Die vorliegende Arbeit \u201eProzesshydrologische Untersuchung im System Boden-Vegetation-Atmosph\u00e4re\u201c entstand im Rahmen des Forschungsprojektes Wasserhaushalt eines Waldes auf einem Trockenstandort und des Projektes Einsatz geophysikalischer Methoden in Verbindung mit Tracermethoden in der Abflussbildungsforschung. Gef\u00f6rdert wurden diese Projekte durch das Forschungsschwerpunktprogramm Baden-W\u00fcrttemberg (2003-2005) und das Elitef\u00f6rder\u00adprogramm f\u00fcr Postdoktoranden der Landesstiftung Baden W\u00fcrttemberg gGmbH (2002-2004). Das Ziel der Arbeit war es einen Beitrag zur Verbesserung des Prozessverst\u00e4ndnisses der Wasserfl\u00fcsse im System Boden-Vegetation-Atmosph\u00e4re in unterschiedlichen Skalenbereichen und Untersuchungsgebieten zu leisten. Gerade im Hinblick auf die sich abzeichnenden Ver\u00e4nderungen des globalen Klimasystems ist es wichtig die hydrologischen Prozesse besser zu verstehen. Dies ist eine Grundvoraussetzung zur Erstellung konzeptioneller Systemvor\u00adstellungen und einer ad\u00e4quaten hydrologischen Modellierung. Tracerhydrologische Methoden stellen ein geeignetes Werkzeug dar, um Fragestellungen der Wasserfl\u00fcsse, Herkunftsr\u00e4ume und Abflussanteile eines Systems zu untersuchen. Allerdings lassen sich nicht alle Fragestel\u00adlungen allein mit diesen Ans\u00e4tzen beantworten. In der vorliegenden Arbeit wurden neben den klassischen hydrometrischen Messungen \u2013 wie z.B. Niederschlag, Abfluss, Bodenfeuchte und Grundwasserstand \u2013 tracerhydrologische Untersuchungen \u2013 stabile Umweltisotope und geogene Tracer \u2013 sowie geophysikalische Methoden \u2013 2D Gleichstromgeoelektrik \u2013 einge\u00adsetzt. Durch die Kombination der Ergebnisse der experimentellen Methoden konnten wert\u00advolle Erkenntnisse \u00fcber das konzeptionelle Prozessverst\u00e4ndnis des hydrologischen Systems Boden-Vegetation-Atmosph\u00e4re gewonnen werden. Die Bodenzone stellt f\u00fcr unterschiedliche Fragestellungen und verschiedene wissenschaftliche Disziplinen einen wichtigen Bilanz- und Umsatzraum dar. Aus hydrologischer Sicht sind u.a. die Prozesse der Bodenwasserbewegung, und damit verbunden die Betrachtung der zeitlichen Dynamik der Grundwasserneubildung, die Aufteilung in unterschiedliche Abflusskomponenten und Abflussbildungsprozesse sowie Wasserhaushaltsbetrachtungen und Wasserentzug durch Evapotranspiration von besonderem Interesse. Forschungsbedarf auf diesem Gebiet besteht vor allem, da das Prozessverst\u00e4ndnis innerhalb dieser hydrologisch wichtigen Zone einen wesentlichen Schritt darstellt, um Aussagen zu Auswirkungen k\u00fcnftiger Ver\u00e4nderungen von Klima- und Landnutzung beurtei\u00adlen zu k\u00f6nnen. Die experimentellen Arbeiten wurden an der Forstmeteorologischen Mess\u00adstelle Hartheim in S\u00fcdwestdeutschland (Plotskala) und im Weatherley-Einzugsgebiet in S\u00fcdafrika (Hang\u2011 und Einzugsgebietsskala) durchgef\u00fchrt.
