Örserumsvikens sediment studerade med radiografisk teknik
Örserumsviken är en liten grund havsvik strax sydost om Västervik i sydöstra Sverige. Ytan uppgick år 1999 till ca 0,365 km2 och medeldjupet var mindre än 3 m. Den ca 1,3 km långa viken består av en inre och en yttre del som åtskiljs av ett smalare parti. Vattnets beräknade utbytestid är kort och uppgår oftast till mellan 1 och 2 dygn. Vattenutbytet sker främst genom inströmning av bräckt vatten längs bottnen och utströmning av sötare vatten från ytligare skikt. Enligt genomförda utredningar var de övre sedimentskikten förorenade av Hg, PCB och PAH. Utsläppen från f d Westerviks Pappersbruk anges som orsak till föroreningarna. Utsläppen ledde till att stora mängder fibrer sedimenterade i den inre delen av Örserumsviken. Innan brukets verksamhet upphörde genomfördes 1978/79 en muddring av sedimenterade fibrer.
Sedimentytan och det översta, bioturberade sedimentskiktet med angränsande bottenvatten i det 6 cm breda provtagningsröret med en av propparna (O1) från inre Örserumsviken, där bottnen vid provtagningen 1999 var bevuxen med en knähög undervattensäng av kransalger.
För att dokumentera de översta sedimentskiktens strukturella uppbyggnad har den radiografiska tekniken utnyttjats för analys av 11 sedimentproppar tagna 1999 i och strax utanför Örserumsviken och i 6 cm breda och 3 cm tjocka samt genomskinliga provtagningsrör. Sedimentpropparna med angränsande bottenvatten har transporterats och förvarats vertikalt och röntgats, den översta delen i stereo, innan bottenvattnet och sedimentpelaren pressats ut ur provtagningsrören. I provtagningsrören uppgick bottenvattnets salthalt till ca 6 ‰, vilket motsvarar tätheten 1,005. Se vidare AB Hydroconsults rapporter (HC 99-1011 och HC 99-1011, X-bil) ingivna till Västerviks kommun i oktober 1999.
Provtagningslokalerna för de röntgenfotograferade sedimentpropparna (O1 - O11) i och strax utanför Örserumsviken.
Vid provtagningen i den inre viken steg gasbubblor upp mot vattenytan och en svag doft av svavelväte kunde förnimmas från provtagningsrören med propparna. Gasens löslighet varierar med temperaturen och med det hydrostatiska trycket.Gasrika sedimentproppar från större vattendjup expanderar därför efter provtagningen på grund av gasbubblornas bildning och expansion (se exempelvis de valda röntgenbilderna av sedimentproppar från Gamlebyviken). På grund av det ringa provtagningsdjupet i Örserumsviken blev dock tryckavlastningen relativt liten och mängden gas i bubbelfas ökade därför obetydligt. Endast en av sedimentpropparna, O4, visade sig expandera något strax efter provtagningen (dock mindre än 1 volymsprocent). Vid sedimentytan i provtagningsrören påträffades i flera fall såväl kransalger som rör och larver av chironomider.
Som exemplifieras av tabellen nedan, har den radiografiska tekniken utnyttjats för bestämning av valda, täthetsrelaterade värdens vertikala variation i sedimentpelaren, innan den störts genom utpressning ur provtagningsrören. Kvantifieringen av röntgenbildernas information har skett genom mätning av svärtningsvariationerna längs sedimentpelarens röntgenbild. De valda, beräknade parametrarna omfattar den torra volymvikten x 1000 (mg i st f g per cm3), den kumulerade mängden torrsubstans, den våta volymvikten, det effektiva belastningstrycket (den ovanförliggande sedimentpelarens vikt minskat med den undanträngda vattenmassans vikt), porositeten och portalet (kvoten mellan porvolym och torrsubstansvolym). Vid beräkning av de täthetsrelaterade värdena har det antagits att porvattnet i de övre sedimentskikten har samma täthet som bottenvattnet i provtagningsrören.
Sedimentpropp O1 från Örserumsviken. Del av tabell 1, visande den vertikala variationen i några valda, täthetsrelaterade parametrar (radiografiskt beräknade). E.b.t. = effektivt belastningstryck.
