksobjekt ut som har det minsta värdet på indexet (det vill säga med minsta avståndet) och som samtidigt går igenom ett så strängt filter som möjligt. De parametrar som ingår i matchningsformeln, för det ytvatten man vill bedöma och för ett i sänder av biblioteksobjekten, är:
- Koordinater (rikets nät, X och Y)
- Sjöarea (om objektet är en sjö)
- pH
- Kloridhalt
- Ickemarin sulfathalt i vattnet
- Ickemarin kalciumhalt i vattnet
- Ickemarin magnesiumhalt i vattnet
- Halt av löst organiskt kol i vattnet
- Avrinningsmängd per år
Parametrarna som används för matchning har olika vikter beroende på hur stor betydelse de har för beräkningen av förindustriellt ANC. Vikterna (v1-v10 i ekvation 1) är uträknade med multipel regression mellan det förindustriella tillståndet och dagens, där vikterna är beroende av korrelationskoefficienterna för parametrarna (Tabell 5).
| Matchningsvikt | Parameter | Sjöar och vattendrag |
|---|---|---|
v1 | X-koord | 0.068 |
v2 | Y-koord | 0.053 |
v3 | area | 0.006 |
v4 | pH | 0.048 |
v5 | SO42-ex | 0.069 |
v6 | Cl- | 0.086 |
v7 | Ca2+ex | 0.440 |
v8 | Mg2+ex | 0.201 |
v9 | DOC | 0.013 |
v10 | Q | 0.015 |
Sjö eller vattendrag som saknar matchning
Förutsättningen för bedömning av försurning med MAGIC-biblioteket är att den sjö eller det vattendrag som skall bedömas är jämförbar med en eller flera sjöar eller vattendrag som man har kalibrerat MAGIC-modellen till och som finns i bibliotekets underlag.
De drygt 2400 sjöarna från hela landet som finns i biblioteket täcker naturligtvis inte hela mångfalden av alla Sveriges c:a 96 000 sjöar med hänsyn till alla sjöparametrar och egenskaper. De 243 modellerade vattendragen i biblioteket är ännu mindre heltäckande för alla Sveriges vattendrag.
Bortsett från rena misstag, där sammansättningen av parametrar som har angivits i inmatningsformuläret representerar en helt orealistisk beskrivning av en existerande sjö eller ett existerande vattendrag, finns det naturligtvis sjöar och vattendrag som på något väsentligt sätt avviker från alla objekt som finns i biblioteket. Det kan till exempel vara en sjö eller ett vattendrag som är förorenat av något annat än bara försurande deposition eller finns i ett område med en ovanlig geologi. I sådana fall måste bedömningen av försurningspåverkan göras på annat sätt än med MAGIC-biblioteket. Detta är en inbyggd säkerhet i bibliotekskonceptet; att undvika att bedömningen av ett objekt baseras på bedömningar av mycket olika objekt bara för att det inte finns något objekt i biblioteket som matchar bättre.
För de objekt som ej får en match och som har ANC under 100 µeq/l är bedömningen inte lika självklar som för sjöar med hög ANC (>200 ueq/l) (Figur 13). Om objektet inte får någon match och man inte vet någon orsak till den avvikande vattenkemin kan man behöva ta ett nytt prov för att bekräfta analysresultatet.
Man kan också modellera objektet med MAGIC och direkt få den modellerade förändringen i pH för just det objektet. Om man har flera liknande objekt och inget av dem blir matchade verkar det lämpligt att modellera någon eller några och komplettera biblioteket med resultaten, så kanske några av de övriga objekten matchas mot det nya modellerade objektet. På sikt blir biblioteket mer heltäckande och ger fler och bättre bedömningar.
Andel av de drygt 2800 sjöarna och vattendragen i MAGIC-biblioteket som ligger i olika påverkansklasser, uppdelat efter ANC. De flesta sjöar och vattendrag i biblioteket som har ANC över 200 µeq/l är obetydligt påverkade av försurning, d.v.s. pH har förändrats med mindre än 0.4 pH-enheter sedan förindustriell tid.
