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Quantitative Determination of the Subglacial Hydrology of Two Alpine Glaciers

  • David N. Collins (a1)

Abstract

Two components of discharge through the internal hydrological systems of Alpine glaciers were separated on the basis of chemical composition of water. Some surface melt waters retain low solute contents after flowing without delay through conduits in which no chemical enrichment occurs, whereas those flowing slowly at the glacier bed have increased ionic concentrations. A simple mixing model was used to investigate temporal variations in the quantities of water routed through each of the two sub-systems. Electrical conductivity was taken as an indicator of melt-water composition and was monitored for periods during the summer ablation season of 1975 at Gornergletscher and of 1977 at Findelengletscher. At both glaciers, conductivity of melt waters varied diurnally inversely with discharge fluctuations, depending on the proportion of total discharge routed through the two sub-systems. Total discharge and the flow component routed rapidly through conduits within the glacier, a large proportion (50–80%) of total discharge, exhibited in-phase rhythmic diurnal hydrographs at the two glaciers. Distinctive subglacial hydrological regimes are contrasted. At Findelengletscher, the hydrographs of total discharge and of subglacial chemically enriched flow were in phase. At Gornergletscher, the subglacial hydrograph occurred with reverse asymmetry and out of phase. A possible interpretation is that water was temporarily stored in basal cavities during high total discharge. During the night, stored water was released, contributing much of the total discharge at times of low flow.

Résumé

Les deux composantes du débit à travers le réseau hydrologique interne de glaciers alpins ont été distinguées sur la base de la composition chimique des eaux. Quelques eaux de fusion de surface n’ont qu’une faible teneur en matière dissoute après avoir coulé sans retard dans des cheneaux où il n’y a pas d’enrichissement chimique, tandis que celles qui ont coulé lentement le long du lit du glacier ont accru leur concentration en ions. Un simple modèle de mélange a servi pour rechercher les variations dans le temps des quantités d’eau empruntant l’un des deux sous-réseaux. La conductivité électrique fut choisie comme indicateur de la composition de l’eau de fusion et fut surveillée pour des périodes de la saison estivale d’ablation de 1975 au Gornergletscher et de 1977 au Findelengletscher. Sur les deux glaciers, la conductivité des eaux de fusion variait journellement en raison inverse des débits selon la proportion du débit total transitant dans les deux sous-réseaux. Le débit total et la composante de l’écoulement empruntant rapidement le réseau intra-glaciaire, une large part (50–80%) du débit total, montre pour les deux glaciers des hydrogrammes quotidiens rythmés en phase. Les régimes hydrologiques sous-glaciaires distincts sont opposés. Au Findelengletscher, les hydrogrammes du débit total et de l’écoulement sous-glaciaire, chimiquement enrichi étaient en phase. Au Gornergletscher, l’hydrogramme sous-glaciaire se produisit avec une asymétrie inverse et hors de phase. Une interprétation possible serait que l’eau fut temporairement stockée dans les cavités du fond pendant la période de fort débit total. Pendant la nuit, l’eau stockée était libérée contribuant au débit total au moment des basses eaux.

Zusammenfassung

Auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung des Wassers liessen sich zwei Komponenten im Abfluss durch das innere hydrologische System von Alpengletschern unterscheiden. Ein Teil des oberflächlichen Schmelzwassers enthält geringe Lösungsanteile, wenn es ohne Verzögerung durch Kanäle geflossen ist, in denen keine chemische Anreicherung erfolgt; hingegen besitzt Wasser, das langsam über das Gletscherbett fliesst, eine erhöhte lonenkonzentration. Zur Untersuchung der zeitlichen Schwankungen in den Wassermengen, die durch jedes der beiden Teilsysteme strömen, wurde ein einfaches Mischmodell herangezogen. Als Indikator der Schmelzwasserzusammensetzung wurde die elektrische Leitfähigkeit benutzt und in Perioden während der sommerlichen Ablationszeit von 1975 am Gornergletscher und von 1977 am Findelengletscher aufgezeichnet. An beiden Gletschern schwankte die Leitfähigkeit der Schmelzwasser am Tag in umgekehrtem Rhythmus zu den Abflussschwankungen, jeweils in Abhängigkeit vom Anteil der Herkunft aus den beiden Teilsystemen am Gesamtabfluss. Der Gesamtabfluss und der Anteil, der schnell durch innere Kanäle des Gletschers strömt und mit 50–80% zum Gesamtabfluss beiträgt, zeigten phasengleiche rhythmische tägliche Pegelschwankungen an beiden Gletschern. Unterschiedliches Verhalten war jedoch für den subglazialen Abfluss zu beobachten. Am Findelengletscher waren die Aufzeichnungen für den Gesamtabfluss und für den subglazialen, chemisch angereicherten Abfluss phasengleich. Am Gornergletscher zeigte der subglaziale Abfluss umgekehrte Asymmetrie ohne Phasengleichheit. Dies lässt sich möglicherweise damit erklären, dass dort bei hohem Gesamtabfluss Wasser vorübergehend in Hohlräumen am Untergrund aufgestaut wurde. Während der Nacht wurde das aufgestaute Wasser freigegeben und bildete dann einen hohen Anteil am Gesamtabfluss, wenn dieser gering ist.

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