- for Dutch, scroll down -

"In modern warfare, rivers continue to be used not only as the frontlines, but increasingly as weapons", said IGB researcher Dr Oleksandra Shumilova, lead author of the study. In Ukraine, dams on the Irpen, Oskil and Inhulets rivers have been deliberately destroyed since 2022, and the power plants of several other large reservoirs have been damaged. The destruction of the Kakhovka dam was the most dramatic event, attracting the attention of the international community and the scientific community. Its reservoir, located at the downstream end of the Dnipro reservoir cascade, stored 18 cubic kilometres of water used for multiple purposes, including water supply, agriculture and industry.  

The destruction of the Kakhovka dam led to the draining of the reservoir, causing flooding downstream and polluting the freshwater and marine environment. An international research team investigated the ecological impact of the dam's destruction. "The task was not trivial, however, as the scale of the impact exceeded all known dam failures and targeted dam removal projects by several orders of magnitude. This was further complicated by restrictions on field observations and measurements due to the ongoing combat", said IGB researcher Dr Alexander Sukhodolov, co-lead author of the study. 

Catastrophic flood  

Damage of the dam led to the release of 16.4 cubic kilometres of water into the Dnipro-Bug estuary and then into the Black Sea, which continued for 2 weeks. Overall, 110,000 people and 60,000 buildings were affected. The researchers performed numerical modelling of flow hydrodynamics for the area downstream of the dam at the maximum of flood: Strong turbulence developed between the floodplain and the main channel, leading to the washing out of reed-belt vegetation, with debris scattered 250 kilometres along the coastline. The flood created a freshwater plume with high concentrations of pollutants which, as it spread across the Black Sea shelf, reduced salinity and affected benthic organisms. 

Toxic time bomb: around 83.3 thousand tonnes of heavy metals in the exposed sediment 

Upstream of the dam, an area of 1,944 square kilometres of the reservoir bottom was suddenly exposed. To put this in perspective, this is about 80 percent of the area of Luxembourg. The results of the study highlight an overlooked problem – the exposed sediment will act as a long-term source of heavy metal pollution. Since the 1950s, the Kakhovka reservoir has accumulated about 1.3 - 1.7 cubic kilometres of fine silt eroded from the banks. This giant sponge has accumulated pollutants from industrial and agricultural areas in the Dnipro catchment. According to estimates based on pre-disaster field sediment sampling combined with post-disaster remote sensing results, the exposed sediments are contaminated with approximately 83.3 thousand tonnes of highly toxic heavy metals such as lead, cadmium and nickel. "Our analysis suggests that less than one per cent of the reservoir’s sediments are likely to have been released during the drainage process. Surface runoff and seasonal flooding can lead to erosion of contaminated soils and increase the concentration of pollutants in river waters and in temporarily flooded areas", said co-author Dr Natalia Osadcha from the Hydrometeorological Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. 

Nature returns quickly: Restoration of floodplain vegetation equivalent to 80% of an undammed ecosystem expected within five years 

Within the former reservoir, the river has returned to its historic course, although some large ponds have formed. Scientists were concerned about what would happen over such a large area? "Understanding how the ecosystem recovers after extreme events is a task for predictive ecology and can be understood from the basic principles of self-organisation", explained Oleksandra Shumilova. The period when the reservoir was drained in June coincided with the period of seed dispersal by typical riparian plants such as willows and poplars. Prior to drainage, seeds settled on the surface of the water and were then transported long distances by the ebbing water and trapped in cracks in the sediment. Within 3 months, about 18 percent of the former reservoir bed was covered by pioneer vegetation, which also showed extremely high growth rates. The results suggest that a floodplain vegetation equivalent to 80 percent of an undammed ecosystem can be expected within five years.  

What can we learn from the Kakhovka reservoir case and what's the future?  

