Three-dimensional hydrodynamic and ecosystem modeling of warm-monomictic reservoirs (Maroon and Abolabbas, Iran) under the impact of 21st century climate change
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen | |
| dc.contributor.referee | Koch, Manfred (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Hodges, Ben R. (Prof.) | |
| dc.date.accessioned | 2021-11-10T13:17:39Z | |
| dc.date.available | 2021-11-10T13:17:39Z | |
| dc.date.issued | 2021-11 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202111095047 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/13376 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Physical limnology | eng |
| dc.subject | Maroon reservoir | eng |
| dc.subject | AEM3D | eng |
| dc.subject | MIKE3 | eng |
| dc.subject | hydrodynamic modeling | eng |
| dc.subject | model intercomparison | eng |
| dc.subject | climate change | eng |
| dc.subject | CMIP5 | eng |
| dc.subject | bias correction | eng |
| dc.subject | overturn bias analysis | eng |
| dc.subject | reservoir morphology | eng |
| dc.subject | background potential energy | eng |
| dc.subject | eutrophication | eng |
| dc.subject | pre-impoundment assessment | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Iran | ger |
| dc.subject.swd | Klimaänderung | ger |
| dc.subject.swd | Talsperre | ger |
| dc.subject.swd | Limnologie | ger |
| dc.subject.swd | Eutrophierung | ger |
| dc.title | Three-dimensional hydrodynamic and ecosystem modeling of warm-monomictic reservoirs (Maroon and Abolabbas, Iran) under the impact of 21st century climate change | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Lakes and reservoirs, as the endpoint of their upstream catchment, collect their water as the resultant of the hydrological and ecosystem processes and, thus, act as a gauge of their catchment’s management. Physical processes, e.g. stratification and mixing and propagation of density currents, are the main drivers of the biochemical factors in lakes and reservoirs and are prone to be altered and affected by climate change. Hydrodynamic models are the tools to simulate the behavior of the water body under various forcing conditions. In this dissertation, hydrodynamics and limnological processes of the Maroon reservoir and the planned Abolabbas reservoir in southwest Iran were studied in a physical (the former) and biochemical (the latter) respect using 3D hydrodynamic (and biochemical) modeling. We used two 3D models and compared them in capturing hydrodynamics of the Maroon reservoir, studied the role of the reservoir’s morphology in its hydrodynamics, simulated nutrients cycle of the nearby Abolabbas reservoir and have an insight about these processes in the Maroon reservoir and eventually identified and predicted the effects of different climate change scenarios on the Maroon reservoir’s hydrodynamics and thermal regime in the 21st century. This dissertation is presented, based on the perspectives mentioned above, in four individual research studies, which have been published or are in press as follows: Chapter 1. Introduction The research on physical limnology and the concept of hydrodynamic modeling in lakes and reservoir are briefly introduced. The importance of climate change in limnology and its shown impacts on lakes and reservoirs in the literature are summarized, and finally the purpose and motivation of the research forming this thesis is presented. Chapter 2. Comparison between two hydrodynamic models in simulating physical processes of a reservoir with complex morphology: Maroon reservoir Two 3D hydrodynamic models AEM3D and MIKE3 are compared in simulating hydrodynamics of the Maroon reservoir. The reservoir has a complex bathymetry with steep walls which makes it a good case for studying the performance of hydrodynamic models. The results indicated that the AEM3D model, by using a finite difference scheme with a purely z-level vertical discretization, shows better consistency