GIS-based identification of suitable areas for various kinds of water harvesting in Syria [online]
Creators: name: Oberle, Annette
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2004

description: Abstract

Main obstacle to development in the dry areas in Central Syria
is the scarce and erratic rainfall. Water resources therefore
run short in meeting the demand. Water harvesting has shown to
be an appropriate means to garantee the sustainability of water
resources designed for use in agricultural production and
drinking water supply. Scope of the study is the determination
of appropriate sites and techniques for water harvesting in
Central Syria.
Different parameters, such as rainfall, topography, land use and
cover, soil and vegetation cover are important to runoff
generation in semi-arid areas. Rainfall characteristics were
evaluated by modern interpolation techniques such as kriging
according to daily records of stations within the research area.
Vegetation cover within the rangeland of Central Syria is highly
depleted due to overexploitation by grazing.
Infrastructure and accessibility of the research area is low.
Remote sensing is therefore an appropriate tool to determine
land cover and land use for vast areas. Landsat TM 5 data
were analyzed using scenes of four dates, two recorded within
the rainy season and two during the dry period. The research was
focussed on an area of about 19,200 km². Land use and cover were
classified by analysis of the satellite data according to the
concept of Maximum Likelihood Classifier using ERDASImagine.
Soil moisture could be partly analyzed by Tasseled CAP
transformation. A Digital Terrain Model was created according
to the interpolation of digitized contour lines of maps of the
scale 1:100 000. All the different data sets including soil data
are analyzed within the geographical information system using
ArcView GIS.
The runoff potential was analyzed by two methods: the US Soil
Conservation Service (SCS) method and the indexing method. Since
the indexing method allows to consider all the determinants this
method has advantages compared to the SCS method.
The process to decide finally on suitable sites for a water
harvesting technique involves the assessment of alternatives.
The Analytical Hierarchical Process (AHP) is a decision support
system which allows to rank and weight different alternatives.
Different parameters influencing the choice of water harvesting
systems include the runoff potential, slope, the proximity to
roads, soilscape units, proximity to military, industrial sites
and badland areas and the neighborhood to settlement areas. The
weighing and ranking of these alternatives allowed to present
two different maps showing the suitability to floodwater
harvesting or micro- / macrocatchment systems. According to
these results most part of the research site is more suitable to
micro- / macrocatchment systems. The maps are basis to further
planning and design for water harvesting structures in the
research area.

Zusammenfassung

Die rasch wachsende Bevölkerung Syriens ist auf eine
ausreichende Lebensmittelversorgung und Trinkwasserversorgung
angewiesen. Der zentrale Bereich von Syrien, der die Trockenzone
zwischen 100 bis 200 mm umfasst, wird vorwiegend zur
Weidewirtschaft genutzt. Die schnell ansteigende Zahl von
Weidetieren hat in den letzten Jahren zu einer starken
Degradierung der Steppenvegetation geführt. Diese wird verstärkt
durch die natürlichen Voraussetzungen. In diesem typisch
semi-ariden Gebiet ist der Niederschlag nur sporadisch und
begrenzt auf eine über die Wintermonate andauernde Regenzeit
zwischen November und April. Die meisten Regenfälle zeichnen
sich durch kurze intensive Schauer aus, wobei der Abfluss meist
unkontrolliert versickert. Zur Nutzung dieser Resource des
Abflusses bietet sich die Anwendung von Sturzwasserbewässerungs-
bzw. Wasserkonzentrationstechniken (Water harvesting) an.
Die jahrtausendalte Ablenkdammbewässerung bei Marib (Jemen)
zeigt, dass diese Techniken schon früher von den Sabatäern
erfolgreich angewendet wurden. Die Arbeit konzentriert sich im
wesentlichen auf zwei Beispiele von Wasserkonzentrationstechniken:
Micro- / Macrocatchment- und Flutwasserkonzentrationsanlagen.
