Title: | Disentangling water transport and tracer mixing mechanism in mountainous environments influenced by volcanic features |
Authors: | Mosquera Rojas, Giovanny Mauricio |
metadata.dc.contributor.advisor: | Crespo Sánchez, Patricio Javier |
metadata.dc.ucuenca.correspondencia: | giovamosquera@gmail.com |
Keywords: | Ingeniería Civil Isotopos estables Trazadores hidrológicos Modelación hidrológica Transporte de agua |
metadata.dc.audience.educationLevel: | Tesis de Doctorado en Recursos Hídricos |
Issue Date: | 16-Jun-2020 |
metadata.dc.ucuenca.paginacion: | 186 páginas |
Publisher: | Universidad de Cuenca |
metadata.dc.description.city: | Cuenca |
Series/Report no.: | TPHD;08 |
metadata.dc.type: | doctoralThesis |
Abstract: | Landscape features of volcanic origin influence the transport of water and solutes
across high-elevation environments. Nevertheless, knowledge regarding how these
features affect subsurface hydrological behavior at different spatial scales (from
plot to catchment) is scarce. The effect of the soils originated from volcanic ash,
such as Andosols (or Andisols), and the influence of highly fractured geology of
volcanic origin on subsurface hydrological behavior and water flow path delineation
are poorly understood. To fill this knowledge gap, I took as the main objective in
the doctoral project the analysis of how Andosols and fractured volcanic geology
influence flow transport and tracer mixing mechanisms. Laboratory, experimental,
and field measurements of the water retention curve (WRC) of Andosols in
combination with data extracted from the published literature shows that standard
laboratory methods resemble well a small portion of the wet range of the WRC,
specifically, from saturation to the matric potentials 3 to 5 kPa (pF 1.5-1.7). For
higher matric potentials, standard laboratory methods substantially overestimate
the water content of the soils in comparison to experimental and field
measurements. Further, a unique set of hydrometric, stable isotope, and soil
hydraulic properties data were evaluated to investigate how Andosols influence
water transport and tracer mixing mechanisms at a steep tropical hillslope. The
results from this analysis point to the dominance of vertical flow paths within the
soil matrix, despite the formation of a perched water layer below the root zone,
which mimics the hydraulic behavior of a wet, layered sloping sponge. Last, I used
a tracer-aided hydrological model (TraSPAN) calibrated for the stable isotopes of
water and electrical conductivity (or specific conductance) during a rainstorm event
for the analysis of the role of the fractured volcanic geology on flow transport and
tracer mixing at the catchment scale. The model structure that best simulated the
streamflow hydrograph and the tracers concentrations during a rainfall event
consisted of two water reservoirs representing the soils with high infiltration
capacity and the groundwater system formed in the fractured bedrock. During the
monitored event, only 13% of total precipitation was converted into runoff, with a
major proportion (75-81%) corresponding to pre-event water stored in the
catchment prior to the event. These findings indicate a large water storage capacity
of the system in the fractured volcanic geology. |
Description: | Las características del paisaje originadas por la actividad volcánica influyen en el
transporte de agua y solutos en zonas montañosas. Sin embargo, el conocimiento
sobre cómo estas características afectan el comportamiento hidrológico a
diferentes escalas espaciales (desde laderas hasta cuencas) aún es escaso. La
influencia de los suelos originados por la ceniza volcánica (Andosoles/Andisoles) y
de la geología de origen volcánico fuertemente fracturada en el comportamiento
hidrológico y la delineación de las rutas de flujo del agua es particularmente poco
conocida. Para llenar estos vacíos de conocimiento, enfoqué esta disertación
doctoral en la investigación de cómo los Andosoles y la geología volcánica
fracturada influyen en el transporte de agua y la mezcla de trazadores. Mediciones
de laboratorio, experimentales y de campo de la curva de retención de agua (CRA)
de los Andosoles en combinación con datos extraídos de la literatura publicada
muestran que los métodos de laboratorio estándar representan bien una pequeña
porción del rango húmedo de la CRA, específicamente, desde saturación hasta
potenciales matriciales 3-5 kPa (pF 1.5-1.7). Para potenciales matriciales más
altos, los métodos de laboratorio estándar sobrestiman sustancialmente el
contenido de agua de los suelos en comparación con las mediciones
experimentales y de campo. A continuación, utilicé una evaluación combinada de
datos hidrométricos, isótopos estables y de propiedades hidráulicas del suelo para
investigar cómo los Andosoles influyen en el transporte de agua y la mezcla de
trazadores en una ladera empinada tropical. Los resultados del análisis apuntan al
predominio de las rutas de flujo vertical dentro de la matriz del suelo, a pesar de la
formación de una capa de almacenamiento de agua debajo de la zona de la raíz,
que se asemeja al comportamiento hidráulico de una esponja húmeda e inclinada.
Finalmente, utilicé un modelo hidrológico asistido por trazadores (TraSPAN) y
calibrado utilizando los isótopos estables de agua y conductividad eléctrica
durante un evento de lluvia para investigar el papel de la geología volcánica
fracturada en el transporte de agua y la mezcla de trazadores. La estructura del
modelo que produjo las mejores simulaciones incluyó dos reservorios de agua que
representan los suelos con alta capacidad de infiltración y el sistema de agua
subterránea formado en el lecho de roca fracturada. Durante el evento solo el 13%
de la precipitación se convirtió en caudal, con una proporción importante (75-81%)
compuesta por agua de pre-evento almacenada en la cuenca previo al evento de
lluvia. Estos hallazgos indican una alta capacidad de almacenamiento de agua del
sistema en la geología volcánica fracturada. |
metadata.dc.description.degree: | Doctor (PhD) en Recursos Hídricos |
URI: | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/34518 |
Appears in Collections: | Tesis Doctoral/PHD
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