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Band/volume 9: LANGE J. (1999): A non-calibrated rainfall-runoff model for large arid catchments, Nahal Zin, Israel

Much field based hydrological research has been conducted in arid environments mainly in microscale studies. Two main processes dominate arid zone flood generation: (a) the generation and spatial concentration of surface runoff as a direct response to localized high intensity rainfall and (b) transmission losses into the dry channel alluvium. The present study seeks to incorporate this knowledge into a rigorous analysis of single high magnitude events in a large arid catchment. This required a new appropriate tool, i.e. a rainfall-runoff model not depending on calibration with hydrometric streamflow data.
The model uses spatially distributed rainfall input applied over a catchment which is disaggregated into different terrain types according to hydrologically relevant surface characteristics. Inside the channel network the MVPMC3-method of the Muskingum-Cunge technique is used for streamflow routing accounting for channel dimensions and roughness. For each channel segment a constant infiltration rate is applied to account for transmission losses and discontinued when the wetting front reached the bottom of the available alluvial storage.
In the Zin catchment, Negev Desert, Israel, neither of the two large floods used for model application was completely documented. For both of them the model helped to analyze flood generation: In the uppermost catchment a localized, convective rainstorm caused the high magnitude flood of October 1979. Areas of major cell activity and runoff generation could be reasonably reconstructed by a reversed use of the Zin model as a 'runoff-rainfall model'. For the October 1991 event data from six rainfall recorders and a rainfall radar were available. However, gauging stations were destroyed and peak discharges had to be reconstructed post-factum. The fit of the peak discharges was encouraging as simulations fell within the uncertainty range of reconstructed field values. The postponed response of an upper tributary directly sharpened the main flood peak. Then the peak did not decrease significantly downstream. Preceding inflows from tributaries caused an initial wetting of the alluvium. The following main flood crossed over a nearly saturated channel alluvium with a high flow velocity. Hence the effect of transmission losses on flood peaks may be limited when additional parts of a catchment are active.
Total maximum model uncertainty was estimated including the uncertainty ranges of each model parameter. The different event characteristics directly affected parameter sensitivity and model uncertainty. Maximum model parameter error of the diminished October 1979 peak was governed by transmission loss parameters and exceeded 300 %. During 1991 only 90 % was determined for this value and infiltration characteristics of the terrain were more relevant. Still comparisons to existing calibrated or regionalized models showed that the present approach may be regarded as superior when runoff responses (e.g. rare high magnitude discharges) and flow processes (e.g. concentration times and flow velocities) are simulated in conditions or areas where no field data exist. Hence the model may be reasonably applied to ungauged catchments simulating the dangers and benefits of desert floods. This may yield a more dependable flood control (i.e. a 'field based estimate' of extreme discharges and flood concentration times) and estimates of runoff volumes available for groundwater recharge at the mouth of large dryland rivers.

Deutsche Zusammenfassung: 

