Evaluating Sediment Resuspension and Internal Nutrient Loading in Tappan Lake Using Remote Sensing, Acoustic Doppler Current Profiler Observations, and EFDC+ Modeling

Zoetwatermeren en reservoirs worden vaak gezien als statische waterlichamen, maar het zijn dynamische systemen waarin water, sediment en voedingsstoffen voortdurend met elkaar interageren. Een grote uitdaging bij het beheer van deze wateren is begrijpen waarom algenbloei aanhoudt, zelfs wanneer de omliggende grond schoon wordt gehouden. Hoewel het algemeen bekend is dat afspoeling van boerderijen en steden overtollige voedingsstoffen in een meer kan lozen, wat groene algenlagen veroorzaakt, hebben wetenschappers lang vermoed dat de meerbodem zelf fungeert als een verborgen reservoir. Gedurende decennia kunnen sedimenten op de bodem voedingsstoffen zoals fosfor en stikstof opzuigen. Wanneer de omstandigheden veranderen, kunnen deze opgeslagen voedingsstoffen weer in het water worden vrijgegeven, waardoor algen van onderaf worden gevoed in plaats van van bovenaf. Deze interne recycling is moeilijk te zien omdat het zich onder water afspeelt, verborgen voor satellietcamera's die alleen naar het oppervlak kijken en voor eenvoudige watermonsters die op één enkel punt worden genomen. Het begrijpen van dit verborgen mechanisme is cruciaal, want als het probleem uit de bodem komt, is het simpelweg opschonen van de rivieren die het meer voeden misschien niet genoeg om de bloei te stoppen.

Onderzoekers richtten hun aandacht op Tappan Lake, een middelgroot reservoir in Harrison County, Ohio. Ondanks dat de omgeving grotendeels bebost is met beperkte landbouwafspoeling, kampt het meer met terugkerende algenbloei die de waterkwaliteit verslechtert en recreatief gebruik bedreigt. Om dit mysterie op te lossen, combineerde een team van wetenschappers drie verschillende manieren om naar het meer te kijken: satellietbeelden om het oppervlak te zien, akoestische instrumenten onder water om de stroming en deeltjes te meten, en een computermodel om te simuleren hoe het water beweegt. Ze wilden ontdekken of de algen werden gevoed door voedingsstoffen die uit de sedimenten op de bodem kwamen, opgewerveld door de beweging van het water zelf.

Het team begon door vanuit de ruimte naar het oppervlak te kijken. Met behulp van beelden van een satelliet die elke paar dagen over de aarde vliegt, volgden ze de hoeveelheid groen algene pigment, bekend als chlorophyll-a, over het gehele meer van 2020 tot 2025. Ze controleerden eerst of hun satellietmetingen overeenkwamen met de werkelijke watermonsters die met boten werden genomen, om te bevestigen dat de technologie accuraat was. De resultaten toonden een duidelijk patroon: het meer was consequent vol met algen. Elke zomer tijdens deze periode vertoonde het gehele oppervlak van het meer tekenen van eutrofiëring, een toestand waarbij het water rijk is aan voedingsstoffen en overmatige plantengroei ondersteunt. De algenniveaus waren hoog genoeg om in elk jaar als een bloei te worden beschouwd, waarbij geen enkel deel van het meer terugkeerde naar een schone, voedselarme staat. Dit bevestigde dat het probleem niet slechts een tijdelijke piek was, maar een chronische conditie die het hele reservoir beïste.

Om te begrijpen waarom de algen zo hardnekkig waren, moesten de onderzoekers onder het oppervlak kijken. Ze zetten een gespecialiseerd instrument in, een acoustic doppler current profiler, die geluidsgolven gebruikt om te meten hoe snel het water op verschillende dieptes beweegt en om te detecteren hoeveel deeltjes erin drijven. Ze voeren dit apparaat langs tien verschillende lijnen die door het meer snijden. De gegevens onthulden een opvallend verschil tussen het diepe westelijke deel van het meer nabij de dam en de ondiepere middelste secties. In het diepe bekken bewoog het water zeer traag, bijna als een stilstaande vijver. Echter, in het midden van het meer, waar het water ondieper was en het kanaal nauwer werd, bewoog het water veel sneller.

Belangrijker nog, de geluidsgolven die terugkaatsten van het water onthulden waar het sediment werd opgewerveld. Het instrument detecteerde een significante toename van de hoeveelheid zwevende deeltjes vlak bij de bodem van het meer in die middelste zone. Deze "near-bed enhancement" betekende dat het water dat door het midden van het meer stroomde, sterk genoeg was om het modderige sediment van de meerbodem op te tillen en het te laten zweven. In tegenstelling hiertoe vertoonde het diepe westelijke bekken geen dergelijke activiteit, waarbij deeltjes bezonken en het water helder bleef. Dit suggereerde dat de fysieke kracht van het water dat door het midden van het meer bewoog, de bodem constant omwoelde, waardoor de in de modder gevangen voedingsstoffen werden vrijgegeven.

Om dit beeld te bevestigen, gebruikten de wetenschappers een computermodel dat de fysica van het meer simuleert, inclusief hoe wind en waterstroom sediment verplaatsen. Het model produceerde een kaart van zwevende vaste stoffen die perfect overeenkwam met de metingen in de echte wereld. Het toonde hoge concentraties sediment in de ondiepere oostelijke armen en het midden van het meer, die afnamen tot bijna nul in het diepe westelijke bekken nabij de dam. Deze simulatie ondersteunde het idee dat het meer fungeert als een val voor sediment dat uit de rivieren komt, maar dat het middelste gedeelte een zone van constante verstoring is waar het sediment telkens opnieuw wordt opgewekt.

Wanneer de onderzoekers al deze stukjes bij elkaar legden, kwam er een duidelijk mechanisme aan het licht. De wind en de waterstroom creëren een specifieke zone in het midden van Tappan Lake waar het bodemsediment constant wordt heropgewekt. Dit proces geeft de in de modder opgeslagen voedingsstoffen weer af aan het water, wat een constante voedselbron voor algen vormt. Omdat deze interne recycling plaatsvindt ongeacht hoe schoon de rivieren zijn, blijft het meer vruchtbaar en gevoelig voor bloei. De studie suggereert dat de algen niet alleen het gevolg zijn van vervuiling die vanaf het land komt, maar dat ze in stand worden gehouden door de eigen fysieke dynamiek van het meer. Deze bevinding geeft aan dat het beheer van het meer meer vereist dan alleen het verminderen van externe vervuiling; strategieën moeten ook de interne recycling van voedingsstoffen aanpakken die wordt veroorzaakt door sedimentheropwekking in het midden van het meer.