Abstract:
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. ... mehrAußerdem 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.
Abstract (englisch):
Water travelling through hydrological landscapes (such as catchments) can take a variety of times before reaching a neighboring stream. In other words, water in streamflow has a distribution of ages. Travel time distributions (TTDs) characterize the water ages in catchment outflows and are fundamental descriptions of how catchments store and release water that entered days, months, and years ago as precipitation. TTDs are essential for a better management of water resources because they give insights about water flow paths and velocity in hydrological systems, and they are key to gear hydrological models towards water quality simulations. ... mehrStreamflow TTDs have been estimated from hydrological tracers like stable isotopes of oxygen (O) and hydrogen (H) for more than 50 years. Yet, the detailed characteristics of the TTDs such as their shape, statistics, and their time variability are not fully deciphered, and the factors controlling these characteristics are not clearly identified. In addition, no general agreement exists regarding the estimation of unsteady streamflow TTDs from isotopic tracers or about their use to model the transport of tracers. This incomplete understanding partly stems from the prevalence of simple steady-state TTD models deduced from low resolution tracer data in the last decades. Most streamflow travel time studies relied on bi-weekly or monthly stable isotope data generally sampled over less than two years. Accordingly, the time variance of streamflow TTDs mostly remained unacknowledged in the analytical TTD models that were tested against the tracer time series. The overarching objective of this thesis is to understand what controls the shape and time variability of the streamflow TTD, and how it can be determined from tracer data.
This is achieved with a combination of theoretical investigations, experimental (field and laboratory) work, and modeling efforts to go beyond previous limitations. Isotopic tracers ($^2$H, $^{18}$O, and $^3$H) were collected at high frequency (sub-daily) in precipitation and streamflow of experimental catchments in Luxembourg over 2 years. Improved parameterizations of streamflow TTDs and novel analytical models were proposed based on theoretical and experimental grounds, notably using the acquired isotopic data set in Luxembourg. A method to leverage water age information from a dual-isotopic approach (using both $^2$H and $^3$H) was suggested to clarify an emerging misunderstanding about the limitations of the stable isotopes of O and H compared to $^3$H. The work in this thesis shows that streamflow TTDs can have more varied shapes and more intricate variability than hypothesized in studies over the last decade. A Mediterranean climate can for example cause complex patterns of water ages released to the stream during transitions from summer to winter and vice versa. Superimposed streamflow generation processes associated either with contrasting flow paths or contrasting water velocities may generate multimodal TTDs containing several age peaks. It was also shown that only multiple tracers used jointly such as $^2$H and $^3$H can help to decipher the multiple peaks in the TTDs and their long tails associated with old water. Accurate streamflow TTDs will soon be a vital concept for water policy makers in their efforts to curb water quality degradation. The more efficient and more accurate determination of unsteady streamflow TTDs from isotopic tracers, and their improved parameterization proposed in this thesis pave the way for a holistic understanding of water flow paths and water quality in catchments.
