Hydrological modelling in the meso scale semiarid region of Wadi Kafrein / Jordan -The use of innovative techniques under data scarcity
Hydrologische Modellierung in der semiariden Region Wadi Kafrein / Jordanien - Die Nutzung innovativer Technologien bei Datenknappheit
by William Alkhoury
Date of Examination:2011-04-18
Date of issue:2011-06-23
Advisor:Prof. Dr. Martin Sauter
Referee:Prof. Dr. Martin Sauter
Referee:Prof. Dr. Elias Salameh
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Name:alkhoury.pdf
Size:16.2Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
In order to effectively plan and manage the water resources of a country or geographical region, available water resources must be quantitatively assessed and hydrological processes must be known. Although surface water is ordinarily considered a primary source of water, the Middle Eastern focus has been primarily on groundwater. Attention to surface water, runoff generation processes, and overall catchment modelling has typically been paid little attention. However due to hydrological conditions and population increase, countries like Jordan are considering the entire spectrum of water resources and the quantitative assessment and characterization of hydrological resources are becoming ever more important. Hydrological modelling in the arid to semi arid catchment of Wadi Kafrein (161 km²) was the objective of this study, and in order to complete this objective, detailed hydrological investigations were performed there. The catchment is characterized by a wide range of climatic differences, topographic variations, and spatial land uses. A physically based, spatially distributed, hydrological model was prepared within the framework of this dissertation. The aim of this dissertation is a detailed quantification of the water balance of the study area with emphasis on (1) runoff generation mechanisms and (2) the resulting transmission losses. A secondary aim of this study was for the model to assist local decision makers in solving water resources management problems. Due to the large variability in hydrological parameters of the catchment area, the model was intended to be physically based and spatially distributed. The type of physically based model which was selected for the Wadi Kafrein catchment is the TRAIN-ZIN model. In order to meet the requirements of this model, data which was of high spatial and temporal resolution was obtained and a comprehensive hydrological database was prepared. The geometry of the catchment (Digital Elevation Model, DEM) was prepared using Cartosat-1 satellite images with a resolution of 5 m. The spatial variations in land use and soils were graphically shown in respective land use and soil maps by using multi-temporal ASTER satellite images. In order to calibrate the model, runoff measurements were required, and therefore, the topography of the surface water reservoir behind the Kafrein dam was surveyed during a dry period using high resolution differential GPS measurements. From the resulting elevation model, a rating curve for the surface water reservoir was prepared. This allowed the quantification of surface runoff by water height determination. The water height in the reservoir was measured continuously using data loggers. The monitoring period extended from November, 2007 until December, 2009. Several sub-wadis with catchment areas of 0.3 km2 to 7 km2 were instrumented for high temporal rainfall and runoff measurements. The numerical model was parameterized, calibrated, and validated using the measured data. The model was calibrated and validated using the Differential Split Sample Test approach. The water components of the two consecutive hydrological years were quantified and spatial distribution maps were prepared for every water component on an event basis. The results of a sensitivity analysis indicate a strong effect of soil depth and soil infiltration rates on the generated runoff amounts while transmission losses are mainly affected by channel length, channel width, and the depth to active alluvium. Runoff generation mechanisms were quantified in detail for the monitored runoff events. The results show that Infiltration Excess Overland Flow (IEOF) is the dominant runoff mechanism in the study area, which is also known to be the dominant mechanism in other arid and semi arid regions. On the other hand, and despite that fewer events were generated due to Saturation Excess Overland Flow (SEOF), the results show that, quantitatively, runoff is mainly generated due to SEOF. For similar amounts of rainfall measured in two different storm events, the volume of the generated runoff with SEOF as the dominant runoff generation mechanism was ten times more than an earlier event with a similar measured rainfall amount. This earlier event was characterized by IEOF. This observation may be attributed to the rainfall intensity, the antecedent soil moisture, and the lag time between the storm events. Transmission losses were also quantified on an event basis and on an annual basis. Transmission losses ranged from 18-44% of the generated runoff on an event basis while the average transmission losses were 24% and 26% of the generated runoff in 2007/2008 and in 2008/2009, respectively. The maximum runoff coefficient was 4% in 2007/2008 and 11% in 2008/2009. Recharge was higher when SEOF was the dominant mechanism and lower when IEOF was the dominant mechanism. In order to attempt to predict the impact of climatic patterns variations and the impact of urban expansion and land use changes on the water balance components of Wadi Kafrein, a new approach has also developed within the bounds of this dissertation. This new approach takes into consideration precipitation characteristics and temperature increases, including the wettest and driest years on the available records. In total, 24 climatic scenarios were developed and the results were further validated by applying continuous modelling for the hydrological years from 2002 until 2007. The results of climatic scenarios show that runoff coefficients range from 4% in very dry years to 21% in very wet years. Furthermore, an increase in temperature of 1-3 °C will slightly decrease recharge and runoff. Urbanization expansion in Wadi Kafrein will mainly increase the volume of generated runoff and decrease the recharged water. As a further result of the research described herein, indications are that previous estimations of runoff and recharge in the Wadi Kafrein were too low and evapotranspiration was too high. The results from this study indicate that on an average year, runoff is approximately 6.4 MCM and recharge is around 21 MCM. Recharge equations were also developed to estimate recharge based on annual rainfall.
Keywords: Hydrological modelling; TRAIN-ZIN; arid and semi arid regions; rainfall-runoff modelling; Wadi Kafrein/Jordan
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Die Quantifizierung der vorhandenen Wasserressourcen und das Verständnis der hydrologischen Prozesse sind entscheidend für wasserwirtschaftliche Planungen. In Jordanien besitzen wasserwirtschaftliche Fragestellungen, aufgrund der hydrologischen Rahmenbedingungen sowie der demographischen Entwicklung, eine hohe Relevanz. In der Nahostregion lag der Schwerpunkt hydrologischer Studien bisher eher auf dem Gebiet der Grundwasserforschung. Weniger Aufmerksamkeit wurde den Oberflächengewässern und Abflussbildungsprozessen sowie deren Modellierung zuteil, obwohl Oberflächenwasser ein wichtiger Teil der verfügbaren Wasserressourcen darstellt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit ist die hydrologischen Modellierung in ariden und semi-ariden Regionen. Im 161 km² große Einzugsgebiet des Wadi Kafrein wurden umfangreiche hydrologische Untersuchungen durchgeführt und unter Verwendung der gewonnenen Daten ein physikalisch basiertes, räumlich verteiltes hydrologisches Modell erstellt. Ziel dieser Untersuchungen ist eine detaillierte Quantifizierung (1) der Wasserhaushaltskomponenten des Untersuchungsgebietes mit Schwerpunkt auf der Analyse der Abflussbildungsprozesse und (2) der Infiltrationsverluste in das Gerinnebett. Weiterhin sollen durch die Arbeit lokale Entscheidungsträger beim Wasserressourcenmanagement unterstützt werden. Aufgrund der großen Variabilität der hydrologischen Parameter im Einzugsgebiet und für eine fundierte Prognose der verfügbaren Wasserressourcen, ist es nötig, für die Modellierung ein physikalisch basiertes Niederschlags-Abfluss-Modell zu verwenden. Hierfür wurde das Modell TRAIN-ZIN gewählt. Aufgrund des hohen Datenbedarfs des TRAIN-ZIN-Modells wurde eine einheitliche und umfassende hydrologische Datenbank für das Untersuchungsgebiet erstellt. Im Vordergrund stand die Erhebung und Synchronisierung von Daten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Die Geometrie des Gebietes (Digitales Höhenmodell, DHM) wurde aus Cartosat-1-Satellitenbildern mit einer Auflösung von 5 m erstellt. Die räumliche Verteilung der Landnutzung und eine Bodenkarte wurden von multi-temporalen ASTER-Satellitenbildern abgeleitet. Für die Kalibrierung des Modells muss der Gebietsabfluss bestimmt werden. Hierzu wurde der entleerte Oberflächenspeicher -Kafrein Damm- am Gebietsauslass während einer Trockenperiode mit einem differentiellen GPS-Gerät topographisch vermessen. Aus dem resultierenden Höhenmodell wurde eine Wasserstands-Speicherinhalt-Beziehung für den Stausee abgeleitet. Diese erlaubt die Quantifizierung des Oberflächenabflusses aus Wasserstandsmessungen. Der Wasserstand im See wurde zeitkontinuierlich mit Drucksonden und Datenloggern gemessen und aufgezeichnet. Die Messperiode erstreckte sich vom November 2007 bis zum Dezember 2009. Im Einzugsgebiet des Kafrein Damms wurden zudem mehrere Teileinzugsgebiete mit Größen von 0,3 km² bis 7 km² ausgewählt und mit Messgeräten ausgestattet, die Niederschlag und Oberflächenabfluss registrieren. Das numerische Modell wurde mit Hilfe der aufgezeichneten Daten parametrisiert, kalibriert und validiert. Dabei wurde die gemessenen Daten in Zeitbereiche für die Kalibrierung und Modellvalidierung aufgeteilt. Die Wasserhaushaltskomponenten der beiden gemessenen hydrologischen Jahre wurden quantifiziert und Karten ihrer