AU

Forskere streamer livet i søer


Et tværfagligt projekt i Ormstrup sø anvender en avanceret, automatisk målebøje til kontinuerligt at måle vandkvalitets relaterede data, mens fiskenes adfærd overvåges med speciel teknologi. Søens tilstand live-streames direkte til forskernes pc og giver en bedre indsigt i søers økosystemer og deres dynamik.


Af Anders Nielsen, Martin Søndergaard, Henrik Baktorft og Christian Skov.


Søer verden over tjener mange formål. De er essentielle miljøer for biologisk mangfoldighed. De interagerer i kulstof- og næringsstof-kredsløbet. De giver mulighed for fiskeri og har stor rekreativ værdi og er ikke mindst en drikkevands-ressource (omend drikkevand i Danmark altovervejende kommer fra grundvandsmagasiner). Søerne er imidlertid sårbare over for øget næringsstoftilførsel, som på forskellig vis ændrer deres økologiske balance, der kommer til udtryk som blandt andet iltsvind og algeopblomstringer.

I Danmark har der især siden 80’erne været fokus på mange søers forringede tilstand, der hovedsagelig skyldes øget tilførsel af fosfor og kvælstof som følge af spildevandspåvirkning og landbrugsintensivering. Igennem årene er der gennemført en række tiltag, som har haft til formål at forbedre søernes tilstand. For at vurdere effekten af disse tiltag har søernes tilstand været fulgt via forskellige overvågningsprogrammer, som betyder, at der i dag eksisterer lange tidsserier for udvalgte søer i Danmark. Disse tidsserier giver helt unikke muligheder for at analysere søernes tidsmæssige udvikling og for eksempel se på indflydelsen fra klimaændringer og effekterne af initiativer iværksat for at reducere tilførslen af næringsstoffer. Samtidig danner tidsserierne basis for at benytte computerbaserede virtuelle laboratorier, som kan forudsige, hvordan søerne vil opføre sig i fremtiden.

Søernes dynamik

De lange tidsserier har vidt forskellige målefrekvenser. I bedste fald måles to gange månedligt i sommerperioden, men ofte foretages kun månedlige prøvetagninger eller nogle gange endda sjældnere, og hvad fisk angår, kan der gå adskillige år mellem fiskebestands-monitering. Det kan være godt nok til at fastlægge et niveau for søens tilstand, men mange søer gennemgår store kortvarige udsving, som den rutinemæssige overvågning overhovedet ikke fanger (se graf).

Det kan for eksempel være korte, midlertidige iltsvind ved søbunden eller næringsstof-ændringer, som kan stimulere algeopblomstringer og gøre vandet uklart. Med nye metoder får vi nu bedre kendskab til disse kortvarige dynamikker og dermed ny viden til at forstå søernes tilstand og deres omskiftelighed

Avanceret bøje streamer data

For at blive klogere på søernes kortvarige udsving anvender vi nu særlige målebøjer. Det gælder for eksempel i et stort tværfagligt projekt med udgangspunkt i Ormstrup Sø syd for Bjerringbro, finansieret af Poul Due Jensen Fonden. Her har vi på en bøje, der flyder i overfladen installeret et moniteringssystem, der ned gennem vandsøjlen måler en række parametre, der siger noget om søens vandkvalitet. Bøje-systemet er solcelledrevet og fuldautomatisk og måler blandt andet vandtemperaturen i fem dybder samt i luften. Vandtemperaturen siger meget om, hvordan søen er lagdelt, og med bøjen kan vi med stor detaljegrad kortlægge, hvor ofte, hvor længe og hvor dybt, søen lagdeler. Bøjen måler også ilt-koncentrationen i overfladen og ved bunden, samt vandets turbiditet (klarhed) og mængden af alger (via deres pigmenter) i overfladen.

Måling af algemængder med sensorer

Kontinuerte og automatiserede målinger af vandtemperatur og iltkoncentration er velafprøvede teknikker, der oftest giver pålidelige data. Det er derimod mere vanskeligt at opnå gode målinger af alge-mængden. Konceptet i det automatiske bøje-moniteringssystem er at anvende optiske sensorer, som udsender lys ved specifikke bølgelængder, der matcher for eksempel det spektrum, hvor algers klorofyl-a. pigment auto-fluorescerer og derpå måle på den returnerede lysmængde, som udtryk for koncentrationen af klorofyl-a. Metoden har et stort potentiale, men også udfordringer.

Eksempelvis er oversættelsen af de tal, som de optiske sensorer måler, til faktiske algekoncentrationer påvirket af en række faktorer som algesammensætning, begroning og såkaldt quenching (som betyder, at algerne midt på dagen kan beskytte sig selv mod kraftigt lys). Der er derfor brug for grundig kalibrering. I Ormstrup-projektet foretager vi løbende kontrolprøver af algekoncentrationerne, som anvendes til kalibrering, men der er fortsat behov for mere viden og tests af sensorerne for at opnå valide tal for de faktiske algekoncentrationer. Denne viden er også central i forhold til at vurdere, om sensorerne på et tidspunkt vil kunne erstatte (eller supplere) den traditionelle og tidskrævende laboratoriemetodik i takt med, at sensorerne bliver endnu bedre.

