Description: Die hydrologische Dynamik von Hängen, insbesondere des Zwischenabflusses (SSF), ist komplex und variiert in Raum und Zeit. Verfügbare Studien beschränken sich oft auf einzelne Hänge oder Niederschlagsereignisse, so dass die Übertragung dieser Erkenntnisse auf andere Einzugsgebiete mit großen Unsicherheiten verbunden ist. Eine Regionalisierung erfordert daher eine Quantifizierung der hydrologischen Dynamik von Hängen und der Faktoren, die die räumlichen und zeitlichen Muster des unterirdischen Zwischenabflusses beeinflussen. Eng mit der hydrologischen SSF-Dynamik verbunden ist der Export von organischem Kohlenstoff aus den Böden in den Vorfluter. Woher der Kohlenstoff aber genau kommt, ist noch weitgehend unklar, da die genauen Fließwege des SSF nicht bekannt sind.Wir schlagen daher einen kombinierten hydro-biogeochemischen Ansatz vor, der die Hanggrundwasserdynamik mit stabilen Wasserisotope und die wasserlösliche organische Substanz (WSOM; Konzentration, Absorption und Fluoreszenz) in 480 Standorten an 100 Hängen in vier Einzugsgebieten im Mittel- und Hochgebirge (Sauerland, Erzgebirge, Schwarzwald, Alpen) kombiniert. Ziel ist, empirische Beziehungen zwischen verschiedenen Hangformen (z.B. konvergente, divergente und planare Hangformen, Fließweglängen und Talformen), Gesteins- und Bodeneigenschaften und der Grundwasserdynamik abzuleiten, um die räumliche Variabilität und Stabilität von unterirdischen hydrologischen Prozessmustern (z.B. Fließrichtungen, Verweilzeiten, hydrochemische und biochemische Zusammensetzung) zu quantifizieren.Zur Identifizierung repräsentativer Hänge, werden vor der Instrumentierung eine GIS-basierte Landschaftsanalyse und Modellierung mit dem Abflussmodell RoGeR durchgeführt, die topografische, Boden- und Landnutzungsinformationen sowie die räumliche Verteilung von Gebieten, in denen eine Dominanz von SSF erwartet wird, einbeziehen. Die Grundwasserdynamik wird durch Messungen des durch SSF initiierten Grundwasserspiegels an insgesamt 480 Grundwasserrohren an den ausgewählten Hängen erfasst. An allen 480 Standorten werden zweimal (trockene und nasse Bedingungen) Bodenproben in 12 bzw. 6 Tiefen zur Bestimmung der stabile Isotope und WSOM entnommen, um die vertikalen und lateralen unterirdischen Fließwege sowie die räumliche Diskretisierung der Herkunftsräume für den SSF zu beurteilen. Die Analyse der Bodenproben erfolgt im Labor durch TOC-Analyzer, Fluoreszenz Spektrometrie und Isotopen-Analyzer. Der Einsatz von multivariaten statistischen Techniken und maschinellen Lernwerkzeugen wird helfen, zeitliche und räumliche Muster von unterirdischen hydrologischen Prozessen zu identifizieren. Mit dem Modell RoGeR werden zur Vorhersage von SSF-Flüssen, -Richtungen und -Dynamik die Konnektivität zwischen Hang und Bach untersucht, einschließlich der Ausdehnung der beitragenden Fläche. Diese Kenntnisse können nachfolgend zur Vorhersage des Transports von organischem Kohlenstoff vom Hang zum Bach verwendet werden.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Sauerland
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Schwarzwald
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Fluoreszenz
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Grundwasserdynamik
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Bach
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Organischer Kohlenstoff
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Erzgebirge
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Kohlenstoff
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Hydrogeologie
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Spektralanalyse
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Organisches Material
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Abflussmodell
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Bodenprobe
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Einzugsgebiet
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Grundwasserstand
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Hydrochemie
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Limnologie
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Siedlungswasserwirtschaft
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Studie
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Hochgebirge
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Modellierung
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Alpen
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Hydrologie
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Niederschlag
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Landschaftsanalyse
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Integrated Water Resources Management
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Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
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Urban Water Management
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Water Chemistry
?
Region:
Baden-Württemberg
Hessen
Bounding boxes:
9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°
9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
-
Umweltbundesamt (Bereitstellung)
-
Universität Freiburg, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Professur für Hydrologie (Projektverantwortung)
-
Universität Marburg, Fachgebiet Boden- und Hydrogeographie (Projektverantwortung)
-
Universität Wien, Institut für Geographie und Regionalforschung (Mitwirkung)
-
Universität Zürich, Geographisches Institut (Mitwirkung)
Time ranges:
2022-01-01 - 2025-08-18
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Sub project: SSF ANGLE - Comparing dynamics and pathways of subsurface stormflow among hillslopes
Description: Hydrological dynamics of hillslopes, particularly subsurface stormflow (SSF), are highly complex and variable in space and time. Frequently, available studies are often limited to single slopes or few storm events, so that the transfer of these findings to other slopes or catchments is associated with great uncertainties. Thus, for upscaling and model validation a quantification of the hydrological dynamics of hillslopes and the factors influencing the spatial and temporal patterns of subsurface stormflow is urgently needed. Closely related to the hydrological dynamics of hillslopes is the export of organic carbon from the soils to the adjacent stream. But the spatial sources of carbon are still largely unclear because the exact flow paths of SSF within the slope are not well known. We therefore propose a combined hydro-biogeochemical approach, that measures the hillslope groundwater dynamics including a characterisation of stable isotopes and the water-soluble organic matter (WSOM; concentration, absorbance and fluorescence) along 480 locations at 100 hillslopes in four contrasting catchments from the low to high mountain ranges (Sauerland, Ore Mountains, Black Forest, Alps). This enables us to derive empirical relations among different landforms (i.e., convergent, divergent and planar slope shapes, flow path lengths and valley shapes), bedrock and soil properties and groundwater dynamics to quantify the spatial variability and stability of subsurface hydrological process patterns (e.g., flow directions, transit times, hydrochemical and biochemical composition). A GIS based landscape analysis and a predictive modeling with the RoGeR model will be conducted prior to instrumentation that incorporates topographic, soil and land use information as well as spatial distribution of areas were SSF is expected be dominant, respectively, in order to sample representative hillslopes. Shallow groundwater dynamics due to SSF will be recorded in 480 wells across all equipped hillslopes. Distributed sampling of water stable isotopes and WSOM along the soil profile (12 isotope and 6 WSOM samples per profile; two times during wet and dry conditions) will help to assess the vertical and lateral subsurface flowpaths of water in the unsaturated and saturated zone and the spatial discretization of source areas for SSF. We will use an array of state-of-the-art laboratory equipment and methods (TOC-Analyzer, Fluorescence Spectrometry, Isotope Analyzer) to analyze stable isotopes and WSOM. The use of multivariate statistical techniques and machine learning tools will help to identify temporal and spatial patterns of subsurface hydrological process patterns. We will investigate hillslope-stream connectivity including the extent of contributing area with RoGeR predicting SSF fluxes, directions and dynamics which can later be used for predicting transport of soil organic matter from the hillslope to the stream.
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