Titelaufnahme

Titel
Determination of discharge information for arid areas with ephemeral flow with the help of remote sensing techniques / Michael Mett
VerfasserMett, Michael
Begutachter / BegutachterinMalkawi, Abdallah I. Husein
Betreuer / BetreuerinAufleger, Markus
Erschienen2015
UmfangV, 257 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher und arabischer Sprache
Datum der AbgabeSeptember 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Hydrologie / Aride Gebiete / Abflussvolumen / Strukturänderungen / Braided river / Fraktale Analyse / Verblassungs Kompensierungsfaktor / Effektive Fließbreite / Wadi / Flash flood / Fernerkundung / Multi Sensor Approach / FMAI
Schlagwörter (EN)Hydrology / Arid areas / Structural changes / Braided river / Fractal analysis / Desaturation compensation factor / Effective river width / Discharge volumes / Wadi / Flash flood / Remote sensing / Multi Sensor Approach / FMAI
Schlagwörter (GND)Trockengebiet / Wadi / Abflussregime
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Zusammenfassung (Deutsch)

In ariden Gebieten sind Abflussdaten in der Regel nur eingeschränkt verfügbar. Dies liegt zum einen am fehlenden Abflusspegelnetz, zum anderen auch an den äußerst variablen Flusssystemen, die nur schwer zu überwachen sind. Im Kontext des Bevölkerungswachstums und der weltweiten Abnahme der Wasserressourcen ist die Nachfrage nach solchen Abflussdaten jedoch enorm.

Verzweigte Flüsse, sogenannte „braided rivers“, sind die am häufigsten anzutreffenden Flusstypen in ariden Gebieten. Sie sind durch hochdynamische Abfluss- und Sedimentationsprozesse gekennzeichnet. Abflussereignisse mit hohen Spitzenabflüssen und kurzen Abflussdauern verändern maßgeblich die Flussmorphologie der verzweigten Flüsse.

Mit Hilfe von optischen Satellitendaten können diese Strukturänderungen erkannt und beurteilt werden. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden zwölf Wadis, d.h. Flüsse mit temporärem Abfluss, in Jordanien und dem Sultanat von Oman untersucht. Die Wadis wurden hinsichtlich Strukturänderungen analysiert, die durch kurzlebige Abflussereignisse verursacht wurden.

Die Analyse der Flussstrukturen wurde anhand multitemporaler Satellitenbilder von unterschiedlichen Sensoren über einen Zeitraum von zwanzig Jahren durchgeführt. Mit Hilfe von GIS Analysen und digitaler Bildbearbeitung wurden die verzweigten Flussmuster hinsichtlich mehrerer Strukturparameter untersucht. Es wurden die auf einen Abschnitt des Wadis bezogenen Sinuositäten, die Anzahl von Inseln und Kanälen, sowie die effektiven Fließbreiten der verzweigten Wadikanäle ermittelt. Anschließend wurde eine Korrelation zwischen Strukturparametern und Abflussdaten erstellt, welche im Forschungsgebiet erhoben wurden. Hydraulische Daten, die während umfangreicher Feldarbeiten erhoben wurden, unterstützen die späteren hydraulischen Berechnungen.

Es wird beobachtet, dass mit steigendem Abfluss die Werte der Gesamtsinuosität des Kanalnetzes, die Anzahl der Inseln und Kanäle, sowie die effektive Fließbreite zunehmen. Im Gegensatz dazu sinkt die Sinuosität des Wadihauptkanals. Potenzfunktionen und lineare Funktionen verdeutlichen am besten den Zusammenhang zwischen morphologischen Änderungen und den dazugehörigen Abflüssen. Generell liegen die Bestimmtheitsmaße der Funktionen zwischen 0,7 und 0,98. Die besten Korrelationen werden von der effektiven Fließbreite und der Anzahl der Inseln erreicht.

Beide Parameter werden zur Entwicklung von Abflussformeln verwendet, die es ermöglichen, Abflussvolumina für Wadis in ariden Gebieten abzuschätzen. Drei Typen von Formeln werden unterschieden, basierend auf dem Gefälle der Wadis und weiterer morphologischer Faktoren. Weiterhin wird der “Fluvio-Morphologische-Aktivitäts-Index FMAI” entwickelt, der die standorttypischen Intensitäten der Strukturänderungen beinhaltet, um eine allgemeinere Berechnung der Abflussvolumen zu ermöglichen. Die entwickelten Methoden werden mit Hilfe von historischen Abflussdaten und Satellitenbilder von Wadis in Israel und Namibia verifiziert.

Die erstellten Methoden ermöglichen es, Abflussmengen von diskreten Abflussereignissen aus der Vergangenheit mit einer gewissen Genauigkeit abzuschätzen. Wenn die kumulierten Abflussvolumen der Wadis über einen Zeitraum von mehreren Jahren untersucht werden, so ermöglichen die Ansätze eine deutlich verbesserte Abschätzung der zur Verfügung stehenden Wasserressourcen für das entsprechende Gebiet.

Die Ansätze erweisen sich auch lange nach den dafür verantwortlichen Abflussereignissen, als ein vielversprechendes Hilfsmittel für die Abschätzung der Abflussvolumina in ariden Gebieten. Wegen der großen räumlichen Abdeckung von Satellitendaten können auch entlegene Gebiete auf eine schnelle und wirtschaftliche Weise hinsichtlich potentieller Wasserressourcen überwacht werden. Die Ex-post-Bewertung von Strukturänderungen wird eine realistische Option, um wertvolle Wasserressourcen in ariden Gebieten zu erschließen.

Zusammenfassung (Englisch)

In arid areas, typically the availability of discharge data is limited due to a lack of gauging stations and highly variable river systems, which are difficult to observe. However in the context of decreasing water resources and population growth the demand for such data is enormous. Braided wadi streams, which are characterised by highly dynamic runoff and sedimentation processes, are the most typical river types in arid areas. Ephemeral discharge events with high peak flows and short durations significantly alter the braiding patterns of the wadis.

By optical space born sensor data, these fluvio-morphologic changes can be observed and judged. Within the scope of the work, twelve wadis in Jordan and the Sultanate of Oman are being investigated regarding morphologic changes which were caused by flash floods.

Change detection is performed with multitemporal satellite pictures from different sensors for a timespan of two decades. From the image subsets braiding indexes like absolute sinuosity, sinuosity of the main channel, channel count, island count and effective flow width are determined by GIS analysis and digital image processing. The monitored structural changes are related with discharge measurements which were raised in the test sides. The analysis is supported by hydraulic data from extensive field work.

It is observed that the values of absolute sinuosity, channel count, island count and effective flow width are proportional to the magnitude of the discharge. In contrast, the sinuosity of the main channel decreases. Power functions and linear functions are most suitable to explain the relationship between the observed pattern changes and the discharge. Mostly they exhibit coefficients of determination between 0.7 and 0.98. The most sensitive results are displayed by the development of the effective flow width and the island count index.

Both parameters are used to develop discharge formulas, which enable the estimation of flow volumes for arid areas with ephemeral flow. Three types of formulas are distinguished, based on the slope and the braiding behaviour of the wadi system. Furthermore the “Fluvio Morphological Activity Index FMAI” considers the site-related intensity of pattern changes for a more general calculation of flood volumes. The methods are verified with the help of historical discharge data and satellite imagery from wadis in Israel and Namibia.

The developed approaches enable to re-calculate discharge amounts of discrete flood events from the past within certain accuracy. If considering the accumulated discharge volume for a wadi over a period of several years, the methodology allows significantly improved estimations of the total available water resources.

The approaches turned out to be a promising tool for estimating discharge volumes in arid areas even long after the related floods. Because of the large spatial coverage of satellite data, also remote areas can be monitored in a fast and economic way regarding potential water resources. The ex post assessment of important flood data becomes a realistic option to make accessible these valuable resources.