Effects of Internal and External Processes on Water Quality and the Composition of Bottom Sediments in a Reservoir under Monsoon Climate

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Kim, Kiyong:
Effects of Internal and External Processes on Water Quality and the Composition of Bottom Sediments in a Reservoir under Monsoon Climate.
Bayreuth , 2016 . - XIX, 151 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Lately a large number of artificial reservoirs have been constructed worldwide which lead to growing interest in understanding reservoir watershed systems. This study focuses on the role of in-reservoir and external watershed processes on water quality and bottom sediment geochemistry in a reservoir (Soyang Reservoir), which is located in a monsoon climate area and is strongly affected by nutrient loads from agriculturally used catchments.
In the first study non-point source (NPS) exports under monsoonal climate of nutrients, organic matter, and suspended solids from the agriculturally used Haean catchment, a sub-catchment in the Soyang watershed, were quantified. NPS pollution from Haean catchment is the main driver for water quality in the Soyang Reservoir. Stream water samples were collected at the outlet of Haean catchment and analyzed of nutrients (nitrogen and phosphorus), organic matter, and suspended solids from the study catchment for 2 years (2009–2010). The stream water samples were taken separately in the dry and rainy seasons for evaluating the effect of monsoonal rainfall on pollutant export into the streams. Discharge was estimated using a stage/discharge rating curve at each study site. Concentrations of total phosphorus (TP), suspended solid (SS), biochemical oxygen demand (BOD), and chemical oxygen demand (COD) showed peaks during intense rainfall conditions. The annual TP and SS loadings decreased in the streams in 2010 (3,601,173 kg km–2 y–1 and 3,676 kgP km–2 y–1, respectively) compared to the loadings in 2009 (24,380,657 kg km–2 y–1 and 10,741 kgP km–2 y–1, respectively). The result implies that the decreased intensity of rainfall in 2010, reducing soil erosion processes, is the main reason for the decreased SS and TP loadings. It proves that monsoon rainfalls are the main drivers for export of nutrients into the streams. We also found that government driven measures to prevent soil erosion from the catchment (including dramatic change of land uses) contributed to reducing TP and SS exports into the streams.
Sediment processes and their effect on water quality of the Soyang Reservoir were studied in the second study. The reservoir water, the main inflowing stream (Soyang River), bottom sediment, and pore water of the lake sediments were studied for 2 years (2012–2013). After intensive monsoon rain events, particulate organic carbon (POC), TP, and turbid material were abundant in the inflowing water and in the metalimnion as well as iron (Fe) and manganese (Mn). A turbid metalimnetic layer with high concentrations of suspended particles established during the summer monsoon season. During the summer stratification period, the hypolimnion and sediment became anoxic. Diffusion leads to substantial release of dissolved inorganic P and ammonia from the sediment to the hypolimnion. Sulfate and reduced sulfur concentrations were higher in the pore water of the top sediment layers compared to the deeper layers of the sediment core suggesting that substantial amounts of inorganic nutrients and minerals were supplied to the lake in the last years.
The third study deals with the effects of changes in land use on reservoir water quality under monsoon climate. To these ends the chemical composition of sediments (C, N, P, Fe, Mn, S, and isotopes of C and N) was studied and water quality parameters (suspended solid, chlorophyll ɑ, and Secchi disk depth) were monitored. Sediment cores were taken along a transect from the inlet to the dam in the Soyang Reservoir and water samples were collected in the deepest part of the reservoir. Additionally, water quality data from previous studies were used to track historical water quality changes of the reservoir water. The changes of the trophic state and of activities in the watershed were well preserved in the bottom sediments in the Soyang Reservoir. C and N deposition was mainly autochthonous along with eutrophication driven by fish farming in 1990s. The terrestrial input has clearly increased after fish-farm business was terminated as indicated by an increase in soil-borne elements (Fe, Mn, S, and P) as well as terrestrial C. Such increase coincides with an increase in loads of nutrients and suspended solids following changes in land use (agricultural expansion) in the watershed. Recently, the increased agricultural activity has the most impact on the water quality of Soyang Reservoir under monsoon climate and the effect was well recorded in the bottom sediment of the reservoir.

