Geo-Spatial Analysis in Hydrology

Geo-spatial analysis has become an essential component of hydrological studies to process and examine geo-spatial data such as hydrological variables (e.g., precipitation and discharge) and basin characteristics (e.g., DEM and land use land cover). The advancement of the data acquisition technique helps accumulate geo-spatial data with more extensive spatial coverage than traditional in-situ observations. The development of geo-spatial analytic methods is beneficial for the processing and analysis of multi-source data in a more efficient and reliable way for a variety of research and practical issues in hydrology. This book is a collection of the articles of a published Special Issue Geo-Spatial Analysis in Hydrology in the journal ISPRS International Journal of Geo-Information. The topics of the articles range from the improvement of geo-spatial analytic methods to the applications of geo-spatial analysis in emerging hydrological issues. The results of these articles show that traditional hydrological/hydraulic models coupled with geo-spatial techniques are a way to make streamflow simulations more efficient and reliable for flood-related decision making. Geo-spatial analysis based on more advanced methods and data is a reliable resolution to obtain high-resolution information for hydrological studies at fine spatial scale

Modeling hydrological processes in a semi-arid mountainous catchment at the regional scale

In the Upper Drâa Valley (14,988 km2) on the southern slopes of the Moroccan High Atlas Mountains, a highly variable precipitation and large evaporation losses cause major water availability problems. The combined effect of projected increase in water demand and temperature and a decrease in precipitation poses a major challenge for water managers in the region. To assess the actual state of the hydrological system (1978-2007), but also the impacts of future changes (2000-2049) a conceptual model, adapted to the characteristics of a semi-arid mountainous environment, has been applied. A spatially explicit altitudinal representation, an oasis-irrigation routine, a second linear storage aquifer and a reservoir management module have been implemented in the SWAT model, extending it to SWAT-MAROC (SWAT-Mountainous and Arid Regions Oriented Concept). During the validation period the model performs well on a monthly timescale at the basin outlet (CME: 0.89) and satisfactorily at the two main tributaries Oued Ouarzazate (CME: 0.69) and Oued Dades (CME: 0.62). Furthermore model results are in line with validation data obtained from groundwater, snow and irrigation studies. Nevertheless the model exhibits flaws in representing water availability in groundwater-fed oases and soil water dynamics. Considering the variable sources of uncertainty, especially in arid and mountainous regions, a wide-ranging uncertainty assessment scheme, quantifying and comparing uncertainties with a signal-to-noise ratio, has been developed and applied. Uncertainties from the hydrological model are highest, followed by divergent signals from climate change ensembles, while the downscaling method has only minor effects on model results. It has been shown that climate change effects for the period 2000-2029 are subject to considerable uncertainties and no clear trends could be identified. For the period 2020-2049 the following developments are “likely” according to the IPCC terminology. Despite a decrease in precipitation (-11%) and especially snowfall (-31%), irrigation water availability in the surface water dependent oasis remains high enough (-5%) to sustain agriculture to the current extent. In contrast, water availability at the reservoir is decreasing disproportionately high (-17%). Therefore the potential for riparian conflicts between the Upper Drâa and the Middle Drâa might augment. A further finding is that the reservoir Mansour-Eddahbi is likely to become inoperable due to siltation in the period 2030-2042, dependent on the assumed pathways of socio-economic development.Modellierung hydrologischer Prozesse eines semi-ariden, gebirgigen Einzugsgebietes auf der regionalen Skala Das südmarokkanische Obere Drâatal (14.988 km2), an der Südabdachung des Hohen Atlas gelegen, ist durch eine hohe Niederschlagsvariabilität und starke Verdunstung gekennzeichnet, die bereits heute die Wasserverfügbarkeit beeinträchtigen. Die kombinierte Wirkung des prognostizierten Anstiegs der Wassernachfrage und der Temperatur sowie des Rückgangs der Niederschläge stellen eine große Herausforderung für das Wassermanagement dar. Um den aktuellen Zustand des hydrologischen Systems (1978-2007) zu beurteilen und die Auswirkungen von zukünftigen Veränderungen (2000-2049) zu erfassen, wird ein konzeptionelles Modell verwendet, das an die Eigenschaften der semi-ariden gebirgigen Region angepasst wurde. Dafür ist das SWAT-Modell um eine räumlich explizite Darstellung