Catchment Water Balance In Data-Scarce Environments- What Insights Does The Budyko Curve Provide? Model- and data-based considerations to assess water balances on the western slopes of the Peruvian Andes and their relationship to the Budyko curve
Creators: name: Bondy, Jan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Wasserbilanz
datenarme Regionen
Budyko
Bodenspeicher
Niederschlagsinterpolation

description: Wasser in von essentieller Bedeutung für die menschliche Entwicklung und Ökosysteme. Das Verstehen von Wasserbilanzen in Flusseinzugsgebieten ist eine Grundvoraussetzung für Entscheidungen im Wasserressourcenmanagement, insbesondere in wasserknappen Regionen. Neben der Wasserknappheit durch trockenes Klima sowie eine rasante demographische Entwicklung, erschweren eine limitierte Datenlage die Bedingungen in einigen Ländern des globalen Südens. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Methoden, die hydrometeorologische Datenlage zu verbessern, um Herausforderungen bei Wasserbilanzschätzungen sowie Modellkalibrierungen entgegenzutreten. Um trotz des Mangels an Abflussdaten in nicht bepegelten Einzugsgebieten hydrologische Modelle zu kalibrieren, können Ähnlichkeitsansätze Abhilfe leisten. Die Budykokurve, ein verbreiteter Ähnlichkeitsansatz, der Klima- und Abflussähnlichkeit auf langen Zeitskalen miteinander verbindet, schätzt die stationäre Wasserbilanz (ETa/P) als Funktion der klimatischen Aridität (ETp/P). Dieser Ähnlichkeitsansatz schien ein nützliches Tool in einer datenarmen Region und wird in der vorliegenden Arbeit angewandt, getestet und analysiert- vor allem in Bezug auf Abweichungen von der Budykokurve (sog. Budyko Offsets). Während manche Fragen allgemeingültiger behandelt werden, liegt der geografische Schwerpunkt dieser Arbeit auf Einzugsgebieten der westperuanischen Anden, insbesondere des Chillón und Lurín. Das Untersuchungsgebiet weist ein saisonales Kima auf, mit Jahresniederschlägen, die entlang eines steilen topografischen Gradienten stark abfallen innerhalb der Einzugsgebiete. Als Basis für Ariditäts- und Wasserbilanzbetrachtungen in den peruanischen Einzugsgebieten werden Methoden entwickelt und angewandt, die Gebietsniederschlag sowie potentielle Verdunstung schätzen. CovVar wird eingeführt, ein simpler und robuster Ansatz zur Regionalisierung von punktuellen Niederschlagsmessungen in datenarmen Gebirgsregionen. Die Methode basiert auf statistischen Zusammenhängen zwischen Höhe und Monatsniederschlägen, in Kombination mit einer gewichteten Regionalisierung der Fluktuation an einer Bezugsstation. CovVar wies gute Performanzmetriken auf, auch im direkten Vergleich mit dem landesweiten Niederschlagsprodukt PISCO. Unterschiede zeigten sich vor allem im Bereich des Gebietsniederschlags im Lurín Einzugsgebiet, welches über kein Niederlags-Monitoring in den feuchtesten Kopfeinzugsgebieten verfügte. Um längere historische Zeitreihen für die potentielle Verdunstung zu generieren, wird der Hargreaves-Samani Koeffizient in der Region kalibriert, auf Grundlage von kurzen Zeitreihen gut ausgestatteter Wetterstationen. Beide Datensätze wurden erfolgreich in einem hydrologischen Modell eingesetzt. Ausgehend von hydrologischer Ähnlichkeit und der Budykokurve als Wasserbilanz-Orientierungspunkt, wurde ein gekoppelter Einzugsgebiets -Modellieransatz angewandt, um ein hydrologisches Modell (mHM) für den Lurín aufzusetzen und einen passenden Parametersatz abzuleiten. Dabei diente das benachbarte, besser beobachtete Chillón Einzugsgebiet als Referenz und Parameter-Spender. Durch die Einzugsgebiets-Kopplung konnte die Qualität der verschiedenen Forcing-Datensätze evaluiert werden. Diese hatten einen starken Einfluss auf beobachtete und simulierte Wasserbilanzen im Lurín. Im Vergleich zum PISCO-Datensatz, lieferte CovVar Ariditätsindizes und Wasserbilanzen für den Lurín, die sowohl mit dem als ähnlich angenommenen Nachbareinzugsgebiet als auch mit der Budykokurve deutlich besser übereinstimmen, was auf realistischere Schätzungen schließen lässt. Das Gewicht der Variabilität der verschiedenen Datensätze überstieg bei Weitem das der verschiedenen Modell-Parametersätze. Der Parametertransfer lieferte dennoch funktionale Parametersätze für den Lurín, die mit direkten Lurín-Kalibrierungen vergleichbar waren. Die Analyse wurde auf 17 ähnlich angeordnete Einzugsgebiete im Untersuchungsgebiet erweitert, um deren Wasserbilanzähnlichkeit und Budyko offsets zu untersuchen. Eine lineare Korrelationsanalyse wurde durchgeführt, um den Einfluss von subskaligen klimatischen und Einzugsgebietseigenschaften auf Wasserbilanz und Budyko offset zu beleuchten. Die Analyse zeigte sowohl eine systematische Überschätzung der Budykokurve als auch eine enorm hohe Variabilität zwischen den Einzugsgebieten, für die vor der Analyse mehr Ähnlichkeit erwartet wurde. Die individuellen Bestimmtheitsmaße blieben bei diesem recht einfachen, linearen Ansatz erwartungsgemäßig niedrig, dennoch gab es Signale für klimatische Heterogenität, Schneebedeckung sowie Abflusssaisonalität als Proxy für sämtliche Speichervorgänge im Einzugsgebiet. Während diese Einflüsse im Hinblick auf physikalische Vorgänge sowie Literaturinformationen diskutiert werden, werden Gründe für Restvarianz sowie den systematischen Trend bei Einflüssen wie dem Bodenspeicher, potentiell in Kombination mit saisonalen Effekten, vermutet. Aufgrund der inkonsistenten Wasserbilanzen in der Region sowie der steilen andinen Topographie in Kombination mit dem semiariden Klima, untersucht eine Modellstudie gezielt den Einfluss des Bodenspeichers. Der aus der Literatur bekannte Einfluss der Bodenspeicherkapazität auf die mittlere Wasserbilanz steht seiner schweren Quantifizierbarkeit auf Einzugsgebietskale gegenüber. Aus diesem Grund wurden mehrere Einzugsbebiete als realitätsnahe Systeme für ein "virtuelles Experiment" ausgewählt. Sowohl Bodenspeicher in Form von freiem Porenraum als auch ein kapillaritätsgesteuerter Anteil wurden im Modell variiert und die resultierenden Wasserbilanzen analysiert. Die Ergebnisse bestätigen die bedeutende Rolle des Bodenspeichers für die mittlere Wasserbilanz und potentiellen Budyko Offsets. Sowohl der Gesamtbodenspeicher als auch die kapillaritätsbeeinflusste Teil erwiesen sich als sensitive Größen. Durch Variation des Bodenspeichers erreichte fast jedes System die Budykokurve, mit einem erkennbaren Clustering bei Speichergrößen von etwa 5-15% des mittleren Jahresniederschlags -was in der Natur vorkommenden Werten entspricht- bevor die Wasserbilanzen ein quasi-asymptotisches Level erreichen.