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TopFlow: (in)visible water flows near the surface

English title TopFlow: (in)visible water flows near the surface
Applicant van Meerveld Ilja
Number 197194
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Hydrology and Climate Unit Department of Geography University of Zurich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Hydrology, Limnology, Glaciology
Start/End 01.03.2021 - 28.02.2025
Approved amount 551'630.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Hydrology, Limnology, Glaciology
Geomorphology
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (8)

water quality; overland flow; pre-alpine catchment; runoff generation mechanisms; organic layer flow; gleysol; streamflow; catchment

Lay Summary (German)

Lead
Ein Teil des Niederschlagswassers, das auf die Landoberfläche fällt, wird über kurz oder lang zu Abfluss in Bächen und Flüssen. Die Fliesswege von Niederschlag zu Abfluss beeinflussen den Anteil des Wassers, das in den Bach gelangt, die Wasserqualität und die Menge der Nährstoffe und Sedimente im Abfluss. Das TopFlow-Projekt trägt dazu bei, die oberflächennahen Fliesswegen besser zu verstehen.
Lay summary

Ein Teil des Niederschlagswassers, das auf die Landoberfläche fällt, wird über kurz oder lang zu Abfluss in Bächen und Flüssen. Die Fliesswege von Niederschlag zu Abfluss beeinflussen den Anteil des Wassers, das in den Bach gelangt, die Wasserqualität und die Menge der Nährstoffe und Sedimente im Abfluss. Das TopFlow-Projekt trägt dazu bei, die oberflächennahen Fliesswegen besser zu verstehen.

Die Kenntnis über die verschiedenen Fliesswege von Niederschlag und Schneeschmelze in den Bach ist wichtig, um die Auswirkungen von Regen- und Dürreperioden verschiedener Dauer auf den Abfluss sowie auf die Wasserqualität zu verstehen. Die meisten hydrologischen Untersuchungen zur Charakterisierung von Fliesswegen wurden bisher überwiegend an Hängen mit gut durchlässigem Untergrund durchgeführt. Daher wissen wir recht wenig über die oberflächennahen Fliesswege, sprich den Wasserfluss auf und nahe unter der Bodenoberfläche. In diesen obersten Bodenschichten sind Wurzeln reichlich vorhanden. In der Schweiz sind diese Fliesswege besonders in voralpinen Einzugsgebieten mit sogenannten Gleyböden bedeutend.

Das Ziel des TopFlow-Projekts ist es, das Verständnis von Oberflächen- und oberflächennahen Wasserflüssen und deren Auswirkungen auf den Abfluss und die Wasserqualität zu verbessern. Die bessere Beschreibung dieser Fliesswege wird helfen zu verstehen, warum Bäche in schlecht entwässerten Voralpengebieten so schnell auf Niederschläge reagieren.

Mithilfe von Oberflächenabflussdetektoren, die wir in drei kleinen Einzugsgebieten im Alptal installieren, sollen detaillierte Informationen über die Häufigkeit des Auftretens von Oberflächenabfluss in den Einzugsgebieten ermittelt werden. Wir werden Regensimulationsexperimente durchführen und künstliche Tracer einsetzen, um die maximale Fliessstrecke und die Verbindung der Fliesswege des Oberflächenabflusses sowie die Vermischung von Oberflächenabfluss und oberflächennahen Wasserflüssen sowie die Geschwindigkeit beider Abflusskomponenten zu bestimmen. Natürlich vorkommende und künstliche Tracer werden dabei Informationen über die Zusammensetzung der Wasserflüsse, insbesondere der Variation der Regenwasseranteile, liefern. Wasserproben, die in den Bächen gesammelt werden, sollen die Bedeutung von Oberflächenabflüssen und oberflächennahen Wasserflüssen für verschiedene Regenereignisse aufzeigen. Die Ergebnisse aus den Felduntersuchungen werden wir in Modellstudien verwenden, um die Effekte von Einzugsgebietseigenschaften und Klimawandel auf die Beiträge von Oberflächen- und oberflächennahen Wasserflüssen zum Abfluss zu ermitteln.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.03.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
186303 Water level regimes and tropical forest functioning in floodplains and headwater springs (WatForFun) 01.08.2020 Bilateral programmes
159254 Stream network expansion and contraction - patterns, controls and importance (STREAMEC) 01.11.2015 Project funding (Div. I-III)
167563 HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) - Identifying dominant controls on hillslope functioning and feedback processes by interdisciplinary experiments along chronosequences 01.09.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

A large part of the precipitation that falls on hillslopes will flow through the landscape and eventually reach the stream network. Understanding the different flow pathways to the stream is essential for predicting streamflow, stream chemistry and nutrient fluxes. Hydrological field studies to characterize the flow pathways have been biased to well-drained hillslopes in temperate climates. As a result, we still know little about flow pathways near the surface, such as overland flow (OF) and lateral flow through the topsoil (topsoil interflow; TIF). OF is common on poorly drained hillslopes. We generally do not observe extended sheetflow on vegetated hillslopes. Instead, OF infiltrates and exfiltrates multiple times on its way downslope and, thus, mixes with soil water. TIF occurs when a densely rooted conductive topsoil layer overlays a less conductive layer. TIF is a less studied flow pathway but important in gleysols. To improve our understanding and conceptualization of these near-surface flow pathways, it is essential to characterize the mixing of OF and TIF and their connectivity to the stream network.The TopFlow project will take advantage of recent advances in sensor and data-logging technologies to improve our understanding of runoff generation mechanisms in catchments with gleysols, where most of the lateral flow occurs near or on the surface. Gleysols are common in pre-alpine catchments in Switzerland. The objective of the TopFlow project is to improve our understanding of OF and TIF and their effects on streamflow and stream chemistry. Ultimately, a better characterization of OF and TIF will help to understand why streams in poorly drained pre-Alpine areas respond so quickly to precipitation. We will install resistance-based OF-detectors that also measure soil saturation at a range of topographic positions in three small sub-catchments of the Studibach in the Alptal. These measurements will provide detailed information on the frequency of occurrence of OF across the catchments, and the extend of OF and saturation for different events. Seven small (3 m2) runoff plots and one large (250 m2) plot will be instrumented in each sub-catchment to measure the amounts of OF and TIF. We will use novel rainfall-simulation experiments and artificial tracers to determine the maximum travel distance for OF, mixing of OF and TIF, connectivity of the OF flow pathways, as well as the velocity and celerity of OF and TIF. Naturally occurring and artificial tracers will provide information on the composition of OF and TIF and the variation in the fraction of event water in OF and TIF at the small plots. We will use this information together with streamwater sampling at the catchment outlets to determine the importance of OF and TIF for a range of events. Combined with the plot scale data, this will allow us to characterize the scaling effects of OF and TIF and to determine the expansion of OF and TIF flow pathways during events. We will use these results in a model study to determine the effects of landscape organization (i.e., where different storage areas and OF producing zones are located in the landscape) and climate change on the contributions of OF and TIF to streamflow. Finally, the unique dataset will allow us to test the multiple connectivity indices that have been proposed in the literature. The outcomes of the project will improve our understanding of runoff generation processes in the Swiss pre-alps and similar regions. The findings will be valuable for predicting floods, water quality and the effects of climate change on streamflow and nutrient fluxes.
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