dc.contributor.author
Krois, Joachim
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:39:05Z
dc.date.available
2016-10-04T10:25:22.050Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2823
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7024
dc.description.abstract
This thesis investigates hydro-meteorological boundary conditions in the
region of Cajamarca in the northern Andes of Peru and quantifies the impact of
selected resource conservation measures on the hydrology of the Ronquillo
watershed. The research was undertaken as part of the research project The
conservation of water and soil resources in the Chetillano and Ronquillo
basins in the Northern Sierra of Peru (CASCUS). The project aims to identify
opportunities for enhancing water availability and reducing soil erosion in
the region of Cajamarca. This thesis aims to contribute to the CASCUS project
by strengthening the knowledge base on hydro-meteorological boundary
conditions in the research area. It also seeks to advance the envisioned
integrated resource management strategy by quantifying the impact of selected
resource conservation measures on the hydrology of the Ronquillo watershed. In
order to achieve these objectives, research was undertaken in several stages.
Specifically, these stages were: (1) the exploration of the meteorological and
hydrological boundary conditions, (2) the development of scenarios for the
implementation of resource conservation measures, and (3) the assessment of
the hydrological impact of resource conservation measures on the catchment by
applying a rainfall-runoff model. The region under investigation is
characterized by a complex mountain climate marked by the interaction of a
number of meteorological features, including seasonal displacement of the
Intertropical Convergence Zone, orographic rainout, rain-bearing mesoscale
cloud systems, El Niño Southern Oscillation (ENSO), katabatic drainage flow
and local convection, all of which act on different spatial and temporal
scales. The Ronquillo watershed displays strong seasonality in stream flow.
During the rainy season a large portion of stream flow originates from direct
runoff, which drains the watershed rapidly. The main flood formation areas are
located in the middle part of the catchment, where soil and land coverage
characteristics are most prone to generate surface runoff during strong
rainfall. During the dry season a large portion of the discharge of the
Ronquillo River originates from the soils covering the high altitude Jalca
grasslands. In addition the basement rock aquifers and spring discharge
significantly contribute to the dry seasonal discharge. The main objective of
the scenario development phase is to provide implementation scenarios for
selected soil and water conservation techniques (SWCTs) in the Ronquillo
watershed, in order to evaluate their impact on catchment hydrology by
applying a rainfall-runoff model. The present study evaluates various
implementation scenarios for SWCTs, which fall under the categories
“earthworks,” “afforestation,” and “check dam construction.” The earthworks
scenarios are developed on the basis of a decision support model. Therefore a
multi-criteria evaluation procedure is used that takes into account
environmental site assessment criteria such as meteorology, hydrology,
topography, land use, and soil properties. Each environmental site assessment
criterion is evaluated using a pair-wise comparison matrix method, known as
the Analytical Hierarchy Process. Afforestation scenarios are developed for
the planting of pine and eucalyptus species, based on the underlying
hypotheses that existing tree coverage areas can build the nucleus for future
afforestation and that primarily degraded areas will be subject to
afforestation. For the implementation of check dams, two scenarios are
developed. In the first, check dams are implemented in all stream channels,
whereas in the second, check dams are implemented in intermittent stream
channels only. The impact of different SWCTs on the hydrology of the Ronquillo
watershed is assessed using a hydrological modeling approach. Analysis
undertaken with the NASIM rainfall-runoff model shows that earthworks
(terraces and bund systems) and afforestation scenarios considerably impact
the hydrology of the Ronquillo River. By contrast, the impact of check dam
scenarios on catchment hydrology is comparatively small. The results imply
that earthworks and afforestation reduce surface runoff, and thus mitigate the
self-reinforcing process of surface runoff generation and subsequent soil
erosion. However, this comes at the expense of a reduction in stream flow. On-
site effects such as the reduction of overland flow and enhanced water
availability for crop growth in situ are counterbalanced by a reduction in
water availability off-site. The modeling results imply that within the
framework of a water resource conservation strategy, the implementation of
earthworks compared to afforestation measures is preferable, as earthworks
reduce surface runoff more efficiently compared to afforestation measures, and
thus have less impact on water availability downstream.
de
dc.description.abstract
Die Dissertation quantifiziert den Einfluss ressourcenkonservierender
Maßnahmen auf die Hydrologie des Einzugsgebietes des Ronquillo in der Region
Cajamarca in den nördlichen Anden Perus. Das Vorhaben ist Teil des
Forschungsprojektes Konservierung der Wasser- und Bodenressourcen in den
Einzugsgebieten des Chetillano und Ronquillo in der nördlichen Sierra Perus
(CASCUS). Die Ziele des Projektes CASCUS sind der dezentrale Wasserrückhalt
und Bodenschutz durch boden- und wasserkonservierende Maßnahmen in der Region
Cajamarca. Diese Maßnahmen sollen den Oberflächenabfluss und die Bodenerosion
verringern, Hochwasserspitzen reduzieren und das Grundwasservolumen als
Wasserspeicher für Trockenperioden erhöhen. Die Arbeit ist in folgende,
aufeinander aufbauende Themenkomplexe strukturiert: Zu Beginn steht die
Analyse der hydrometeorologischen Randbedingungen. Darauf folgt die
Entwicklung von Implementierungsszenarien ressourcenkonservierender Maßnahmen.
