Impacts of interannual variability in runoff sources and glacier lake outburst floods on river flow in two drainage basins in Western Norway

Abstract

Gjennom de siste tiårene har menneskeskapte klimaendringer i økende grad forårsaket endringer på jorden som har direkte påvirket vannressurser. Kryosfæren gjennomgår dramatiske endringer over hele verden som er blant ikke-diskutable tidlige indikatorer på global oppvarming. Isbreer er naturlige langsiktige vannreserver og har, sammen med sesongmessig snø, store konsekvenser for avrenningsregimene til nedbørsfelt dominert av isbreer. Den pågående tilbaketrekkingen av isbreer i Vest-Norge og et økende antall isdemmede bresjøer knyttet til dette, har forårsaket endringer i den regionale vannføringen i elver og forekomster av jøkullaup. Norsk vannkraftindustri er avhengig av ferskvann fra isbredominerte nedbørsfelt da disse typisk lagrer snø gjennom store deler av sommersesongen og isbreer kan sikre vedvarende tilsig til vannkraftmagasinene under forhold med usikre nedbørsmønstre i fremtiden.

Denne studien tar for seg den årlige variabiliteten og langsiktige endringer i vannførings- og avrenningsrater i nedbørsfeltene tilført av Bondhusbrea og Rembesdalskåka i Vest-Norge for å undersøke regionale konsekvenser av klimaendringene på vanntilgjengeligheten for vannkraftproduksjonen. Analysen setter søkelys på den instrumentelle epoken (~40 år) og benytter en kombinasjon av ulike observasjoner fra Statkraft og NVE, temperatur- og nedbørsdata fra SeNorge, og en koblet overflatemassebalanse (SMB)-hydraulisk modell. Etter en nedskalering av klimadataene som driver SMB-beregninger, har jeg undersøkt endringer i kildene til avrenning inkludert snøsmelting, bresmelting og nedbør, og deres innvirkning på avrenningen i tid og rom. Videre har jeg utført numeriske eksperimenter for å kvantifisere virkningene av sesongmessig avrenning og jøkullaup på den lokale hydrologien, med en hydraulisk 2D-modell for bratte elver i de to nedbørsfeltene.

Ifølge mine funn er bruken av en slik koplet modell verdifull for å estimere relative vannkraftpotensialer for hver ferskvannskilde til avrenningen i kryosfærematede elver i Norge. Basert på disse analysene konkluderer jeg med at SMB har blitt stadig mer negativ fra og med 2000, etter at isbreene begynte å trekke seg tilbake, etter deres fremskritt på 90-tallet på grunn av positiv NAO. Som en konsekvens har avrenningen økt hastighetene og vanndybdene i elvene nedstrøms. Mine simuleringer anerkjenner en økende rolle av issmelting i vannføringen i det mer kontinentale nedbørsfeltet ved Rembesdalskåka og en økning i nedbørsmengde ved Bondhusbrea. Rembesdalskåka er utsatt for en raskere tilbaketrekning enn Bondhusbrea på grunn av sin mer kontinentale beliggenhet. Her er snøsmelting den viktigste bidragsyteren, men har minimert noe gjennom den analyserte perioden, mens nedbøren har økt. Vinterregn har derfor bidratt mer til tilsiget de siste årene. Jeg har identifisert et skifte i sesongvariasjonen som markerer tidligere snøsmelting, mens uttynning av Rembesdalskåka har ført til at jøkullaupene fra Demmevatnet til Rembesdalsvatnet er kommet tilbake etter en lang stillstand på grunn av installasjonen av kunstige dreneringskanaler på 1900-tallet. Ifølge denne analysen forekommer jøkullaup typisk på sensommeren eller tidlig høst og varer i flere timer til et døgn med topputslipp på 40 til 110 m3/s. Dette tilsiget har en gunstig effekt for vannkraftselskapene hvis vannmagasinene fungerer som dempere for farer nedstrøms.

Throughout the last decades, the anthropogenic climate change has increasingly caused alterations in Earth systems that have directly impacted water resources. In particular, the cryosphere is undergoing dramatic changes worldwide that are among non-debatable early indicators of global warming. Glaciers are natural long-term water reserves and together with seasonal snow, have profound effects on the discharge regimes of glacierized basins. The ongoing retreat of glaciers in western Norway and increasing number of ice-dammed glacial lakes associated with this retreat have promoted changes in the regional river streamflow regimes and jøkulhlaup occurrences. The Norwegian hydropower industry is dependent on freshwater from glacierized catchments as such catchments typically store snow through large portions of the summer season and glaciers can secure sustained freshwater influx to hydropower reservoirs under the conditions of uncertain precipitation patterns in the future.

This study zooms in on the interannual variability and long-term changes in streamflow and runoff rates within the catchments fed by Bondhusbrea and Rembesdalskåka in western Norway to investigate regional impacts of climate change on the water availability for the hydropower production. This analysis focuses on the instrumental era (~40 years) and utilizes a combination of diverse observations from Statkraft and NVE, gridded temperature and precipitation data from SeNorge, and a coupled surface mass balance (SMB)-hydraulic model. Following the downscaling of the climate data that drives SMB calculations, I have investigated changes in the sources of runoff including snowmelt, glacial melt and rainfall and their impacts on river streamflow in time and space. Furthermore, I have performed numerical experiments to quantify the impacts of runoff seasonality and jøkulhlaups on the local hydrology, with a designated 2D hydraulic model setup for steep bed angles such as found within the two glacier basins.

According to my findings, the use of such coupled model is valuable for estimating relative hydropower potentials of each freshwater source to streamflow in cryosphere-fed streams in Norway. Based on these analyses, I conclude that SMB within both glacier basins has become increasingly negative starting from 2000, following the onset of glacier retreat after their advances in the 90s due to the positive NAO. As a consequence, runoff has increased driving greater velocities and water depths in rivers downstream. My model simulations acknowledge an increasing role of glacial melt in the river streamflow in the more continental basin of Rembesdalskåka and an increment in rainfall amounts at Bondhusbrea. Rembesdalskåka is subject to a faster recession than Bondhusbrea due to its more continental location. Here snow melt is the most important contributor which has slightly decreased throughout the analyzed period, while rainfall has increased. Winter rain has therefore contributed more to the inflow during recent years. I have identified a shift in the seasonality marking earlier snow melt, while thinning of Rembesdalskåka has led to the return of jøkulhlaups from Demmevatnet to Rembesdalsvatnet after a long standstill due to the installation of artificial drainage channels in the 20th century. According to this analysis, glacial lake outburst floods typically occur in the late summer or early autumn and last for several hours to a day with peak discharges of 40 to 110 m3/s. This inflow has a beneficial effect for the hydropower companies whose reservoirs act as mitigators of downstream hazards for communities.