Combining top-down and bottom-up analyses of terrestrial dissolved organic carbon export to improve the process representation of a coupled hydrological-biogeochemical model

Titelangaben

Werner, Benedikt:
Combining top-down and bottom-up analyses of terrestrial dissolved organic carbon export to improve the process representation of a coupled hydrological-biogeochemical model.
Bayreuth , 2024 . - II, 152 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Dissolved organic carbon (DOC) exhibited critical upward concentration trends in headwater streams in the last decades with potentially harmful environmental consequences. So far, the ubiquitous sources of organic material in catchments from which DOC can be derived, together with the complex hydrological flow paths that may deliver it to the streams have impeded to fully understand and quantify DOC fluxes from catchments. Therefore, a broader application of DOC export models to catchments not only is a scientific challenge, but also is important to ultimately manage water quality and related ecological issues. Consequently, a parsimonious DOC export model that adequately captures dominant mechanisms of solute export while being easy to transfer between catchments is required. This PhD project aims to investigate the hydrological and biogeochemical controls for the mobilization and transport of terrestrial DOC to the Rappbode stream (Harz Mountains, Germany; representative of a typical temperate headwater catchment), to then identify functional zones of terrestrial DOC export and their prevailing export mechanisms, and, ultimately conflate the developed understanding to adapt and refine the export mechanisms of a catchment-scale, semi-distributed model. Hereby, a key hypothesis is that there exists a direct relationship between groundwater dynamics in the riparian zone (RZ) – which is considered the main source zone for DOC in temperate catchments – and DOC export that allows to reproduce and predict DOC flux variability at the catchment outlet. First, Study 1 analyzes the in-stream DOC concentration and quality dynamics at high frequency (f = 0.066 min-1) for their top-down controls (integral catchment-scale processes) at the catchment outlet. Seasonal scale, antecedent hydrometeorological parameters and their interaction turned out to be dominant predictors of in-stream DOC dynamics. Those antecedent parameters suite to describe boundary conditions of riparian DOC export (like the on- and offset of hydrological connectivity to the stream). Implementing respective top-down controls into DOC export models can therefore serve as an anchor point, improving general mechanistic validity and thus transferability to catchments of similar riparian functioning. The mobilization and transport of riparian DOC to the stream from the bottom-up perspective (plot-scale riparian mechanisms) has been evaluated in Study 2. Results from a chemical and topographical analysis of riparian and stream water samples, combined with fully distributed hydrological modeling indicate that DOC export via surface runoff from the Rappbode RZ accounts for roughly half (47%) of the catchment’s total DOC export. Within the RZ, locations of high topographic wetness (depicted by the high-resolution topographic wetness index; TWIHR) are more prominent in generating surface runoff than locations of low TWIHR. A comparison of DOC from the RZ and in-stream samples indicates that near-surface riparian DOC from high TWIHR zones is transported to the stream mainly during events. Proxies that represent soil moisture variability within the RZ – such as TWIHR – therefore are suitable to link distinct terrestrial DOC sources in the RZ with the temporal variability of the stream water DOC concentrations. The study further confirms that soil moisture content in the RZ directly impacts the magnitude of surface runoff generation, if a threshold value is surpassed (representative of groundwater level reaching to the riparian surface). In Study 3, a semi-distributed coupled hydrology-biogeochemistry model for DOC export was mechanistically adapted to the above depicted understanding. A main focus was to implement an explicit surface flux mechanism that is threshold-controlled by the prevailing antecedent wetness condition in the catchment. Results from Studies 1 and 2 further indicate that in-stream DOC dynamics have an inherent information content with regard to the location, timing and mechanism of terrestrial DOC mobilization and export. This allows to simultaneously calibrate the hydrological (Kling-Gupta efficiency KGE = 0.79) and biogeochemical modules (KGE = 0.73) of the adapted model. The comparison with measured riparian groundwater levels and associated DOC samples attests the model to be valid in terms of internal and external flux realization, suggesting that riparian groundwater dynamics can be used to reproduce and predict in-stream DOC flux variability at the catchment outlet. In contrast to the simultaneous calibration, an approach that calibrates DOC consecutively to water fluxes largely overestimated riparian DOC concentrations. The information gain of utilizing DOC as a tracer in a coupled model is therefore a promising alternative to the more expensive application of external tracers for model calibration, which in turn should drastically increase the model’s transferability to other catchments. This thesis highlights the strong interactions of hydrological and biogeochemical functioning in the RZ and catchments in general, which enabled a new approach to reflect DOC export mechanisms in a semi-distributed model. Information gain from a multidimensional dataset allowed to implement proxies that integrate location, timing and mechanisms of mobilization and export behavior. The presented model thus supports a more holistic, yet parsimonious representation of DOC export processes, potentially allowing water quality managers to quantify DOC fluxes and predict hydrometeorological impacts in multiple catchments.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten Jahrzehnten zeigte die gelöste organische Kohlenstoff (DOC) Konzentration einen kritischen Aufwärtstrend in Flussoberläufen, was mit potenziell schädlichen Konsequenzen für die Umwelt einhergeht. Ein ganzheitlicheres Verständnis von DOC Flüssen in entsprechenden Einzugsgebieten ist deswegen nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant, sondern dient auch dem Management von Wasserqualitätsfragen und den damit einhergehenden ökologischen Beeinträchtigungen. Die Omnipräsenz von DOC im Einzugsgebiet sowie die hohe Komplexität von hydrologischen Fließpfaden (die letztendlich terrestrisches DOC in den Fluss transportieren) verhinderten jedoch bisher, dass die dafür benötigten DOC Export Modelle in ausreichendem Maße an die relevanten DOC Exportmechanismen angepasst werden konnten um verlässliche Aussagen für mehrere Einzugsgebiete zu generieren. Deshalb wird ein generischeres Modell benötigt, das die hohe Komplexität der Mechanismen adäquat repräsentiert, gleichzeitig aber auch ohne großen Mehraufwand auf mehrere Einzugsgebiete übertragbar ist. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den hydrometeorologischen Steuerungsgrößen von terrestrischem DOC Export in die Harzer Rappbode (beispielhaft für ein Quelleinzugsgebiet der gemäßigten Zone) und identifiziert funktionale Zonen sowie deren zugrunde liegenden Mechanismen des terrestrischen DOC Exports. Anschließend wird das so generierte Prozessverständnis genutzt, um die DOC Exportmechanismen in einem semi-verteilten Modell zu verfeinern. Hierfür ist eine Schlüsselhypothese, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Grundwasserdynamik der Aue (die Hauptquelle und Mobilisierungszone für DOC in gemäßigten Einzugsgebieten) und DOC Export besteht, der für die Modellierung von DOC Flüssen im Einzugsgebiet herangezogen werden kann. Studie 1 befasst sich mit der hoch aufgelösten Dynamik (f = 0.066 min-1) von DOC Konzentration und Qualität in der Rappbode hinsichtlich ihrer hydrometeorologischen top-down Steuerungsgrößen (integrale Prozesse auf Einzugsgebietsebene). Hierbei zeigte sich, dass zeitlich vorgelagerte, hydrometeorologische