Published November 5, 2019
| Version v1
Publication
Open
Sixty years since the creation of Lake Kariba: Thermal and oxygen dynamics in the riverine and lacustrine sub-basins
Creators
- 1. ETH Zurich
- 2. Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology
- 3. Chinhoyi University of Technology
- 4. University of Zimbabwe
Description
The current boom of dam construction at low latitudes endangers the integrity and function of major tropical river systems. A deeper understanding of the physical and chemical functioning of tropical reservoirs is essential to mitigate dam-related impacts. However, the development of predictive tools is hampered by a lack of consistent data on physical mixing and biogeochemistry of tropical reservoirs. In this study, we focus on Lake Kariba (Southern Africa), the largest artificial lake in the world by volume. Kariba Dam forms a transboundary reservoir between Zambia and Zimbabwe, and therefore its management represents a socio-politically sensitive issue because the Kariba Dam operation completely changed the downstream hydrological regime. Although Lake Kariba represents a unique and scientifically interesting case study, there is no consistent dataset documenting its physical and chemical behaviour over time. This limits the scope for quantitative studies of this reservoir and its downstream impacts. To address this research gap, we aggregated a consistent database of in situ measurements of temperature and oxygen depth profiles for the entire 60 years of Lake Kariba's lifetime and performed a detailed statistical analysis of the thermal and oxygen regime of the artificial lake to classify the different behaviours of the lake's sub-basins. We demonstrate that the seasonal stratification strongly depends on the depth of the water column and on the distance from the lake inflow. Satellite data confirm these spatiotemporal variations in surface temperature, and reveal a consistent longitudinal warming trend of the lake surface water temperature of about 1.5°C from the inflow to the dam. Finally, our results suggest that the stratification dynamics of the lacustrine sub-basins have the potential to alter the downstream Zambezi water quality. Future research should focus on assessing such alterations and developing strategies to mitigate them.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يهدد الازدهار الحالي لبناء السدود على خطوط العرض المنخفضة سلامة ووظيفة أنظمة الأنهار الاستوائية الرئيسية. يعد الفهم الأعمق للأداء الفيزيائي والكيميائي للخزانات الاستوائية أمرًا ضروريًا للتخفيف من الآثار المرتبطة بالسدود. ومع ذلك، فإن تطوير الأدوات التنبؤية يعوقه نقص البيانات المتسقة حول الخلط المادي والكيمياء الجيولوجية الحيوية للخزانات الاستوائية. في هذه الدراسة، نركز على بحيرة كاريبا (جنوب إفريقيا)، أكبر بحيرة اصطناعية في العالم من حيث الحجم. يشكل سد كاريبا خزانًا عابرًا للحدود بين زامبيا وزيمبابوي، وبالتالي فإن إدارته تمثل قضية حساسة اجتماعيًا وسياسيًا لأن عملية سد كاريبا غيرت تمامًا النظام الهيدرولوجي في المصب. على الرغم من أن بحيرة كاريبا تمثل دراسة حالة فريدة ومثيرة للاهتمام من الناحية العلمية، إلا أنه لا توجد مجموعة بيانات متسقة توثق سلوكها الفيزيائي والكيميائي بمرور الوقت. وهذا يحد من نطاق الدراسات الكمية لهذا الخزان وتأثيراته النهائية. لمعالجة هذه الفجوة البحثية، قمنا بتجميع قاعدة بيانات متسقة لقياسات درجة الحرارة وعمق الأكسجين في الموقع لمدة 60 عامًا كاملة من عمر بحيرة كاريبا وأجرينا تحليلًا إحصائيًا مفصلاً للنظام الحراري والأكسجين للبحيرة الاصطناعية لتصنيف السلوكيات المختلفة للأحواض الفرعية للبحيرة. نثبت أن التقسيم الطبقي الموسمي يعتمد بشدة على عمق عمود الماء وعلى المسافة من تدفق البحيرة. تؤكد بيانات الأقمار الصناعية هذه الاختلافات المكانية والزمانية في درجة حرارة السطح، وتكشف عن اتجاه احترار طولي ثابت لدرجة حرارة مياه سطح البحيرة يبلغ حوالي 1.5 درجة مئوية من التدفق إلى السد. أخيرًا، تشير نتائجنا إلى أن ديناميكيات التقسيم الطبقي للأحواض الفرعية للبحيرات لديها القدرة على تغيير جودة مياه زامبيزي عند المصب. وينبغي أن تركز البحوث المستقبلية على تقييم هذه التعديلات ووضع استراتيجيات للتخفيف منها.Translated Description (French)
L'essor actuel de la construction de barrages aux basses latitudes met en danger l'intégrité et le fonctionnement des principaux systèmes fluviaux tropicaux. Une compréhension plus approfondie du fonctionnement physique et chimique des réservoirs tropicaux est essentielle pour atténuer les impacts liés aux barrages. Cependant, le développement d'outils prédictifs est entravé par un manque de données cohérentes sur le mélange physique et la biogéochimie des réservoirs tropicaux. Dans cette étude, nous nous concentrons sur le lac Kariba (Afrique australe), le plus grand lac artificiel au monde en volume. Le barrage de Kariba forme un réservoir transfrontalier entre la Zambie et le Zimbabwe, et sa gestion représente donc une question sociopolitiquement sensible car l'exploitation du barrage de Kariba a complètement changé le régime hydrologique en aval. Bien que le lac Kariba représente une étude de cas unique et scientifiquement intéressante, il n'existe pas d'ensemble de données cohérent documentant son comportement physique et chimique au fil du temps. Cela limite la portée des études quantitatives de ce réservoir et de ses impacts en aval. Pour combler cette lacune de recherche, nous avons agrégé une base de données cohérente de mesures in situ des profils de température et de profondeur d'oxygène pour l'ensemble des 60 années de la vie du lac Kariba et effectué une analyse statistique détaillée du régime thermique et d'oxygène du lac artificiel pour classer les différents comportements des sous-bassins du lac. Nous démontrons que la stratification saisonnière dépend fortement de la profondeur de la colonne d'eau et de la distance à l'entrée du lac. Les données satellitaires confirment ces variations spatio-temporelles de la température de surface et révèlent une tendance constante au réchauffement longitudinal de la température de l'eau de surface du lac d'environ 1,5 °C de l'entrée au barrage. Enfin, nos résultats suggèrent que la dynamique de stratification des sous-bassins lacustres a le potentiel d'altérer la qualité de l'eau en aval du Zambèze. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'évaluation de ces altérations et l'élaboration de stratégies pour les atténuer.Translated Description (Spanish)
