Weathering and riverine fluxes in pristine and controlled river catchments in Iceland

Abstract

Anthropogenic water management has extensively altered the worlds’ river systems through impoundments and channel diversions to meet mankind’s increasing demand for water, energy, and transportation. One of these altered river systems is the, now dammed, glacial river Jökulsá á Dal in Eastern Iceland. Construction of the dam (Kárahnjúkar) in the highlands East of Vatnajökull ice cap was from 2004 to 2007. An initial baseline study of Jökulsá á Dal, prior to dam construction, was conducted from 1998 to 2003 in order to constrain the natural discharge regime and fluxes of suspended- and dissolved material. This river monitoring resumed in 2007 in order to assess the impact of damming Jökulsá á Dal and the construction of Hálslón reservoir and Kárahnjúkar power plant on these riverine fluxes. Monitoring lasted until 2013. The dataset collected before dam construction was used to demonstrate natural changes within the river catchments and to assess the effect of climate on chemical weathering rates within the catchment. There is a positive correlation between riverine discharge and suspended load but the correlation is negative between discharge and the concentrations of most dissolved elements (e.g. SiO2, Na, Ca, Mg, DIC, SO4, Cl, F, Sr, Mo). However, some elements are controlled by other factors, such as sunlight (e.g. NO3) and the redox potential of the water (e.g. Fe and Mn). The results showed a positive correlation between the climate parameters (water temperature and river discharge) and riverine fluxes of suspended- and dissolved material, and thus on the flux of many essential nutrients to coastal waters. This potentially adds to the negative feedback between chemical weathering of silicates and atmospheric CO2 through photosynthesis in the oceans. Before damming, the glacial river Jökulsá á Dal carried a large suspended sediment load (~5.8 Mt/yr), the majority of which is now deposited in Hálslón reservoir (~5 Mt/yr). However, the finest grains (<60 µm) remain suspended and are transported with the diverted water from Hálslón reservoir, through headrace tunnels to the power plant, and into the Lagarfljót river. The result of these anthropogenic interventions is increased discharge and concentration of suspended matter in Lagarfljót. The concentrations of the riverine dissolved elements have changed less than the particle concentration. However, since damming, there has been an overall increase in the flux of dissolved constituents due to i) changed saturation state of secondary minerals, ii) decreased nutrient uptake in Lagarfljót owing to less transparency in the lagoon, iii) increased chemical dissolution of suspended material in Hálslón and Lagarfljót, and iv) less metal adsorption on suspended material in Jökulsá á Dal. The dam construction has also changed the timing of riverine fluxes, but not the timing of the spring floods, which are an important flux of nutrients to the diatom spring bloom in the coastal waters, because the spring melt occurs at relatively low elevations, below the dam. Other anthropogenic alterations can have an impact on river regimes and the environment in more general terms. Precipitation in South Iceland has been monitored for decades, providing the opportunity to study long term changes. This precipitation dataset has enabled the direct measurement of acid rain, widespread in the 1970’s. This acid rain caused environmental damage on the continents but, after new regulations limiting industrial emissions of anthropogenic sulphur from Europe and North America, pH in the precipitation from South Iceland increased (from 5.0 to 5.7) between 1980 and 1998. However, since 1998 the pH has once again started to decrease (from 5.7 to 5.4). The timing of this acidification of precipitation is concurrent with increased riverine sulphur fluxes in the region. Proposed causes of these changes are: the development of the Nesjavellir geothermal power plant in the vicinity, which started producing electricity in 1998; and the construction and operation of the Hellisheidi geothermal power plant since 2006.

