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Faculty for Biology, Chemistry, and Earth Sciences

Department of Hydrology - Prof. Dr. Stefan Peiffer

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Frei, S*; Fleckenstein, JH; Knorr, KH; Peiffer, S: Die Bedeutung der hydrologischen Verweilzeit für das biogeochemische Prozessgeschehen in Niedermooren.
invited Talk, Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft 2010, Bayreuth: 2010-05-10 - 2010-05-12

Abstract:
Die Interaktion zwischen Vorfluter und vorfluternahem Bereich (riparian zone) während Niederschlagsereignissen unterschiedlicher Intensität, wird nach wir vor nur unzureichend verstanden (Taylor (1997), Laudon et al. (2004) und Kværner & Kløve (2008))). Chemische Daten weisen auf die Existenz definierter Fließwege hin, die den Austausch zwischen Uferzone und Vorfluter bestimmen (Lischeid et al. 2002 und Lischeid et al. (2007)). Dynamik und Einfluss der verschiedenen Fließwege auf die Abflussgenerierung und Wasserqualität lassen sich jedoch sowohl mess‐ als auch modelltechnisch nur sehr schwer erfassen. Chemische und hydrometrische Daten aus einem vorfluternahen Niedermoor deuten darauf hin, dass sowohl die Wasserqualität als auch die Abflussgenerierung während intensiver Niederschlagsereignissen, maßgeblich von der Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflusst werden (Lischeid et al. 2002, Lischeid et al. (2007), Alewell et al. (2007) und Lischeid & Bittersohl (2008)) . Die für Abflussgenerierung und Gewässergüte wichtigsten Prozesse finden dabei in der ufernahen Zone statt. Die Signatur des Abflusses während Starkniederschlagsereignissen, weist beispielsweise häufig eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie Wasser der ufernahen Zone auf (Lischeid et al. 2002 und Lischeid et al. (2007)). Der Abfluss aus dieser Zone scheint dabei häufig ohne nennenswerten Zeitversatz zu den Niederschlägen mobilisiert zu werden. In dieser Studie wird die Hypothese untersucht, dass mikrotopografische Strukturen (Hollow und Hummock Sequenzen), wie sie typischerweise in Feuchtgebieten anzutreffen sind, heterogene Strömungsmuster im Untergrund induzieren, die maßgeblich das biogechmische Prozessgeschehen im Niedermoor mitbestimmen und für die Ausprägung von räumlicher biogeochemischer Heterogenität (spatial patchiness) verantwortlich sind. Dabei wird ein prozessorientiertes, hydrologisches Modell (HydroGeoSphere, Therrien et al. (2008)) verwendet, das in der Lage ist, die Interaktionen zwischen Niederschlag, vorfluternahem Feuchtgebiet und Vorfluter prozessbasiert zu repräsentieren. Mikrotopographische Strukturen werden mittels geostatistischer Simulation (TPROGS, Carle & Fogg (1996)), die mit Felddaten konditoniert sind, generiert und in das hydrologische Model implementiert. Die Modellauflösung von 10m x 20m x 2m bei einer Gitterweite von etwa 0,1m ermöglicht es, Oberflächenstrukturen zu repräsentieren, die in hydrologischen Abflussmodellen üblicherweise vernachlässigt werden. Damit ist eine realitätsnahe Wiedergabe der Stömungsbedingungen an der Oberfläche und im oberflächennahen Untergrund sowie der kleinräumigen Interaktionen zwischen beiden Zonen möglich. Im Feld beobachtete nicht‐lineare, hysteretische Beziehungen zwischen Grundwasserstand im Niedermoor und generiertem Abfluss werden von dem Modell adequat wiedergegeben. Die natürliche Abfolge von Niederschlägen unterschiedlicher Intensität über den Verlauf eines Jahres führt im Modell zur temporären Ausprägung von spezifischen oberflächlichen Entwässerungsnetzen variabler Ausdehnung, deren Enstehung und Entwicklung die Abflussgenerierung maßgeblich bestimmt. Damit verbunden entstehen zeitlich dynamische, flachgründige und tiefergreifende Strömungszellen im Untergrund, die für eine große Spannbreite von Verweilzeiten verantworlich sind. Die Bedeutung der unterschiedlichen Strömungszellen, mit ihrer jeweiligen repräsentativen Verweilzeit, auf das biogeochemische Gefüge des Niedermoores, wird mit Hilfe von Particle Tracking Methoden sowie einer nachgeschaltetnen biogeochmischen Simulation untersucht. Dabei werden verschiedene biogeochemische Prozesse (aerobe Respiration, Denitrifikation, Fe‐Reduzierung sowie Sulfat Reduzierung) entlang einzelner, aus dem dreidimensionalen Fließfeld isolierter, Strömungspfade in Abhängigkeit von der lokalen Stoffverfügbarkeit (Elektronendonor/akzeptor), mit Hilfe des biogeochmischen Modells PhreeqC (Referenz), simuliert. Simulationsergebnisse zeigen das es aufgrund der oberflächlichen mikrotopographischen Strukturen und dem damit verbundenen heterogenen Strömungszellen, zur Ausprägung von biogeochemischen Hotspots, räumlich eng begrenzter Zonen mit besonders intensiver biogeochemischer Prozessaktivität, kommt. Das Auftreten bzw. die Abwesenheit dieser Hotspots lassen sich durch das komplexe Fließfeld und der damit verbundenen Stoffverfügbarkeit bzw. Limitierung (Elektronendonor/akzeptor) erklären. Literaturverzeichnis Alewell, C.; Paul, S.; Lischeid, G.; Storck, F. R. (2007), Co‐regulation of redox processes in freshwater wetlands as a function of organic matter availability?, Science of the Total Environment 404(2‐3):335– 342, doi:10.1016/j.scitotenv.2007.11.001. Carle, S.F.; Fogg, G.E. (1996), Transition Probability‐Based Indicator Geostatistics, Mathematical Geology 28(4):453–476. Kværner, J.; Kløve, B. (2008), Generation and regulation of summer runoff in a boreal flat fen, Journal of Hydrology(360):15–30, doi:10.1016/j.jhydrol.2008.07.009. Laudon, H.; Seibert, J.; Kohler, S.; Bishop, K. (2004), Hydrological flow paths during snowmelt: congruence between hydrometric measurements and oxygen 18 in meltwater, soil water, and runoff, Water Resources Research 40(3):W03102, doi:10.1029/2003WR002455. Lischeid, G.; Bittersohl, J. (2008), Tracing biogeochemical processes in stream water and groundwater using non‐linear statistics, Journal of Hydrology 357(1‐2):11–28, doi:10.1016/j.jhydrol.2008.03.013. Lischeid, G.; Kolb, A.; Alewell, C. (2002), Apparent translatory flow in groundwater recharge and runoff generation, Journal of Hydrology 265(1‐4):195–211. Lischeid, G.; Kolb, A.; Alewell, C.; Paul, S. (2007), Impact of redox and transport processes in a riparian wetland on stream water quality in the Fichtelgebirge region, southern Germany, Hydrological Processes 21(1):123–132, 10.1002/hyp.6227. Taylor, C. H. (1997), Runoff processes in temperate headwater wetlands, Ecology of Wetlands and Associated Systems.(SK Majumdar, EW Miller and FJ Brenner, eds.) pp.169–181. Therrien, R.; McLaren, R.G.; Sudicky, E.A.; Panday, S.M. (2008), HydroGeoSphere A Three‐dimensional Numerical Model Describing Fully‐integrated Subsurface and Surface Flow and Solute Transport (Manual), Groundwater Simulations Group, University of Waterloo
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