Panta Rhei benchmark dataset: socio-hydrological data of paired events of floods and droughts

As the adverse impacts of hydrological extremes increase in many regions of the world, a better understanding of the drivers of changes in risk and impacts is essential for effective flood and drought risk management and climate adaptation. However, there is currently a lack of comprehensive, empirical data about the processes, interactions and feedbacks in complex human-water systems leading to flood and drought impacts. Here we present a benchmark dataset containing socio-hydrological data of paired events, i.e., two floods or two droughts that occurred in the same area. The 45 paired events occurred in 42 different study areas and cover a wide range of socio-economic and hydro-climatic conditions. The dataset is unique in covering both floods and droughts, in the number of cases assessed, and in the quantity of socio-hydrological data. The benchmark dataset comprises: 1) detailed review style reports about the events and key processes between the two events of a pair; 2) the key data table containing variables that assess the indicators which characterise management shortcomings, hazard, exposure, vulnerability and impacts of all events; 3) a table of the indicators-of-change that indicate the differences between the first and second event of a pair. The advantages of the dataset are that it enables comparative analyses across all the paired events based on the indicators-of-change and allows for detailed context- and location-specific assessments based on the extensive data and reports of the individual study areas. The dataset can be used by the scientific community for exploratory data analyses e.g. focused on causal links between risk management, changes in hazard, exposure and vulnerability and flood or drought impacts. The data can also be used for the development, calibration and validation of socio-hydrological models. The dataset is available to the public through the GFZ Data Services (Kreibich et al. 2023, link for review: https://dataservices.gfz-potsdam.de/panmetaworks/review/923c14519deb04f83815ce108b48dd2581d57b90ce069bec9c948361028b8c85/).</p

Sediment quantity management in polish catchment-river-sea systems – should we care?

The continuity of sediment transport in many catchment-river-sea systems worldwide has been disturbed by anthropogenic interferences. These interferences alter the sediment balance and result either in a surplus or lack of sediment, and with mostly negative, impacts to the economy, development and infrastructure, and environment. The main issues discussed related to surplus or lack of sediment belongs to: i) siltation of reservoirs with negative effects on hydropower production or water storage, and ii) erosion at downstream reaches where sediments are essential for channel formation and aquatic habitats. Both problems are recognized in Poland, however, only dealt with when they cause local economic problems. The paper focuses on examples of sustainable sediment managements in catchment-river-sea systems, and presents the idea of combining the Macromodel DNS with the SWAT module. The resulting modelling and analytical tool can be considered very valuable in sediment quantity management

Heavy Metal Contamination of Sediments from Recreational Reservoirs of Urban Areas and its Environmental Risk Assessment

