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URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-16552
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2008/1655/


Blume, Theresa

Hydrological processes in volcanic ash soils : measuring, modelling and understanding runoff generation in an undisturbed catchment

Hydrologische Prozesse in vulkanischen Ascheböden : Messung, Modellierung und Verständnis der Abflussbildung in einem ungestörten Einzugsgebiet

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Dokument 1.pdf (11.388 KB) (SHA-1:ceda824cf61c673576c7f5bd54ec9dbb4f8e912b)


Kurzfassung in Englisch

Streamflow dynamics in mountainous environments are controlled by runoff generation processes in the basin upstream. Runoff generation processes are thus a major control of the terrestrial part of the water cycle, influencing both, water quality and water quantity as well as their dynamics. The understanding of these processes becomes especially important for the prediction of floods, erosion, and dangerous mass movements, in particular as hydrological systems often show threshold behavior. In case of extensive environmental changes, be it in climate or in landuse, the understanding of runoff generation processes will allow us to better anticipate the consequences and can thus lead to a more responsible management of resources as well as risks.

In this study the runoff generation processes in a small undisturbed catchment in the Chilean Andes were investigated. The research area is characterized by steep hillslopes, volcanic ash soils, undisturbed old growth forest and high rainfall amounts.
The investigation of runoff generation processes in this data scarce area is of special interest as a) little is known on the hydrological functioning of the young volcanic ash soils, which are characterized by extremely high porosities and hydraulic conductivities, b) no process studies have been carried out in this area at either slope or catchment scale, and c) understanding the hydrological processes in undisturbed catchments will provide a basis to improve our understanding of disturbed systems, the shift in processes that followed the disturbance and maybe also future process evolution necessary for the achievement of a new steady state. The here studied catchment has thus the potential to serve as a reference catchment for future investigations.

As no long term data of rainfall and runoff exists, it was necessary to replace long time series of data with a multitude of experimental methods, using the so called "multi-method approach". These methods cover as many aspects of runoff generation as possible and include not only the measurement of time series such as discharge, rainfall, soil water dynamics and groundwater dynamics, but also various short term measurements and experiments such as determination of throughfall amounts and variability, water chemistry, soil physical parameters, soil mineralogy, geo-electrical soundings and tracer techniques. Assembling the results like pieces of a puzzle produces a maybe not complete but nevertheless useful picture of the dynamic ensemble of runoff generation processes in this catchment. The employed methods were then evaluated for their usefulness vs. expenditures (labour and financial costs). Finally, the hypotheses - the perceptual model of runoff generation generated from the experimental findings - were tested with the physically based model Catflow. Additionally the process-based model Wasim-ETH was used to investigate the influence of landuse on runoff generation at the catchment scale.

An initial assessment of hydrologic response of the catchment was achieved with a linear statistical model for the prediction of event runoff coefficients. The parameters identified as best predictors give a first indication of important processes. Various results acquired with the "multi-method approach" show that response to rainfall is generally fast. Preferential vertical flow is of major importance and is reinforced by hydrophobicity during the summer months. Rapid lateral water transport is necessary to produce the fast response signal, however, while lateral subsurface flow was observed at several soil moisture profiles, the location and type of structures causing fast lateral flow on the hillslope scale is still not clear and needs to be investigated in more detail. Surface runoff has not been observed and is unlikely due to the high hydraulic conductivities of the volcanic ash soils. Additionally, a large subsurface storage retains most of the incident rainfall amount during events (>90%, often even >95%) and produces streamflow even after several weeks of drought. Several findings suggest a shift in processes from summer to winter causing changes in flow patterns, changes in response of stream chemistry to rainfall events and also in groundwater-surface water interactions. The results of the modelling study confirm the importance of rapid and preferential flow processes. However, due to the limited knowledge on subsurface structures the model still does not fully capture runoff response. Investigating the importance of landuse on runoff generation showed that while peak runoff generally increased with deforested area, the location of these areas also had an effect.

Overall, the "multi-method approach" of replacing long time series with a multitude of experimental methods was successful in the identification of dominant hydrological processes and thus proved its applicability for data scarce catchments under the constraint of limited resources.

Kurzfassung in Deutsch

Die Abflussdynamik in Mittel- und Hochgebirgen wird durch die Abflussbildungsprozesse im Einzugsgebiet bestimmt. Diese Prozesse kontrollieren damit zu großen Teilen den terrestrischen Teil des Wasserkreislaufs und beeinflussen sowohl Wasserqualität als auch
-quantität. Das Verständnis von Abflussbildungsprozessen ist besonders wichtig für die Vorhersage von Hochwasser, Erosion und Massenbewegungen (z.B. Erdrutsche) da hydrologische Systeme oft Schwellenwertverhalten aufweisen. Im Falle weit reichender Umweltveränderungen, wie z.B. Klima- oder Landnutzungsänderungen kann das Verständnis der Abflussbildungsprozesse ein verantwortungsvolleres Management sowohl der Ressourcen als auch der Risiken ermöglichen.

