CAOS - Teilprojekt H "Verweilzeiten auf verschiedenen Skalen: Von der Flächen- zur Einzugsgebietsskala"

Verweilzeiten von Wasser sind ein Hauptmerkmal, um über breite zeitliche und räumliche Skalen die Fließ- und Transportwege in verschiedenen hydrologischen Kompartimenten zu charakterisieren. Es wird angenommen, dass die räumliche Organisation der Landschaft einen Einfluss auf die raum-zeitliche Eigenschaften des Wasserkreislaufs und der zugehörigen Prozesse, somit auch der Verweilzeiten, hat. Die Kombination der Information von Abfluss- und Verweilzeitkonzentrationen natürlicher Tracer in Wasser, den stabilen Isotopen, und künstlichen Tracern, erlaubt die Bestimmung der Verweilzeiten und der Fließwege, sowohl in den verschiedenen hydrologischen Kompartimenten als auch über gesamte Einzugsgebiete. Wir werden mittels unterschiedlicher Methoden Leitparameter hydrologischer Prozesse in Raum und Zeit erkunden, die sich aus dem Signal des Isotopenverhältnisses und der natürlichen und künstlichen Tracern des Boden-, Grund- und Flusswassers ableiten lassen. Die zeitliche Variabilität der Isotope im Bodenwasser, Grundwasser und Flusswasser werden kombiniert um Transport- und Fließmodelle zu bewerten und eine neue Funktion zur Beschreibung der Verweilzeitenverteilung für kurze und lange Zeiträume abzuleiten. Die räumlichen Verteilungsmuster stabiler Isotope in der gesättigten und ungesättigten Zone werden verwendet, um langfristige Fließwege, Mischungsprozesse im Untergrund und den Anteil der Evaporation und Transpiration zu bestimmen. Versuche mit künstlichen Tracern, z.B. Salz in Kombination der Messung elektrischer Leitfähigkeit, werden Fließwege, insbesondere präferentielle Fließwege, herausstellen und quantifizieren. CAOS Subprojekt G Stichworte: Monitoring Netzwerk, hydrologische Prozesse, funktionelle Einheiten, Linking internal pattern dynamics and integral responses - Identification of dominant controls with a strategic sampling design In hydrology, the relationship between water storage and flow is still fundamental in characterizing and modeling hydrological systems. However, this simplification neglects important aspects of the variability of the hydrological system, such as stable or instable states, tipping points, connectivity, etc. and influences the predictability of hydrological systems, both for extreme events as well as long-term changes. We still lack appropriate data to develop theory linking internal pattern dynamics and integral responses and therefore to identify functionally similar hydrological areas and link this to structural features. We plan to investigate the similarities and differences of the dynamic patterns of state variables and the integral response in replicas of distinct landscape units. A strategic and systematic monitoring network is planned in this project, which contributes the essential dynamic datasets to the research group to characterize Elementary Functional Units (EFUs) and Dynamic Functional Units (DFUs) and thus significantly improving the usual approach of subdividing the landscape into static entities such as the traditional Hydrological Response Unit (HRUs). The planned monitoring network is unique and highly innovative in its linkage of surface and subsurface observations and its spatial and temporal resolution and the centerpiece of CAOS. Verbindung von internalen Dynamikmustern und integralen Reaktionen – Identifizierung von dominierenden Einflussgrößen mittels eines strategischen Versuchsaufbau In der Hydrologie ist die Beziehung zwischen dem Wasserspeicher und den Wasserflüssen noch immer wesentlicher Bestandteil der Charakterisierung und Modellierung hydrologischer Systeme. Diese Vereinfachung vernachlässigt wichtige Aspekte der Variabilität hydrologischer Systeme, wie stabile und instabile Zustände, Grenzwerte, Konnektivität, usw. und beeinflusst die Vorhersagbarkeit von hydrologischen Systemen, sowohl für extreme Ereignisse als auch für langfristige Veränderungen. Es fehlt noch immer an angemessenen Daten um eine Theorie zu entwickeln, die internale Muster von Dynamiken und die integrale Reaktion und somit funktional ähnliche Einheiten abzugrenzen und diese auf Strukturen im Einzugsgebiet zu beziehen. Wir möchten die Ähnlichkeiten und Unterschiede dynamischer Muster von Zustandsvariablen und die integrierten Reaktionen in Repliken bestimmter Landschaftseinheiten erkunden. Ein strategisches und systematisches Monitoring Netzwerk wird die notwendigen Daten bereitstellen, um elementare funktionelle Einheiten (EFUs) und dynamische funktionelle Einheiten (DFUs) zu charakterisieren, damit der klassische Ansatz die Landschaft in statische Einheiten zu teilen, wie z.B. bei den hydrologischen Reaktionseinheiten (HRUs), verbessert wird. Das Monitoring Netzwerk, als Kernstück des CAOS Projekts, ist einmalig und sehr innovativ, da es Untersuchungen an der Oberfläche und im Untergrund auf hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht.

Weitere Informationen: http://www.hydro.uni-freiburg.de/
Ansprechpartner: Weiler, Prof. Dr. Markus
Tel: +49(0)761 203 3535
Email: markus.weiler@ydrology.uni-freiburg.de

Projektbeginn: 01.11.2011
Projektende: 31.10.2014

Weiler M
Stellvertretung: Sprenger, Matthias
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Professur für Hydrologie

Friedrichstrasse 39
79098 Freiburg i. Br.

Telefon: +49(0)761-203-3530
Fax: +49(0)761-203-3994
Email: hydrology@hydrology.uni-freiburg.de
http://www.hydro.uni-freiburg.de

• Sprenger M
• Herbstritt B

GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 5.4 Hydrology University of Potsdam, Institute of Earth- and Environmental Sciences Technische Universität München, Extraordinariat für Landschaftsökologie University of Potsdam, Institute for Biochemistry and Biology Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, Department of Geography Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Water and River Basin Management, Department of Hydrology Max Planck Institute for Biogeochemistry Jena, Biosperic Theory and Modelling Group ETH Zürich, Soil and Terrestrial Environmental Physics University Hohenheim, Institute of Physics and Meteorology Department of Monitoring and Exploration Technology, Helmholtz Centre of Environmental Research, Leipzig University Trier, Remote Sensing and Geoinformatics Department

• Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG

Verweilzeiten, Fließwege, hydrologische Prozesse, Tracer, Isotopensignale, künstliche Tracer

• Sprenger, M., Seeger, S., Blume, T., Weiler, M.: Travel times in the vadose zone: Variability in space and time Water Resources Research, 2016; 52 (8): 5727–5754. : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015WR018077/full
• Sprenger, M., Volkmann, T.H.M., Blume, T., Weiler, M.: Estimating flow and transport parameters in the unsaturated zone with pore water stable isotopes 2015; 19 (6): 2617–2635. : http://www.hydrol-earth-syst-sci.net/19/2617/2015/hess-19-2617-2015.html