"The lessons learned from the case of the Kakhovka reservoir in Ukraine are valuable for understanding ecosystem processes in rivers with planned dam removals, which are now being addressed in Europe and the USA. In addition, the framework developed provides insights into how unexpected dam failures can be assessed and what tools and approaches are available. This is important to consider in view of the ageing of dams and related water infrastructure", commented IGB researcher Prof. Hans-Peter Grossart, a senior author of the study.  

While the war continues, discussions have begun among decision-makers, scientists and water experts about the future of the Kakhovka dam. Opinions differ on whether the dam should be rebuilt: without it, the river's ecosystem would quickly return to its pre-dam state, but heavy metals could spread through food webs.  The authors suggest that the release of pollutants could be controlled by building two temporary barriers, 15 kilometres long, separating the main channel from the two largest wetlands.  

Any plans to restore Ukraine's conflict-damaged water ecosystems depend on an end to the war, but there remains a significant risk of new missile attacks on dams in the Dnipro and Dniester cascades. "If more dams are attacked, the consequences for people and the environment could be catastrophic, as the collapse of the Kakhovka dam showed. The protection of dams in areas used for military purposes should be a priority of international law, as conflict-related dam failures can have far-reaching and long-term environmental consequences", concluded Dr Oleksandra Shumilova. 

The genesis of the paper: 

An early warning of the potential dangers associated with the destruction of large dams and reservoirs in Ukraine was given by IGB scientists in the article published in the journal Nature Sustainability, which assessed the military impact and threats after the first three months of the Russian-Ukrainian armed conflict. Not surprisingly, when the Kakhovka dam collapsed, the research team was asked to comment on the ecological consequences of this disaster. To address these challenges, the IGB initiative group organized a workshop that brought together leading scientists from Ukrainian research institutions and scientists from Germany, the USA, the Netherlands, Turkey and Argentina. Having a team with different expertise and perspectives allowed us to develop a methodological framework to link field observations, remote sensing, numerical and analytical modelling to gain a better understanding of the spatio-temporal scales of this disaster and to outline trends in the recovery of damaged ecosystems. 

Water in oorlog: de langetermijngevolgen voor het milieu door de vernietiging van de Kakhovka-dam in Oekraïne 

Wanneer infrastructuur en waterbronnen in gewapende conflicten opzettelijk worden vernietigd, wordt water misbruikt als wapen. Het aanhoudende gewapende conflict in Oekraïne heeft ook gevolgen voor waterbronnen en infrastructuur. In juni 2023 stortte de Kakhovka-dam, die het water van een van Europa's grootste reservoirs vasthoudt, in als gevolg van militaire schade. Onderzoekers onder leiding van het Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) hebben nu een studie gepubliceerd over de ecologische gevolgen van de instorting van de dam in het tijdschrift Science. De resultaten laten zien dat de toxische vervuiling van de drooggevallen sedimenten van de voormalige stuwmeerbedding een bedreiging vormt voor de lange termijn, die grotendeels over het hoofd is gezien. Volgens het onderzoek bevat het nu aan de lucht blootgestelde sediment ongeveer 83,3 duizend ton zware metalen. De onderzoekers trekken ook parallellen met de potentiële gevaren van verouderende dammen.  

“In moderne oorlogsvoering worden rivieren niet alleen gebruikt als frontlinies, maar ook steeds meer als wapens,” zegt IGB-onderzoeker dr. Oleksandra Shumilova, hoofdauteur van het onderzoek. In Oekraïne zijn dammen in de Irpen, Oskil en Inhulets sinds 2022 opzettelijk verwoest en zijn de centrales van verschillende andere grote stuwmeren beschadigd. De vernietiging van de Kakhovka-dam was de meest dramatische gebeurtenis. Dit trok dan ook de aandacht van de internationale gemeenschap en de wetenschappelijke gemeenschap. Het reservoir, gelegen aan het stroomafwaartse einde van de waterval van het Dnipro-reservoir, sloeg 18 kubieke kilometer water op dat voor verschillende doeleinden werd gebruikt. Een paar van die doeleinden zijn watervoorziening, landbouw en industrie.  

