Runoff regimes along altitudinal transects and their potential for model building : a comparison between Peru and Austria

Abstract

Runoff predictions are needed for many purposes including hydrological design, flood warning and water resources management. Predictions are invariably based on hydrological models that are tailored to the local conditions of the catchments of interest. In order to increase the efficiency of model building, this thesis analyses the hydrological patterns in the landscape. Specifically, the thesis aims at identifying dominant hydrological processes and their controls. The analysis is framed as a comparative study between Peru and Austria. Both countries exhibit enormous spatial gradients in precipitation and runoff which facilitate the identification of dominant hydrological processes. Chapter 2 of this thesis examines the seasonality of precipitation and runoff along transects in Peru and Austria. The results suggest that, in the dry Peruvian lowlands of the North, the strength of the runoff seasonality is smaller than that of precipitation due to a relatively short rainy period from January to March, catchment storage and the effect of upstream runoff contributions that are more uniform within the year. In the Austrian transect, the strength of the runoff seasonality is greater than that of precipitation due to the influence of snowmelt in April to June. The effects of El Niño Southern Oscillations are also examined for the Peruvian catchments. Chapter 3 analyses the dominant runoff variability for six hydro-climatic regimes in Peru. Specifically, the interest resides in understanding the within-year (short term or intra-annual) runoff variability vis a vis the between-year (long term or inter-annual) runoff variability in order to infer the runoff generation processes most relevant for a particular hydro-climatic regime. The results suggest that there are indeed clearly discernable patterns of runoff generation that are reflected in the variance components of runoff at different time scales as well as in the temporal correlation lengths of runoff. During the filling phase within the year (austral summer), inter-annual runoff variability tends to dominate, while during the depletion phase (austral winter) intra-annual runoff variability tends to dominate. The findings are compiled into a catalogue of runoff generation mechanisms with respect to the six hydro-climatic regimes in Peru. Chapter 4 applies the finding of the seasonality (regime) and time scale analyses of the previous chapters in order to explore their potential for hydrological model building. The chapter proposes a strategy for bridging the gap between available concepts of landscape classification and hydrological approaches. Three existing concepts are linked: the life zone concept of Holdridge that classifies landscapes by climate and vegetation; the Budyko concept that splits precipitation into runoff and evapotranspiration; and the Kirkby concept that accounts for runoff generation mechanisms as a function of climate. The final model framework is constructed around a group of modules, each of which representing specific conditions with respect to the geomorphologic and ecohydrologic characteristics of the particular landscape type. The framework is applied to Ramon lagoon and its tributaries in northern Peru. Overall, the results of this thesis suggest that altitudinal transects are indeed a valuable perspective for studying contrasting hydrological processes. The proposed framework results in a perceptual model of the catchment under study which can be very valuable for providing guidance in hydrological model building.

Abflussvorhersagen werden für viele Zwecke benötigt, wie Bemessungsfragen im Wasserbau, Hochwasserwarnung und die Bewirtschaftung von Wasserressourcen. Vorhersagen basieren immer auf hydrologischen Modellen, die auf die örtlichen Gegebenheiten der Einzugsgebiete abgestimmt sind. Um die Effizienz bei der Modellbildung zu erhöhen, untersucht diese Dissertation die hydrologischen Muster in der Landschaft. Insbesondere soll diese Arbeit dominante hydrologische Prozesse und ihre Einflussgrößen bestimmen. Die Untersuchung wird als Vergleichsstudie zwischen Peru und Österreich angelegt. Beide Länder weisen enorme räumliche Gradienten in Niederschlag und Abfluss auf, die die Identifizierung der dominanten hydrologischen Prozesse zu erleichtern. Kapitel 2 dieser Arbeit untersucht die Saisonalität des Niederschlages und des Abflusses entlang von Transekten in Peru und Österreich. Die Ergebnisse zeigen, dass im trockenen peruanischen Tiefland im Norden der Abfluss weniger saisonal ist als der Niederschlag wegen der relativ kurzen Regenzeit von Januar bis März, der Wasserspeicherung im Einzugsgebiet sowie des jahreszeitlich eher gleichförmigen Zuflusses von oberhalb liegenden Gebieten. Im österreichischen Transekt zeigt der Abfluss eine stärkere Saisonalität als der Niederschlag wegen des Einflusses der Schneeschmelze von April bis Juni. Für die peruanischen Einzugsgebiete werden auch die Auswirkungen von El-Niño Perioden untersucht. Kapitel 3 analysiert die dominierende Abflussvariabilität für sechs hydroklimatische Regime in Peru. Insbesondere wird die Variabilität des Abflusses innerhalb des Jahres (kurzfristige oder intra-annuelle Variabilität) und zwischen den Jahren (langfristige oder inter-annuelle Variabilität) untersucht, um die Abflussbildungsprozesse für die einzelnen hydroklimatischen Regime zu erschließen. Die Ergebnisse zeigen, dass tatsächlich charakteristische Muster der Abflussbildung existieren, die sich in den Varianzkomponenten über unterschiedliche Zeitskalen sowie in den zeitlichen Korrelationslängen des Abflusses widerspiegeln. Während der Füllungsphase innerhalb des Jahres (südlicher Sommer) dominiert meist die inter-annuelle Variabilität des Abflusses, in der Entleerungsphase (südlicher Winter) hingegen die intra-annuelle Variabilität. Die Ergebnisse werden zu einem Katalog von Abflussentstehungsmechanismen für die sechs hydro-klimatischen Regime in Peru zusammengestellt. Kapitel 4 wendet die Ergebnisse betreffend Saisonalität (Regime) und Zeitskalen aus den vorangegangenen Kapiteln an, um deren Potenzial für die hydrologische Modellbildung auszuloten. Das Kapitel schlägt eine Strategie vor, um die Kluft zwischen vorhandenen Konzepten der Landschaftsklassifikation und hydrologischen Ansätzen zu überbrücken. Drei existierende Konzepte werden verknüpft: Das Konzept nach Holdridge, das die Landschaft nach Klima und Vegetation klassifiziert; das Konzept nach Budyko, das den Niederschlag auf Abfluss und Verdunstung aufteilt; und das Konzept nach Kirkby, das die Abflussentstehungsmechanismen als Funktion des Klimas klassifiziert. Die sich daraus ergebende Modellierungsstrategie besteht aus einzelnen Modulen, die jeweils die spezifischen Bedingungen in Hinblick auf die geomorphologischen und öko-hydrologischen Eigenschaften des Landschaftstyps berücksichtigen. Die Strategie wird auf die Ramon Lagune und deren Zubringer im nördlichen Peru angewandt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass Seehöhentransekte einen zweckmäßigen Ansatz für die Untersuchung unterschiedlicher hydrologischer Prozesse darstellen. Die vorgeschlagene Modellierungsstrategie führt zu einem konzeptuellen Modell des Untersuchungsgebietes, das eine wertvolle Hilfestellung bei der hydrologischen Modellierung solcher Gebiete leistet.