Parameter und deren Interaktion wesentlich zur Erklärung der DOC Dynamiken in der Rappbode beitragen. Die identifizierten Parameter können DOC Export in Einzugsgebieten über hydrologische und biogeochemische Rahmenbedingungen beschreiben und in DOC Export Modellen als Ankerpunkt eine generelle Prozessrepräsentation (z.B. das Ein- bzw. Aussetzen von hydrologischer Konnektivität) gewährleisten, was wiederum die Übertragbarkeit auf ähnliche Einzugsgebiete erhöht. Die Mobilisierung und der Transport von DOC aus der Aue in den Fluss werden in Studie 2 aus der bottom-up Perspektive untersucht (Mechanismen in der Aue). Ergebnisse aus chemischer und topographischer Analyse von Auen- und Flusswasserproben, kombiniert mit numerischer Modellierung zeigen, dass Oberflächenabfluss in der Aue etwa die Hälfte (47%) des gesamten terrestrischen DOC Exports ausmacht. Im spezifischen wird dabei DOC von Auenflächen mit hoher topographischer Feuchtigkeitswahrscheinlichkeit (repräsentiert durch einen hohen, lokalen topographischen Feuchtigkeitsindex; TWIHR) exportiert, wohingegen Flächen mit niedrigerem TWIHR auch weniger zum oberflächlich generiertem Stoffaustrag beitragen. Darüber hinaus zeigt Studie 2, dass oberflächliche Transportwege vor allem während und nach Niederschlagsereignissen aktiviert werden. Näherungsvariablen, die die lokalen Bodenfeuchtigkeitsunterschiede in der Aue repräsentieren – wie der erwähnte TWIHR – können daher die verschiedenen terrestrischen DOC Quellzonen der Aue mit dem observierten DOC Signal im Fluss verbinden. Die hydrologische Modellierung der Aue konnte außerdem zeigen, dass der Bodenfeuchtegehalt in der Aue direkt mit dem zeitlichen Einsetzen und der Menge des beobachteten DOC Exports zusammenhängt, sofern ein bestimmter Feuchtigkeitsgrenzwert im Boden überschritten wird (also Grundwasser die Oberfläche der Aue erreicht und dort abfließt). In Studie 3 wurde das hydrologische Modul eines halb-verteilten DOC Export Modells entsprechend der Erkenntnisse aus den Studien 1 und 2 mechanistisch angepasst (u.a. durch die Implementierung eines grenzwertkontrollierten, dynamischen Oberflächenabflussterms). Die Studien 1 und 2 verdeutlichen, dass die DOC Dynamik im Fluss einen inhärenten Informationsgehalt besitzt, aus dem sich die Art der DOC Quelle sowie der Zeitpunkt und der Mechanismus der DOC Mobilisierung ableiten lässt. Dies wiederum erlaubt es, Fluss-DOC zur simultanen Kalibrierung des hydrologischen (Kling-Gupta Effizienz KGE = 0.79) und biogeochemischen Moduls (KGE = 0.73) des angepassten Modells heranzuziehen. Der Vergleich mit gemessenen Grundwasserdaten (Wasserstand und DOC Konzentration) deutet auf valide interne und externe Modellkompartimente hin und legt nahe, dass die Dynamik der Grundwässer in der Aue dazu genutzt werden können, die DOC Dynamik in der Rappbode zu modellieren. Wird zuerst das hydrologische Modul und anschließend das biogeochemische Modul kalibriert, kommt es zu einer deutlichen Überschätzung der DOC Konzentrationen in einzelnen Modellkompartimenten. Hieraus schließen wir, dass der inhärente Informationsgehalt von Fluss-DOC einen vielversprechenden Ansatz darstellt um DOC Export Modelle zu kalibrieren, sollte das Ausbringen von externen Tracern nicht möglich sein. Dies sollte die Übertragbarkeit von Modellen auf andere Einzugsgebiete wiederum drastisch erleichtern. Insgesamt unterstreicht die hier verfasste These die starke Interaktion zwischen hydrologischer und biogeochemischer Funktionalität in der Aue, die zur verbesserten DOC Export Modellierung verwendet werden kann. Der Informationszugewinn durch den hier verwendeten hoch aufgelösten, multidimensionalen Geodatensatz erlaubte das Generieren von Näherungsvariablen, die den Ort sowie das Timing und den Mechanismus der Mobilisierung in sich vereinen. In ein Modell implementiert können solche Näherungsvariablen eine ganzheitlichere Repräsentation von DOC Exportprozessen gewährleisten. Wasserqualitätsmanager können so den Einfluss von sich ändernden hydrometeorologischen Steuerungsgrößen auf die DOC Flüsse mehrerer Einzugsgebiete besser abschätzen.