Hydrologin påverkar på många sätt ett våtmarks struktur (exempelvis form och vegetation) samt funktion. De hydrologiska förhållandena är sannolikt de främsta faktorerna som påverkar biodiversiteten, strukturen och funktionen i en våtmark. Våtmarkens vattenbalans styr variationen i vattenstånd och markfuktighet och därmed aeroba/anaeroba förhållanden som är avgörande för våtmarksvegetationens sammansättning.
Våtmarkers förmåga att minska översvämningar och reglera flöden varierar mellan olika våtmarker och är ytterst beroende på våtmarkens geografiska läge, topografi, vegetation, markens fysikaliska egenskaper, markfuktighet innan översvämningstillfället samt skötsel och förvaltning. Våtmarker kan lokalt påverka flödestoppar, tidpunkten för flödestoppar, flödesvolym och varaktigheten av översvämningar.
Vissa våtmarkssystem har hög vattenomsättning och vattnet blir kvar bara under en kort tid, medan andra våtmarker har en låg vattenomsättning och vattnet blir kvar under en lång period. Korta uppehållstider sker när flödet är stort jämfört med våtmarkens volym. Längre uppehållstider uppstår när flödet är litet jämfört med våtmarkens volym.
Vattennivån i vissa system, som marina strandvåtmarker, fluktuerar dramatiskt över korta tidsperioder medan den i andra system, såsom sumpskogar, fluktuerar långsammare över tiden.
Limniska strandvåtmarker längs vattendrag och sjöar bidrar i allmänhet till att minska frekvensen och amplituden av lokala översvämningar. De kan magasinera stora mängder vatten, främst på ytan.
Översvämningsslätter med grövre vegetation likt strandsumpskogar orsakar i allmänhet en stor friktion för vattenmassor och bidrar till att bromsa flödeshastigheten ytterligare.
Våtmarkens hydrauliska funktioner
Vissa våtmarker kan effektivt mildra översvämningar genom att sänka vattenhastigheten. Vattenflödet bromsas genom ökad friktion och lagringskapacitet. Våtmarkers dämpande effekt på vattenhastigheter kan teoretiskt hänföras till Mannings ekvation.
I Mannings ekvation är vattenhastigheten direkt proportionell med hydraulisk radie men omvänt proportionell mot den hydrauliska råheten. Våtmarkens råhet avgörs i mångt och mycket av mängden vegetation i våtmarken. I våtmarker med betydande vegetation ökar den hydrauliska råheten och därmed dämpas flödeshastigheten. Borttagning av vegetation och växtrester leder därför till högre vattenhastigheter i en våtmark.
Den hydrauliska radien approximeras med det effektiva djupet i en våtmark. Grunda våtmarker kan därför tänkas dämpa vattenhastigheten. I en omfattande studie av våtmarkers hydrologi i USA fann Harvey m.fl. (2009) att vattenhastigheten var nära 30% högre i våtmarker med sparsam vegetation jämfört med våtmarker med mycket vegetation. Särskilt våtmarker täckta av träd minskar översvämningstopparna.
Hydraulisk effektivitet
Hur länge vatten blir kvar i en våtmark (uppehållstid) är en avgörande faktor för våtmarkens olika funktioner. Anlagda våtmarker som anläggs för retention av kväve får inte ha kortare medeluppehållstider än två dygn. Arheimer & Wittgren (2002) konstaterade att man inte kan avgöra huruvida våtmarker med korta uppehållstider fungerar som källor eller fällor för kväve.
Den nominella (teoretiska) definitionen för uppehållstiden är kvoten mellan volymen vatten i våtmarken (V, m3) och vattenflödet (Q, m3/d). I praktiken är uppehållstiden ofta betydligt lägre pga kanalbildningar och dödzoner där vattnet står stilla. Dödzoner resulterar i att en mindre volym utnyttjas. Den kallas våtmarkens effektiva volym. Ju större effektiv volym, desto längre uppehållstid för vatten och större fördröjning och dämpning av vattenflödet.
Den effektiva volymkvoten (E) är ett mått på våtmarkens hydrauliska effektivitet och beräknas som kvoten mellan medeluppehållstid och den nominella uppehållstiden:
där
E = kvoten av effektiv volym
Veff = effektiv volym
Vtot = total volym
Tm = medeluppehållstid
Tn = nominell uppehållstid
Medeluppehållstiden brukar mätas genom spårämnesförsök. Den effektiva volymen påverkas av våtmarkens längd, bredd, form, topografi, djup och vegetationsbestånd.
Thackston m fl (1987) studerade grunda anlagda dammar som användes för förvaring och rening av muddringsmaterial. Dammarna hade oregelbundna former med djup mellan 0,6 och 3 m och volym mellan 60 till 600 000 m3. Kvoten mellan dammens längd och bredd (L/W) hade störst påverkan på hydraulisk effektivitet. De tog fram följande empiriska samband mellan den effektiva volymskvoten och dammens längd och bredd:
där
L = dammens längd
W = dammens bredd
Effekten av våtmarkens läge i landskapet på dess buffringsförmåga
En viktig faktor med stor effekt på våtmarkers hydrologiska funktion är våtmarkens geografiska läge, altitud. Generellt tenderar våtmarker i högre altituder och högst upp i avrinningsområde ha mindre buffringsförmåga.