with observations so that the AME and RMSE of the model remain below 1℃. The MIKE3 model showed overall higher errors from 56 to 130% larger than AEM3D and the level of error strongly depends on its vertical discretization method and the turbulence model. The lowest errors by MIKE3 were seen by the k-ε turbulence model with a hybrid z-sigma discretization, while the highest errors were generated by the sigma discretization. The stand-alone vertical mixing model in AEM3D model, used instead of the constant-eddy-viscosity or k-ε formulation, showed a better performance in modeling vertical mixing and wind mixed layer, which is another reason of observing better results by this model than MIKE3. Chapter 3. Effects of morphology in controlling propagation of density currents in a reservoir using uncalibrated three-dimensional hydrodynamic modeling Effects of basin morphology are shown to affect density current hydrodynamics of the Maroon reservoir using the AEM3D hydrodynamic model. The model results were validated with measured water temperature data at five locations in the reservoir. The Maroon reservoir consists of upper and lower basins that are connected by a deep and narrow canyon. Analyses of simulations indicate that the canyon strongly affects density current propagation and the resulting differing limnological characteristics of the two basins. The evolution of Wedderburn Number, Lake Number, and Schmidt Stability Number are shown to be different in the two basins, and the difference is attributable to the morphological separation by the canyon. Investigation of the background potential energy (BPE) along the length of the canyon indicated that a density front passes through the upper section of the canyon but is smoothed into simple filling of the lower basin. Chapter 4. Pre-impoundment assessment of the limnological processes and eutrophication in a reservoir using three-dimensional modeling: Abolabbas reservoir, Iran The 3D hydrodynamic and ecosystem model ELCOM-CAEDYM (former name of AEM3D) is used to simulate the oxygen and nutrient cycles (eutrophication processes) in the planned Abolabbas reservoir with three (one normal and two drought) reservoir scenarios. To evaluate the eutrophication, the Trophic State Index (TSI) and Vollenweider’s model are applied to the model outputs for the total phosphorus (TP). The results show that under normal conditions the reservoir will be oligotrophic, whereas the drought scenarios cause a general lowering of the water quality indices and the development of a mesotrophic-eutrophic or even a fully eutrophic state. Under drought conditions the reservoir might suffer from severe oxygen depletion, especially in the hypolimnion. The sensitivity analysis indicates that the wind drag coefficient, light intensity, and sediment oxygen exchange rate exhibit the strongest influence on the modeled eutrophication state in the planned reservoir. Chapter 5. A potential tipping point in the thermal regime of a warm-monomictic reservoir under climate change using three-dimensional hydrodynamic modeling We modeled the response of the warm-monomictic Maroon reservoir to possible 21st century climate change, using projections of three CMIP5 GCMs under RCP4.5 and 8.5 scenarios. The raw GCM projections are bias-corrected by novel quantile mapping approaches to provide the boundary conditions for the model AEM3D model. Prior to the predictive modeling, a new so-called overturn bias analysis was applied to evaluate possible bias in the GCM predictors for properly simulating the lake dynamics in the observational (historic) time window and found to be negligible. The modeling results indicate for RCP4.5 a continuous reduction with a complete suppression of the lake’s winter mixing by the end of the 21st century, implying a switch from monomictic to weakly oligomictic behavior. Under the more extreme RCP8.5, such a transition occurs abruptly in the late 2050s in the form of a tipping point, followed within a decade - with yet some short periods of winter mixing - by a conversion to complete meromixis. This happens, because surface and mixing temperatures significantly increase due to climate warming, whereas the hypolimnion is less altered, partly due to cold river inflow (underflow) in the future winter. | eng |