räumlichen Verteilung auf Ereignisbasis erstellt. Für die Kalibrationsparameter wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Diese zeigt den großen Einfluss der Parameter Bodenmächtigkeit und Infiltrationsraten auf die Abflussbildung. Die Infiltrationsverluste in das trockene Gerinnebett werden hauptsächlich durch Kanallänge, Kanalbreite und die Mächtigkeit des aktiven Alluviums bestimmt. Die Abflussbildungsprozesse wurden auf Ereignisbasis analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Überschreitung der Infiltrationskapazität des Bodens (Infiltration Excess Overland Flow, IEOF) der dominierende Abflussbildende Mechanismus in der untersuchten Region ist. Dies ist in vielen ariden und semi-ariden Regionen weltweit ähnlich. Obwohl der Sättigungsflächenabfluss (Saturation Excess Overland Flow, SEOF) bei weniger Ereignissen auftritt, wird der mengenmäßig größte Teil des Abflusses jedoch durch SEOF gebildet. Für ähnliche Niederschlagsmengen aus zwei unterschiedlichen Niederschlagsereignissen liegt das durch SEOF gebildete Abflussvolumen um ein zehnfaches über dem eines anderen Ereignisses mit bei dem IEOF der dominierende Abflussprozess darstellte. Diese Beobachtung kann auf die Niederschlagsintensität, die Vorfeuchte und den zeitlichen Abstand zwischen zwei Ereignissen zurückgeführt werden. Die Infiltrationsverluste in das Gerinnebett wurden auf Jahres- und Ereignisbasis quantifiziert. Diese betrugen bei Einzelereignissen zwischen 18-44% des gebildeten Abflusses sowie 24% und 26% des Gesamtabflusses für die hydrologischen Jahre 2007/2008 bzw. 2008/2009. Der maximale Ereignis-Abflusskoeffizient (Anteil am Gebietsniederschlag) betrug 4% in 2007/2008 und 11% in 2008/2009. Die Grundwasserneubildung ist höher wenn SEOF der dominante Abflussprozess ist und niedriger wenn IEOF der dominante Abflussprozess ist. Um den Effekt der Veränderung klimatischer Parameter, Urbanisierung und Landnutzungsänderungen auf die Wasserhaushaltskomponenten im Wadi Kafrein vorhersagen zu können, wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Dieser Ansatz berücksichtigt die Niederschlagseigenschaften und den Temperaturanstieg, einschließlich der trockensten und feuchtesten Zeiten der verfügbaren aufgezeichneten Daten. Insgesamt wurden 24 Klimaszenarien entwickelt, deren Ergebnisse durch die Modellierung des Gebietsabflusses für den Zeitraum 2002 bis 2007 validiert wurde. Die Ergebnisse der Klimaszenarien zeigen, dass der Abflusskoeffizient zwischen 4% in sehr trockenen Jahren bis 21% in sehr feuchten Jahren liegt. Die Grundwasserneubildung und der Abfluss wird durch einen Temperaturanstieg von 2-3 °C leicht verringert werden. Die zunehmende Urbanisierung im Einzugsgebiet des Wadi Kafrein führt zu einer Zunahme des Abflussvolumens und einer Abnahme der Grundwasserneubildung. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass der Oberflächenabfluss und die Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet im Vorfeld unterschätzt und die Evapotranspiration überschätzt wurden. Der mittlere jährliche Oberflächenabfluss wird auf 6,4 Mio. m³/a und die mittlere jährliche Grundwasserneubildung auf 21 Mio. m³/a geschätzt. Auf der Grundlage von jährlichen Niederschlagsmengen wurden Gleichungen zur Grundwasserneubildung entwickelt, die einen wichtigen Beitrag für die wasserwirtschaftliche Planung darstellen.
Schlagwörter: Hydrologische Modellierung; TRAIN-ZIN; aride und semiaride Gebiete; Niederschlags-Abfluss-Modellierung; Wadi Kafrein/Jordanien