Dynamic and spatial patterns of subsurface and surface runoff generation in the Schäferbach catchment.

Zusammenfassung

Im Zuge des Klimawandels wird das Wissen über die Dynamik und das räumliche Auftreten von abflussgenerierenden Prozessen in kleinen Einzugsgebieten zunehmend wichtiger, um Umweltrisiken wie Überschwemmungen oder Bodenerosionen zu minimieren. In dieser Arbeit wurde der saisonale Einfluss von feuchten und trockenen Vorbedingungen auf die Grundwasserund Oberflächenabflussgeneration und deren räumliche Verteilung im Einzugsgebiet des Schäferbachs (Schäfertal im Harzgebirge, Deutschland) während und zwischen Niederschlagsereignissen erforscht. Zudem wurde das Auftreten von so genannten Hot-Spots der Abflussgeneration untersucht, welche räumlich stationäre Bereiche darstellen, die persistent Abfluss generieren. Die abflussgenerierenden Prozesse an der Oberfläche und im Untergrund wurden mit einem dreidimensionalen HydroGeoSphere-Modell (HGS-Modell) für das Jahr 2019 und für vier virtuelle Niederschlagszenarien mit feuchten und trockenen Vorbedingungen simuliert. Die simulierten Ereignisabflüsse am Auslass des Schäfertals wurden anhand der Ergebnisse des HGS-Modells in Grund- und Oberflächenabfluss separiert. Radon-222 (Radon) wurde zusätzlich als natürlicher radioaktiver Grundwassertracer kontinuierlich im Schäferbach über eine Messperiode vom 27.05.2019 bis 13.08.2019 gemessen. Anhand der kontinuierlichen Radonaktivität wurde der am Auslass des Schäfertals gemessene Ereignisabfluss des Niederschlags am 31.07.2019 mit einem linearen Mischungsmodell in Grund- und Oberflächenabfluss separiert. Zudem wurden die prozentualen Anteile von Grund- und Oberflächenwasser am Gesamtvolumen der gemessenen und simulierten Ereignisabflüsse berechnet. Der gemessene Ereignisabfluss am 31.07.2019 diente als Referenz für die simulierten Niederschlagszenarien mit trockenen Vorbedingungen. Zur Bestimmung der Abflussentwicklung entlang des Schäferbachs bei Trockenwetter wurden die Teilabflüsse mit einem Bromid-Abflusstracerversuch am 28.05.2019 bestimmt. Zusätzlich wurde Radon entlang des Schäferbachs in Abständen von 166 m bis 195 m an insgesamt 5 Tagen zwischen dem 28.05.2019 und dem 16.12.2019 räumlich verteilt gemessen. Dadurch konnten Grundwasserzuflüsse in den Schäferbach lokalisiert werden. Die Quantifizierung der Grundwasserzuflüsse erfolgte mit der Software FiniFlux. Die Ergebnisse des HGS-Modells zeigten, dass der Grundwasseranteil am Ereignisabfluss bei feuchten Vorbedingungen bei 80 % und bei trockenen Vorbedingungen bei 76 % lag. Ein um 2 mm d -1 verringerter virtueller Niederschlag führte zu einem Grundwasseranteil von 81 % bei feuchten Vorbedingungen und zu 86 % bei trockenen Vorbedingungen. Die kontinuierliche Radonmessung bzw. das lineare Mischungsmodell bestätigten den überwiegenden Grundwasseranteil am Ereignisabfluss bei trockenen Vorbedingungen. Jedoch zeigten die Abflussmessungen und das linearen Mischungsmodell, anders als das HGS-Modell, bei trockenen Vorbedingungen eine um 10 Stunden schnellere Abflussreaktion mit einem simultanen Anstieg des Grundwasserabflusses, welcher den Ereignisspitzenabfluss verursachte. Dem entgegengesetzt wurden die Ereignisspitzenabflüsse im HGS-Modell sowohl bei trockenen als auch bei feuchten Vorbedingungen durch Oberflächenabfluss erzeugt. Die hohen Grundwasseranteile im Gesamtvolumen des simulierten Ereignisabflusses waren auf eine länger anhaltende Abflussreaktion des HGS-Modells zurückzuführen. Die Abflussreaktion des HGS-Modells war bei trockenen Vorbedingungen um ca. 7 Tage länger als die gemessene Abflussreaktion. Der simultan mit der Abflussreaktion einsetzende Grundwasserabfluss wurde auf Drainagen zurückgeführt. Diese befinden sich im oberen Abschnitt des Schäferbachs und waren im HGS-Modell nicht programmiert. Zudem konnten saisonal charakteristische räumliche Muster der Grund- und Oberflächenabflussgeneration simuliert werden. Bei feuchten Vorbedingungen führten Grundwasseraustritte im HGS-Modell zu zusätzlichen oberflächenabflussgenerierenden Bereichen. Generell korrelierte die räumliche Verteilung der Oberflächenabflussgeneration mit den vertikal gering durchlässigen oberflächennahen Bodenzonen des HGS-Modells (hydraulische Leitfähigkeiten: 0,02 m d -1 bis 0,027 m d -1 ). Bei feuchten Vorbedingungen wurde auf diesen Bodenzonen im HGS-Modell deutlich mehr Oberflächenabfluss als bei trockenen Vorbedingungen generiert. Außerdem wurden kleinräumige dauerhaft abflussgenerierende Hot-Spots von Grundwasserzuflüssen (Drainagen) sowie Oberflächenzuflüsse aus Feuchtgebieten anhand der Messungen festgestellt. Die Grundwasserzuflüsse an den Hot-Spots nahmen während der niederschlagfreien Zeit über den trockenen Sommer 2019 ab. Die Ergebnisse des HGS-Modells zeigten, dass sich feuchte und trockene Vorbedingungen auf die Dynamik der Grund- und Oberflächenabflussgeneration auswirken und charakteristische räumliche Muster verursachen. Jedoch ist die Niederschlagsintensität der entscheidende Faktor für die Zusammensetzung des Ereignisabflusses aus Grund- und Oberflächenwasser. Abflüsse aus Drainagen und Feuchtgebieten zeichneten sich als essentielle Bestandteile der räumlichen Verteilung und der Dynamik der Abflussgeneration im Schäfertal ab.