Improving the conceptualization of the streamflow Travel Time Distribution and its estimation from isotopic tracers

Wasser, das durch hydrologische Landschaften (wie Einzugsgebiete) fliest, benotigt unterschiedlich lange, um den nachsten Fluss zu erreichen. In anderen Worten: das Wasser im Fluss besteht aus einer Verteilung von Wasser verschiedenen Alters. Transitzeitverteilungen (engl.: Travel Time Distributions (TTDs)) charakterisieren die Transitzeiten des Wassers bis zum Abfluss aus einem Einzugsgebiet und beschreiben, wie Einzugsgebiete Wasser speichern und abgeben, das vor Tagen, Monaten und Jahren als Niederschlag gefallen ist. Kenntnisse uber Transitzeitverteilungen sind entscheidend fur ein besseres Wasserressourcenmanagement, weil sie Einblicke in Flieswege und –geschwindigkeiten in hydrologischen Systemen gewahren. Auserdem sind sie entscheidend bei der Steuerung hydrologischer Modelle zur Simulation von Wasserqualitat. Transitzeitverteilungen in Flussen werden uber hydrologische Tracer, wie die stabilen Isotope von Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H), abgeschatzt. Detaillierte Eigenschaften der Transitzeitverteilungen, wie deren Form, Statistik, und zeitliche Variabilitat, sind nicht vollkommen entschlusselt und die Faktoren, die diese Eigenschaften beeinflussen, sind nicht klar identifiziert. Daruber hinaus gibt es keine Rahmenvereinbarungen fur die Schatzung instationarer Transitzeitverteilungen sowie deren Anwendung bei der Modellierung des Transports von Isotopentracern. Diese Einschrankungen haben ihren Ursprung zum Teil in der weit verbreiteten Verwendung einfacher stationarer Transitzeitverteilungsmodelle, die aus niedrig aufgelosten Tracerdaten der letzten Jahrzehnte abgeleitet wurden. Die meisten Transitzeit-Studien basieren auf zweiwochentlichen oder monatlichen Daten stabiler Isotope, die meist uber einen Zeitraum von weniger als zwei Jahren aufgenommen wurden. Dementsprechend wurde die zeitliche Varianz der Transitzeitverteilung in den meisten analytischen Transitzeitverteilungsmodellen, mit denen die Tracer Zeitreihen verglichen wurden, nicht berucksichtigt. Das alles uberspannende Ziel dieser Arbeit ist es, zu verstehen, was die Form und zeitliche Variabilitat von Transitzeitverteilungen beeinflusst und wie sie aus Tracerdaten abgeleitet werden konnen. Dafur werden theoretische Untersuchungen, experimentelle Arbeit (Feld- und Laborarbeit), sowie Modellierung auf eine Weise kombiniert, die weit uber bisherige Arbeiten hinausgeht. In luxemburgischen Untersuchungsgebieten wurden uber zwei Jahre Isotopentracer ($^2$H, $^{18}$O, $^3$H) im Niederschlag und Abfluss in hoher Auflosung (mehrere Messungen pro Tag) gemessen. Basierend auf den theoretischen und experimentellen Grundlagen, insbesondere unter Berucksichtigung des in Luxemburg erhobenen Isotopendatensatzes, wurden verbesserte Parametrisierungen von Transitzeitverteilungen und neue analytische Modelle vorgeschlagen. Es wurde eine Methode zur Einschatzung von Informationen uber das Alter des Wassers uber einen „dual-isotopischen“-Ansatz (unter Verwendung von $^2$H und $^3$H) vorgeschlagen, um aufkommende Missverstandnisse uber die Grenzen der stabilen Isotope von O und H im Vergleich zu $^3$H aufzuklaren. Die Arbeit dieser Dissertation zeigt, dass die Transitverteilungen des Wassers vielfaltigere Formen und komplexere Variabilitaten haben konnen, als in Studien des letzten Jahrzehnts angenommen wurde. Im mediterranen Klima kann es beispielsweise bei ubergangen zwischen Sommer und Winter zu komplexen Mustern des Wasseralters kommen. uberlagerte Abflussbildungsprozesse unterschiedlicher Flieswege oder -geschwindigkeiten konnen multimodale Transitzeitverteilungen generieren, die verschiedene Altersspitzen enthalten. Daruber hinaus wird gezeigt, dass nur Tracer, die in Kombination verwendet werden, so wie $^2$H und $^3$H, helfen konnen, um multiple Spitzen der Transitzeitverteilungen und deren langen Auslaufkurven, die mit altem Wasser assoziiert werden, zu entschlusseln. Akkurate Transitzeitverteilungen des Abflusses werden bald zu einem wesentlichen Konzept fur die Bemuhungen von Entscheidungstragern im Wassermanagement werden, eine Minderung der Wasserqualitat einzudammen. Die effizientere und prazisere Bestimmung von instationaren Transitzeitverteilungen des Abflusses uber Isotopentracer und ihre in dieser Arbeit vorgeschlagene verbesserte Parametrisierung ebnen den Weg fur ein ganzheitliches Verstandnis von Wasserflieswegen und Wasserqualitat in Einzugsgebieten.