Improving the conceptualization of the streamflow Travel Time Distribution and its estimation from isotopic tracers
Creators: name: Rodriguez, Nicolas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: hydrology
catchment
isotope
tracer
probability distribution function
mathematical model
age
transit time
travel time
residence time
water
stream

description: Wasser, das durch hydrologische Landschaften (wie Einzugsgebiete) fließt, benötigt unterschiedlich lange, um den nächsten 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 über Transitzeitverteilungen sind entscheidend für ein besseres Wasserressourcenmanagement, weil sie Einblicke in Fließwege und –geschwindigkeiten in hydrologischen Systemen gewähren. Außerdem sind sie entscheidend bei der Steuerung hydrologischer Modelle zur Simulation von Wasserqualität. Transitzeitverteilungen in Flüssen werden über hydrologische Tracer, wie die stabilen Isotope von Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H), abgeschätzt. Detaillierte Eigenschaften der Transitzeitverteilungen, wie deren Form, Statistik, und zeitliche Variabilität, sind nicht vollkommen entschlüsselt und die Faktoren, die diese Eigenschaften beeinflussen, sind nicht klar identifiziert. Darüber hinaus gibt es keine Rahmenvereinbarungen für die Schätzung instationärer Transitzeitverteilungen sowie deren Anwendung bei der Modellierung des Transports von Isotopentracern. Diese Einschränkungen haben ihren Ursprung zum Teil in der weit verbreiteten Verwendung einfacher stationärer Transitzeitverteilungsmodelle, die aus niedrig aufgelösten Tracerdaten der letzten Jahrzehnte abgeleitet wurden. Die meisten Transitzeit-Studien basieren auf zweiwöchentlichen oder monatlichen Daten stabiler Isotope, die meist über 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 berücksichtigt. Das alles überspannende Ziel dieser Arbeit ist es, zu verstehen, was die Form und zeitliche Variabilität von Transitzeitverteilungen beeinflusst und wie sie aus Tracerdaten abgeleitet werden können. Dafür werden theoretische Untersuchungen, experimentelle Arbeit (Feld- und Laborarbeit), sowie Modellierung auf eine Weise kombiniert, die weit über bisherige Arbeiten hinausgeht. In luxemburgischen Untersuchungsgebieten wurden über zwei Jahre Isotopentracer ($^2$H, $^{18}$O, $^3$H) im Niederschlag und Abfluss in hoher Auflösung (mehrere Messungen pro Tag) gemessen. Basierend auf den theoretischen und experimentellen Grundlagen, insbesondere unter Berücksichtigung des in Luxemburg erhobenen Isotopendatensatzes, wurden verbesserte Parametrisierungen von Transitzeitverteilungen und neue analytische Modelle vorgeschlagen. Es wurde eine Methode zur Einschätzung von Informationen über das Alter des Wassers über einen „dual-isotopischen“-Ansatz (unter Verwendung von $^2$H und $^3$H) vorgeschlagen, um aufkommende Missverständnisse über die Grenzen der stabilen Isotope von O und H im Vergleich zu $^3$H aufzuklären. Die Arbeit dieser Dissertation zeigt, dass die Transitverteilungen des Wassers vielfältigere Formen und komplexere Variabilitäten haben können, als in Studien des letzten Jahrzehnts angenommen wurde. Im mediterranen Klima kann es beispielsweise bei übergängen zwischen Sommer und Winter zu komplexen Mustern des Wasseralters kommen. überlagerte Abflussbildungsprozesse unterschiedlicher Fließwege oder -geschwindigkeiten können multimodale Transitzeitverteilungen generieren, die verschiedene Altersspitzen enthalten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass nur Tracer, die in Kombination verwendet werden, so wie $^2$H und $^3$H, helfen können, um multiple Spitzen der Transitzeitverteilungen und deren langen Auslaufkurven, die mit altem Wasser assoziiert werden, zu entschlüsseln. Akkurate Transitzeitverteilungen des Abflusses werden bald zu einem wesentlichen Konzept für die Bemühungen von Entscheidungsträgern im Wassermanagement werden, eine Minderung der Wasserqualität einzudämmen. Die effizientere und präzisere Bestimmung von instationären Transitzeitverteilungen des Abflusses über Isotopentracer und ihre in dieser Arbeit vorgeschlagene verbesserte Parametrisierung ebnen den Weg für ein ganzheitliches Verständnis von Wasserfließwegen und Wasserqualität in Einzugsgebieten.