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.
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.
