Event-Based Measurement and Mean Annual Flux Assessment of Suspended Sediment in Meso Scale Catchments

Eingriffe durch den Menschen haben den Sedimenthaushalt fluvialer Systeme grundlegend verändert, mit negativen ökologischen und wirtschaftlichen Folgen. Landwirtschaft und Abholzung haben das Ausmaß natürlicher Erosion mehr als verdoppelt, während große Staudämme mindestens 25% des global transportierten Sediments auffangen. Sediment ist ein Transportvektor für Schad- und Nährstoffe. Große Anteile der mittleren Jahresfracht werden in kurzen und häufig unzureichend beprobten Zeiträumen mit hohen Abflüssen transportiert. Genaue Schätzungen der mittleren Jahresfracht von suspendiertem Sediment (abfiltrierbare Stoffe) und partikulär transportierten Stoffen werden für mesoskalige Einzugsgebieten (50–250 km²) zur Bewirtschaftungsplanung und zur Plausibilisierung von flächendeckenden Stoffeintragsmodellen benötigt. ... mehrUm Hochwasserfrachten von abfiltrierbaren Stoffen und Phosphor zu erfassen, wurden großvolumige Sammler (LVS, Probevolumen = 1 m³) in drei mesoskaligen Einzugsgebieten unterschiedlicher klimatischer, pedologischer und landnutzungsbezogener Bedingungen zur abflussproportionalen Beprobung installiert. Aus dem höchsten gemessenen Abfluss im Beprobungszeitraum und der mittleren Ereigniskonzentration wurde ein neuartiger Ansatz zur Erstellung von Konzentrationsschlüsselkurven entwickelt. So konnten Frachten berechnet und mit Berechnungen auf Basis von Einzelbeprobungen verglichen werden. Der LVS erwies sich an zwei Standorten als robust gegenüber veränderlichen Abflussbedingungen, konnte am dritten Standort wegen technischer Mängel aber keine Hochwassermessungen durchführen. An diesem Standort wurde der Sedimentkörper des unterliegenden Stausees als Bezugswert verwendet. Die Berechnungen auf Basis von Einzelbeprobungen sind systematisch zu niedrig. Der Fehler wird durch die spezifische Sedimentfracht, den Grad der Assoziation zu Partikeln und die Volatilität der Abflüsse bestimmt. Ein existierender Abflussvolatilitätsindex (FFI) wurde zu einem Frachtvolatilitätsindex (LFI) angepasst um die Kürze von hohen Abflüssen und deren Bedeutung für die Gesamtfracht in einer Kennzahl zu vereinen. Die Beprobung mit dem LVS und die Anwendung der Schlüsselkurven wird für frachtvolatile Einzugsgebiete und Parameter, zur Begrenzung von Analysekosten sowie in Fällen empfohlen, wenn in-situ gemessene Näherungsparameter nicht angemessen sind. Durch Frachtmessungen und –modellierung wurden Defizite beim Stoffeintragsmodell deutlich, die größtenteils auf den Eintragspfad Erosion und dessen statische Konnektivitätsansätze des Einzugsgebiets zurückgehen. Entgegen der derzeitig üblichen Praxis müssen Beprobungsstrategien der Frachtvolatilität angepasst werden, um Eintragsmodelle aussagekräftig Plausibilisieren zu können. Zusätzlich wurde eine neue wartungsarme Methode zur autonomen, kontaktlosen Reflektanzmessung entwickelt und mit Trübungsmessungen und Schätzungen durch Schlüsselkurven verglichen. Während mehrerer Messkampagnen auf einem Stausee konnten durch Reflektanzmessungen in einer Regression der partiellen kleinsten Quadrate hohe Anpassungsgüten für Gesamtphosphor und abfiltrierbare Stoffe erreicht werden. Dauermessungen am Fluss wurden durch veränderliche Lichtbedingungen im Tages- und Jahresverlauf eingeschränkt und konnten die Frachtermittlung in elf Validierungsmessungen nicht verbessern. Trübemessungen und Schlüsselkurven auf Basis von Einzelbeprobungen konnten Ereignisfrachten ebenfalls nicht angemessen nachzeichnen, LVS-Schlüsselkurven erzielten die höchste Güte. Reflektanzmessungen haben Vorzüge hinsichtlich des niedrigen Wartungsbedarfs und der gleichzeitigen Bestimmung mehrerer Parameter.