*ANC ANC står för Acid Neutralising Capacity och är ett mått på vattnets buffringsförmåga mot pH-förändringar. ANC kan vara negativ - då är vattnet surt och buffrat mot pH-höjningar - eller positiv - då är vattnet buffrat mot pH-sänkningar. ANC räknas ut som (med alla joner i µeq/l): ANC = Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ + NH4+ - SO42- - Cl- - NO3- Enligt jonbalansen i vattnet är ANC också: ANC = CO32- + HCO3- + OH- + A- - H+ - Aln+ där A- är organiska syror. Här ser man varför ANC är buffrande - alla joner i uttrycket är svaga syror eller baser som tar åt sig eller avger (eller är) vätejoner om det tillförs vätejoner eller hydroxidjoner (OH-), vilket gör att pH-värdet inte förändras lika mycket som det skulle gjort utan de svaga syrornas närvaro.
Osäkerheter
Osäkerheten i bedömningen beror bland annat på att man försöker hitta en likadan sjö eller ett likadant vattendrag i en katalog med ett begränsat antal sjöar och vattendrag. Sjöar är naturligtvis olika beroende på omgivningen och historien (markegenskaperna i avrinningsområdena, deposition, markanvändning och så vidare) och vissa är mer unika än andra. Detsamma gäller lika mycket för vattendragen, där storleken på avrinningsområdet kan spela ännu större roll än för sjöar.
Ytterligare en osäkerhet ligger naturligtvis i själva modelleringen med MAGIC-modellen. Vi kan inte säkert veta hur de förindustriella förhållandena var i sjöarna eller vattendragen, så modelleringen kan inte kontrolleras. Det man kan göra, förutom att jämföra modellerade data från de korta tidsperioder som det finns mätdata ifrån, är att jämföra MAGIC-modelleringarna med resultat från helt andra metoder. En sådan metod är paleolimnologiska undersökningar, där man undersöker fossil av mikroskopiska alger i sjöars sediment och utifrån dem avgör vilket pH-intervall sjön kan ha legat inom. Metoden är också en modellering, där man måste uppskatta många parametrar, exempelvis sedimenteringshastigheten för att veta när provet avsattes. En jämförelse mellan MAGIC-resultat och paleolimnologiska resultat har visat ganska god överensstämmelse (Erlandsson m.fl., 2008).
Ett vatten anses försurat då pH-förändringen är 0.4 pH-enheter från förindustriellt tillstånd. För sjöar och vattendrag som ligger nära 0.4-gränsen räcker det med små skillnader i till exempel sjökemi, hydrologi, mätår eller i matchningen för att bedömningen ska ändras. Om en sjö eller ett vattendrag får bedömningen att pH-förändringen från förindustriell tid till idag är mellan 0.3 och 0.5 pH-enheter är bedömningen därför inte lika säker som då pH-förändringen är större eller mindre (Figur 14).
De sjöar och vattendrag som finns i MAGIC-biblioteket får samma bedömning med MAGIC-modellering som med MAGIC-biblioteket (då sjön eller vattendraget inte har tillåtits välja sig själv som bästa match) i olika stor utsträckning beroende på hur mycket pH har förändrats sedan förindustriell tid. På x-axeln anges den förändring i pH som matchningssjön eller matchningsvattendraget har haft.
Stora undersökningar
För att underlätta bedömningen av ett större antal sjöar eller vattendrag finns det möjlighet att använda MAGIC-biblioteket i "batch mode". Då läggs information om objekten som skall bedömas i en Excel-fil som läses in utan att varje objekt behöver skrivas in i inmatningsformuläret. Bedömningen sker på exakt samma sätt och informationen som krävs om objekten är densamma som vid bedömning interaktivt.
Batchversionen av MAGIC-biblioteket har till exempel använts för att bedöma försurningspåverkan på riksinventeringssjöar.