Som framgår av detta tabellavsnitt var tätheten mycket låg i den översta delen av sedimentpropp O1. Så var även fallet beträffande den översta delen av de övriga sedimentpropparna från den inre delen av Örserumsviken.
Röntgenbilderna (delvis i stereo) visar att sedimentstrukturerna i de övre skikten främst var påverkade av småskalig bioturbation. Växtrester liksom rester av bottenfauna och spår av rörformiga bioturbationsstrukturer förekom dock liksom grynlika strukturer, som brukar känneteckna förekomsten av fekala pellets. Ytsedimentens lagerföljd, såväl i viken som strax utanför, är därför till stor del homogeniserad. Horisontell lagerföljd, som brukar återspegla årstidsvariationer i sedimenttillväxten, saknas därför. Enligt röntgenbilderna var förekomsten av gas i bubbelfas av relativt ringa omfattning även i sedimentpropparna från den inre viken, dock med undantag av propp O4.
Röntgenbild av området kring den ojämna diskordansytan i sedimentpropp O1 från den innersta delen av Örserumsviken. Diskordansytan, som indikerar en tidslucka i lagerföljden (s k hiatus), är i denna propp belägen på ett sedimentdjup av ca 18 cm och orsakades sannolikt av muddringen 1978/79. Vattendjup därstädes vid provtagningen 1999-08-24: 1.52 m. Skalmått till höger i cm.
Diskordansytor, indikerande tidsluckor i lagerföljden, förekom i propparna från den inre viken, vilket illustreras av röntgenbilden av sedimentpropp O1 ovan och av täthetskurvan nedan liksom av sedimentations-kompressionskurvan för denna sedimentpropp, som visas längre ner. I sedimentpropparna O1 och O2 var diskordansytan belägen på ett sedimentdjup av ca 18 respective 20 cm, värden som torde motsvara den linjära sedimenttillväxten, 9 respektive 10 mm i medeltal, under 20-årsperioden mellan muddringen 1978/79 och provtagningen 1999.
Nybildade sedimentskikts tjocklek och porositet avtar normalt med tilltagande pålagring, som förorsakar ökande kompaktion. Baseras beräkningen av sedimenttillväxten vid de två innersta provtagningslokalerna på sedimentmängden ovan diskordansytan fås ett medelvärde för den angivna 20-årsperioden på ca 0,5 kg per m2 och år, mätt som torrsubstans - ett mer konstant mått än det linjära - och som är av den förväntade storleksordningen med hänsyn till den sedimentologiska miljön därstädes.
Torrsubstansens vertikala variation i sedimentpropp O1.
Som exemplifieras av diagrammet ovan förekom ett gränsskikt med markant täthetsdifferens i sedimentpropparna från de inre provtagningslokalerna. I flertalet av propparna från de yttre provtagningslokalerna var täthetsökningen med tilltagande sedimentdjup i de övre partierna mer kontinuerlig.
Röntgenbilder av den övre, mellersta och nedre delen av sedimentpropp O4. Röntgenbilderna är negativa kopior av röntgenfilmerna. De mörkare bildpartierna åskådliggör därför sediment med lägre täthet än de ljusare partierna. Blybokstäverna X och B markerar korresponderande nivåer på de delvis överlappande röntgenbilderna. Pilen markerar sedimentytans läge i provtagningsröret. Längs röntgenbildernas högra kant framträder svagt dels en skallinjal indelad i cm, dels en optisk täthetsskala indelad i 7 steg. Det översta, mörkaste steget ger ungefär samma svärtning som bottenvattnet i provtagningsrören. Den svarta cirkeln på skallinjalen markerar den radiografiska centralprojektionens centrala nivå.
Vid provtagningen uppgick vattendjupet här till 1,8 m. Organiskt material i form av grovdetritus framträder som större, oregelbundna mörka fläckar eller strängar på röntgenbilderna. I propp O4 utgjordes grovdetritusen bl a av barkflagor och förmultnade kransalger.
Vattenhaltens vertikala variation i sedimentpropp O4 i % av sedimentskiktens volym (= porositeten).
Som framgår av denna figur var vattenhalten mycket hög i denna sedimentpropp. För sedimentnivån 0 - 45 cm uppgick vattenhaltens medelvärde till 95 viktsprocent, vilket motsvarar 97 volymsprocent (= porvolymens medelvärde för de vattenmättade sedimentskikten).