Ihr Potential sollte mit künstlicher Beleuchtung sowie an größeren Gewässern mit niedrigerer Volatilität und optisch Tiefen Bedingungen weiter getestet werden. Optische Messmethoden können wichtige Informationen liefern, benötigen aber spezielle Fachkenntnis und Kalibrationsmessungen über die volle Breite des Messbereichs. Die explizite Beprobung von Hochwasserereignissen kann diese Daten liefern und zugleich Frachtabschätzungen verbessern, weshalb sie stets in Beprobungsprogramme integriert werden müssen. Während der LFI zur Priorisierung der Standorte genutzt werden kann, liefern LVS-Beprobungen und LVS-Frachten eine aussagekräftige und zugleich anwendbare Beobachtungsskala, die für die Wiedergabe der partikulären Frachtprozesse in mesoskaligen Einzugsgebieten benötigt wird. Die breite Implementierung dieser Beprobungstechnik sollte daher geprüft werden.

Humans substantially interfere with the sediment household of fluvial systems, which has negative environmental and economic consequences. Agriculture and deforestation more than doubled global natural erosion while large dams trap at least 25% of the sediment flux to the global ocean. Sediment is a vector for pollutants and nutrients, transporting large shares of their annual budget during short and often poorly monitored periods of extreme flow. Precise estimates of mean annual fluxes of suspended sediment and particle-bound substances are needed on the scale of meso catchments (50-250 km²) for supporting management decisions and area-wide emission model validation. ... mehrFor covering high-flow transport of sediment and phosphorous, large volume samplers (LVS, composite sample volume = 1 m³) were installed to in three meso catchments of different climatic, pedologic and land use characteristics to sample discharge-proportionally. A novel approach to construct event-based rating curves from LVS measurements was developed, based on event mean concentration and the highest discharge in the period. Subsequently calculated LVS fluxes were compared to grab sampling based assessments and modeled emissions. The LVS proved to be robust towards different flow conditions at two of the sites and failed due to technical problems at the third site, where the sediment stock of a downstream reservoir serves as an additional reference. Grab sampling assessments are biased low. The bias is driven by sediment yield, particle-association of the parameter and flow flashiness. The existing flow flashiness index (FFI) was modified into a load flashiness index (LFI) to generalize shortness and flux contribution of high-flow events. LVS sampling and LVS rating curves are recommended for load-flashy catchments and parameters; when cost of analysis must be minimized and when in-situ proxies are inadequate. By measuring and modeling fluxes, deficiencies in the emission model were revealed and largely attributed to the erosion pathway’s static catchment connectivity assessment. To provide meaningful model validation, sampling strategies must be adapted to load flashiness, which is usually not considered. In addition, a new low-maintenance method for autonomous above-water reflectance measurements was established and compared to turbidimetry and rating curve assessments. In several reservoir campaigns, reflectance and partial least squares regression showed high predictive abilities for total phosphorous and suspended sediment surface concentration. River reflectance monitoring was limited by changing light conditions throughout the day and year and did not improve flux assessments in eleven LVS validation events. Turbidity and grab sampling rating curves were also unable to represent event fluxes, while LVS rating curves performed best. Reflectance monitoring is beneficial in terms of maintenance and multi-parameter retrieval. It may be employed with artificial lighting and at larger streams with lower flashiness and optically deep conditions. Optical methods can provide critical information, but require expertise and calibration samples across the desired range. Specifically sampling high flows provides this as well as better flux estimates and must therefore be integrated in sampling strategies. While the LFI guides site prioritization, LVS sampling and LVS fluxes provide a meaningful yet applicable observation scale required to represent particulate flux processes for meso catchments, and should therefore be considered for widespread implementation.