Hydrological processes in volcanic ash soils [Elektronische Ressource] : measuring, modelling and understanding runoff generation in an undisturbed catchment / Theresa Blume

Theresa Blume

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
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Extrait

Hydrological processes in volcanic ash soils
- Measuring, modelling and understanding runoff
generation in an undisturbed catchment
Theresa Blume












































Elektronisch veröffentlicht auf dem
Publikationsserver der Universität Potsdam:
http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2008/1655/
urn:nbn:de:kobv:517-opus-16552
[http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-16552] A dissertation submitted to the Faculty of Mathematics and Natural Sciences at the
University of Potsdam, Germany
for the degree of Doctor of Natural Sciences (Dr. rer. nat.) in Hydrology
Submitted 8. October 2007
Defended 18. December 2007
Published January 2008
Referees
Prof. Axel Bronstert University of Potsdam, Institute for Geoecology
Prof. Hubert Savenije TU Delft, Civil Engineering and Geosciences
Prof. Markus Casper University of Trier, Institute for Physical GeographyContents
Abstract 9
German abstract 11
1 Introduction 13
1.1 The importance of investigating runoff generation processes . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 The challenge of investigating runoff . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Data scarcity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Research area: Southern Chile and the Malalcahuello Catchment . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Aims and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Rainfall Runoff Response, Event-based Runoff Coef cients and Hydrograph Separation 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Theory and de nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Runoff coef cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Hydrograph Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 The recession curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Base ow Separation and Runoff Coef cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Linear Statistical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Research Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Base ow separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 Runoff coef cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.3 Linear Statistical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 A multi-method experimental study 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Research Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Study approach and methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Investigating rainfall, throughfall and runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
56 Contents
3.3.2 Investigating the subsurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.3 Investigating seasonal dynamics and event response . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1 Rainfall, throughfall and runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 The subsurface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Seasonal dynamics and event response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5.1 Runoff generation processes ? conclusions and open questions . . . . . . . . . 56
3.5.2 Evaluation of experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.3 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Qualitative and quantitative use of tracers at three spatial scales 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Theory - The use of tracers at different spatial scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Hydrograph separation: the catchment scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Thermal energy as a tracer: the stream reach scale . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.3 Dye tracer experiments ? the plot scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Research Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Measurement of rainfall, discharge, groundwater levels and soil moisture . . . 65
4.4.2 Hydrograph separation with isotopes and geochemical tracers . . . . . . . . . 66
4.4.3 Thermal energy as a tracer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.4 Dye tracer experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.1 Rainfall and discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.2 Hydrograph separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.3 Thermal energy as a tracer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5.4 Dye tracer experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Soil Moisture Dynamics and Runoff Generation Processes 81
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 Research area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Approach and methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Soil moisture pro les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.3 Rainfall simulation experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.4 Stream ow, groundwater levels and rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.5 Response times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.6 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.7 Unsaturated conductivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.8 Hydrophobicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.1 Soil moisture dynamics on event basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Contents 7
5.4.2 Dye tracer rainfall simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.3 Response times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.4 Annual dynamics of soil moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.5 Soil moisture spatial patterns at the hillslope scale . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.6 Variability of soil moisture at the decimeter scale . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Process investigation and land use scenarios - modeling on two different scales 101
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.1 Research area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3.2 Cat ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.3 Wasim-ETH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.4 Model evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.1 Cat ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.2 Wasim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.4.3 Model comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5.1 Cat ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .