Diel turbidity cycles in a headwater stream: evidence of nocturnal bioturbation?

Purpose: A small number of recent studies have linked daily cycles in stream turbidity to nocturnal bioturbation by aquatic fauna, principally crayfish, and demonstrated this process can significantly impact upon water quality under baseflow conditions. Adding to this limited body of research, we use high-resolution water quality monitoring data to investigate evidence of diel turbidity cycles in a lowland, headwater stream with a known signal crayfish (Pacifastacus leniusculus) population and explore a range of potential causal mechanisms. Materials and methods: Automatic bankside monitoring stations measured turbidity and other water quality parameters at 30-min resolution at three locations on the River Blackwater, Norfolk, UK during 2013. Specifically, we focused on two 20-day periods of baseflow conditions during January and April 2013 which displayed turbidity trends typical of winter and spring seasons, respectively. The turbidity time-series, which were smoothed with 6.5 hour Savitzky-Golay filters to highlight diel trends, were correlated against temperature, stage, dissolved oxygen and pH to assess the importance of abiotic influences on turbidity. Turbidity was also calibrated against suspended particulate matter (SPM) over a wide range of values via linear regression. Results and discussion: Pronounced diel turbidity cycles were found at two of the three sites under baseflow conditions during April. Spring night-time turbidity values consistently peaked between 21:00 and 04:00 with values increasing by ~10 nephelometric turbidity units (NTU) compared with the lowest recorded daytime values which occurred between 10:00 and 14:00. This translated into statistically significant increases in median midnight SPM concentration of up to 76% compared with midday, with night-time (18:00 – 05:30) SPM loads also up to 30% higher than that recorded during the daytime (06:00 – 17:30). Relating turbidity to other water quality parameters exhibiting diel cycles revealed there to be neither any correlation that might indicate a causal link, nor any obvious mechanistic connections to explain the temporal turbidity trends. Diel turbidity cycles were less prominent at all sites during the winter. Conclusions: Considering the seasonality and timing of elevated turbidity, visual observations of crayfish activity, and an absence of mechanistic connections with other water quality parameters, the results presented here are consistent with the hypothesis that nocturnal bioturbation is responsible for generating diel turbidity cycles under baseflow conditions in headwater streams. However, further research in a variety of fluvial environments is required to better assess the spatial extent, importance and causal mechanisms of this phenomenon

Anthropogenic perturbation of the carbon fluxes from land to ocean

A substantial amount of the atmospheric carbon taken up on land through photosynthesis and chemical weathering is transported laterally along the aquatic continuum from upland terrestrial ecosystems to the ocean. So far, global carbon budget estimates have implicitly assumed that the transformation and lateral transport of carbon along this aquatic continuum has remained unchanged since pre-industrial times. A synthesis of published work reveals the magnitude of present-day lateral carbon fluxes from land to ocean, and the extent to which human activities have altered these fluxes. We show that anthropogenic perturbation may have increased the flux of carbon to inland waters by as much as 1.0 Pg C yr-1 since pre-industrial times, mainly owing to enhanced carbon export from soils. Most of this additional carbon input to upstream rivers is either emitted back to the atmosphere as carbon dioxide (~0.4 Pg C yr-1) or sequestered in sediments (~0.5 Pg C yr-1) along the continuum of freshwater bodies, estuaries and coastal waters, leaving only a perturbation carbon input of ~0.1 Pg C yr-1 to the open ocean. According to our analysis, terrestrial ecosystems store ~0.9 Pg C yr-1 at present, which is in agreement with results from forest inventories but significantly differs from the figure of 1.5 Pg C yr-1 previously estimated when ignoring changes in lateral carbon fluxes. We suggest that carbon fluxes along the land–ocean aquatic continuum need to be included in global carbon dioxide budgets.Peer reviewe

[METROPOL Gebruikers handleiding.]

