Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-358
Authors: Habtamu Itefa Geleta
Title: Watershed sediment yield modeling for data scarce areas
Other Titles: Sedimentertragsmodells für Gebiete mit geringer Datengrundlage
Issue Date: 2011
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Mitteilungen / Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung, Universität Stuttgart;201
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-61520
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/375
http://dx.doi.org/10.18419/opus-358
ISBN: 978-3-942036-05-4
Abstract: The sustainability and service life of reservoirs depends on the amount of sediment storage. Reservoir sedimentation is a critical problem in reducing the service life of dams. The sedimentation problem is the consequence of watersheds sediment supply to the river networks and then to the reservoir. River bank sediment deposition is another consequence of excess sediment supply from the upstream watersheds. The deposition of sediment on bank of a river causes change in flow regime and as result flooding may happen to the adjoining areas. The degree of severity of river bank sediment deposition or reservoir sedimentation can be analyzed with the availability of information on the sediment load from the upstream watersheds. Physically based models are appropriate tools for sediment modelling and prediction at the outlet point of a watershed. Nevertheless, the applicability of the existing physically based models is limited to data availability which restricts their application to data scarce areas. Therefore, this research has been undertaken to analyze the fundamental watershed soil parameters, geomorphologic parameters and hydrologic parameters and thereafter suggest an alternative sediment yield estimation method that can be applied to data scarce areas. A Soil erodibility estimation equation has been derived from soil data of the Upper Awash basin in Ethiopia and has been evaluated for its applicability to the FAO (1998) world soil database. The evaluation has been made with reference to the equation of Williams et al. (1984). According to the evaluation result, for 80 % of the World Soil Database the relative error of the proposed equation as compared to the equation of Williams et al. (1984) has been estimated to be less than 20 %. This indicates that with easily measurable soil parameters like the percentage of sand, silt and clay, a reasonable soil erodibility factor can be predicted. SWAT2005 model has been applied to the Awash basin and two selected subbasins (Fincha and Gudar) of the Blue Nile basin. The model has been calibrated to measured sediment data available at different locations in the selected river basins. After the model calibration the spatial pattern of soil loss rates and erosion risk area has been identified. The erosion risk has been found to increase in areas with highest annual rainfall depth and agriculture dominated areas. Moreover, areas with steep slope have shown more vulnerability to erosion. The geomorphologic parameters of the watersheds have been combined with the soil erodibility factor, peak surface runoff and stream flow elements to formulate an alternative empirical model of sediment yield estimation. The empirical model has been derived from the Upper Awash basin based on the SWAT2005 model results. Two equations have been formulated, i.e. an equation which can predict sediment outflow from a single watershed and a routing equation which can predict net sediment flux from multiple and interconnected watersheds. The scope of applicability of the developed empirical models has been evaluated for different watersheds in various climatic zones and satisfactory results have been obtained. The findings of this research provide an alternative solution for the estimation of soil erodibility and net sediment outflow from various watersheds. Moreover, the flexibility of the sediment outflow equation is a special aspect of the research findings that makes the formulated empirical model successfully applicable to different watersheds. Therefore, in the absence of measured sediment data sufficient for the application of physically based models, the formulated empirical model can be used for sediment prediction.