Beispiele für Microcatchment-Systeme sind Halbmonde und
halbkreisförmige Mulden, die das Wasser für die Pflanzen
auffangen. Beispiele für Macrocatchment-Systeme sind Steindämme
entlang der Abflussrichtung am Hang, die das Wasser auf Felder
am Hangfuß leiten. Flutwasserkonzentrationstechniken umfassen
beispielsweise Ablenkdämme im Bereich von Trockentälern (Wadis),
die das Wasser auf angrenzende Felder leiten.
Da es sich bei dem Untersuchungsgebiet um einen großen, zum Teil
nur schlecht erschlossenen Bereich der Provinz Homs und Tadmor
handelt, wurden ausgiebige Feldbegehungen zur Bewertung des
Anwendungspotentials von Wasserkonzentrationstechniken
ausgeschlossen. Moderne Techniken, die Datenerhebungen und
analyse für schwer zugängliche Gebiete ermöglichen, sind
Fernerkundungsmethoden und die Anwendung von Geografischen
Informationssystemen (GIS). Satellitenbilder des Landsat TM 5
waren zu Beginn des Projektes Mitte der 90er Jahre gängige und
viel verwendete Arbeitsmittel in der Fernerkundung. Für das
Untersuchungsgebiet wurden Landsat TM 5 Szenen aus vier
Zeitpunkten ausgewählt, zwei aus der Trockenperiode (Oktober
1993 und Juli 1994) und zwei aus der Regenzeit (April 1994 und
April 1995).
Für das Abflussgeschehen in semiariden Gebieten spielen
verschiedene Faktoren eine Rolle. Der Oberflächenabfluss erfolgt
hier zumeist nach dem Hortonschen Prinzip: Die stark intensiven
Regenfälle führen bald zu Oberflächenabfluss, da die
Infiltrationskapazität der häufig mit einer Kruste bedeckten
Böden nicht ausreicht, die in kurzer Zeit dargebotene
Wassermenge aufzunehmen. Zu den Parametern, die den Abfluss in
semi-ariden Gebieten bestimmen, gehören klimatische Faktoren wie
z. B. Regenmenge und Regenfallintensität, topographische
Faktoren wie Hangneigung, Landnutzung und Charakteristika der
Böden wie Bodenfeuchte und Bodentextur.
Die meteorologischen Daten, die Regenfall und Temperaturdaten
von mehreren Stationen im Untersuchungsgebiet betrafen, wurden
ausgewertet und mithilfe von Interpolationstechniken wie
Kriging-Verfahren regionalisiert. Jährliche Niederschlagssummen
geben nur wenig Auskunft über das tatsächliche Wasserangebot in
semi-ariden Gebieten, da Menge, Zeitdauer und Intensität eines
Niederschlagsereignisses ausschlaggebend für das
Abflussgeschehen sind. Es wurden tägliche Niederschlagswerte
ausgewertet, wobei Niederschläge über 2 mm und über 5 mm täglich
explizit betrachtet wurden, da diese nach Literaturangaben zu
nennenswerten Abflussereignissen in semiariden Gebieten führen.
Die Niederschläge wurden zudem über Extremwertverfahren
analysiert, wobei 2-, 5- und 10-Jährlichkeiten von
Extremniederschlägen ermittelt wurden.
Informationen zur Temperatur ermöglichten die Ermittlung der
potentiellen Verdunstung nach drei verschiedenen Verfahren,
Penman-Monteith, Thornthwaite und Blaney-Criddle.
Sie liegt im Bereich zwischen 1600 bis 2000 mm pro Jahr im
Untersuchungsgebiet.
Die Topographie, die eine starke Rolle beim Abflussgeschehen und
der Auswahl von Wasserkonzentrationstechniken spielt, wurde über
ein regelmässig gerastertes digitales Geländemodell in einer
Auflösung von 100 m erfasst, das aus der Interpolation von
Höhenkonturlinien aus Karten im Maßstab 1 : 100 000 erstellt
wurde. Die Verteilung der Hangneigungsklassen zeigt, dass es
sich um ein relativ flaches Gelände handelt mit der dominanten
Hangneigungsklasse von 0 bis 1%. Zudem wurden anhand des
digitalen Geländemodells die bevorzugten Abflusswege und deren
Länge ermittelt.
