Neglected aspects in the alteration of river flow and riverine organic matter dynamics: a global perspective

Abstract

The present thesis focuses on three currently understudied alterations in flow and material dynamics within river networks, namely (i) on the dynamics of floating organic matter (FOM) and its modification in dammed rivers, (ii) on river intermittency and its effects on nutrient and organic matter (OM) dynamics, and (iii) on major future water transfer megaprojects (WTMP). Construction and operation of dams cause modifications in water flow and material fluxes in rivers, such as of FOM. River damming, climate change and water extraction for human needs also lead to a rapid expansion in number and extent of intermittent rivers worldwide, with major biogeochemical consequences on both regional and global scales. Increased intermittency of river networks in turn forces people to implement engineering solutions, such as WTMP, which help to supply water to places of demand. WTMP introduce artificial links among freshwater bodies modifying the hydrological balance. Impacts of abovementioned activities on freshwaters have been assessed in single case studies. Current thesis aimed to integrate the existing knowledge on these impacts and allow a generalization of their globally applicable meaning for ecosystems. The role of FOM in rivers as a geomorphological agent, a resource, a dispersal vector and a biogeochemical component was investigated based on an extensive literature review. Collected information allowed for conceptualizing its natural cycle and dynamics, applicable to a wide range of rivers. Data on FOM accumulations at 31 dams located within catchments of 13 rivers from North America and Europe showed that damming leads to FOM entrapment and modifies its natural cycling. The results of a spatial analysis considering environmental properties revealed that catchment characteristics can explain around 57% in the variation of trapped FOM amounts. Effect of rewetting events on the release of nutrients and OM from bed sediments and course particulate organic materials (CPOM, leaves and biofilms) accumulated in IRES was studied in laboratory experiments using samples from 205 rivers. Results showed that the release of nutrients and OM is substrate and climate specific. On a global scale, dissolved organic carbon, phenolics, and nitrate dominated the flux from riverbeds upon rewetting. The highest amount of nutrients and OM per gram of substrate was released from leaves, but sediments were the main contributors to the total areal flux from rivers due to their higher mass within the riverbeds. Leachates with the highest quality in terms of potential influence on ecosystem processes (low aromaticity, high content of biopolymers) were released from biofilms. A set of nine environmental variables used to explain leachate concentration across climate zones performed best for sediments in the continental and tropical zones. The inventory of the future WTMP compiled in this thesis is based on various peer- and non peer-reviewed literature sources and revealed 60 WTMP planned or under construction. The results showed that North America, Asia and Africa will be the most affected by future WTMP having the highest densities of projects and the largest water transfer distances and volumes. If all projects were completed by 2050, the total water transfer distances would reach 77,063 km transferring more than 1,249 km3 per year. Overall, the results of the current thesis showed the importance of the studied alterations in river flow and organic matter dynamic on the global scale. Studied alterations therefore should be considered in global hydrological and biogeochemical models, as well as in sustainable management of rivers.

Die vorliegende Arbeit behandelt drei wissenschaftlich bisher vernachlässigte Veränderungen in Fließ- und Stoffdynamik innerhalb von Flussnetzen, nämlich (i) die Dynamik von schwimmenden organischen Stoffen (FOM) und deren Änderung in gestauten Flüssen, (ii) die Flussperiodizität und deren Effekt auf die Dynamik von Nährstoffen und organischer Materie (OM) und (iii) die großen zukünftigen Wassertransferprojekte (WTMP). Der Bau und der Betrieb von Staudämmen beeinflussen den Wasser- und Stofftransport, zum Beispiel FOM, in Flüssen. Das Stauen von Flüssen, der Klimawandel und die Wasserextraktion zum menschlichen Nutzen führen weltweit zu einer raschen Ausbreitung temporärer Flüsse in Anzahl und Fläche. Das hat beträchtliche biogeochemische Konsequenzen im regionalen und globalen Maßstab. Zunehmende Periodizität von Flussnetzen zwingt Menschen dazu, Baumaßnahmen, wie WTMP, vorzunehmen um die Wasserversorgung zu sichern. WTMP verursachen künstliche Verbindungen zwischen Süßgewässern, die das hydrologische Gleichgewicht verschieben. Die Auswirkungen der oben genannten Faktoren auf Süßgewässer wurden in einzelnen Fallstudien untersucht. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist das existierende Wissen über diese Aspekte zu integrieren und die Generalisierung von deren Folgen zu ermöglichen. Die Rolle von FOM in Flüssen als geomorphologisches Element, als Ressource, als Ausbreitungsvektor und als biogeochemischer Bestandteil wurde mit Hilfe einer ausführlichen Literaturrecherche untersucht. Daten über die FOM-Anhäufung an 31 Dämmen innerhalb der Einzugsgebiete von 13 Flüssen in Nord-Amerika und Europa zeigten, dass Stauung von Flüssen zur Akkumulation von FOM führt und deren natürlichen Kreislauf beeinflusst. Das Ergebnis einer räumlichen Analyse, die die Umwelteigenschaften miteinbezieht, zeigte, dass die Eigenschaften des Einzugsgebietes 57% der Mengenunterschiede an akkumuliertem FOM erklären können. Der Einfluss von Wiedervernässungsereignissen auf die Freisetzung von Nährstoffen und OM aus Flussbettsedimenten und grober partikulärer organischer Substanz (CPOM, Blätter und Biofilme), die sich in IRES angehäuft hat, wurde in Laborexperimenten anhand von Proben aus 205 Flüssen untersucht. Es zeigte sich, dass die Eigenschaften von freigesetzten Substanzen von Klimazone und Substrat abhängig sind. Im globalen Maßstab dominieren gelöster organischer Kohlenstoff, Phenole und Nitrat die Stoffflüsse während der Wiedervernässungsereignisse. Die höchste Menge an Nährstoffen und OM pro Gram Substrat wurde von Blättern freigesetzt, wobei Sedimente wegen ihrer höheren Masse den größten Beitrag zur räumlichen Durchflussmenge ausmacht. Die freigesetzten Substanzen mit der höchsten Qualität im Sinne von potenziellem Einfluss auf die Prozesse in Ökosystemen (niedrige Aromatizität, hoher Anteil an Biopolymeren) wurden von Biofilmen freigesetzt. Der Effekt von Umweltvariablen auf Nährstoffkonzentrationen und die Qualität von OM konnte besser für Sedimente als für andere Substrate vorhergesagt werden mit dem größten Anteil der Varianzaufklärung in den kontinentalen und tropischen Zonen. Die globale Zusammenstellung zukünftiger WTMP, die in dieser Doktorarbeit gesammelt wurde, gründet sich auf Daten aus verschiedenen Literaturquellen, die von Experten begutachtet wurden. Insgesamt wurden 60 WTMP, die in Planung oder im Bau sind, identifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass Nordamerika, Asien und Afrika am meisten von den zukünftigen WTMP betroffen sind, weil sie die höchste Dichte an Projekten und die längsten Strecken und größten Volumina im Wassertransfer haben. Wenn alle Projekte bis 2050 fertiggestellt würden, würde die gesamte Wassertransferstrecke 77,063 km betragen und ein Volumen von mehr als 1,249 km3 pro Jahr umgeleitet werden. Insgesamt zeigen die Ergebnisse die Bedeutung der Veränderung von Flussabfluss und Stoffdynamik auf globaler Ebene. Die untersuchten Veränderungen müssen deshalb sowohl in der globalen hydrologischen und biogeochemischen Modellierung als auch im nachhaltigen Management von Flüssen berücksichtigt werden.