Large scale application of an environmental tracer approach : spatio-temporal patterns of hydrochemistry in a semi-arid grassland

Abstract

One of the grand challenges in large, ungauged catchments is to quickly and at low costs gain insight into the catchment relevant hydrologic processes. These are necessary in land use change oriented hydrological modeling to evaluate if the model of interest captures all relevant hydrological and biogeochemical processes. This is particularly crucial in rangelands which are situated in semi-arid or arid regions of the temperate zone and where water availability is already limited by definition. The research presented in this dissertation makes use of several methodologies to improve catchment understanding in a large, ungauged basin in the grasslands of Inner Mongolia. In a first attempt to assess the main runoff contributing sources of the study area, i.e. the Xilin river catchment, a top-down approach from first field reconnaissance and data collection over perceptual model development, reservoir model conceptualization, evaluation with hydrochemical data to completion of the field campaign was used. Based on hydrochemical data, the headwater source, a tributary and a shallow groundwater well were identified as important sources for the river. A simple conceptual reservoir model, that we were able to develop with this information captured the general trend of the stream hydrograph but showed a general overestimation throughout the growing season. Evaluation of the model through simulation of the geochemistry led to the rejection of the model structure and raised further questions that were able to guide the next steps in improving catchment understanding. More advanced geochemical analyses, i.e. end member mixing analysis (EMMA), were then applied onto a larger data set to identify and quantify the runoff contributing sources. Isotopic signatures of end member waters were used as an additional tool to characterize isolated water storages. Our findings indicate that the runoff can be explained by three interannually changing end members. In wetter years, the runoff is mainly produced by shallow groundwater sources. Dryer years exhibit a dominance of deeper groundwater aquifers as sources of stream flow. Rain is in all years only of minor importance. However, the 3-year measurement programme lacks the documentation of the full spectrum of hydrologic conditions, e.g. very wet years and very dry years and hence prompts the continued development of long-term measurement programme. This dissertation also addressed the problem of which and how many tracers to include into an EMMA and aimed at assessing the uncertainty of the model structure that results from an EMMA. Our findings indicate that the resulting model concept from an EMMA is highly sensitive to the tracers set size and composition in terms of system dimensionality (end members needed to explain flow in a system), end member combination and contribution to stream flow. A certain consent exists concerning the dimensionality of a system with all remaining tracer sets exhibiting a dimensionality of 3 which is also in line with the results in chapter 3. However, findings were ambiguous in terms of identified end members: for 2006, the most often selected end members were a shallow and a deep groundwater aquifer as well as either the headwater source area or a tributary. The large differences in end member contributions that were produced among the different tracer sets demonstrated that we are still missing at least one important end member. They also indicate that the major elements that are preferably used in many other studies are not always the most useful tracers.The top down approach and the environmental tracer approach proofed to be very valuable in identification of control variables on flow which is one step forward in improving catchment understanding in the Xilin river basin. The automatic EMMA procedure proofed that larger tracer sets that include also minor trace elements and that are employed in an iterative EMMA approach with varying tracer set sizes and compositions have a high potential to avoid false conclusions about catchment functioning. The proposed approach is highly complementary to the traditional EMMA approach. Eine der großen Herausforderungen in nicht-instrumentierten Einzugsgebieten ist die schnelle und kostengünstige Erfassung der abflussrelevanten Prozesse. Diese sind für die landnutzungsorientierte hydrologische Modellierung notwendig, um evaluieren zu können, ob das Model alle hydrologischen Prozesse