Climate change effects on the thermal stratification of Lake Diefenbaker, a large multi-purpose reservoir

Abstract

Large multi-purpose reservoirs serve not only to generate hydropower but to supply water for agricultural irrigation, animal and human consumption and to provide flood control. One of the key factors affecting physical functioning and deteriorating aquatic ecosystems in reservoirs is climate change. For instance, increases in water temperature accelerate chemical reaction rates, decomposition rates and oxygen demand at the water-sediment interface. Earlier thermal stratification onset, and longer and more intense reservoir thermal stratification are all consequences of global warming. Such disruptions in thermal stratification have been associated with reductions in hypolimnion dissolved oxygen, increasing anoxia events and enhancing reservoir eutrophication. In this research paper, we implement the 2 D hydrodynamics and water quality model, CE-QUAL-W2, to investigate the effects of climate change and streamflow scenarios on the thermal structure of Lake Diefenbaker, a large, multipurpose reservoir, located in Saskatchewan, Canada. Model results indicate that meteorological variability will dictate a nonlinear increase in reservoir water temperature in the coming decades, where larger increases in water temperature will occur during summer and fall in the upper layers. Also, decreases in reservoir streamflows will reduce water temperature at intermediate layers during summer and fall. Our model can be used as a tool to mitigate and manage the effects of climate change on the reservoir water quality.

RÉSUMÉ

Les grands réservoirs polyvalents servent non seulement à produire de l'énergie hydroélectrique, mais aussi à fournir de l'eau pour l'irrigation agricole, la consommation animale et humaine et à contrôler les inondations. Le changement climatique est l'un des principaux facteurs affectant le fonctionnement physique et la détérioration des écosystèmes aquatiques dans les réservoirs. Par exemple, l'augmentation de la température de l'eau accélère les taux de réactions chimiques, les taux de décomposition et la demande en oxygène à l'interface eau-sédiment. L'apparition précoce de la stratification thermique et la stratification thermique des réservoirs plus longue et plus intense sont toutes des conséquences du réchauffement climatique. De telles perturbations de la stratification thermique ont été associées à des réductions de l'oxygène dissous dans l'hypolimnion, à une augmentation des événements d'anoxie et à une augmentation de l'eutrophisation des réservoirs. Dans la présente étude, nous utilisons le modèle 2 D d'hydrodynamique et de qualité de l'eau, CE-QUAL-W2, pour étudier les effets du changement climatique et des scénarios hydrologiques sur la structure thermique du lac Diefenbaker, un grand réservoir polyvalent, situé en Saskatchewan, au Canada. Les résultats du modèle indiquent que la variabilité météorologique risque de produire une augmentation non linéaire de la température de l'eau du réservoir dans les décennies à venir, avec des augmentations plus importantes de la température de l'eau qui se produiront pendant l'été et l'automne dans les couches supérieures. De plus, la diminution des apports au réservoir réduira la température de l'eau des couches intermédiaires pendant l'été et l'automne. Notre modèle peut être utilisé comme un outil pour atténuer et gérer les effets du changement climatique sur la qualité de l'eau du réservoir.

Keywords:

• Climate change
• thermal stratification
• Lake Diefenbaker
• large multi-purpose reservoir

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

This research project was funded by the Global Water Futures research program at the University of Saskatchewan.