Decomposing high-mountain streamflow by means of tracer-based monitoring and modelling Dissertation submitted to the Faculty of Geo- and Atmospheric Sciences of the University of Innsbruck by Jan Schmieder in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy Supervised by Prof. Ulrich Strasser Co-supervised by Prof. Markus Weiler December 2019 Acknowledgements Acknowledgements First and foremost I am very grateful to Ulrich Strasser and Markus Weiler for guiding, challenging and, in particular, supporting me throughout the years. I thank all my colleagues, including those of the working group, and those I saw less often at conferences, meetings and summer schools, but also all the students who helped during the field work for our fruitful discussions. My greatest appreciation goes to Hannah, to my friends and to my family for their mental support on my academic career. I thank the Hydrographic Service of Tyrol for their very helpful collaboration, and the Austrian Academy of Sciences as well as the University of Innsbruck for their financial support. I am thankful for Murauer’s ‘Mandelkipferl’, Dr. Oetkers’s ‘Spinaci’ and Yuji’s famous salmon curry and their life-sustaining effect during long working days. I Summary Summary Water of mountain regions has always been an important resource (e.g. drinking water, energy supply, irrigation) and a threat (e.g. flood, avalanche, debris flow) to people living in and close to mountain regions. Human-induced and environmental change likely force the hydrologic system to change, but reliable scenario simulations are hindered due to uncomplete understanding of hydrologic processes, particularly in glacierized high-elevation catchments. The input sources of streamflow (i.e. rainfall-, snowmelt-, and ice melt-derived components), as well as the flow paths and transit times of those components play a key role for the quantity and quality of water, but their understanding remains limited. This thesis aims at reducing the outlined research gap by tracer-based monitoring and modelling and improves the understanding of hydrologic processes in glacierized high- elevation catchments under consideration of different system states. Therefore tracer-based mixing, surface energy-balance and tracer-aided hydrologic modelling methods were applied in the Rofental (Oetztal Alps, Austria) to reveal the ice melt, snowmelt and rain component of streamflow, their flow paths, as well as the catchment transit time and the subsurface storage potential. A tracer-based mixing model (with oxygen-18) was combined with a snowmelt model to derive streamflow components of event (snowmelt) and pre-event water (mainly groundwater) at the event scale during a snow ablation period. In late April during the early melt period, 35 % of streamflow comprised of snowmelt. High portions of snowmelt (75 %) were estimated during the peak melt period in early June, when the pre-event water of the subsurface reservoir was already spilled and filled with same-season snowmelt water. A three- component mixing model using oxygen-18 and electrical conductivity (antecedent rain, new ice melt and old groundwater) was applied in a sub-catchment of the Rofental at the event scale during the glacier ablation period. The ice melt fraction was very variable according to the atmospheric conditions with maximum event fractions up to 69 %. Contribution of antecedent rain from the subsurface was significant (16 %), but old groundwater was the dominant fraction (49 %) during the events. A surface energy-balance model was combined with a lumped parameter transit time model to investigate streamflow transit time and catchment subsurface storage during the period 2014 to 2017. High young (<3 months; 42 %) and old water fractions (>5 years; 28 %) characterized the age spectra of streamflow and indicated a highly non-linear streamflow tracer response as well as a high subsurface storage potential (14 m water equivalent) of the hydrogeological response units (moraines, talus, alluvium, rock glaciers, fractured bedrock). A perceptual model of the main catchment functions was derived that describes the tracer und runoff response of the Rofenache and links it with the related hydrologic processes. This leads to the conclusion that high-mountain streamflow is not only the sum of surficial catchment input from rainfall, snowmelt and ice melt. Hence, closing the high-mountain water balance with regard to the hydrologic processes cannot reliably be done without accounting for the storage in and the delayed release of water from the subsurface. II Summary III Kurzfassung Kurzfassung