Van Manh Nguyen

• The Mekong Delta (MD) sustains the livelihood and food security of millions of people in Vietnam and Cambodia. It is known as the “rice bowl” of South East Asia and has one of the world’s most productive fisheries. Sediment dynamics play a major role for the high productivity of agriculture and fishery in the delta. However, the MD is threatened by climate change, sea level rise and unsustainable development activities in the Mekong Basin. But despite its importance and the expected threats, the understanding of the present and future sediment dynamics in the MD is very limited. This is a consequence of its large extent, the intricate system of rivers, channels and floodplains and the scarcity of observations. Thus this thesis aimed at (1) the quantification of suspended sediment dynamics and associated sediment-nutrient deposition in floodplains of the MD, and (2) assessed the impacts of likely future boundary changes on the sediment dynamics in the MD. The applied methodology combines field experiments and numerical simulation toThe Mekong Delta (MD) sustains the livelihood and food security of millions of people in Vietnam and Cambodia. It is known as the “rice bowl” of South East Asia and has one of the world’s most productive fisheries. Sediment dynamics play a major role for the high productivity of agriculture and fishery in the delta. However, the MD is threatened by climate change, sea level rise and unsustainable development activities in the Mekong Basin. But despite its importance and the expected threats, the understanding of the present and future sediment dynamics in the MD is very limited. This is a consequence of its large extent, the intricate system of rivers, channels and floodplains and the scarcity of observations. Thus this thesis aimed at (1) the quantification of suspended sediment dynamics and associated sediment-nutrient deposition in floodplains of the MD, and (2) assessed the impacts of likely future boundary changes on the sediment dynamics in the MD. The applied methodology combines field experiments and numerical simulation to quantify and predict the sediment dynamics in the entire delta in a spatially explicit manner. The experimental part consists of a comprehensive procedure to monitor quantity and spatial variability of sediment and associated nutrient deposition for large and complex river floodplains, including an uncertainty analysis. The measurement campaign applied 450 sediment mat traps in 19 floodplains over the MD for a complete flood season. The data also supports quantification of nutrient deposition in floodplains based on laboratory analysis of nutrient fractions of trapped sedimentation.The main findings are that the distribution of grain size and nutrient fractions of suspended sediment are homogeneous over the Vietnamese floodplains. But the sediment deposition within and between ring dike floodplains shows very high spatial variability due to a high level of human inference. The experimental findings provide the essential data for setting up and calibration of a large-scale sediment transport model for the MD. For the simulation studies a large scale hydrodynamic model was developed in order to quantify large-scale floodplain sediment dynamics. The complex river-channel-floodplain system of the MD is described by a quasi-2D model linking a hydrodynamic and a cohesive sediment transport model. The floodplains are described as quasi-2D presentations linked to rivers and channels modeled in 1D by using control structures. The model setup, based on the experimental findings, ignored erosion and re-suspension processes due to a very high degree of human interference during the flood season. A two-stage calibration with six objective functions was developed in order to calibrate both the hydrodynamic and sediment transport modules. The objective functions include hydraulic and sediment transport parameters in main rivers, channels and floodplains. The model results show, for the first time, the tempo-spatial distribution of sediment and associated nutrient deposition rates in the whole MD. The patterns of sediment transport and deposition are quantified for different sub-systems. The main factors influencing spatial sediment dynamics are the network of rivers, channels and dike-rings, sluice gate operations, magnitude of the floods and tidal influences. The superposition of these factors leads to high spatial variability of the sediment transport and deposition, in particular in the Vietnamese floodplains. Depending on the flood magnitude, annual sediment loads reaching the coast vary from 48% to 60% of the sediment load at Kratie, the upper boundary of the MD. Deposited sediment varies from 19% to 23% of the annual load at Kratie in Cambodian floodplains, and from 1% to 6% in the compartmented and diked floodplains in Vietnam. Annual deposited nutrients (N, P, K), which are associated to the sediment deposition, provide on average more than 50% of mineral fertilizers typically applied for rice crops in non-flooded ring dike compartments in Vietnam. This large-scale quantification provides a basis for estimating the benefits of the annual Mekong floods for agriculture and fishery, for assessing the impacts of future changes on the delta system, and further studies on coastal deposition/erosion. For the estimation of future prospects a sensitivity-based approach is applied to assess the response of floodplain hydraulics and sediment dynamics to the changes in the delta boundaries including hydropower development, climate change in the Mekong River Basin and effective sea level rise. The developed sediment model is used to simulate the mean sediment transport and sediment deposition in the whole delta system for the baseline (2000-2010) and future (2050-2060) periods. For each driver we derive a plausible range of future changes and discretize it into five levels, resulting in altogether 216 possible factor combinations. Our results thus cover all plausible future pathways of sediment dynamics in the delta based on current knowledge. The