Flow Dynamics and Reactivity in the Transition Zone between Streams and Riparian Aquifers

Titelangaben

Nogueira, Guilherme E. H.:
Flow Dynamics and Reactivity in the Transition Zone between Streams and Riparian Aquifers.
Bayreuth , 2022 . - viii; 183 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The stream water (SW) and groundwater (GW) domains are two parts of one hydrologic continuum. The riparian zone (RZ) is a transition zone between both domains, which connects the aquatic and terrestrial ecosystems. The RZ has been shown to have a potential for regulating water quality in stream-corridors. This potential is mainly related to SW-GW interactions and the associated hydrological and biogeochemical processes occurring at different spatio-temporal scales within RZ. Mixing of different solutes, and high microbial activities are only some of the factors responsible for the high potential for contaminant attenuation and general solutes turnover within RZ. However, an adequate representation of these coupled processes, and their variations in space and time is challenging due to the multiple interactions between the hydrological and biogeochemical processes. This PhD addresses this challenge by aiming at an evaluation of the effects of flow dynamics on riparian reactive potential at different scales. The three consecutive studies comprising this thesis were carried out in a well-instrumented RZ located at the low-land portion of the Selke River catchment, a 4th-order stream, central Germany. The location is well suited for this type of research since it is well instrumented and has a long history of agricultural activity within the riparian corridor with associated inputs of nitrate (NO3-) into the riparian aquifer. This thesis combines data-driven and numerical modelling in order to explore and disentangle the different factors and processes shaping water quality at the different scales within the RZ. As dissolved oxygen (DO) is a key-component regulating the redox state of the system, in the data-driven analyses (Study 1), a suite of tracer-tests were carried out and combined with high-resolution hydrological and chemical data to characterize the near stream system (appx. 20m from stream bank) for aerobic respiration. For that, Damköhler numbers for DO (DADO) were employed. Results showed that seasonal and short-term variations in temperature are major controls shaping the reactive state of the system. Seasonal temperature variations in GW induce a shift on reactive state from transport-limited (DADO>1) in summer to reaction-limited conditions (DADO<1) in winter. On the other hand, short-term events had only minor impacts on the system, resulting in slightly less transport-limited conditions due to decreasing temperature and transit-times associated with the events. The study also shows that assuming a constant water temperature along a SW infiltration flowpath could lead to an over- or underestimation of reaction rates by a factor of 2-3 due to different infiltrating water temperature at the SW-GW interface. Also assuming constant water transit-times throughout the hydrological year results in an underestimation of NO3- removal (40%-50% difference). The numerical modelling of Study 2 focused on the simulation of water flow and mass (DO and NO3-) transport using the measured data from Study 1 but extended the spatial scale. The modelling concept combined a fully-integrated 3D transient numerical flow model with a temperature-dependent reactive transport along subsurface flow paths. Results revealed that temperature variations shift the reactive zone for NO3-, whereas this zone is near the stream under warmer conditions. Even under limited carbon availability (as an electron donor) and low-temperatures, NO3- removal fractions (RNO3) were greater further from the stream than along short hyporheic flow paths (RNO3=0.4 and RNO3=0.1, respectively). Conversely, transit-times and DO concentrations constrained nitrate removal at the near stream region. Additionally, with increasing temperature, the effects of stream flow and solute concentrations on