Runoff generation in Mediterranean areas [Elektronische Ressource] / by Astrid Steinmann

De
Runoff generation in Mediterranean areas Dissertation for the Degree of Natural Sciences Submitted to the Faculty of Forest and Environmental Sciences Albert-Ludwigs-Universität Freiburg / Breisgau, Germany in February 2010 by Astrid Steinmann Reviewers Prof. Dr. Christian Leibundgut Prof. Dr. Ernst E. Hildebrand Prof. Dr. Markus Weiler Disputation: 24.06.2010 NIEMALS AUFGEBEN Unsere größte Schwäche ist das Aufgeben. Der sicherste Weg zum Erfolg besteht darin, immer einen neuen Versuch zu wagen. Thomas Edison DANKSAGUNG Danksagung Diese Arbeit ist im Rahmen des trilateralen Projektes URBANISATION IN DRY KARST AREAS entstanden und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Für die Förderung sei der DFG gedankt. Danken möchte ich meinem Doktorvater Prof. Dr. Christian Leibundgut speziell für die Chance, die er mir gab, diese Arbeit durchzuführen, aber auch für die gute Betreuung und die Geduld sowie das Vertrauen in mich, diese Arbeit fertig zu stellen. Dr. Jens Lange möchte ich meinen ganz besonderen Dank aussprechen für seine gute Betreuung. Dazu gehörten neben der Bereitstellung der umfangreichen wissenschaftlichen Literatur vor allem auch seine wertvollen Ideen bei der Anfertigung der schriftlichen Arbeit.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Runoff generation in Mediterranean areas

Dissertation for the Degree of Natural
Sciences

Submitted to the Faculty of
Forest and Environmental Sciences
Albert-Ludwigs-Universität
Freiburg / Breisgau, Germany
in February 2010
by

Astrid Steinmann


Reviewers
Prof. Dr. Christian Leibundgut
Prof. Dr. Ernst E. Hildebrand
Prof. Dr. Markus Weiler








Disputation: 24.06.2010






NIEMALS AUFGEBEN

Unsere größte Schwäche ist das Aufgeben.
Der sicherste Weg zum Erfolg besteht darin,
immer einen neuen Versuch zu wagen.

Thomas Edison DANKSAGUNG
Danksagung

Diese Arbeit ist im Rahmen des trilateralen Projektes URBANISATION IN DRY
KARST AREAS entstanden und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG) finanziert. Für die Förderung sei der DFG gedankt.

Danken möchte ich meinem Doktorvater Prof. Dr. Christian Leibundgut speziell für
die Chance, die er mir gab, diese Arbeit durchzuführen, aber auch für die gute
Betreuung und die Geduld sowie das Vertrauen in mich, diese Arbeit fertig zu stellen.
Dr. Jens Lange möchte ich meinen ganz besonderen Dank aussprechen für seine
gute Betreuung. Dazu gehörten neben der Bereitstellung der umfangreichen
wissenschaftlichen Literatur vor allem auch seine wertvollen Ideen bei der
Anfertigung der schriftlichen Arbeit. Er hatte immer ein offenes Ohr für die
Besprechung neu auftauchender Schwierigkeiten und nahm sich Zeit für
wissenschaftliche Diskussionen, die mir halfen, diese Hürden zu überwinden. Auch
Dr. Christoph Külls möchte ich danken für seine guten Ideen, fachlichen
Diskussionen und für die Hilfestellung bei der Lösung fachlicher Probleme. Herr
Jürgen Strub, Herr Volker Abraham und mein Zimmergenosse Herr Alexander Fritz
waren mir eine große Hilfe bei computertechnischen Fragestellungen. Herr Jürgen
Strub hat sich zudem Zeit genommen, mir insgesamt fünfhundert Dias einzuscannen.
Für diese zeitaufwendige Arbeit möchte ich ihm meinen ganz besonderen Dank
aussprechen. Herrn Harry Unrein und Frau Petra Küfner möchte ich danken für die
Hilfe im Rahmen der chemischen und tracerhydrologischen Untersuchungen im
Labor des hydrologischen Institutes, und bei Herrn Emil Blattmann möchte ich mich
bedanken für die kompetente Unterstützung im Kampf mit der Technik. Die
Instrumenten-Testphase am Schönberg war eine wichtige, aber auch lustige Zeit, die
mir immer in sehr guter Erinnerung bleiben wird.

Mein besonderer Dank gilt zudem Frau Christina Hauger für die herzliche Aufnahme
in ihrem Hause und die aus dieser Zeit entstandene sehr gute Freundschaft. Sie
stand immer an meiner Seite und brachte mit ihrer positiven Ausstrahlung
Sonnenstrahlen in manch graue Stunden.

Herrn Prof. Dr. Hildebrandt und Herrn Dr. Schack-Kirchner sowie dem Institut für
Bodenkunde der Universität Freiburg möchte ich für die Unterstützung bei der
Geländearbeit sowie für die Bereitstellung der Forschungslabore meinen besonderen
Dank aussprechen. DANKSAGUNG

Hier gilt mein Dank vor allem auch Frau Christina Petschke, die trotz ihrer knapp
bemessenen Zeit verschiedene Laborarbeiten für mich durchführte und mir stets mit
Rat und Tat bei den eigenständig durchgeführten Laborarbeiten zur Seite stand. Die
Untersuchungen waren von unschätzbarem Wert für mich.

Ohne die Hilfe der Mitarbeiter des Instituts für Bodenkunde wäre mir eine
Untersuchung der Bodenzusammensetzung und der bodenphysikalischen
Eigenschaften der gesammelten Proben nicht möglich gewesen. Ganz herzlichen
Dank dafür.

Zudem möchte ich Herrn Burghard Unterstell und Herrn Thomas Reimann für die
Möglichkeit danken, meine Bodenproben im Labor der DB-International zu
untersuchen. Dem Laborteam der DB-International danke ich für die Unterstützung
während der Arbeit in ihrem Forschungslabor.

Bedanken möchte ich mich bei Prof. Dr. Yair von der Universität Jerusalem für die
fachlichen Diskussionen und die sofortige, kostenlose Bereitstellung seiner
zahlreichen Veröffentlichungen. Mein ganz spezieller Dank gilt zudem den beiden
außergewöhnlichen Menschen Dr. Tamir Grodek und Dr. Judith Lekach von der
Universität Jerusalem für die herzliche Aufnahme in ihrem Team, die tolle Betreuung
und die Hilfe bei der Geländearbeit vor Ort, die wissenschaftlichen Diskussionen und
die zahlreichen Anregungen und Tipps bezüglich meiner wissenschaftlichen
Forschungsarbeit. Beide haben mir bei den immer wieder auftauchenden
technischen Problemen und den inhaltlichen Fragestellungen zu jeder Zeit mit Rat
und Tat zur Seite gestanden. Es war mir eine Ehre, mit ihnen zu arbeiten.

Dem restlichen Team des Department of Geography, Faculty of Social Sciences;
möchte ich meinen Dank aussprechen für die Unterstützung bei den
arbeitsintensiven Untersuchungen im universitätseigenen Labor und für die
helfenden Hände während der Geländearbeit. Dem Team der Wetterstation Rehovot
danke ich sehr für die unproblematische Bereitstellung der aufgezeichneten Daten,
ohne die eine Berechnung der potentiellen Evaporation nicht möglich gewesen wäre.