El auge actual de la construcción de presas en latitudes bajas pone en peligro la integridad y la función de los principales sistemas fluviales tropicales. Una comprensión más profunda del funcionamiento físico y químico de los embalses tropicales es esencial para mitigar los impactos relacionados con las represas. Sin embargo, el desarrollo de herramientas predictivas se ve obstaculizado por la falta de datos consistentes sobre la mezcla física y la biogeoquímica de los reservorios tropicales. En este estudio, nos centramos en el lago Kariba (sur de África), el lago artificial más grande del mundo en volumen. La presa de Kariba forma un embalse transfronterizo entre Zambia y Zimbabue y, por lo tanto, su gestión representa un problema sociopolíticamente sensible porque la operación de la presa de Kariba cambió por completo el régimen hidrológico aguas abajo. Aunque el lago Kariba representa un caso de estudio único y científicamente interesante, no existe un conjunto de datos consistente que documente su comportamiento físico y químico a lo largo del tiempo. Esto limita el alcance de los estudios cuantitativos de este yacimiento y sus impactos aguas abajo. Para abordar esta brecha de investigación, agregamos una base de datos consistente de mediciones in situ de perfiles de temperatura y profundidad de oxígeno durante los 60 años de vida del lago Kariba y realizamos un análisis estadístico detallado del régimen térmico y de oxígeno del lago artificial para clasificar los diferentes comportamientos de las subcuencas del lago. Demostramos que la estratificación estacional depende en gran medida de la profundidad de la columna de agua y de la distancia desde la entrada del lago. Los datos satelitales confirman estas variaciones espaciotemporales en la temperatura de la superficie y revelan una tendencia de calentamiento longitudinal constante de la temperatura del agua de la superficie del lago de aproximadamente 1,5 ° C desde la entrada a la presa. Finalmente, nuestros resultados sugieren que la dinámica de estratificación de las subcuencas lacustres tiene el potencial de alterar la calidad del agua aguas abajo del Zambezi. La investigación futura debe centrarse en evaluar dichas alteraciones y desarrollar estrategias para mitigarlas.Files
journal.pone.0224679&type=printable.pdf
Files
(2.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b17966ea35eea423dae46647126c4a58
|
2.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ستون عامًا على إنشاء بحيرة كاريبا: الديناميكيات الحرارية والأكسجين في الأحواض الفرعية النهرية والبحيرات
- Translated title (French)
- Soixante ans après la création du lac Kariba : dynamique thermique et de l'oxygène dans les sous-bassins fluviaux et lacustres
- Translated title (Spanish)
- Sesenta años desde la creación del lago Kariba: dinámica térmica y de oxígeno en las subcuencas fluviales y lacustres
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2987111141
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0224679
References
- https://openalex.org/W116709876
- https://openalex.org/W1547321683
- https://openalex.org/W1647380342
- https://openalex.org/W1900652836
- https://openalex.org/W1906892516
- https://openalex.org/W1969218960
- https://openalex.org/W1974216038
- https://openalex.org/W1982043539
- https://openalex.org/W1994656757
- https://openalex.org/W1995272406
- https://openalex.org/W1999333764
- https://openalex.org/W2001614007
- https://openalex.org/W2034223242
- https://openalex.org/W2045365231
- https://openalex.org/W2051354758
- https://openalex.org/W2064088813
- https://openalex.org/W2064124042
- https://openalex.org/W2071331598
- https://openalex.org/W2077412711
- https://openalex.org/W2079090138
- https://openalex.org/W2081694226
- https://openalex.org/W2085455428
- https://openalex.org/W2085724540
- https://openalex.org/W2090977105
- https://openalex.org/W2093575882
- https://openalex.org/W2106975190
- https://openalex.org/W2110153007
- https://openalex.org/W2113111598
- https://openalex.org/W2115677407
- https://openalex.org/W2120660679
- https://openalex.org/W2122487987
- https://openalex.org/W2152930053
- https://openalex.org/W2155003286
- https://openalex.org/W2168313526
- https://openalex.org/W2172085795
- https://openalex.org/W2216332899
- https://openalex.org/W2288796495
- https://openalex.org/W2346512597
- https://openalex.org/W2346817832
- https://openalex.org/W2499418964
- https://openalex.org/W2513884524
- https://openalex.org/W2588270888
- https://openalex.org/W2642065602
- https://openalex.org/W2739676102
- https://openalex.org/W2740756672
- https://openalex.org/W2744106438
- https://openalex.org/W2750793716
- https://openalex.org/W2766345374
- https://openalex.org/W2772810955
- https://openalex.org/W2795583521
- https://openalex.org/W2800180232
- https://openalex.org/W2807925092
- https://openalex.org/W2903733180
- https://openalex.org/W2907992122
- https://openalex.org/W2987111141
- https://openalex.org/W4249070908