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RUNOFF GENERATING PROCESSES IN A MOUNTAINOUS HEADWATER IN THE TRANSITION ZONE BETWEEN STEPPE AND TAIGA IN NORTHERN MONGOLIA

Benjamin, Kopp

German Title: Abflussgenerierende Prozesse in einem Quellgebiet einer Gebirgswaldsteppe in der nördlichen Mongolei.

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Abstract

Northern Mongolia faces a variety of water-related problems that are related to both, the harsh natural conditions and the lack of structures to control the distribution and protection of water. The Kharaa River Basin (KRB), which is located north of Mongolia's capital Ulaanbaatar, was chosen as a model region for the development and implementation of an integrated water resources management (IWRM) project called MoMo (Model Region Mongolia). The aim of IWRM is to provide insight into both, societal structural and eco-systematic conditions as a whole. Besides an improvement of the structures, especially in the urban sector, all relevant water related processes are captured. This includes the identification of “water towers” and the underlying runoff generating processes. The KRB stretches from the steppe towards the western Khentii Mountains. Thus, it covers a wide range of environmental conditions and can be considered to be representative for many regions within Mongolia. The Sugnugr Basin situated within the western Khentii Mountain ranges is one of the most important tributaries of the Kharaa. The climate is highly continental and semi-arid; average annual precipitation in the mid-reaches remains below 400 mm. With a fraction of 90 %, precipitation is predominantly falling during the summer half year (May to October). Air temperature in 2011 and 2012 was -2°C and -3°C, with monthly air temperatures ranging between 28°C in January and 16°C in July. The Sugnugr Basin is situated in the transition zone between steppe and taiga, and is part of the discontinuous permafrost zone. Thus, it is characterized by a heterogeneous mosaic of herbaceous steppe vegetated south-exposed slopes and taiga vegetated north-exposed slopes that exhibit permafrost. Above the tree line of approximately 2300 m a.s.l. alpine scree prevails. In 2004 and 2007 widespread forest fires destroyed considerable amounts of the taiga, especially in the headwaters. Forest regrowth under the prevailing natural conditions can last 200 years and more. The following presented runoff generating processes are based on comprehensive and detailed field studies in an anthropogenic unaffected headwater of the Sugnugr. The results indicate hydrological processes in the study area to be controlled by the dominant vegetation cover. It has been shown that steppe vegetated south-exposed hillslopes only sporadically contribute to river runoff during intense precipitation events. Infiltration rates into the soil matrix are small and evenly distributed and no signs of preferential flow were found. In general, these sites were characterized by dry conditions and soil moisture content occasionally reached the permanent wilting point during the summer months. A majority of river runoff must hence be generated by taiga vegetated north-exposed hillslopes. Especially the thick organic surface layer and the depth of the active layer have been shown to control runoff response. On the catchment scale, hydrograph recession analysis revealed a quick transfer of event water on top of a thin active layer towards the rivers in early summer. In the course of summer, active layer depth and thus storage capacity is increasing, resulting in enhanced recession periods and increased low-flow runoff. Simultaneously, it could be shown that hillslope runoff only occurs after a threshold of 5 % increase of the relative volumetric water content of the upper soil zone, including the organic surface, is reached. Wildfires alter this system sustainably. As the insulating organic surface cover is removed, soil temperatures have been shown to increase, while permafrost subsided to deeper depth. This resulted in a network of preferential flow paths on top of the frost table, which effectively transfers event water towards the adjacent river without substantial retention. Land-cover change scenarios were simulated with the conceptual hydrological model HBV-D. As a consequence of a wildfire, with all taiga stands being burned, monthly runoff was simulated to decrease during the winter half year, while it increased during the summer half year. However, results of the field studies suggest that the simulated increase in summer runoff following wildfire does not lead to greater water availability, as stormflow runoff increased while low flow runoff decreased. The results support the conservation of the alpine headwaters, especially from deforestation and wildfire in order to safeguard the current amount of surface water quantity. This gains further importance regarding the flourishing Mongolian economy and the related increasing water demands.

Translation of abstract (German)

