Drivers and control factors of streamflow intermittency

Abstract: The drying of stream reaches occurs either periodically in Intermittent Rivers andEphemeral Streams (IRES) or sporadically due to the extreme of hydrological drought.Streambed drying leads to the fragmentation of hydrologic connectivity, with consequences for aquatic ecosystem processes. Amid climate change, an increase in theproportion of IRES on the entire globe and thus, noticeable changes in the characteristicsof dry phases in various parts of the global stream network are expected. Likewise,direct anthropogenic activities exacerbate or buffer streambed drying on different spatiotemporal scales, depending on the type of activity, on the hydrologic preconditions andphysiographic characteristics of the river systems of interest. Despite the ubiquity ofIRES, there is a lack of understanding of drying processes, as well as on natural andanthropogenic causes of streambed drying. This calls for a revision of how IRES dynamicsare traditionally represented in hydrological sciences and to inform water managementand ecosystem conservation practices. Looking back to decades of research on perennialrivers, data availability on IRES is low and many statistical methods do not apply toIRES. Therefore, the development of new, science-based methods for measurement andclassification of IRES systems is currently in focus. Due to the increased variability ofthe flow in IRES, it is crucial to identify the patterns of hydrological connectivity and tounderstand how the different dimensions of connectivity (longitudinal, lateral, vertical)relate to each other. This thesis compiles three studies, which improve the understandingof spatio-temporal patterns of longitudinal and vertical hydrologic connectivity on different spatial scales in two distinct climatic and geographic contexts and which investigatehow potential control factors influence these patterns.Studies on longitudinal connectivity often rely on data from field surveys becausethe measurement of drying phases is challenging with conventional methods. Recenttechnological development facilitates the use of innovative sensors for the continuousmeasurement of streambed drying on the scale of stream reaches. Study I of this thesiscompares a conventional and an image-based measurement method and points out theiradvantages and disadvantages for high-resolution, cost-effective monitoring of zero waterlevel along stream reaches in a meso-scale study area in southern Germany. Based on thecollected data, the study compiled a zero water level dataset for the summer season of2020 and examines the longitudinal drying patterns of the stream reaches. The studyreveals which stream reaches were most affected by the drying and identifies distinctlongitudinal patterns based on the distance to the outlet. Nevertheless, not all locationsalong a stream evince similar dynamics. This diversity suggests that local physiographiccharacteristics influence streambed drying. Monitoring and modelling approaches tounderstand riverbed drying therefore need to focus at least on scales equivalent to thescale of stream reaches, or even smaller.During dry phases, vertical connectivity shapes water availability in catchments andrivers with groundwater (GW)-surface water (SW) interaction, as baseflow from aquiferssustains streamflow. Natural influences and human actions induce changes in verticalconnectivity, with repercussions for longitudinal connectivity. Studies II and III assess therange of connectivity variability in response to potential control factors characteristic fortwo different study areas by means of physical modelling.Study II proposes new metrics to analyse the interdependence of longitudinal andvertical connectivity at the local/regional scale and suitable resolution (100x100m) in acatchment with a temperate climate. An evaluation of the metrics for different modelscenarios with climatic and anthropogenic stresses demonstrates that the effect of anthropogenic stress can locally exceed the effect of climatic stress. To consolidate thisfinding, the role of natural characteristics to aggravate or buffer the effect of humanactions, such as whether a river section is typically gaining or losing streamflow to thegroundwater (GW) system or whether it receives hillslope contributions, needs to beclarified. In general, the model approach used in this study is suitable for an investigationof spatio-temporal changes in connectivity. However, modelling of the magnitude ofzero water levels and exchange flows between aquifers and streams requires thoroughparameterisation of the stream network and validation of vertical and lateral subsurfaceflows based on observations. Study III investigates the sensitivity of longitudinal andvertical connectivity to subsurface hydrogeological parameters and vegetation categoriesat a larger scale and coarser model resolution (1x1 km) in a tropical catchment context.The results indicate that the longitudinal connectivity of the river network is sensitiveto variations of subsurface heterogeneity of hydrogeological parameters. Simulated GWdynamics point towards an influence of vegetation type on vertical connectivity betweenthe GW and SW-system. The sensitivity analysis highlights the role of subsurface andvegetation for