Effect of river restoration and hydrological changes on surface water quality: river reach-scale to catchment-scale study - Chittoor Viswanathan, Vidhya (My University, 2015)
La restauration des rivières est considérée comme méthode permettant d'agir sur la protection contre les crues, la reconstruction d'habitats naturels et l'amélioration de la qualité des eaux de surface. En général, les projets de restauration visent à atteindre plus d'un des objectifs précités du fait de leur connexité. L'effet de la restauration d'une rivière sur la qualité de l'eau reste relativement peu étudié. La première partie de cette thèse est vouée à l'analyse de différents cas d'études de restauration de rivière réalisés dans plusieurs pays. Nous sélectionnons et analysons des cas d'études pour lesquels la qualité de l'eau était le principal objectif visé par la restauration, pour quatre pays sur trois continents. Ces cas d'études montrent que pour atteindre un objectif de bonne qualité de l'eau au sein des rivières restaurées, il est souvent nécessaire de combiner aux mesures de restauration une amélioration (ou une installation) des infrastructures (tels que les stations d'épuration et bassins d'orage). Dans l'ensemble des études de restauration, le suivi post-restauration n'est pas souvent mené du fait d'un manque de fonds pour mener un suivi pre-restauration d'une part et d'un manque de protocole et d'indicateurs bien définis pour le contrôle de la qualité de l'eau d'autre part. L'un des buts principaux de cette thèse est de définir un jeu de paramètres afin d'offrir des indicateurs clés de la qualité de l'eau pour le suivi pre et post restauration. Dans la seconde partie de cette thèse, un suivi à haute fréquence d'un grand nombre de paramètres a été réalisé afin d'identifier les paramètres clés et les processus bio-géochimiques qui affectent leurs cycles diurne au cours de trois saisons. Le fonctionnement de l'écosystème en rivière et la théorie selon laquelle la capacité d'assimilation des nutriments des rivières est étudié et testée pour plusieurs conditions hydrologiques.
Nous montrons que les cycles diurnes du pH et de l'oxygène dissout (DO) sont dépendants des processus biologiques, principalement la photosynthèse et la respiration, en rivière. Pendant la période de basses eaux, en automne, nous avons observé une réduction du carbone organique dissous (DOC), pendant la nuit, et des nitrates, juste avant le lever du jour, à l'aval des biefs restaurés. Ceci est attribué à des processus biologiques supposés être accentués par une augmentation de la diversité des habitats post-restauration. Par ailleurs, suite à un évènement orageux d'été, nous avons pu observer une augmentation des nitrates et une accumulation du chlore à l'exutoire du bassin versant suivi par une dilution retardée comparée aux effets de dilution immédiats observés quant à eux le long du reste de la rivière. Cet évènement orageux a aussi causé une diminution du DOC par dilution le long de toute la rivière. L'observation de la diminution de la variabilité diurne du DO dans les parties chenalisées de la rivière pendant l'évènement orageux est un indicateur d'une augmentation du taux de renouvellement de la turbidité qui affecte le modèle de production-respiration - mais qui n'affecte pas la variabilité diurne de la partie restaurée. Un plus long bief restauré et un suivi pre-restauration sont recommandés pour les projets futurs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous employons une démarche à l'échelle du bassin versant afin d'identifier les chemins de transferts des solutés. La méthode simplifiée intitulée "Integrated Spatial Snap-shot Method" (ISSM) ou Méthode d'Aperçu Spatialement Intégrée, implique l'identification d'un nombre réduit (<25) de stations de suivi à des points critiques du bassin versant et l'analyse des flux de deux modes d'écoulements contrastés, pour deux saisons extrèmes. Au travers de l'utilisation combinée des isotopes stables de l'eau et des nitrates complétée par la concentration des solutés et de leurs flux, nous identifions des hotspots de qualité des eaux de surface et les changements saisonniers associés. Cette méthode simplifiée est transposable à différents types de bassin versant situés dans différents contextes géographiques et a pour but d'offrir une étude préliminaire à l'échelle du bassin versant afin d'identifier les sites de restauration adéquats pour de grands bassins