Sensorerne har dog stadig værdi her og nu, da de giver vigtig information om den relative ændring af algeniveauer og kan dermed for eksempel varsle, om en algeopblomstring er undervejs og også danne grundlag for at beslutte, hvornår der skal indhentes manuelle vandprøver. Denne viden er interessant, hvis en given sø for eksempel benyttes til badning eller som drikkevandsreservoir, hvor alger kan udgøre en sundhedsrisiko.

Målebøjen

Bøjesystemet måler hvert 15. minut, det vil sige næsten 100 gange i døgnet, og data sendes ved hjælp af LoRaWAN (der står for Long Range Wide Area Network) til et cloud-baseret system. Herfra bliver data visualiseret og streamer et realtidsindblik i søens dynamik til en offentlig hjemmeside.

LoRaWAN kan dække relativt store områder med meget lidt hardware og giver mulighed for energibesparende løsninger, som er nødvendig, når bøjesystemet er udlagt i søen og alene genererer strøm via solpaneler. Energi forbruget fra et moniteringssystem kan være en udfordring, navnlig på danske breddegrader, hvor vintermånedernes solindstråling er begrænset. Men bøjesystemet har været testet over vinteren uden problemer.

Danmarks største akvarium

Tætheden af fisk og sammensætningen af arter har stor betydning for økosystemet i næringsforurenede søer. Dominans af fredfisk som skaller og brasen betyder, at søen typisk fremstår grøn og uklar, mens søer med en dominans af rovfisk som gedde og aborrer ofte vil fremstå mere klarvandede. Fiskenes betydning for søernes tilstand hænger blandt andet sammen med deres adfærd, for eksempel i forhold til fødesøgning, og i hvilket omfang byttefisk, som skaller, er i stand til at undvige rovfiskene.

Som en del af projektet i Ormstrup sø har vi mærket gedder, skaller og aborrer i søen med særlige sendere, der udsender et akustisk signal cirka en gang i minuttet. Derudover har vi opsat lyttestationer i søen samt udviklet et avanceret system, der gør det muligt at beregne fiskenes position her og nu. På den måde får vi et ret præcist overblik over, hvor fiskene opholder sig, og hvordan de bevæger sig rundt i søen.

Det avancerede system muliggør desuden, at fiskenes position med få minutters forsinkelse bliver streamet til en offentlig hjemmeside døgnet rundt (Live Telemetry Fish). Her kan forskere og andre nysgerrige følge med i fiskenes adfærd her og nu via tusindvis af daglige data om fiskenes placering, og man kan blandt andet se, hvordan fiskene opfører sig under kortvarige iltsvind.

Real-time/live tracking af fisk

Ormstrup Sø er så vidt vi ved den eneste sø i verden, hvorfra man online kan følge fiskenes adfærd. For at kunne følge fiskene bliver de først mærket med sendere, der hver udsender et kodet lydsignal indeholdende et unikt ID samt fiskens dybde cirka en gang i minuttet. Signalerne opfanges af hydrofoner placeret langs søens kant, og data sendes via et LoRa (Long Range)-netværk til en pc hos DTU. Når denne pc modtager nye data, beregner den med det samme positionen for den fisk, der udsendte lydsignalet og sender positionen videre til en hjemmeside, hvorfra fiskene kan følges. Beregningen af positionerne er baseret på en teknik, der kan betegnes som “en omvendt GPS”.

Bøjer skal tilpasses mindre søer

Højfrekvente målinger i søer har stort potentiale og har indtil nu kun i meget begrænset omfang været anvendt i Danmark. Ormstrup-projektet er derfor en vigtig “showcase”, der giver værdifulde erfaringer at bygge videre på. En af udfordringerne er, at gængse bøjesystemer typisk er udviklet til offshore-industrien eller større Nordamerikanske søer og dermed over-engineered til de forhold, de udsættes for i danske søer. Næste skridt i Ormstrup-projektet er at udvikle bøjesystemer specifikt til mindre søer (som vi har i Danmark og mange andre steder i verden), som kan gøre højfrekvent dataindsamling meget mere tilgængeligt i den rutinemæssige overvågning af det akvatiske miljø og samtidig en naturlig del af for eksempel forskningsprojekter og forundersøgelser forud for restaureringsindgreb, som det er tilfældet i Ormstrup Sø.

Ormstrup Sø er ligeledes den første sø i verden, hvor man streamer fiskenes adfærd direkte til forskere og borgere. Ud over viden om adfærden af nogle af de mest almindelige fisk i Danmark giver undersøgelserne også ny viden om, hvordan fisk reagerer på sørestaureringstiltag. Håbet er at kunne udbrede metoden til flere søer, så det kan gøre os klogere på, hvordan forskellige miljøforhold i forskellige søer påvirker fiskene, deres adfærd og dermed økosystemet som helhed.

Ud over at forskere og interesserede borgere får indblik i søens tilstand her og nu og med en hidtil uset opløsning, indgår de højfrekvente data samtidig i skabelsen af en digital tvilling af søen. Her bliver sensordata anvendt sammen med en computermodel til at beskrive dynamikken i hele søens økosystem. ♦