Impact of damming on water quality in tropical semiarid rivers

Zoetwater is de levensader van de menselijke beschaving, maar de rivieren die het vervoeren, worden zelden aan hun natuurlijke loop gelaten. Over de hele wereld, vooral in hete, droge regio's, hebben mensen enorme dammen gebouwd om water op te slaan voor drinkwater, landbouw en industrie. Wanneer een rivier wordt gestopt door een wand van beton, wordt het een meer, of een reservoir. Deze transformatie verandert alles aan het water. Het water vertraagt, warmt op en ligt weken of maandenlang stil. In deze rustige staat nemen onzichtbare chemische en biologische processen het over. Zonlicht voedt minuscule plantjes genaamd algen, bacteriën breken afval af, en voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor veranderen van de ene naar de andere vorm. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd hoe deze veranderingen de waterkwaliteit beïnvloeden die uiteindelijk uit de dam terugstroomt. Werkt het reservoir als een gigantisch filter dat het water schoonmaakt terwijl het erdoorheen stroomt? Of wordt het een fabriek die het water vuiler maakt, rijker aan algen en meer vervuild? Het antwoord is cruciaal voor het beheer van watervoorraden in een opwarmende wereld, waarin droogtes langer en heviger worden.

In de Braziliaanse semiaride regio, een uitgestrekt gebied van heet, droog land in het noordoosten, zetten onderzoekers zich schikt om deze vraag te beantwoorden met een enorme, langdurige blik op acht verschillende reservoirs. Deze regio wordt gedefinieerd door haar strijd met waterschaarste. De rivieren hier zijn vaak seizoensgebonden, en de reservoirs zijn het enige dat steden en boerderijen in leven houdt tijdens de droge maanden. Tussen 2015 en 2019 leed het gebied onder een van de ergste droogtes uit de geschiedenis. De waterstanden in deze reservoirs daalden zo laag dat ze minder dan één procent van hun totale capaciteit bevatten. Het was een perfect, zij het hard, natuurlijk experiment. Het team, onder leiding van Iran Eduardo Lima Neto, verzamelde jaren aan gegevens die door staatsinstanties waren verzameld. Ze maten vijftien verschillende zaken in het water vlak voordat het het reservoir binnenkwam en vlak nadat het het reservoir verliet. Deze metingen omvatten alles van de temperatuur en kleur van het water tot de hoeveelheid zuurstof, de aanwezigheid van bacteriën en de niveaus van voedingsstoffen die algen voeden. Door het binnenkomende water te vergelijken met het uitgaande water, konden ze precies zien wat het reservoir met de rivier deed.

De resultaten daagden een algemeen aanvaarde aanname uit. Veel mensen hopen dat reservoirs fungeren als natuurlijke waterzuiveringsinstallaties, die het water schoonwassen van vervuiling en organisch afval terwijl het achter de dam ligt. De studie vond dat de reservoirs voor de meeste gemeten zaken weinig van beide deden. De watertemperatuur, het zoutgehalte, de hoeveelheid opgeloste vaste stoffen en zelfs de niveaus van bacteriën en fosfor veranderden nauwelijks tussen de inlaat en de uitlaat. De reservoirs fungeerden niet als filters, noch fungeerden ze als grote vervuilers voor deze specifieke factoren. Het water dat de dam verliet, was voor het grootste deel chemisch gezien vergelijkbaar met het water dat erin kwam. Deze stabiliteit hield stand, zelfs tijdens de extreme droogte toen de reservoirs bijna leeg waren. De onderzoekers ontdekten dat, hoewel de waterstanden extreem fluctueerden, het algemene effect van de dam op deze parameters opmerkelijk consistent bleef over de lange termijn.

Echter, het verhaal was heel anders voor een specifieke groep stoffen. Hoewel de reservoirs het water niet schoonmaakten, veranderden ze het biologische karakter ervan op een significante manier. Het water dat de dammen verliet, bevatte aanzienlijk meer anorganische stikstof, zwevende stoffen, opgeloste zuurstof en troebelheid dan het water dat erin kwam. Het meest opvallend was dat de hoeveelheid chlorophyll-a, een pigment dat de aanwezigheid van algen aangeeft, met 130 procent toenam. De reservoirs filterden het water niet; ze voedden een bloei van microscopisch plantenleven. De onderzoekers bepaalden dat dit gebeurde omdat de reservoirs fosfor iets beter vasthielden dan stikstof. Dit onbalans, gecombineerd met de intense hitte van de tropische zon, creëerde een perfecte omgeving voor algen om snel te groeien. De hoge niveaus van opgeloste zuurstof die in het water werden gemeten, waren geen teken van een ongeschonden gezondheid, maar eerder een teken van intense fotosynthese tijdens de dag, een proces dat vaak leidt tot gevaarlijke dalingen in zuurstof tijdens de nacht wanneer de algen sterven en afbreken.

De studie gebruikte ook computermodellen om te begrijpen waarom deze veranderingen plaatsvonden en om te testen hoe verschillende omstandigheden de resultaten zouden kunnen wijzigen. De simulaties bevestigden dat het gedrag van de reservoirs werd gedreven door een balans tussen wat er van het omliggende land binnenkwam en wat er binnen in het water gebeurde. De onderzoekers ontdekten dat de reservoirs niet functioneerden als de grote, technische vijvers die worden gebruikt voor rioolwaterzuivering, die ontworpen zijn om afval te verwijderen. In plaats daarvan lieten deze tropische reservoirs het water simpelweg doorstromen, terwijl ze de interne biologische processen de ruimte gaven om het over te nemen. De toename van algen en voedingsstoffen werd grotendeels gedreven door vervuiling die van het land kwam — erosie en ontoereikende sanitaire systemen die stikstof en vaste stoffen in de rivieren spoelden — gecombineerd met de warme omstandigheden binnen het reservoir die hun groei versnelden. De droogte zelf veranderde hoe het water van jaar tot jaar zich gedroeg, maar het veranderde de fundamentele aard van de reservoirs niet. Ze bleven plaatsen waar het water niet werd schoongemaakt, maar waar de balans van voedingsstoffen verschoof ten gunste van de groei van algen.

Dit onderzoek biedt een duidelijk beeld van wat er gebeurt met water in de droge, hete regio's van de wereld wanneer het achter een dam wordt vastgehouden. De bevindingen suggereren dat in deze omgevingen reservoirs niet kunnen worden vertrouwd om waterkwaliteitsproblemen veroorzaakt door vervuiling op het land op te lossen. Ze verwijderen niet de organische materie of de bacteriën die de menselijke gezondheid bedreigen, noch strippen ze de voedingsstoffen uit die zorgen voor algenbloei. In plaats daarvan hebben ze de neiging de chemische samenstelling van het water te behouden terwijl ze de biologische activiteit versterken. Voor de gemeenschappen die afhankelijk zijn van deze reservoirs, is de les dat het beheer van de waterkwaliteit vereist dat men stroomopwaarts kijkt. Het schoonmaken van het water voordat het de dam bereikt is essentieel, want de dam zelf zal het werk niet doen. De reservoirs zijn niet de oplossing voor vervuiling; ze zijn het podium waarop de gevolgen van vervuiling zich afspelen, wat vaak resulteert in water dat rijker is aan leven, maar potentieel gevaarlijker voor de mensen die het nodig hebben om te drinken.