Estimation of groundwater recharge in the context of future climate change in the White Volta River Basin, West Africa

Abstract

The White Volta River Basin is one of the major sub-basins of the Volta River Basin of West Africa. It covers about 106,000 km², and the major riparian countries are Burkina Faso and Ghana. The basin has enough water resources to meet current demands but there are many challenges including high spatial and temporal variability in rainfall, global climate change, deforestation, land degradation, and high population growth rate. These challenges put immense pressure on the water resources. The basin experiences a prolonged dry season when many rivers and streams dry up. As a result, surface water supplies are unreliable and insufficient to meet the water demands for socio-economic development in many places in the basin, thereby making groundwater sources the preferred and most cost-effective means of supplying water to the largely rural and dispersed population in the basin. A key prerequisite for efficient and sustainable management of the groundwater resource is the understanding and quantification of the groundwater recharge. <br /> This study estimates the total amount and spatial distribution of the groundwater recharge at different scales in the White Volta Basin using the chloride mass balance, water table fluctuation, and hydrological modeling with the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). In addition, the study evaluates the impact of future climate change on the shallow groundwater recharge. <br /> The chloride mass balance method was applied in the northeastern part of the basin (Upper East Region of Ghana) to estimate the long-term recharge. Based on the variation of chloride concentrations measured in groundwater samples taken from 11 wells in 2006, the estimated long-term annual groundwater recharge in the region ranged from 34.0 to 182.0 mm, with an area-weighted mean of 82.0 mm. The mean annual recharge represents 8 % of the long-term mean annual rainfall of 990 mm. <br /> The water table fluctuation method was used in the south of the basin (commonly called the White Volta Basin of Ghana) to evaluate the seasonal and annual variations in water level rise and to estimate the groundwater recharge. The results show that annual water level rise ranged from 1238 to 5000 mm in 2006 and from 1594 to 6800 mm in 2007. Based on standard values of specific yield and the measured water level rise, the estimated annual recharge ranged from 28.0 to 150.0 mm in 2006 and from 32.0 to 204.0 mm in 2007. The area-weighted mean recharge was 70.0 mm in 2006, representing 8 % of the annual rainfall (870 mm), and 92.0 mm in 2007, representing 7 % of the annual rainfall (1294 mm). <br /> The SWAT model was calibrated (1986-1999) and validated (1992-1999) at Nawuni for the whole White Volta River Basin. The simulated mean recharge to the shallow groundwater was 59.0 mm, about 7 % of the mean annual rainfall (824 mm). Using SWAT-simulated water balance for the present time period (1991-2000) as the basis for comparison, the simulated future (2030-2039) water balance in the White Volta Basin shows important increases in annual rainfall, discharge and shallow groundwater recharge as a result of future climate change in the basin. The shallow groundwater recharge is expected to increase by about 29 %.

<p><strong>Grundwassererneuerung vor dem Hintergrund des zukünftigen Klimawandels im Becken des Weißen Voltas, Westafrika</strong><br /> Estimation of groundwater recharge in the context of future climate change in the White Volta River Basin, West Africa Das Weiße Voltabecken ist eines der wichtigsten Unterbecken des Voltabeckens in Westafrika. Die Fläche beträgt ca. 106,000 km², und die wichtigsten Anrainerstaaten sind Burkina Faso und Ghana. Die Wasserressourcen können den gegenwärtigen Bedarf decken, aber die hohe räumliche und zeitliche Niederschlagsvariabilität, der globale Klimawandel, Abholzung, Bodendegradation sowie starkes Bevölkerungswachstum führen zu einem enormen Druck auf die Wasserressourcen. Im Becken gibt es eine lange Trockenzeit wo viele Flüsse und Bäche austrocknen. Dadurch ist die Versorgung mit Oberflächenwasser unzuverlässig und reicht nicht, um den Wasserbedarf für die soziale und wirtschaftliche Entwicklung in vielen Gegenden des Beckens zu erfüllen. Das Grundwasser ist daher die bevorzugte und am kosteneffektivste Möglichkeit, die größtenteils ländliche und verteilte Bevölkerung im Becken mit Wasser zu versorgen. Am wichtigsten für ein effizientes und nachhaltiges Management der Grundwasserressourcen sind Kenntnisse über die Grundwasserneubildung sowie deren Quantifizierung. <br /> Diese Studie untersucht die gesamte Höhe und räumliche Verteilung der Grundwasserneubildung im Weißen Voltabecken in unterschiedlichen Maßstäben mit den Methoden Chloridmassenbilanz, Grundwasserspiegel-Fluktuation, sowie hydrologische Modellierung mit dem Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Außerdem bewertet die Studie die Auswirkungen des erwarteten Klimawandels auf die Neubildung von oberflächennahem Grundwasser. <br /> Die Chloridmassenbilanz-Methode wurde im nordöstlichen Teil des Beckens (Upper East Region of Ghana) angewandt, um die langfristige Grundwasserneubildung zu ermitteln. Auf der Grundlage der Variation der Chloridkonzentrationen in Grundwasserproben aus 1100 Brunnen in 2006 lag die langfristige jährliche Grundwasserneubildung in der Region zwischen 34.0 und 182.0 mm, mit einem area-weighted Mittel von 82.0 mm. Die mittlere jährliche Neubildung stellt 8 % des langjährigen mittleren jährlichen Niederschlags von 990 mm dar. <br /> Die Grundwasserspiegel-Fluktuationsmethode wurde im Süden des Beckens eingesetzt (genannt Weißes Voltabecken von Ghana), um die saisonalen und jährlichen Variationen bei Grundwasseranstieg und Grundwasserneubildung zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass der jährliche Anstieg des Grundwasserspiegels zwischen 1238 und 5000 mm in 2006 und zwischen 1594 und 6800 mm in 2007 lag. Auf der Grundlage der Standardwerte des spezifischen Ertrags und der gemessene Anstieg des Grundwassers betrug die jährliche Grundwasserneubildung zwischen 28.0 und 150.0 mm in 2006 und zwischen 32.0 und 204.0 mm in 2007. Die area-weighted mittlere Neubildung war 70.0 mm in 2006, und damit 8 % des jährlichen Niederschlags (870 mm), und 92.0 mm in 2007, die 7 % (1294 mm) darstellen. <br /> Das SWAT-Modell wurde kalibriert (1986-1999) und validiert (1992-1999) in Nawuni für das ganze Weiße Voltabecken. Die simulierte mittlere Grundwasserneubildung im oberflächennahen Grundwasser betrug 59.0 mm, das sind ca. 7 % des mittleren jährlichen Niederschlags (824 mm). Mit der SWAT-simulierten Wasserbilanz für den Zeitraum (1991-2000) als Vergleichsgrundlage zeigt die simulierte zukünftige (2030-2039) Wasserbilanz eine bedeutende Zunahme des jährlichen Niederschlags, Abflusses und der Grundwasserneubildung als Folge des zukünftigen Klimawandels im Becken. Es wird erwartet, dass die oberflächennahe Grundwasserneubildung um ca. 29 % zunehmen wird.</p>