De vernietiging van de Kakhovka-dam leidde tot het leeglopen van het reservoir, waardoor stroomafwaarts overstromingen ontstonden en het zoetwater- en mariene milieu werd vervuild. Een internationaal onderzoeksteam onderzocht de ecologische gevolgen van de vernietiging van de dam. “De taak was niet eenvoudig, want de omvang van de gevolgen overtrof alle bekende damdoorbraken en gerichte damverwijderingsprojecten met verschillende ordes van grootte. Dit werd verder bemoeilijkt door beperkingen op veldwaarnemingen en metingen vanwege de voortdurende strijd in het gebied,” aldus IGB-onderzoeker dr. Alexander Sukhodolov, coauteur van het onderzoek. 

Catastrofale overstroming  

Beschadiging van de dam leidde tot het vrijkomen van 16,4 kubieke kilometer water in de riviermond van de Dnipro-Bug en vervolgens in de Zwarte Zee. Dit hield twee weken aan. In totaal werden 110.000 mensen en 60.000 gebouwen getroffen. De onderzoekers hebben een numerieke modellering van de hydrodynamica van de stroming uitgevoerd voor het gebied stroomafwaarts van de dam, op het maximum van de overstroming. Er ontstond sterke turbulentie tussen de uiterwaarden en het hoofdkanaal, wat leidde tot het wegspoelen van rietvegetatie. Hierbij werd puin 250 kilometer langs de kustlijn verspreid. De overstroming veroorzaakte een zoetwaterpluim van verontreinigende stoffen die het zoutgehalte in het Zwarte Zee-plateau verlaagde en invloed had op waterorganismen. 

Giftige tijdbom: ongeveer 83,3 duizend ton zware metalen in het blootgestelde sediment 

Stroomopwaarts van de dam werd een bodemgebied van 1.944 vierkante kilometer van het reservoir blootgelegd. Om dit in perspectief te plaatsen: dat is ongeveer 80% van de oppervlakte van Luxemburg. De resultaten van het onderzoek benadrukken een over het hoofd gezien probleem: het sediment dat door het weggestroomde water nu blootligt, zal op lange termijn een bron van vervuiling met zware metalen zijn. Sinds de jaren 1950 heeft het Kakhovka reservoir ongeveer 1,3 - 1,7 kubieke kilometer fijn slib verzameld dat van de oevers is afgeslepen. Deze reusachtige spons heeft verontreinigende stoffen uit industriële en landbouwgebieden in het stroomgebied van de Dnipro opgehoopt. Volgens schattingen is het sediment vervuild met ongeveer 83,3 duizend ton zeer giftige zware metalen zoals lood, cadmium en nikkel. Deze schattingen zijn gebaseerd op basis van sedimentbemonstering in het veld vóór de ramp in combinatie met teledetectie resultaten na de ramp. “Onze analyse suggereert dat minder dan één procent van de sedimenten van het reservoir waarschijnlijk is vrijgekomen tijdens het drainageproces. Oppervlaktespoeling en overstromingen in de nattere seizoenen kunnen leiden tot erosie van vervuilde bodems, waardoor de concentratie van vervuilende stoffen in rivierwater en tijdelijk overstroomde gebieden wordt verhoogd,” aldus coauteur dr. Natalia Osadcha van het Hydrometeorological Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. 

De natuur keert snel terug: Herstel van uiterwaardenvegetatie gelijk aan 80% van een onbedijkt ecosysteem verwacht binnen vijf jaar 

Hoewel er zich enkele nieuwe grote vijvers hebben gevormd, heeft de rivier binnen het voormalige stuwmeer zijn historische loop teruggekregen. Wetenschappers vroegen zich af wat er in zo'n groot gebied zou gebeuren. “Begrijpen hoe het ecosysteem zich herstelt na extreme gebeurtenissen is een taak voor de voorspellende ecologie en kan worden begrepen vanuit de basisprincipes van zelforganisatie,” legt Oleksandra Shumilova uit. De periode waarin het reservoir in juni werd drooggelegd, viel samen met de periode van zaadverspreiding door typische oeverplanten zoals wilgen en populieren. Vóór de drooglegging vestigden de zaden zich op het wateroppervlak en werden vervolgens over grote afstanden getransporteerd en gevangen in scheuren in het sediment. Binnen 3 maanden was ongeveer 18% van de voormalige bedding van het reservoir bedekt met pioniervegetatie, die ook extreem hoge groeisnelheden vertoonde. De resultaten suggereren dat binnen vijf jaar een uiterwaardenvegetatie kan worden verwacht die gelijk is aan 80% van een onbedijkt ecosysteem. 

