Diss. ETH No. 16196

Nutrient RetentionCapacity of the Danube Black Sea System -

A dissertationsubmitted to the

SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHOLOGYZÜRICH for the degree of

Doctor of Natural Science

presentedby Cristian RaducuTeodoru

Dipl. Geology, University of Bucharest, Romania born 09.03.1968 RomanianCitizen

aeeepted on the recommendationof Prof. Dr. Bernhard Wehrli, examiner

Prof. Dr. Alfred Wüest, co-examiner Prof. Dr. Flavio Anselmetti, co-examiner Zürich 2005

Abstract

Damming ofrivers

can result

in severe downstreameffects, such as variations in Sedimentand

nutrient transport, which could potentially have Construction of the Iron Gates Dams

on

significant impacts on

coastal ecosystems.

the Lower Danube River has been postulated as the

primary cause of a decrease in the dissolved silica (DSi) load to the Black Sea which may have subsequently resulted in a dramatic shift in the phytoplanktonCommunity from diatoms to non-siliceous species that affected the entire food web. Using indirect methods based on measurements at the Danube Delta, the retention of silica in the form ofdiatom frustules (as biogenic silica BSi) within the reservoir was estimated as high as 600 x 103 t Si yr"1. The -

most recent

nutrient balance study in the Danube River basin also indicated a considerable

discrepancy

between the estimated nutrient input into the surface water in the catchment and

the loads of nitrogen (N) and phosphorus (P) actuallydischarged to the Black Sea. One of the

explain the "missing" loads of 106 t N yr"1 and 1.3 x 105 t P yr"1 postulated that large reservoirslike the Iron Gates play an important role in N and P retention. Moreover, the construction of the Iron Gates Reservoirs was proposed to be the prineipal hypotheses put

forward to

1061 yr"1. Based on 11-months monitoring scheme in 2001, we directly quantified the nutrient cause of the decrease

in sediment input into the Black Sea ofup to 30 x

and the

sediment retention capacity of the Iron Gate I Reservoir. The nutrient budget based on these

existing DSi elimination within the reservoirof 16 x 103 t Si yr"1. It is not likely that the orders-of-magnitude difference between these actual budgets and previous estimates is due solely to changing hydrological and physical conditions.Sedimentary records estimate a total accumulationof BSi in the Iron Gate I Reservoir of 19 x 103 t Si yr"1. This actual retention exceeds the historical retention in the Iron Gates during the past 20 years. data indicated an

Moreover, dated sediment cores indicated that a decrease of BSi in the Sediments of the coastal Black Sea started around 1965±4, i.e. before the completion of Iron Gate I Dam in

Therefore, the construction of the biggest impoundment on the Danube River could not be solely responsible for decreasing the DSi loads downstreamin the coastal Black Sea. The historical record of dam construction in the catchment suggests that the large number of impoundments construeted on the entire Danube and its tributaries, before and after the Iron Gates construction, as well as channelling large areas of the river corridor and reducing the exchange with groundwater, may have contributed equally to decreased Si fluxes to the 1971.

coastal Black Sea.

The accumulationof N and P in the Iron Gate I Sediments during 2001 of 104 t

103 t yr"1, respectively,corresponded to merely 5% and

the total suspended solid

(TSS) retention was

estimated

12% of the incoming as

9

x

yr"1 and 1.7 x load,

whereas

1061 yr"1. Moreover, contrary

predictions,mass balance calculations revealed that more N and P was leaving the reservoir than entering via the Danube inflow, implying that the Iron Gate I was temporarily to

initial

acting as

a

lower than

small nutrient

source.

With retention rates

previously postulated, the hypothesis

consistently an

that the

largest

River plays a major role in sedimentand nutrient elimination was

order of magnitude

reservoir on the Danube

disproved.

For a comprehensive understandingof nutrient accumulationpatterns in the Black Sea and the

impacts of increasing anthropogenic nutrient inputs during recent years, a set of sediment cores was obtained along two transects spanning the basin in west-east and north-south directions, ranging from the oxic and suboxic shelf to the anoxic slopes and abyssal piain. On the north-western shelf, N and P decreased with increasing distance to the shore. P concentrations decreased further to the slopes and to the abyssal piain, whereas N increased towards the deep sea basin. Higher anthropogenicnutrient emissions during the last 50 years Signatare on the sediment composition. On the shelf, N and P were about40% and 10% higher, respectively, than in the period from 1850-1950. The impact on deep-sea Sediments, however, was less significant during the last 50 years (+ 5% N and + 8% P). Own data and a literature survey were the basis for identifying three major sedimentaryregions and for estimating the total accumulation of 1.4 x 105 t N yr"1 and 4.5 x 104 t P yr"1. A mass balance indicated that 20% of the incoming N was retained by Sedimentation, whereas denitrification eliminated 60% of the inputs. In contrast, a single removal process controled the P budget with the sedimentary accumulation, mainly on the shelf, representing 80% of the total incoming load. For both N and P, 20% of the total load was exported via the Bosporus to left

a

clear

the Sea ofMarmara.