| dcterms.abstract | Stehende Gewässer, wie Seen und Talsperren als der Endpunkt (Vorfluter) ihres Einzugsgebietes, sammeln das Wasser als Ergebnis von unterschiedlichen hydrologischen und ökologischen Prozessen und können somit als ein „Messgerät“ des Wasserressourcenmanagements ihres Einzugsgebiets aufgefasst werden. Physikalische Prozesse, z.B. die Sommerstagnation und die winterliche Durchmischung, sowie die Ausbereitung der Dichtströmungen sind die Haupttreiber der stofflichen und biochemischen Faktoren in Seen und Talsperren und sind, selbstverständlich, auch anfällig für Auswirkungen des Klimawandels. Durch hydrodynamische Modelle kann das Verhalten des Wasserkörpers auf verschiedene externe Einflüsse simuliert werden. In dieser Dissertation werden die hydrodynamischen und limnologischen Prozesse in den Talsperren Maroon und Abollabbas im Südwesten des Irans physikalisch (Maroon) und biochemisch (Abolabbas) durch 3D-hydrodynamische Modellierung simuliert und studiert. Die Ergebnisse der Simulationen der hydrodynamischen Prozesse der Maroon-Talsperre duch zwei 3D-Modelle werden vergliehen, und die Rolle der Morphologie der Talsperre auf die Hydrodynamik des Wasserkörpers wird analysiert, der Nährstoffzyklus (Trophie) und die Biochemie der Abolabbas Talsperre wird modelliert und vorhergesagt, und die Auswirkungen des Klimawandels auf die Hydrodynamik und die thermischen Schichtung der Maroon-Talsperre während des 21. Jahrhunderts ermittelt und vorhergesagt. Diese Dissertation wird mit der oben genannten Perspektiven in 5 Kapiteln in die folgenden 4 einzelnen Forschungsstudien gegliedert, wovon drei bereits veröffentlicht worden sind und eine „in press“ ist. Kapitel 1 (Vorwort): Der Stand der Forschung der physikalischen Limnologie und die Konzepte der hydrodynamischen Modellierung von Seen und Talsperren werden kurz vorgestellt. Die Fachliteratur zur Wichtigkeit des Klimawandels in der Limnologie und seine Auswirkungen auf Seen und Talsperren wird zitiert und analysiert, und schließlich werden der Zweck und die Motivation für diese Dissertation vorgestellt. Kapitel 2: Zwei hydrodynamische Modelle, AEM3D und MIKE3, werden in Simulationen der hydrodynamischen Prozesse der Maroon-Talsperre verglichen. Diese Talsperre hat eine komplizierte Bathymetrie, mit steilen Seiten, so dass diese Talsperre ein gutes Fall-Beispiel repräsentiert, die Leistung und Vertrauenswürdigkeit unterschiedlicher hydrodynamischer Modellen zu ermitteln. Laut der Ergebnisse ergibt das AEM3D-Modell, das eine reine z-level-Finite-Differenzen vertikale Diskretisierung verwendet, eine bessere Übereinstimmung mit den gemessenen Daten als das MIKE3-Modell, in der Weise, dass die AME- und RMSE-Werte des ersten Modells unter 1℃ bleiben. In Allgemeinen weist das MIKE3 um 56 bis 130 Prozent höhere Abweichungen zu den gemessenen Daten als AEM3D auf, wobei diese Diskrepanzen hauptsächlich von der vertikalen Diskritisierungsmethode und dem verwendeten Turbulenzmodell abhängen. Die niedrigsten Fehler des MIKE3-Modelles werden mit dem k-ε Turbulenzmodell mit einer hybriden z-Sigma-Diskretisierung, und die höchsten Fehler mit der Sigma-Diskretisierung erhalten. Gegenüber des „konstanten Wirbelviskositäts“- oder des „k-ε Turbulenz“- Modells“ zeigt das von AEM3D verwendete eigenständige Turbulenzmodell ein besseres Ergebnis in der Modellierung der vertikalen Vermischung und der durch die an der Wasseroberfläche agierenden Wind- Scherspannung durchgemischten Epilimnionsschicht, was als ein weiterer Grund der besseren Ergebnisse des AEM3D- Modells angesehen werden kann. Kapitel 3: Auswirkungen