Multi-Scale Surface Water-Groundwater Interaction
Implications for GroundwaterDischarge Patterns
Tid: Fr 2021-11-26 kl 13.00
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Hydraulik och teknisk hydrologi
Respondent: Babak Brian Mojarrad , Resurser, energi och infrastruktur
Opponent: Professor Jan Fleckenstein, Helmholz Centre for Environmental Research, Leipzig
Handledare: Professor Anders Wörman, Resurser, energi och infrastruktur; Universitetslektor Joakim Riml, Resurser, energi och infrastruktur
Abstract
Vattendrag och akviferer utbyter vatten på olika tids- och längdskalor på grund av bottenformationer och det omgivande landskapets topografi. Samspelet av flöden på olika skalor sker i de permeabla sedimenten under det strömmande ytvatten, i den så kallade hyporheiska zonen. Den hyporheiska zonen är en viktig ekoton där vatten, energi och lösta ämnen som kommer från grundvatten och strömmande ytvatten blandas. Flödet i den hyporheiska zonen är uppdelat på flödesceller i ett hierkiskt storlekssystem (spektrum) av olika storlekar som omfattar från flodbäddens formationer till det regionala landskapets topografi. Det innebär att vattendragets hyporeiska zon påverkar det storskaliga grundvattnets utströmning och tvärtom att grundvattnets utströmning påverkar den hyporeiska zonen. Således måste matematiska analyser av vattenströmningen täcka hela det breda intervallet av skalor för att uppnå en tillräcklig förståelse av det hyporheiska utbytesprocesser. I denna avhandling gjorde jag en uppdelning av det regionala grundvattenflödet och det hyporheiskt flödet och undersökte deras respektive roller för strömningsinteraktionen i vattendragens sediment, samt bedömde vikten av regionala och lokala parametrar för att generalisera ytvatten- och grundvatteninteraktionen. En särskilt viktig fråga var att dela upp randvillkoret för grundvattenytan på de två skalintervallen och samtidigt ta hänsyn till infiltrationens begränsning för grundvattenytan. Det regionala grundvattenflödet utvärderades med hjälp av numerisk modellering med hänsyn till platsspecifik landskapsmorfologi, geologisk heterogenitet i ett svenskt borealt avrinningsområde och hydrologisk information, som infiltration och vattendrasnätverket. En exakt spektral lösning applicerades på det hyporeiska flödet med hänsyn till vattendragets lokala topografi på skalor som inte förekom i den regionala grundvattenanalysen. Graden av osäkerhet i det hydrostatiska och dynamiska bidragen till det hyporheiska flödet undersöktes genom en kombinatorisk indata av bottentopografi och den s.k. ”damping factor” som beskriver ytans form i förhållande till bottens form (Monte Carlo-simulering). Effekterna av det regionala grundvattenflödet på det hierkiska flödessystemet i den hyporeiska zonen studerades genom att superponera flödesfälten. Superponeringen blir ett effektivt tillvägagångssätt för att analysera flödessystemens interaktion eftersom de två skalintervallen kan utvärderas separat. Den hyporheiska flödeshastigheten befanns i normalfallet vara minst en storleksordning högre än grundvattenflödeshastigheten. Detta återspeglar att det hyporheiska flödet dominerar över grundvattenutströmning i bottensedimenten och ger en betydande inverkan på grundvattenflödets residenstid genom den hyporeiska zonen, riktning och det djupa grundvattnets utströmning genom bottensedimentet. Det utströmmande grundvattnet uppvisade en markant “kontraktion” eller ”konvergens” på grund av det hyporeiska flödet och utströmningsområdena begränsades till fragmenterade, små områden som är fördelade längs botten. Resultaten indikerade att både intensiteten på grundvattenflödet i förhållande till grundvattenutströmningen och heterogeniteten hos sedimentet kontrollerade hur djupt det hyporheiska flödet nådde. Dessutom ledde den ökade flödesintensiteten till ett bredare spektrum av hyporeiska flödestransporttider. I ett fältförsök användes temperaturmätningar för att utvärdera utbredningen av utströmningsområden. Vidare så undersöktes effekterna av en plötslig vattenståndsökning på det hyporheiska flödet med hjälp av en fältstudie där en dammlucka öppnades plötsligt och skapade en flodvåg.