Hydrological Processes

Many catchment hydrologic and ecologic processes are impacted by the storage capacity of soil water, which is dictated by the profile thickness and water retention properties of soil. Soil water retention properties are primarily controlled by soil texture, which in turn varies spatially in response to microclimate‐induced differences in insolation, wetness and temperature. All of these variables can be strongly differentiated by slope aspect. In this study, we compare quantitative measures of soil water retention capacity for two opposing slopes in a semi‐arid catchment in southwest Idaho, USA. Undisturbed soil cores from north and south aspects were subjected to a progressive drainage experiment to estimate the soil water retention curve for each sample location. The relatively large sample size (35) supported statistical analysis of slope scale differences in soil water retention between opposing aspects. Soils on the north aspect retain as much as 25% more water at any given soil water pressure than samples from the south aspect slope. Soil porosity, soil organic matter and silt content were all greater on the north aspect, and each contributed to greater soil water retention. These results, along with the observation that soils on north aspect slopes tend to be deeper, indicate that north aspect slopes can store more water from the wet winter months into the dry summer in this region, an observation with potential implications on ecological function and landscape evolution. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Hydraulic connectivity on hillslopes and the existence of preferred soil moisture states in a catchment have important controls on runoff generation. In this study we investigate the relationships between soil moisture patterns, lateral hillslope flow, and streamflow generation in a semi‐arid, snowmelt‐driven catchment. We identify five soil moisture conditions that occur during a year and present a conceptual model based on field studies and computer simulations of how streamflow is generated with respect to the soil moisture conditions. The five soil moisture conditions are (1) a summer dry period, (2) a transitional fall wetting period, (3) a winter wet, low‐flux period, (4) a spring wet, high‐flux period, and (5) a transitional late‐spring drying period. Transitions between the periods are driven by changes in the water balance between rain, snow, snowmelt and evapotranspiration. Low rates of water input to the soil during the winter allow dry soil regions to persist at the soil–bedrock interface, which act as barriers to lateral flow. Once the dry‐soil flow barriers are wetted, whole‐slope hydraulic connectivity is established, lateral flow can occur, and upland soils are in direct connection with the near‐stream soil moisture. This whole‐slope connectivity can alter near‐stream hydraulics and modify the delivery of water, pressure, and solutes to the stream. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

In high‐mountain watersheds, the critical zone holds crucial life‐sustaining water stores in the form of shallow groundwater aquifers. To better understand the role that the critical zone plays in moderating hydrologic response to fluxes at the surface and in the subsurface, the hydrologic properties must be characterized over large scales (i.e., that of the watershed). In this study, we estimate porosity from geophysical measurements across a 58‐ha area to depths of ~80 m. Our observations include velocities from seismic refraction, downhole nuclear magnetic resonance logs, downhole sonic logs, and samples acquired by push coring. We use a petrophysical approach by combining two rock physics models, a porous medium for the saprolite and a differential effective medium for the fractured rock, into a Bayesian inversion. The inverted geophysical porosities show a positive correlation with measured values (R² = 0.93). We extrapolate the porosity estimates from 30 individual seismic refraction lines to a 3D volume below our study area using ordinary kriging to quantify the water holding capacity of our study area. Our results reveal that the critical zone in our study area holds ~2.9 × 10⁶ ± 9.6 × 10⁵ m³ of water, where 34% of this storage is in the saprolite, 55% is in the fractured rock, and the remaining 11% is in the bedrock.

Increasing groundwater salinity and depletion of the aquifers are major concerns in the UAE. Isotopes of oxygen, hydrogen, and carbon concentrations in groundwater were used to estimate evaporation loss using the isotopes of oxygen and hydrogen, and using a carbon isotope to trace inorganic carbon cycling in two main aquifers in the eastern part of the United Arab Emirates.

The δD‐δ¹⁸O of groundwater samples plotted on a line given by: δD = 4 δ¹⁸O + 4 ·4 (r² = 0·4). In comparison, the local meteoric water line (LMWL) has been defined by the line: δD = 8 δ¹⁸O + 15. In order to better understand the system investigated, samples were separated into two groups based on the δD‐δ¹⁸O relationship. These are (1) samples that plot above the LMWL (δD = 6·1 δ¹⁸O + 12·4, r² = 0·8) and which are located predominantly in the north of the study area, and (2) samples that plot below the LMWL (δD = 5·6 δ¹⁸O + 6·2, r² = 0·8) and which are mostly distributed in the south. Slopes for both the groups are similar and lower than that for LMWL indicating potential evaporation of recharging water. However, the y‐intercept, which differs between the two groups, suggests evaporation of return flow and evapotranspiration in the unsaturated zone to be more significant in the south. This is attributed to intense agricultural activities in the region.

