Investigation of spatial and temporal dynamics of ebullition in impoundments

Abstract

Resumo: As aguas interiores, como os reservatorios de agua doce, sao fontes significativas e variaveis do gas de efeito estufa metano para a atmosfera. Em corpos d'agua, o metano e principalmente produzido no sedimento de fundo rico em materia organica, onde o metano pode se acumular, formar vazios de gas e ser transportado para a atmosfera por bolhas que escapam do sedimento. O transporte de metano mediado por bolhas, tambem conhecido como ebulicao de metano, e uma via comumente dominante de emissoes de metano em reservatorios de agua doce. A ebulicao resulta de uma interacao complexa de varios processos fisicos e biogeoquimicos simultaneos que atuam em diferentes escalas de tempo, resultando em fluxos variaveis no espaco e no tempo. Embora a maior parte da producao e do acumulo de gas acontece no sedimento, ha uma falta de dados in situ sobre o armazenamento de gas em reservatorios e sobre a interacao entre o armazenamento de gas em sedimentos com o balanco e com a ebulicao de metano. Diversas variaveis ambientais sao determinantes na ebulicao; no entanto, ainda e um desafio simular a dinamica temporal da ebulicao e identificar os fatores determinantes em diferentes sistemas. Portanto, o principal objetivo desta tese foi investigar o efeito de diferentes fatores na regulacao da variabilidade espacial e da dinamica temporal da ebulicao do metano em reservatorios. Foram investigados dois reservatorios contrastantes, um subtropical e outro temperado. Medicoes de alta frequencia de fluxos de ebulicao, variaveis ambientais e mapeamento do gas no sedimento baseado em acustica foram realizadas em ambos os reservatorios e compoem o conjunto de dados para este estudo. Os principais resultados foram apresentados em tres manuscritos cientificos. A distribuicao espacial de gas no sedimento foi controlada principalmente pela deposicao de sedimentos e pela profundidade da agua, em que as regioes rasas com alta deposicao de sedimentos tiveram elevado acumulo de gas. As mudancas temporais na quantidade de gas no sedimento foram influenciada pelos componentes do balanco de metano no reservatorio e pela dinamica temporal da ebulicao. Embora o sedimento possa armazenar dias de producao potencial acumulada de metano, o que poderia manter meses de fluxo medio de ebulicao, os periodos de ebulicao intensificada levam a um esgotamento do gas armazenado no sedimento. Os fatores que agem em grande escala espacial e que controlam a ebulicao, como mudancas na pressao, resultaram na sincronizacao de eventos de ebulicao em diferentes locais de monitoramento. No entanto, o grau de correlacao da ebulicao com as variaveis ambientais variou de um sistema para outro e com o tempo. A estratificacao termica foi considerada um modulador importante na relacao entre a ebulicao e outras variaveis ambientais, como as correntes de fundo e a turbulencia. A dinamica temporal da ebulicao pode ser capturada e reproduzida por modelos empiricos em funcao de variaveis ambientais conhecidas; no entanto, os modelos nao conseguiram reproduzir as variabilidades subdiarias da ebulicao e apresentaram baixo desempenho quando transferidos de um sistema para outro. Por fim, embora ainda haja questoes em aberto, os resultados deste trabalho contribuiem para o avanco do conhecimento da complexa dinamica da ebulicao do metano e seus controles em reservatorios de agua doce.

Abstract: Inland waters, such as freshwater impoundments, are significant and variable sources of the greenhouse gas methane to the atmosphere. In water bodies, methane is mainly produced in the organic-matter rich bottom sediment, where it can accumulate, form gas voids, and be transported to the atmosphere by gas bubbles escaping the sediment. The bubble mediated transport of methane, known as methane ebullition, is a commonly dominant pathway of methane emissions in freshwater reservoirs. Ebullition results from a complex interplay of several simultaneous physical and bio-geochemical processes acting at different timescales, leading to highly variable fluxes in both space and time. Although the sediment matrix is a hot spot for gas production and accumulation, there is a lack of in-situ data on free gas storage in reservoirs and the interaction among sediment gas storage, methane budget, and methane ebullition. Several environmental variables are known to be ebullition drivers; however, simulating the temporal dynamics of ebullition and identifying the governing factors across different systems remains challenging. Therefore, the main goal of this thesis was to investigate the effect of different drivers on the spatial variability and temporal dynamics of methane ebullition in impoundments. Two contrasting reservoirs, one subtropical and one temperate, were investigated. High-frequency measurements of ebullition fluxes and environmental variables, and acoustic-based mapping of gas content in the sediment were performed in both reservoirs, constituting the dataset for this study. The main findings were presented in three main scientific manuscripts. The spatial distribution of gas content in the sediment was primarily controlled by sediment deposition and water depth, with shallow regions of high sediment deposition were hot spots of free gas accumulation in the sediment. Temporal changes in gas content in the sediment were linked to the methane budget components in the reservoir and further influenced by the temporal dynamics of ebullition. While the sediment could store days of accumulated potential methane production, which could sustain months of mean ebullition flux, periods of intensified ebullition led to a depletion of gas stored in the sediment. Large spatial scale ebullition drivers, such as pressure changes, resulted in the synchronization of ebullition events across different monitoring sites. Nevertheless, the degree of correlation between ebullition and environmental variables varied from one system to another and over time. Thermal stratification was an important modulator in the relationship between ebullition and other environmental variables, such as bottom currents and turbulence. The temporal dynamics of ebullition could be captured and reproduced by empirical models based on known environmental variables. However, these models failed to reproduce the sub-daily variabilities of ebullition and demonstrated poor performance when transferred from one system to another. Lastly, although some questions remain unanswered, the findings from this study contribute to advancing the understanding of the complex dynamics of methane ebullition and its controls in freshwater reservoirs.