large-scale modelling of longitudinal and vertical connectivity in the context of tropical catchments with hard-rock basement. Altogether, Studies II and III shedlight on specific control factors of vertical connectivity for different catchment contextsand different spatio-temporal scales.In conclusion, the work presented in this thesis provides evidence that patterns oflongitudinal and vertical connectivity are very heterogeneous, even at point and reachscale. Therefore, the longitudinal drying dynamics can hardly be generalised for entirecatchments (Study I). These findings confirm the need to collect more data accordingto newly defined IRES standards to obtain a profound understanding of longitudinalconnectivity. In regions with strong GW-SW-interactions, persisting vertical connectivitycan buffer stream drying locally. Joint analysis of different types of connectivity (suchas longitudinal and vertical connectivity) is a possible strategy to understand how all ofthem shape the observed drying patterns and how they respond to climatic changes andanthropogenic influences (Study II). The investigation of simulated SW and GW dynamicsat larger scales contributes to an understanding of primary control factors at these scales(Study III). In the future, metrics to evaluate simulated GW dynamics at coarse modelresolutions need to be further developed to better quantify changes in vertical connectivity. To investigate in detail how, where and when control factors influence hydrologicconnectivity, it will be essential to advance and compare integrated model approachesfor the estimation of GW-SW-interaction, as proposed in this thesis. This thesis providesexamples for the analysis of potential drivers of streambed drying in different contexts,which manifest themselves on different spatio-temporal scales. The findings of this thesiselaborate on key control factors to consider in future water management plans in thesedifferent contexts, suggesting that strategies and adaptation measures need to targetspecific scales depending on the prevalent environmental impacts
Abstract: Das Trockenfallen von Gewässerabschnitten kann entweder in regelmäßigen Zeitabschnitten in intermittierenden Flüssen (engl. Intermittent Rivers and Ephemeral Streams(IRES)) oder vereinzelt aufgrund von Hydrologischer Dürre auftreten. Beim Trockenfallenkommt es zu Unterbrechungen der hydrologischen Konnektivität, die das aquatischeÖkosystem beeinträchtigen. Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist eine globaleZunahme des Anteils von IRES zu erwarten und damit einhergehend merkliche Veränderungen in der Dynamik des Trockenfallens in verschiedenen Teilen des globalenGewässernetzes. Gleichzeitig können direkte anthropogene Aktivitäten das Trockenfallen des Gerinnebetts auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen verstärken oderpuffern, abhängig von der Art der Aktivität, der hydrologischen Vorbedingungen und denphysiografischen Eigenschaften des betrachteten Flusssystems. Trotz der Allgegenwärtigkeit von IRES besteht ein Mangel an Verständnis der Prozesse, die zum Trockenfallenführen sowie über dessen natürliche und anthropogene Ursachen. Dies erfordert eineÜberarbeitung der klassischen, hydrologischen Beschreibung der Dynamik intermittierender Flüsse und eine Anpassung von Wassermanagementstrategien mit dem Ziel derErhaltung des Ökosystems. Da sich die hydrologische Forschung in der Vergangenheithauptsächlich auf perennierende Flüsse konzentrierte, wurden kaum Daten an intermittierenden Flüssen erhoben, mit der Folge, dass viele statistische Methoden nichtauf diese anwendbar sind. Daher besteht die Notwendigkeit zur Entwicklung neuerwissenschaftlicher Methoden für die Messung und Klassifizierung von IRES-Systemen.Aufgrund der erhöhten Abflussvariabilität in IRES, ist eine Charakterisierung der hydrologischen Konnektivität und der Zusammenhänge der verschiedenen Dimensionen(longitudinal, lateral, vertikal) von entscheidender Bedeutung. Diese Dissertation basiertauf drei Studien, die das Verständnis der räumlich-zeitlichen Muster longitudinaler undvertikaler Konnektivität anhand von zwei Fallbeispielen auf unterschiedlichen Skalen,in verschiedenen klimatischen und geografischen Kontexten verbessern und möglicheKontrollfaktoren des Trockenfallens untersuchen.Da die Bestimmung der Trockenphasen mittels konventioneller Messmethoden ungenauist, beruhen die meisten Untersuchungen longitudinaler Konnektivität auf Feldbeobachtungen. Die technologische Entwicklung ermöglicht die Nutzung innovativer Sensorsysteme zur kontinuierlichen Messung des Trockenfallens von Gewässerabschnitten. InStudie I dieser Arbeit werden ein konventionelles und ein bildbasiertes Messverfahrenverglichen und deren Vor- und Nachteile im Hinblick auf ein zeitlich hochaufgelöstes undkostengünstiges Langzeitmonitoring von Nullwasserständen erläutert. Basierend auf denin einem Dürrejahr erhobenen Daten in einem mesoskaligen Untersuchungsgebiet imSüden Baden-Württembergs, wurde ein Datensatz mit Nullwasserständen erstellt unddas longitudinale Muster des Trockenfallens untersucht. Anhand dessen wird deutlich,welche Gewässerabschnitte besonders vom Trockenfallen betroffen sind und welche longitudinalen Muster sich zeigen. Verschiedene Standorte weisen hierbei unterschiedlicheDynamiken