Analysis of spatial and temporal heterogeneities of methane emissions of reservoirs by correlating hydro-acoustic with sediment parameters

Orientador: Prof. Dr. Stefan Hinz (KIT)Coorientador: Prof. Dr. Cristóvão Vicente Scapulatempo Fernandes (UFPR)Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental em regime de Cotutela firmado entre a UFPR e o Karlsruhe Institute of Technology (KIT, Karlsruhe, Alemanha). Defesa : Karlsruhe, 30/04/2015.Inclui referências: p.173-183Área de concentração:Resumo: A interrupção dos sistemas fluviais, pela construção das barragens, representa um fenômeno mundial que causa mudanças graves nos ciclos biogeoquímicos. Represas atuam como depósitos para todos os materiais transportados, convertendo rios em lagos. Cada represa representa um sistema individual e um reator complexo. Todos os corpos de água congestionados têm em comum que uma parte do carbono orgânico é transformada em gases do efeito estufa, e particularmente em metano. Através do aumento intensivo das áreas inundadas antropogênicas nas últimas décadas, a quantificação dos gases relevantes ao clima se transformou em um foco da pesquisa. No entanto, a avaliação das emissões reais do metano fica imprecisa. Apesar da existência de métodos funcionais, a heterogeneidade temporal e espacial das emissões permanece um problema. Por isso, apresenta o balanço global das emissões dos gases do efeito estufa altas incorreções. Este trabalho tem como objetivo o melhoramento dos métodos relevantes, assim como a ampliação da compreensão do sistema no contexto dos padrões heterogéneos das emissões. A identificação de "hot spots" da produção de metano em reservatórios é o objetivo principal do trabalho. Esse objetivo é realizado pelo desenvolvimento de estratégias inovadoras de medições que são capazes de diminuir erros sistemáticos do balanço das emissões. Seguindo o pressuposto que reservatórios trópicos emitem quantidades maiores de gases do efeito estufa e incluindo a alta relevância da geração de energia hidroelétrica no Brasil, dois reservatórios brasileiros foram selecionados para as medições, as quais foram realizadas em campo no período de 2010 a 2013. Três conceitos diferentes foram utilizados no contexto da formação do metano para compreender a heterogeneidade temporal e espacial. Adicionalmente, os processos biogeoquímicos eram investigados no sedimento em escala local. Dados batimétricos e morfométricos eram levantados durante os estudos hidroacústicos com um eco sonda 38/200 kHz Single Beam. Além disso, uma classificação hidroacústica do sedimento foi realizada junto com amostras de perfuração. Isso tudo vai possibilitar a interpolação espacial com base nos dados hidroacústicos e do sedimento. As amostras de perfuração tem a vantagem que o sedimento se forma lentamente e por isso eles contém informações de períodos anteriores. Adicionalmente, investigações da água capilar no sedimento eram realizadas, destinadas a medir a concentração do metano e outros componentes relacionados com o potencial de redução e oxidação. Consequentemente, era possível combinar a distribuição do sedimento no reservatório com os parâmetros biogeoquímicos e correlacionar os resultados com as condições de formação do metano. Pela espessura medida do sedimento junto com o conteúdo do carbono orgânico, era calculada a distribuição e a massa do carbono orgânico no sedimento. Para o reservatório Capivari foi calculado uma massa de 205.129 Mg (± 60.8 Mg). Com base nestes resultados, foi possível atribuir potenciais de emissões de metano, altas ou baixas, nas zonas do reservatório. Por conseguinte, é possível prever as margens das emissões com o erro estatístico, que pode ser reduzido. Palavras-chave: Gases de Efeito Estufa, Reservatórios, Detecção do sedimento, Estudos hidroacústicos, MetanoAbstract: The worldwide phenomenon of disrupting riverine ecosystems by dams leads to severe changes of biogeochemical cycles. Impoundments act as a sink for all transported materials as they turn a river into a lake. Each particular impoundment represents an individual and complex reactor. All dams have in common that they turn parts of the retained organic material into greenhouse gases and particularly into methane. Since the number and area of artificially created lake ecosystems significantly increased in the last decades, the amount of climaterelevant emissions became a focus of research. However, the quantification of methane emissions from reservoirs is still imprecise. Although there are efficient measurement techniques, the spatial and temporal heterogeneity causes problems. Hence, the calculations of global methane budgets are affected by high inaccuracies. This study aims on the improvement of methods as well as the enhancement of the understanding of the most relevant processes influencing the addressed heterogeneities. The overall objective is the identification of methane production hot spots in reservoirs, leading to innovative sampling strategies which are capable of minimizing the statistical error of overall emission budgets. Following the assumption that tropical reservoirs are prone to produce significant shares of methane and considering the importance of hydroelectricity in Brazil, two Brazilian reservoirs were selected for the field investigations. Measurements were conducted during four field campaigns between 2010 and 2013. The combination of three different approaches related to methane formation made it possible to address temporal and spatial heterogeneities, while still including process understanding on a local scale. By conducting hydro-acoustic surveys using a 38/200 kHz single beam echo sounder, basic morphometric information was obtained. Additionally, seabed classification was conducted, including extensive ground truthing, which allowed the spatial interpolation of the found results. Sediment core information features the advantage of a time-integrating momentum, since the formation of sediment volumes is a long term process. Moreover, the pore water of the sediment at the corresponding sampling sites was examined for methane production and relevant redox-indicating compounds. Consequently, it was possible to link the sediment distribution in the reservoir to quality parameters and correlate those to characteristics determining methane production. Derived sediment thickness information and organic carbon contents was used to calculate the carbon stock and its distribution. The entire Capivari reservoir holds a mass of 205,129 Mg (± 60.8 Mg) of organic carbon. Based on the carbon distribution parts of the reservoir could be assigned to specific methane-formation behavior. Therefore, it is possible to predict the results from methane emission measurements which gives the chance to systematically reduce the statistical error of those. Key words: GHG emissions, Reservoirs, Sediment detection, Echo sounding, Methan