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Faculty for Biology, Chemistry, and Earth Sciences

Department of Hydrology - Prof. Dr. Stefan Peiffer

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Fleckenstein, JH; Frei, S; Peiffer, S; Lischeid, G: Dynamik des Oberflächen-Grundwasseraustausches, Abflussbildung, und Verweilzeiten in einem Niedermoor mit Mikrotopographie
Talk, Hydrology Day, Technical University of Braunschweig, Braunschweig: 2010-03-25 - 2010-03-26

Abstract:
Die Interaktion zwischen Vorfluter und vorfluternahem Bereich (riparian zone) während Niederschlagsereignissen unterschiedlicher Intensität, wird nach wir vor nur unzureichend verstanden. Chemische Daten weisen auf die Existenz definierter Fließwege hin, die den Austausch zwischen Uferzone und Vorfluter bestimmen. 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 Oberflächen¬wasser und Grundwasser beeinflusst werden. 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. 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, wie sie typischerweise in Feuchtgebieten anzutreffen sind, für beobachtete, nicht-lineare Effekte der Abflussgenerierung 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. Simulationsergebnisse bestätigen die postulierte Hypothese. Im Feld beobachtete nichtlineare, 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 Ent¬wässerungsnetzen 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. Diese Verweilzeitenverteilungen haben wiederum eine große Bedeutung für die Ausbildung biogeochemischer Prozessmuster im Niedermoor und dem damit verbundenen Austrag bestimmter Stoffe. Literatur Carle, S.F. & Fogg, G.E. (1996) Transition Probability-Based Indicator Geostatistics, Mathematical Geology 28(4):453-476. 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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