Characterization of hydrological processes in a Mediterranean mountain research catchment by combining distributed hydrological measurements and environmental tracers
Authors:   , Roig Planasdemunt Maria 
Published: July 2023

The main objective of this thesis is to characterize hydrological processes in a Mediterranean mountain catchment, by combining distributed hydrological measurements and environmental tracers in order to improve the understanding of catchment hydrological function.
During the period 2009-2013 hydrological data were collected from the Vallcebre Research Catchments, monitored since 1996 by the Surface Hydrology and Erosion group of the IDAEA-CSIC. Data include, in addition to rainfall and discharge measurements, distributed hydrological measurements and environmental tracers (both geochemical and isotope ones) at different time scales (seasonal to event scale).
With this information, this study first investigates the spatial and temporal variability of the depth to water table during rainfall-runoff events. The results show that the depth to water table did not rise uniformly throughout the catchment during rainfall-runoff events. The spatial variability of depth to water table was mainly controlled by location characteristics, especially the piezometer distance from the stream, which influenced the distribution of wetness conditions within the catchment. The wetness conditions in turn affected the timing of the water table response, as well as the magnitude of the streamflow response. Spatio-temporal water table variability during floods varied, depending on the catchment's antecedent wetness conditions
Dissolved organic carbon (DOC) concentration dynamics in different hydrological compartments were also analysed (rainfall, soil water, groundwater and stream water) at different time scales (seasonal to event scale). The results show some seasonality in rainwater and soil water DOC concentrations, while no clear seasonality was found in stream water and groundwater, where DOC dynamics were strongly related to discharge and water table variations. During storm events, DOC concentrations increased systematically in stream water. In addition, for storm events with several discharge peaks, the slope of the discharge/DOC concentration relationship was higher for the first peak. The increase in stream water DOC concentration during floods suggested a relevant contribution of soil water, as well as the existence of stream water DOC sources near or in the stream bed. The rather similar dynamics of stream water DOC concentration in all floods contrasted with the diversity of hydrological processes observed. This raises the question of the origin of the rapid DOC increase found and the validity of the use of DOC as a tracer.
Finally, water mean transit time (MTT) was calculated in different hydrological compartments of the catchment, using stable isotopes (δ18O and δ2H) and tritium. The use of δ18O signal variations in rainfall and in the sampled hydrological compartments showed some limitations on water age calculation in the catchment studied: it only indicated that MTT was greater than two years. The use of a new methodology (TEPMGLUE) to calculate MTT using tritium allowed consideration of different sources of uncertainty in water age determination, as well as evaluation of the benefit of using samples of different ages and of differing analytical quality. The results showed similar MTT calculations, whether including only the water samples taken in the 1990s or using all samples (1996-1998 and 2013). However, when calculating MTT with only high analytical quality samples taken in 2013, two different MTTs were obtained. The MTT results showed that, in the Vallcebre catchments, well water was the youngest, followed by stream and spring water. The study also showed the relevance of the rainfall tritium input function to MTT calculations. Finally, results showed that topography did not affect MTT spatial distribution, whereas geological settings did.
L'objectiu de la tesi doctoral és millorar la caracterització dels processos hidrològics de les
conques mediterrànies de muntanya utilitzant mesures hidrològiques distribuïdes i traçadors ambientals, amb la finalitat de comprendre'n el funcionament hidrològic.
Durant el període 2009-2013 es van recollir dades hidrològiques de les conques
d'investigació de Vallcebre, monitoritzades des de 1996 pel grup d’Hidrologia Superficial i
Erosió del IDAEA-CSIC. Les dades inclouen, a més a més de registres de precipitacions i cabal, mesures hidrològiques distribuïdes i de dades de traçadors ambientals (geoquímics i isotòpics) a diferents escales temporals (estacional i d'esdeveniment).