versants., River restoration is considered as an alternative flood protection measure, to restore the native habitat in the rivers and to improve water quality. Often the restoration projects aim to achieve more than one of the objectives mentioned above as the goals are often interlinked. The effect of river restoration on water quality is seldom studied. The analysis of case studies of restoration projects from different countries forms the first part of this thesis. The case studies where water quality was the main driver for restoration were analyzed from four countries across three continents. The studies show that often a combination of restoration measures in tandem with infrastructure (like waste water treatment plant, storm sewer) up gradation or new installations need to be carried out to achieve good water quality status of the rivers. In many restoration studies, post-restoration monitoring is often not carried out due to lack of funds for carrying pre-restoration monitoring and lack of a definite protocol of indicators to be analyzed. This is an integral aim of the thesis, to define a set of parameters that could act as key water quality indicators for pre-post restoration monitoring. In the second section of this thesis, high- frequency monitoring of several parameters was done to identify key parameters and the bio-geochemical processes affecting their diurnal cycles in three different seasons. The ecosystem functioning in rivers and the theory that restoration accentuates the nutrient assimilation capacity in rivers is tested in different hydrological conditions. It was found that, the diurnal cycles of pH and DO were driven by in-stream biological processes, mainly photosynthesis and respiration. During low flow in autumn a reduction of DOC (in nighttime) and nitrate (in pre-dawn period) was observed downstream of the restored section, which is attributed to biological processes that are expected to be accentuated by increased habitat diversity post-restoration. A storm event in summer, resulted in increased nitrate and chloride accumulation at the outlet of the catchment followed by a delayed dilution, in comparison to the immediate dilution effect observed along the rest of the river stretch. This storm event also caused a reduction of dissolved organic carbon (DOC) by dilution along the entire observed river stretch. The observed reduction in the diurnal variability of dissolved oxygen (DO) in the channelized parts of the river during the storm event is an indication of higher turbidity turnover affecting the production-respiration pattern - but this does not affect the diurnal variability in the restored section. A longer restored stretch together with pre-restoration monitoring are recommended for future projects. In the final part of the thesis, a catchment-scale perspective to identify the pathways of various solutes in the catchment is presented. The simplified method - Integrated Spatial Snap-shot method (ISSM), involves the identification of few (<25) monitoring stations at critical points in the catchment and the analysis of fluxes at two contrasting discharge patterns in two extreme seasons. By using a combination of water and nitrate isotopes together with the concentration of solutes and their fluxes, hotspots of surface water quality and the associated seasonal changes were identified. This method is transferrable to different catchments under different geographical conditions and is aimed to act as a preliminary catchment-scale study to identify suitable restoration sites in large catchments., Die Revitalisierung von Flüssen ist eine Alternative zum herkömmlichen Hochwasserschutz. Zugleich können damit natürliche Habitate im Fluss wiederhergestellt und die Wasserqualität verbessert werden. Häufig streben Revitalisierungsprojekte mehrere der zuvor genannten Ziele an, da diese oft eng miteinander verknüpft sind. Die Auswirkungen der Flussrevitalisierung auf die Wasserqualität werden dabei jedoch eher selten untersucht.