auf. Diese Diversität deutet darauf hin, dass das Trockenfallen von lokalenphysiografischen Gegebenheiten beeinflusst wird. Monitoring und Modellansätze solltensich daher auf die Skala von Gewässerabschnitten oder noch kleiner konzentrieren.Die vertikale Konnektivität kontrolliert die Wasserverfügbarkeit in Einzugsgebieten undFlüssen mit Grundwasser-Oberflächenwasserinteraktion in Trockenphasen, wenn derBasisabfluss einen Großteil des Abflusses ausmacht. Natürliche und anthropogene Einflüsse verursachen Änderungen der vertikalen Konnektivität, die sich wiederum auf dielongitudinale Konnektivität auswirken kann. Studie II und III untersuchen die Variabilitätvon Konnektivität als Reaktion auf potenzielle Kontrollfaktoren mittels physikalischerModellierung.In Studie II werden neue Metriken zur Analyse der Wechselbeziehung von longitudinaler und vertikaler Konnektivität auf der lokalen/regionalen Skala und entsprechender Auflösung (100x100 m) in einem Einzugsgebiet mit gemäßigtem Klima vorgestellt.Eine Auswertung dieser Metriken für verschiedene Modellszenarien ergibt, dass anthropogene Stressfaktoren lokal einen stärkeren Einfluss haben können als klimatische. Zur Bestätigung dieser Erkenntnis, muss die Rolle natürlicher Gegebenheiten,die den Effekt anthropogener Wassernutzung verstärken oder abschwächen könnten,z.B. ob ein Gewässerabschnitt typischerweise Abfluss an das GW System verliert odergewinnt, geklärt werden. Insgesamt ist der in dieser Studie gewählte Modellansatzfür eine Analyse räumlich-zeitlicher Veränderungen von Konnektivität geeignet. Fürdie Verbesserung der Modellierung von Nullwasserständen und dem Austausch zwischen GW und Gewässerabschnitten zeigte sich die Notwendigkeit einer detailliertenParametrisierung des Gerinnebetts und einer Validierung von vertikalen und lateralenOberflächen- und Grundwasserströmungen basierend auf Messdaten. Studie III befasstsich mit der Sensitivität der longitudinalen und vertikalen Konnektivität auf hydrogeologische Parameter und Vegetationsklassen auf größerer Skala und Modellauflösung(1x1 km) in einem tropischen Einzugsgebiet. Eine hohe Sensitivität der longitudinalenKonnektivität zeigt sich bei variierender Heterogenität der hydrogeologischen Eigenschaften oberflächennaher Schichten. In der simulierten GW-Dynamik ließ sich einEinfluss der Vegetationsklasse auf die vertikale Konnektivität zwischen GW und Oberflächenwasser erkennen. Die Sensitivitätsanalyse hebt die Relevanz der oberflächennahenHydrogeologie und der Vegetation zur großskaligen Modellierung longitudinaler und vertikaler Konnektivität hervor. Insgesamt beleuchten Studie II und III Kontrollfaktoren dervertikalen Konnektivität in verschiedenen Einzugsgebieten und auf verschiedenen Skalen.Zusammenfassend verdeutlicht diese Doktorarbeit, dass die Muster longitudinaler undvertikaler Konnektivität, auch auf kleiner Skala von Punkten und Gewässerabschnitten,sehr heterogen sind. Eine Verallgemeinerung der longitudinalen Dynamik des Trockenfallens für Einzugsgebiete ist daher nicht möglich (Studie I). Diese Erkenntnisse bestätigendie Notwendigkeit mehr Daten entsprechend neu definierter IRES-Standards zu sammeln,um ein ganzheitliches Verständnis von longitudinaler Konnektivität zu erlangen. InRegionen ohne starke GW-Oberflächenwasser-Interaktion kann vertikale Konnektivitätdas Trockenfallen lokal verhindern. Die gleichzeitige Analyse verschiedener Dimensionenvon Konnektivität ist entscheidend, um zu verstehen, wie alle diese Dimensionen zumTrockenfallen von Gewässerabschnitten beitragen und wie sich klimatische und anthropogenen Änderungen auf das Trockenfallen auswirken (Studie II). Die Untersuchung derDynamik von Oberflächen- und Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis elementarer Kontrollfaktoren auf größeren Modellskalen bei (Studie III). In Zukunft müssenMetriken zur Auswertung der simulierten GW-Dynamik bei gröberen Modellauflösungenweiterentwickelt werden, um Änderungen der vertikalen Konnektivität besser zu quantifizieren. Für ein detailliertes Verständnis davon, wie, wo und wann Kontrollfaktoren diehydrologische Konnektivität beeinflussen, müssen integrierte Modellansätze weiterentwickelt und verglichen werden. Diese Dissertation beinhaltet Beispiele zur Bestimmungpotenzieller Treiber des Trockenfallens von Gewässerabschnitten in verschiedenen Kontexten, die sich auf unterschiedlichen räumlich-zeitlichen Skalen zeigen. Somit werdenelementare Kontrollfaktoren herausgearbeitet, die in Wassermanagementplänen berücksichtigt werden sollten. Darüber hinaus verdeutlicht diese Arbeit, dass Strategien und Anpassungsmaßnahmen sich, entsprechend der vorherrschenden Umwelteinflüsse, aufbestimmte Skalen konzentrieren sollten

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• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2024

Classification and Topics

• Keyword: Hydrologie ; Mathematisches Modell ; Einzugsgebiet ; Fließgewässer

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2024
• Creator: Herzog, Amelie
• Contributor: Stahl, Kerstin ; Blöthe, Jan Henrik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Umwelthydrosysteme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/243369
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2433698
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.