Hydropower induced supersaturation in freshwaters: effects on ecosystems, mitigation and solutions

Elver er viktige økosystemer som tilbyr økosystemtjenester og er hotspots for biologisk mangfold. Likevel står elvene overfor mange menneskeskapte påvirkninger og er under hardt press, inkludert påvirkninger fra vannkraft. Vannkraft tilbyr ren energi, men medfører kostnader for økosystemer. Mange av vannkraftens påvirkninger er kjente. Overmetning av løste gasser representerer en mindre kjent påvirkning. I vannkraftverk oppstår denne gassovermetningen når luft blir mettet i vannet under høyt trykk. Vann med gassovermetning kan skade vannlevende dyr i elvestrekninger nedstrøms vannkraftverket ved at dyrene danner bobler i vevet, tilsvarende som dykkersyke hos mennesker. Metningen av gasser er sjelden høyere enn 100 % i elver, men gassovermetning kan forekomme naturlig, spesielt nedstrøms fossefall. I vannkraftverk kan gassovermetning oppstå når luft suges inn i tunnelsystemet og løses i vann under høyt trykk. Dette fenomenet er kritisk for bærekraftig drift siden eksponering for mer enn 110 % gassovermetning kan skade vannlevende organismer ved at de danner bobler i vevet, tilsvarende dykkersyke hos mennesker. Med den forventede globale økningen i vannkraft er det avgjørende å finne hvordan gassovermetning påvirker økosystemet og å hindre at gassovermetning oppstår. Dette er spesielt viktig i Norge siden mange gamle vannkraftkonsesjoner nå skal revideres. Prosjektet SUPERSAT hadde som mål å grundig studere gassovermetning i sammenheng med vannkraft. Prosjektet identifiserte at metning er mest vanlig i elvekraftverk, spesielt de med bekkeinntak og Francis-turbiner. I en norsk elv målte vi opp til 230% gassovermetning. Faktorer som lufting av turbinrom, blokkerte inntaksskjermer eller luft som suges inn i dypere elvedammer bidrar også til metningen. Basert på denne informasjonen utviklet vi en modell for å identifisere vannkraftverk som kan produsere overmetning. Modellen klassifiserte 473 anlegg i Norge (28% av kraftverkene) med høy risiko for å produsere gassovermetning og betydelige andeler av kraftverkene i Tyskland og Østerrike som høy eller moderat risiko. Kontrollmålinger i felt bekreftet at modellen var nøyaktig. Et hovedmål i SUPERSAT var å finne biologiske effekter forårsaket av gassovermetning. Våre studier i laboratoriet viste varierende følsomhet blant bunndyr. Av ni arter fikk syv økt oppdrift under gassovermetning og fløt på vannoverflaten. Fire av artene hadde økt dødelighet. Dette indikerer potensielle økologiske konsekvenser, som redusert tetthet og endret artssammensetning i elver som er påvirket av gassovermetning. Labforsøk med fisk viste at sensitivitet for gassovermetning var avhengig både av art og livsstadium. Hos Atlanterhavslaks var eggeplommesekklarver minst følsomme for overmetning, mens presmolt var mest følsomme. Ørekyte var mindre følsomme enn laks, ørret og regnbueørret. Brunørret som overlevde gassblæresyke viste ingen symptomer etter en uke i normalt vann. Vi studerte også samspillet mellom forsuring og gassovermetning hos laks og fant ingen additiv stresspåvirkning. Feltstudier av fisk og bunndyr bekreftet resultatene fra laboratoriet. En annen studie av brunørrets atferd og følsomhet for gassovermetning i elver viste at fisken sannsynligvis ikke kan sanse og oppdage overmettet vann, men unngår høy dødelighet ved at den naturlig bruker dypere deler av elven. I SUPERSAT undersøkte vi også bekymringer for at gassovermetning kan føre til problemvekst av vannplanter gjennom økt tilgang på CO2, eller føre til økt oksygenproduksjon under fotosyntese som dermed bidrar til enda høyere gassovermetning. Vi fant at fotosyntesen sannsynligvis utgjør minimal ytterligere risiko. Overmetning økte heller ikke fotosyntesen hos vannplanter Når det gjelder tekniske løsninger, fant vi at praktiske og kostnadseffektive tiltak mot overmetning inkluderer å vurdere design under planlegging av nye kraftverk og å implementere stedsspesifikke tilpasninger ved eksisterende anlegg. Numeriske modelleringer som testet tiltak, fant effektive endringer som bidrar til å redusere gassovermetning i sjakter der overmetningen oppstår. Som konklusjon har SUPERSAT gitt omfattende ny kunnskap om miljørisikoer knyttet til gassovermetning, og utbredelsen av gassovermetning. Prosjektet viser at det er et stort behov for at forvaltningen innfører reguleringer som beskytter økosystemer mot effektene av gassovermetning nedstrøms vannkraftverk. Prosjektets funn gir innsikt i hvordan slike tiltak kan implementeres.

