Hydrological dynamics of forested catchments as influenced by the East Asian summer monsoon

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Payeur-Poirier, Jean-Lionel:
Hydrological dynamics of forested catchments as influenced by the East Asian summer monsoon.
Bayreuth , 2018 . - XVII, 165 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

The East Asian summer monsoon (EASM) induces a pronounced seasonality in the hydrological regime and water quality of forested catchments of the Lake Soyang watershed. The generation of runoff in these catchments and the export of organic matter from these catchments are major determinants of the amount, timing and quality of the water input to Lake Soyang, as more than 90% of its watershed is covered by forests. In recent decades, increasing trends in the average and extremes of summer precipitation as well as in the frequency, intensity and duration of heavy rainfall events of the EASM have altered the hydroclimatic boundary conditions of these catchments. It is most likely that, as a consequence, changes in runoff generation and increases in the export of organic matter have occurred. As these trends are predicted to continue, the current water problematics of Lake Soyang related to the input of water during the EASM could likely be exacerbated. In this sense, the study of the influence of the EASM on runoff generation in forested catchments and on the export of organic matter from these catchments is an essential step in the development of solutions to these problematics.

Hydrological studies were conducted at two forested catchments of the Lake Soyang watershed, over the 2013 and the 2014 EASM. High-frequency water sampling in addition to hydrometric, hydrochemical, isotopic and meteorological measurements were conducted. The major hydrological fluxes and conditions were estimated, as well as the fluxes of solutes in runoff and the fluxes of dissolved and particulate organic matter. Runoff was separated into its major components by performing tracer-based hydrograph separations coupled with principal component analyses (PCA) and end-member mixing analyses (EMMA). The collected data and the results of initial analyses were jointly analysed for the study of hydrological dynamics as influenced by the EASM, and this for different forest cover types.

The 2013 and the 2014 EASM differed in precipitation by almost one order of magnitude and were representative of the future predicted hydroclimatic extremes. A threshold response of runoff generation to the sum of antecedent soil moisture and precipitation was observed. Below the threshold, runoff mainly consisted of groundwater and soil water from shallow layers of the near-stream area, and the latter likely contributed to runoff through soil matrix flow. Until the threshold was reached, evapotranspiration was the major water output. Above the threshold, rapid subsurface flow was likely enhanced at deeper soil layers of the hillslope area, as intermittent springs were activated and the contribution to runoff of soil water from this area increased and became continuous. This resulted in a shift towards higher runoff coefficients of rainfall events, in a decrease in stream water solute concentrations, in temporary increases in the extent of the stream, and in the likely recharge of the saturated zone by soil water. Lower fluxes of dissolved organic carbon (DOC) and higher fluxes of nitrate (NO₃⁻) induced by major rainfall events were associated to a lower proportion of near-surface flow and a lower nitrogen (N) uptake in the coniferous forest cover type, in comparison to the deciduous type. The total fluxes of solutes, DOC and total dissolved nitrogen (TDN) were over one order of magnitude greater in 2013 than in 2014. These results suggest that the strength of the EASM and the forest cover type can strongly influence runoff generation and water quality in catchments of the Lake Soyang watershed, and clarify the couplings between the hydrological and biogeochemical functions of these catchments.