Bei den Böden im Untersuchungsgebiet handelt es sich vorwiegend
um Aridisols (USDA Klassifizierung), die zum Teil stark zur
Verkrustung neigen. Es wurde die Textur einiger typischer Böden
und der Aggregatzustand des Oberbodens untersucht, die wichtige
Parameter bezüglich der Infiltrationskapazität von Böden
darstellen. Die Böden wurden aufgrund ihrer Eigenschaften, die
Lithologie, Geologie, Landschaftsform, Hangneigung, Bodentiefe
und Steinigkeit umfassen, in Bodeneinheiten unterteilt.
Vegetation und Landnutzung wurden über die Auswertung der
Satellitenbilder erfasst.
Das Gebiet zählt zu über 50% zur Steppe, welche zur
Weidewirtschaft von Schafen genutzt wird. Nur 2% des Landes im
Bereich des Untersuchungsgebietes wird nach der offiziellen
Statitistik für bewässerte Landwirtschaft genutzt. Die Grenze
zum Regenfeldbau verläuft am nordwestlichen Rand des
Untersuchungsgebietes entlang der Isohyete von mehr als 250 mm
jährlichem Regenfalls. Die stark ansteigende Zahl von Schafen
hat in den letzten Jahren zu einer starken Degradierung der
Steppenvegetation geführt. Der Degeneration der
Steppenvegetation wird z.T. durch Pflanzungen bzw. gezieltem
Aussäen von Futterpflanzen begegnet. Die Auswertung der
Satellitenbilder wurde auch zur Beschreibung der Vegetation
benutzt. Hierbei wurden verschiedene Indices betrachtet, der
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) und der PVI
(Perpendicular Vegetation Index) -Ansatz. Der PVI-Ansatz
beinhaltet, dass die Grauwerte des unbedeckten Bodens im
Satellitenbild innerhalb des infraroten und roten
Spektralbereichs eine lokalspezifische Linie bildet, die als
sogenannte Bodenkennlinie bezeichnet wird. Diese wurde für die
zwei Satellitenszenen aus April 1994 und April 1995 ermittelt.
Es zeigte sich im Gegensatz zum NDVI-Ansatz, dass sich nur die
mit dichter Vegetation bedeckten Bereiche in den
Trockentälern (Wadis) bei der PVI-Analyse besser unterscheiden
ließen. Somit wurden keine weiterführenden Kenntnisse über den
Status der Vegetation über die rein visuelle Auswertung der
Satellitenbilder hinaus gewonnen, so dass diese Auswertung nicht
in die weiteren Betrachtungen miteinbezogen wurde.
Um die Bodenfeuchte zu erfassen, wurde der Tasseled Cap Ansatz
verwendet. Dieser basiert auf einer Hauptkomponentenanalyse,
wobei die digitalen Werte der einzelnen Spektralbänder des
Satellitenbildes über eine festgelegte Matrix multipliziert
werden. Die erste Hauptkomponente stellt die Bodenhelligkeit
dar, die Achse diagonal zur Bodenlinie den Vegetationsindex und
die dritte Komponente zeigt den Feuchtegrad. Es zeigte sich,
dass die Szenen aus der Regenperiode (April 1994 und April 1995)
deutlich höhere Feuchtegrade zeigen.
Die Landnutzungsklassen wurden über die Klassifizierung der
Satellitenbilder ermittelt. Hierbei wurden während verschiedener
Geländebegehungen Trainingsgebiete der unterschiedlichen
Landbedeckungs- bzw. Landnutzungsklassen erfasst. Diese gingen
ein in die Maximum-Likelihood-Analyse, die eine gängige
Klassifizierungsmethode von Satellitenbildern bildet. Es wurden
dreizehn Landnutzungsklassen unterschieden, wobei z.B. Klassen
wie dichte Vegetation innerhalb der Trockentäler oder
vegetationsfreie Böden unterschieden wurden.
Die meisten Unterschiede der untersuchten Szene von April 1994
und 1995 zeigte die Klasse der dichten Vegetation innerhalb der
Wadis. Schwierigkeiten der Klassifikation bildeten vor allem die
Unterscheidung von Strassen oder Besiedlungen, da diese meist
bedeckt sind von dem Staub aus der Umgebung. Auch gab es häufig
Überlappungen der Klassen dichter Vegetation innerhalb der
Trockentäler und bewässerter Getreidefelder.
Die verschiedenen Daten wurden alle geometrisch kodiert und
innerhalb des Geographischen Informationssystem (GIS)
ausgewertet. Auch die Satellitenbilder wurden über Passpunkte,
die im Gelände und auf dem Satellitenbild bestimmt wurden, in
ein kartographische Koordinatennetz überführt, wobei das
Universal Mercator System (UTM) gewählt wurde. Die Passpunkte im
Gelände wurden über das GPS (Global Positioning System) bestimmt.
Die Analyse des Abflusspotentials wurde über zwei Ansätze
ausgeführt: die US Soil Conservation Methode, kurz SCS Methode
genannt, und die Indizierungsmethode. Bei der SCS Methode
flossen die Klassifizierung der Landnutzungsdaten aus der
Satellitenbildauswertung und die Einteilung der Bodeneinheiten
in hydrologische Bodenklassen ein. Der Regenfall wurde über die
Zwei-Jährlichkeiten-Verteilung von Extremereignissen im
Untersuchungsgebiet erfasst.
Bei der Indizierungsmethode wurden verschiedenen Datenebenen
Gewichtungen zugeteilt und ausgewertet. Die Datenebenen
umfassten die Hangneigung, Bodentextur, Pflanzendecke,
Steinigkeit der Bodenoberfläche, den Feuchteindex aus der
Tasseled-Cap-Analyse und die Länge der Abflusswege. Der Einfluss
der Pflanzendecke oder die Menge der Steine an der
Bodenoberfläche in den einzelnen Landnutzungsklassen auf das
Abflussgeschehen wurde anhand von Geländebegehungen und
Erfahrungswerten aus der Literatur abgeschätzt. Es wurden zwei
Szenarios berechnet, Szenario A die Länge der Abflusswege
ausschließend, und Szenario B, jene einschließend. Es zeigte
sich, dass die Indizierungsmethode das Abflusspotential
schlüssiger im Gegensatz zur SCS Methode berechnet. Die SCS
Methode gibt auch hinsichtlich der Menge des zu erwartenden
Abflusses Aufschluss, allerdings muss hierbei beachtet werden,
dass die Vorhersage von Niederschlagsereignissen in semi-ariden
Gebieten mit vielen Schwierigkeiten behaftet ist.
