Basin scale sedimentary and water quality: Responses to external forcing in Lake Abaya, southern Ethiopian Rift Valley

Abstract

This study has attempted to investigate experimentally the distribution of surficial sediment and variation of water quality parameters under major influences of wind forcing and major rivers inflows in Lake Abaya, the largest Ethiopian Rift Valley Lake. A field study in Lake Abaya was conducted to understand and conceptualize better the lake dynamic process and functioning of main factors. Comprehensive field data consisting of water quality measurements, lake bed sediment grab samples and meteorological observations along the western shoreline have been obtained from Lake Abaya. Spatial and temporal variability of physical parameters are presented and the interrelationships between variables are discussed. Results indicate that the lake basin can be viewed as consisting of two main physiographic units, defined as sub basins, with behaviour defined by their response to external forcing over time. Distribution pattern of lake bottom sediments bears information about the interaction of physical processes and the resultant motion that controls the transport and distribution of suspended solids. The relationship between sediment texture and bottom topography was discussed. The distribution pattern of sediments was interpreted in the light of the different energy zones and major rivers loading. The spatial distribution diagrams of major minerals found in recent deposits on the lake bottom show that understanding of the sedimentary pattern is of vital importance for proper interpretation of the dynamic process operating on the lake. The downstream tendency of fine sediments suggested the general wind-controlled circulation pattern of the top layer to the north and the return flow in the bottom layer southwards. As well the inflow current of the tributary rivers as wind driven wave energies have an important influence on the spatial distribution of sediments. Persistent wind energy continuously mixes the lake water vertically and transports sediment in suspension horizontally resulting homogenous water column and extremely high turbidity throughout the whole open water zone. The intense wind mixing together with shallow depth apparently result an essentially homogenous water column. The observed spatial and temporal variability of physical variables allowed estimating general circulation pattern. The results were discussed in terms of the direction and magnitude of wind forcing, nature of sediment distribution, bathymetry (water depth and bottom slope), and major inflow that determine possible pattern and strength of circulation.

Die Studie beschäftigt sich mit der Verteilung von Oberflächensedimenten und der Verteilung von Wasserqualitätsparametern unter den vornehmlichen Einflüssen des Windes und von Zuflüssen im Abayasee, dem größten See des äthiopischen Rift Valley. Zu diesem Zweck wurde am Abayasee ein Feldstudie durchgeführt, auf deren Grundlage ein konzeptionelles Modell der Prozesse und der Beziehungsgefüge der Hauptfaktoren erstellt werden konnte. Die im Gelände erhobenen Daten umfassen Wasserqualitätsmessungen, Seebodenproben und meteorologische Beobachtungen entlang des westlichen Seeufers. Die räumliche und zeitliche Variabilität der verschiedenen physikalischen Parameter wird präsentiert und das Beziehungsgefüge zwischen den verschiedenen Variabeln wird diskutiert. Die Ergebnisse deuten an, dass das Seebecken aus zwei physiographischen Haupteinheiten besteht, die als Teibecken zu definieren sind und die über ihre spezifischen Prozesse charakterisiert werden, angetrieben durch externe Kräfte. Das Verteilungsmuster der Seebodensedimente beinhaltet Informationen über die Interaktionen zwischen physikalischen Prozessen und daraus resultierenden Bewegungen, die den Transport und die Verteilung im Seewasser suspendierter Feststoffe steuern. So werden die Beziehungen zwischen Korngrößenzusammensetzung und der Topographie des Seebodenuntergrundes überprüft. Das Verteilungsmuster der Sedimente wird unter Berücksichtigung verschiedener Energiezonen des Sees und der Fracht der zuströmenden Tributäre betrachtet. Die flächendifferenzierte Betrachtung der Verteilungsmuster der Hauptmineralkomponenten der rezenten Seebodensedimente ergeben, dass ihrer Merkmale Rückschlüsse auf Strömungsprozesse im See zulassen. Die S-N-Verteilung der Tonund Schluffgehalte im Seebodensediment weist auf ein im Wesentlichen windkontrolliertes Strömungsmuster im See hin mit einer nordwärts gerichteten Oberflächenströmung und einer südwärts gerichteten Rückströmung am Seeboden. Sowohl die Strömungen der einmündenden Tributäre als auch die Energie der vom Wind angetriebenen Wellen beeinflussen die räumliche Verteilung der Seebodensedimente. Anhaltende Winde führen zu einer vertikalen Durchmischung des Seewassers und bewirken, dass in Suspension mitgeführtes Feinmaterial homogen über die gesamte Wassersäule verteilt bleibt und durchgehend in der Freiwasserzone zu einer starken Trübung des Wassers führt. Diese intensive Wind-Durchmischung führt durch die geringe Tiefe des Seebeckens zu insgesamt nur wenig räumlich und zeitlich differenzierten Eigenschaften des Seewassers. Die beobachtete zeitliche und räumliche Variabilität der physikalischen Parameter erlaubt eine Ableitung des allgemeinen Zirkulationsmusters. Dies umfasst sowohl die Windrichtung als auch die Stärke des Windes, den Charakter der räumlichen Sedimentverteilung, die Bathymetrie (Wassertiefe und Seebodengefälle) und die Hauptzuflüsse, die in unterschiedlicher Gewichtung Muster und Intensität der Seeströmungen beeinflussen.