Modeling soil erosion and reservoir sedimentation at hillslope and catchment scale in semi-arid Burkina Faso

Abstract

Soil erosion is a major factor of land degradation in Sub-Saharan Africa. The loss of nutrient-rich topsoil from hillslopes causes severe agricultural problems for an extremely vulnerable agricultural society that depends on soil quality as a fundamental base for its livelihood. The removal of soil in source areas leads to sediment accumulation in sink areas such as dammed reservoirs. Especially the siltation of small reservoirs is seen as a serious environmental threat in Burkina Faso, where more than a thousand dams have been built to store unevenly distributed rainwater for the dry season. These dams are in danger of losing their function as essential water reservoirs for domestic use, irrigation and stock watering in the near future. This study presents an integrative, scale-dependent approach to assess on-site and off-site impacts of soil erosion by quantifying the magnitude and intensity of soil loss/deposition at hillslope and catchment scales and by considering the spatial dimension of these processes in a complex landscape system in southwestern Burkina Faso. <br /> At the hillslope scale, the spatial variability of soils is analyzed by soil profile investigations along a catena and subsequently considered in soil erosion simulations by the physically-based WEPP model. WEPP model predictions indicate that although average soil loss rates simulated for the entire hillslope are comparatively low, they can be forty times higher at particular hillslope positions. These spatial differences, even in the relatively flat terrain of Burkina Faso, are also confirmed by Cs-137 measurements with averaged soil loss rates of less than 5 t/ha/yr and maximum erosion rates of more than 50 t/ha/yr in erosion hotspots. The identification of such hazard zones can be used to target site-specific land management options. WEPP model simulations show that the application of stone lines, minimum tillage, contour farming and residue management could reduce soil loss by up to 95 %, 70 %, 55 % and 45 % at these erosion-prone hillslope positions. <br /> At the catchment scale, sedimentation rates of three reservoirs are analyzed by bathymetric surveys, sediment core sampling and sediment yield calculations using the soil erosion and sediment delivery model WaTEM/SEDEM. For the model, a digital elevation models is generated and land-cover maps are derived from remote sensing images. A comparison between the initial and actual reservoir bed morphology shows that the reservoirs have lost approximately 10-15 % of their original storage capacity and more than 60 % of their inactive storage volume in the last 15 to 20 years. During that period, a sedimentation layer of 0.3 m to 0.5 m thickness has accumulated on the reservoir bed. This was verified by stratigraphical changes and downcore variations in sediment properties and Cs-137 concentrations. Predictions by WaTEM/SEDEM show similar magnitudes of siltation with specific sediment yield rates of 0.5 t/ha/yr to 3.4 t/ha/yr. <br /> These results indicate that the half-life of the dams might be reached in about 25 years assuming constant siltation rates under current conditions. In order to identify the sediment source areas and the potential soil-erosion risk zones leading to these high siltation rates, a spatially-explicit soil erosion and deposition hazard maps generated by WaTEM/SEDEM can be used. These hazard maps present a powerful tool to support policy makers in their decisions on which landscapes are primarily at risk and where action plans for sustainable soil and water conservation should be implemented.

