Flow and thermal regimes in river networks: effects of hydropower regulation and climate extremes

Abstract

Interactive impacts of climate change and human activities (e.g. hydropower production) have posed urgency in examining the patterns of hydrological and thermal response in riverine ecosystems, and the potential ecological implications manifested. Hydro-geomorphic conditions are the major factors in shaping water qualities in river networks, especially under the extreme climatic events. However, when the power of nature is encountered with human regulations, represented by hydropower production, it would be well worth discussing how the pictures of riverine hydro- and thermal regimes would change over the certain range of time and space. Moreover, the possible utility of hydropower regulation as mitigation of extreme climate changes is still open question to be verified. Above-mentioned questions are answered in three aspects specifically: \- Governing factors and the spatial distribution model for water residence time in river networks of Germany. Based on the machine learning technique of boosted regression trees (BRT), spatial distribution of water residence time is estimated for the long-term annual average hydrological conditions and extreme cases of flood and drought. \- Impacts of hydropower over temporal and spatial range are investigated by analyzing the mechanisms of hydropeaking propagation. Hydrologic and geomorphic contribution framework is proposed and applied for the upper Rhone River basin in Switzerland, a typical hydropower exploited river basin in the mountainous area. \- River water temperature response as an indication for ecological status is investigated for the alpine rivers across Switzerland, excellent representatives of sensitivity and vulnerability to climate change while under highly exploitation of hydropower activities. Extreme climate change case of heatwaves in 2003 and 2006 are selected and analysed especially. Results of the three research components in correspondents to the listed research questions showed that river hydrological regimes have more direct influence on the variation of water residence time in comparison with the geomorphologic settings. Nevertheless, geomorphologic and topologic conditions (e.g. river width, slope, and roughness coefficient) that largely control the hydraulic waves diffusion processes in a hydropower-dominated river basin determine the spatial range of hydropeaking impacts. A hierarchy framework of geophysical obstructions, hydrology, and hydraulic waves diffusion process is proposed for analyzing the spatial range of hydropeaking propagation. When the effects of hydropeaking and thermopeaking are dominated in the river reach, hydropower regulation offers as great potential to mitigate extreme climate events (i.e. heatwaves). By looking into specific perspectives of riverine hydro- and thermal regimes, hydropower regulation, and climate extremes via different temporal-spatial scales, we investigated the interactive effects between riverine ecosystem and human-climatic impacts. We expanded the approach of water residence time estimation into the field of machine learning with spatial predictions. Impacts of hydropower regulation are first elaborated with a framework of hydropeaking propagation mechanisms. Hydropower regulation has been identified to have great potential to mitigate extreme heatwaves through altering thermal regimes in rivers. Results of the study not only contribute to river hydrology and ecology studies, but also to the river management and climate change mitigation practices.

Interaktive Auswirkungen des Klimawandels und der menschlichen Aktivitäten (z.B. Wasserkraft - erzeugung) haben bei der Untersuchung der Muster von Dr Hydrologische und thermische Reaktion in den Ökosystemen des Flusses und das Potenzial Ökologische Implikationen manifestieren. Hydro-geomorphe Bedingungen sind die wichtigsten Faktoren bei der Gestaltung von Wasserqualitäten in Flussnetzen, vor allem unter der Extreme klimatische Ereignisse. Allerdings, wenn die Macht der Natur angetroffen wird Mit menschlichen Vorschriften, vertreten durch Wasserkraft-Produktion, wäre es Lohnt es sich zu diskutieren, wie die Bilder von Riverine hydro-und thermischen Regimes Würde sich über den bestimmten Bereich von Zeit und Raum ändern. Darüber hinaus möglich. Nutzen der Wasserkraftregulierung, da die Eindämmung extremer Klimawandel nach wie vor besteht Offene Frage überprüft werden. Die oben genannten Fragen werden in drei Aspekten speziell beantwortet: Einflussfaktoren und das räumliche Verteilungsmodell für Wasser Verweilzeit in den Flußnetzen Deutschlands. Basierend auf der Maschine (BRT), räumlich Verteilung der Wasserverweilzeit wird für die langfristige geschätzt Im Jahresdurchschnitt hydrologische Bedingungen und extreme Überschwemmungsfälle Und Dürre. Auswirkungen der Wasserkraft auf den zeitlichen und räumlichen Bereich sind Untersucht durch die Analyse der Mechanismen der Hydropeaking Vermehrung. Hydrologische und geomorphe Beitrag Rahmen ist Vorgeschlagen und für das obere Rhone-Becken in der Schweiz beantragt, Eine typische Wasserkraft ausgebeutet Flussgebiet in den bergigen Bereich.  Flusswassertemperaturreaktion als Indikator für ökologische Status wird für die alpinen Flüsse in der Schweiz, Ausgezeichnete Vertreter von Empfindlichkeit und Anfälligkeit gegenüber Klima 2 Unter starker Ausbeutung von Wasserkraftaktivitäten. Extreme Klimawandel von Hitzewellen in 2003 und 2006 sind Ausgewählt und analysiert. Ergebnisse der drei Forschungskomponenten in Korrespondenzdatenbanken Forschungsfragen zeigten, dass der Fluss hydrologische Regime mehr direkte haben Einfluss auf die Variation der Wasserverweilzeit im Vergleich zur Geomorphologischen Einstellungen. Trotzdem geomorphologisch und topologisch (Z. B. Flussbreite, Steigung und Rauheitskoeffizient), die weitgehend Steuern die hydraulischen Wellen Diffusionsprozesse in einer Wasserkraft-dominiert Flussgebiet bestimmen die räumliche Reichweite der hydropeaking Auswirkungen. Eine Hierarchie Rahmen für geophysikalische Hindernisse, Hydrologie und hydraulische Wellen Diffusionsprozess wird für die Analyse des räumlichen Bereichs der Hydropeaking vorgeschlagen Vermehrung. Wenn die Auswirkungen der Hydropeaking und thermopeaking sind Dominiert in der Flussreichweite, bietet die Wasserkraftregulierung ein großes Potenzial Mildern extreme Klimaereignisse (d. H. Hitzewellen). Durch die Betrachtung spezifischer Perspektiven des hydro- und thermischen Flusses Regime, Wasserkraft-Regulierung und Klima- Extreme über verschiedene Temporal-räumliche Skalen, untersuchten wir die interaktiven Effekte zwischen Riverine Ökosystem und menschlich-klimatische Auswirkungen. Wir erweitern den Ansatz von Wasser Verweilzeitschätzung auf dem Gebiet des maschinellen Lernens mit räumlicher Vorhersagen. Die Auswirkungen der Wasserkraft - Regulierung werden zunächst mit einem Rahmen der hydropeaking Ausbreitungsmechanismen. Wasserkraftregulierung Wurde festgestellt, dass ein großes Potenzial haben, extreme Hitzewellen zu mildern Durch Veränderung der thermischen Regimes in Flüssen. Ergebnisse der Studie nicht nur Dazu beitragen, Hydrologie und Ökologie Studien, sondern auch auf den Fluss Management und Klimaschutzpraktiken.