![20180607 195154[1]](/assets/files/20180607-195154-1.1920x0.jpg)
Dit jaar brengt Deltares in samenwerking met de WUR en Rijkswaterstaat (in het kader van het Europese LIFE-IP NAS programma) een update van de KlimaatScan. Het rapport uit 2019 [1, 2] keek naar de hoofdwatersystemen IJsselmeergebied, Rivierengebied, Waddenzee en de Zuidwestelijke Delta; het nieuwe voegt daar de Noordzee aan toe. Daarnaast heeft het meer aandacht voor regionale verschillen en seizoensaspecten van klimaattrends. De belangrijkste aanvulling is echter dat de nieuwe klimaatscan specifieker ingaat op de veranderingen die opwarming ónder water veroorzaakt, zowel fysisch- chemisch als ecologisch. In dit artikel gaan we in op het effect van een stijgende watertemperatuur op de beschikbaarheid van zuurstof en op demping van temperatuurfluctuaties in water.
Opwarming van water
De mate van opwarming van ondiepe oppervlaktewateren is vergelijkbaar met die van de lucht erboven, maar heeft een complexere uitwerking op flora en fauna. Dat komt onder meer doordat de watertemperatuur ook samenhangt met andere fysisch-chemische mechanismen, zoals de oplosbaarheid van zuurstof en andere stoffen, en doordat temperatuurfluctuaties in wat dieper water worden gedempt.
Stilstaand water is een slechte geleider en warmt primair op via straling. Daardoor is de mate van opwarming niet alleen afhankelijk van weersomstandigheden, maar ook van de diepte en de troebelheid en de aanwezigheid van waterplanten. Het water warmt overdag op tot waar de straling kan komen. Deze warmte wordt dan verspreid door de menging van het water (convectie). Zo ontstaat een gradiënt van temperatuur en van toenemende dichtheid van het water naar grotere diepte, waardoor de kans op stratificatie toeneemt. Bij stratificatie onttrekt de onderlaag zich tenslotte aan menging, waardoor er een abrupt temperatuurverschil ontstaat. In water van enkele meters diep treedt ’s nachts vaak weer min of meer volledige menging op, maar bij hittegolven of in dieper water kan dat enkele dagen tot maanden duren. De zuurstofconcentratie in de onderlaag neemt dan vaak af, soms tot waarden waarbij zuurstofafhankelijke organismen zoals vissen niet kunnen leven.
Fluctuaties
De temperatuurverschillen gedurende een etmaal en van dag tot dag worden in de waterkolom met toenemende waterdiepte gedempt. Dit is goed te zien in afbeelding 1, die het verloop van gemiddelde, minimum en maximum temperatuur van lucht en IJsselmeerwater bij Stavoren per etmaal weergeeft voor 2022. Van een zomergemiddelde luchttemperatuur dag-amplitude van 8°C is op 1,5 diepte in het IJsselmeer nog maar 1°C over. Dat kan betekenen dat de kans op incidenten (zie verderop) in iets dieper water kleiner is, en dat gevoelige soorten dodelijke temperatuurwaarden kunnen mijden.
Maar het heeft ook invloed op de start van het voorjaar. Dat zit zo: KNMI-criterium voor de start van het voorjaar is het moment dat de etmaalgemiddelde luchttemperatuur niet meer onder de 5°C komt. Inmiddels is dat moment door klimaatverandering met drie tot vier weken vervroegd. De etmaalgemiddelde watertemperatuur fluctueert op enige diepte minder, waardoor gemiddeld eerder aan dit criterium wordt voldaan. Bovendien houdt water in het voorjaar door de korter wordende nachten gaandeweg meer warmte per etmaal vast dan de lucht, waardoor de etmaalgemiddelde temperatuur in de zomer hoger wordt. Het groeiseizoen is in iets dieper water dus langer en warmer, maar met minder fluctuaties.
Ecologisch is dat relevant. In het vroege voorjaar kan temperatuur bijvoorbeeld een trigger zijn voor voortplantingsactiviteit. Voor de eileg van spiering is inderdaad al vervroeging aangetoond. Ook verschillen in de temperatuurrespons van prooien of predatoren kan ‘mismatching’ veroorzaken, met verschuivingen in voedselbeschikbaarheid tot gevolg. Daarnaast betekent een langer groeiseizoen een langere periode met kans op algenbloei en andere incidenten. Ook kunnen bijvoorbeeld bepaalde insectensoorten een extra generatie voortbrengen (bijv. haften [3]), of wordt warmwatervis zoals snoekbaars aan het eind van het seizoen groter. Dit alles heeft mogelijke gevolgen voor de balans in het voedselweb.
Zuurstofbeschikbaarheid Aquatische gemeenschappen hebben ook te maken met fysisch-chemische gevolgen van toenemende watertemperatuur. Zoals een slechtere oplosbaarheid van zuurstof: dan treden eerder zuurstoftekorten op. De opwarming stimuleert algenbloei, wat overdag leidt tot extra zuurstofproductie. Maar ‘s nachts verbruiken de algen juist méér zuurstof, waardoor voor de waterfauna de problemen nog groter kunnen worden. De metingen in de grote meren vonden lange tijd alleen overdag plaats, en in de jaren met hoge voedselrijkdom (eutrofiëring in de jaren ’80-’90) laten de datareeksen in de zomer vaak sterke oververzadiging zien (afbeelding 2 bovenste helft). Sinds de afname van de voedselrijkdom in de jaren 1990 bewegen de zuurstofconcentraties dichter naar de 100% verzadiging voor de betreffende temperatuur. Ook de Noordzee kent algenbloeien en fluctuaties in de zuurstofverzadiging. Wisselingen in zoutgehalte dragen verder bij aan die fluctuaties, want zuurstof lost ook slechter op in zout water. In het algemeen nemen de algengroei en de snelheid van de afbraak van organische stof toe met stijgende temperatuur, en daarmee ook het zuurstofverbruik. In de meren kunnen zuurstoftekorten verder worden versterkt door toename van de frequentie en duur van stratificatie. Aquatische organismen kunnen het water in de onderlaag met lage zuurstofconcentraties mijden, maar soms kan alsnog sterfte optreden als de stratificatie wordt opgeheven en het zuurstofarme water weer mengt met de hogere laag.