uncertainty of the range of the resulting impacts can be decreased in case more information on these drivers becomes available. Our results indicate that the hydropower development dominates the changes in sediment dynamics of the Mekong Delta, while sea level rise has the smallest effect. The floodplains of Vietnamese Mekong Delta are much more sensitive to the changes compared to the other subsystems of the delta. In terms of median changes of the three combined drivers, the inundation extent is predicted to increase slightly, but the overall floodplain sedimentation would be reduced by approximately 40%, while the sediment load to the Sea would diminish to half of the current rates. These findings provide new and valuable information on the possible impacts of future development on the delta, and indicate the most vulnerable areas. Thus, the presented results are a significant contribution to the ongoing international discussion on the hydropower development in the Mekong basin and its impact on the Mekong delta.…
• Das Mekong Delta bildet die Existenzgrundlage und Nahrungsquelle für mehrere Millionen Menschen in Vietnam und Kambodscha. Die Sedimentdynamik spielt in diesem Zusammenhang eine große Rolle für die Landwirtschaft und Fischerei im Delta. Klimawandel und zweifelhaft nachhaltige Entwicklungen im Mekong Einzugsgebiet können jedoch diese essentielle Grundlage gefährden. Trotz der hohen Bedeutung des Sedimenthaushaltes für das Delta ist jedoch das Wissen um die räumliche und zeitliche Dynamik der Sedimentdynamik und insbesondere der Sedimentation auf den Überflutungsflächen sehr begrenzt. Dies liegt zum einen an der hohen Komplexität des Deltas mit unzähligen Kanälen, Deichen und hydraulischen Strukturen, zum anderen an dem Mangel an Beobachtungsdaten. Die vorliegende Arbeit zielte daher auf a) die Schaffung einer quantitativen Datenbasis zur Sedimentation auf den Überflutungsflächen, b) auf eine modellbasierte Abschätzung der Sedimentation im gesamten Mekong Delta, und c) auf die Abschätzung des Einflusses relevanter Änderungen in denDas Mekong Delta bildet die Existenzgrundlage und Nahrungsquelle für mehrere Millionen Menschen in Vietnam und Kambodscha. Die Sedimentdynamik spielt in diesem Zusammenhang eine große Rolle für die Landwirtschaft und Fischerei im Delta. Klimawandel und zweifelhaft nachhaltige Entwicklungen im Mekong Einzugsgebiet können jedoch diese essentielle Grundlage gefährden. Trotz der hohen Bedeutung des Sedimenthaushaltes für das Delta ist jedoch das Wissen um die räumliche und zeitliche Dynamik der Sedimentdynamik und insbesondere der Sedimentation auf den Überflutungsflächen sehr begrenzt. Dies liegt zum einen an der hohen Komplexität des Deltas mit unzähligen Kanälen, Deichen und hydraulischen Strukturen, zum anderen an dem Mangel an Beobachtungsdaten. Die vorliegende Arbeit zielte daher auf a) die Schaffung einer quantitativen Datenbasis zur Sedimentation auf den Überflutungsflächen, b) auf eine modellbasierte Abschätzung der Sedimentation im gesamten Mekong Delta, und c) auf die Abschätzung des Einflusses relevanter Änderungen in den Randbedingungen auf die zukünftige Sedimentdynamik. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde die Sedimentation auf den Überflutungsflächen im vietnamesischen Teil des Deltas mittels Sedimentfallen, die über weite Bereiche des Deltas verteilt wurden, quantitativ inklusive einer Unsicherheitsabschätzung bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Sedimentation räumlich sehr stark variiert, verursacht durch die Komplexität und Diversität des hydraulischen Systems und insbesondere die menschliche Steuerung der hydraulischen Bauten. Die experimentellen Daten geben einen ersten Einblick in die räumliche Variabilität der Sedimentation im Mekong Delta, und bilden die Basis für die Kalibrierung des hydraulischen Modells im nächsten Schritt. Zusätzlich konnten auch die Nährstoffanteile im Sediment bestimmt werden, wodurch eine Basis zur Abschätzung des Nutzens der Sedimente für die Landwirtschaft gelegt wurde. Die Sedimentdynamik wurde mittels eines quasi-2D hydraulischen Modells, das mit einer Sedimenttransportroutine für kohäsive Sedimente gekoppelt wurde, simuliert. Hierbei wurden die hydraulische und die Sedimenttransportroutine unabhängig voneinander mit mehreren Optimierungsfunktionen und Stations-, Feld- und Fernerkundungsdaten kalibriert. Durch die Modellergebnisse konnte zum ersten Mal die räumliche und zeitliche Variabilität des Sedimenttansports und der Sedimentation quantifiziert werden. Diese großskalige Quantifizierung bildet zudem die Basis für eine ökonomische Nutzensabschätzung der Sedimente für die Landwirtschaft und Fischerei. Mittels des entwickelten und kalibrierten Modells konnten auch zukünftige Entwicklungen abgeschätzt werden. Hierzu wurde ein Verfahren basierend auf einem Sensitivitätsansatz implementiert, mittels dessen die Auswirkungen des Baus von Staudämmen im Mekong Einzugsgebiet, des Klimawandels auf den Abfluss und Sedimenttransport aus dem Mekong Einzugsgebiet und des effektiven Meeresspiegelanstiegs auf die Sedimentdynamik im Delta einzeln in verschiedenen Ausprägungsstufen als auch kombiniert quantifiziert werden konnte. Durch diese Kombinationen können alle möglichen zukünftigen Entwicklungen basierend auf dem jetzigen Kenntnisstand betrachtet werden. Von den betrachteten Faktoren hat der Bau von Staudämmen den größten Einfluss auf die Sedimentdynamik im Delta, insbesondere auf den vietnamesischen Teil des Deltas. Der Klimawandel hat das Potential diese Änderungen partiell zu dämpfen, aber auch zu verstärken. Die Änderungen im Meeresspiegel haben den geringsten Effekt, beschränken sich in den Auswirkungen auf den Vietnamesischen Teil und modulieren im Wesentlichen die Auswirkungen des Klimawandels. Diese Ergebnisse liefern somit neue quantitative Erkenntnisse zur möglichen zukünftigen Sedimentdynamik im Mekong Delta, identifiziert die verwundbarsten Regionen und trägt dadurch zur internationalen kontroversen Diskussion über die Auswirkungen des Staudammbaus im Mekong bei.…