In this report a description of METROPOL (MEthod for TRansport Of POLlutants) which simulates the three dimensional flow of groundwater, based on the finite element method is given. The model, METROPOL, consists of a package of computer programs for preprocessing, simulation and postprocessing. The preprocessing package includes programs for mesh generation and refinement. The simulation package contains programs for steady state and transient groundwater flow with constant density or transient flow with transport of dissolved salt or adsorbing and decaying species at low (tracer) concentrations. The postprocessing package includes programs for particle tracking and the generation of contour plots in two-dimensional cuts. This report serves as the user's guide for the different programs in the package. The general description of all modules of METROPOL is given in the chapters of this report. Finally the appendices provide complete and comprehensive descriptions of the different programs. Each of which can be used as a stand-alone user guide for the program described therein.RIV

Modellering van de stikstof- en fosforstroom in Europa: van belastingen tot kustzeeen

Dit rapport beschrijft een model dat dient om de kwaliteit van het oppervlaktewater te berekenen op Europese schaal. Het model combineert een GIS-gebaseerde aanpak om belastingen te schatten, geohydrologische gegevens om de modelstructuur te bepalen en statistische technieken om parameters te schatten. Het model start met een inventarisatie van diffuse bronnen van N en P: landbouw en atmosferische depositie. Stikstofstromen worden geacht zowel de oppervlakkige afstroming als de grondwaterstroming te volgen, fosfor volgt alleen de oppervlakkige afvoer. Naast diffuse bronnen vormen afvalwaterlozingen een belangrijke bron van nutrienten, in het bijzonder voor fosfor. Met realistische waarden voor de modelparameters blijkt het mogelijk een goede overeenstemming te verkrijgen tussen geschatte riviervrachten en metingen. De resultaten geven twee probleemgebieden aan: West-Europa (Theems, Schelde, Elbe, Rijn) met zijn intensieve landbouw en hoge bevolkingsdichtheid, en Zuid-Europa, waar lokaal hoge belastingen voorkomen, die in combinatie met lage afvoeren van water voor hoge concentraties zorgen. Voor de kustzeeen van Europa werden concentraties berekend op grond van conservatief gedrag van N en P. Bestaande advectie-diffusiemodellen werden gehercalibreerd op basis van saliniteitsgegevens. De resultaten wijzen uit dat de belangrijkste probleemgebieden liggen in de Oostzee en Zwarte Zee, met veel kleinere effecten in de Noordzee en de Adriatische Zee. In andere kustwateren zijn de menselijke invloeden gering. Hierbij moet worden opgemerkt, dat door ruimtelijke en seizoensvariabiliteit, die in deze studie niet is meegenomen, in bepaalde deelgebieden (m.n. kustzones) periodes met belangrijke problemen toch kunnen voorkomen.A model is described that aims at predicting surface water quality from N- and P-inputs on a European scale. The model combines a GIS-based approach to estimate loads, geohydrological data to define model structure and statistical techniques to estimate parameter values. The model starts with an inventory of diffuse sources of N and P: agriculture and (for N) atmospheric deposition. Nitrogen flows are assumed to follow both surface- and groundwater flows, while for phosphorus only surface water flow is taken into account. In addition to these non-point sources, sewage is an important source of nutrients, in particular for phosphorus. Using physically realistic parameter values, good agreement is found between observed and calculated riverine loads. Results indicate problem areas in two regions: western Europe (Thames, Scheldt, Elbe, Rhine) with its intensive agriculture and high population density and Southern Europe (some rivers in Spain, Italy), where loads may be locally high and dilution is low due to a low water discharge. For the coastal seas of Europe concentrations were calculated by assuming conservative behaviour of N and P. Existing advection-diffusion models were linked and re-calibrated on salinity data. Results indicate that the main problem areas are the Baltic Sea and the Black Sea, with much lower impacts in the North Sea and the Adriatic Sea ; in other coastal waters human impacts are essentially negligible. However, due to seasonal and spatial variability disregarded in this European-scale study, it should be realized that in specific sub-areas, i.c. coastal zone, periods with significant problems still may occur.RIV

Modellering van de stikstof- en fosforstroom in Europa: van belastingen tot kustzeeen