Wat kunnen we leren van het geval van het Kakhovka stuwmeer en wat is de toekomst?  

“De lessen die we hebben geleerd uit de casus van het Kakhovka-reservoir in Oekraïne zijn waardevol voor het begrijpen van ecosysteemprocessen in rivieren waar plannen zijn om een dam te verwijderen, wat nu op een aantal plekken in Europa en de VS het geval is. Daarnaast biedt het ontwikkelde kader inzicht in hoe onverwachte dambreuken kunnen worden beoordeeld en welke instrumenten en benaderingen beschikbaar zijn. Dit is belangrijk om in overweging te nemen met het oog op de veroudering van dammen en gerelateerde waterinfrastructuur,” aldus IGB-onderzoeker prof. Hans-Peter Grossart, een van de hoofdauteurs van het onderzoek.  

Terwijl de oorlog voortduurt, zijn er discussies begonnen tussen beleidsmakers, wetenschappers en waterexperts over de toekomst van de Kakhovka-dam. De meningen lopen uiteen over de vraag of de dam herbouwd moet worden. Zonder de dam zou het ecosysteem van de rivier snel terugkeren naar de toestand van voor de dam, maar zware metalen zouden zich kunnen verspreiden via het voedselweb.  De auteurs suggereren dat het vrijkomen van verontreinigende stoffen onder controle kan worden gehouden door twee tijdelijke barrières van 15 kilometer lang te bouwen die het hoofdkanaal scheiden van de twee grootste wetlands. 

Plannen om de beschadigde waterecosystemen in Oekraïne te herstellen hangen af van het einde van de oorlog, maar er blijft een aanzienlijk risico op nieuwe raketaanvallen op dammen in de Dnipro- en Dnjesterstroomcascades. “Als er meer dammen worden aangevallen, kunnen de gevolgen voor mens en milieu catastrofaal zijn, zoals de instorting van de Kakhovka dam liet zien. De bescherming van dammen in gebieden die voor militaire doeleinden worden gebruikt zou een prioriteit moeten zijn van het internationaal recht, omdat door conflicten veroorzaakte dambreuken verstrekkende en langdurige gevolgen voor het milieu kunnen hebben”, concludeerde dr. Oleksandra Shumilova. 

Het ontstaan van het artikel: 

Een vroegtijdige waarschuwing voor de potentiële gevaren in verband met de vernietiging van grote dammen en reservoirs in Oekraïne werd gegeven door IGB-wetenschappers in het artikel dat werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Sustainability. Hierin werden de militaire impact en bedreigingen na de eerste drie maanden van het Russisch-Oekraïense gewapende conflict beoordeeld. Toen de Kakhovka-dam instortte, werd het onderzoeksteam dan ook gevraagd om commentaar te geven op de ecologische gevolgen van deze ramp. Om deze uitdagingen aan te gaan, organiseerde de IGB-initiatiefgroep een workshop die vooraanstaande wetenschappers van Oekraïense onderzoeksinstellingen en wetenschappers uit Duitsland, de VS, Nederland, Turkije en Argentinië samenbracht. Dankzij een team met verschillende expertise en perspectieven konden zij een methodologisch kader ontwikkelen om veldwaarnemingen, teledetectie, numerieke en analytische modellering te koppelen om een beter inzicht te krijgen in de spatio-temporele schalen van deze ramp en om trends te schetsen in het herstel van beschadigde ecosystemen.