Floodplain wetland-river flow synergy in the White Volta River basin, Ghana

Abstract

The Upper East Region of Ghana is characterized by an unreliable mono-modal rainfall pattern making rain-fed agriculture a risky business. Therefore, farmers along the White Volta River cultivate on the floodplain to make use of residual moisture. This has prompted the Government of Ghana through the Ministry of Food and Agriculture to encourage dry season floodplain wetland cultivation, using pumped river water as a source of irrigation. The increasing use of floodplains for dry season cultivation has placed pressures on land allocation practices and floodplain wetlands resources. To ensure good management and sustainable water resource use, the role of floodplain-wetlands in regulating stream flow needs to be recognized, understood and taken into account when modeling hydrological processes within the basin. This study examines floodplain wetland-river flow synergy within the White Volta River basin. The methods applied in this study involve generating a floodplain wetland probability map and selection of floodplain wetlands, the use of HYDRUS-1D to model floodplain hydrodynamics, the result served as an input into the MODFLOW model to simulate interaction between floodplain wetland and the White Volta River; and applying isotopic tracers δ¹⁸O and δ²H to derive a water balance. The mapping process used a combination of geographic information system, remote sensing and statistical techniques. Logistic regression, a statistical technique used within the GIS platform, identified distance, texture, log transformation of ETM- band4 and evapotranspiration as the parameters having the greatest predictive power in wetland mapping, at 95 per cent confidence level. The map generated enabled the selection of Pwalugu and Tindama wetland sites as suitable for detailed hydrological analysis. Applied to the Pwalugu floodplain wetland as a test site, the HYDRUS-1D model indicated that the infiltration contribution to sub-surface storage over 16 months was 444 mm. The period of highest contribution occurred between July and September. In addition, the estimated vertical gradient indicates a low upwelling of sub-surface water in areas close to the river. The results of the isotope analysis of Oxygen-18 and deuterium showed that the trajectory of the tropical continental and tropical maritime air masses influenced isotopic composition of the rainfall over the Pwalugu and Tindama wetlands. Using the Rayleigh equation, evaporative fractions from Pwalugu wetland and Tindama were estimated to be 53.25% and 16.79%. However, to verify surface and sub-surface water interaction for the Pwalugu wetland, within August and September, the isotope signatures showed a similar ratio and plot around the local meteoric water line indicating some form of interaction. To determine wetland-river flow interaction, HYDRUS-1D bottom flux was used as groundwater recharge, an input into PW-WIN (MODFLOW). The PW-WIN (MODFLOW) simulation showed a systematic variation in hydraulic head of the wetland to changes in rainfall pattern, the observed interaction between floodplain wetlands and the White Volta River was bidirectional in terms of horizontal direction. Sensitivity analysis was performed using the dimensionless and dimension scaled methods, and model outputs were found to be highly sensitive to the parameters such as horizontal hydraulic conductivity, specific storage and specific yield. The study assisted to understand the relationship between recurrent spatial and temporal patterns of water table response within the floodplain and their controlling factors. Additionally, the study showed that a combination of methods such as tracers and hydrological models can be successful used to understand the dynamics of floodplain wetlands in White Volta River basin.