A model is described that aims at predicting surface water quality from N- and P-inputs on a European scale. The model combines a GIS-based approach to estimate loads, geohydrological data to define model structure and statistical techniques to estimate parameter values. The model starts with an inventory of diffuse sources of N and P: agriculture and (for N) atmospheric deposition. Nitrogen flows are assumed to follow both surface- and groundwater flows, while for phosphorus only surface water flow is taken into account. In addition to these non-point sources, sewage is an important source of nutrients, in particular for phosphorus. Using physically realistic parameter values, good agreement is found between observed and calculated riverine loads. Results indicate problem areas in two regions: western Europe (Thames, Scheldt, Elbe, Rhine) with its intensive agriculture and high population density and Southern Europe (some rivers in Spain, Italy), where loads may be locally high and dilution is low due to a low water discharge. For the coastal seas of Europe concentrations were calculated by assuming conservative behaviour of N and P. Existing advection-diffusion models were linked and re-calibrated on salinity data. Results indicate that the main problem areas are the Baltic Sea and the Black Sea, with much lower impacts in the North Sea and the Adriatic Sea ; in other coastal waters human impacts are essentially negligible. However, due to seasonal and spatial variability disregarded in this European-scale study, it should be realized that in specific sub-areas, i.c. coastal zone, periods with significant problems still may occur.Dit rapport beschrijft een model dat dient om de kwaliteit van het oppervlaktewater te berekenen op Europese schaal. Het model combineert een GIS-gebaseerde aanpak om belastingen te schatten, geohydrologische gegevens om de modelstructuur te bepalen en statistische technieken om parameters te schatten. Het model start met een inventarisatie van diffuse bronnen van N en P: landbouw en atmosferische depositie. Stikstofstromen worden geacht zowel de oppervlakkige afstroming als de grondwaterstroming te volgen, fosfor volgt alleen de oppervlakkige afvoer. Naast diffuse bronnen vormen afvalwaterlozingen een belangrijke bron van nutrienten, in het bijzonder voor fosfor. Met realistische waarden voor de modelparameters blijkt het mogelijk een goede overeenstemming te verkrijgen tussen geschatte riviervrachten en metingen. De resultaten geven twee probleemgebieden aan: West-Europa (Theems, Schelde, Elbe, Rijn) met zijn intensieve landbouw en hoge bevolkingsdichtheid, en Zuid-Europa, waar lokaal hoge belastingen voorkomen, die in combinatie met lage afvoeren van water voor hoge concentraties zorgen. Voor de kustzeeen van Europa werden concentraties berekend op grond van conservatief gedrag van N en P. Bestaande advectie-diffusiemodellen werden gehercalibreerd op basis van saliniteitsgegevens. De resultaten wijzen uit dat de belangrijkste probleemgebieden liggen in de Oostzee en Zwarte Zee, met veel kleinere effecten in de Noordzee en de Adriatische Zee. In andere kustwateren zijn de menselijke invloeden gering. Hierbij moet worden opgemerkt, dat door ruimtelijke en seizoensvariabiliteit, die in deze studie niet is meegenomen, in bepaalde deelgebieden (m.n. kustzones) periodes met belangrijke problemen toch kunnen voorkomen