richtig abbildet. Dies ist besonders in semi-ariden und ariden Gebieten der temperaten Zone wichtig, die durch Weideland geprägt sind und wo die Wasserverfügbarkeit bereits definitionsgemäß begrenzt ist. In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene Methoden genutzt, um das Prozessverständnis in einem großen, nicht-instrumentierten Einzugsgebietes in der Steppenregion der Inneren Mongolei, China, zu verbessern.Ein erster Versuch, die wichtigsten abflussrelevanten Quellen im Untersuchungsgebietes des Xilin abzuschätzen, verfolgt einen top-down Ansatz. Dieser Ansatz umfasst die Entwicklung eines konzeptionellen Speicher-Modells und die Evaluierung mit hydrochemischen Daten ein. Den Feldmessungen nach fungieren der Oberlauf, ein Nebenfluss und ein flacher Grundwasserspeicher als wichtige abflussspendende Quellen. Das auf diesen Kenntnissen basierende konzeptionelle Speichermodell ist in der Lage den generellen Trend des Hydrographen zu simulieren. Allerdings gibt es große Überschätzungen des Abflusses während der Vegetationsperiode. Die Modellevaluierung erfolgt durch die Simulierung der Wasserchemie und führt zur Ablehnung der Modellstruktur. Darauf basierend schließen sich weitergehende Arbeiten zur Verbesserung des Einzugsgebietsverständnisses an. In einem zweiten Arbeitsschritt werden höher entwickelte statistische Analysen nach dem Verfahren der End Member Mixing Analysis (EMMA) auf einen größeren hydrochemischen Datensatz angewendet, um die zum Abfluss beitragenden Quellen zu identifizieren und quantifizieren. Die Isotopensignaturen der End Member werden als weiteres Werkzeug genutzt, um die einzelnen Wasserspeicher zu charakterisieren. Die Befunde zeigen, dass der Abfluss durch drei End Member beschrieben werden kann. In feuchteren Jahren wird der Xilin hauptsächlich durch flache Grundwasserspeicher gespeist. Trockenere Jahre weisen eine Dominanz von tieferen Grundwasseraquiferen als abflussspendende Quelle auf. Niederschlag ist in allen 3 Jahren nur von geringer Bedeutung. Allerdings mangelt es dem 3-jährigen Messprogramm an der Dokumentation des gesamten Spektrums möglicher auftretender hydrologischer Konditionen, also von z.B. extrem nassen Jahren und sehr trockenen Jahren. Angestrebt werden sollte daher die ständige Weiterentwicklung und Förderung von Langzeit-Messprogrammen. Diese Dissertation nimmt weiterhin das Problem unter die Lupe, welche und wie viele Tracer man in eine EMMA mit einbeziehen sollte. Diese Arbeit zielt also darauf ab, die Unsicherheit der Modellstruktur als Ergebnis einer EMMA abzuschätzen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass das sich ergebende Modellkonzept einer EMMA höchst sensibel auf die Tracer Set Größe und -zusammensetzung in Bezug auf die End Member Kombination und deren Beitrag zum Abfluss verhält. Eine gewisse Übereinstimmung zwischen den Modellen existiert in Bezug auf die Dimensionalität (Anzahl der End Member die benötigt werden, um den Abfluss in einem Gebiet zu beschreiben). Alle akzeptable Tracer Sets weisen eine Dimensionalität von 3 End Membern auf, was auch mit den Ergebnissen aus dem zweiten Arbeitsschritt übereinstimmt. Allerdings sind die Ergebnisse in Bezug auf die identifizierten End Member nicht eindeutig: die am häufigsten gewählten End Member in 2006 sind ein flacher und ein tiefer Grundwasserspeicher sowie entweder der Oberlauf oder ein Nebenfluss. Die großen Unterschiede des Abflussbeitrages der einzelnen Endmember zwischen den unterschiedlichen Tracer Sets demonstrieren, dass anscheinend immer noch ein wichtiger End Member fehlt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die in vielen anderen EMMA Studien genutzten Tracer nicht zwingend die nützlichsten Tracer zur Beschreibung von End Membern sind, so dass gefolgert wird, auch in anderen Untersuchungen ein größeres Tracer Set zu verwenden.Der top-down Ansatz und der Traceransatz erweisen sich insgesamt als wertvolle Methoden für die Identifizierung von Kontrollvariablen des Abflusses im Xilin Einzugsgebiet. Die automatische EMMA-Methode macht deutlich, dass größere Tracer Sets, die auch Nebenelemente beinhalten und die in einer schrittweisen EMMA-Prozedur mit sich ändernden Tracer Set -Größen und -Zusammensetzungen eingesetzt werden, ein hohes Potenzial haben, falsche Schlüsse über das Prozessverständnis eines Einzugsgebietes zu vermeiden. Basierend auf den vorgelegten Ergebnissen kann ein verbessertes und umfangreicheres konzeptionelles Modell entwickelt werden, dass die beobachteten hydrochemischen Daten hinreichend erklärt und gleichzeitig den Abfluss des Xilin beschreibt.