A partir d’aquesta informació s'ha analitzat, en primer lloc, la dinàmica espaciotemporal del nivell freàtic durant els episodis de pluja. Els resultats mostren que, durant aquests episodis, el nivell freàtic no reacciona de manera homogènia a tota la conca. La variabilitat espaial del nivell freàtic està molt afectada per les característiques de la localització de cada piezòmetre, especialment la distància al torrent, que té un paper essencial en la distribució de les condicions d'humitat de la conca. Aquestes condicions d'humitat, a la vegada, afecten al temps de resposta del nivell freàtic i a la magnitud de la resposta hidrològica. Segons les condicions d'humitat de la conca, la variabilitat espaciotemporal del nivell freàtic durant esdeveniments és diferent. En condicions seques, la variabilitat espaciotemporal del nivell freàtic és alta al llarg de tot l'esdeveniment. L'escolament es genera principalment per la contribució de les àrees que
estan a prop del torrent. En canvi, en condicions de transició i especialment en condicions
d'humitat, la variabilitat espaciotemporal del nivell freàtic és menor i respon de forma més
ràpida, i produeix una resposta hidrològica major a escala de conca.
Tot seguit, s'ha analitzat la dinàmica de la concentració de carboni orgànic dissolt (DOC) en diferents compartiments hidrològics (aigua de pluja, aigua del sòl, aigua subterrània i aigua del torrent) i a diferents escales temporals (estacional i d'esdeveniment). Els resultats mostren una variació estacional de la concentració de DOC a l'aigua de pluja i a la del sòl; però no s'aprecia aquesta estacionalitat a l'aigua subterrània i a la del torrent, a causa de que la concentració de DOC als dos compartiments està relacionada amb la dinàmica del nivell freàtic i la del cabal. A escala d’esdeveniment s'observa un augment sistemàtic de la concentració de DOC al torrent. A més a més, en els esdeveniments de diversos pics de cabal el pendent de la relació cabal/concentració de DOC sempre és major al primer pic. Aquest augment de la concentració de DOC al cabal durant els esdeveniments suggereix una contribució rellevant de l’aigua del sòl, però també l'existència de fonts de DOC pròximes al torrent o del mateix llit del torrent.
D'altra banda, la relativa semblança de la dinàmica del DOC en el torrent durant esdeveniments de diferent magnitud i amb processos hidrològics contrastats molt diferents, planteja la qüestió de l'origen de l'augment de DOC i el seu possible ús com a traçador.
Per últim, s'ha realitzat el càlcul del temps mitjà de trànsit (MTT) de l'aigua als diferents
compartiments hidrològics de la conca utilitzant, primer, els isòtops estables (δ18O i δ2H), i segon, el triti. L'ús de la variació del senyal isotòpic del δ18O a l'aigua de pluja i a diferents compartiments d'aigua mostrejats presenta limitacions a la conca d'estudi; únicament permet demostrar que el MTT de les aigües és major de dos anys. L'ús d'una nova metodologia (TEPMGLUE) per calcular el MTT, utilitzant el triti, permet considerar diferents fonts d'incertesa i avaluar l'ús de mostres d'edats diferents i de diferent precisió analítica. Els resultats revelen que s'obtenen valors de MTT similars, tant utilitzant mostres dels anys noranta, com totes les mostres disponibles (1996-1998 i 2013). En canvi, quan únicament es calcula el MTT utilitzant les mostres del 2013 s'obtenen dos valors de MTT molt diferents. Els resultats de l’estudi també mostren que a les conques de Vallcebre l'aigua més jove és la dels pous, seguida de l'aigua del torrents i la de les fonts. L'estudi també demostra el paper rellevant de la funció d'entrada de triti amb la pluja per calcular el MTT. Per últim, els resultats suggereixen que la topografia no afecta la distribució espaial del MTT de la conca, però sí la geologia.
Tots els resultats d'aquesta tesi aporten informació addicional sobre el funcionament
hidrològic de les conques de Vallcebre, i a més a més suggereixen noves línies d'investigació
El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la caracterización de los procesos hidrológicos de las cuencas Mediterráneas de montaña, utilizando mediciones hidrológicas distribuidas y trazadores ambientales, con la finalidad de comprender mejor su funcionamiento hidrológico.
