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Spatial and temporal runoff generation processes in a Swiss pre-alpine headwater catchment


Fischer, Benjamin; Fischer, Benjamin Michael Clemens. Spatial and temporal runoff generation processes in a Swiss pre-alpine headwater catchment. 2016, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

In mountainous headwater catchments, with their high variability of hydrological processes and catchment properties together with the limited spatial and long-term data, it remains unclear how the different spatiotemporal controls affect runoff generation during base and stormflow. In this doctoral thesis environmental tracers are used to identify sources contributing to baseflow, observe linkages between different landscape units and discern how rainfall becomes stormflow in a Swiss pre-alpine headwater catchment, the Zwäckentobel (4.25 km2 ), with high precipitation amounts (P>2000 mm y−1 ) and heterogeneous catchment properties. The spatially collected rainfall and its isotopic composition are used to test whether it is reasonable to assume that in small headwater catchments, there is spatially homogenous rainfall and isotopic composition, implying that one sampling location is sufficient. Important tracers in this thesis are the stable isotopes 2 H and 18 O. The collected water samples were analysed with a laser spectroscope. For this analysis it was tested how many measurements are needed to reduce the memory effect and obtain a desired accuracy. For the Zwäckentobel water samples it was sufficient to measure each sample six times while for highly depleted samples the memory effect was reduced only after seven to eight injections. The water samples collected during three snapshot sampling campaigns were analysed for their isotopic (δ2 H) and hydrochemical components (Ca, DOC, AT, pH, SO4 , Mg and H4 SiO4 ) and contained useful information on the different sources and helped to identify the flowpath of the water during baseflow. Although the six subcatchments had different landscape units, the inter- and intra catchment variability of the isotopic and hydrochemical components was generally small and statistically not significant. Streamwater samples at the subcatchment outlets were more similar to springs near the water divide than to groundwater from observation wells and wetlands. The wetlands, with 30-60% of the subcatchment area and large storage capacity, were less connected and acted as passive features with negligible contribution to baseflow runoff. In five subcatchments of the Zwäckentobel headwater catchment, rainfall and streamwater of 13 different rainstorms were sampled to perform a two-component isotope hydrograph separation. Pre-event water contributions based on δ18 O or δ2 H computations were similar. The pre-event water contributions of headwaters depended largely on rainfall (amount and intensity) and varied more between events than between catchments, despite clear differences in land cover between the catchments. With increasing rainfall amount, the proportion of rainfall in runoff increased and changed from pre-event to event water dominated. Antecedent wetness was not found to control the pre-event water contribution. The fact that catchment properties and antecedent conditions were only secondary factors in runoff processes, was mainly due to the dominant and frequent rainfall, which obscured a potential signal indicating differences in catchment properties. At the eight locations sequentially sampled rainfall revealed a spatial variability in total rainfall, rainfall intensity and its isotopic composition. The spatial variability in the isotopic composition varied from event to event. No clear relation between the isotopic composition and rainfall or altitude was observed. The isotope hydrograph separation results varied considerably depending on which temporal weighing technique or rain sampler was used. These results demonstrated that even in small catchments the spatial variability in the isotope composition of event rainwater has to be considered in hydrograph separation studies. When data from only one rain gauge are available, the location of the gauge might largely affect results and this source of uncertainty must be considered. The combination of long-term and spatially short-term hydrometeorological measurements, together with three baseflow sampling campaigns and event water sampling in different neighboring streams and multiple events, complemented each other and helped to overcome individual limitations. The results show the necessity and benefits of this spatially distributed dataset to derive and better understand controlling factors in runoff generation in a headwater catchment with high precipitation amounts and heterogeneous catchment properties. Voralpine Kopfeinzugsgebiete weisen eine hohe Variabilität an hydrologischen Prozessen und Gebietseigenschaften auf. Zusammen mit der begrenzten