Zusammenfassung Nährstoffflüsse, was wiederum dramatische Auswirkungen auf stromabwärts gelegene Küstengebietehaben kann. So wurde die rückläufige Zuführ gelösten Siliziums (DSi) zum Schwarzen Meer auf den Bau der Staudämme am „Eisernen Tor" im Bereich der unteren Donau zurückgeführt. Dieser Das Errichten

von

Staudämmen verändert Sediment- und

Rückgang wiederum könnte die Ursache

Verschiebung von Kieselalgen zu anderen, nicht auf Silizium angewiesenen Phytoplanktonartensein, was letztlich die gesamte Nahrungskette des Schwarzen Meeres massgeblich verändert hat. Aufgrund von indirekten Messungen im Mündungsbereich der Donau wurde für das „Eiserne Tor" ein Siliziumrückhalt der drastischen

Kieselalgenschalen (als biogenes Silizium BSi) von 600 x 103 t-Si yr"1 postuliert. Aktuelle Untersuchungen zeigten zudem, dass die Nährstoffzufuhr des Einzugsgebietes der Donau deutlich höher ist als die gemessenen Stickstoff (N)- und Phosphor (P)-Frachten an der Mündung. Eine Hypothese, um die Senke von 106 t-N yr"1 and 1.3 x 10 t-P yr" zu erklären, war wiederum der Rückhalt in grossen Stauseen, wie dem in der Form

von

-

„Eisernen Tor". Schliesslich wurde auch die Abnahme des Sedimentinputsvon bis 106 t yr"1 durch den Bau des „Eisernen Tors" begründet. Im Rahmen eines

elfmonatigen Monitoringprogramms

zu

30

x

im Jahr 2001 haben wir das

Rückhaltevermögen

des Stausees „Eisernes Tor I" direkt quantifiziert. Aufgrund dieser Daten resultierte eine tatsächliche DSi Reduktion durch den Stausee von 16 x 103 t Si yr"1. Der Messwertwird

bestätigt

durch Sedimentarchivedie eine aktuelle BSi Akkumulation

von

19 x

für das „Eiserne Tor I" zeigten. Die aktuelle jährliche Akkumulation übertrifft den Rückhalt der letzten 20 Jahre unter dem Einfluss des „Eisernen Tores". Es ist deshalb 10 t Si

yr"

unwahrscheinlich,

Grössenordnung zwischen Abschätzungen lediglich auf Veränderungen

dass die Differenz

gemessenen Werten und früheren

von

über einer

hydrologischen und physikalischen Randbedingungenzurückgeführt

den der

werden kann. Weiter

deuten datierte Sedimentkeme aus dem Küstenbereichdes Schwarzen Meeres auf einen BSi Rückgang ab 1965±4 hin, d.h. schon vor der Fertigstellung des „EisernenTors I" 1971.

Entsprechend kann der Bau des grössten Donaustausees nicht alleine für die rückläufige DSi Zufuhr zum SchwarzenMeer verantwortlich sein. Historische Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass

die grosse Zahl von Staudämmen die vor und nach dem Ban des „Eisernen Tos" an der Donau und ihren Zuflüssen errichtet wurden, zusammen mit der Reduktion des

Grundwasseraustausches durch die Kanalisierung der meisten Flussstrecken, eine wichtige Rolle im beobachtetenSi

Rückgang des SchwarzenMeeres spielen.

Für N und P wurden Akkumulationsratenvon

104 t yr"1 und 1.7 x 1031 yr"1 in Sedimenten des

„Eisernen Tors I" gemessen, was einem Rückhalt von 5 beziehungsweise 12% des Zuflusses entspricht. Die gesamte Sedimentation suspendierter Partikel wurde auf 9 x 106 t yr"1

geschätzt. Entgegen

den Erwartungen wurde festgestellt, dass 2001 der Zufluss

von

N und P

kleiner war als der Abfluss, was bedeuten würde, dass das eine Nährstoffquelle darstellt. Angesichts der gemessenen

„Eiserne Tor" im Moment sogar Rückhaltsraten, welche generali eine Grössenordung unterhalb früherer Abschätzungen liegen, kann die Hypothese, verworfen werden dass der grösste Donaustausee eine Nährstoffelimination einnimmt.

herausragende Rolle

bei der Sediment- und

Um die Nährstoffakkumulation im Schwarzen Meer und den Einfluss zunehmender anthropogener Nährstoffquellen während der letzten Jahre zu untersuchen, wurde eine Serie von

Sedimentkernen

entlang

zweier Transekte in West-Ost und Nord-Süd

genommen. Die Kerne umfassen das oxische und suboxische

Schelf,

Richtung

die abfallenden

anoxischen Zonen, sowie das Tiefenplateau. Das nordwestliche Schelf zeigte mit zunehmender Distanz zur Küste abnehmende N und P Werte. Während diese abnehmende Tendenz für P kontinuierlich

weitergeht,

nimmt N gegen die Tiefenzone wieder zu. Nährstoffemissionenwährend der letzten 50 Jahre haben eine

Ansteigende anthropogene klare Spur in der Sedimentzusammensetzung hinterlassen. Auf dem Schelfwurden 40% und 10% höhere N beziehungsweise P Akkumulationsraten gefunden als im Zeitraum von 18501950. Der Einfluss auf Sedimente des Tiefenwasserswar weniger ausgeprägt (+ 5% N und + 8% P). Aufgrund der eigenen Daten und einer Literaturstudiekonnten drei Sedimentzonen unterschieden und die totale jährliche Akkumulationdes Schwarzen Meeres auf 1.4 x 1051N yr" und 4.5 x 104 t P yr"1 geschätzt werden. Unsere Bilanz zeigte einen N Rückhalt im Sediment von 20% und eine Eliminierung durch Denitrifikation von 60% des Inputs. Im Gegensatz dazu wird das P Budget lediglich durch Sedimentationkontrolliert, welche 80% des Zuflusses ausmacht. Schliesslichverlassen für N und P jeweils 20% das Schwarze Meer durch den Bosporus in Richtung Marmarameer.