Till innehåll på sidan

The influence of multiscale hyporheic flow on solute transport

Implications for stream restoration enhancing nitrogen removal

Tid: Må 2022-09-05 kl 10.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/69541853309

Språk: Engelska

Ämnesområde: Byggvetenskap, Hydraulik och teknisk hydrologi

Respondent: Ida Morén , Resurser, energi och infrastruktur

Opponent: Professor Roy Haggerty, Louisiana State University, USA

Handledare: Professor Anders Wörman, Resurser, energi och infrastruktur; Associate Professor Joakim Riml, Resurser, energi och infrastruktur

QC 20220815

Abstract

Vattendrag utgör en volumetrisk liten men viktig del av den hydrologiska cykeln.Vattendrag fungerar som snabba transportleder för vatten, lösta ämnen och energioch ytvattnet interagerar även kontinuerligt med utströmmande grundvatten i den såkallade hyporheiska zonen, vilket är sedimenten närmast vattendragen. Flödet avytvatten in och ut ur den hyporheiska zonen kallas hyporheiskt utbyte och kanpåverka vattenkvalitén i det lokala vattendraget och i nedströms recipienter genomatt skapa förutsättningar för retention och nedbrytning. På grund av antropogenaaktiviteter har många vattendrag blivit fysikaliskt, kemiskt och biologiskt nedbrytna,och naturliga funktioner såsom hyporheiskt utbyte har gått förlorade. För att skyddavattendrag från fortsatt destruktion, och för att restaurera vattendrag och förbättravattenkvalitén i lokala vattendrag och nedströms recipienter krävs en ökad fysikaliskförståelse och tillförlitliga modeller för prognosering av hyporheiskt utbyte. Trots attden hyporheiska zonen studerats ingående under de senaste decennierna misslyckasofta befintliga modeller med att inkludera alla väsentliga temporala och spatiala skalor,och de är därför svårt att generalisera resultaten för större avrinningsområden. Detgenerella syftet med denna avhandling var att öka den fysikaliska förståelsen för hurflödet genom den hyporheiska zonen i små vattendrag drivs och att undersöka hurdet hyporheiska utbytet påverkar ämnestransporten i små enskilda vattendrag ochnätverk av vattendrag. Dessutom syftade avhandlingen till att undersöka betydelsenav restaurering av vattendrag för det hyporheiska utbytet och transporten av kväve ismå jordbruksdiken. Metoderna som användes i den här avhandlingen inkluderarbåde omfattande undersökningar i fält och semi-analytisk matematisk modellering.Ett ramverk av modeller etablerades, vilket inkluderade både en deduktiv,hydromekanisk modell som utvärderar korrelationen mellan den flerdimensionellabottentopografin och hydrologin i ett vattendrag och det hyporheiska utbytet, samten endimensionell longitudinell transportmodell som inducerar de parametrar sombeskriver det hyporheiska utbytet från spårämnesförsök i vattendrag. Dessa tvåmodeller kors-validerades i tio lokala vattendrag och ramverket av modeller användessedan på nätverks-skalan i två studier, då understött med omfattande observationer.

Resultaten visar att hyporheiskt utbyte kan ha stor inverkan på ämnestransporten inätverk av vattendrag samt på det utströmmande grundvattnets flödesmönster.Resultaten underbygger dessutom tidigare studier som visar att fördelningen avhydraulisk tryckhöjd längsmed vattendragens botten till stor del kontrollerar dethyporheiska utbytet i små alluviala vattendrag med lågt flöde, litet djup, och måttliglutning. Bottens och ytvattnets longitudinella profilers fraktala egenskaper är särskiltbetydande för den hyporheiska utbyteshastigheten. Inmätningar av bottentopografinoch ytvattenprofilen i tio små alluviala vattendrag visade att det var de longitudinellavariationerna i hydraulisk tryckhöjd över korta våglängder (0.1-5m) som drevmajoriteten av det hyporheiska utbytet, samt att variationer i den hydrostatiskatryckhöjden var viktigare än variationer i den hydrodynamiska tryckhöjden. Det etablerade modellramverket visade också att nedbrytningen av kväve i denhyporheiska zonen i huvudsak beror på balansen mellan flödet av vatten tillsedimenten och transporttiden däri. Specifikt visar studien att det existerar ettoptimalt Damkhölers tal, definierat som produkten mellan medeluppehållstiden i denhyporheiska zonen, och denitrifikationshastigheten längsmed hyporheiskaflödeslinjer, som motsvarar den optimala nedbrytningshastigheten av kväve, givet enkonstant ratio mellan djupet på den hyporheiska zonen och vattendjupet ivattendraget. Det betyder att nedbrytningshastigheten av kväve i vattendragenantingen är transport eller reaktionsbegränsad, och när det nuvarande Damlkhölerstal bestämdes för alla små vattendrag i jordbruksområden i Sverige, varierade dennabegränsning både mellan vattendrag och mellan olika flödessituationer. Den storaspatiotemporala variationen i potentialen pekar på behovet av en hög lokal förståelseför de processer som faktiskt driver det hyporheiska utbytet samt noggrann ochplatsspecifik design av specifika åtgärder. Modellering visade att om detta görs finnspotential att minska mängden kväve som transporteras till Östersjön genom attförstärka det hyporheiska utbytet i små, alluviala vattendrag.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-316015

Tillhör: Om KTH
Senast ändrad: 2022-08-15