Schließlich bietet die Forschungsarbeit eine Quantifizierung ihrer Wirkung auf
die Hydrologie des Einzugsgebietes des Ronquillo durch Anwendung des
flächendetaillierten hydrologischen Modells NASIM (Niederschlag-Abfluss-
Simulationsmodell). Die Region Cajamarca ist durch ein Tageszeiten- und
Gebirgsklima gekennzeichnet. Hier wirken meteorologische Phänomene auf
unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen zusammen; z.B. die
jahreszeitliche Wanderung der äquatorialen Tiefdruckrinne, El Niño Southern
Oscillation (ENSO), große Gewitter- und Schauergebiete (Mesoscale Convective
Systems), orographischer Niederschlag, lokale Konvektion und ein ausgeprägtes
Hang- und Talwindsystem. Der Abfluss des Ronquillo ist aufgrund der
hydrometeorologischen Randbedingungen stark saisonal geprägt. Ein großer Teil
des Abflusses in der Regenzeit ist dem Direktabfluss (Oberflächenabfluss und
schneller Zwischenabfluss) zuzuordnen. Der trockenzeitliche Abfluss wird zu
einem wesentlichen Teil von den Böden der Jalca Höhenstufe (> 3500 m ü.M.)
generiert. Weiter tragen lokale Aquifere und Quellschüttungen zum
trockenzeitlichen Abfluss bei. Die untersuchten boden- und
wasserkonservierenden Maßnahmen gliedern sich in Maßnahmen in der Fläche:
Terrassen- und Erdwallsysteme (earthworks) sowie Aufforstung; und Maßnahmen im
Fließgewässer: die Errichtung von kleinen Rückhaltedämmen im Gerinne (check
dams). Die Implementierungsszenarien für Terrassen und Erdwälle basieren auf
einer multikriteriellen räumlichen Eignungsklassifizierung. Die Ausweisung
geeigneter Flächen für Terrassen und Erdwälle erfolgt in Abhängigkeit von
meteorologischen, hydrologischen und topographischen Eignungskriterien sowie
der Landnutzung/-bedeckung und der Bodeneigenschaften. Aufforstungsszenarien
werden für die in der Region Cajamarca weit verbreiteten Kiefern- und
Eukalyptusbestände entwickelt. Die grundlegende Idee hierbei ist, dass die
bereits existierenden Aufforstungsflächen die Keimzelle für weitere
Aufforstungen darstellen und, dass vorrangig stark degradierte Flächen
aufgeforstet werden. Für die Errichtung von Rückhaltedämmen werden zwei
Szenarien entwickelt: der Einbau von Rückhaltedämmen in allen
Gerinneabschnitten und der Einbau von Rückhaltedämmen in nur periodisch
durchflossenen Gerinneabschnitten. Das Niederschlag-Abfluss-Modell NASIM wird
szenarienbasiert eingesetzt, um den Einfluss der untersuchten boden- und
wasserkonservierenden Maßnahmen auf die Einzugs-gebietshydrologie des
Ronquillo zu quantifizieren. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass
Terrassen, Erdwälle und Aufforstungen einen erheblichen Einfluss auf die
Hydrologie des Ronquillo haben. Der Einfluss von Rückhaltedämmen ist hingegen
von untergeordneter Bedeutung. Die Maßnahmen in der Fläche verringern die
Oberflächenabflussbildung und reduzieren die Hochwasserspitzen; aber
gleichzeitig nimmt die Abflussmenge ab. Die Aufforstung mit Kiefern- und
Eukalyptusbeständen erhöht gegenüber der natürlichen Vegetation oder der
landwirtschaftlichen Nutzung die Interzeptionsverdunstung und die
Transpiration. Die höhere Transpirationsleistung der Aufforstungsflächen
drückt sich in der Änderung der Bodenfeuchte und der Verringerung der
Abflussmenge flussabwärts aus. Ein verminderter Bestandsniederschlag und eine
geringere Bodenvorfeuchte reduzieren die Oberflächenabflussbildung und auch
die Hochwasserscheitel. Die infiltrationsfördernden Terrassen und Erdwälle
erhöhen lokal die Wasserverfügbarkeit und verringern sowohl den
Oberflächenabfluss als auch die Abflussmaxima. Das im Boden gespeicherte
Wasser wird aber aufgrund der hohen potentiellen Evapotranspirationsraten
nicht abflusswirksam, sondern verdunstet oder transpiriert. Die Ergebnisse
zeigen, dass landwirtschaftlich genutzte Böden im Einzugsgebiet des Ronquillo
nicht geeignet sind, Wasser über längere Zeiträume zwischen zu speichern, um
die Wasserverfügbarkeit in den Trockenperioden zu erhöhen. Desweiteren zeigt
sich, dass Terrassen und Erdwälle den Oberflächenabfluss effizienter
reduzieren als Aufforstungen, insofern als dass sie die Wasserverfügbarkeit
flussabwärts nur in vergleichsweise geringerem Maße reduzieren.
de
dc.format.extent
xxii, 181 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
soil and water conservation
dc.subject
hydrological modeling
dc.subject
mountain environments
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
Soil and Water Conservation in the Northern Andes of Peru
dc.contributor.contact
krois@zedat.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Univ.-Prof. Dr. Achim Schulte
dc.contributor.furtherReferee
Univ.-Prof. Dr. Robert Jüpner
dc.date.accepted
2016-07-22
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103009-2
dc.title.translated
Die Konservierung von Boden- und Wasserressourcen in den nördlichen Anden
Perus
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103009
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open access