Abstract in weiterer Sprache

In den bewaldeten Teileinzugsgebieten des Gesamteinzugsgebietes des Soyang-Sees bewirkt der ostasiatische Sommermonsun (OASM) eine ausgeprägte Saisonalität des hydrologischen Regimes und der Wasserqualität. Die Abflussbildung sowie der Austrag organischer Substanz aus den bewaldeten Einzugsgebieten, die über 90% des Soyang Einzugsgebiet ausmachen, bilden die zentralen Faktoren, die die zeitliche Verteilung der Quantität und Qualität des Seezuflusses bestimmen. Der in den letzten Jahrzehnten trendartige Anstieg von Durchschnitts- und Extremwerten sommerlicher Niederschlagsmengen sowie die Zunahme von Häufigkeit, Intensität und Dauer von Starkregenereignissen infolge des OASM hat die hydroklimatischen Rahmenbedingungen der Einzugsgebiete verändert. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass auf lokaler Einzugsgebietsebene Veränderungen bei der Abflussbildung sowie ein zunehmender Austrag organischer Substanz stattgefunden haben. Ausgehend von Analysen, die die Fortführung dieser Trends bestätigen, ist davon auszugehen, dass die gegenwärtigen Wasserprobleme des Soyang sich infolge des durch den OASM verursachten Wasserzufluss verstärken. Vor diesem Hintergrund liefert die Untersuchung des Einflusses des OASM auf die Abflussbildung sowie den Austrag organischer Verbindungen aus bewaldeten Einzugsgebieten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Problemlösungen.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden über die Dauer des OASM in den Jahren 2013 und 2014 hydrologische Untersuchungen in jeweils zwei bewaldeten Teileinzugsgebieten des Soyang Sees durchgeführt. In den Arbeitsgebieten wurden zeitlich hochauflösend Wasserproben für hydrochemische und Isotopenuntersuchungen genommen. Zusätzlich wurden hydrometrische und meteorologische Messungen durchgeführt. Die hydrologischen Hauptabflusskomponenten und deren Bildungsbedingungen wurden auf Grundlage punktförmiger Messungen abgeschätzt. Die Quantität gelöster Stoffe, darunter gelöster sowie ungelöster organisch gebundener Kohlenstoff, wurde ebenfalls auf Grundlage punktförmiger Messungen abgeschätzt. Der Abfluss wurde durch die Anwendung einer Tracer-basierten Ganglinienseparation in Verbindung mit einer Hauptkomponenten- (PCA) und einer End-Member-Mixing-Analyse (EMMA) in seine Hauptkomponenten zerlegt. Für die weitergehenden Untersuchungen zur Charakterisierung der hydrologischen Dynamik des OASM in Abhängigkeit verschiedener Waldtypen wurden sowohl die erhobenen Daten als auch die Analyseergebnisse verwendet.

Die Niederschlagsmengen während des OASM in den Jahren 2013 und 2014 differierten um fast das Zehnfache. Somit wären sie repräsentativ für die prognostizierten hydroklimatischen Extremereignisse. Abfluss konnte erst nach Überschreitung eines Schwellenwerts, der sich aus vorhergehender Bodenfeuchte und Niederschlagsmenge zusammensetzt, beobachtet werden. Unterhalb des Schwellenwertes setzte sich der Abfluss hauptsächlich aus lateralen Komponenten des Grund- und des Bodenwassers in Stromnähe zusammen, wobei letzterer vor allem zum Abfluss in der Bodenmatrix beiträgt. Bis zum Erreichen des Schwellenwertes bildete Evapotranspiration die hauptsächliche Wasserausgangskomponente. Oberhalb des Schwellenwertes bildete sich vor allem in tieferen Bodenschichten der Hanglagen schneller unterirdischer Abfluss, was zur Reaktivierung intermittierender Quellen und zu einem kontinuierlichen Zwischenabfluss führte. Die beschriebenen hydrologischen Prozesse führten zu höheren Abflussbeiwerten der Niederschlagsereignisse, zu abnehmenden Lösungskonzentrationen in den Vorflutern, zur zeitweiligen Flussausdehnung und wahrscheinlich zu Grundwasserneubildung. Starkregenereignisse waren durch niedrigere Mengen an gelöstem organisch gebundenen Kohlenstoff (DOC) und größeren Nitratmengen (NO₃⁻) charakterisiert, die bei geringerem oberflächennahen Abflussanteil und niedrigerer Stickstoffaufnahme von Nadelwald im Vergleich zu Laubwald auftraten. Der Gesamtfluss an gelösten Stoffen, DOC sowie aller gelösten Stickstoffverbindungen sank um das zehnfache im Jahr 2014 im Vergleich zum Vorjahr. Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass die Intensität des OASM sowie die unterschiedlichen Waldtypen einen erheblichen Einfluss auf die Abflussbildung und die Wasserqualität in den Teileinzugsgebieten des Soyang Sees haben. Weiterhin trugen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der hydrologischen und biogeochemischen Wechselwirkungen dieser Einzugsgebiete bei.