Door de opwarming van de aarde zullen rivieren wereldwijd vaker te maken krijgen met zuurstofgebrek. Dat blijkt uit nieuw onderzoek van de Universiteit Utrecht. Met een hybride model laten Michelle van Vliet en collega’s zien dat het aantal dagen met hypoxie - extreem lage zuurstofconcentraties - sterk toeneemt deze eeuw.
In eerdere studies keek haar groep al naar effecten van klimaatextremen als droogte en hittegolven op waterkwaliteit. In dit nieuwe onderzoek zoomt het team specifiek in op opgeloste zuurstof. Van Vliet: “We weten dat stijgende watertemperaturen - gemiddeld onder een warmer klimaat, maar ook tijdens hittegolven - effect hebben op opgelost zuurstof. Zeker als dat vaak gepaard gaat met zeer lage afvoeren tijdens droogte, waardoor riviersystemen extra gevoelig worden voor opwarming en zuurstofdalingen.”
Regionale studies lieten al zien dat zulke omstandigheden kunnen leiden tot ecologische problemen en vissterfte, ook in Nederland. Wat ontbrak, was een systematisch beeld voor rivieren wereldwijd, en vooral inzicht in de rol van extremen. Voor die wereldwijde blik ontwikkelden de onderzoekers een zogenoemd hybride modelsysteem. Als basis gebruikten ze een procesgebaseerd waterkwaliteitsmodel dat is gekoppeld aan een hydrologisch model, beide ontwikkeld aan de Universiteit Utrecht.
Michelle van Vliet
“Dit soort procesgebaseerde modellen zijn vaak goed in het doorrekenen van gemiddelde veranderingen onder verschillende scenario’s”, legt Van Vliet uit. “Maar ze hebben vaak moeite met het representeren van de effecten van extremen, zoals droogte en hittegolven. Daarom hebben we gekozen voor een hybride modelbenadering, waarbij we naast dit procesgebaseerde waterkwaliteitmodel ook machinelearningtechnieken hebben toegepast.”
2,6 miljoen waarnemingen
In totaal voedden de onderzoekers het hybride waterkwaliteitmodel met ongeveer 2,6 miljoen waarnemingen van opgeloste zuurstof in rivieren wereldwijd. Die komen uit meerdere vrij toegankelijke waterkwaliteitsdatabases.
Eerst is het model getest voor de periode 1980-2019: hoe goed kan het historische zuurstofconcentraties en het optreden van stress en hypoxie terugrekenen? Met de hybride aanpak bleek dat aanzienlijk beter te gaan dan met alleen het procesgebaseerde model.
Daarna is hetzelfde modelsysteem doorgerekend met scenario’s voor een veranderend klimaat én socio-economische ontwikkeling, gevoed door verschillende mondiale klimaatsmodellen. Het resultaat is een ensemble van projecties voor opgeloste zuurstof in rivieren wereldwijd over de hele 21e eeuw.
De onderzoekers onderscheiden dagen met zuurstofstress - wanneer de concentratie onder 5 milligram per liter zakt - en dagen met hypoxie, bij concentraties onder 3 milligram per liter. “We laten zien dat het aantal dagen met zuurstofstress sterk zal toenemen over de 21ste eeuw. Dat zal wereldwijd gemiddeld ruim 20 dagen per decennium stijgen. Die stijging is ongeveer 70 procent hoger dan wat we hebben waargenomen in de periode 1980 tot 2019”, zegt Van Vliet.
Voor hypoxie laten de projecties wereldwijd gemiddeld 8,8 ± 2,3 extra dagen per decennium zien tussen 2020 en 2100. In sommige gevallen zakt de zuurstof verder in, tot onder de 2 milligram per liter. “Dat is echt extreem laag”, zegt Van Vliet. “Dat leidt in veel gevallen tot vissterfte.” De dreiging is niet overal even groot. “We zien dat in gebieden waar de sterkste opwarming plaatsvindt, met name op de gematigde noordelijke hogere breedtes, de effecten sterker doorwegen dan bijvoorbeeld in meer tropische regio’s”, aldus Van Vliet.
Naast watertemperatuur speelt ook organische vervuiling een rol. In het model zijn daarom niet alleen klimaatscenario’s meegenomen, maar ook socio-economische scenario’s met bevolkingsgroei en veranderingen in afvalwaterzuivering. “Dalingen in zuurstofconcentraties worden enerzijds bepaald door de stijging in watertemperatuur, waardoor de zuurstofoplosbaarheid afneemt”, legt Van Vliet uit. “Maar daarnaast ook door een toename in microbieel zuurstofverbruik, als je organische verontreiniging in bepaalde delen van de wereld toeneemt.”
Bewustwording
Wat kunnen waterbeheerders met deze mondiale inzichten? “Ook voorwaterbeheerders in Nederland, is het belangrijk om bewust te zijn dat stijgende watertemperaturen en het veranderend klimaat belangrijke effecten kunnen hebben op waterkwaliteit en ecologie”, benadrukt Van Vliet.
Lokale maatregelen kunnen helpen om de opwarming van water te beperken. “Bij sloten en kleinere beken kan bijvoorbeeld de begroeiing van oevers die schaduw kunnen bieden, wateren minder gevoelig maken voor snelle opwarming en daarmee voor drastische afnames in zuurstofconcentraties”, zegt ze.
De uitgebreide datasets die bij in het onderzoek ontwikkeld zijn worden gedeeld en zijn toegankelijk voor anderen. Van Vliet hoopt dat ecologen er verder mee aan de slag gaan. “Om te onderzoeken wat dit uiteindelijk betekent voor aquatische ecosystemen en voor het daadwerkelijk optreden van vissterfte onder deze daling in zuurstofconcentraties onder een veranderend klimaat.”
Het Utrechtse onderzoek stopt niet bij opgeloste zuurstof. “We zijn op het moment aan het kijken hoe klimaatverandering en het optreden van extremen, zoals droogte en hittegolven, ook andere aspecten van waterkwaliteit beïnvloeden”, zegt Van Vliet. “Bijvoorbeeld nutriëntenconcentraties, zoutgehalte of concentraties van geneesmiddelen in wateren. Op het thema waterkwaliteit en klimaatverandering liggen nog veel kennislacunes, zoals ook uit het laatste IPCC VN klimaatrapport bleek, dus er is nog werk aan de winkel.”