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Sedimentertragsmodells für Gebiete mit geringer Datengrundlage, für die eine Anwendung physikalisch basierter Modelle nicht praktikabel ist. Es werden verschiedene der bereits bestehenden Gleichungen zur Abschätzung der Bodenerodierbarkeit untersucht. Da jedoch diese zumeist einen empirischen Charakter haben und deren Parameter aus einem bestimmten Gebiet stammen, wird die Anwendbarkeit auf andere Gebiete oft in Frage gestellt. Die Gleichung von Williams et al. (1984) und Shirazi und Boersma (1984) sind allgemein anerkannt, doch ist die Anwendbarkeit dieser Gleichung für datenlimitierte Gebiete äußerst schwierig. Weiterhin sind einige Eingangsparameter, wie der organische Kohlenstoffgehalt für die Williams Gleichung und die primären Partikel-Fraktionen für die Shirazi und Boaersma Gleichung, nur schwierig in-situ messbar. Die Unzulänglichkeiten dieser Primärdaten kann durch Fehlerfortpflanzung zu großen Unsicherheiten führen. Dies gilt insbesondere für den organischen Kohlenstoffgehalt, der durch das Verbrennen einer Bodenprobe bestimmt wird. Daher werden in dieser Arbeit nur einfach messbare Bodenparameter eingesetzt, um die Bodenerodierbarkeitvorherzusagen. Die dementsprechend aufgestellte Gleichung wurde auf ihre Anwendbarkeit für unterschiedliche Böden untersucht. Für 80 % der Bodenklassen der Weltbodendatenbank der FAO gilt, dass der relative Fehler dieser Gleichung im Vergleich zur Williams Gleichung um 20 % geringer ist. Das physikalisch basierte SWAT2005 Modell wird zur Ermittlung des Sedimentertrags des Upper Awash Einzugsgebiets und der beiden Teileinzugsgebiete des Blue Nile eingesetzt. Das Modell wird erfolgreich für die beiden Einzugsgebiete kalibriert und validiert, so dass der Modellbewertungsstandard eine gute bis sehr gute Performanz zeigt. Für beiden Untersuchungsgebiete wird eine räumliche Verteilung der Bodenverlustrate analysiert. Die Bodenverlustrate des Upper Awash Einzugsgebiets liegt in einem Bereich zwischen 0,73 t/ha/a und 224 t/ha/a, wobei 56% der Flächen eine nicht tolerierbare Bodenverlustrate von mehr als 10 t/ha/a aufweisen. In ähnlicher Weise wird der Nettosedimentaustrag aus dem gesamten Untersuchungsgebiet zwischen 69 Mio. m3 und 231 Mio. m3 pro Jahr eingeschätzt. Dabei tritt der höchste Sedimentaustrag aus dem Untersuchungsgebiet in der Regenzeit auf. Im Gudar Teileinzugsgebiet beläuft sich die Bodenverlustrate auf ca. 1,46 t/ha/a bis 78,11 t/ha/a. Etwa 93,7% des Teileinzugsgebiets fallen in die Kategorie einer nicht tolerierbaren Bodenverlustrate. Gleichermaßen beträgt im Fincha Teileinzugsgebiet die Bodenverlustrate zwischen 6,57 t/ha/a und 256,6 t/ha/a. Etwa 99 % dieses Teileinzugsgebiets haben nicht tolerierbare Bodenverlustraten. Verschiedene geomorphologische und hydrologische Faktoren, die den Sedimentertrag in einem Einzugsgebiet beeinflussen, werden analysiert und es wird eine Priorisierung vorgenommen. Dabei stellt sich heraus, dass die Einzugsgebietsgröße,das Einzugsgebietsgefälle und das mittlere Gefälle des Gewässers die beherrschenden geomorphologischen Faktoren sind, während der Abfluss den wichtigsten hydrologischen Faktor darstellt.Mit der Kombination unterschiedlicher Einzugsgebietsfaktoren wird ein alternatives empirisches Regressionsmodell für die Sediment ertragsabschätzung formuliert. Der mögliche Anwendungsbereich des Modells wurde für verschiedene Einzugsgebiete in unterschiedlichen hydro-klimatischen Zonen getestet. Das Mojo Teileinzugsgebiet im Upper Awash Einzugsgebiet und das Finch und Gudar Teileinzugsgebiet im Blue Nile Einzugsgebiet wurden zur Modellevaluation ausgesucht. Die Leistungsfähigkeit des Modells zeigt im Vergleich mit dem SWAT2005-Modell zufriedenstellende Ergebnisse. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass in dieser Forschungsarbeit eine alternative Gleichung zur Abschätzung der Bodenerodierbarkeit und ein alternatives empirisches Modell für die Abschätzung des Sedimentaustrags erfolgreich aufgestellt werden. Diese alternativen Gleichungen stellen hilfreiche Werkzeuge zur Vorhersage des Sedimentaustrags für Einzugsgebiete mit geringer Datengrundlage dar. Weiterhin kann die Bodenverlustkarte die den spezifischen Grad der Bodenverlustrate im Upper Awash Einzugsgebiet sowie den Gudar und Fincha Teileinzugsgebieten aufzeigt für eine sinnvolle Festlegung von Verbesserungsmaßnahmen dienen. Solche Bodenverlustkarten dienen als Entscheidungshilfe, in welchen Teilen der erosionsgefährdeten Gebiete Boden- und Wasserschutzmaßnahmen zuerst angewendet werden soll.
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