Abstract in weiterer Sprache

Seit vielen Jahren wird weltweit eine große Anzahl an Stauseen gebaut. Dies führt zu einem wachsenden Interesse an der Entwicklung von Stauseen im Hinblick auf ihre Wasserqualität. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Wechselwirkung mit den Einzugsgebieten. Diese Studie konzentriert sich auf geochemische Prozesse bei der Wasserqualität und der Sedimente, welche im Stausee und im umliegenden Wassereinzugsgebiet, des Soyang Stausees untersucht wurden. Der Stausee liegt in Südkorea in einer Gegend, die vom Monsunklima geprägt ist und stark von Nährstofffrachten aus dem Haean-Einzugsgebiet, einem stark landwirtschaftlich geprägten Gebiet, beeinflusst wird.
In der ersten Studie wurden Einträge aus diffusen Quellen in das Soyang Reservoir quantifiziert wie z.B. Nährstoffe, organisches Material und Schwebstoffe. Zu diesem Zweck wurden Wasserproben in den Zuflüssen in den Jahre 2009 und 2010 untersucht um die Frachten für Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor), organischem Material und Schwebstoffe von dem Einzugsgebiet (Haean Einzugsgebiet) abzuschätzen. Die Zuflüsse wurden sowohl in der Trockenzeit als auch während der Monsunzeit beprobt um den Monsunregeneffekt für die Schadstoffzufuhr in die Zuflüsse auszuwerten. Der Abfluss wurde an jeder Messstelle anhand einer Flusswasserpegels/ Abfluss- Bewertungskurve abgeschätzt. Die Konzentrationen von Gesamtphosphor, Schwebstoffen, biologischem Sauerstoffverbrauch und dem chemischem Sauerstoffverbrauch zeigten erhöhte Werte während der intensiven Regenzeit. Die jährlichen Gesamtphosphor- und Schwebstofffrachten nahmen in 2010 (3,601,173 kg km–2 y–1 und 3,676 kgP km–2 y–1 in 2010) im Vergleich zu den Frachten in 2009 ab (24,380,657 kg km–2 y–1 und 10,741 kgP km–2 y–1 in 2009). Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass im Jahr 2010 die geringere Intensität der Regenfälle der Hauptgrund für die Reduzierung der Bodenerosionsprozesse war. Dies wiederum ist der Grund für die Verringerung der Schwebstoff- und Gesamtphosphorfrachten. Monsunregenfälle sind demnach die Hauptursache für die Auswaschung von Nährstoffen in die Zuflüsse. Ein weiterer Grund für die Verringerung von Gesamtphosphor- und Schwebstofffrachten ist in den Maßnahmen der Regierung zur Prävention von Bodenerosion in dem Einzugsgebiet zusehen sowie dem starken Landnutzugswechsel innerhalb des Beobachtungszeitraum.
Bei der zweiten Studie wurden die Prozesse im Sediment und deren Auswirkung auf die Wasserqualität des Soyang Stausees untersucht. Zwei Jahre lang (2012-2013) wurde das Wasser im Stausee, das Wasser des Hauptzuflusses (Soyang Fluss), die Seesedimente und das Porenwasser der Seesedimente untersucht. Nach intensiven Monsunregenereignissen wurde besonders viel partikulärer organischer Kohlenstoff, Gesamtphosphor, Trübstoffe, sowie Eisen und Mangan, in den zuströmenden Flüssen als auch im Metalimnion vorgefunden. Während der Zeit des Sommermonsuns bildete sich eine trübe metalimnische Schicht, welche eine hohe Konzentration an Schwebstoffen hatte. Das Hypolimnion und die Sedimente waren während der Sommerschichtung anoxisch. Aufgrund dessen kam es zu einer erhöhten Freisetzung von gelöstem anorganischem Phosphor und Ammoniak vom Sediment ins Hypolimnion. Sulfat und reduzierte Schwefelkonzentrationen wurden in größeren Mengen in den Porenwassern der oberen Sedimentkerne im Vergleich zu dem Porenwasser der unteren Teile der Sedimentkerne gefunden. Dies zeigt, dass bedeutende Mengen von anorganischen Nährstoffen und Mineralien dem Stausee bei starkem Regenabfluss während des Monsuns der letzten Jahre beigefügt wurden.
Bei der dritten Studie geht es um die Auswirkungen der Wechsel der Landnutzung auf die Wasserqualität des Stausees in dem Monsun geprägtem Klima. Dabei wurden die chemische Zusammensetzung von Sedimentkernen (C, N, P, Fe, Mn, S, und Isotope von C und N) und Wasserqualitätsparameter (Schwebstoffe, Chlorophyll ɑ, and Secchi-Tiefe) untersucht. Die Sedimentkerne wurden entlang eines Transekts vom Hauptzufluss bis zur Stauseemauer des Soyang Stausees entnommen. Wasserproben wurde an der tiefsten Stelle im Stausee entnommen. Zusätzlich wurden Wasserqualitätsdaten von früheren Untersuchungen benutzt um die Veränderungen in der Wasserqualität in vergangenen Jahren nachvollziehen zu können. Die Veränderungen des trophischen Zustandes des Stausees und die Veränderungen innerhalb des Einzugsgebietes sind in den Sedimenten des Soyang Stausees gut erhalten.
Während der 1990er Jahre wurden im Stausee intensive Fischfarmen betrieben. Dabei kam es zu einer Ablagerung von Kohlenstoff und Stickstoff, welche die Eutrophierung im See ankurbelte. Der Eintrag an bodenbürtigen Elementen (Fe, Mn, S, and P) sowie auch an terrestrischem Kohlenstoff in den Stausee nahm deutlich zu nachdem die Fischfarmen aufgelöst wurden. Dies geht einher mit einem erhöhten Eintrag von Nährstoffen und Schwebstoffen, welche auf die Ausdehnung der landwirtschaftlichen Nutzflächen im Einzugsgebiet zurückzuführen sind. Seit kurzem hat die erhöhte landwirtschaftliche Aktivität den größten Einfluss auf die Sedimentzusammensetzung und Wasserqualität des Stausees im Monsun geprägten Klima.