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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/34518
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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