Modellering van mondiale biogeocemische kringlopen; een geintegreerde benadering

Mondiale kringlopen beschrijven het transport van chemische verbindingen op aarde. Verstoringen in deze kringlopen, met name die van de elementen koolstof (C), stikstof (N), fosfor (P) en zwavel (S), veroorzaakt door menselijke activiteiten, leiden tot lokale, regionale en mondiale milieuproblemen. Door de belangstelling, zowel wetenschappelijk als beleidsmatig, naar dit complexe verschijnsel mondiale milieuveranderingen, groeit ook de behoefte naar een geintegreerd beleidswetenschappelijk simulatiemodel. Dit model dient rekening te houden met het feit dat: (i) vele mondiale milieuproblemen gezamenlijke oorzaken, mechanismen en effecten hebben, (ii) er vele interacties en terugkoppelingsmechanismen bestaan tussen de diverse kringlopen. In dit rapport wordt een dergelijk model beschreven, namelijk het CYCLES model, als onderdeel van het gehele computersimulatiemodel TARGETS. Dit CYCLES model beschrijft op een overzichtelijke wijze de complexe dynamiek van de mondiale kringlopen van de elementen C, N, P en S, en de onderlinge interacties, alswel de effecten van verstoringen van deze kringlopen op het mondiale milieu. Naast de chemische verbindingen van de basiselementen C, N, P en S bevat het model ook andere chemische verbindingen: CFK's, tropospferisch ozon, en enige representatieve toxische chemicalien, zoals: lood, fatalaten, PCBs en DDT. Andere karakteristieken van dit model: (i) de opzet is generiek, en daarbij toepasbaar op ieder schaalniveau, (ii) de terrestrische biosfeer is opgedeeld in diverse klimaat-,bodem- en landgebruiksklassen, en (iii) het model is gekoppeld aan een raamwerk van indices en indicatoren. De voornaamste doelstellingen van dit model zijn: (i) een zo volledig mogelijk overzicht te geven van de mondiale kringlopen, (ii) de synergetische effecten van de interacties tussen de kringlopen te identificeren en te analyseren, (iii) diverse lange-termijn milieubeleidsstrategieen te evalueren in termen van risico's op het milieu, alsmede het analyseren van de 'trade-offs' tussen de oorzaken van de diverse milieuproblemen. Op deze manier kan het model worden gebruikt voor het analyseren van de mate waarin de kringlopen zijn verstoord, en de mogelijke effecten hiervan op het milieu. Dit wordt onder andere gedemonstreerd in een serie van modelexperimenten met het CYCLES model, welke zich speciaal concentreren op de interacties tussen de kringlopen.Global biogeochemical cycles describe the transformation and movement of chemical substances in the global environment. Disturbances in these global biogeochemical cycles, in particular the cycles of carbon (C), nitrogen (N) phosphorus (P), and sulphur (S), initiated by a variety of human activities, lead to global environmental change. For a comprehensive analysis of the phenomenon of global environmental change one needs an integrated approach that considers the facts that: (i) many global environmental issues have common causes, state dynamics of the global biogeochemical cycles and common impacts (global environmental change) ; (ii) many interactions and feedback mechanisms exist between the biogeochemical cycles. Here we describe an integrated modelling framework, the CYCLES model, as an integral modular part of the overall framework TARGETS: a Tool to Assess Regional and Global Environmental and health Targets for Sustainability. The CYCLES model captures, in a simple but comprehensive way, the complex, long-term dynamics of the global cycles of C, N, P and S, and their interactions, as well as their impact on global environmental change. More specifically, the model considers the relationships between the causes (human disturbances of the cycles), the mechanisms (changes in state of global biogeochemical cycles), and the impacts (global environmental change). In addition to the basic elements, the model comprises several chemical compounds, such as halocarbons, tropospheric ozone and its precursors, and some representative toxic pollutants: lead, phthalates, PCBs and DDT. Other characteristics of the model are: first, its design is generic, and it could in principle therefore also be applied on the regional scale using regional mass budgets. Second, although the model acts on a global scale, spatial heterogeneities are introduced for the terrestrial biosphere, subdivided into highly aggregated climate, soil and land use classes. Third, the model is linked to a framework of indices, which can be used to yield insight into the complex dynamics under consideration. We realize that the modelling approach we have adopted is too simple, and that there are much more advanced models available for the individual global cycles. However, the complexity of the CYCLES model arises from the linkage of simple, highly aggregated subsystems, as a result of which the model as a whole may show strongly nonlinear and complex behaviour. This means that incremental changes in one of the subsystems may result in considerable changes in the overall system. The primary objectives of the CYCLES model are: (i) to sketch a biogeochemical cycles ; (ii) to study and analyze the synergetic effects of the interactions between the global cycles ; (iii) to evaluate different environmental policies with respect to their overall impacts on the global environment, and thereby to analyze the trade-offs between the causes of the different environmental issues (some strategies directed at a single issue can have reverse effects on the global environment). In this way, the CYCLES model can be used to assess the extent to which the global biogeochemical cycles are being disturbed by human activities, and what the possible future implications might be for the global environment. This is demonstrated by a series of preliminary model experiments with the CYCLES model which focus on the interactions between the various cycles and the synergetic effects.RIV

