TY - THES A1 - Trauth, Nico T1 - Flow and reactive transport modeling at the stream-groundwater interface T1 - Strömungs- und reaktive Stofftransportmodellierung an der Schnittstelle Fluss-Grundwasser BT - effects of hydrological conditions and streambed morphology BT - Einfluss der hydrologischen Bedingungen und der Flussbettmorphologie N2 - Stream water and groundwater are important fresh water resources but their water quality is deteriorated by harmful solutes introduced by human activities. The interface between stream water and the subsurface water is an important zone for retention, transformation and attenuation of these solutes. Streambed structures enhance these processes by increased water and solute exchange across this interface, denoted as hyporheic exchange. This thesis investigates the influence of hydrological and morphological factors on hyporheic water and solute exchange as well as redox-reactions in fluvial streambed structures on the intermediate scale (10–30m). For this purpose, a three-dimensional numerical modeling approach for coupling stream water flow with porous media flow is used. Multiple steady state stream water flow scenarios over different generic pool-riffle morphologies and a natural in-stream gravel bar are simulated by a computational fluid dynamics code that provides the hydraulic head distribution at the streambed. These heads are subsequently used as the top boundary condition of a reactive transport groundwater model of the subsurface beneath the streambed. Ambient groundwater that naturally interacts with the stream water is considered in scenarios of different magnitudes of downwelling stream water (losing case) and upwelling groundwater (gaining case). Also, the neutral case, where stream stage and groundwater levels are balanced is considered. Transport of oxygen, nitrate and dissolved organic carbon and their reaction by aerobic respiration and denitrification are modeled. The results show that stream stage and discharge primarily induce hyporheic exchange flux and solute transport with implications for specific residence times and reactions at both the fully and partially submerged structures. Gaining and losing conditions significantly diminish the extent of the hyporheic zone, the water exchange flux, and shorten residence times for both the fully and partially submerged structures. With increasing magnitude of gaining or losing conditions, these metrics exponentially decrease. Stream water solutes are transported mainly advectively into the hyporheic zone and hence their influx corresponds directly to the infiltrating water flux. Aerobic respiration takes place in the shallow streambed sediments, coinciding to large parts with the extent of the hyporheic exchange flow. Denitrification occurs mainly as a “reactive fringe” surrounding the aerobic zone, where oxygen concentration is low and still a sufficient amount of stream water carbon source is available. The solute consumption rates and the efficiency of the aerobic and anaerobic reactions depend primarily on the available reactive areas and the residence times, which are both controlled by the interplay between hydraulic head distribution at the streambed and the gradients between stream stage and ambient groundwater. Highest solute consumption rates can be expected under neutral conditions, where highest solute flux, longest residence times and largest extent of the hyporheic exchange occur. The results of this thesis show that streambed structures on the intermediate scale have a significant potential to contribute to a net solute turnover that can support a healthy status of the aquatic ecosystem. N2 - Fluss- und Grundwasser sind wichtige Süßwasserressourcen, deren Qualität durch anthropogene Einträge schädlicher Stoffe vermindert wird. Im Grenzbereich zwischen Fluss- und Grundwasser können diese Stoffe zurückgehalten, umgewandelt oder abgebaut werden. Flussbettstrukturen erhöhen den sogenannten hyporheischen Austausch von Wasser und Stoffflüssen, wodurch diese Prozesse gefördert werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von hydrologischen und morphologischen Faktoren auf Wasser und Stoffflüsse sowie Redox-Reaktionen in Flussbettstrukturen der mittleren Skala (10–30m) untersucht. Hierfür wird ein dreidimensionales numerisches Modell-Konzept verwendet, welches die Flussströmung und die Strömung im darunter liegenden porösen Medium koppelt. Mit einer Computational Fluid Dynamics Software wird die stationäre Flussströmung über generische Pool-Riffle Strukturen sowie über eine natürliche Flussinsel für verschiedene Abflüsse simuliert. Die berechneten Drücke am Flussbett werden als Randbedingungen erster Ordnung an ein reaktives Grundwasser- und Stofftransportmodell übertragen. An der unteren bzw. seitlichen Randbedingung werden zusätzliche Gradienten erzeugt, die die Interaktion zwischen Fluss und regionalem Grundwasser als in– oder exfiltrierende Bedingungen repräsentieren. Sind Flusswasserund Grundwasserstand ausgeglichen, liegen neutrale Bedingungen vor. Im Grundwassermodell werden der Transport von Sauerstoff, Nitrat und gelöstem organischen Kohlenstoff sowie deren mögliche Reaktion durch aerobe Respiration und