Effect of Land Use/Land Cover Changes on the Surface Runoff of Wadi Ibrahim Watershed, Saudi Arabia, Using SWAT and HEC-HMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdirizak_Mohamed_Dirie_MSc_Thesis_2025.pdf Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تؤدي الزيادة السريعة في التوسع العمراني وحدوث العواصف المطرية قصيرة المدة وعالية الشدة إلى زيادة كبيرة في مخاطر السيول المفاجئة في البيئات الجافة، مثل مدينة مكة المكرمة بالمملكة العربية السعودية. لذلك، يُعد التوصيف الدقيق للأمطار الشديدة وتقييم تأثيرات تغيّر استخدامات الأراضي وغطاء الأرض على الاستجابة الهيدرولوجية للجريان السطحي أمرًا ضروريًا لتحسين تصميم المنشآت الهيدرولوجية وإدارة مخاطر الفيضانات. هدفت هذه الدراسة إلى تقييم التأثيرات الهيدرولوجية لتغيّر استخدامات الأراضي وغطاء الأرض على الجريان السطحي الناتج عن العواصف المطرية في حوض وادي إبراهيم باستخدام إطار نمذجة مزدوج يعتمد على نموذج أداة تقييم التربة والمياه (SWAT) ونظام النمذجة الهيدرولوجية لمركز الهندسة الهيدرولوجية (HEC-HMS). كما شملت الدراسة تطوير منحنيات الشدة–المدة–التكرار (IDF) لمنطقة مكة المكرمة بالاعتماد على بيانات محطات الأمطار ومنتجات الأمطار الفضائية التابعة لبعثة القياسات العالمية للهطول المطري (IMERG-GPM). تم استخدام بيانات الأمطار اليومية لعدد 30 محطة مطرية تغطي الفترة 2001–2020 مع منتجات IMERG المختلفة (Early وLate وFinal) لتقييم أداء بيانات الأمطار الفضائية وتطوير منحنيات IDF ممثلة للمنطقة. وتم اختبار ستة توزيعات احتمالية، حيث أظهر توزيع Gumbel أفضل أداء وأكثره استقرارًا في تحليل تكرار الأمطار. بعد ذلك، تم تطبيق تصحيح الانحياز على منتج IMERG Final قبل إعادة تطوير منحنيات IDF لتحسين توافقها مع الأمطار التصميمية المعتمدة على المحطات المطرية. كما تم إعداد خرائط استخدامات الأراضي وغطاء الأرض للأعوام 1986 و2002 و2013 و2024 باستخدام صور Landsat وخوارزمية Random Forest. وتم دمج سيناريوهات استخدامات الأراضي المختلفة في نموذجي SWAT وHEC-HMS تحت نفس ظروف الهطول المطري وخصائص الحوض وقيم رقم المنحنى (CN) بهدف عزل تأثير بنية النموذج على الاستجابة الهيدرولوجية للجريان السطحي. أظهرت النتائج أن منتجي IMERG Early وIMERG Late قدّما مبالغة كبيرة في تقدير العواصف التصميمية، في حين أظهر منتج IMERG Final بعد تصحيح الانحياز توافقًا جيدًا مع منحنيات IDF المعتمدة على المحطات المطرية عبر مختلف فترات التكرار والمدد الزمنية. بين عامي 1986 و2024، ازدادت مساحة المناطق العمرانية في حوض وادي إبراهيم من 18.96 كم² إلى 47.31 كم²، مما أدى إلى زيادة منتظمة في الاستجابة الهيدرولوجية للجريان السطحي تحت جميع فترات التكرار المطرية المدروسة. في نموذج SWAT، ارتفع عمق الجريان السطحي من 2.31 مم إلى 4.71 مم تحت عاصفة ذات فترة تكرار سنتين، ومن 52.82 مم إلى 59.67 مم تحت عاصفة ذات فترة تكرار 100 سنة. وبالمثل، أظهر نموذج HEC-HMS زيادة في عمق الجريان السطحي من 5.60 مم إلى 7.38 مم تحت عاصفة السنتين، ومن 61.80 مم إلى 67.73 مم تحت عاصفة الـ100 سنة، مصحوبة بزيادات مقابلة في التصريف الأقصى. وعلى الرغم من اختلاف القيم المطلقة للجريان السطحي بين النموذجين، فقد أظهر كلا النموذجين استجابة هيدرولوجية متسقة تجاه التوسع العمراني التدريجي. تؤكد النتائج أن التوسع العمراني يُعد عاملًا رئيسيًا في تضخيم الجريان السطحي في حوض وادي إبراهيم، كما توضح أن بيانات الأمطار الفضائية بعد تصحيح الانحياز يمكن أن تدعم بشكل فعّال تطوير منحنيات IDF في البيئات الجافة محدودة البيانات. وتسهم هذه النتائج في تحسين تقييم مخاطر السيول ودعم تخطيط شبكات تصريف مياه الأمطار والتصميم الهيدرولوجي في المناطق الجافة سريعة التوسع العمراني.