Der Schwerpunkt der hier vorgestellten Arbeiten lag auf einer Standortuntersuchung an der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim (FMIF). Der Standort stellt ein Modell\u00f6kosystem f\u00fcr wasserlimitierende Bedingungen w\u00e4hrend der Vegetationsperiode dar. Zur Erfassung der zeitlichen Dynamik des Wasserhaushaltes wurden alle wichtigen Komponenten des Wasser\u00adkreislaufes quantitativ untersucht. Durch eine zeitlich hoch aufgel\u00f6ste Betrachtung der meteorologischen Randbedingungen und eine tiefendifferenzierte Ermittlung des Boden\u00adwasserhaushaltes war es m\u00f6glich, eine detaillierte Erfassung der Wasserbilanz durchzuf\u00fchren. Die Wasserhaushaltsuntersuchungen an der FMIF best\u00e4tigten eine Tiefenversickerung in Abh\u00e4ngigkeit der Bodenfeuchte\u2011 und Niederschlagsverh\u00e4ltnisse. F\u00fcr den Untersuchungs\u00adzeitraum des Hydrologischen Jahres 2004 konnte aus der Wasserbilanz eine stattfindende Tiefenversickerung und somit Grundwasserneubildung (GWNB) am Standort ermittelt werden. Die aus der Wasserbilanz errechnete GWNB konnte unter Verwendung eines eindimensionalen Bodenwassermodells verifiziert werden und es war m\u00f6glich, deren zeitliche Dynamik aufzuzeigen. Den Kern der tracerhydrologischen Untersuchungen bildete die Anwendung der stabilen Isotope des Wassermolek\u00fcls. Diese wurden sowohl als nat\u00fcrliche als auch k\u00fcnstliche Tracer angewendet. Isotopensignaturen des Niederschlages wurden als Inputfunktion verwendet, um Prozesse in der unges\u00e4ttigten Zone zu untersuchen. Die Betrachtungen der Isotopengehalte im Bodenwasser erm\u00f6glichten R\u00fcckschl\u00fcsse auf Infiltra\u00adtionsprozesse und lie\u00dfen Aussagen zu mittleren Verweilzeiten und Verdunstungsprozessen im Boden zu. Im System Boden-Vegetation konnten durch die Verwendung nat\u00fcrlicher Isotopen\u00adsignale Herkunftsr\u00e4ume der Wasseraufnahme der Vegetation abgesch\u00e4tzt werden. Der Einsatz der stabilen Isotope als k\u00fcnstliche Tracer lieferte wertvolle Einblicke in den zeitlichen Verlauf des Transpirationsprozesses sowie in die Infiltrationsverh\u00e4ltnisse am Standort. Unter Verwen\u00addung der stabilen Isotope in Verbindung mit Ergebnissen einer Altersdatierung konnte der Herkunftsraum des Grundwassers an der FMIF n\u00e4her eingegrenzt werden. Es zeigte sich, dass das Grundwasser im Bereich der FMIF \u00fcberwiegend von Randzustr\u00f6men und lokaler GWNB gepr\u00e4gt ist. Der Einsatz geoelektrischer Methoden erm\u00f6glichte die nicht\u2011invasive Erfassung von r\u00e4umlichen und zeitlichen Substrat- und Bodenwasserverh\u00e4ltnissen. Mit Hilfe der Gleichstromgeoelektrik konnte ein zweidimensionales Abbild oberfl\u00e4chennaher struktureller Eigenschaften gezeichnet werden. Durch die wiederholten Messungen am selben Profilschnitt war es m\u00f6glich, Informationen \u00fcber die zeitliche und r\u00e4umliche Variabilit\u00e4t der Widerstands\u00adverteilung im Untergrund zu erhalten. \u00dcber Transferfunktionen wurden die Punktinformatio\u00adnen der Bodenfeuchte \u00fcber die gemessenen elektrischen Widerstandeswerte in r\u00e4umlich aufgel\u00f6ste Darstellungen der Bodenfeuchteverh\u00e4ltnisse \u00fcberf\u00fchrt.
Die Untersuchungen auf der Hang\u2011 und Einzugsgebietsskala im Weatherley-Einzugsgebiet erlaubten unter Anwendung verschiedener experimenteller Methoden Aussagen \u00fcber domi\u00adnante hydrologische Prozesse zu treffen. Die kombinierte Anwendung unterschiedlicher experimenteller Methoden f\u00fcr dieselbe Fragestellung f\u00fchrte zu einer Verbesserung des Prozessverst\u00e4ndnisses und der hydrologischen Modellvorstellungen. Dies ist besonders wichtig, da jede der verwendeten Methoden ihre spezifischen Einschr\u00e4nkungen hinsichtlich ihrer r\u00e4umlichen und zeitlichen Aufl\u00f6sung besitzt. Die Auswertungen der hydrometrischen Zeitreihen konnte die Existenz eines f\u00fcr die Abflussbildung wichtigen, aufgesetzten Grund\u00adwasserspiegels aufzeigen. In Abh\u00e4ngigkeit der Niederschlags\u2011 und Vorfeuchtebedingungen im Einzugsgebiet werden im oberen Bodenbereich laterale Abflussmechanismen aktiviert. Die Bedeutung dieser schnellen Abflusskomponente konnte durch die Anwendung von Tracermethoden mit Hilfe der Ganglinienseparation bestimmt und quantifiziert werden. Durch den Einsatz geophysikalischer Messungen konnte die Tiefenlage dieser hydrologisch wichtigen Bereiche r\u00e4umlich differenziert detektiert werden. Ebenfalls war es m\u00f6glich, in Kombination mit punktuellen Informationen \u2013 wie Bodenfeuchte, Grundwasser und Tiefen\u00adlage des Festgesteines \u2013 eine Einteilung des heterogenen Untergrundes vorzunehmen. Die Ergebnisse der kombinierten Anwendungen f\u00fchrten zu einer Best\u00e4tigung und Verbesserung der konzeptionellen hydrologischen Prozessvorstellungen im Einzugsgebiet.<\/p>\n\n\n\n
english summary: <\/p>\n\n\n\n
