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Isotopic, chemical, and crowdsourcing studies of selected water cycle components in arid environments

Michelsen, Nils (2021):
Isotopic, chemical, and crowdsourcing studies of selected water cycle components in arid environments. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017657,
[Ph.D. Thesis]

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Nils Michelsen_Isotopic, chemical, and crowdsourcing studies of selected water cycle components in arid environments.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Isotopic, chemical, and crowdsourcing studies of selected water cycle components in arid environments
Language: English
Abstract:

This cumulative thesis comprises five studies (four published, one submitted). The investigations either deal with specific aspects of Saudi Arabia’s water cycle or have a methodological character and the developed methods are particularly useful for arid environments. The first study addresses Riyadh rainfall. Besides major ion analyses, isotope analyses were conducted to calculate a precipitation-weighted Local Meteoric Water Line – a crucial, but hitherto missing reference for past and future groundwater isotope studies. The second investigation focuses on the next element of the water cycle – the unsaturated zone. Stable isotope fingerprints of sand dune pore waters and meteorological data were used in an isotope model to constrain rain events leading to deep infiltration into dune sands. Interestingly, the derived original (i.e., pre-evaporation) isotopic signatures were not represented in the data set on rainfall (see above) – probably due to the temporally limited nature of the latter. This observation calls for a long-term monitoring effort targeting the isotopic signature of precipitation in Riyadh and elsewhere in Saudi Arabia. To go beyond the somewhat generic call for more data, concrete advice on which type of cumulative rain sampler to use for such an endeavor is needed. As post-sampling evaporation has to be minimized, several established and new rain collector designs were tested in a laboratory oven. In this experiment, the Tube-dip-in-water collector with pressure equilibration tube proved to be a reliable and contamination-free option. Building on this knowledge, an automatic counterpart was designed in a fourth study. The microcontroller-based device enables timer-actuated integral rain sampling. The simple low-cost collector is robust and effectively minimizes post-sampling evaporation from the bottles, and the associated isotope fractionation. The excellent performance of the device during an extensive evaporation experiment in a laboratory oven suggests that even multi-week field deployments in warm climates are feasible. The fifth study deals with shallow groundwater. To reconstruct an unexpected water level rise in a Saudi Arabian cave, a crowdsourcing approach was applied. Chronologically sorted YouTube videos recorded in the cave were screened for suitable reference points (e.g., cave graffiti) that appear in several videos. Then, the distances between these points and the water level were visually estimated and their changes were traced over time. The acquired data helped to identify the likely cause of the piezometric changes – two nearby lakes formed from treated sewage effluent. Hopefully, the outlined findings can contribute to a better understanding of the hydrogeological system in Saudi Arabia and can help to identify promising paths for future research. The utilized methods might also be of value for other arid areas.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorliegende Dissertation beinhaltet fünf Einzelstudien (vier veröffentlichte, sowie einen eingereichten Artikel). Die Untersuchungen befassen sich mit spezifischen Aspekten des Wasserkreislaufs Saudi-Arabiens oder haben methodischen Charakter, wobei sich die entwickelten Methoden besonders für aride Gebiete eignen. Das Thema der ersten Studie ist der Niederschlag Riads. Neben Hauptionenanalysen wurden Isotopenanalysen durchgeführt um eine niederschlagsgewichtete „Local Meteoric Water Line“ zu berechnen – eine wichtige aber bislang fehlende Vergleichslinie für ältere sowie zukünftige Isotopenstudien am Grundwasser. Der Fokus der zweiten Untersuchung ist das folgende Kompartiment des Wasserzyklus – die ungesättigte Zone. Isotopendaten zu Porenwässern in Sanddünen und meteorologische Daten wurden in einem Isotopenmodell kombiniert um Niederschlagsereignisse einzugrenzen, die zu einer tieferen Infiltration in Dünensande führen. Die abgeleiteten Original-Isotopensignaturen (vor der Verdunstung) sind interessanterweise nicht im oben genannten Niederschlagsdatensatz vertreten, vermutlich wegen dessen zeitlicher Limitierung. Dieses Ergebnis lässt ein Langzeit-Monitoring der Niederschlagsisotopie sinnvoll erscheinen – in Riad, aber auch in anderen Teilen Saudi-Arabiens. In diesem Zusammenhang soll auch ein konkreter Vorschlag zu kumulativen Niederschlagssammlern für ein solches Monitoringprogramm gemacht werden. Da der Verdunstungs-minimierung bei derartigen Sammlern eine besondere Rolle zukommt, wurden mehrere etablierte und neue Sammler in einem Trockenofen getestet. In diesem Experiment wurde der sogenannte „Tube-dip-in-water collector with pressure equilibration tube” als verlässliche und kontaminationsfreie Variante identifiziert. Darauf aufbauend wurde in einer vierten Studie eine automatische Version dieses Sammlertyps entwickelt, die eine zeitgesteuerte, integrale Niederschlagsbeprobung erlaubt. Dieses einfache, robuste und kostengünstige Modell reduziert die Verdunstung aus den Sammelflaschen und die damit verbundene Isotopenfraktionierung deutlich. Aufgrund der hervorragenden Leistung des Sammlers in einem ausgiebigen Versuch mit einem Trockenofen erscheinen auch mehrwöchige Feldeinsätze des Gerätes in warmen Klimaten möglich. Die fünfte Studie beschäftigt sich mit flachem Grundwasser. Um den unerwarteten Wasseranstieg in einer saudi-arabischen Höhle zu rekonstruieren, wurde ein Crowdsourcing-Ansatz gewählt. Chronologisch geordnete YouTube-Videos wurden nach Referenzpunkten durchsucht, die in mehreren Videos zu erkennen sind (z.B. Höhlengraffiti). Im Anschluss wurden die Abstände zwischen diesen Punkten und dem Wasserspiegel visuell geschätzt und die zeitliche Entwicklung dieser Abstände verfolgt. Mit den gewonnenen Daten konnte der vermutliche Ursprung des Wasseranstiegs identifiziert werden – zwei nahegelegene Seen die aus behandeltem Abwasser bestehen. Die hier umrissenen Ergebnisse können hoffentlich zu einem besseren Verständnis der Hydrogeologie Saudi-Arabiens beitragen sowie einen Anstoß zu zukünftigen, weiterführenden Untersuchungen geben. Die hier angewandten Methoden könnten auch für andere aride Gebiete von besonderem Nutzen sein.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 180 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Hydrogeology
Date Deposited: 23 Mar 2021 08:31
Last Modified: 23 Mar 2021 08:31
DOI: 10.26083/tuprints-00017657
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-176575
Referees: Schüth, Prof. Dr. Christoph and Königer, Dr. Paul
Refereed: 6 March 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17657
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