English Abstract

Rapid urbanization and short-duration extreme rainfall events have substantially increased flash-flood risk in arid environments such as Makkah, Saudi Arabia. Accurate characterization of rainfall extremes and evaluation of land use and land cover (LULC) change impacts on runoff response are therefore essential for reliable hydrologic design and flood-risk management. This study investigated the hydrologic effects of LULC change on event-based surface runoff in the Wadi Ibrahim watershed using a controlled dual-model framework based on the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and the Hydrologic Engineering Center–Hydrologic Modeling System (HEC-HMS). In addition, Intensity–Duration–Frequency (IDF) relationships were developed for the Makkah region using gauge observations and Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM (IMERG) precipitation products. Daily rainfall records from 30 stations covering the period 2001–2020 were combined with IMERG Early, Late, and Final products to evaluate satellite rainfall performance and develop regionally representative IDF curves. Six probability distributions were evaluated, and the Gumbel distribution provided the most stable and consistent performance for rainfall frequency analysis. Bias correction was subsequently applied to the IMERG Final product prior to redevelopment of the IDF curves to improve consistency with gauge-derived rainfall extremes. Multi-temporal LULC maps for 1986, 2002, 2013, and 2024 were generated using Landsat imagery and a Random Forest classification approach. Random Forest classification has demonstrated strong performance and robustness in land-cover mapping and remote sensing applications, particularly for heterogeneous landscapes and multispectral datasets [90, 91]. The resulting LULC scenarios were incorporated into SWAT and HEC-HMS under identical rainfall forcing, watershed configuration, and Curve Number parameterization to isolate the influence of model structure on runoff response. The results showed that IMERG Early and Late products substantially overestimated design storm magnitudes, whereas the bias-corrected IMERG Final product demonstrated close agreement with gauge-based IDF relationships across return periods and durations. Between 1986 and 2024, built-up area within the Wadi Ibrahim watershed increased from 18.96 km² to 47.31 km², producing a systematic increase in simulated runoff response across all evaluated rainfall return periods. In SWAT, runoff depth increased from 2.31 mm to 4.71 mm under the 2-year storm and from 52.82 mm to 59.67 mm under the 100-year storm. Similarly, HEC-HMS simulated runoff increases from 5.60 mm to 7.38 mm under the 2-year storm and from 61.80 mm to 67.73 mm under the 100-year storm, accompanied by corresponding increases in peak discharge. Although the two models produced different absolute runoff magnitudes, both frameworks consistently reproduced the same directional hydrologic response to progressive urbanization. The results confirm that urbanization is a dominant driver of runoff amplification in the Wadi Ibrahim watershed and demonstrate that bias-corrected satellite rainfall products can effectively support IDF development in data-scarce arid environments. These findings contribute to improved flood-risk assessment and support more reliable stormwater planning and hydrologic design in rapidly urbanizing arid regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Ahmed Al Areeq,
Thesis Committee Members:	Mohammad Al-suwaiyan, Zaher Yaseen,
Depositing User:	ABDIRIZAK DIRIE
Date Deposited:	10 Jun 2026 05:57
Last Modified:	10 Jun 2026 05:57
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144486