Im ersten Teil dieser Doktorarbeit werden verschiedene Revitalisierungsprojekte, welche prioritär eine Verbesserung der Wasserqualität anstrebten, untersucht. Dabei werden Projekte aus vier Ländern dreier Kontinente berücksichtigt. Die Auswertung verdeutlicht, dass Revitalisierungsmassnahmen alleine nicht ausreichen, um die Wasserqualität zu verbessern. Zusätzliche Aufwertungen der Infrastruktur, wie beispielsweise durch Kläranlagen oder Kanalisationen, sind hierbei notwendig, um eine gute Wasserqualität zu erreichen. Häufig ist es aufgrund fehlender Kontrollen, welche vor Beginn bzw. nach Beendigung der Revitalisierung, durchgeführt werden, unmöglich festzustellen, ob das Projekt eine Verbesserung der Wasserqualität bewirkt hat. Die mangelnden Kontrollen sind, zum einen, auf ein streng limitiertes Budget, zum anderen, auf unzureichende Vorgaben bezüglich notwendiger Vor- und Nachuntersuchungen zurückzuführen. Ein wichtiges Anliegen dieser Doktorarbeit ist daher die Identifikation von chemischen Parametern, welche als Indikator der Wasserqualität dienen können. Durch Vorgabe dieser Indikatoren sollen Vor- und Nachuntersuchungen stark vereinfacht und kosteneffizienter gestaltet werden. Anhand von Vergleichsstudien an einem Feldstandort in der Nordost-Schweiz werden im zweiten Teil dieser Doktorarbeit chemische Indikatoren identifiziert. Zusätzlich werden die Auswirkungen bio-geochemische Prozesse auf die täglichen Schwankungen der zuvor genannten chemischen Indikatoren untersucht. Daten wurden hierbei während dreier verschiedener Jahreszeiten über einen Zeitraum von ca. zwei Jahren erhoben und ausgewertet. Hierbei liegt das Augenmerk der Datenauswertung auf der Funktionsfähigkeit der Flussökosysteme. Des Weiteren wird anhand verschiedener hydrogeologischer Szenarien untersucht, inwiefern Flussrevitalisierungen die Verfügbarkeit von Nährstoffen verbessern. Die Daten verdeutlichen, dass tägliche Schwankungen im pH-Wert und der Konzentration gelösten Sauerstoffs auf biologische Prozesse, d.h. Photosynthese und Respiration, zurückzuführen sind. Bei Daten der Probennahmen im Herbst zeigen sich im unterstromigen Bereich des revitalisierten Abschnittes am Feldstandort nachts und im Morgengrauen jeweils niedrigere Konzentrationen gelösten organischen Kohlenstoffs und Nitrat. Es wird vermutet, dass dies durch eine höhere biologische Aktivität, welche nach Flussrevitalisierungen erwartet wird, bedingt ist. Ein anderes Bild zeigt sich während eines Starkregenereignisses im Sommer. Hier werden am Abstrom des Einzugsgebietes erhöhte Konzentrationen an Nitrat und Chlorid gemessen. Dabei wird hier eine verzögerte Verdünnung der Konzentrationen beobachtet, die sich stark von der sofortigen Konzentrationsverringerung in den anderen Messstationen unterscheidet. Das Starkregenereignis führt zu einer Reduktion der Konzentrationen an gelöstem organischen Kohlenstoff im gesamten Untersuchungsbereich des Flusses. Weiter zeigt sich eine Veränderung in den täglichen Schwankungen des gelösten Sauerstoffs, jedoch ausschliesslich im kanalisierten, nicht revitalisierten, Bereich des Flusses. Diese Verringerung der täglichen Schwankungen im gelösten Sauerstoff ist auf die hohe Trübung zurückzuführen, welche die biologische Aktivität, z.B. die Respiration, beeinträchtigt.
Für zukünftige Forschungsprojekte wäre es empfehlenswert bereits vor der Revitalisierung detaillierte Untersuchungen der Wasserchemie durchzuführen. Zusätzlich wäre es hilfreich für die Untersuchungen nach der Revitalisierung über einen möglichst langen revitalisierten Abschnitt zu verfügen.
Im letzten Teil dieser Doktorarbeit wird ein Vorgehen vorgeschlagen, mit welchem innerhalb eines Einzugsgebietes die Fliesspfade verschiedener gelöster Stoffe nachvollzogen werden können. Hierbei werden mit der neu entwickelten ISSM-Methode („Integrated Spatial Snap-shot“) im Einzugsgebiet eine geringe Anzahl repräsentativer Knotenpunkte für die Untersuchung der gelösten Stoffe identifiziert. Anhand dieser werden dann die Stoffflüsse bei unterschiedlichen Abflussszenarien und zu unterschiedlichen Jahreszeiten untersucht. Diese Methode wurde an verschiedenen Feldstandorten angewandt. So wurden Hotspots chemischer Indikatorspezies und deren jahreszeitlichen Schwankungen anhand der Konzentrationen gelöster Stoffe und deren Durchflussmenge sowie der Wasserstoff-/Sauerstoff- und Stickstoff-Isotopenverteilung untersucht. Es zeigt sich, dass sich diese Methode auf Einzugsgebiete mit unterschiedlichsten Topographien übertragen lässt. Auf diese Weise lassen sich in ersten Voruntersuchungen potentielle Standorte für Flussrevitalisierungen auch innerhalb grosser Einzugsgebiete identifizieren.
Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2015
Keywords: River restoration; Water quality; Biogeochemistry; High frequency monitoring; Isotopes of water and nitrate; Simplified catchment-scale monitoring method