Eftersom nederbörd normalt ökar med altitud är våtmarker på högre höjd ofta vattenmättade och har mindre magasineringsförmåga. Det betyder att nederbörden snabbt förs vidare nedströms till vattendrag. Våtmarker längre ned i avrinningsområdet, speciellt älv- eller åstränder, har däremot oftast en större förmåga att minska översvämningar.
Våtmarkens lagringsförmåga
En våtmarks lagringsförmåga styrs av faktorer som storlek, djup, form, topografi, jordart samt interaktion med grundvatten och ytvatten (vattendrag och sjöar). Grunda våtmarker med stora ytor förlorar mer vatten via avdunstning jämfört med djupa våtmarker med mindre vattenyta. Landskapets morfologi spelar också stor roll för våtmarkens lagringsförmåga. Sänkor och åsar gynnar t ex vattenlagringsförmågan. Ett våtmarkssystem som består av flera sammankopplade våtmarker har större lagringsförmåga än enstaka och isolerade våtmarker.
Våtmarker kan magasinera vatten både som öppet vatten ovanför markytan och som markvatten under markytan. Markegenskaper som kornstorlek, porositet och halten av organiskt material avgör markens vattenhållningskapacitet.
Torvjordar i myrar har mycket stor vattenlagringskapacitet just pga deras mycket höga porositet, runt 90% av volymen. Porstorlekar i icke nedbruten torv kan överstiga 5 mm. Porositeten är högst i översta lagret och minskar något med djupet eftersom torven i djupare skikt blir komprimerad under trycket från nya torvskikt. Initial markfukt eller markfuktighet innan ett översvämningstillfälle kontrollerar markens absorptionskapacitet vid översvämning. Våtmarkers lagringsförmåga är därför inte konstant.
Förvaltning och skötselåtgärder
Dränering av våtmarker kan minska buffringsförmågan medan borttagandet av vegetation ökar flödeshastigheten. Dikning kan påskynda vattenflödet. Den leder också till sänkning av grundvattennivån lokalt.
Buskar, träd, döda grenar och vegetationsrester i våtmarker ökar friktionen och kan därav dämpa flödeshastigheten och minska effekten av översvämningar. Att upprätthålla låga vattennivåer under översvämningsperioder kan öka lagringskapaciteten och därav minska översvämningar men kan komma i konflikt med andra våtmarksprioriteringar som exempelvis biologisk mångfald.
Det finns olika metoder för reglering av vattennivån i anlagda våtmarker. Mest använda är munkar. Den klassiska munkvarianten är en nivåbrunn där uttagbara nivåplankor dämmer upp vattennivån till önskad nivå. En nyare och billigare munkvariant är den halländska nivåbrunnen, där munkens plankor har ersatts med uttagbara rör.
Vid reglering av lågflöden erhålls störst effekt genom magasinering av vatten i sjöar eller dammar, särskilt om regleringen utformas så att vatten sparas till torrperioder. Regleringar kan däremot både höja och sänka lågflöden. I vattendrag med mycket låg total regleringsgrad så kan korttidsreglering i ett kraftverk lokalt ge upphov till en betydlig sänkning av lågflöden.
Våtmarker och grundvattenbildning
En betydelsefull aspekt av våtmarker är deras interaktion med grundvatten. Samspelet mellan grundvatten och ytvatten i våtmarker spelar en viktig roll när det gäller rumslig och temporär tillgänglighet av både ytvatten och grundvatten i ett område. Det relativt stillastående vattnet i våtmarker kan eventuellt ge upphov till påfyllning av grundvatten. För fördjupad information om grundvatten och våtmarker se SGUs "Geologisk handledning för våtmarksåtgärder":
www.sgu.se/anvandarstod-for-geologiska-fragor/geologisk-handledning-for-vatmarksatgarder/
Våtmarkers förmåga att dämpa storskaliga flöden
Det är viktigt att notera att våtmarker oftast står för en liten yta i de flesta avrinningsområden. De sammanlagda effekterna av flera våtmarker kan skilja sig avsevärt från de funktioner och effekter som observerats på individuella våtmarksskalor.
De storskaliga hydrologiska tjänsterna i avrinningsområden påverkas främst av faktorer på större skalor, såsom marktäcke och morfologi, och är mindre influerade av enskilda våtmarker. Våtmarkers lokala flödesreglerande effekter bör därför inte extrapoleras och användas som ett flödesreglerande värde för hela avrinningsområden.
Flera våtmarker som är hydrologiskt sammanlänkade inom ett större avrinningsområde bildar tillsammans med det omgivande landskapet ett våtlandskap. En studie av Mälarens avrinningsområde med ca 1700 våtmarker visar att våtmarker belägna i större våtlandskap (area över 250 km2) har bättre förutsättningar för ekosystemtjänster som retention av växtnäring och biologisk mångfald än våtlandskap med area under 250 km2 (Åhlén m.fl., 2020).
Vid en storskalig undersökning av sjöar och våtmarker i Sverige konstaterade Quin och Destouni (2018) att sjöar följda av strandvåtmarker hade störst utjämningseffekt på vattenflöden. De konstaterade att sjöar har bättre förutsättning att dämpa flödesvariabiliteten pga bättre vattenlagringskapacitet. Andra våtmarkstyper hade endast liten eller ingen utjämningseffekt. De drog slutsatsen att utjämningseffekten först och främst styrdes av lagringskapacitet medan avdunstning enbart hade en svag effekt under sommar och höst.