Durante el período 2009-2013 se recogieron datos hidrológicos de las cuencas de
investigación de Vallcebre, monitorizadas desde 1996 por el grupo de Hidrología superficial y Erosión del IDAEA-CSIC. Los datos incluyen, además del registro de precipitaciones y caudales, mediciones hidrológicas distribuidas y datos de trazadores ambientales (geoquímicos e isotópicos) a diferentes escalas temporales (estacional y de crecida).
Con esta información, se ha analizado en primer lugar la dinámica espacio-temporal del
nivel freático durante las crecidas. Los resultados muestran que durante las crecidas el nivel freático no reacciona de forma homogénea en toda la cuenca. La variabilidad espacial del nivel freático está muy afectada por las características de la localización de cada piezómetro, especialmente la distancia al cauce que tiene un papel esencial en la distribución de las condiciones de humedad de la cuenca. Estas condiciones de humedad, a su vez, afectan al tiempo de respuesta del nivel freático y a la magnitud de la respuesta hidrológica. Según las condiciones de humedad de la cuenca la variabilidad espacio-temporal del nivel freático durante la crecida es diferente. En condiciones secas la variabilidad espacio-temporal del nivel freático es alta a lo largo de toda la crecida. En estas condiciones, la escorrentía se genera principalmente por la contribución de las áreas próximas al cauce. En cambio, en condiciones de transición y especialmente en condiciones húmedas, la variabilidad espacio-temporal del nivel freático es menor y su respuesta es mas rápida, produciendo una mayor respuesta hidrológica en la cuenca.
Seguidamente, se ha analizado la dinámica de la concentración del carbono orgánico
disuelto (DOC) en diferentes compartimentos (agua de lluvia, agua del suelo, agua subterránea y agua del cauce) a diferentes escalas temporales (estacional y de crecida). Los resultados indican una variación estacional de la concentración de DOC en el agua de lluvia y en la del suelo. Sin embargo, no se aprecia esta estacionalidad en el agua subterránea y en la del cauce, debido a que la concentración de DOC en estos compartimentos está relacionada con la dinámica del nivel freático y del caudal. Durante las crecidas se observa un aumento sistemático de la concentración de DOC en el cauce. Además en las crecidas con varios picos de caudal el pendiente de la relación caudal/concentración de DOC es siempre mayor en el primer pico. El aumento de la concentración de DOC en el cauce durante las crecidas sugiere una contribución relevante del agua del suelo, pero también la existencia de fuentes de DOC próximas al cauce o en el mismo lecho. La relativa similitud de la dinámica del DOC en el cauce durante eventos de distinta magnitud y con procesos hidrológicos contrastados muy distintos, plantea la cuestión del origen del aumento de DOC y su posible utilización como trazador.
Por último, se ha realizado el cálculo del tiempo medio de transito (MTT) del agua, en
diferentes compartimentos hidrológicos de la cuenca utilizando, primero, isótopos estables
(δ18O y δ2H), y después el tritio. El uso de la variación de la señal isotópica del δ18O en el agua de lluvia y en los diferentes compartimentos de agua muestreados muestra sus limitaciones en la cuenca de estudio; solo permite demostrar que el MTT es mayor de dos años. El uso de una nueva metodología (TEPMGLUE) para calcular el MTT usando el tritio, permite considerar diferentes fuentes de incertidumbre y evaluar el uso de muestras de edades diferentes y con distinta precisión analítica. Los resultados revelan que se obtienen valores de MTT similares, tanto utilizando muestras de los años noventa, como todas las muestras disponibles (1996-1998 y 2013). Sin embargo, cuando se calcula el MTT utilizando solo muestras del 2013 se obtienen dos valores de MTT muy distintos. Los resultados de MTT muestran que en las cuencas de Vallcebre el agua es más jóven en los pozos, seguida del agua de los cauces y la de las fuentes.
El estudio también demuestra el papel relevante de la función de entrada de tritio en la lluvia para el cálculo del MTT. Por último, los resultados sugieren que la topografía no afecta la distribución espacial del MTT en la cuenca, pero sí la geología.
Todos los resultados de esta tesis aportan información adicional sobre el funcionamiento
hidrológico de las cuencas de Vallcebre, además sugieren nuevas líneas de investigación.