Der Zustrom von Grundwasser zu Seen (lacustrine groundwater discharge, LGD) kann signifikante Auswirkungen auf Qualität und Quantität des Seewassers haben. Viele Ansätze zur Identifikation und Quantifizierung von LGD basieren auf Temperaturunterschieden zwischen Grund- und Seewasser und der Messung des damit einhergehenden Wärmetransports. Ziel der Doktorarbeit ist es, Signalfortpflanzung und -ausbreitung des Grundwasserzustroms von der Punktskala an der Sediment-Wasser-Grenzfläche über den Wasserkörper bis zur Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre zu untersuchen. Getestet wird die Hypothese, dass das im Verhältnis zum Umgebungswasser wärmere und daher leichtere Grundwasser in der kalten Wassersäule aufsteigt und die Detektion von LGD an der Wasseroberfläche mit thermalen Infrarot Aufnahmen (TIR) erlaubt. Zunächst wird mit der hierarchical patch dynamics ein Konzept entwickelt, das eine angemessene Kombination multipler Techniken zur Erfassung von Wärme- und Wasserflüssen anbietet (Kap. 2). Dabei werden verschiedene räumliche Skalen und ökohydrologische Grenzflächen abgedeckt. Darauf basierend werden in einem Mesokosmos-Experiment unterschiedliche LGD-Raten durch den Zustrom von warmem Wasser am Grund eines Outdoor-Pools simuliert (Kap. 3 und 4). Ein Glasfaserkabel (fibre-optic distributed temperature sensing, FO-DTS) wird in verschiedenen Tiefen installiert, um das Wärmesignal des Grundwasserzustroms unter verschiedenen Bedingungen zu verfolgen. Mit einer TIR-Kamera wird die Temperatur des Oberflächenwassers aufgezeichnet. Die Aufnahmen werden mit FO-DTS-Temperaturen von 2 cm unter der Wasseroberfläche validiert. Die Anwendung von TIR und FO-DTS ermöglicht die Detektion von LGD in der Wassersäule und an der Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre. Wolkenbedeckung und der Tagesgang der Netto-Strahlung kontrollieren den Auftrieb von LGD und die Zuverlässigkeit der TIR-Ergebnisse. Die besten Ergebnisse werden bei Bewölkung und nachts erzielt. / Lacustrine groundwater discharge (LGD) can have significant impacts on lake water quantity and quality. There is a need to understand LGD mechanisms and to improve measurement methods for LGD. Approaches to identify and quantify LGD are based on significant temperature differences between GW and lake water. The main goal of this PhD thesis is to trace heat signal propagation of LGD from the point scale at the sediment-water interface across the overlying water body to the water surface-atmosphere interface. The PhD thesis tests the hypothesis that the positive buoyancy of warm GW causes upwelling across the cold water column and allows detection of LGD at the water surface by thermal infrared imaging (TIR). First, a general conceptual framework is developed based on hierarchical patch dynamics (HPD). It guides researchers on adequately combining multiple heat tracing techniques to identify and quantify heat and water exchange over several spatial scales and ecohydrological interfaces (Chapter 2). Second, the conceptual framework is used for the design of a mesocosm experiment (Chapters 3 and 4). Different LGD rates were simulated by injecting relatively warm water at the bottom of an outdoor mesocosm. A fiber optic distributed temperature sensing (FO-DTS) cable was installed in a 3D setup in the water column to trace the heat signal of the simulated LGD under different weather conditions and over entire diurnal cycles. Finally, a TIR camera was mounted 4 meters above the mesocosm to monitor water surface temperatures. TIR images were validated using FO-DTS temperature data 2 cm below the water surface (Chapter 4). The positive buoyancy of relatively warm LGD allows the detection of GW across the water column and at the water surface-atmosphere interface by FO-DTS and TIR. Cloud cover and diurnal cycle of net radiation strongly control the upwelling of simulated LGD and the reliability of TIR for detection of LGD at the water surface-atmosphere interface. Optimal results are obtained under overcast conditions and during night.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/20127 |
| Date | 29 August 2018 |
| Creators | Marruedo Arricibita, Amaya Irene |
| Contributors | Nützmann, Gunnar, Lewandowski, Jörg, Fleckenstein, Jan |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
Page generated in 0.0018 seconds