Röntgenbilder i stereo av den översta delen av sedimentpropp O9 med angränsande bottenvatten från den yttersta delen av Örserumsviken. Denna provtagningsplats var belägen på ett djup av 4,5 m. För att underlätta stereobetraktning visas röntgenbilderna ovan i reducerad storlek. De ljusa prickarna på röntgenbilderna visar på förekomsten av såväl grövre minerogena partiklar av sand och grusstorlek som erosionsprodukter i form av oregelbundna aggregat.
Försök att studera stereobilderna utan stereoskop. Starta med näsan nära bildskärmen, flytta ansiktet långsamt bort från skärmen och fokusera bortom bilden genom att titta igenom den.
Klicka här för att få en bättre upplösning av röntgenbilderna.
Torrsubstansens vertikala variation i sedimentpropp O9.
De översta sedimentskiktens täthet var betydligt högre i denna sedimentpropp än i propparna från den inre delen av Örserumsviken. Detta, liksom erosionsprodukterna i form av grövre partiklar och aggregat (se röntgenbilderna ovan) visar, att den hydrodynamiska bottenmiljön är betydligt energirikare vid denna provtagningsplats än vid de inre provtagningslokalerna.
Röntgenbilder av den övre och den nedre delen av sedimentpropp O11 från ett vattendjup av 22 m, ca 400 m utanför Örserumsvikens mynning. Blybokstaven X markerar korresponderande nivåer på de delvis överlappande röntgenbilderna. (De överlappande bildpartierna kan arrangeras för stereobetraktning.)
I sedimentpropparna O10 och O11, provtagna strax utanför Örserumsvikens mynning, underlagrades de lösa, gyttjeartade sedimentskikten av sand. I sedimentpropp O11 var sandskiktets överyta belägen på ca 25 cm sedimentdjup.
Torrsubstansens vertikala variation i sedimentpropp O11.
Som framgår av diagrammet var täthetsdifferensen mycket stor mellan sandskiktet och de överlagrande, gyttjeartade sedimentskikten. Den distinkta diskordansytan på sedimentnivån 25 - 26 cm indikerar en betydande tidslucka i lagerföljden. I sandskiktet uppgick medelvärdet för den torra volymvikten till 0,64, i de överlagrande, gyttjeartade sedimentskikten till endast 0,15.
Hårdhetsindex för de 11 röntgade sedimentpropparna.
Den kumulerade torrsubstansmängden ned till ett sedimentdjup av 10 cm utnyttjas som hårdhetsindex för klassifikation av sjö- och havsbottnar. Detta index används i figuren ovan för jämförelse mellan sedimentpropparnas övre parti. Som framgår av figuren har de 4 innersta propparna ett hårdhetsindex av endast 0,4, vilket motsvarar ett mycket lågt medelvärde för den torra och våta volymvikten, ca 0,04 respektive ca 1,04 och ett mycket högt medelvärde för vattenhalten, ca 96 % liksom för porositeten, ca 98 %.
Beräknat samband mellan kritisk erosionshastighet och portal för partiklar och aggregat med olika storlek och fallhastighet. Rektangeln (i nedre högra delen) markerar beräknade kornstorlekar (ca 0.001 - 0.01 mm) och portalets medelvärde (ca 57) för sedimentnivån 0 - 5 cm vid de 4 innersta provtagningsplatserna.
Nyligen avsatt finkornigt, ofta underkonsoliderat material eroderas och återuppslammas av ganska svaga strömmar. Motståndet mot erosion ökar under kompaktionsprocessen, som resulterar i utpressning av vatten från utrymmet mellan partiklarna under belastningen. De elektrokemiska krafterna mellan partiklarna ökar i styrka med packningen och med tilltagande storlek på den specifika ytarean (cm2/g). Portalet som ett mått på kompaktionen och kornstorleken som ett mått på den specifika ytarean är därför de två avgjort mest betydelsefulla parametrarna vid bedömning av kohesiva, vattenmättade avlagringars motståndskraft mot erosion. För vattenmättade sediment kan portalets sannolika värde beräknas på basis av sambandet mellan portal, vattenhalt och volymvikt (Täthetsrelaterade parametrar).