Samples from the eastern Gravel Plain aquifer have δ¹³C and dissolved inorganic carbon (DIC) values in the range from − 10 to 17‰, and 12–100 mg C/l, respectively, while the range for those from the Ophiolite aquifer is from − 11 to − 16.4‰, and 16–114 mg C/l respectively. This suggests the control of C‐3 and C‐4 plants on DIC formation, an observation supported by the range δ¹³C of soil organic matter (from − 18·5 to − 22·1‰.) Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Kết quả đầu tiên của một mô hình lưu thông khu vực REMO_iso được điều chỉnh với phép đo đồng vị nước được so sánh với nhiều chuỗi đồng vị từ trung tâm châu Âu. Một nghiên cứu trường hợp kéo dài 2 năm được tiến hành từ tháng 3 năm 1997 đến tháng 2 năm 1999 tập trung ở châu Âu, phân tích các phép đo hàng ngày và hàng tháng. Tín hiệu đồng vị trên châu Âu bị chi phối bởi các hiệu ứng đồng vị điển hình như nhiệt độ, hiệu ứng lục địa và độ cao, cả về quy mô hàng năm và theo mùa. Những hiệu ứng đồng vị này rất quen thuộc được REMO_iso tái tạo thành công, sử dụng hai tập dữ liệu biên khác nhau. Trong mô phỏng đầu tiên, các phân tích của Trung tâm Dự báo Thời tiết Trung hạn châu Âu (ECMWF) phục vụ như các điều kiện biên, nơi các đồng vị nước được tham số hóa bằng một sự phụ thuộc đơn giản vào nhiệt độ. Trong mô phỏng thứ hai, các điều kiện biên cho cả biến khí hậu và đồng vị được lấy từ đầu ra của mô hình lưu thông tổng quát ECHAM_iso. Việc so sánh giữa hai mô phỏng cho thấy độ nhạy rất cao của tín hiệu δ¹⁸O mô phỏng đối với các điều kiện biên. Mô phỏng lồng ghép ECMWF cho thấy độ sai lệch trung bình là -4.5‰ trong giá trị δ¹⁸O trung bình và biên độ theo mùa bị phóng đại. Mô phỏng lồng ghép ECHAM đại diện chính xác các giá trị δ¹⁸O trung bình quan sát được, mặc dù với tính mùa bị giảm nhẹ. Mô-đun đồng vị của REMO_iso được xác nhận thêm với các phép đo δ¹⁸O hàng ngày tại các trạm đã chọn (Nordeney, Arkona và Hohenpeissenberg) nằm ở Đức. Bản quyền © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Thiết kế thực hành quản lý tốt nhất đối với nước mưa (BMP) phải kết hợp hiệu suất dự kiến lâu dài cả về khía cạnh lượng nước và chất lượng nước để giảm thiểu bền vững các tác động của thủy văn và chất lượng nước do sự phát triển. Cấu trúc rãnh thấm là một trong nhiều BMP thấm giúp giảm khối lượng nước chảy tràn và thu giữ các chất ô nhiễm. Nghiên cứu về độ bền của các cấu trúc này còn hiếm, dẫn đến những lo ngại về giá trị lâu dài của chúng và cản trở việc thực hiện. Trong nghiên cứu hiện tại, một rãnh thấm đã được theo dõi từ khi bắt đầu để xác định hiệu suất thủy văn theo thời gian và hiệu quả thu gom các chất rắn lơ lửng (TSS). Rãnh thấm đã được thiết kế cố ý nhỏ hơn để tăng tốc các quá trình liên quan đến độ bền. Rãnh thấm đã cung cấp tỷ lệ loại bỏ TSS là 36% và thể hiện sự giảm rõ rệt trong khả năng thấm nước mưa trong ba năm đầu hoạt động. Kết quả cho thấy rằng sự thấm qua đáy của BMP trở nên không đáng kể, trong khi thấm qua các bên của BMP vẫn hoạt động trong suốt thời gian nghiên cứu 3 năm. Các kết quả dẫn đến các khuyến nghị cho việc thiết kế BMP. Bản quyền © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

The contributions of sediment from different geomorpholigical units within a small basin in the Loess Plateau have been determined using caesium‐137 as a tracer. The mean caesium‐137 content of sediment originating from the hill area, where sheet and rill erosion are predominant, was 3–37 Bq kg‐1, whereas no caesium‐137 was detected in the sediment originating from the gully area where gullying and gravitational erosion are predominant. The mean caesium‐137 content of sediment from two flood deposits was 0–23 Bq kg‐1 and 0–89 Bq kg‐1. The relative contribution from the hill area in the two floods was 7 per cent and 26 per cent, whilst that from the gully area was 93 per cent and 74 per cent.