IIn combinatie met factoren als chemische verontreiniging kan ook overdag, ongeacht het seizoen, sprake zijn van zuurstoftekort als gevolg van chemisch zuurstofverbruik. Het onderste deel van afbeelding 2 illustreert dat voor drie rivierlocaties.
Door de aanpak van chemische verontreiniging is ook deze onderverzadiging verminderd. In de Westerschelde zijn de concentraties nog steeds wat lager dan in de Rijn. Dat is echter voor een deel het gevolg van de hogere zoutgehaltes. In de rivieren wordt de groei van algen beperkt door de doorstroming. Maar als die doorstroming in de zomer stagneert neemt algenbloei ook hier toe. Dit is het best te zien in de eutrofe jaren in de Maas bij Eijsden: die laat ’s winters als zuivere regenrivier onderverzadiging van zuurstof zien, en ’s zomers (met sterke afname van debieten) oververzadiging. Sinds de afname van de voedselrijkdom en verbetering van de waterkwaliteit treedt relatief sterke onderverzadiging op. Mogelijk neemt de invloed van zuurstofarme kwel hier toe als de afvoer in de zomer sterk afneemt.
Ondertussen heeft ook klimaatverandering geresulteerd in lagere gemiddelde zuurstofconcentraties, doordat de gemiddelde watertemperatuur met ongeveer 2°C is gestegen. In de Rijn en de Maas is dat lange tijd nog meer geweest als gevolg van warmtelozingen. Aquatische organismen kunnen dus door meerdere factoren te maken hebben met lage zuurstofconcentraties.
IIncidenten
Voor aquatische organismen komen bovenop deze geleidelijke verschuivingen nog andere effecten van klimaatverandering, zoals veranderingen in neerslag en verdamping en de toenemende kans op extreem weer. Droogte in de zomer zorgt bijvoorbeeld ook in de Rijn in toenemende mate voor lage rivierafvoeren. Extreme droogte leidt tot zulke lage afvoerwaarden dat in delen van de rivieren het water stil komt te staan. In mei 2011 ging dat in de Rijn gepaard met nooit eerder vertoonde algenbloei [4]. Opgelost fosfaat werd volledig uitgeput, wat voor rivierwater zeer ongebruikelijk is. De zuurstofoververzadiging bereikte op 31 mei 2011 bij Lobith de nooit eerder vertoonde waarde van 142% en het biologisch zuurstofverbruik bereikte met 5 mg/l de hoogste waarde sinds het hervatten van de meetreeks in 2002. Gestuwde rivierpanden gaan zich dus gedragen als een eutroof, ondiep meer. In 2018 trad een dergelijke situatie nog twee keer op, en in 2022 nog een keer. In 2022 was de algenbloei ook in de Maas uitzonderlijk sterk. Hier kan toenemend zuurstofverbruik in de zomer anders uitpakken dan in de Rijn vanwege de structurele onderverzadiging (afbeelding 2), met als gevolg een grotere kans op sterfte-incidenten.
Vervolg en handelingsperspectieven
Deze analyse laat zien dat de risico’s van één enkele klimaatfactor – hier de toename van de watertemperatuur – sterk kunnen verschillen per watertype. Factoren als diepte, zoutgehalte of stroming spelen een rol, net als combinatie met andere drukfactoren dan klimaatverandering. Het samenwerkingsverband van Deltares, WUR en Rijkswaterstaat werkt deze kennis uit in handelingsperspectieven, met behulp van pilots in Westerschelde, IJsselmeer en Noordzee. De nieuwe scan maakt het makkelijker om gebieds-specifieke maatregelen te ontwerpen. Hierboven hebben we laten zien dat in de meren peilbeheer, hydrodynamiek en reductie van opwarming van het water stuurknoppen kunnen zijn. Concreet zal in het IJsselmeergebied bijvoorbeeld worden onderzocht of voor ondiep water beschaduwing met water- en oeverplanten kan zorgen voor schuilplekken door een combinatie van zuurstofvoorziening en koeler water.
In 2019 verscheen een ‘klimaatscan’ over de ecologische gevolgen van klimaatverandering in de grote wateren. Daarvan is nu een update in de maak, met daarin ook gegevens over de Noordzee, en meer aandacht voor specifieke mechanismen en risico’s van opwarmend water, zoals afname van zuurstofbeschikbaarheid voor de waterfauna. Combinatie met andere drukfactoren, zoals verontreiniging, kan de problematiek versterken. Water kan gemiddeld sterker opwarmen dan lucht, maar ook met minder fluctuaties. Schuilplekken (‘refugia’) met koeler water kunnen helpen. Onderzocht wordt of die met het stimuleren van waterplanten kunnen worden gecreëerd.