Effects of fine suspended sediment releases on benthic communities in artificial flumes

Effets des particules fines en suspension sur les communautés benthiques dans des canaux artificiels

¹ Sustainable Ecosystems and Bioresources Department, Fondazione Edmund Mach, IASMA Research and Innovation Centre. Via E. Mach 1, San Michele all'Adige (TN), Italy,
cristina.bruno@fmach.it
² Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering, University of Trento. Via Mesiano, 77, Trento, Italy,
mauro.carolli@unitn.it, guido.zolezzi@unitn.it
³ Department of Bioscience, University of Parma. Parco Area delle Scienze, 11/a, Parma, Italy,
beatrice.palmia@studenti.unipr.it

Abstract

The Italian Alps feed a large number of reservoirs for hydropower production, which are losing storage capacity due to natural inflow of sediment of different origin (alluvial, glacial). Local government and local environmental agencies authorize periodical sediment flushes with a mandatory release regime when such measure is technically feasible. Management of reservoirs often includes fine sediment pulses, which cause several ecological impacts on downstream water bodies. We conducted a set of simulations in five semi artificial flumes naturally fed by an unimpacted Alpine stream (Trentino region, NE Italy), to: i) identify possible thresholds of concentration of fine suspended sediment inducing drift in the benthic community and, ii) assess the dynamics and intensity of the drift responses in the dominant taxa. The results can help to identify the least impacting release management practices. Sediment pulses were simulated by adding fine material of known concentration to the upstream end of the flumes. The benthic organisms drifting from the whole flume were collected by filtering the whole outflow for consecutive short time intervals. We tested four different concentration values, i.e. 10x,100x,250x,500x the base concentration of 4 NTU, and we repeated the simulations in two periods: July, when the community is composed mainly of young larval instars and the sediment wave lasted 10 minutes, and October, when later larval stages are dominant and the wave lasted 20 minutes. In July, the maximum concentration induced a significantly higher drift response than the three lower ones. In October, even if the sediment wave was twice as long as July one, drift responses where lower, and only the responses to the highest and lowest concentrations differed significantly. In our simulation, the only possible cause for the observed increase in drift was the sediment in the suspended phase, as the deposition of sediment was negligible, and discharge did not increase, thus allowing disentangling the effects of increasing suspended sediment from those of increasing discharge. Our results, although restricted to Alpine streams, and with a seasonal bias which needs further investigations, allowed to assess the dynamics of benthic community and taxa, rather than assessing the resulting effects on the benthic community (as it occurs with the studies based on a before-after sampling design), and will possibly provide indications towards the future management of sediment releases in Alpine streams.

Résumé

Les Alpes italiennes alimentent un grand nombre de réservoirs hydroélectriques, dont la capacité de stockage diminue dû à l'afflux naturels de sédiments d'origines diverses (alluvial, glaciaire). Lorsque cela est techniquement possible, les autorités locales et les agences environnementales locales autorisent la vidange périodique des sédiments, avec un débit imposé. La gestion des réservoirs implique souvent des courants de particules fines ayant des impacts écologiques sur les milieux aquatiques en aval. Nous avons effectué une série de simulations dans cinq canaux semi-artificiels, alimentés par une rivière Alpine non impactée (région Trentino, N-E Italie), pour : i) identifier la limite de concentration des particules fines en suspension (exprimés en UTN) provoquant une dérive de la communauté benthique et, ii) évaluer la dynamique et l'intensité de la dérive sur les taxa dominantes. Les régimes sédimentaires ont été simulés en additionnant une concentration connue de matière à fine granulométrie en amont du canal. Les organismes benthiques dérivant dans le canal ont été collectés par filtration en aval à de courts intervalles de temps. Nous avons testés quatre concentrations différentes : 10x, 100x, 250x, 500x la concentration de base de 4 UTN, et nous avons répétés ces simulations à deux périodes : Juillet, lorsque la communauté benthique est principalement composée de jeune larves et Octobre, lorsque les derniers stades larvaires sont dominants ; en appliquant une durée de flux sédimentaire de 10 et 20 minutes, respectivement. En Juillet, la concentration maximale a entrainé une dérive significativement plus grande que les trois autres concentrations. En Octobre, même si le flux sédimentaire était deux fois plus long que celui de Juillet, la dérive des organismes benthiques était inférieur et seule les concentrations maximale et minimale différaient. Dans nos simulations, le dépôt sédimentaire et le débit sont restés négligeables, l'augmentation de la dérive benthique était due aux matières en suspension. Bien que restreints aux rivières Alpines, nos résultats permettent d'évaluer la dynamique des communautés benthiques et de leur taxa, plutôt qu'une unique évaluation sur les communautés benthiques (comme cela se retrouve sur les études basées sur un échantillonnage avant-après). Nos résultats pourraient donner des indications quant aux futures gestions des vidanges de réservoirs situés dans le rivières Alpines, afin de limiter leur impact écologique.