Dem Geologen Dr. Clemens Messerschmidt, Berater der Palestinian Water Authority
in Ramallah, möchte ich danken für die geologischen Tipps, die interdisziplinären
Diskussionen und die Bereitstellung der Fachliteratur bezüglich der Geologie und
Morphologie des Einzugsgebietes. DANKSAGUNG

Meiner israelischen Freundin Limor Yakov möchte ich meinen besonderen Dank
aussprechen für die herzliche Aufnahme in ihrer Familie, für die hervorragenden
Kochkünste, mit denen sie mich verwöhnte und für die tolle Zeit in Israel.
An dieser Stelle möchte ich zudem Miri und Dr. Tamir Grodek für die herzliche
Aufnahme in ihrem Hause und für die gemeinsamen Ausflüge danken. Es war eine
schöne und aufregende Zeit, die ich bestimmt nicht vergessen werde. Durch sie habe
ich Land und Leute kennen und lieben gelernt.

Mein besonderer Dank gilt zudem Herrn Charles Warcup für die hervorragende
Korrektur meiner Arbeit, die wertvollen Anregungen und das Verständnis für meine
finanzielle Situation. Danke auch für die Geduld, wenn das nächste Kapitel aus
Zeitgründen mal wieder auf sich warten ließ.

Meiner langjährigen Freundin Cornelia Korpel danke ich für ihre hilfreiche
Unterstützung bei der Formatierung der Arbeit. Die Tipps waren unschlagbar. Ganz
besonders bedanken möchte ich mich auch für die Zeit, die sie sich genommen hat,
um die Korrektur der Arbeit durchzuführen.

Nicht zuletzt möchte ich meinem Mann Udo Steinmann und meinen Eltern Werner
und Christel Steinmann dafür danken, dass sie immer an die Fertigstellung der Arbeit
geglaubt haben. Sie gaben mir Mut und Kraft, wenn ich an mir zweifelte,
unterstützten mich bei finanziellen Engpässen, ertrugen mit Geduld meine Launen
während stressiger Arbeitsphasen und hatten jederzeit Verständnis, wenn die Zeit
mal wieder knapp war.

Meiner Schwester Regina Steinmann, meinem Schwager Stefan Mross, meinen drei
Neffen Jan Christoph Steinmann, Simon Steinmann und Maximillian Steinmann,
meinem Onkel Prof. Dr. Horst Steinmann und seiner Frau Susanne von Goessel-
Steinmann, meiner Freundin Cornelia Korpel, meinen Freunden Thomas und Uta
Reimann, meiner Freundin Dorothea Röhl und allen meinen weiteren Freunden
möchte ich zudem für die Anteilnahme, den Zuspruch und für das Verständnis
danken, wenn wieder einmal keine Zeit da war.


Thank you
Danke
תודה CONTENT

Abstract I
Zusammenfassung III
List of Figures V
List of Photos IX
List of Tables X

1. Introduction 1
1.1 Objectives 1
1.2 Integration of the study in the DFG project 2
1.3 Aim of the study and methodology 2

2. Catchment characteristics 5
2.1 Location 5
2.2 Climate 6
2.3 Geology and geomorphology 8
2.3.1 Western mountain belt 8
2.3.2 Catchment area 9
2.4 Soil development and soil properties 11
2.5 Vegetation and land use 13
2.6 Hydrology 16

3. Data Collection 17
3.1 Measuring Concept 17
3.1.1 Measurement of climate and precipitation 18
3.1.2 Spatiotemporal soil moisture measurements 19
3.1.3 Slope runoff measurements 20
3.1.4 Calibration of the diverse instruments 21
3.2 Sampling procedure 25
3.2.1 Disturbed and undisturbed soil sampling 25
3.2.2 Water sampling 27
3.3 Determination of the infiltration rate 28



CONTENT

3.4 Tracer hydrological test 29
3.4.1 General aim and principle of the tracertest 29
3.4.2 Materials and test preparation 30
3.4.3 Implementation and sampling 31
3.5 Laboratory work 33
3.5.1 Tracer samples 33
3.5.2 Water chemistry 34
3.5.3 Determination of the grain size distribution 35
3.5.4 Hydraulic conductivity 37
3.5.5 Water retention characteristics 40

4. Analysis of the hydrological processes 43
4.1 Climate characteristics during the measuring period 43
4.1.1 Temperature and relative humidity 43
4.1.2 Precipitation 45
4.1.3 Evaporation 47
4.2 Soil physical characteristics 50
4.3 Soil water dynamics on both slopes 57
4.4 Infiltration and velocity of the wetting front 65
4.4.1 Results of the infiltration test 65
4.4.2 Velocity of the wetting front 67
4.5 Runoff dynamics 69
4.6 Slope-channel connection 72
4.7 Water chemistry 78
4.8 Analysis of the hydrological processes-assessment of the results 81
4.9 Conclusion of the hydrological processes 84

5. Water balance calculation 89
5.1 General aspects 89
5.2 Existing values and data sets 90




CONTENT

5.3 Simple model 91
5.3.1 Description of the SIMPLE model 91
5.3.2 Modification of the el 93
5.3.3 Results 100
5.3.4 Sensitivity analyses 106
5.3.5 Discussion of uncertainties in the modelling process 110
5.4 Model stone 113
5.4.1 Model operation 114
5.4.2 Analysis of the hydrological processes – model prediction 116
5.4.3 Sensitivity analysis 118
5.5 Water balance calculation for the rocky slope runoff catchment 120
5.5.1 Model operation 120
5.5.2 Results 121
5.6 Conclusion 123

6. Final Discussion and Conclusion 127
6.1 Hydrological slope processes on less covered slopes 127
6.2 Impact of the vegetation cover on the hydrological slope processes 129
6.3 Water balance calculation 130
6.4 Future prospects 134


References 135



IABSTRACT
Abstract
The objective of this study was to analyse the hydrological processes in a natural
plain of the Modi’in area of the Ayalon catchment. The study formed part of the
trilateral DFG project which investigated the impact of urbanisation on integrated
drainage basin hydrology and water resources in the West Bank and Israel. The
2investigation of the hydrological processes was carried out in a small (1.1km ),
representative and less anthropogenically affected wadi near the city of Modi’in which
is situated on the rising western flanks of the Judean (West Bank) mountains. To
investigate the impact of vegetation on hydrological processes, two slope types
typical of this area were selected: a less vegetated rocky slope and a terraced slope
with dense and abundant vegetation. Climate data, data on soil water dynamics in
different locations and runoff data were gathered automatically with the aid of data
loggers using a high temporal resolution. A tracer test was carried out to investigate
possible slope-channel connections. In addition, physical soil properties and
saturated hydraulic conductivities for different soil profiles on both slopes were
investigated. For the less vegetated rocky slope a water balance was calculated
using the models SIMPLE and STONE.

The results of the measurements showed that infiltration processes in deeper layers
started earlier in covered than in uncovered soils. The high evaporation rate of the
unprotected soil, a compact upper soil layer or a surface crust may decelerate the
successive saturation of the latter. During the winter season, widespread hydro-
dynamic processes in the soil could be observed on both slopes. Especially in
terraces and slope flowlines the soil water dynamics were characterised by a quick
infiltration to the soil moisture maximum and a sharp, subsequently concave
decrease after the rain events. Modelling results indicated that most of the
precipitation infiltrated in these patches, whereby half of the water evaporated again
into the atmosphere. Where surface runoff occurred it mostly re-infiltrated further
down the slope. Only 4% of the total precipitation was registered as runoff on the
rocky slope during the whole winter season. The runoff coefficient was often low
which indicated that in most cases the runoff was produced locally on the lower slope
section. In two cases, the tracer test showed that a clear connection between the
slope and the channel existed. During these events only, the runoff coefficients
ranged above 9% and the water content also reached maximum values in the clay
dominated soil locations which were normally characterised by less pronounced soil
water dynamics. This indicates a whole slope response and suggests that not only
soil saturation is an important precondition for the creation of runoff, but also that the
patches in which clay soil dominate gave rise to proportionately more runoff. In
contrast, no runoff was observed or confirmed by the tracer test on the densely
vegetated slope.

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