Wasservorkommen in Gebirgsregionen sind für die Bevölkerung innerhalb und im Umland eine Lebensgrundlage (z.B. Trinkwasser, Stromerzeugung, Landwirtschaft), können allerdings auch eine Bedrohung darstellen (z.B. in Form von Hochwasser, Lawinen und Murgängen). Durch den Menschen versursachter, sowie umweltbedingter Wandel führt zu einer Veränderung hydrologischer Systeme, Szenariosimulationen sind jedoch durch die unzureichend verstandenen zugrunde liegenden hydrologischen Prozesse erschwert. Dies trifft vor allem auf vergletscherte Hochgebirgsregionen zu. Die Herkunft des Gebietsabflusses (Beiträge aus Regen, Schnee- und Eisschmelze), sowie deren Fließwege und Verweilzeiten sind dabei sehr bedeutend für die Wasserqualität und -quantität, allerdings ist deren Verständnis jedoch begrenzt. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit dieser skizzierten Forschungslücke durch tracerbasierte Überwachung und Modellierung um das Verständnis hydrologischer Prozesse in vergletscherten Hochgebirgseinzugsgebieten unter Berücksichtigung verschiedener Systemzustände zu verbessern. Dabei wurden im Rofental (Ötztaler Alpen, Österreich) tracerbasierte Mischungs-, Oberflächenenergiebilanz- und tracergestützte hydrologische Modelle angewandt um die Regen-, Schneeschmelz- und Eisschmelzanteile im Abfluss, deren Fließwege, ihre Verweilzeiten und das unterirdische Speicherpotenzial abzuschätzen. Ein tracerbasiertes Mischungsmodell (mit Sauerstoff-18) wurde mit einem Schneeschmelzmodell kombiniert um den Gebietsabfluss in Ereignis- (Schneeschmelzwasser) und Vorereigniswasser (hauptsächlich Grundwasser) während einer Schneeablationsperiode zu trennen. Zu Beginn der Schmelzperiode (Ende April), konnte ein Schneeschmelzanteil von 35 % im Gebietsabfluss nachgewiesen werden. Durch Entleeren des Vorereigniswasserspeichers und das sukzessive Auffüllen mit diesjährigem Schneeschmelzwasser über den Verlauf der Schneeablationsperiode konnten sehr hohe Schneeschmelzanteile (75 %) während der Hauptschneeschmelzperiode (Anfang Juni) abgeschätzt werden. Für die Gletscherablationsperiode wurde der Abfluss eines Teileinzugsgebietes mit einem tracerbasierten Mischungsmodell (Sauerstoff-18 und elektrische Leitfähigkeit) während regenfreier Gletscherschmelzereignisse in Vorregen, Ereigniseisschmelze und altes Grundwasser aufgetrennt. Der Eisschmelzanteil (max. 69 %) variierte von Ereignis zu Ereignis gemäß den atmosphärischen Bedingungen. Der Beitrag von Vorregen aus dem Untergrund war signifikant (16 %), jedoch dominierte der Grundwasseranteil (49 %) während der untersuchten Ereignisse. Ein Oberflächenenergiebilanzmodell wurde mit einem lumped-parameter Verweilzeitmodell kombiniert um die Verweilzeit und das unterirdische Speichervolumen des Einzugsgebietes im Zeitraum 2014 bis 2017 zu untersuchen. Große junge (<3 Monate; 42 %) und alte Anteile (>5 Jahre; 28 %) charakterisierten das Altersspektrum des Gebietsabflusses und zeigten eine hochgradig nichtlineare Tracerreaktion des Vorfluters, sowie ein enorm großes unterirdisches Speicherpotenzial (14 m Wasseräquivalent) der hydrogeologischen Einheiten (Moränen, Schuttkegel, Alluvium, Blockgletscher, zerklüftetes Grundgestein). IV Kurzfassung Ein aus den Ergebnissen abgeleitetes perzeptives Modell der wesentlichen Funktionen des Einzugsgebietes beschreibt die Tracer- und Abflussreaktion der Rofenache und verknüpft diese mit den zugehörigen hydrologischen Prozessen. Dies führt zu dem Schluss, dass der Gebietsabfluss aus vergletscherten Hochgebirgsregionen nicht nur die Summe des oberflächlichen Eintrags aus Regen, Schnee- und Eisschmelze ist. Daher sollte beim Schließen der Wasserbilanz dieser Gebiete, mit Bezug zu den hydrologischen Prozessen, die zeitweilige Speicherung und der verzögerte Beitrag aus dem Untergrund bedacht werden. V Table of Contents Table of Contents Acknowledgements ...................................................................................................................................... I Summary ....................................................................................................................................................... II Kurzfassung ............................................................................................................................................... IV Table of Contents ...................................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................................................. XI 1 Introduction .........................................................................................................................................