Verfügbarkeit räumlich verteilter Daten sowie Langzeitdaten ist es unklar, wie unterschiedliche „Raum-Zeit-Regler“ die Abflussbildung während des Basisabflusses und während Hochwasser beeinflussen. In dieser Doktorarbeit wurden Umwelttracer verwendet, um die Herkunft des Basisabflusses zu identifizieren, Verknüpfungen zwischen unterschiedlichen Landschaftseinheiten zu erkennen, und um die Abflussbildung besser zu verstehen. Dafür wurde ein Schweizerisches voralpines Kopfeinzugsgebiet, der Zwäckentobel, als Untersuchungsgebiet gewählt. Der Zwäckentobel (4,25 km2 ) erhält hohe Niederschlagsmengen (P>2000 mm J−1 ) und weist heterogene Gebietseigenschaften auf. Die Annahme eines räumlich homogenen Regens und dessen Isotopenzusammensetzung wurde überprüft, indem mit einer hohen räumlichen Dichte Regenmenge sowie Isotopenzusammensetzung des Regens gemessen wurde. Damit lässt sich auch feststellen, ob ein einziger Regensammler in kleinen Einzugsgebieten ausreicht um die Variabilität zu erfassen. Wichtige Indikatoren in dieser Arbeit sind die stabilen Isotope 2 H and 18 O. Die gesammelten Wasserproben wurden mit einem Laser-Spektroskop analysiert. Vor der Verwendung der Werte in weiteren Analysen wurde geprüft wie viele Messungen nötig sind, um eine gewünschte Genauigkeit zu erhalten und der Einfluss einer Probenverschleppung verringert ist. Für die Wasserproben aus dem Zwäckentobel war es ausreichend, jede Probe sechsmal zu messen. Für Proben mit sehr leichter Wasserisotopie hingegen, war der Einfluss einer Probenverschleppung erst nach sieben bis acht Injektionen reduziert. Die gesammelten Wasserproben von drei Stichtags-Kampagnen wurden auf ihre Isotopen (δ2 H) und hydrochemische Zusammensetzung (Ca, DOC, AT, pH, SO4 , Mg und H4 SiO4 ) analysiert und enthielten nützliche Informationen zur Herkunft und zu den Fliesswegen des Basisabflusses. Obwohl die sechs Teileinzugsgebiete unterschiedliche Landschaftseinheiten hatten, war die Variabilität sowohl zwischen den Einzugsgebieten als auch innerhalb eines Einzugsgebietes klein und statistisch nicht signifikant. Die Wasserproben der verschiedenen Teileinzugsgebiete hatten mehr Ähnlichkeit mit den Wasserproben aus den Quellen in der Nähe der Wasserscheide als mit Grundwasserproben und auch Wasserproben aus Feuchtgebieten. Dies deutet darauf hin, dass Feuchtgebiete, trotz ihrer Grösse von 30-60% der Teileinzugsflächen und einer grossen Speicherkapazität, weniger verbunden und vernachlässigbar wenig zum Basisabfluss beitrugen. In fünf Teileinzugsgebieten des Zwäckentobel wurde von 13 verschiedenen Niederschlagsereignissen sowohl Regen als auch Bachwasser verschiedener Wildbäche beprobt, um eine Zweikomponenten Isotopen Ganglinienseparation durchzuführen. Berechnungen des Anteiles des Vorereigniswassers basierend auf δ18 O oder δ2 H waren ähnlich. Der Anteil des Vorereigniswassers von den verschiedenen Kopfeinzugsgebieten hing in grossem Masse vom Niederschlag ab (Menge und Intensität) und variierte mehr zwischen den Ereignissen als zwischen Einzugsgebieten, trotz deutlicher Unterschiede in der Landnutzung zwischen den Einzugsgebieten. Mit steigender Regenmenge stieg auch der Anteil des Ereigniswassers im Abfluss und änderte sich von Vorereigniswasser zu Ereigniswasser signifikant. Vorfeuchte und Einzugsgebietseigenschaften waren nur sekundäre Faktoren bei der Abflussbildung, welche vor allem durch die Dominanz des Regens verursacht wurde dessen Einfluss die Gebietsunterschiede überlagerte. Der an acht Standorten gesammelte Niederschlag zeigte eine räumliche Variabilität von Niederschlagsmenge, Niederschlagsintensität und Isotopenzusammensetzung. Die räumliche Variabilität in der Isotopenzusammensetzung variierte von Ereignis zu Ereignis. Es gab keine klare Beziehung zwischen der Isotopenzusammensetzung und Regenmenge oder Höhe. Die Ergebnisse der Ganglinienseparation variierten erheblich-je nachdem welche zeitliche Bilanzierung der Isotopen oder welcher Regensammler verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass auch in kleinen Einzugsgebieten die räumliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung des Niederschlages bei der Ganglinienseparation in Betracht gezogen werden muss. Wenn nur ein Regensammler verfügbar ist, muss daher berücksichtigt werden, dass der Standort des Regensammlers eine erhebliche Unsicherheit in den Resultaten bewirken kann. Die Kombination von langen, aber räumlich begrenzten und kurzen, aber räumlich höher aufgelösten hydro- meteorologischen Messungen, zusammen mit Stichtags Kampagnen sowie Ereignisbeprobungen in verschiedenen benachbarten Wildbächen ergänzten sich und halfen die individuellen Einschränkungen der Messungen zu überbrücken. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit und den Nutzen räumlich verteilter Messungen, um Prozesskenntnisse abzuleiten und die Abflussbildung in Kopfeinzugsgebieten mit hohen Niederschlagsmengen und heterogenen Einzugsgebietseigenschaften besser zu verstehen.