In der Vergangenheit fanden hauptsächlich in kleinen ariden Einzugsgebieten umfangreiche hydrologische Forschungsarbeiten statt. Es zeigte sich, daß hauptsächlich zwei Prozesse die Entstehung von Abflußereignissen in Trockengebieten dominieren: (a) Bildung und räumliche Konzentration von Oberflächenabfluß als direkte Antwort auf räumlich eng begrenzte Niederschläge von hoher Intensität und (b) Infiltrationsverluste in das trockene Gerinnebett. Die vorliegende Arbeit möchte sich dieses Wissen zunutze machen und es in eine gründliche Analyse von einzelnen Extremereignissen in einem großen ariden Einzugsgebiet einfließen lassen. Dafür war jedoch als geeignetes Werkzeug ein Niederschlags-Abflußmodell nötig, das nicht auf die Kalibrierung mit gemessenen Abflußdaten angewiesen war.
So wurde ein nicht-kalibriertes Niederschlags-Abflußmodell im 1400 km2 großen ariden Einzugsgebiet des Nahal Zin, nördlicher Negev, Israel entwickelt. Als Eingangsgröße verwendete das Modell ein räumliches Niederschlagsmuster. Jenes wurde im Gebiet auf verschiedene Oberflächentypen verteilt, die zuvor anhand von wichtigen hydrologischen Eigenschaften ausgeschieden worden waren. Die Bildung von Horton-Oberflächenabfluß wurde unabhängig für jeden Oberflächentyp parametrisiert. Hierzu wurden Anfangsverluste und zeitliche Abnahmen von Infiltrationsraten aus Feldversuchen herangezogen. Das räumliche Muster von gebildetem Oberflächenabfluß wurde dann auf über 800 Teileinzugsgebiete (Modellelemente) verteilt. Jene waren durch die Topographie vorgegeben. Eine mittlere Antwortfunktion, die in einem ähnlichen Einzugsgebiet ermittelt worden war, löste den Zufluß von den einzelnen Modellelementen in angrenzende Gerinnesegmente zeitlich auf. Im Gerinnenetz beschrieb die MVPMC3-Methode des Muskingum-Cunge-Verfahrens unter Berücksichtigung von Gerinnedimension und Rauigkeit den Wellenablauf. Eine konstante Infiltrationsrate vollzog in jedem Gerinnesegment die Abflußverluste in das Gerinnebett nach. Jene wurden gestoppt, wenn die Feuchtefront die Grenze des verfügbaren Flußbettspeichers erreicht hatte.
Im Nahal Zin war keines der zwei großen Abflußereignisse, die für eine Modellanwendung zur Verfügung standen, komplett meßtechnisch erfaßt. So half das Modell bei beiden, die Abflußentstehung zu analysieren.
Im Oktober 1979 erzeugte eine räumlich eng begrenzte, konvektive Niederschlagszelle ein Großereignis im oberen Teil des Einzugsgebiets. Zu dieser Zeit existierte noch kein Niederschlagsradar, wodurch nur die Wellenablaufkomponente des Modells mit gemessenen Daten verglichen werden konnte. Trotzdem konnte Hauptzonen des gefallenden Niederschlags und der Abflußbildung sinnvoll rekonstruiert werden. Dies war durch eine Umkehrung des Modells in ein 'Abfluß-Niederschlagsmodell' möglich. Sowohl simulierte als auch gemessene Abflußganglinien dokumentierten, daß Abflußereignisse völlig verschwinden können, wenn sie lange Strecken auf trockenen ariden Gerinnen zurücklegen.
Im Oktober 1991 zeigten sowohl sechs Niederschlagsschreiber als auch ein Niederschlagsradar ein umfangreiches System aus linienhaft aufgereihten Niederschlagszellen. Jedoch wurden sämtliche Abflußmeßstationen zerstört und Abflußspitzen mußten nachträglich rekonstruiert werden. Modellergebnisse paßten gut zu den rekonstruierten Abflußspitzen, sie lagen in deren Unsicherheitsbereichen. In nahezu dem gesamten Einzugsgebiet fand Abflußbildung statt, deren räumliches Muster noch die Zugbahnen der einzelnen Konvektivzellen erahnen ließ. Die verzögerte Reaktion eines oberen Teileinzugsgebietes führte zu einem direkten Aufsteilen der Abflußspitze, welche im weiteren Verlauf kaum noch abnahm. Dies war der Fall, weil vorauseilende Abflußspitzen von unteren Teileinzugsgebieten das sonst trockene Gerinnebett aufgesättigt hatten. Die folgende Hauptabflußwelle schoß danach über ein fast gesättigtes Alluvium. Dies mag als Beispiel dafür dienen, daß Gerinnebettverluste nur bedingt auf Abflußspitzen wirken können, wenn wichtige Teileinzugsgebiete aktiv sind.
Die Unsicherheitsbereiche der einzelnen Modellparameter erlaubten es, die maximale und gesamte Modellunsicherheit abzuschätzen. Hierbei wirkten sich unterschiedliche Ereignischarakteristika auf die Modellunsicherheit und auf die Sensitivität einzelner Parameter aus. Im Oktober 1979 überstieg die maximale, von der Parametrisierung herrührende Modellunsicherheit 300 % und war von Parametern geprägt, die die Gerinnebettverluste beschrieben. Im Oktober 1991 betrug dieser Wert nur 90 % und Infiltrationcharakteristika der Oberflächen wurden bedeutender. Dennoch zeigten Vergleiche zu bestehenden kalibrierten und regionalisierten Modellen, daß das neu entwickelte Modell jenen Ansätzen überlegen ist, wenn Abflußentstehung (z.B. seltene Extremabflüsse) oder Fließprozesse (z.B. Konzentrationszeiten oder Fließgeschwindigkeiten) zu Bedingungen oder in Gebieten simuliert werden sollen, in denen keine Geländemessungen vorliegen. Folglich kann das Modell in ungemessenen Gebieten sinnvoll zur Vorhersage von positiven und negativen Auswirkungen von Trockengebietsabflüssen eingesetzt werden. Dies kann zu einem verläßlicheren Hochwasserschutz (durch eine 'geländebasierte' Abschätzung von extremen Abflüssen und deren Konzentration) sowie zu Abschätzungen der Wasservolumina führen, die zur Grundwasserneubildung im Mündungsbereich großer Trockengebietsflüsse zur Verfügung stehen.

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