der Höhengliederung, ein Oasen-Bewässerungs-Modul, einen zweiten Grundwasserleiter und ein Stausee-Management-Modul zu SWAT-MAROC (SWAT – Mountainous and Arid Regions Oriented Concept) erweitert worden. Während der Validierungsphase erzielte das Modell auf monatlicher Zeitskala am Gebietsauslass (CME: 0,89) sowie an den beiden wichtigsten Zuflüssen Oued Ouarzazate (CME: 0,69) und Oued Dades (CME: 0,62) gute bis zufriedenstellende Ergebnisse. Darüber hinaus stehen Modellergebnisse im Einklang mit Validierungsdaten aus Grundwasser-, Schnee- und Bewässerungsstudien. Mängel zeigt das Modell bei der Simulation des Wasserdargebots in grundwassergespeisten Oasen und der Bodenwasserdynamik. Um diversen Unsicherheitsquellen, vor allem in ariden und bergigen Regionen, gerecht zu werden, sind im Rahmen eines umfassenden Bewertungsschemas quantifizierbare Unsicherheiten mit einer Signal-to-Noise-Ratio verglichen worden. Unsicherheiten aus dem hydrologischen Modell sind am höchsten, gefolgt von divergenten Signalen aus den Klimaensembles, während das Downscaling nur geringe Auswirkungen auf die Trends zeigt. Die Auswirkungen des Klimawandels für den Zeitraum 2000-2029 sind mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und weisen keine eindeutigen Trends auf. Für den Zeitraum 2020-2049 sind folgende Entwicklungen „wahrscheinlich“ (entsprechend der IPCC Terminologie). Trotz einer Abnahme des Niederschlag (-11%) und insbesondere des Schneefalls (-31%), ist die Bewässerungswasserverfügbarkeit an den Oberflächenwasseroasen hoch genug (-5%), um die Landwirtschaft im aktuellen Umfang aufrecht zu erhalten. Die Wasserverfügbarkeit am Stausee hingegen nimmt überproportional ab (-17%). Deshalb könnte das Konfliktpotenzial zwischen den Wassernutzern des Oberen und Mittleren Drâa zunehmen. Weitere Implikationen für das mittlere Drâatal beinhaltet der Sedimenteintrag in den Stausee Mansour-Eddahbi. Dieser wird voraussichtlich in der Periode 2030-2042 versandet sein.Modélisation des processus hydrologiques dans un bassin versant montagneux semi-aride à l'échelle régional Dans la Haute V allée du Drâa ( 14.988 km2) située au sud du Haut Atlas M arocain, une précipitation très variable et de grandes pertes d' évaporation causent d es problèmes de disponibilité en eau. L'effet combiné projeté de l'augmentation de la demande e n eau et la température et une diminution des précipitations prévues constitue un défi majeur pour les gestionnaires de l'eau dans la région. Pour évaluer l'état actuel du système hydrologique (1978 - 2007), m ais aussi les impacts des changements futurs ( 2000 - 2049), un modèle conceptuel adapté aux caractéristiques d'un milieu semi - aride montagneuse, a été appliquée. Une représentation spatialement explicite d'altitude, une routine d'irrigation des oasis , un sec ond aquifère et un module de gestion des réservoirs ont été mis en œuvre dans le modèle SWAT, en l'étendant à SWAT – MAROC (SWAT – Mountainous and Arid Regions Oriented Concept) . Dans la période de validation , le modèle simule qualitativement bien sur une échelle de temps mensuelle à l'exutoire du bassin (CME: 0,89) ainsi que dans les deux principaux affluents Oued Ouarzazate (CME: 0,69) et Oued Dad e s (CME: 0,62). En outre les résultats du modèle sont en accord avec les données de validation obtenues à part ir d'études des e aux souterraines, de neige et d' irrigation. Néanmoins, le modèle présente des fai b l esse s dans la représentation de la disponibilité en eau dans les oasis alimentées par les eaux souterraines et de la dynamique de l'eau du sol. Les sources variables d'incertitude, en particulier dans les régions arides et montagneuses, ont été comparées dans le cadre d'un système d' évaluation des incertitudes, avec un Signal - to - Noise - Ratio . Les incertitudes de la modélisation hydrologique sont les plus élevé es suivi e s par des signaux divergents des ensembles de changement climatique, tandis que la méthode de downscaling n'a que des effets mineurs sur les résultats du modèle. Il a été démontré, que les effets du changement climatique pour la période 2000 - 2029 sont sujets à des incertitudes considérables et aucune tendance claire n'a pu être identifiée . Pour la période 2020 - 2049 les développements suivants sont "probables" selon la terminologie du GIEC. Malgré une diminution des précipitations ( - 11%) et surtout des chutes de neige ( - 31%), la disponibilité en eau d'irrigation dans l es oasis dépendant des eau x de surface reste assez élevé e ( - 5%) pour soutenir l'agriculture dans la mesure actuelle. En contraste, la disponibilité en eau , au niveau du réservoir est an ormalement en forte baisse ( - 17%). Par conséquent, le potentiel de conflits entre les riverains du Haute et Moyen Drâa pourrait augmenter. Une autre constatation est q ue le réservoir Mansour - Eddahbi est susceptible de devenir inutilisable en raison de l'en vasement dans la période 2030 - 2042

An evaluation of the utility of ERTS-1 data for mapping and developing natural resources of Iran

The author has identified the following significant results. Significant results are reported in the creation of an Iranian photomosaic from ERTS-1 imagery; in tectonic and structural mapping and interpretation, including discovery of significant new fault patterns in Iran; in river and lake mapping; in wetlands and fisheries nursery delineation and mapping; in range and agricultural surveys and inventories using multi-stage sample methods; and in the computer analysis of ERTS-1 digital tapes for urban land use

Hydrology, limnology and environmental feasibility of the Pareja Limno-reservoir

Sastre Merlín, Antonio, codir.Los grandes embalses en áreas de clima mediterráneo generan una serie de impactos ambientales y económicos negativos. Una actuación innovadora para mitigarlos es la construcción de pequeños diques en sectores de cola de dichos embalses, que dan lugar a la aparición de una masa de agua diseñada para mantener un nivel constante y para la que hemos propuesto el término "limnoembalse". El Limnoembalse de Pareja, primero diseñado con una doble finalidad ambiental y recreativa, fue construido en 2006 junto al pueblo homónimo y es alimentado por el río Ompólveda. Se ubica en el área del embalse de Entrepeñas (provincia de Guadalajara), afectado por los citados impactos. A pesar del interés de esta infraestructura, parece oportuno adquirir conocimiento sobre su comportamiento. Esta tesis doctoral tiene como objetivo caracterizar la cuenca del río Ompólveda y el Limnoembalse de Pareja, evaluando su viabilidad ambiental. La aportación del río Ompólveda supone un 10% de la precipitación media, con un 60-70% de flujo de base que mantiene un caudal permanente en ausencia de lluvias. Sin embargo, el mantenimiento de un nivel de agua constante en el limnoembalse no queda garantizado durante el estiaje en años secos. Además, la simulación de escenarios de cambio climático con el modelo SWAT apunta a una disminución de la aportación de hasta un 50%, lo que supondría un descenso notable del nivel del agua y cuestiona la viabilidad hidrológica de la infraestructura. Por otra parte, el estudio hidrogeoquímico de la cuenca reveló que la disolución de calcita y yeso son los procesos dominantes, evolucionaldo la composición del agua de bicarbonatada cálcica a sulfatada cálcica y aumentando su conductividad. El Limnoembalse de Pareja sigue una dinámica de lago monomíctico templado, con un agua ligeramente alcalina y de alta conductividad. Las comunidades de fitoplancton, zooplancton y microorganismos están dominadas por diatomeas, rotíferos y oligotrofos, respectivamente. La calidad del agua resulta adecuada para los usos previstos del limnoembalse. Diversos indicadores sugirieron un estatus oligo-mestorófico y un estado ecológico Muy Bueno. Las concentraciones de microorganismos fecales fueron acordes con la legislación. No obstante, la calidad puede empeorar en invierno (mayor transporte de nutrientes y microorganismos) y en verano (mayor conductividad y proliferación de algas). Además, las simulaciones de cambio climático predicen un deterioro futuro del estado trófico. También se ha estudiado el régimen de erosión de la cuenca del río Ompólveda y el aterramiento del limnoembalse mediante una metodología in-situ, sencilla y económica. La erosión bruta media en la cuenca se estima en 6 T ha-1 año -1. No obstante, la tasa anual de aterramiento en el Limnoembalse de Pareja fue aproximadamente un 0,29%. Ello supone que supone que sólo un 3,9% de los sedimentos movilizados en la cuenca alcanzan el limnoembalse -posiblemente debido a la baja conectividad-, lo que garantizaría la viabilidad ambiental del Limnoembalse de Pareja desde el punto de vista del riesgo de aterramiento. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral podrían tener relevancia en el ámbito de la gestión del agua, puesto que aportan conocimiento y metodologías para la evaluación multidisciplinar de estas nuevas masas de agua

