Hydrological modelling in the meso scale semiarid region of Wadi Kafrein / Jordan -The use of innovative techniques under data scarcity

Abstract

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.