Water reservoirs play important role in human environment, especially as a part of ecological networks in urban areas. Due to such localization they are subjected to the effects of the anthropogenic activities, introducing broad range of contaminants (e.g. heavy metals) through various pathways. The main aim of this study was to estimate heavy metal (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) contamination level in sediments of eight reservoirs in the Cracow urban area (Bagry, Nowohucki, Plaszowski, Dabski, Przylasek Rusiecki, Tyniec, Zakrzowek, and Zeslawice Reservoirs), and assess its potential environmental risk with use of various criteria (Igeo - geo-accumulation index, CF - contamination factor, PLI - pollution load index, TEC/PEC - threshold effect concentration/probable effect concentration). Furthermore, the role of reservoir catchment for sediment contamination (agricultural, industrial, and urbanized) was studied. Also, levels of metal contamination were compared with other recreational reservoirs in Poland (Jeziorsko, Barycz Dzierzno Duze, Pogoria III, Rusalka, and Sloneczne Reservoirs). The study revealed considerable variation in the chemical composition of bottom sediments, evidently depended on their localization. Results showed that the sediments of the Cracow area reservoirs and from the other urbanized catchments were moderately contaminated. Reservoirs from industrial catchments had a considerably higher content level, while water bodies localized in agricultural areas displayed low content of heavy metals. According to Igeo and CF sediments of Cracow area reservoirs were mostly Cd contaminated. However, Cd contents were relatively high in urban (Sloneczne) and industrial areas (Dzierzno Duze). The same situation was found in PEC values exceedances. In other cases, investigated heavy metals were mostly between the TEC and PEC values, which indicate moderate contamination of the sediments and moderate impact on biota. Therefore, further research and monitoring of sediments quality should be maintained in future seasons due to the use of water reservoirs throughout the year for recreational purposes.Zbiorniki wodne pełnią ważną rolę w środowisku człowieka, zwłaszcza na obszarach miejskich, gdzie nie tylko dobrze wyglądają, ale również zapewniają korzyści zdrowotne oraz pełnią funkcję zbiorników lub ostoi dla różnorodności biologicznej. Ze względu na ich usytuowanie na obszarach miejskich zbiorniki te narażone są na działania antropogeniczne z różnych działań, które wprowadzają zanieczyszczenia (np. metale ciężkie). Głównym celem badań było oszacowanie poziomu zanieczyszczenia metali ciężkich (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn) w osadach dennych ośmiu zbiorników zlokalizowanych na terenie Krakowa (Bagry, Nowohucki, Płaszowski, Dąbski, Przylasek Rusiecki, Tyniec, Zakrzówek, Zesławice) oraz oszacowanie potencjalnego zagrożenia dla środowiska przy zastosowaniu różnych kryteriów (Igeo - indeks geoakumulacyjny, CF - współczynnik zanieczyszczenia, PLI - wskaźnik ładunku zanieczyszczenia, TEC/PEC - wartość progowa/wartość prawdopodobna). Ponadto wzięto pod uwagę charakter zlewni badanych zbiorników (rolniczy, przemysłowy i zurbanizowany) w zanieczyszczeniu osadów dennych oraz porównano poziomy zanieczyszczenia metali ciężkich z innymi zbiornikami rekreacyjnymi w Polsce (Jeziorsko, Barycz, Dzierżno Duże, Pogoria III, Rusałka i Słoneczne). Badania wykazały znaczne różnice w składzie chemicznym osadów dennych, co zdecydowanie zależało od lokalizacji zbiorników. Osady denne w zbiornikach na terenie Krakowa i w zlewni zurbanizowanej były umiarkowanie zanieczyszczone. Zbiorniki ze zlewni przemysłowych miały znacznie wyższą zawartość metali ciężkich, podczas gdy zbiorniki zlokalizowane na obszarach rolnych charakteryzowały się niskimi zawartościami. Zgodnie z indeksem Igeo i CF, osady denne zbiorników wodnych w Krakowie były głównie zanieczyszczone kadmem. Stosunkowo wysokie stężenia tego metalu zaobserwowano również na obszarach miejskich (Słoneczne) oraz przemysłowych (Dzierzno Duże). Podobną sytuację stwierdzono przy przekroczeniach wartości wskaźnika PEC. Jednakże w przypadku większości zbiorników poziomy metali ciężkich w osadach dennych znajdowały się pomiędzy wartościami TEC i PEC, co sugeruje umiarkowane zanieczyszczenie. W związku z tym należy prowadzić dalsze badania oraz stale monitorować jakość osadów dennych zbiorników, zwłaszcza że są one wykorzystywane w celach rekreacyjnych przez cały rok

Bioavailability of chromium from bottom sediments for the larvae of the species Chironomus riparius

W pracy porównano wyniki laboratoryjnych i terenowych badań biodostępności chromu z osadów dennych z wykorzystaniem larw Chironomus riparius. Jako obiekt badań wykorzystano osady denne i wodę ze zlewni górnego Dunajca w punktach referencyjnych Kowaniec i Sromowce Wyżne oraz w punktach Limierzysko i Waksmund zanieczyszczonych chromem pochodzącym ze ścieków garbarskich. Wykonano czterodobowe testy bioakumulacji chromu z wykorzystaniem larw Chironomus riparius pochodzących z czystej hodowli laboratoryjnej. Dwa testy przeprowadzone metodą laboratoryjną miały na celu zbadanie biodostępności chromu, natomiast jeden eksperyment prowadzony z wykorzystaniem metody laboratoryjnej, terenowej oraz z badaniem osobników z rodziny Chironomidae (w jednym punkcie z rodziny Oligochaeta) występujących in situ miał na celu porównanie wyników badań terenowych i laboratoryjnych. Oprócz zawartości chromu w Chironomidae badano także ilość chromu w osadach i zawartość substancji organicznych w osadach dennych. Analiza uzyskanych wyników pokazała, że chrom jest biodostępny. Wyniki badań sugerują istnienie progowej ilości chromu w osadach, charakterystycznej w warunkach panujących w danym punkcie pomiarowym. Poniżej tej ilości nie było znaczącej różnicy między zawartością chromu w Chironomus riparius z próbek badanych i z próbki kontrolnej, a powyżej zawartość chromu w organizmach Chironomus riparius wzrastała. Stwierdzono, że niejednorodność rozkładu zawartości chromu w osadach w punktach poboru próbek może powodować rozbieżność wyników badań nad biodostępnością chromu. Przeprowadzone badania wykazały również, że organizmy laboratoryjne są bardziej podatne na działanie zanieczyszczonego środowiska od organizmów żyjących in situ. Ponadto wydaje się, że na dostępność chromu dla organizmów w terenie mają wpływ zmieniające się warunki środowiskowe, wskutek czego nie ma korelacji pomiędzy badaniami laboratoryjnymi i terenowymi.Investigations into the bioavailability of chromium from river bottom sediments were conducted under laboratory conditions and in situ, using larvae of the species Chironomus riparius. Bottom sediments and water samples were collected within the area of the headwater basin of the river Dunajec, at the reference sites of Kowaniec and Sromowce Wyżne, as well as at the sampling sites of Limierzysko and Waksmund contaminated with chromium from tannery effluents. 96-hour chromium bioaccumulation tests were carried out using Chironomus riparius larvae obtained from a clean laboratory culture. Two laboratory tests were aimed at investigating the bioavailability of chromium, and one test (involving laboratory and in situ methods combined with the examination of the organisms of the family Chironomidae (at one sampling point of the family Oligochaeta) that occurred in situ) was performed with the aim to compare the results obtained under laboratory conditions and in situ. Determinations were carried out for chromium content in the organisms of Chironomidae and in the bottom sediments, the latter being also analyzed for the content of organic substances. The experiments have shown that chromium is bioavailable. Analysis of the results suggests that there is a threshold quantity of chromium in the bottom sediments, which is characteristic for the conditions occurring at the given sampling site. Below that quantity, no significant difference in the content of chromium in the Chironomus riparius organisms was observed between the samples tested and the control samples. When the threshold quantity was exceeded, chromium content in the organisms of Chironomus riparius increased. The findings make it clear that the non-uniform distribution of chromium content in the bottom sediments observed at the sampling sites can account for the discrepancy between the results of the investigations into the bioavailability of chromium. The study has also shown that the laboratory organisms are more sensitive to the polluted environment than the organisms living in situ. The data obtained furthermore suggest that the availability of chromium for the in situ organisms is influenced by the changing environmental conditions, and this is why no correlation can be found between laboratory and in situ tests