<strong>Wechselwirkung zwischen einem Feuchtgebiet und dem Flusssystem im White Volta River basin, Ghana</strong><br /> Ghanas Upper East Region ist durch ein unzuverlässiges monomodales Regenfallmuster gekennzeichnet, das Regenfeldbau zu einem riskanten Unternehmen macht. Darum kultivieren Bauern Felder in den Auengebieten entlang des White Volta Flusses, um von deren Bodenfeuchte zu profitieren. Dies bewog die Ghanaische Regierung, repräsentiert durch das Ministry of Food and Agriculture, den Feldbau in Auengebieten durch gepumptes Flusswasser während der Trockenzeit zu fördern. Die verstärkte Nutzung der Feuchtgebiete in der Trockenzeit hatte Auswirkungen auf Praktiken der Landvergabe sowie anderer Ressourcen dieser Feuchtgebiete. Um ein gutes Management und die nachhaltige Wassernutzung sicherzustellen, bedarf es der Anerkennung und des Verständnisses der Rolle der Feuchtgebiete für die Regulation des Abflusses, um hydrologische Prozesse im Volta Flussbecken modellieren zu können. Diese Studie befasst sich mit der der Synergie von Feuchtgebieten und Abfluss innerhalb des Becken des White Volta. Zu den angewandten Methoden zählen die Erstellung einer Auenwahrscheinlichkeitskarte und die Auswahl von Feuchtgebieten sowie die Nutzung des HYDRUS_1D zur Modellierung der Hydrodynamik des Feuchtgebietes. Das Ergebnis dient als Input für das MODFLOW-Modell zur Simulierung der Interaktion zwischen Feuchtgebiet und dem White Volta Fluss. Die isotopischen Tracer δ¹⁸O und δ²H wurden angewandt, um die Wasserbilanz zu ermitteln. Die Kartierung basierte auf einer Kombination von GIS (geographic information system), Fernerkundung und statistischen Techniken. Eine logistische Regression, eine im GIS verwendete Technik, identifiziert Distanzen, B4-Beschaffenheit, die logistische Transformation von ETM-band4 und Evapotranspiration als Parameter, die die größte Vorhersagekraft für Feuchtgebietskartierung haben, bei einem Konfidenzintervall von 95%. Die erhaltene Karte ermöglicht die Selektion der Orte Pwalugu und Tindama, deren Feuchtgebiete detailliert untersucht und hydrologisch analysiert wurden. Auf das Pwalugu Feuchtgebiet angewandt, zeigte das HYDRUS-1D-Modell, dass die Infiltration in 16 Monaten zu 444mm unterirdischer Speicherung beitrug. Der höchste Beitrag wurde zwischen Juli und September gemessen. Außerdem zeigt der geschätzte vertikale Gradient einen geringen Auftrieb des Grundwassers in flussnahen Gebieten. Das Ergebnis der Isotopenanalyse mit den Tracern δ¹⁸O und δ²H zeigt, dass die Bewegung der tropischen, kontinentalen sowie tropischen maritimen Luftmassen die isotopische Zusammensetzung des Regenfalls über den Feuchtgebieten von Pwalugu und Tindama beeinflussten. Unter Verwendung der Rayleigh- Gleichung wird der evaporative Anteil der Feuchtgebiete von Pwalugu und Tindama auf 53,25% und 16,79% geschätzt. Um die Interaktion von Oberflächen- und Grundwasser in Pwalugu während August und September zu verifizieren, zeigen die isotopischen signatures eine ähnliches ratio und plot um die meteorische Wasserlinie, was auf eine Interaktion hindeutet. Um diese Interaktion zu bestimmen, wurde HYDRUS-1D bottom flux für Grundwasserrecharge, ein Input für PW-WIN (MODFLOW, genutzt). Die PW-WIN (MODFLOW)– Simulation zeigt eine systematische Variation der Piezometerhöhe des Feuchtgebietes aufgrund von Änderungen im Regelfallmuster an. Die beobachtete Interaktion zwischen Feuchtgebiet und White Volta verlief horizontal bidirektional. Eine Sensitivitätsanalyse wurde ausgeführt, in der dimensionslose sowie die durch Dimensionen skalierte Methoden genutzt wurden. Die modellierten Ergebnisse waren sehr sensitiv im Hinblick auf die Parameter horizontale hydraulische Durchlässigkeit, spezifischer Speicher und spezifisches Wasserdargebot. Die Studie trägt zum Verständnis der Beziehung zwischen periodischen, räumlichen und zeitlichen Mustern des Grundwasserstandes in Abhängigkeit zu den Feuchtgebieten und den sie bestimmenden Faktoren bei. Außerdem belegt die Studie, dass eine Kombination von Methoden, wie Tracern und hydrologischen Modelle, erfolgreich eingesetzt werden können, um die Dynamik der Feuchtgebiete des White Volta Becken zu verstehen.