der Morphologie der Maroon-Talsperre auf die Bewegung und Ausbereitung von Dichteströmungen werden modelliert und ermittelt. Die AEM3D-Modellergebnisse werden durch die vor-Ort-gemessenen Wassertemperaturen an 5 Stellen im Stausee validiert. Letzterer besteht aus einem oberen und einem unteren Becken, die durch einen tiefen und engen Canyon miteinander verbunden sind. Durch die Auswertung der Simulationen kann man ersehen, dass der Canyon sich stark auf die Bewegung und Ausbereitung der Dichteströmungen auswirkt; in der Weise, dass sich unterschiedliche limnologische Merkmale im oberem und unterem Becken einstellen. So sind, z.B. die Variationen der Wedderburn- , Lake- und Schmidt-Stabilitäts- Zahl nachweislich unterschiedlich in den zwei Becken und diese Unterschiede sind ihrer morphologischen Trennung durch den Canyon zu zuschreiben. Die Analyse der Hintergrundpotentialenergie im Canyon zeigt darüber hinaus, wie eine zunächst klare Dichteströmungs-Front sich entlang des Canyons allmählich durch Vermischung abbaut, was dann schließlich zu einer normalen Füllung des unteren Beckens führt. Kapitel 4: Das 3D-hydrodynamische Modell ELCOM-CAEDYM (ehemaliger Name von AEM3D) wird unter der Annahme von drei Klima Normal- und Dürreszenarien zur Simulation der Sauerstoff- und Nährstoffzyklen in der geplanten künftigen Talsperre Abolabbas verwendet. Über die Definitionen des Trophie-Status-Index (TSI) und des Trophiemodells nach Vollenweider werden die Ergebnisse des Modelles für die Gesamtphosphorkonzentrationen (TP) eingeordnet. Demzufolge sollte die Talsperre unter einem normalen Klima-Szenario oligotroph sein, währenddessen für die Dürre-Szenarien eine Senkung der Wasserqualität (Trophie) und die Entwicklung eines mesotroph-eutrophen oder sogar eines vollständig eutrophen Zustands erreicht wurde. Unter den Dürre-Szenarien wird ein starker Sauerstoffmangel im Hypolimnion beobachtet. Die Sensitivitätsanalyse des Modelles zeigt, dass der Wind- Scherspannungskoeffizient, die Lichtsintensität und die Sediment-Sauerstoff Austauschrate die stärksten Einflüsse auf die modellierten Eutrophierung in der geplanten künftigen Talsperre haben. Kapitel 5: Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Maroon-Talsperre (warm-monomiktisch) bis Ende des 21. Jahrhunderts werden durch Klimaprojektionen dreier GCM-Modellen, unter RCP4.5 und 8.5 Klimaszenarien, modelliert. Die rohen Prädiktor-Daten der GCM-Modelle werden durch neuartige Quantile-Mapping Methoden „Bias-korrigiert“, um sie dann als Randbedingungen und Treiber für das AEM3D-Modell verwenden zu können. Vor der eigentlichen Zukunfts-Modellierung wird zuerst eine neue, so-genannte Overturn-Bias-Analyse angewendet, um möglichen Bias in den GCM-Prädiktoren zur korrekten Simulation der Seedynamik im historischen Zeitfenster zu bewerten. Glücklicherweise erweisen diese als vernachlässigbar. Die Modellierungs-Ergebnisse zeigen für RCP4.5 eine durchgehende Reduzierung, mit einer vollständigen Unterdrückung der winterlichen Durchmischung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts, was einen Wechsel von monomiktischem zu schwach oligomoktischem Verhaltens des Stausees impliziert. Für das extremere RCP8.5-Szenario tritt ein solcher Übergang schon in den späten 2050er Jahren abrupt in Form eines Kipppunktes ein, der innerhalb eines Jahrzehnts mit noch einigen kurzen Perioden winterlicher Durchmischung eine Veränderung in vollständige Meromixis folgt. Dies erfolgt, weil die Oberflächen- und Durchmischungstemperaturen aufgrund der Klimaerwärmung deutlich ansteigen, währenddessen das Hypolimnion weniger verändert wird, was zum Teil auf Unterströmung durch den Zufluss des kalten Maroon-Flusses in den zukünftigen Winterperioden zurückzuführen ist. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Zamani Gharehchaman, Behnam | |
| dcterms.dateAccepted | 2021-09-30 | |
| dcterms.extent | X, 11-164 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |