We analyse water balance, hydrological response, runoff and snow cover characteristics in the Jalovecký Creek catchment (area 22 km2, mean elevation 1500 m a.s.l.), Slovakia, in hydrological years 1989–2018 to search for changes in hydrological cycle of a mountain catchment representing hydrology of the highest part of the Western Carpathians. Daily air temperature data from two meteorological stations located in the studied mountain range (the Tatra Mountains) at higher elevations show that the study period is 0.1°C to 2.4°C warmer than the climatic standard period 1951–1980. Precipitation and snow depth data from the same stations do not allow to conclude if the study period is wetter/drier or has a decreasing snow cover. Clear trends or abrupt changes in the analysed multivariate hydrometric data time series are not obvious and the oscillations found in catchment runoff are not coherent to those found in catchment precipitation and air temperature. Several time series (flashiness index, number of flow reversals, annual and seasonal discharge maxima, runoff coefficients) indicate that hydrological cycle is more dynamic in the last years of the study period and more precipitation runs off since 2014. The snow cover characteristics and climatic conditions during the snow accumulation and melting period do not indicate pronounced changes (except the number of days with snowfall at the Kasprowy Wierch station since 2011). However, some data series (e.g. flow characteristics in March and June, annual versus summer runoff coefficients since 2014) suggest the changes in the cold period of the year.
The paper provides basic information on hydrological research performed in the mountain catchment of the Jalovecký creek, the Western Tatra Mountains by the Institute of Hydrology of the Slovak Academy of Sciences since the mid-1980-ties. The research was devoted to better understanding of spatial distribution of precipitation, soil moisture, snow cover, evapotranspiration and runoff generation. First part of the paper brings an overview of the results. Second part of the paper is devoted to the water balance of the catchment in hydrological years 1989-2005 and estimation of mean transit time of water in the catchment as given by the tracer method using the stable environmental isotope of 18O. Catchment mean annual precipitation in the studied period was 1562 mm. It varied from 1116 mm in the year of 2003 to 1854 mm in 2001. Mean annual runoff was 1015 mm and it varied between 703 mm in 2003 and 1284 mm in 1998. Mean annual air temperature at catchment mean elevation (1500 m a.s.l.) was 3.5 °C. Interpertation of δ18O in precipitation and runoff from the period 1991-2002 gave the mean transit time of 13 months. Direct application of measured values in precipitation provided more realistic results than the input data series prepared according to recommendations found in the literature. and Príspevok poskytuje základné informácie o hydrologickom výskume, ktorý vykonáva od druhej polovice 80. rokov 20. storočia Ústav hydrológie SAV v horskom povodí Jaloveckého potoka v Západných Tatrách. Výskum poskytol poznatky o priestorovom rozdelení atmosférických zrážok, vlhkosti pôdy, snehovej pokrývke, evapotranspirácii a tvorbe odtoku vo vysokohorskom prostredí. Stručný prehľad niektorých z nich uvádzame v prvej časti príspevku. Druhá časť príspevku za zaoberá hydrologickou bilanciou povodia za obdobie 1989-2005 a určením priemernej doby prechodu vody povodím pomocou metódy stopovačov, pričom bol použitý stabilný prírodný izotop kyslíka 18O. Priemerný ročný úhrn zrážok v povodí v období 1989-2005 bol 1562 mm (od 1116 mm roku 2003 do 1854 mm v roku 2001). Priemerný ročný odtok z povodia bol 1015 mm (od 703 mm v roku 2003 do 1284 mm v roku 1998). Priemerná ročná teplota vzduchu v priemernej nadmorskej výške povodia 1500 m n.m. bola 3,5 °C. Interpretáciou hodnôt δ18O v zrážkach a v odtoku za obdobie 1991-2002 bola určená priemerná doba prechodu 13 mesiacov, čo je časový úsek porovnateľný s tradičným hydrologickým rokom. Použili sme pritom dve varianty prípravy hodnôt δ18O v zrážkach (vstup do hydrologického cyklu povodia). Priame použitie meraných hodnôt dalo realistickejší výsledok, ako rad vstupných hodnôt upravený podľa odporúčaní z literatúry.
The objective of this paper is to compare the results of two distributed snow models based on different approach to snow accumulation and melt. Model WaSiM is based on the degree-day approach, while model UEB-EHZ is an energy-based model. Simulations in the mountain catchment of Jalovecký creek in winters 1989-2001 showed that both approaches can produce similar results. Model parametrization is more important than basic approach to snow accumulation and melt. Therefore, model UEB-EHZ which took into acccount influence of forest on radiation reduction and snow drift, performed better for the forest sites. The paper presents also brief overview of snow accumulation and melt modelling including calibration and verification of distributed models. Finally, it shows some outupts which can be provided by distributed snow models. and Príspevok je venovaný porovnaniu dvoch distribuovaných matematických modelov akumulácie a topenia snehu s rôznym prístupom k modelovaniu snehu. V horskom povodí Jaloveckého potoka boli hodnotené výsledky energeticky založeného modelu UEB-EHZ a modelu WaSiM, vychádzajúceho z metódy teplotného indexu pre zimy 1988/89 - 2000/2001. Porovnanie výsledkov oboch modelov ukázalo, že pokiaľ ide o základný prístup k modelovaniu topenia snehu (energetická bilancia alebo teplotný index), nemohli sme v danom povodí určiť, ktorý z nich viedol k lepším výsledkom. Väčší vplyv na simuláciu vodnej hodnoty snehu ako výber základného prístupu k modelovaniu akumulácie a topenia snehu, má parametrizácia konkrétneho modelu. V modeli UEB-EHZ bol napríklad čiastočne zahrnutý vplyv lesa na globálne žiarenie a podmienky ukladania snehu (drift). Preto bolo topenie snehovej pokrývky v lese týmto modelom simulované reálnejšie ako modelom WaSiM. Okrem porovnania výsledkov dvoch základných prístupov k modelovaniu akumulácie a topenia snehu v horskom povodí príspevok ukazuje aj niektoré výstupy, ktoré možno získať pomocou distribuovaného snehového modelu a stručne sa zaoberá diskusiou o kalibrácii a validácii takéhoto modelu.
The paper summarises experience with runoff modelling in mountain catchment of the Jalovecky creek, Western Tatra Mountains, Slovakia, using TOPMODEL. The work was focused on runoff reproduction and estimation of areal extent of saturated areas, both with different time steps of input meteorological data (hourly or daily) and grid size of input digital elevation model (DEM). Simulations with the daily data from summer months 1988-1993 provided slightly overestimated runoff and saturated areas reached up to 5-19% of catchment area (for the DEM grid size of 10 m). Model parameters for each season were invariant. Hourly input data provided more heterogeneous results. Runoff reproduction was best for single long flood events and model parameters for different events varied. Saturated areas for the DEM grid size of 10 m varied between 1.1 and 10.8% of catchment area. The grid size did not influence runoff reproduction. The change of DEM resolution affected only the surface/subsurface flow ratio and, consequently areal extent of saturated areas. Modelled saturated areas cumulated along the main stream network. High modelled contribution of subsurface runoff to total catchment runoff was in accordance with the results of hydrograph separations. Field measurements of soil moisture in the upper soil layer indicated important role of vegetation (forest) which was not considered by the model. and V príspevku sme zhrnuli skúsenosti s matematickým zrážkovoodtokovým modelom TOPMODEL pri modelovaní odtoku v horskom povodí Jaloveckého potoka v Západných Tatrách. Zaujímala nás najmä schopnosť modelu reprodukovať odtok z horského povodia a predpovedať plošný rozsah nasýtených oblastí pri rôznom časovom kroku vstupných údajov a rôznej veľkosti štvorca siete digitálneho modelu reliéfu. Pri simulácii odtoku s dennými vstupnými údajmi za letné mesiace rokov 1988-1993 bol modelovaný odtok mierne nadhodnotený a nasýtené oblasti pri štvorci siete 10 m predstavovali maximálne 5-19 % plochy povodia. Parametre modelu v jednotlivých rokoch nebolo potrebné meniť. Pri práci s hodinovými údajmi boli výsledky rôznorodejšie. Lepšia zhoda meraného a simulovaného odtoku bola dosiahnutá pri dlhšie trvajúcich vlnách a parametre modelu boli pre rôzne vlny rôzne. Pre rôzne vlny kolísal maximálny rozsah nasýtených oblastí pri štvorci siete 10 m od 1,1 do 10,8 % plochy povodia. Veľkosť štvorca siete nemala vplyv na simuláciu celkového odtoku z povodia a prejavila sa len na pomere povrchového a podpovrchového odtoku a následne na rozsahu nasýtených oblasti. Modelované nasýtené oblasti sa vyskytujú v blízkosti riečnej siete. Vyhodnotenie meraní vlhkostí pôdy v povodí poukazuje na značný vplyv vegetácie. Keďže v predkladanej práci bola použitá verzia modelu, ktorá neobsahuje simulácie procesov v nadzemných častiach prostredia, bolo simulované rozdelenie nasýtených oblastí v lesnatých častiach povodia modelom odlišné od rozdelenia zisteného priamym pozorovaním v povodí. Vysoký podiel modelovaného podpovrchového odtoku v celkovom odtoku bol potvrdený aj separáciou odtoku pomocou prírodných izotopov.
The role of stony soils in runoff response of mountain catchments is rarely studied. We have compared simulated response of stony soils with measured catchment runoff for events caused by rains of small and high intensities in the mountain catchment of the Jalovecký Creek, Slovakia. The soil water response was simulated for three sites with stoniness 10–65% using the Hydrus-2D single porosity model. Soil hydraulic parameters employed in the modelling, i. e. the saturated hydraulic conductivity and parameters of the soil water retention curves, were obtained by two approaches, namely by the Representative Elementary Volume approach (REVa) and by the inverse modelling with Hydrus-1D model (IMa). The soil water outflow hydrographs simulated by Hydrus-2D were compared to catchment runoff hydrographs by analysing their skewness and peak times. Measured catchment runoff hydrographs were similar to simulated soil water outflow hydrographs for about a half of rainfall events. Interestingly, most of them were caused by rainfalls with small intensity (below 2.5 mm/10 min). The REV approach to derive soil hydraulic parameters for soil water outflow modelling provided more realistic shapes of soil water outflow hydrographs and peak times than the IMa approach.