Abstract

In mountainous headwater catchments, with their high variability of hydrological processes and catchment properties together with the limited spatial and long-term data, it remains unclear how the different spatiotemporal controls affect runoff generation during base and stormflow. In this doctoral thesis environmental tracers are used to identify sources contributing to baseflow, observe linkages between different landscape units and discern how rainfall becomes stormflow in a Swiss pre-alpine headwater catchment, the Zwäckentobel (4.25 km2 ), with high precipitation amounts (P>2000 mm y−1 ) and heterogeneous catchment properties. The spatially collected rainfall and its isotopic composition are used to test whether it is reasonable to assume that in small headwater catchments, there is spatially homogenous rainfall and isotopic composition, implying that one sampling location is sufficient. Important tracers in this thesis are the stable isotopes 2 H and 18 O. The collected water samples were analysed with a laser spectroscope. For this analysis it was tested how many measurements are needed to reduce the memory effect and obtain a desired accuracy. For the Zwäckentobel water samples it was sufficient to measure each sample six times while for highly depleted samples the memory effect was reduced only after seven to eight injections. The water samples collected during three snapshot sampling campaigns were analysed for their isotopic (δ2 H) and hydrochemical components (Ca, DOC, AT, pH, SO4 , Mg and H4 SiO4 ) and contained useful information on the different sources and helped to identify the flowpath of the water during baseflow. Although the six subcatchments had different landscape units, the inter- and intra catchment variability of the isotopic and hydrochemical components was generally small and statistically not significant. Streamwater samples at the subcatchment outlets were more similar to springs near the water divide than to groundwater from observation wells and wetlands. The wetlands, with 30-60% of the subcatchment area and large storage capacity, were less connected and acted as passive features with negligible contribution to baseflow runoff. In five subcatchments of the Zwäckentobel headwater catchment, rainfall and streamwater of 13 different rainstorms were sampled to perform a two-component isotope hydrograph separation. Pre-event water contributions based on δ18 O or δ2 H computations were similar. The pre-event water contributions of headwaters depended largely on rainfall (amount and intensity) and varied more between events than between catchments, despite clear differences in land cover between the catchments. With increasing rainfall amount, the proportion of rainfall in runoff increased and changed from pre-event to event water dominated. Antecedent wetness was not found to control the pre-event water contribution. The fact that catchment properties and antecedent conditions were only secondary factors in runoff processes, was mainly due to the dominant and frequent rainfall, which obscured a potential signal indicating differences in catchment properties. At the eight locations sequentially sampled rainfall revealed a spatial variability in total rainfall, rainfall intensity and its isotopic composition. The spatial variability in the isotopic composition varied from event to event. No clear relation between the isotopic composition and rainfall or altitude was observed. The isotope hydrograph separation results varied considerably depending on which temporal weighing technique or rain sampler was used. These results demonstrated that even in small catchments the spatial variability in the isotope composition of event rainwater has to be considered in hydrograph separation studies. When data from only one rain gauge are available, the location of the gauge might largely affect results and this source of uncertainty must be considered. The combination of long-term and spatially short-term hydrometeorological measurements, together with three baseflow sampling campaigns and event water sampling in different neighboring streams and multiple events, complemented each other and helped to overcome individual limitations. The results show the necessity and benefits of this spatially distributed dataset to derive and better understand controlling factors in runoff generation in a headwater catchment with high precipitation amounts and heterogeneous catchment properties. Voralpine Kopfeinzugsgebiete weisen eine hohe Variabilität an hydrologischen Prozessen und Gebietseigenschaften auf. Zusammen mit der begrenzten Verfügbarkeit räumlich verteilter Daten sowie Langzeitdaten ist es unklar, wie unterschiedliche „Raum-Zeit-Regler“ die Abflussbildung während des Basisabflusses und während Hochwasser beeinflussen. In dieser Doktorarbeit wurden Umwelttracer verwendet, um die Herkunft des Basisabflusses zu identifizieren, Verknüpfungen zwischen unterschiedlichen Landschaftseinheiten zu erkennen, und um die Abflussbildung besser zu verstehen. Dafür