Modelling the flow of nitrogen and phosphorus in Europe: From loads to coastal seas

Abstract

A model is described that aims at predicting surface water quality from N- and P-inputs on a European scale. The model combines a GIS-based approach to estimate loads, geohydrological data to define model structure and statistical techniques to estimate parameter values. The model starts with an inventory of diffuse sources of N and P: agriculture and (for N) atmospheric deposition. Nitrogen flows are assumed to follow both surface- and groundwater flows, while for phosphorus only surface water flow is taken into account. In addition to these non-point sources, sewage is an important source of nutrients, in particular for phosphorus. Using physically realistic parameter values, good agreement is found between observed and calculated riverine loads. Results indicate problem areas in two regions: western Europe (Thames, Scheldt, Elbe, Rhine) with its intensive agriculture and high population density and Southern Europe (some rivers in Spain, Italy), where loads may be locally high and dilution is low due to a low water discharge. For the coastal seas of Europe concentrations were calculated by assuming conservative behaviour of N and P. Existing advection-diffusion models were linked and re-calibrated on salinity data. Results indicate that the main problem areas are the Baltic Sea and the Black Sea, with much lower impacts in the North Sea and the Adriatic Sea ; in other coastal waters human impacts are essentially negligible. However, due to seasonal and spatial variability disregarded in this European-scale study, it should be realized that in specific sub-areas, i.c. coastal zone, periods with significant problems still may occur.

Dit rapport beschrijft een model dat dient om de kwaliteit van het oppervlaktewater te berekenen op Europese schaal. Het model combineert een GIS-gebaseerde aanpak om belastingen te schatten, geohydrologische gegevens om de modelstructuur te bepalen en statistische technieken om parameters te schatten. Het model start met een inventarisatie van diffuse bronnen van N en P: landbouw en atmosferische depositie. Stikstofstromen worden geacht zowel de oppervlakkige afstroming als de grondwaterstroming te volgen, fosfor volgt alleen de oppervlakkige afvoer. Naast diffuse bronnen vormen afvalwaterlozingen een belangrijke bron van nutrienten, in het bijzonder voor fosfor. Met realistische waarden voor de modelparameters blijkt het mogelijk een goede overeenstemming te verkrijgen tussen geschatte riviervrachten en metingen. De resultaten geven twee probleemgebieden aan: West-Europa (Theems, Schelde, Elbe, Rijn) met zijn intensieve landbouw en hoge bevolkingsdichtheid, en Zuid-Europa, waar lokaal hoge belastingen voorkomen, die in combinatie met lage afvoeren van water voor hoge concentraties zorgen. Voor de kustzeeen van Europa werden concentraties berekend op grond van conservatief gedrag van N en P. Bestaande advectie-diffusiemodellen werden gehercalibreerd op basis van saliniteitsgegevens. De resultaten wijzen uit dat de belangrijkste probleemgebieden liggen in de Oostzee en Zwarte Zee, met veel kleinere effecten in de Noordzee en de Adriatische Zee. In andere kustwateren zijn de menselijke invloeden gering. Hierbij moet worden opgemerkt, dat door ruimtelijke en seizoensvariabiliteit, die in deze studie niet is meegenomen, in bepaalde deelgebieden (m.n. kustzones) periodes met belangrijke problemen toch kunnen voorkomen.