Die nördliche Mongolei weist eine Vielzahl von wasserbezogenen Problemen auf. Diese sind zum einen Folge der harschen naturräumlichen Gegebenheiten, und zum anderen in fehlenden Strukturen hinsichtlich einheitlicher Verteilung und Schutz der wertvollen Ressource Wasser begründet. Das Kharaa Einzugsgebiet (KRB), nördlich der mongolischen Hauptstadt Ulaanbaatar, wurde als Modellgebiet im Rahmen eines Integrierten Wasserressourcen Management (IWRM) Projektes (MoMo, Modellregion Mongolei) ausgewählt. Das Ziel des IWRM ist es, gesellschaftliche Rahmenbedingungen sowie das Ökosystem jeweils als Ganzes zu erfassen. Neben einer Verbesserung der urbanen Strukturen werden alle wasserrelevanten Prozesse im Einzugsgebiet identifiziert. Hierzu zählt insbesondere die Erfassung der Quellgebiete und der abflussgenerierenden Prozesse. Das KRB erstreckt sich über ein breites Spektrum an landestypischen Naturräumen von der Steppe bis in das westliche Khentii Gebirge, und ist repräsentativ für weite Bereiche der Mongolei. Der Sugnugr Gol im westlichen Khentii Gebirge ist einer der wichtigsten Zuflüsse des Kharaa. Das vorherrschende Klima ist hochkontinental und semi-arid, mit jährlichen Niederschlagsmengen von bis zu 400 mm im Mittellauf. Etwa 90 % der jährlichen Niederschläge fallen im hydrologischen Sommerhalbjahr (Mai – Oktober). In 2011 und 2012 betrugen die jährlichen Lufttemperaturen -2°C und -3°C, mit monatlichen Temperaturen zwischen -28°C im Januar und 16°C im Juli. Das Sugnugr Einzugsgebiet liegt in der Übergangszone zwischen Steppe und Taiga und ist Teil der diskontinuierlichen Permafrostzone. Es wird durch ein mosaikartiges Vegetationsmuster, mit artenreicher Steppenvegetation an südexponierten Hängen und mit Taiga bewachsenen, von Permafrost unterlagerten, nordexponierten Hängen charakterisiert. Oberhalb der Baumgrenze von etwa 2300 m erstrecken sich weitläufige Blockschutthalden. Große Waldflächen, insbesondere in den Oberläufen, wurden 2004 und 2007 durch Waldbrände zerstört. Die Regeneration der Bestände in diesen naturräumlichen Gegebenheiten erfolgt sehr langsam, über einen Zeitraum von mindestens 200 Jahren. Die im Folgenden vorgestellten abflussgenerierenden Prozesse basieren auf umfangreichen und detaillierten Feldmessungen in einem, von menschlichen Aktivitäten nahezu unbeeinflussten, Einzugsgebiet im Oberlauf des Sugnugr. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen den dominanten hydrologischen Prozessen und dem vorherrschenden Vegetationstyp. So werden die mit Steppenvegetation bewachsenen südexponierten Hänge nur während starker Niederschlags-ereignisse über Oberflächenabfluss abflusswirksam. Die Infiltration in den Boden ist gering und erfolgt gleichmäßig in die Bodenmatrix, und nicht über präferentielle Fließwege entlang von Makroporen. Generell weisen diese Standorte trockene Bedingungen auf, wobei der Bodenwassergehalt während der Sommermonate vereinzelt den permanenten Welkepunkt erreicht. Ein Großteil der Abflussbildung wird demnach in den von Taiga bewachsenen nordexponierten Hängen generiert. Insbesondere die mächtige organische Auflage sowie die sommerlich auftauende Bodenschicht oberhalb des Permafrosts wirken sich hier abflussregulierend auf. So zeigen auf Einzugsgebietsebene Abflussganglinienanalysen einen schnellen Transfer von Niederschlagswasser in den Vorfluter während des Frühsommers auf. Mit zunehmender Mächtigkeit der Auftauschicht im Laufe des Sommers erhöht sich die Speicherkapazität, die Rezessionsperiode verlängert sich und Niedrigwasserabflüsse steigen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass Niederschläge erst abflusswirksam werden, wenn eine relative Zunahme des volumetrischen Wassergehaltes der oberen Bodenzone und der organischen Auflage von 5 % erfolgt. Waldbrände können dieses System nachhaltig verändern. Der Verlust der isolierenden organischen Auflage führt zu signifikant steigenden Bodentemperaturen während der Permafrost degradiert. Dadurch entsteht ein Netzwerk aus präferentiellen Fließwegen auf der Oberfläche des Permafrosts, welches Niederschlagswasser effektiv dem Vorfluter zuführt, ohne dass ein messbarer Anteil zurückgehalten wird. Die Modellierung von großräumigen Waldbrandflächen mit dem konzeptionellen hydrologischen Modell HBV D weist auf ein Absinken der monatlichen Abflüsse während des hydrologischen Winterhalbjahres hin, während diese im hydrologischen Sommerhalbjahr zunehmen. Die Ergebnisse der Feldmessungen zeigen aber, dass der simulierte Anstieg der sommerlichen Abflüsse nicht die allgemeine Wasserverfügbarkeit erhöht. Als Folge der Waldbrände nehmen die Hochwasserabflüsse zu, während sich Niedrigwasserabflüsse verringern. Die Ergebnisse verdeutlichen die Schutzwürdigkeit der alpinen Quellgebiete vor allem vor Abholzung und Waldbränden. Insbesondere im Hinblick auf das anhaltend hohe Wirtschaftswachstum und dem steigenden Wasserbedarf in der Mongolei gilt es, die gegenwärtigen Bedingungen in den Oberläufen zu bewahren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Menzel, Prof. Dr. Lucas
Date of thesis defense: 29 April 2016
Date Deposited: 04 May 2016 09:29
Date: 2016
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Geography
Subjects: 550 Earth sciences
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