biogeochemical turnover and the redox zonation around the stream strongly decreased. The modelling concept of this study provides an adaptive framework to quantify reach-scale biogeochemical turnover around hydrological dynamic streams. In Study 3, the flow model is coupled with a Hydraulic Mixing Cell method for mapping the source composition of water and tracking their spatio-temporal evolution within RZ. This allowed the identification of mixing hotspots which can be defined to have nearly equal fractions of SW and GW per aquifer volume. These mixing hotspots can facilitate mixing-dependent reactions and solute turnover. Only about 9% of the total simulated domain could be identified as mixing hot-spots (mainly at the fringe of the geochemical hyporheic zone), but this value could be 1.5x higher following large discharge events. Such events increase mixing further away from the stream, whereas near the stream the rapid increase of SW influx shifts the ratio between the water fractions to SW, reducing the potential for mixing and the associated reactions. The study also provides an easy-to-transfer approach to assess spatio-temporal patterns of mixing processes and mixing-dependent turnover reactions in riparian zones. In summary, findings from the three studies elucidated the relationships and controls among hydrology and biogeochemistry at different scales in the RZ. By combining innovative methods and using coupled, mechanistic models, this thesis advanced the understanding of reactive potentials within the RZ, which can be useful to devise further research and actions for integrated aquatic ecosystem management and recovery.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bereiche Fließgewässer (SW) und Grundwasser (GW) sind Teile eine hydrologischen Kontinuums, das durch eine Übergangszone verbunden ist. Die Flussauen (RZ), als Übergangszone zwischen aquatischen und terrestrischen Ökosystemen, ist für ihr großes Potenzial zur Regulierung der Wasserqualität in Flusskorridoren bekannt. Dieses Potenzial hängt hauptsächlich mit den Wechselwirkungen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen zusammen, die auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen innerhalb der RZ stattfinden. SW-GW-Austauschprozesse, die Durchmischung verschiedener gelöster Stoffe und hohe mikrobielle Aktivität sind nur einige der Faktoren, die für das hohe Potenzial zur Schadstoffabschwächung und zum weiteren Stoffumsatz in den Flussauen verantwortlich sind. Die Darstellung solcher gekoppelter Prozesse sowie ihrer räumlichen und zeitlichen Variationen ist jedoch aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den hydrologischen und biogeochemischen Prozessen, die beim Durchfluss des Wassers durch die Ufersedimente berücksichtigt werden müssen, schwierig. Daher ist die Bewertung der Auswirkungen der Abflussdynamik auf das reaktive Potenzial von RZ auf verschiedenen Ebenen ein anspruchsvolles Ziel, zu dem dieses Dissertationsprojekt beitragen soll. Die drei verschiedenen Studien, die diese Dissertation umfassen, wurden in einer RZ im unteren Einzugsgebiets der Selke, einem Fluss vierter Ordnung in Mitteldeutschland durchgeführt. Der Standort ist für die Untersuchung sehr gut geeignet, da er gut instrumentiert ist und das Gebiet durch eine langjährige landwirtschaftliche Nutzung und eine damit verbundene Verschmutzung des Grundwassers mit Nitrat (NO3-) geprägt ist. In dieser Arbeit werden datengestützte und numerische Modellierung kombiniert, um die verschiedenen Faktoren und Prozesse, die die Wasserqualität auf den verschiedenen Skalen innerhalb der RZ prägen, zu untersuchen und zu verstehen. Da gelöster Sauerstoff (DO) eine Schlüsselkomponente ist, die den Redox-Zustand des Systems reguliert, wurden in den datengestützten Analysen (Studie 1) eine Reihe von Tracer-Tests durchgeführt und mit hochauflösenden hydrologischen und chemischen Daten kombiniert, um das flussnahe System (ca. 20 m vom Flussufer entfernt) hinsichtlich des DO-Umsatzpotenzials zu charakterisieren. Dazu wurden Damköhler-Zahlen für den DO-Verbrauch (DADO) verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass saisonale und kurzfristige Temperaturschwankungen den reaktiven Zustand des Systems maßgeblich beeinflussen. Saisonale Temperaturschwankungen im Grundwasser verschieben den reaktiven Zustand des Systems von transportlimitierten (DADO>1) im Sommer zu reaktionslimitierten Bedingungen (DADO<1) im Winter. Andererseits hatten kurzfristige Ereignisse nur geringfügige Auswirkungen auf das System. Da hydrologische Ereignisse durch verminderte Wassertemperatur und kürzere Aufenthaltszeiten charakterisiert sind, reduzierte sich die Transportlimitierung des Systems leicht, Die Studie zeigt auch, dass die Annahme einer konstanten Wassertemperatur entlang eines SW-Infiltrationspfades zu einer Über- oder Unterschätzung der Reaktionsraten um den Faktor 2-3 führen kann, wenn sich die Temperatur des infiltrierenden Wassers von der in der Flussaue unterscheidet. Auch die Annahme konstanter Verweilzeiten des Wassers während des gesamten hydrologischen Jahres führt zu einer Unterschätzung des NO3- Abbaus (40-50% Unterschied). Die numerische Modellierung in Studie 2 konzentrierte sich auf die Simulation des Wasserflusses und des Stofftransports (DO und NO3-) unter Verwendung der Messdaten aus Studie 1, wobei die räumliche Skala erweitert wurde. Diese Modellierung kombinierte ein vollständig integriertes instationäres, numerisches 3D-Strömungsmodell mit einem temperaturabhängigen reaktiven Transport entlang Grundwasserfließpfaden. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperaturschwankungen die reaktive Zone für NO3- verschieben, während diese Zone unter wärmeren Bedingungen in der Nähe des Flusses liegt. Sogar bei begrenzter Kohlenstoffverfügbarkeit (als Elektronendonor) und niedrigen Temperaturen waren die Anteile der NO3- Entfernung (RNO3) weiter entfernt vom Fluss größer als entlang kurzer hyporheischer Fließpfade (RNO3=0,4 bzw. RNO3=0,1). Umgekehrt schränkten Transitzeiten und DO-Konzentrationen den Nitratabbau in der stromnahen Region ein. Mit zunehmender Temperatur verringerten sich die Auswirkungen der Strömungmuster und der Konzentration gelöster Stoffe auf den biogeochemischen Umsatz und die Redoxzonierung in der Umgebung des Flusses stark. Darüber hinaus bietet diese Studie einen anpassungsfähigen Rahmen zur Quantifizierung des biogeochemischen Umsatzes auf Reichweitenbasis in hydrologisch dynamischen Fließgewässern. In Studie 3 wurde das Strömungsmodell mit einer Hydraulic Mixing Cell Methode gekoppelt, um die Quellzusammensetzung der Wässer zu kartieren und ihre räumlich-zeitliche Entwicklung in der Flussaue zu verfolgen. Dies ermöglichte die Identifizierung von Zonen mit ähnlichen Anteilen von SW und GW pro Aquifervolumen (d. h. "Mischungs-Hotspots"), die mischungsabhängige Reaktionen ermöglichen. Nur etwa 9% des gesamten simulierten Bereichs wurden als Mischungs-Hotspots identifiziert (hauptsächlich am Rande der geochemischen hyporheischen Zone), aber dieser Wert konnte nach großen Abflussereignissen bis zu 1,5-mal höhere Werte erreichen. Solche Ereignisse verstärken die Durchmischung von Fluss- und Grundwasser in größerer Entfernung vom Fluss, wohingegegen in der Nähe des Flusses der rasche Anstieg des SW-Zuflusses das Verhältnis zwischen den Wasserfraktionen zu SW verschiebt, wodurch das Potenzial für die Durchmischung und die damit verbundenen Reaktionen verringert wird. Die Studie bietet einen leicht übertragbaren Ansatz zur Bewertung der räumlich-zeitlichen Muster des Durchmischungsprozesses und dessen Auswirkungen auf die Biogeochemie der Auenzone in Bezug auf mischungsabhängige Umsatzprozesse. Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse der drei Studien die Beziehungen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen auf verschiedenen Raumskalen in der RZ. Durch die Kombination von innovativer Methoden und gekoppelten, mechanistichen Modellen hat diese Arbeit das Verständnis des reaktiven Potenzials von Falussauen verbessert, was eine Grundlage für weitere Forschung sowie Maßnahmen für eine integrierte Bewirtschaftung zur Wiederherstellung aquatischer Ökosysteme in Flussauen bieten kann.