Original paper

Vergleichende hydrologische Modellierung und Bewertung der Abflussdynamik zweier Zuflüsse des Okavango-Flusses

[Comparative hydrological modelling and assessment of runoff dynamics of two tributaries of the Okavango River]

Baumberg, Verena; Helmschrot, Jörg; Göhmann, Hendrik; Steudel, Thomas; Fischer, Christian; Flügel, Wolfgang-Albert

Kurzfassung

Die zwei Flusssysteme Cuito und Cubango entwässern das Hochland und den Südosten von Angola. In der Nähe der Stadt Dirico fließen sie zusammen und bilden den Okavango. Obwohl beide Flusseinzugsgebiete aneinander grenzen und somit ähnlichen Klima- und Umweltbedingungen ausgesetzt sind, unterscheidet sich ihr Abfluss in Volumen und Dynamik an den Stationen Rundu (Cubango) und Dirico (Cuito) deutlich voneinander. Das Ziel dieser Studie besteht in der Analyse und Bewertung des im Untersuchungsgebiet vorherrschenden Landschaftsgefüges und der Relevanz der Landschaftsparameter Geologie, Relief, Klima, Böden und Landbedeckung für das jeweilige hydrologische System. Die Erkenntnisse der Systembewertung finden Eingang in die Niederschlags-Abfluss-Modellierung mit dem distributiven Modell J2000g für die Jahre 1962–1975, um damit verbesserte Kenntnisse zur raum-zeitlichen Dynamik der abflussbildenden Prozesse in beiden Einzugsgebieten und deren unterschiedliche Systemdynamik zu gewinnen. Die Modellanwendung erzielt im Einzugsgebiet des Cubango bessere Ergebnisse. DerAbfluss in trockenen Zeiten und der Übergang zur Regenzeit werden vom Modell gut erfasst, lediglich die Spitzenabflüsse werden unterschätzt. Im Einzugsgebiet des Cuito gibt das Modell zwar die generelle Dynamik wieder, es kommt aber zur Über- oder Unterschätzung des Abflusses. In beiden Einzugsgebieten reproduzieren die Modelle die humiden Bedingungen im Hochland sowie die Abnahme der Niederschlagsmenge, der Bodenfeuchte und der Grundwasserneubildungsrate von Nord nach Süd. Das Modell bestätigt, dass die Gründe für die unterschiedliche Abflussdynamik vor allem auf die unterschiedlichen geologischen und topographischen Bedingungen in beiden Einzugsgebieten zurückzuführen sind. Im Cuito-System dominieren Schichten von Kalaharisanden, deren Mächtigkeit mehrere hundert Meter betragen kann, während der geologische Untergrund des Cubango-Oberlaufs durch kristallines Gestein wie Granit, Quarzit oder Gneis charakterisiert ist. Sandschichten sind hier nicht zu finden oder nur sehr geringmächtig. Durch die höhere Geländeposition des Oberlaufs kommt es im Einzugsgebiet des Cubango außerdem zu größeren Niederschlagsmengen, niedrigeren Temperaturen und somit zu niedrigeren Verdunstungsraten und schließlich zu höheren Abflussvolumina. In Kombination mit geologischen und geomorphologischen Eigenschaften ist die Abflussdynamik im Cubango-System deutlicher ausgebildet. Der mäandrierende Flusslauf des Cuito ist in breite Tallandschaften mit Sümpfen und Überschwemmungsebenen eingebettet, während der Cubango vor allem im hydrologisch relevanten Oberlauf durch schmale Täler fließt. Daher ergibt sich im Einzugsgebiet des Cuito ein wesentlich größeres Potential zu Wasserspeicherung. Sowohl in den Tallandschaften als auch in den Aquiferen der von Kalaharisanden überlagerten Areale können große Mengen Wasser gespeichert und verzögert wieder abgegeben werden.

Abstract

The two river systems Cuito and Cubango drain the Angolan Highlands and the south-eastern parts of Angola. At their confluence near the city of Dirico both rivers form the Okavango River. Although located side by side and therefore exposed to very similar climatic conditions, runoff volumes and dynamics of these rivers measured at the gauging stations Rundu (Cubango) and Dirico (Cuito) differ remarkably. The aim of this study is to analyse and assess the relevance of landscape parameters such as geological structures, terrain, climate, soils, and land cover in the two basins regarding their influence on spatiotemporal hydrological system dynamics. Findings from this effort were used to setup a rainfall-runoff model based on the distributive modelling system J2000g. In order to provide a better understanding of the spatio-temporal dynamics of runoff generation processes and the differences between both catchments, the model was applied to the period from 1962 to 1975 for both catchments. The model provides better results for the Cubango system than for the Cuito system. For the Cubango River the model produces good fits for dry and moderate conditions while peak flows are generally underestimated. For the Cuito River the model simulates runoff dynamics well but under- or overestimates the peaks. The model reproduces the wetter conditions in the north of both catchments as well as the decreasing trends in rainfall, soil moisture and groundwater recharge towards the south. As shown by the model, the contrasts in the runoff dynamics predominantly result from differences concerning the geological structure as well as terrain features. While the Cuito catchment is covered with Kalahari sand layers that can be up to several hundred metres in thickness, the headwater region of the Cubango catchment is underlain by crystalline bedrock such as granite, gneiss or quartzite. Sand layers are missing or very thin. The headwaters of the Cubango system are located on a higher elevation than those of the Cuito, which leads to higher precipitation, lower temperatures and lower evapotranspiration rates and therefore generates higher discharges. The latter is also caused by the higher relief dynamic in the Cubango uplands and the larger catchment area. The meandering rivers of the Cuito system are embedded in wide valleys with swamps and floodplains. The upstream rivers in the Cubango catchment are channelled within small valleys incised into the crystalline bedrock and widen farther downstream. In the Cuito River headwaters, where most of the river runoff is generated, the landscape system provides higher storage capacities within the valley sediment fillings and the thick layers of Kalahari sands.

Keywords

CubangoCuitoHydrologische Modellierunghydrologische SystemanalyseHRUJ2000gOkavango Keywords: Cubango RiverCuito Riverhydrological modellinghydrological system analysisHRUJ2000gOkavango River