Reservoir sedimentation in dryland catchments : modelling and management

Semi-arid environments are mainly characterized by scarce water resources and are usually subject to risks of water stress. In these regions, water supply for drinking and irrigation purposes depends strongly on storage in surface reservoirs and sediment deposition in these reservoirs affects adversely the water storage.In order to reproduce the complex behaviour of sediment deposition in reservoirs located in semi-arid environments and the effects of using sediment management techniques, a reservoir sedimentation model is developed and coupled within the WASA-SED model, which simulates rainfall-runoff processes and sediment transport at the hillslope and river network.The reservoir sedimentation model consists of two modelling approaches, which may be applied according to reservoir size and data availability. For reservoirs with information about their geometric features (reservoir topography, stage-area and stage-volume curves) and physical properties of sediment deposits, such as deposition thickness, grain size distribution of sediment deposits and sediment densities, a detailed modelling approach of reservoir sedimentation may be applied. For reservoirs without those characteristics, a simplified modelling approach is used.The detailed modelling approach of reservoir sedimentation enables the assessment of sediment deposition pattern in reservoirs and the evaluation of sediment release efficiency of sediment management techniques. It simulates sediment transport along the longitudinal profile of a reservoir. The reservoir is divided into cross sections to elaborate the sediment budget. The sediment transport component is calculated using a non-uniform sediment transport approach based on the concept of sediment carrying capacity. Four different sediment-transport equations can be selected for the simulations.The simplified modelling approach of reservoir sedimentation is suitable to simulate water and sediment transfer in dense reservoirs network. Nevertheless, it allows simulating neither sediment management techniques, nor spatial distribution of sedimentation. In this approach, the reservoirs are classified into small and strategic reservoirs according to their location and size. Strategic reservoirs are medium and large-sized reservoirs located on main rivers at the sub-basin’s outlet or reservoirs of particular interest. The small reservoirs are located at tributary streams and represented in the model in an aggregate manner by grouping them into size classes according to their storage capacity. A cascade routing scheme is used to describe the upstream-downstream position of the reservoir classes. The water and sediment balances of small reservoirs are computed for one hypothetical representative reservoir of mean characteristics. Sediment trapping efficiency and effluent grain size distribution are estimated using the overflow rate concept.Three model applications are carried out within this research, as follows:•The detailed modelling approach of reservoir sedimentation is applied to the 92.2 Mm³ Barasona Reservoir, located in the foothills of the Central Pyrenees (Aragon, Spain). A two-stage calibration was performed to account for changes on the sediment deposition pattern caused by sediment management. The reservoir sedimentation model is then validated for another simulation period which confirms that the processes related to reservoir sedimentation are well represented by the model.•An application is carried out to the 933-km² Benguê catchment, located in the semi-arid region of Northeast Brazil. The catchment is characterized by a dense reservoir network, covering almost 45% of the catchment area, with a significant lack of data. Water and sediment balances of those reservoirs are computed using the simplified modelling approach. Three spatial configurations describing the cascade routing scheme are tested.•The reservoir sedimentation model is applied again to the Barasona reservoir to evaluate the sediment release efficiency of sediment management strategies. Cost analysis is presented to help in the choice of the most promising sediment management technique for that situation. Thus, the model enables the assessment of technical features of the sediment management strategies.Overall, simulation results are characterized by large uncertainties, partly due to low data availability and also due to uncertainties of the model structure to adequately represent the processes related to reservoir sedimentation.

Semiaride Gebiete sind hauptsächlich durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet und unterliegen häufig dem Risiko der Wasserknappheit. In diesen Gebieten ist die Wasserbereitstellung für Bewässerung und Trinkwasserversorgung stark von der oberflächlichen Speicherung in Stauseen abhängig, deren Wasserverfügbarkeit nachteilig durch Sedimentablagerung beeinflusst wird.Zur Wiedergabe des komplexen Sedimentablagerungsverhaltens in Stauseen von semiariden Gebieten und die Auswirkungen von Sedimentmanagementmaßnahmen wird ein Sedimentationsmodell entwickelt und mit dem WASA-SED Modell gekoppelt, das für die Modellierung der Abflussbildung und des Sedimenttransportes in Einzugsgebieten geeignet ist.Das Sedimentationsmodell beinhaltet zwei Ansätze, die unter der Berücksichtigung verschiedener Stauseengrößenklassen und Datenverfügbarkeit eingesetzt werden können. Für die Stauseen mit verfügbaren Informationen über ihre geometrischen Eigenschaften (wie Stauseetopographie und Höhe-Fläche-Volumen-Beziehung) und weitere Kenngrößen wie Ablagerungsmächtigkeit, Korngrößenverteilung und Sedimentdichte, kann ein detaillierter Modellansatz für die Sedimentablagerung verwendet werden. Wo diese Informationen nicht verfügbar sind, wird auf einen vereinfachten Ansatz zurückgegriffen. Der detaillierte Modellansatz ermöglicht die Betrachtung von Ablagerungsmustern im Stausee und Einschätzungen über die Effektivität von Sedimentmanagementmaßnahmen hinsichtlich der Sedimententlastung. Dieser Ansatz beruht auf der Simulation des Sedimenttransportes entlang eines Stauseelängsprofils. Für die Berechnung des Sedimenttransfers wird der Stauseekörper in einer Folge von Querprofilen repräsentiert. Der Sedimenttransport wird dabei korngrößenspezifisch entsprechend der Transportkapazität berechnet. Dafür stehen vier verschiedenen Sedimenttransportgleichungen zur Verfügung. Der vereinfachte Modellansatz ist für die Simulation des Sedimenttransfers in Gebieten mit hoher Stauseedichte geeignet, jedoch können weder Sedimentmanagementmaßnahmen noch die räumliche Verteilung der Ablagerungen berücksichtigt werden. Dafür werden die Stauseen in Abhängigkeit von ihrer Größe und Position in kleine und strategische Stauseen unterteilt. Dabei sind strategische Stausseen solche mit mittlerem bis großem Volumen sowie einer Lage im Hauptgerinne oder solche mit sonstiger besonderer Bedeutung. Kleine Stauseen hingegen befinden sich an den Nebenflüssen und werden im Modell in aggregierter Form durch ihre Einteilung in Stauseegrößenklassen repräsentiert. Ein Kaskadenverfahren wird für den Wasser- und Sedimentlauf zwischen den Stauseeklassen verwendet. Dabei werden für jede Stauseeklasse der Wasser- sowie Sedimenthaushalt für einen hypothetischen repräsentativen Stausee mit mittleren Eigenschaften berechnet. Die Sedimentaufnahme und die Korngrößenverteilung des abgegebenen Sediments werden mit dem Überlaufanteil-Ansatz berechnet.In dieser Studie werden drei Modellanwendungen vorgestellt:•Für den 92,2 Mio.m³-großen Barasona-Stausee (Vorland der Zentralpyrenäen, Aragon, Spanien) wird die Modellierung der Sedimentablagerung mit dem detaillierten Modellansatz vorgenommen. Die Kalibrierung dafür wurde in zwei Schritten durchgeführt, um Änderungen im Stauseemanagement Rechnung zu tragen. Die ModellValidierung wird schließlich für eine andere Simulationsperiode vorgenommen. Dabei wird ersichtlich, dass die Prozesse der Sedimentablagerung gut durch das Modell wiedergegeben werden.•Das Modell wird auf das 933 km²-große Benguê-Einzugsgebiet, das sich im semiariden Nordosten Brasiliens befindet, angewendet. Dieses Einzugsgebiet ist durch eine hohe Dichte an kleinen Stauseen, charakterisiert, die fast 45% des Gebietes umfasst, wofür jedoch wenige Messdaten verfügbar sind. Deshalb werden der Wasser- und Sedimenttransport mit dem vereinfachten Modellansatz berechnet. Dabei werden drei Konfigurationen des Kaskadenverfahrens getestet.•Die Modellanwendung erfolgt erneut für den Barasona-Stausee bezüglich der Effektivität der Sedimentmanagementmaßnahmen. Eine Kostenanalyse ermöglicht die Auswahl geeigneter Maßnahmen für den Stausee. Dadurch wird eine Beurteilung der verschiedenen Sedimentmanagementstrategien ermöglicht.Im Allgemeinen unterliegen die Simulationsergebnisse großen Unsicherheiten, teilweise wegen der geringen Datenverfügbarkeit, andererseits durch die Unsicherheiten in der Modellstruktur zur korrekten Wiedergabe der Sedimentablagerungsprozesse.