Lake Hydrodynamics and Pollution Transport under Climate Change : The Case of Lake Victoria

A very small part of the total earth’s water is freshwater (only 2.5 %). Unfortunately, due to climate change and pervasive manmade activities, surface freshwater quality in many places of the world has become degraded. This is manifested in the Rift Valley lakes, a series of lakes in Eastern Africa that runs from Ethiopia in the north to Malawi in the south. Water quality degradation in the Rift Valley lakes is driven by various factors, including water quantity and scarcity, pollution and contamination, nutrients loading, and general water use by industry and society. In particular, Lake Victoria, the world’s second-largest freshwater body and the largest tropical lake, has seriously polluted near lakeshore areas, which is a great regional development problem causing misfortune for millions of people. This dissertation contributes new insights into lake hydrodynamic processes and pollution transport in shallow lakes through developing more accurate models to understand the complex processes of water quality degradation. Based on empirical data this thesis developed systematic methods to consider lake bathymetry, lake flow, water level verification, water balance, hydro-climatological processes, transport and dispersion of pollutants and nutrient particles. The data-driven hydrological model of Lake Victoria that is developed in the thesis considers hydro-meteorological and climatological data, river discharges and outflow, wind speed and direction, atmospheric deposition, nutrient loading, concentration of pollutants and nutrients, and remote sensing satellite data. The thesis illustrates the power of numerical and hydrodynamic methods that uses one- and two-dimensional mathematical equations (1D and 2D) to model the three-dimensional (3D) behaviour of shallow lakes over time. The results indicate that the lake hydrodynamics of Lake Victoria are heavily influenced by lake bathymetry and regional weather patterns and are thus connected to increasing climate variation. The hydro-meteorological processes, verified by empirical data on precipitation, lake flow and lake water levels, show that extreme weather events are responsible for changing the characteristics of lake water balance, changing seasonal variations, and exhibiting strong correlations among water level and hydro-meteorological data. The model of the movement of pollutants and nutrient particles shows how pollutants and nutrients travel within Lake Victoria and where they concentrate in the lake and its sediments. The wind hydrodynamic modelling shows that the wind, along with hydrodynamic stability, plays an important role in pollution flow patterns and that pollutants can be transported from shallow parts, when they leave rivers and shorelines, to deeper lake areas. The hydro-climatological model demonstrates the crucial interdependence between hydrodynamic processes and climatological factors at the catchment scale of Lake Victoria. The numerical models and calculation methods that have been developed in this dissertation represent additional contributions to hydrodynamic research and can be used to investigate hydrodynamic processes in other lakes. The thesis contributes to UN Sustainable Development Goals related to water security, drinking water, food, and health. A potential area of application lies in supporting analysis and mitigation of pollution and climate change effects and more generally aid in the natural resource governance of this vital African lake.En liten del av jordens vatten är sötvatten (endast 2,5 %). På grund av klimatförändringar som skapats genom ekonomiska och mänskliga aktiviteter har sötvattenskvaliteten på många platser i världen kraftigt försämrats. Detta märks i sprickdalssjöarna, en serie sjöar i området Rift Valley i östra Afrika som går från Etiopien i norr till Malawi i söder. Försämring av vattenkvaliteten i sprickdalssjöarna drivs av olika faktorer, inklusive vattenmängd och vattenbrist, spridning av föroreningar från jordbruk och städer, överbelastning av näringsämnen och överanvändning av vatten av industri och samhälle. I synnerhet Victoriasjön, världens andra största sötvattenkälla och den största tropiska sjön på Jorden, har fått allvarligt förorenade strandområden, vilket är ett stort regionalt utvecklingsproblem och orsakar problem för de miljontals människor som bor runt sjön eller som på olika sätt är beroende av dess vatten. Denna avhandling bidrar med nya insikter om grunda sjöars hydrodynamiska processer och föroreningstransporter genom att utveckla mer exakta modeller för att förstå de komplexa hydrologiska processer som formar grunda sjöars vattenkvalitet. Baserat på empiriska data har denna avhandling utvecklat systematiska metoder för att beakta Victoriasjöns batymetri, sjöflöden, vattennivåer, vattenbalans och hur föroreningar och näringspartiklar transporteras och sprids i sjön. Den datadrivna flödesmodellen beaktade meteorologiska och hydrologiska data, vindhastighet och vindriktning, utflöden från floder, men också koncentrationen av spårämnen av föroreningar och näringsämnen. Avhandlingen illustrerar kraften i numeriska och hydrodynamiska metoder som använder en- och tvådimensionella matematiska ekvationer (1D och 2D) för att modellera det tredimensionella (3D) beteendet hos grunda sjöar över tid. Resultaten indikerar att hydrodynamiken i Victoriasjön är starkt påverkad av batymetri och klimatförändringar. De hydrometeorologiska processerna, verifierade genom sjöflödes- och nivåmodeller, visar att extrema väderhändelser som troligtvis drivs av klimatförändringar är ansvariga för att förändra fundamentala egenskaper i sjöns vattenbalans och ändrade säsongsvariationer som uppvisar stark korrelation mellan vattennivå- och hydrometeorologiska data. Den modellerade transporten av spårämnen från utvalda floder, en modell för att förstå hur föroreningar och näringspartiklar sprids i sjön, visade hur ämnen färdas i Victoriasjöns vatten och var de över tid kan komma att koncentreras. Den numeriska hydrodynamiska modelleringen visar att vinden tillsammans med hydrodynamisk stabilitet spelar en viktig roll i hur föroreningar sprids i tydliga mönster och att föroreningar kan transporteras från grunda delar, när de lämnar floden eller stranden, till sjöns djupare delar och därmed deponeras och med tiden nå höga koncentrationer. Den hydroklimatologiska modellen visar vid skalan för avrinningsområdet på viktiga samband mellan hydrodynamiska processer och klimatologiska faktorer. De numeriska modellerna och beräkningsmetoderna som har utvecklats i denna avhandling representerar bidrag till hydrodynamisk forskning. De metoder för att ta fram modeller för hydrodynamiska processer i sjöar, beräkna och verifiera sjöars batymetri, sjövattenflöde och föroreningstransport samt den uppsättning analytiska metoder som utvecklats parallellt med arbetet kan med fördel användas för att undersöka hydrodynamiska processer i andra sjöar. Ett potentiellt tillämpningsområde för denna forskning är att stödja analys av lokala och regionala effekter av klimatförändringar och föroreningar. Forskningen kan också användas för att utveckla strategier för att förhindra ytterligare föroreningar i sötvattensjöar och för att mer allmänt stödja arbetet med att förvalta denna centrala afrikanska sjö. Tillsammans bidrar avhandlingen med kunskap i linje med FN:s mål för hållbar utveckling relaterade till vattensäkerhet, dricksvatten, mat och hälsa.QC 20231102