Lake Hydrodynamics and Pollution Transport under Climate Change
The Case of Lake Victoria
Tid: Fr 2023-11-24 kl 09.00
Plats: D37, Lindstedtsvägen 5, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64962556414
Språk: Engelska
Ämnesområde: Mark- och vattenteknik
Respondent: Seema Paul , Strategiska hållbarhetsstudier, Land and Water Resources
Opponent: Professor Abhijit Mukherjee, Indian Institute of Technology Kharagpur
Handledare: Professor Henrik Ernstson, Strategiska hållbarhetsstudier; Universitetslektor Zahra Kalantari, Vatten- och miljöteknik
QC 20231102
Abstract
En liten del av jordens vatten är sötvatten (endast 2,5 %). På grund av klimatförändringar som skapats genom ekonomiska och mänskliga aktiviteter har sötvattenskvaliteten på många platser i världen kraftigt försämrats. Detta märks i sprickdalssjöarna, en serie sjöar i området Rift Valley i östra Afrika som går från Etiopien i norr till Malawi i söder. Försämring av vattenkvaliteten i sprickdalssjöarna drivs av olika faktorer, inklusive vattenmängd och vattenbrist, spridning av föroreningar från jordbruk och städer, överbelastning av näringsämnen och överanvändning av vatten av industri och samhälle. I synnerhet Victoriasjön, världens andra största sötvattenkälla och den största tropiska sjön på Jorden, har fått allvarligt förorenade strandområden, vilket är ett stort regionalt utvecklingsproblem och orsakar problem för de miljontals människor som bor runt sjön eller som på olika sätt är beroende av dess vatten.
Denna avhandling bidrar med nya insikter om grunda sjöars hydrodynamiska processer och föroreningstransporter genom att utveckla mer exakta modeller för att förstå de komplexa hydrologiska processer som formar grunda sjöars vattenkvalitet. Baserat på empiriska data har denna avhandling utvecklat systematiska metoder för att beakta Victoriasjöns batymetri, sjöflöden, vattennivåer, vattenbalans och hur föroreningar och näringspartiklar transporteras och sprids i sjön. Den datadrivna flödesmodellen beaktade meteorologiska och hydrologiska data, vindhastighet och vindriktning, utflöden från floder, men också koncentrationen av spårämnen av föroreningar och näringsämnen. Avhandlingen illustrerar kraften i numeriska och hydrodynamiska metoder som använder en- och tvådimensionella matematiska ekvationer (1D och 2D) för att modellera det tredimensionella (3D) beteendet hos grunda sjöar över tid.
Resultaten indikerar att hydrodynamiken i Victoriasjön är starkt påverkad av batymetri och klimatförändringar. De hydrometeorologiska processerna, verifierade genom sjöflödes- och nivåmodeller, visar att extrema väderhändelser som troligtvis drivs av klimatförändringar är ansvariga för att förändra fundamentala egenskaper i sjöns vattenbalans och ändrade säsongsvariationer som uppvisar stark korrelation mellan vattennivå- och hydrometeorologiska data. Den modellerade transporten av spårämnen från utvalda floder, en modell för att förstå hur föroreningar och näringspartiklar sprids i sjön, visade hur ämnen färdas i Victoriasjöns vatten och var de över tid kan komma att koncentreras. Den numeriska hydrodynamiska modelleringen visar att vinden tillsammans med hydrodynamisk stabilitet spelar en viktig roll i hur föroreningar sprids i tydliga mönster och att föroreningar kan transporteras från grunda delar, när de lämnar floden eller stranden, till sjöns djupare delar och därmed deponeras och med tiden nå höga koncentrationer. Den hydroklimatologiska modellen visar vid skalan för avrinningsområdet på viktiga samband mellan hydrodynamiska processer och klimatologiska faktorer.
De numeriska modellerna och beräkningsmetoderna som har utvecklats i denna avhandling representerar bidrag till hydrodynamisk forskning. De metoder för att ta fram modeller för hydrodynamiska processer i sjöar, beräkna och verifiera sjöars batymetri, sjövattenflöde och föroreningstransport samt den uppsättning analytiska metoder som utvecklats parallellt med arbetet kan med fördel användas för att undersöka hydrodynamiska processer i andra sjöar. Ett potentiellt tillämpningsområde för denna forskning är att stödja analys av lokala och regionala effekter av klimatförändringar och föroreningar. Forskningen kan också användas för att utveckla strategier för att förhindra ytterligare föroreningar i sötvattensjöar och för att mer allmänt stödja arbetet med att förvalta denna centrala afrikanska sjö. Tillsammans bidrar avhandlingen med kunskap i linje med FN:s mål för hållbar utveckling relaterade till vattensäkerhet, dricksvatten, mat och hälsa.