Sediment transport from source to sink in the Lake Baikal basin : Impacts of hydroclimatic change and mining

Autor: Pietroń, Jan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2017
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Text
Popis: Different magnitude, intensity and timing of precipitation can impact runoff, hillslope erosion and transport of sediment along river channels. Human activities, such as dam construction and surface mining can also considerably influence transport of sediment and sediment-bound contaminants. Many river basins of the world are currently subject to changes in climate at the same time as pressures from other human activities increase. However, because there are often complex interactions between such multiple drivers of change, it is challenging to understand and quantify contributions of individual drivers, which is needed in predictive modelling of future sediment and contaminant flows. This thesis considers sediment transport in the Lake Baikal basin, which is hydrologically dominated by the transboundary Selenga River of Russia and Mongolia. The Selenga River basin is, for instance, subject to climate change and increasing pressures from mining, but process complexity is reduced by the fact that the river basin is one of few large basins in the world that still is essentially undammed and unregulated. A combination of field measurement campaigns and modelling methods are used in this thesis, with the aim to: (i) identify historical hydroclimatic trends and their possible causes, (ii) analyse the spatial variability of riverine sediment loading in the mining affected areas, and (iii) investigate sediment transport and storage processes within river channels and in river deltas. Results show that, during the period 1938-2009, the annual maximum daily flow in the Selenga River basin has decreased, as well as the annual number of high flow events, whereas the annual minimum daily flow has increased. These changes in discharge characteristics are consistent with expected impacts of basin-scale permafrost thaw. Both field observations and modelling results show that changes in magnitude and number of high-flow events can considerably influence the transport of bed sediment. In addition, the average discharge has decreased in the past 20 years due to an extended drought. Under conditions of low flow, metal-enriched sediment from mining areas was observed to dominate the river water. If discharge will continue to decrease in the Selenga River (or other mining-impacted rivers of the world), further increases in riverine metal concentrations may hence be one of the consequences. Furthermore, under current conditions of extended drought, less sediment may have been distributed over the floodplain wetlands in the Selenga River delta. Present estimates, however, show that sediment can still be transported to, and deposited within, the banks and water bodies located in the backwater zone of the Selenga River delta. This can aid bank and levee stabilization, support the development of wetlands and foster net sedimentation.​
Nederbördens olika magnitud, intensitet och tidpunkt kan påverka ytavrinning, vattenerosion och transport av sediment längs flodkanaler. Mänskliga aktiviteter, som dammkonstruktion och gruvdrift i dagbrott kan också påtagligt påverka transport av sediment och sedimentbundna föroreningar. Många avrinningsområden i världen påverkas för närvarande av klimatförändringar samtidigt som trycket från andra mänskliga aktiviteter ökar. Men eftersom det ofta förekommer komplexa interaktioner mellan sådana multipla orsaker till förändring, är det utmanande att förstå och kvantifiera bidrag från enskilda orsaker, vilket behövs vid prediktiv modellering av framtida sediment- och föroreningsflöden. Denna avhandling behandlar sedimenttransport i Bajkalsjöns tillrinningsområde, som hydrologiskt domineras av den internationella Selengafloden i Ryssland och Mongoliet. Selengaflodens tillrinningsområde är exempelvis påverkat av klimatförändringar och ökat tryck från gruvdrift, men processkomplexiteten reduceras av det faktum att tillrinningsområdet är ett av världens få stora som fortfarande väsentligen saknar dammar och flödesreglering. I denna avhandling används en kombination av fältmätningskampanjer och modelleringsmetoder, i syfte att: (i) identifiera historiska hydroklimattrender och deras möjliga orsaker, (ii) analysera den rumsliga variationen i flodens sedimentbelastning inom de gruvpåverkade områdena, och (iii) undersöka sedimenttransport- och retentionsprocesser inom flodkanaler och i floddeltan. Resultaten visar att det årliga maximala dygnsflödet, liksom det årliga antalet högflödeshändelser, har minskat i Selengafloden under perioden 1938-2009, medan det årliga minimala dygnsflödet har ökat. Dessa förändringar i flödeskaraktäristika överensstämmer med förväntade effekter av storskaligt tinande permafrost. Både fältobservationer och modelleringsresultat visar att förändringar i högflödeshändelsers magnitud och årligt antal kan påverka transporten av bottensediment påtagligt. Dessutom har medelflödet minskat under de senaste 20 åren på grund av långvarig torka. Under lågflöden observerades metallberikat sediment från gruvområdena dominera flodvattnet. Om flödena fortsätter att minska i Selengafloden (eller andra gruvdriftspåverkade floder i världen), kan således ytterligare ökningar av flodvattnens metallkoncentrationer vara en av konsekvenserna. Under den långvariga torka som nu råder mängden sediment som fördelats över våtmarkerna i Selengaflodens delta ha minskat. Sediment beräknas dock fortfarande kunna transporteras till och deponeras inom flodbankar och vattenkroppar i Selengadeltats backwaterområden. Detta kan bidra till stabilisering av bankar och skyddsvallar, stödja våtmarkers utveckling och främja nettosedimentering.
Wielkość, czas trwania oraz intensywność opadów atmosferycznych oddziałuje na charakter odpływu, erozję oraz transport osadów rzecznych. Również ingerencja człowieka w środowisko – np. budowa zapór i zbiorników wodnych, czy górnictwo odkrywkowe – w różnym stopniu może wpływać na transport osadów oraz powiązanych z nimi zanieczyszczeń. Wiele dorzeczy na Ziemi, będących pod wpływem obecnych zmian klimatycznych, jest jednocześnie poddawanych narastającej antropopresji. W celu przewidywania przyszłych zmian w transporcie osadów i powiązanych z nimi zanieczyszczeń, potrzeba dogłębnego zrozumienia i oceny wpływu poszczególnych czynników powodujących te zmiany. Taka analiza jest jednak często utrudniona ze względu na złożone interakcje pomiędzy czynnikami powodującymi zmiany. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia wyniki badań związanych z analizą transportu osadów rzecznych w zlewni jeziora Bajkał, zdominowanej hydrologicznie transgraniczną rzeką Selengą, przepływającą przez tereny Rosji i Mongolii. Zlewnia rzeki Selengi podlega współczesnym zmianom klimatycznym oraz wzrastającej presji związanej z górnictwem. Złożoność procesów hydrologicznych jest jednak w tym wypadku ograniczona, ponieważ zlewnia Selengi jest jednym z nielicznych, względnie dużych dorzeczy na świecie, którego przepływy są – jak dotychczas – naturalne, nieuregulowane przez żadne zapory lub zbiorniki wodne. Dla poszczególnych celów: (i) identyfikacji historycznych trendów hydroklimatycznych i ich przyczyn, (ii) analizy przestrzennych zmian w transporcie osadów rzecznych w części zlewni dotkniętej górnictwem odkrywkowym oraz (iii) badania procesów transportu i magazynowania osadów w korycie i delcie rzeki; zostały w pracy zastosowane hydrometryczne dane pomiarowe, dane pochodzące z badań terenowych oraz metody modelowania. Wyniki badań wskazują na to, że w latach 1938-2009 zmalały roczne przepływy maksymalne oraz liczba wezbrań, podczas gdy w tym samym czasie wzrosły roczne przepływy minimalne. Powyższe zmiany są zgodne z oczekiwanym wpływem rozmarzania wiecznej zmarzliny na ustrój przepływów rzecznych. Analiza danych pomiarowych oraz wyników modelowania wskazują na to, że obecne zmiany dotyczące liczby oraz wielkości wezbrań mogą znacznie wpłynąć na transport osadów dennych w korytach rzek. Dodatkowo, w ciągu ostatnich 20 lat (1995-2014), średnie roczne przepływy znacznie spadły ze względu na przedłużający się okres suszy na terenie zlewni. Analiza danych terenowych pochodzących z obszarów górniczych wykazała, że podczas obniżonych przepływów, w zanieczyszczonych znaczną ilością metali osadach rzecznych, dominuje materiał pochodzący z działalności człowieka (około 80\% transportowanych osadów). Należy zatem przewidywać, że jeśli obecne zmiany w ustroju przepływów w dorzeczu Selengi (lub w innych podobnych dorzeczach na świecie) będą postępować, to ich następstwem może być dalszy wzrost koncentracji zanieczyszczeń (metali pochodzących z obszarów górniczych) rzek. Ponadto, w obecnym okresie obniżonych przepływów, na terenach zalewowych i jeziorach delty rzeki Selengi zatrzymuje się prawdopodobnie mniej osadów. Wyniki badań wskazują jednak na to, że osady rzeczne mogą być wciąż transportowane do brzegów i obszarów wodnych znajdujących się w strefie, w której stany wodne cieków delty są pod wpływem stanów wodnych jeziora Bajkału. Akumulacja materiału w tych częściach delty Selengi może pozytywnie wpływać na stabilizację naturalnych wałów oraz mokradeł i zwiększać sedymentację netto.
At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: