Monitoring-basierte Identifizierung von Zwischenabfluss-Signalen und deren Überprägung in der Uferzone (DFG FOR 5288)

FOR 5288/1 - TP D

Teilprojekt innerhalb der DFG-Forschungsgruppe "Fast and Invisible: Conquering Subsurface Stormflow through an Interdisciplinary Multi-Site Approach" (FOR 5288/1)

Teilprojekt D hat das Ziel, die Erzeugung von Zwischenabfluss (subsurface stormflow - SSF) auf Hängen zu untersuchen und damit verbundene Schwellenwerte und Einflussfaktoren besser zu verstehen. Weiterhin soll das Ausmaß bestimmt werden, in dem das SSF-Signal auf seinem Weg vom Hang durch die Uferzone überprägt wird. Damit möchten wir SSF als abflussbildenden Prozess im Kontext topographischer, klimatischer und Landnutzungsgradienten greifbarer und sichtbarer machen. Das meistens auf Hängen entstehende SSF-Signal wird in vielen Fällen auf der Passage durch die Uferzone Richtung Vorfluter verändert. Dieses stellt ein Problem dar, weil SSF typischerweise entweder am Hang selbst untersucht wird, z.B. durch die Messung von flachen Grundwasserständen oder die experimentelle Erfassung von SSF, oder dadurch identifiziert wird, dass man nach im Hangwasser bestimmten Tracersignalen im Vorfluterabfluss sucht. Die Überprägung des SSF-Signals kann sich in Zeitverzögerungen und Änderungen von Fließrichtung und Flussvolumen äußern. Diese physikalischen Effekte bewirken vor allem eine Verlängerung der Aufenthaltszeit von SSF in der Uferzone und können damit auch zu einer Veränderung des chemischen SSF-Signals durch Mischungsprozesse und/oder biogeochemische Reaktionen führen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das SSF-Signal den Vorfluter erreicht, kann es sich stark vom ursprünglichen Signal unterscheiden und daher unter Umständen nicht mehr als SSF-Beitrag erkannt werden. Letztendlich bestimmt die Konnektivität zwischen Hängen und Vorfluter, wann und in welchem Ausmaß SSF abflusswirksam wird. Um die Bedeutung von Zwischenabfluss als abflussbildenden Prozess zutreffender bewerten zu können, werden in Projekt D folgende Forschungsfragen bearbeitet:

(1) Welche Schwellenwerte und zeitlichen Verläufe zeigt SSF auf Hängen?

(2) Gibt es SSF-typische Tracer oder Tracerkombinationen, die man zur eindeutigen Identifizierung von Hang-SSF im Vorfluterabfluss benutzen könnte? Wie standortabhängig sind solche Signaturen?

(3) In welchem Ausmaß wird das physikalische und chemische SSF-Signal in der Uferzone überprägt, und zeigen sich Abhängigkeiten von Jahreszeit oder Vorfeuchte?

(4) Welche sind die wichtigsten raumzeitlichen Einflussfaktoren für die Entstehung von SSF und für die Überprägung in der Uferzone?

Wir werden diese Forschungsfragen mit einem innovativen experimentellen Ansatz untersuchen. Kern dieses Ansatzes ist die Entwicklung eines zweifach nutzbaren SSF-Sammelsystems, mit dem wir zum einen SSF von hangaufwärts erfassen werden und das wir zum anderen hangabwärts für Tracerinfiltrationen verwenden können. An jedem unserer vier Test-Standorte werden wir drei solche SSF-Sammelsysteme einbringen. Mithilfe von Piezometerfeldern, die unterhalb in der Uferzone angelegt werden, können die Fließwege vom Hangfuß durch die Uferzone und das Ausmaß der SSF-Signalüberprägung bestimmt werden. Zudem werden wir aus unseren Untersuchungen SSF-typische Tracer in unterschiedlichen Landschaften identifizieren können.

(Projektleitung zusammen mit Dr. Theresa Blume, Geoforschungszentrum Potsdam)