wurde ein Schweizerisches voralpines Kopfeinzugsgebiet, der Zwäckentobel, als Untersuchungsgebiet gewählt. Der Zwäckentobel (4,25 km2 ) erhält hohe Niederschlagsmengen (P>2000 mm J−1 ) und weist heterogene Gebietseigenschaften auf. Die Annahme eines räumlich homogenen Regens und dessen Isotopenzusammensetzung wurde überprüft, indem mit einer hohen räumlichen Dichte Regenmenge sowie Isotopenzusammensetzung des Regens gemessen wurde. Damit lässt sich auch feststellen, ob ein einziger Regensammler in kleinen Einzugsgebieten ausreicht um die Variabilität zu erfassen. Wichtige Indikatoren in dieser Arbeit sind die stabilen Isotope 2 H and 18 O. Die gesammelten Wasserproben wurden mit einem Laser-Spektroskop analysiert. Vor der Verwendung der Werte in weiteren Analysen wurde geprüft wie viele Messungen nötig sind, um eine gewünschte Genauigkeit zu erhalten und der Einfluss einer Probenverschleppung verringert ist. Für die Wasserproben aus dem Zwäckentobel war es ausreichend, jede Probe sechsmal zu messen. Für Proben mit sehr leichter Wasserisotopie hingegen, war der Einfluss einer Probenverschleppung erst nach sieben bis acht Injektionen reduziert. Die gesammelten Wasserproben von drei Stichtags-Kampagnen wurden auf ihre Isotopen (δ2 H) und hydrochemische Zusammensetzung (Ca, DOC, AT, pH, SO4 , Mg und H4 SiO4 ) analysiert und enthielten nützliche Informationen zur Herkunft und zu den Fliesswegen des Basisabflusses. Obwohl die sechs Teileinzugsgebiete unterschiedliche Landschaftseinheiten hatten, war die Variabilität sowohl zwischen den Einzugsgebieten als auch innerhalb eines Einzugsgebietes klein und statistisch nicht signifikant. Die Wasserproben der verschiedenen Teileinzugsgebiete hatten mehr Ähnlichkeit mit den Wasserproben aus den Quellen in der Nähe der Wasserscheide als mit Grundwasserproben und auch Wasserproben aus Feuchtgebieten. Dies deutet darauf hin, dass Feuchtgebiete, trotz ihrer Grösse von 30-60% der Teileinzugsflächen und einer grossen Speicherkapazität, weniger verbunden und vernachlässigbar wenig zum Basisabfluss beitrugen. In fünf Teileinzugsgebieten des Zwäckentobel wurde von 13 verschiedenen Niederschlagsereignissen sowohl Regen als auch Bachwasser verschiedener Wildbäche beprobt, um eine Zweikomponenten Isotopen Ganglinienseparation durchzuführen. Berechnungen des Anteiles des Vorereigniswassers basierend auf δ18 O oder δ2 H waren ähnlich. Der Anteil des Vorereigniswassers von den verschiedenen Kopfeinzugsgebieten hing in grossem Masse vom Niederschlag ab (Menge und Intensität) und variierte mehr zwischen den Ereignissen als zwischen Einzugsgebieten, trotz deutlicher Unterschiede in der Landnutzung zwischen den Einzugsgebieten. Mit steigender Regenmenge stieg auch der Anteil des Ereigniswassers im Abfluss und änderte sich von Vorereigniswasser zu Ereigniswasser signifikant. Vorfeuchte und Einzugsgebietseigenschaften waren nur sekundäre Faktoren bei der Abflussbildung, welche vor allem durch die Dominanz des Regens verursacht wurde dessen Einfluss die Gebietsunterschiede überlagerte. Der an acht Standorten gesammelte Niederschlag zeigte eine räumliche Variabilität von Niederschlagsmenge, Niederschlagsintensität und Isotopenzusammensetzung. Die räumliche Variabilität in der Isotopenzusammensetzung variierte von Ereignis zu Ereignis. Es gab keine klare Beziehung zwischen der Isotopenzusammensetzung und Regenmenge oder Höhe. Die Ergebnisse der Ganglinienseparation variierten erheblich-je nachdem welche zeitliche Bilanzierung der Isotopen oder welcher Regensammler verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass auch in kleinen Einzugsgebieten die räumliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung des Niederschlages bei der Ganglinienseparation in Betracht gezogen werden muss. Wenn nur ein Regensammler verfügbar ist, muss daher berücksichtigt werden, dass der Standort des Regensammlers eine erhebliche Unsicherheit in den Resultaten bewirken kann. Die Kombination von langen, aber räumlich begrenzten und kurzen, aber räumlich höher aufgelösten hydro- meteorologischen Messungen, zusammen mit Stichtags Kampagnen sowie Ereignisbeprobungen in verschiedenen benachbarten Wildbächen ergänzten sich und halfen die individuellen Einschränkungen der Messungen zu überbrücken. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit und den Nutzen räumlich verteilter Messungen, um Prozesskenntnisse abzuleiten und die Abflussbildung in Kopfeinzugsgebieten mit hohen Niederschlagsmengen und heterogenen Einzugsgebietseigenschaften besser zu verstehen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Seibert Jan, Stähli Manfred
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Uncontrolled Keywords:Dissertationen Abt. Physische Geographie, Abfluss, Abflussschwankungen, Abflusstypen, Abflussregime, Einzugsgebiete, Schweiz: Hydrologie
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2016
Deposited On:14 Feb 2017 14:01
Last Modified:08 Feb 2019 15:15
Number of Pages:134
OA Status:Green
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