Hydrology, limnology and environmental feasibility of the Pareja Limno-reservoir

Sastre Merlín, Antonio, codir.Los grandes embalses en áreas de clima mediterráneo generan una serie de impactos ambientales y económicos negativos. Una actuación innovadora para mitigarlos es la construcción de pequeños diques en sectores de cola de dichos embalses, que dan lugar a la aparición de una masa de agua diseñada para mantener un nivel constante y para la que hemos propuesto el término "limnoembalse". El Limnoembalse de Pareja, primero diseñado con una doble finalidad ambiental y recreativa, fue construido en 2006 junto al pueblo homónimo y es alimentado por el río Ompólveda. Se ubica en el área del embalse de Entrepeñas (provincia de Guadalajara), afectado por los citados impactos. A pesar del interés de esta infraestructura, parece oportuno adquirir conocimiento sobre su comportamiento. Esta tesis doctoral tiene como objetivo caracterizar la cuenca del río Ompólveda y el Limnoembalse de Pareja, evaluando su viabilidad ambiental. La aportación del río Ompólveda supone un 10% de la precipitación media, con un 60-70% de flujo de base que mantiene un caudal permanente en ausencia de lluvias. Sin embargo, el mantenimiento de un nivel de agua constante en el limnoembalse no queda garantizado durante el estiaje en años secos. Además, la simulación de escenarios de cambio climático con el modelo SWAT apunta a una disminución de la aportación de hasta un 50%, lo que supondría un descenso notable del nivel del agua y cuestiona la viabilidad hidrológica de la infraestructura. Por otra parte, el estudio hidrogeoquímico de la cuenca reveló que la disolución de calcita y yeso son los procesos dominantes, evolucionaldo la composición del agua de bicarbonatada cálcica a sulfatada cálcica y aumentando su conductividad. El Limnoembalse de Pareja sigue una dinámica de lago monomíctico templado, con un agua ligeramente alcalina y de alta conductividad. Las comunidades de fitoplancton, zooplancton y microorganismos están dominadas por diatomeas, rotíferos y oligotrofos, respectivamente. La calidad del agua resulta adecuada para los usos previstos del limnoembalse. Diversos indicadores sugirieron un estatus oligo-mestorófico y un estado ecológico Muy Bueno. Las concentraciones de microorganismos fecales fueron acordes con la legislación. No obstante, la calidad puede empeorar en invierno (mayor transporte de nutrientes y microorganismos) y en verano (mayor conductividad y proliferación de algas). Además, las simulaciones de cambio climático predicen un deterioro futuro del estado trófico. También se ha estudiado el régimen de erosión de la cuenca del río Ompólveda y el aterramiento del limnoembalse mediante una metodología in-situ, sencilla y económica. La erosión bruta media en la cuenca se estima en 6 T ha-1 año -1. No obstante, la tasa anual de aterramiento en el Limnoembalse de Pareja fue aproximadamente un 0,29%. Ello supone que supone que sólo un 3,9% de los sedimentos movilizados en la cuenca alcanzan el limnoembalse -posiblemente debido a la baja conectividad-, lo que garantizaría la viabilidad ambiental del Limnoembalse de Pareja desde el punto de vista del riesgo de aterramiento. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral podrían tener relevancia en el ámbito de la gestión del agua, puesto que aportan conocimiento y metodologías para la evaluación multidisciplinar de estas nuevas masas de agua