ZUSAMMENFASSUNG: Binnengewasser, wie z. B. Talsperren, sind wichtige sich stetig verandernde Quellen des Treibhausgases Methan. In Gewassern wird Methan hauptsachlich in Bodensedimenten, welche reich an organischen Substanzen sind, produziert. Dort sammelt sich Methan an, bildet gasgefullte Hohlraume und wird durch aus dem Sediment entweichende Gasblasen in die Atmosphare transportiert. Der Transport von Methan in aufsteigenden Gasblasen, auch als Methan-Ebullition bezeichnet, ist ein haufig vorherrschender Mechanismus in Suswasserreservoirs. Die Ebullition resultiert aus einem komplexen Zusammenspiel mehrerer physikalischer und biogeochemischer Prozesse, die auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Das fuhrt zu raumlich und zeitlich sehr variabeln Gasflussen. Obwohl die Sedimentmatrix ein Hotspot der Gasproduktion und -akkumulation ist, mangelt es fur Talsperren an In-situ-Daten uber die freie Gasspeicherung in Sedimenten und die Wechselwirkung zwischen Gasspeicherung, Methanbudget und Methan-Ebullition. Man weis, dass mehrere Umweltvariablen die Ebullition beeinflussen. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, die zeitliche Dynamik der Ebullition zu simulieren und die bestimmenden Faktoren in verschiedenen Systemen zu ermitteln. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand somit darin, die Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren auf die raumliche Variabilitat und die zeitliche Dynamik der Methanemissionen aus Stauseen zu untersuchen. Es wurden zwei verschiedene Stauseen, einer in der subtropischen und einer in der gemasigten Klimazone, untersucht. In beiden Stauseen wurden Hochfrequenz-Messungen der Methanflusse und der Umweltvariablen, sowie eine akustische Kartierung des Gasgehalts im Sediment durchgefuhrt, welche gemeinsam den Datensatz fur diese Studie bilden. Die wichtigsten Ergebnisse wurden in drei wissenschaftlichen Manuskripten veroffentlicht. Die raumliche Verteilung des Gasgehalts im Sediment wurde hauptsachlich durch die Sedimentablagerung und die Wassertiefe beeinflusst, wobei flache Regionen mit grosen Mengen an Sediment Hotspots der Ansammlung von freiem Gas im Sediment waren. Es wurde aufgezeigt, dass zeitliche Veranderungen des Gasgehalts im Sediment mit den verschiedenen Komponenten des Methan-Budgets der Talsperre zusammenhangen und durch die Dynamik der Ebullition beeinflusst werden. Obwohl das Sediment die potenzielle Methanproduktion von mehreren Tagen speichern konnte, was wiederum die Aufrechterhaltung eines durchschnittlichen Ebullitionsflusses uber Monate ermoglicht, fuhren Perioden verstarkter Ebullition zu einer Erschopfung des im Sediment gespeicherten Gases. Einflussfaktoren mit groser raumlicher Ausdehnung, wie z. B. Druckveranderungen, fuhrten zu einer Synchronisierung von Ebullitionsereignissen an verschiedenen Messstellen. Das Ausmas, in dem die Ebullition mit Umweltvariablen korreliert, variierte jedoch von einem System zum anderen und zeitlich. Die thermische Schichtung erwies sich als wichtiger Parameter in der Beziehung zwischen Ebullition und anderen Umweltvariablen, wie z. B. Bodenstromungen und Turbulenzen. Die zeitliche Dynamik der Ebbullition konnte durch empirische Modelle in Abhangigkeit von bekannten Umweltvariablen erfasst und reproduziert werden. Jedoch konnten die Modelle auf Schwankungen fur Zeitraume, welche kurzer als ein Tag waren, nicht angewandt werden und lieferten bei der Ubertragung zwischen unterschiedlichen Systemen schlechte Resultate. Obwohl einige Fragen unbeantwortet blieben, tragen die Ergebnisse dieser Studie zum Verstandnis der komplexen Dynamik der Methan-Ebullition und ihrer Einflussfaktoren in Talsperren bei.