Denitrifikation modelliert. Die Simulationensergebnisse zeigen, dass der hyporheische Austausch durch hydraulische Gradienten am Flussbett verursacht wird. Existiert ein zusätzlicher hydraulischer Gradient zwischen Fluss- und Grundwasser, werden die ausgetauschten Wassermengen sowie die Größe der hyporheischen Zone vermindert, was mit kürzeren Verweilzeiten einhergeht. Dieser Effekt ist unabhängig von der Richtung dieses Gradienten und umso ausgeprägter, je stärker der Gradient zwischen dem Grundwasser und dem Flusswasserstand ist. Die im Flusswasser gelösten Stoffe werden advektiv in die hyporheische Zone transportiert. Die aerobe Respiration nimmt große Bereiche der flachen hyporheischen Zone ein. Hohe Denitrifikationsraten existieren vor allem in einem “reaktiven Saum”, der den aeroben Bereich umschließt, da hier die Sauerstoffkonzentration niedrig und ausreichend Kohlenstoff verfügbar ist. Die Raten und die Effizienz der aeroben und anaeroben Reaktionen hängen vor allem von dem für die Reaktionen verfügbaren Raum sowie den Verweilzeiten der Stoffe in der hyporheischen Zone ab. Beide Parameter werden von der Wechselwirkung zwischen den hydraulischen Gradienten entlang des Flussbettes und dem Gradienten zwischen Fluss- und Grundwasser kontrolliert. Die höchsten Zehrraten werden unter neutralen Bedingungen erreicht, wenn die Menge der infiltrierenden gelösten Stoffe am höchsten ist, die längsten Verweilzeiten auftreten und die hyporheische Zone die größte Ausbreitung aufweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die untersuchten Flussbettstrukturen ein bedeutendes Potential für den Umsatz von Wasserinhaltsstoffen haben können, wodurch ein guter Status des aquatischen Ökosystems gefördert wird. KW - hyporheic zone KW - denitrification KW - streambed morphology KW - Computational Fluid Dynamics (CFD) KW - reactive transport groundwater model KW - hyporheische Zone KW - Denitrifikation KW - Flussbettmorphologie KW - numerische Strömungsmechanik KW - reaktives Grundwassermodell Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82748 ER - TY - THES A1 - Munz, Matthias T1 - Water flow and heat transport modelling at the interface between river and aquifer T1 - Wasserfluss- und Wärmetransportmodellierung an der Schnittstelle zwischen Fluss und Grundwasserleiter N2 - The functioning of the surface water-groundwater interface as buffer, filter and reactive zone is important for water quality, ecological health and resilience of streams and riparian ecosystems. Solute and heat exchange across this interface is driven by the advection of water. Characterizing the flow conditions in the streambed is challenging as flow patterns are often complex and multidimensional, driven by surface hydraulic gradients and groundwater discharge. This thesis presents the results of an integrated approach of studies, ranging from the acquisition of field data, the development of analytical and numerical approaches to analyse vertical temperature profiles to the detailed, fully-integrated 3D numerical modelling of water and heat flux at the reach scale. All techniques were applied in order to characterize exchange flux between stream and groundwater, hyporheic flow paths and temperature patterns. The study was conducted at a reach-scale section of the lowland Selke River, characterized by distinctive pool riffle sequences and fluvial islands and gravel bars. Continuous time series of hydraulic heads and temperatures were measured at different depths in the river bank, the hyporheic zone and within the river. The analyses of the measured diurnal temperature variation in riverbed sediments provided detailed information about the exchange flux between river and groundwater. Beyond the one-dimensional vertical water flow in the riverbed sediment, hyporheic and parafluvial flow patterns were identified. Subsurface flow direction and magnitude around fluvial islands and gravel bars at the study site strongly depended on the position around the geomorphological structures and on the river stage. Horizontal water flux in the streambed substantially impacted temperature patterns in the streambed. At locations with substantial horizontal fluxes the penetration depths of daily temperature fluctuations was reduced in comparison to purely vertical exchange conditions. The calibrated and validated 3D fully-integrated model of reach-scale water and heat fluxes across the river-groundwater interface was able to accurately represent the real system. The magnitude and variations of the simulated temperatures matched the observed ones, with an average mean absolute error of 0.7 °C and an average Nash Sutcliffe Efficiency of 0.87. The simulation results showed that the water and heat exchange at the surface water-groundwater interface is highly variable in space and time with zones of daily temperature oscillations penetrating deep into the sediment and spots of daily constant temperature following the average groundwater temperature. The average hyporheic flow path temperature was found to strongly correlate with the flow path residence time (flow path length) and the temperature gradient between river and groundwater. Despite the complexity of these processes, the simulation results allowed the derivation of a general empirical relationship between the hyporheic residence times and temperature patterns. The presented results improve our understanding of the complex spatial and temporal dynamics of water flux and thermal processes within the shallow streambed. Understanding these links provides a general basis from which to assess hyporheic temperature conditions in river reaches. N2 - Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst. Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser. Die Arbeit besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten. Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Entwicklung und Bewertung von analytischen und numerischen Methoden zur Bestimmung der horizontalen Strömungsrichtung und Austauschraten unter Verwendung von kontinuierlich gemessenen Temperaturzeitreihen entlang vertikaler Profile im gesättigten Sediment. Flussbetttemperaturen können relativ einfach und kostengünstig entlang eines Flussabschnittes in verschiedenen Tiefen und unterschiedlichsten Flussbettsedimenten (organisch, sandig bis grob kiesig) gemessen werden. Die Hauptverwendung solcher Temperaturprofile ist bisher auf die analytische Quantifizierung vertikaler Austauschraten limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, der eine punktuelle Ermittlung der horizontalen Strömungs-komponente, basierend auf der Veränderung der täglichen Temperaturamplitude mit zunehmender Tiefe, ermöglicht. Weiterhin wurde ein inverser, numerischer Ansatz entwickelt, der die ein-dimensionale Wärmetransportgleichung numerisch löst und mittels inverser Optimierungsalgorithmen die simulierten Temperaturen bestmöglich an die gemessenen Flussbetttemperaturen anpasst. Diese Methode ermöglicht die automatische, zeitlich variable Quantifizierung vertikaler Austauschraten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie eine einfache Unsicherheitsbetrachtung aufgrund der zugrunde liegenden Parameterunsicherheiten. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der entwickelten Methoden und der Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmodelles entlang eines Flussabschnittes der Selke. Numerische Strömungs- und Stofftransportmodelle ermöglichen die gekoppelte Simulation von Fließprozessen im offenen Gerinne und im darunter liegenden porösen Medium. Die Parametrisierung des Modells erfolgte anhand empirischer Daten die im Untersuchungsgebiet detailliert erhoben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen gebietsspezifische Gegebenheiten auf, ermöglichten darüber hinaus jedoch auch die Beschreibung allgemeiner Muster und Zusammenhänge welche die Wasserfluss- und Wärmetransportprozesse an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen. So zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass maßgeblich die natürlich vorhandenen Flussbettstrukturen die Austauschraten und die Strömungsrichtung zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen und somit den hyporheischen Austausch bestimmen. Wichtige Einflussfaktoren auf die untersuchten Austauschprozesse waren die Lage im Gerinne relativ zur Flussbettstruktur und der vorherrschende Wasserstand (Abfluss). Bedingt durch den Wasser- und Wärmeaustausch prägten sich im Untersuchungsgebiet Bereiche aus in denen die täglichen Temperaturschwingungen tief in das Sediment eindringen (Anstrombereich der Flussbettstrukturen), als auch Bereiche in denen relativ konstante Temperaturen, nahe der Grundwassertemperatur, vorherrschten. Die durchschnittliche Temperatur in der hyporheischen Zone wurde durch die saisonalen Temperaturschwankungen im Oberflächenwasser dominiert, wobei die Temperaturen entlang einzelner Fließpfade stark von der Verweilzeit des Oberflächen- oder Grundwassers im gesättigten Sediment und dem Temperaturgradienten zwischen Fluss und Grundwasser abhängig waren. Trotz der Komplexität dieser Zusammenhänge, ermöglichten die Simulationsergebnisse die Ableitung einer allgemeinen empirischen Beziehung zwischen den hyporheischen Verweilzeiten und Temperaturmustern. Sowohl die Verweilzeiten als auch die Temperatur im gesättigten Sediment haben einen entscheiden Einfluss auf biogeochemische Prozesse in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser und sind somit von besonderer Bedeutung für die Wasserqualität von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. KW - surface water-groundwater interaction KW - Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktion KW - hyporheic zone KW - hyporheische Zone KW - numerical modeling KW - numerische Modellierung KW - heat transport KW - Wärmetransport KW - temperature KW - Temperatur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404319 ER - TY - THES A1 - Angermann, Lisa T1 - Hillslope-stream connectivity across scales T1 - Mehrskalige Untersuchung der Hang-Bach Konnektivität N2 - The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor. N2 - Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie. KW - catchment hydrology KW - hillslope hydrology KW - riparian zone KW - hyporheic zone KW - Einzugsgebietshydrologie KW - Hanghydrologie KW - Auenbereich KW - hyporheische Zone Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424542 ER -