We are confident that the results from SUPERSAT will have a lasting impact. The project has emphasized scientific quality throughout and provided many new insights into the prevalence, biological effects, and dynamics of gas supersaturation. Many of the results, first discovered in SUPERSAT, such as ecosystem effects, fill knowledge gaps and will be highly noticeable in the scientific community. At least 12 scientific papers are expected to emerge from the project, with four already published and five submitted. We have established protocols for managing supersaturation and have invited users (policy makers, management authorities, and industry) to an end-of-project workshop in 2024. Here, we will present results and invite users to provide comments and feedback. The results and the workshop will form the basis for a white paper detailing project background, key findings, and suggestions on how to address gas supersaturation in connection with hydropower plants, including known cases, causes, biological thresholds, and abatement measures. Regarding the anticipated significance for society and sustainability in the industry, the results are highly valuable. They support the need for implementing mitigation measures in hydropower plants and provide insights into technical solutions for the industry and guidance for management on how such measures can be implemented. We have raised awareness of the problem through a series of talks to researchers, the industry, management, and the general public on results from SUPERSAT. As a result, we are now collaborating closely with the hydropower industry across Norway to measure gas supersaturation and reduce its biological effects. Throughout the project, we have provided training to personnel, who have developed profound knowledge on this issue in particular and on sustainability in freshwaters in general. The project has also involved one post-doc and two master's students who conducted their projects and training within SUPERSAT. Both popular and scientific dissemination of the project results will continue in the coming years to maintain public awareness.

Hydropower is the main source of energy supply in Norway and is predicted to increase by 73 % worldwide in the next 10-20 years. Adverse environmental impacts from hydropower production, such as fish migration barriers, changes in sediment dynamics and altered discharge regimes, are known and addressed in Norway. However, impact caused by supersaturation of dissolved gasses (TDGS) is mostly overlooked. It occurs when entrained air dissolve in water under high pressure in the tunnel system of hydropower plants. The water becomes supersaturated when the hydrostatic pressure decreases as the water exists the tunnel. Exposure to TDGS negatively affects aquatic biota primarily through the formation of bubbles (gas bubble disease). This causes acute fish kills or sub-lethal effects, such as increased susceptibility to diseases and changes in behaviour and habitat use. During the most recent years, TDGS has been detected in several Norwegian rivers and preliminary studies indicate adverse effects on the fauna. However, the extent and biological effects in Norway and most other parts of the world are unknown. Especially, little ittle is known about the effects and the sensitivity involved for species in European rivers. The overall aim of SUPERSAT is to reveal biological impacts of gas supersaturation at the individual and community scales and identify effective mitigation measures. We will find the extent of TDGS in Europe and identify hydrological events causing TDGS in hydropower plants with the aim of improving technical solutions to avoid TDGS. Hence, the project will deliver the basis for mitigation and improved solutions supporting a more sustainable and environment-friendly development of the hydropower industry.