Um letztendlich die Eignung des Gebietes für verschiedene
Wasserkonzentrationstechniken zu ermitteln, wurde ein Modell der
Entscheidungsfindung (Decision process) angewendet. Hierbei
handelt es sich um den Analytischen Hierarchischen Prozess
(Analytical Hierarchical Process: AHP), der eine Gewichtung
hinsichtlich der Präferenz von Alternativen der einzelnen
Kriterien, die in der Entscheidungsfindung wichtig sind,
erlaubt. Der AHP wird innerhalb von fünf elementaren Schritten
unternommen: Eine klare Unterscheidung der Ziele muss getroffen
werden. Die Faktoren, die die Entscheidung beieinflussen, müssen
in einer Entscheidungshierarchie strukturiert werden. Die
Gewichtung jedes Faktors muss anhand der Eigenvektorberechnung
bestimmt werden. Letztendlich werden die einzelnen Fakoren
zusammmengefasst in ihrer Rangfolge, und ein Eignungsindex wird
eingeführt. Die Modelle zur Bestimmmung der Eignung des Gebietes
für Micro- / Macrocatchment-Systeme oder
Flutwasserkonzentrationstechniken umfassen 3 bis 4 verschiedene
Ebenen:
das Ziel, die Kriterien, Subkriterien und die Alternativen der
Kriterien. Die Kriterien umfassen potentieller Abfluss,
Hangneigung, Bodenklassen, Nähe zu Straßen, Nähe zu Siedlungen
und Nähe zu industriellen, militärischen Anlagen und Ödland
Gebieten. Die Alternativen der Kriterien betragen z. B. bei dem
Kriterium der Nähe oder Nachbarschaft zu industriellen oder
militärischen Anlagen oder Ödland die Klassen der Entfernung 0
bis 2,5 km, 2,5 bis 10 km und &gt; 10 km. Diese Klassen werden
aufgrund von Erfahrungswerten oder der speziellen Gegebenheiten
vor Ort paarweise verglichen und anhand von Zahlen in
eine Rangfolge gebracht. So weist die Klasse &gt; 10 km eine
größere Präferenz gegenüber der Klasse von 0 bis 2,5 km und wird
somit mit dem Wert 7 versehen im Gegensatz zu 1.
Der Eigenvektor, der sich dann aus einer Reihe von Werten der
Alternativen und deren Anzahl errechnet, wird schliesslich in
eine relative Gewichtung überführt. Es wurden bei der Errechnung
der Eignung des Gebietes verschiedene Klassen unterschieden:
günstigere oder weniger günstige, mehr oder weniger geeignete
und ungeeignete Gebiete. Vor allem im südwestlichen Bereich des
Untersuchungsgebietes zeigen sich mehr geeignete Flächen
zur Anwendung von Wasserkonzentrationstechniken. Im allgemeinen
ergab sich eine größere Eignung des Gebietes für den Einsatz von
Micro- / MacrocatchmentSystemen.
Entlang von Straßen zeigen sich sehr günstige Bereiche für
Micro- / Macrocatchment-Systeme. Im Bereich der Abhänge der
Südlichen Palmyriden eignen sich mehr Bereiche für
Flutwasserkonzentrationstechniken. Die aus dem hierarchischen
Entscheidungsmodell resultierenden Karten zeigen potentiell
nutzbare Gebiete für die Anwendung der
Wasserkonzentrationstechniken. Die quantitativ nutzbare Menge an
Abfluss, die in durch die Wasserkonzentrationstechniken
gesammelt und genutzt werden können, kann durch die
vorliegende Analyse nicht ermittelt werden. Hierzu fehlen
konkrete Niederschlags- und Abflussdaten von einzelnen
Niederschlagsereignissen. Diese würden dann erlauben, einen
Abflusskoeffizienten zu ermitteln, der die Dimensionierung einer
Wasserkonzentrationsanlage ermöglichen würde. Der
Abflusskoeffizient könnte auch durch Regensimulationsanlagen im
Gelände ermittelt werden. Mithilfe des CROPWAT-Modells der FAO
und den berechneten potentiellen Verdunstungswerten wurde noch
der Wasserbedarf einiger Pflanzen unter den gegebenen
klimatischen Verhältnissen ermittelt.
Die Methodik des AHP kann auf andere Gebiete übertragen werden.
Der AHP innerhalb des GIS erlaubt auch ohne weiteres die
Einbindung weiterer Faktoren wie z.B. sozioökonomischer
Entscheidungskriterien. Ein Beispiel für sozioökonomische
Kriterien wäre der Arbeitsaufwand, der benötigt wird für die
Installation und Unterhaltung einzelner
Wasserkonzentrationssysteme. Somit ermöglicht die angewandte
Methodik, die moderne Techniken wie Fernerkundung und
Geoinformationssysteme einschliesst, eine
Entscheidungsfindung bezüglich der Anwendbarkeit von
Wasserkonzentrationstechniken vor allem in großen,
unzugänglichen Gebieten mit wenig bekannten hydrologischen Daten.