Desertification in Europe: mitigation strategies, land use planning: Proceedings of the advanced study course held in Alghero, Sardinia, Italy from 31 May to 10 June 1999

The present volume is based on lectures given at the course held in Alghero, Sardinia, Italy, from 31 May to 10 June 1999 on ‘Desertification in Europe: Mitigation Strategies, Land Use Planning’. It also contains presentations, given by the participating students, on their own research activities and interests. With the adoption of the International Convention to Combat Desertification, which represents a follow up of the Rio recommendations, this publication is timely. It highlights the specific situation of the Southern European regions and provides a comprehensive and state-of-the-art review of this complex issue

Soil erosion and sediment yield in the upper Yangtze, China

Soil erosion and sedimentation are key environmental problems in the Upper Yangtze because of the ongoing Three Gorges Project (TGP), the largest hydro-power project in the world. There is growing concern about the rapid increase of soil erosion over the last few decades and its consequence for potential sedimentation in the reservoir. The study aims to examine controls on the spatial and temporal distributions of sediment transfer within the Upper Yangtze and the hydrological consequences of land use changes, using varied approaches at different catchment scales. First, soil erosion and sedimentation are examined using the radionuclide Cs-137 as a tracer within a small reservoir catchment in the Three Gorges Area. The results indicates that soil erosion on sloping arable land and the rates of reservoir sedimentation have been severe during the past 40 years, mainly due to cultivation on steep slopes. Changes in reservoir sedimentation rates are mainly attributed to land use changes. The suitability of the Cs-137 techniques for investigating soil erosion and sedimentation in intensely cultivated subtropical environments is also considered. The use of the technique for erosion investigation may have limitations due to the abundance of coarse soil textures, uncertainty about fallout deposition rates and the high incidence of human disturbance, but the technique shows promising perspectives for sedimentation investigation since a few dating horizons might be identified. Second, sediment and runoff measurement data for around 30 years from over 250 hydrological stations within the Upper Yangtze have been examined within a GIS framework. The dataset has been integrated with catchment characteristics derived from a variety of environmental datasets and manipulated with Arc/Info GIS. The analysis of the sediment load data has permitted identification of the most important locations of sediment sources, the shifting pattern of source areas in relation to land use change and sub-catchments exhibiting trending sediment yields corrected for hydrological variability. The study demonstrates the importance of scale dependency of sediment yield in both the identification of temporal change and the modelling of relationships between sediment yield and environmental variables, suggesting that the treatment of the scale problem is crucial for temporal-spatial studies of sediment yield

Earth Resources: A continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 623 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between April 1 and June 30, 1983. Emphasis is placed on the use of remote sensing and geophysical instrumentation in spacecraft and aircraft to survey and inventory natural resources and urban areas. Subject matter is grouped according to agriculture and forestry, environmental changes and cultural resources, geodesy and cartography, geology and mineral resources, hydrology and water management, data processing and distribution systems, instrumentation and sensors, and economic analysis

Sustainable Land Use and Rural Development in Southeast Asia: Innovations and Policies for Mountainous Areas

Sustainable Development; Landscape/Regional and Urban Planning; Agricultur