Á undanförnum áratugum hefur aukin þörf mannkyns fyrir vatn, orku og flutninga haft í för með sér vaxandi áhrif á umhverfi straumvatna. Eitt þessara fallvatna er Jökulsá á Dal, sem stífluð var við Kárahnjúka á árunum 2004-2007. Við þá framkvæmd myndaðist Hálslón, sem geymir vatn til raforkuframleiðslu í Fljótsdalsstöð. Náttúrulegt ástand vatnasviðanna var rannsakað í fimm ár áður en framkvæmdir við Kárahnjúka hófust, en sýnum af vatni og svifaur var safnað úr vatnsföllum á áhrifasvæði þeirra. Eftir að virkjunin tók til starfa var sýnum safnað á áhrifasvæði hennar til að kanna áhrif stíflumannvirkja og reksturs Fljótsdalsstöðvar á árframburð svifaurs og leystra efna. Náttúrulegt ástand vatnasviðanna var greint með gögnum sem safnað var fyrir virkjun. Styrkur svifaurs og leystra aðalefna er háður rennsli vatnsfallanna, en styrkur næringarefna og margra snefilefna stjórnast m.a. af styrk sólarljóss og súrefnis í vatninu. Áhrif loftslags á framburð svifaurs og leystra efna voru könnuð, og þess freistað að ákvarða hvort heldur, hitastig eða rennsli, hefði meiri áhrif á efnaframburð fallvatnanna. Niðurstöðurnar benda til jákvæðrar fylgni milli rennslis og vatnshita við árframburð svifaurs og leystra efna, sem mörg hver eru nauðsynleg fyrir lífríkið í strandsjónum. Aukning ljóstillífunar í sjó vegna aukins framboðs næringarefna getur eflt víxlverkun ("negative feedback") milli efnahvarfaveðrunar sílikata og loftslags. Fyrir virkjun var Jökulsá á Dal eitt aurugasta vatnsfall landsins (5,8 Mt/ár). Eftir virkjun hefur grófari hluti aursins fallið út í Hálslóni (5 Mt/ár), en fínni hluti hans (<60 µm) berst með vatninu í gegnum aðrennslisgöng virkjunarinnar, þaðan sem það rennur í Lagarfljót. Eftir byggingu Kárahnjúkavirkjunar hefur styrkur svifaurs verið afar lítill í Jökulsá á Dal, en í Lagarfljóti hefur hann aukist þrátt fyrir að langmestur hluti aursins sitji eftir í Hálslóni. Styrkur leystra efna í Jökulsá á Dal og Lagarfljóti hefur breyst minna en styrkur svifaurs, en þó má sjá aukningu á heildarstyrk og heildarframburði leystra efna í vatnsföllunum. Aukninguna má rekja til (i) breytinga á mettunarstigi ýmissa veðrunarsteinda með breyttum rennslisháttum, (ii) minnkunar á upptöku næringarefna í Lagarfljóti sökum minna gagnsæis (rýnis) í vatninu, (iii) aukinnar leysingar svifaurs í Hálslóni og Lagarfljóti og (iv) minnkunar á aðsogi málma á, og frásogi af, yfirborði korna eftir að jökulrænn svifaur hvarf úr framburði Jökulsár á Dal.Efnasamsetning úrkomu ræðst af samskiptum loftraka við gös og svifagnir í andrúmslofti og endurspeglar því bæði náttúrleg og manngerð ferli á úrkomu og þar af leiðandi, á ferskvatn. Styrkur leystra efna í úrkomu á Íslandi minnkar að jafnaði með fjarlægð frá sjó, en hlutföll flestra steinefna eru þó að kalla hin sömu og í sjó. Á Írafossi hefur úrkoma verið vöktuð í áratugi, og sýnir efnastyrkur hennar breytingar með tíma. Í þeirri sýnaröð má sjá styrkbreytingar vegna náttúrulegra ferla sem hafa áhrif á efnastyrk úrkomu á styrkaukningu flúoríðs í kjölfar gossins í Eyjafjallajökli 2010 vegna efnahvarfa milli loftraka, gjósku og annarra kvikuættaðra agna. Breytingar á efnastyrk úrkomu vegna manngerðra þátta má sjá í úrkomusýnum frá árunum 1980 til 1998 en þar má greina áhrif lagasetningar sem dró úr losun brennisteins til andrúmslofts í Norður-Ameríku og Evrópu. Í upphafi þessa tímabils var pH-gildi úrkomunnar lágt (~5), en var orðið jafnt og í ómengaðri úrkomu undir lok þess (5,7). Frá 1998 til 2012 gætti hins vegar súrnunar í úrkomunni á Írafossi (frá 5,7 til 5,4), en árið 1998 hófst einmitt framleiðsla rafmagns í Nesjavallavirkjun. Þessi fylgni, svo og gögn um aukningu jarðhitaættaðs brennisteins í Sogi um svipað leyti og borun stóð sem hæst á Hellisheiði, bendir til þess, að jarðhitaborun og rekstur jarðvarmavirkjana geti valdið nokkrum breytingum á nærumhverfi.