Monitoring data in budget calculations for the suspended matter and chromium loads in the Czorsztyn reservoir watershed

Przedstawiono problemy związane z bilansowaniem ładunku zawiesiny i chromu w zlewni zbiornika Czorsztyńskiego w oparciu o dostępne dane z monitoringu jakości wód płynących. Chrom, będący jedynym zanieczyszczeniem metalicznym w tej zlewni, występującym w stężeniach mogących powodować oddziaływanie na środowisko wodne, pochodzi z lokalnych garbarni zrzucających ścieki w sposób niekontrolowany do okolicznych odbiorników. Pozyskane z bazy wyników monitoringowych dane, dotyczące wielkości przepływów i stężeń zawiesiny, uzupełniono wynikami badań dotyczących stężeń chromu w wodzie i zawiesinie. W efekcie obliczeń opartych na modelach regresji ustalono, że poziom akumulacji zawiesiny w zbiorniku wynosi kilkanaście tysięcy ton w roku o średnich przepływach. Realny poziom akumulacji chromu wynosi dla tej zlewni około 10 ton/rok. Przytoczony w artykule przykład potwierdza, że szacowanie wielkości ładunków zanieczyszczeń na podstawie dostępnych danych monitoringowych obarczone jest dużym błędem wynikającym z niewielkiej częstotliwości pomiarów.The paper presents problems related to the estimation of the suspended matter and chromium loads based on the available monitoring data. The upper Dunajec watershed (West Carpathian Mountains, Poland) is an excellent small system to examine the chromium budget, since it remains the only serious metallic contaminant in this watershed. Chromium is discharged from the local tanneries, where is used as a tanning agent. Due to the improper tannery wastewater management, pre-treated or raw wastewater is discharged into local sewers or directly into the Dunajec River or its tributaries. The existence of an impoundment reservoir in the watershed (Czorsztyn Reservoir), constructed to protect the area against the recurrent flood events, presents its role in the chromium transport within this system. The chromium budget calculations were based mostly on the state monitoring data. The obtained from the monitoring agencies dataset consisted of flows and suspended matter concentrations. These data were supplemented with water and suspended matter chromium concentrations obtained in the research program, carried in the watershed in 2000-2001. The budget calculations, based on the regression equations, estimated the suspended matter load for a dozen or so thousand tons in the year with the average flow. Acting as a sink for chromium introduced mostly with the suspended matter, the reservoir creates a barrier preventing transport of contaminated sediment to the lower part of the river. Chromium accumulation load for this watershed was around 10 tons per year. Recurrent patterns of chromium load delivery can pose an increasing threat for the Czorsztyn Reservoir. The current study proves that estimating the contaminants loads, based on the existing monitoring data, is charged with the big uncertainties due to the low frequency of monitoring data