I vattenmättade sediment är portalet = kvoten mellan volymen vatten (porvolymen) och den fasta substansens volym. I den inre delen av Örserumsviken var portalet mycket högt i de lösa ytsedimenten, vilket innebär att dessa till stor del var underkonsoliderade och därför flytbenägna och lättteroderade. Den täta undervattensängen av kransalger sommaren 1999 torde dock i hög grad ha begränsat de bottennära strömmarnas hastighet och därigenom också förutsättningarna för bottenerosion och återuppslamning av de lösa, recenta sedimentskikten. Kransalgernas liksom övriga bottenväxters filtrering och dämpning av de turbulenta vattenrörelserna gynnar också sedimentationen av tillfört finkornigt och organogent material. Under perioder, då kransalger och övriga bottenväxter försvinner eller deras täckningsgrad minskar, ökar dock de hydrodynamiska förutsättningarna för bottenerosion.
Sedimentpartiklarnas förmåga att adsorbera tungmetaller och andra föroreningar ökar bl a med koncentrationen av föroreningar i lösning, med kontakttiden, med sedimentpartiklarnas respektive lösningens kemiska karaktär, med kontaktytornas tillstånd samt med halten organiskt material och med avtagande kornstorlek, dvs med tilltagande storlek på den sammanlagda kontaktytan. Den s k bakgrundsnivån liksom föroreningsgraden är således även i hög grad beroende av sedimentskiktens varierande sammansättning. För bedömning av bottenavlagringars föroreningsgrad krävs tillgång till data beträffande halten föroreningar såväl per viktsenhet torrsubstans som per volymsenhet sediment. Mängden torrsubstans per volymsenhet sediment ökar med tilltagande kompaktion och detta gäller speciellt för lösa, gasrika sediment inom områden med snabb sedimenttillväxt, vilket indirekt exemplifieras av diagrammet nedan.
Sedimentations-kompressionskurva ned till ett djup av 34 cm i sedimentpropp O1. E.b.t. = effektivt belastningstryck.
Diagrammet ovan visar portalet i förhållande till tilltagande effektivt belastningstryck vid den innersta provtagningslokalen. (Det effektiva belastningstrycket = den ovanförliggande sedimentpelarens vikt minskat med den undanträngda vattenmassans vikt.) Som framgår av diagrammet avtog portalet snabbt med tilltagande effektivt belastningstryck i de övre, underkonsoliderade sedimentskikten. Denna typ av diagram, s k sedimentations-kompressionskurvor, kan utnyttjas för bedömning av sedimentens kompaktionsgrad och för beräkning av den kompaktionsbetingade porvattentransporten.
I inre Örserumsviken var de översta bottenavlagringarna finkorniga och organhalten hög och adsorptionsförmågan därför också stor. Förutsättningen för anrikning av och för uppkomsten av höga halter föroreningar torde därför ha varit stor även efter det att utsläppen av fibrer upphört. Det bör dock observeras att halten föroreningar i de översta sedimentskikten, beräknad per volymsenhet sediment, visserligen var hög men dock förhålladevis låg i jämförelse med halten föroreningar, beräknad per viktsenhet fast material, på grund av det ringa innehållet av fast material i dessa, synnerligen lösa och vattenrika sedimentskikt. Vid provtagningslokalerna O1 - O4 uppgick mängden fast material endast till ca 40 g/liter sediment för sedimentdjupet 0 - 10 cm. Vid den innersta provtagningslokalen (O1) var mängden fast material per volymsenhet sediment för sedimentdjupet 0 - 10 cm endast 1/4 av värdet för sedimentnivån 20 - 25 cm och endast 1/5 av värdet för sedimentnivån 30 cm.
Beträffande Örserumsviken så valde Västerviks kommun ett saneringsalternativ som omfattade muddring av sediment i viken med efterföljande avvattning och deponering i anslutning till befintlig deponi och sedimentationsbassäng. Muddringen startade under september 2001 och avslutades i månadsskiftet augusti/september 2003. Kostnaden för saneringsprojektet uppgick till 115 miljoner kronor. Se vidare Västerviks kommuns hemsida: Projekt Örserumsviken - Västervik.