In dieser Studie wurden die Abflussbildungsprozesse in einem kleinen, anthropogen unbeeinflussten Einzugsgebiet in den Chilenischen Anden untersucht. Das Untersuchungsgebiet ist durch steile Hänge, vulkanische Ascheböden, ungestörten Naturwald und hohe Niederschlagsmengen charakterisiert. Die Erforschung von Abflussbildungsprozessen ist hier von besonderem Interesse, da a) wenig über das hydrologische Verhalten der hochporösen und hochleitfähigen jungen Ascheböden bekannt ist, b) in dieser Region bisher keine Studien auf Hang- oder Einzugsgebietsskala durchgeführt wurden, und c) das Prozessverständnis in ungestörten Einzugsgebieten als Basis zum besseren Verständnis bereits anthropogen beeinflusster Gebiete dienen kann. Das hier untersuchte Gebiet hat daher das Potential zum Referenzgebiet für zukünftige Studien und Forschungsprojekte.

Bedingt durch die Kürze der vorliegenden Abfluss- und Niederschlagszeitreihen war es nötig, den bestehenden Datenmangel durch eine Vielzahl von experimentellen Methoden und Ansätzen auszugleichen. Dieser Ansatz wird im Folgenden der "Multi-Methoden-Ansatz" genannt. Die ausgewählten Methoden sollten dabei so viele Aspekte der Abflussbildung abdecken wie möglich. Es wurden daher nicht nur Zeitreihen von Abfluss, Niederschlag, Bodenfeuchte- und Grundwasserdynamik gemessen, sondern auch eine große Zahl an Kurzzeitmessungen und Experimenten durchgeführt. Diese beinhalteten u.a. Messung des Bestandesniederschlags, Bestimmung der Wasserchemie, Bestimmung bodenphysikalischer Parameter und der Bodenmineralogie, sowie geophysikalische Messungen und Tracermethoden. Die Synthese der Resultate gleicht dem Zusammensetzen eines Puzzles. Das so entstandene Bild des dynamischen Prozess-Ensembles ist trotz möglicher fehlender Puzzlestücke hochinformativ. In einem nächsten Schritt wurden die ausgewählten Methoden im Hinblick auf Erkenntnisgewinn und Kosten (d.h. finanzielle Kosten und Arbeitszeit) evaluiert. Das durch die experimentellen Ergebnisse gewonnene Bild der Abflussbildung wurde anschließend mit Hilfe des physikalisch basierten Modells Catflow überprüft. Weiterhin wurde mit dem prozessbasierten Modell Wasim-ETH der Einfluss der Landnutzung auf die Abflussbildung auf Einzugsgebietsskala untersucht.

Die Ergebnisse des "Multi-Methoden-Ansatzes" zeigen, dass die Abflussreaktion in diesem Gebiet sehr schnell erfolgt. Vertikales präferenzielles Fliessen ist hier von großer Bedeutung und wird in den Sommermonaten noch durch Hydrophobizitätseffekte verstärkt. Schneller lateraler Fluss im Untergrund ist eine weitere Vorraussetzung für die schnelle Reaktion des Abflusses (Oberflächenabfluss ist hier aufgrund der hohen hydraulischen Leitfähigkeiten unwahrscheinlich). Obwohl bei der Untersuchung der Bodenfeuchtedynamik in einigen Profilen laterale Fließmuster beobachtet wurden, ist die Art und Lage der Untergrundstrukturen, die auf der Hangskala schnellen lateralen Fluss verursachen, noch unklar und sollte genauer untersucht werden. Die Tatsache, dass bei Niederschlagsereignissen der Großteil der Niederschlagsmenge nicht zum Abfluss kommt (>90%, oft auch >95%), sowie der kontinuierliche Abfluss selbst nach Wochen der Trockenheit, lassen auf einen großen unterirdischen Speicher schließen. Der Wechsel von Winter (nass) zu Sommer (trocken) scheint Veränderungen im Prozess-Ensemble hervorzurufen, die sich in der Änderung von Fließmustern, von Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen, sowie veränderter Reaktion der Wasserchemie auf Niederschlagsereignisse beobachten ließ.
Die Modellstudie bestätigte die Bedeutung der schnellen Fließwege. Als Folge von Informationsdefiziten über die Strukturen des Untergrunds ließ sich jedoch die Abflussbildung noch nicht vollständig reproduzieren. Die Untersuchung zur Bedeutung der Landnutzung für die Abflussbildung mit Hilfe eines Einzugsgebietsmodells zeigte die Zunahme der maximalen Abflüsse mit zunehmender Entwaldung. Weiterhin erwies sich auch die Lage der abgeholzten Flächen als ein wichtiger Faktor für die Abflussreaktion.

Der "Multi-Methoden-Ansatz" lieferte wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Abflussbildungspozesse in den Anden Südchiles und zeigte sich als adäquates Mittel für hydrologische Prozess-Studien in datenarmen Gebieten.

Freie Schlagwörter (Deutsch): Abflussbildungsprozesse , vulkanische Ascheböden , ungesättigte Zone , Chile
Freie Schlagwörter (Englisch): hydrological processes , data scarcity , volcanic ash soils , subsurface flow , Chile
RVK - Regensburger Verbundklassifikation: RW 50351
Institut: Institut für Geoökologie
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: a Dissertation
Hauptberichter: Bronstert, Axel (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2007
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 29.02.2008
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