The presented thesis \u201eStudies of hydrological processes in the soil-vegetation-atmosphere system\u201c was carried out as part of the research projects \u201cwater balance of a dry forest stand\u201d (Wasserhaushalt eines Waldes auf einem Trockenstandort) and \u201cUse of geoelectrical resistiv\u00adity methods combined with tracer techniques to explore hydrological processes\u201d (Einsatz geophysikalischer Methoden in Verbindung mit Tracermethoden in der Abfluss\u00adbildungsfor\u00adschung). This study contributes to process knowledge of the water fluxes in the soil\u2011vegetation\u2011atmosphere system at varying scales and study sites. Regarding the emerging changes of the global climate it is important to understand the hydrological processes in detail. This understanding is a basic requirement for the development of conceptual models and an appropriate hydrological modelling. Tracer methods are known as appropriate tools to investigate water fluxes, source areas and runoff components of a hydrological system. However it is not possible to answer all questions with this approach. In this thesis, classical hydrometric measurements \u2013 e.g. precipitation, runoff, soil moisture and groundwater level \u2013 tracer hydrological investigations \u2013 stable isotopes and geogene tracer \u2013 as well as geophysi\u00adcal methods \u2013 2D direct current resistivity \u2013 were applied. Combining the results of the experimental methods, insights on conceptual process knowledge of the hydrological soil\u2011vegetation\u2011atmosphere system could be gained. The soil represents an important balance- and turnover volume for various questions and diverse scientific fields. From a hydrological point of view major questions are processes of soil water movement and related to that observation of the temporal dynamics of groundwater recharge, separation of different runoff components and runoff generation processes and water balance calculations and dewatering by evapotranspiration. The process knowledge of this important hydrological area allows further predictions on impacts of future changes in climate and land use. The experiments were carried out at the Forest Meteorological test site Hartheim in Germany (plot scale) and within Weatherley catchment in South\u2011Africa (hillslope\u2011 and catchment scale).
The main part of the presented investigations was focused on research at the plot scale at the Forest Meteorological test site Hartheim (FMIF). The test site is an ecosystem characterised by restricted water conditions especially during the growing season. To investigate the temporal dynamics of the water balance, all important components of the hydrological water cycle were quantified. Dense temporal measurements of the meteorological conditions and the soil water balance allowed a detailed water balance calculation. The water balance at the FMIF confirms a deep infiltration depending on soil water conditions and precipitation characteristics. Within the investigation period of the hydrological year 2004 deep infiltration (and groundwater recharge – GWNB) could be estimated. The calculated GWNB could be verified, and the temporal dynamic could be shown with a one dimensional soil water model. Core of the tracer hydrological investigations is the use of the stable water isotopes. Stable isotopes were used as natural and applied tracers. Isotope signatures of precipitation were used as system input function to investigate unsaturated zone processes. Isotope compositions in soil water allowed statements on infiltration processes, mean residence times and evapora\u00adtion. In the soil\u2011vegetation\u2011atmosphere system natural isotope signals were used to estimate source areas of water uptake by vegetation. Stable isotopes were used as applied tracers to gain further insights into the temporal dynamic of the transpiration process and infiltration within the soil system. Combining stable water isotopes with age dating methods led to a better knowledge of source areas of the groundwater at the FMIF. It could be shown that the groundwater originates mainly from local precipitation and lateral inflow. The application of geophysical methods allowed a non-invasive acquisition of subsurface conditions. With the aid of electrical resistivity surveys a two dimensional picture of structural characteristics could be drawn. By time\u2011lapse measurements at the same profile information about the variability of the resistivity values could be gained and with transfer functions it was possible to extrapolate point values of soil moisture to a larger scale.
Investigations at the hillslope and catchment scale in the Weatherley catchment allowed conclusions on dominating runoff generation processes through the use of various experimental methods. The application and combination of different field methods at the same investigation area led to better process understanding. This was particularly useful as each method has shortcomings and limitations regarding special and temporal resolution. The Analysis of hydrometric time series showed the formation of an episodic perched water table within the soil profile. The importance of this fast component during runoff events could be verified and quantified through tracer data and runoff component separations. Geoelectrical measurements provide spatial information about this hydrological important area. A combination with point measurements \u2013 like soil moisture, groundwater and depth of bedrock \u2013 allowed classifying the heterogeneous subsurface conditions. The results led to the confirmation and refinement of a conceptual model of runoff generating processes within the catchment.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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