Verontreiniging met nitraat van bodem en grondwater in Europa

De aanwezigheid van stikstofverbindingen in bodem en grondwater van Europa (van de Oeral tot de Atlantische Oceaan) wordt veroorzaakt door bemesting in de landbouw en door atmosferische depositie. De per gebied varierende hoeveelheden kunstmest en dierlijke mest kunnen voor de huidige situatie worden afgeleid uit verschillende bronnen. De atmosferische depositie volgt uit een bewerking met het TREND-model. Een deel van de op het landoppervlak gebrachte hoeveelheid stikstofverbindingen verdwijnt tijdens de passage van de toplaag van de bodem als gevolg van verschillende factoren. De rest zal vooral in de vorm van nitraat uitspoelen naar het grondwater of met een oppervlakkige stroming worden afgevoerd. De uitspoeling naar een niveau van 1 m onder de oppervlakte kan worden geschat met behulp van empirische relaties die zijn afgeleid voor de situatie in Noordwest-Europa. Ze zijn gebaseerd op landgebruik, textuur van de toplaag, diepte van het freatisch niveau en aanvulling van het grondwater. Een verdere uitwerking is mogelijk met behulp van GIS-methoden. Het gedrag van nitraat tijdens het verdere transport met het grondwater is afhankelijk van de aard van de watervoerende lagen. Doordat de belasting met stikstof sterk is toegenomen in de tijd, is ook de ouderdom van het grondwater belangrijk. De ouderdom van het grondwater kan worden geschat op grond van de aanvulling, de porositeit en de dikte van de watervoerende pakketten. De relevante relaties kunnen worden uitgewerkt met behulp van GIS-methoden. De resultaten kunnen worden weergegeven in de vorm van kaarten van de uitspoeling op een niveau van 1 m onder landoppervlak en van de gemiddelde concentraties aan nitraat in het grondwater.The presence of nitrogen compounds in European soils (from the Atlantic Ocean to the Ural Mountains) is caused by two main factors, which are fertilization and manuring of agricultural lands and atmospheric deposition of nitrogen compounds. The areally varying doses of fertilizer and manure were assessed for an actual situation. The atmospheric deposition of nitrogen compounds follows that of the TREND-model. Part of the nitrogen dose applied on land surface will be removed during the passage of the soil. The resulting leaching of nitrate to a level of 1 m below land surface was estimated by applying empirical relations derived from northwest European experience and based on land use, texture of the topsoil, groundwater depths and groundwater recharge. The leaching of nitrate concentrations results from a GIS elaboration. The subsequent transport to deeper groundwater and a further denitrification also depend on the aquifer type. The average nitrate concentration in the various aquifers can be assessed by estimating the nitrogen application to agricultural soils in the course of time in combination with the groundwater age. The results can be presented in the form of maps, showing the leaching of nitrate concentrations to a level of 1 m below land surface and the average nitrate concentrations in saturated groundwater of the upper aquifer system.RIV

[Studie betreffende effecten van afvalopberging in een steenzoutformatie (SESAM). Advectief transport van vrijgekomen deeltjes.]

A number of particle tracking simulations have been carried out for radionuclide particles which are hypothetically released from the Zuidwending diapir. The particle tracking code used was METROPART, a postprocessor of the METROPOL model. Two-dimensional METROPOL-3 simulations and subsequent METROPART particle tracking were done for a W-E and S-N cross-section through the Zuidwending salt diapir. In a sensitivity analysis, the two-dimensional model sensitivity was evaluated by varying the groundwater velocities at the site boundaries, the permeabilities, heterogeneous and homogeneous flow systems, and the anisotropy ratio. The METROPOL-3 code was also used to carry out two three-dimensional simulations, one for a heterogeneous and the other one for a homogeneous flow domain, for a period of 50.000 years. The flow fields obtained after this simulation period were also used for particle tracking purposes. The METROPART results show that for the two-and three-dimensional simulations alsmost all released particles in heterogeneous flow domains were transported out of the flow domain through either the Plio-Pleistocene aquifer or the aquifer-containing the Brussels Sand Member. None of the particles reached the top boundary of the model area. Totally different results were obtained when homogeneous flow field were used. In those cases, the particles moved to the top of the flow domain in both the two- and three-dimensional simulations. The particle tracking results obtained with flow fields from the sensitivity analysis showed that an increase of the side boundary velocities resulted in a decreased averaged travel time of the particles. The effects of changes in permeability values were also pronounced. An increase in the permeability values generally resulted in a decrease in the average travel times of the particles, while a decrease in the permeability values caused the average travel times to increase.DGM/SVSEZOPL

Kwetsbaarheid van bodem en grondwater in Europa

Bodem en grondwater in Europa (van de Oeral tot de Atlantische Oceaan) worden bedreigd door diffuse vervuilingen die vooral worden veroorzaakt door de bemesting van landbouwgronden en door een toegenomen luchtverontreiniging. De kwetsbaarheid van de bodem (met inbegrip van het grondwater) voor diffuse vervuiling hangt af van het landgebruik, eigenschappen van de ondiepe bodem, het neerslagoverschot, aard van de watervoerende pakketten, aanvulling en ouderdom van het grondwater. Het overschot aan neerslag is geschat met behulp van meteorologische gegevens en de benadering van Turc-Langbein voor de actuele evapotranspiratie. Door toepassing van irrigatie zal de waarde van het neerslagoverschot niet sterk veranderen. Voor alle gebieden is aangehouden dat 5% van de neerslag onmiddellijk wordt afgevoerd door oppervlakkige afvoer of snelle percolatie in de bodem en dus niet onderhevig is aan evapotranspiratie. De aanvulling van het grondwater is gelijk aan het neerslagoverschot minus de oppervlakkige afstroming. Het voorkomen van oppervlakkige afvoer is afhankelijk gesteld van een aantal eigenschappen van de bodem (textuur, helling, landgebruik, ijsbedekking). De ouderdom van het grondwater volgt uit de waarden voor de aanvulling, de porositeit en de dikte van de desbetreffende watervoerende lagen. De kwetsbaarheid van de bodem is onderscheiden in een kwetsbaarheid van de toplaag en een kwetsbaarheid van het grondwater. In beide gevallen worden, met behulp van GIS-methodieken, waarden aan de kwetsbaarheid toegekend die volgen uit een verwerking van de gewogen bijdragen door de diverse factoren die van invloed zijn. De resultaten zijn op kaarten weergegeven.From the Atlantic Ocean to the Ural Mountains, European soils and groundwater are threatened by diffuse pollution derived from various chemicals used in modern agriculture and by increased atmospheric deposition of pollutants. The investigated vulnerability of soils (including groundwater) to diffuse pollution depends on land cover, topsoil, net precipitation, aquifer type, groundwater recharge and age. The elaboration of the various composing elements, both for the topsoil and for groundwater, was realized by applying Geographical Information Systems (GIS). Net precipitation is estimated using meteorological data and applying the Langbein/Turc approach for the actual evapo-transpiration. Irrigation techniques will not greatly change the amount of net precipitation. Net precipitation is assumed to include 5% of the total precipitation, immediately discharged by runoff or by fast percolation to deeper layers. Net precipitation is discharged by groundwater recharge and surficial flow. The occurrence of surficial runoff is related to soil features. The average groundwater age follows from aquifer depth, porosity and the recharge. The vulnerability of European soils and European groundwater was estimated by establishing a ranking of the combined risks with regard to diffuse pollution. The results of the ranking and intermediate results are presented on maps.RIV