Heavy metals in the bottom sediments of Lake Goczalkowickie tributaries

Wyniki dotychczasowych badań wskazują jednoznacznie na zanieczyszczenie wody i osadów dennych Jeziora Goczałkowickiego metalami ciężkimi. Ponieważ Jezioro Goczałkowickie jest ważnym elementem systemu zaopatrzenie w wodę Górnego Śląska, a ponadto stanowi naturalne siedlisko ryb i ptactwa wodnego, problem zanieczyszczenia tego akwenu metalami ciężkimi ma ogromne znaczenie w tym regionie. W pracy przeprowadzono analizę, który z dopływów Jeziora Goczałkowickiego stanowi źródło poszczególnych metali ciężkich (kadm, miedź, ołów, cynk, żelazo, mangan) w tym zbiorniku i jakie jest przestrzenne zróżnicowanie zanieczyszczenia metalami w jego zlewni. Jako materiał badawczy do przeprowadzenia tej analizy wybrano osady denne, ponieważ w ekosystemach wodnych mogą być one traktowane jako swojego rodzaju archiwum zanieczyszczeń. Badania wykazały, że osady zalegające dopływy do Jeziora Goczałkowickiego są zanieczyszczone metalami ciężkimi, przy czym jest ono zróżnicowane przestrzennie. Duża zawartość poszczególnych metali w osadach jest związana głównie ze źródłami antropogenicznymi zlokalizowanymi w zlewni zbiornika, takimi jak stawy do hodowli ryb czy też spływy z terenów użytkowanych rolniczo. Wyjątek stanowił żelazo, którego duża ilość w osadach jest wynikiem jego wymywania z obszaru torfowisk. Stwierdzono, że zawartość metali ciężkich w osadach wskazuje na poważne zagrożenie toksykologiczne organizmów bentosowych. Jednak z uwagi na fakt, że większość osadów jest zatrzymywana w przepompowniach przed zrzutem do tego zbiornika, nie są one bezpośrednim zagrożeniem Jeziora Goczałkowickiego.The results of the research performed so far make it clear that the water and bottom sediments of Lake Goczalkowickie are contaminated with heavy metals. Since Lake Goczalkowickie constitutes an important part of the water supply system for Upper Silesia and in addition a natural habitat for fish and aquatic wildlife, their contamination has become a cause for grave concern. The study reported on in this paper had two major objectives: to assign each heavy metal (cadmium, copper, lead, zinc, iron and manganese) detected in Lake Goczalkowickie to particular tributaries as the source of origin, and to determine the spatial distribution of each contaminant with-in the catchment area of each tributary. Bottom sediments were chosen as the material for analyses, because in aquatic ecosystems they can be regarded as "archives of pollutants". The study has produced the following findings. The bottom sediments occurring in the tributaries of Lake Goczalkowickie are contaminated with heavy metals differing in patterns of spatial distribution. The high heavy-metal concentrations in the bottom sediments are attributable predominantly to the anthropogenic sources located in the catchment area of Lake Goczalkowickie (fish farming and runoffs from agricultural operations). This finding does not hold for iron, as the high concentration of this heavy metal is associated with leachates from peat lands. The high concentrations of heavy metals in the bottom sediments pose serious toxicological hazards to the bottom fauna. Owing to the fact that the majority of the sediments are retained by the pump stations, Lake Goczalkowickie is not directly endangered

Spatial changes of zinc concentrations in the Czorsztyn Reservoir sediments

Przeprowadzona analiza wykazała, że osady denne Zbiornika Czorsztyńskiego są zanieczyszczone cynkiem w nieznacznym stopniu. Naturalne zanieczyszczenie zbiornika cynkiem jest związane z budową geologiczną terenu zlewni i glebami. Przekroczenia naturalnej zawartości można się doszukać w działalności antropogenicznej, związanej ze spływami z pól uprawnych oraz ściekami bytowo-gospodarczymi. Wyraźne są przestrzenne zmiany w rozkładzie stężeń cynku w osadach dennych zbiornika. Największe koncentracje cynku obserwuje się wzdłuż dawnego koryta Dunajca. Występuje wysoka dodatnia korelacja między stężeniem cynku a substancją organiczną oraz między stężeniem cynku i frakcją ilastą w osadach dennych. Obserwuje się także bardzo wysoką korelację pomiędzy zawartością cynku w osadach dennych a zawartością miedzi, żelaza i niklu. Stężenie cynku w osadach nie stanowi potencjalnego zagrożenia dla organizmów bentosowych zgodnie z kryterium ekotoksykologicznym LEL i SEL.The current study shows that the Czorsztyn Reservoir sediments are contaminated with zinc only at an inconsiderable level. Concentrations comparable to the background level are associated with geology and soils of the catchment area. Values exceeding the natural content can be traced back to anthropogenic activities, related to run-off from farmland and domestic wastewater. Distinct spatial variability in the distribution of zinc concentrations has been found in the reservoir sediments. High concentrations of zinc have been observed mostly along the old bed of the Dunajec River. High positive correlations between zinc, organic matter, and clay fraction concentrations have been determined, and also between zinc and other metals (copper, iron and nickel). Zinc concentrations in the sediments do not pose a potential threat to benthic organisms as eco-toxicological criterions, LEL and SEL, are met