<strong>Modellierung von Bodenerosion und Sedimentation von Stauseen auf Hang- und Wassereinzugsgebietsebene im semi-ariden Burkina Faso</strong><br /> Die Bodenerosion hat einen wesentlichen Einfluss auf die Landdegradierung semi-arider Gebiete in Afrika südlich der Sahara. Der Abtrag von humusreichem Oberboden am Hang verursacht schwerwiegende landwirtschaftliche Probleme, insbesondere für eine fragile Ackerbaugesellschaft, die von einer guten Bodenqualität zur Sicherung ihrer Existenzgrundlage abhängig ist. Der Abtrag von Bodensedimenten aus Quellgebieten hat gleichzeitig die Akkumulation von Sedimenten in Zielgebieten wie beispielsweise eingedämmten Rückhaltebecken zur Folge. Insbesondere die Verschlämmung von Kleinstauseen stellt für das Land Burkina Faso, in dem über tausend Staudämme gebaut worden sind, um das Regenwasser der uneinheitlich verteilten Niederschläge für die Trockenzeit stauen zu können, ein zunehmendes Umweltproblem dar. In naher Zukunft drohen diese Staudämme ihre Funktion als unverzichtbare Wasserspeicher für Haushalt, Bewässerungsfeldbau und Viehzucht zu verlieren. Um die Auswirkungen von Bodenerosion sowohl on-site als auch off-site zu bewerten, verfolgt die vorliegende Arbeit einen integrativen, skalenabhängigen Ansatz, bei dem einerseits das Ausmaß und die Intensität von Bodenerosion und deren Ablagerung auf Hang- und Einzugsgebietsebene quantifiziert werden und bei der andererseits die räumliche Dimension dieser Prozesse in einem komplexen Landschaftssystem im Südwesten Burkina Fasos berücksichtigt wird. <br /> Auf der Hangebene wird die räumliche Variabilität von Boden anhand von Bodenprofilen entlang einer Catena untersucht und in die Erosionsmodellierung mittels des physikalisch-basierten WEPP-Model miteinbezogen. Die Ergebnisse der Modellierung verdeutlichen, dass, obwohl die simulierten Abtragsraten für den Gesamthang als vergleichsweise gering einzuschätzen sind, diese bis zu vierzigfach erhöht an einzelnen Hangbereichen auftreten können. Auch Cs-137 Messungen bestätigen mit durchschnittlichen Abtragsraten von weniger als 5 t/ha/yr für den Gesamthang und maximalen Abtragsraten von mehr als 50 t/ha/yr in gefährdeten Zonen diese hohen, räumlichen und für die verhältnismäßig flache Landschaft Burkina Fasos auffälligen Differenzen. Die Identifikation dieser Gefährdungszonen kann jedoch einer standortspezifischen Anpassung von Landnutzungsmethoden dienen. Die Simulationsergebnisse des WEPP-Models zeigen, dass durch die Anlegung von Steinwällen, weniger intensiven Bodenbearbeitungsmethoden, Konturpflügen und Mulchsaat der Bodenabtrag an diesen besonders erosionsgefährdeten Hangbereichen um bis zu 95 %, 70 %, 55 % und 45 % reduziert werden könnte. <br /> Auf Wassereinzugsgebietsebene wird die Sedimentationsrate von drei Kleinstaudämmen durch bathymetrische Methoden, Sedimentbohrungen und die Berechnung der Sedimentfracht anhand des Bodenerosions- und Sedimentaustragsmodelles WaTEM/SEDEM ermittelt. Für die Modellierung wird ein digitales Höhenmodel erstellt, Landbedeckungskarten werden wiederum von Fernerkundungsbildern abgeleitet. Ein Vergleich zwischen der ursprünglichen und aktuellen Stauseemorphologie zeigt, dass die Staubecken in den letzten 15 bis 20 Jahren zwischen 10-15% ihrer gesamten Speicherkapazität und mehr als 60% ihres inaktiven Speichervolums eingebüßt haben. In diesem Zeitraum hat sich auch eine Sedimentschicht von 0.3 m bis 0.5 m Mächtigkeit auf dem Stauseeboden abgelagert, was mittels stratigraphischer Analysen und Veränderungen sedimentspezifischer Eigenschaften sowie Cs-137 Konzentrationen im Bohrkern belegt wird. Modellberechnungen mit WaTEM/SEDEM bestätigen einen ähnlich hohen Verschlämmungsgrad mit spezifischen Sedimentfrachtraten von 0.5 t/ha/yr bis 3.4 t/ha/yr. <br /> Die Ergebnisse verdeutlichen, dass - setzt man gleichbleibende Sedimentationsraten unter den heutigen Bedingungen voraus - die Halbzeit der prognostizierten Lebensdauer der Staudämme in etwa 25 Jahren erreicht sein wird. Um Sedimentbereitstellungsgebiete und potentielle Erosionsrisikobereiche, die zu diesem hohen Sedimenteintrag in Stauseen führen, zu identifizieren, dienen räumlich-detaillierte Bodenabtrags- und Akkumulationsgefahrenkarten, die mit WaTEM/SEDEM erstellt werden. Diese Gefahrenkarten können schließlich von Entscheidungsträgern als sinnvolle Planungsgrundlage genutzt werden, um festzulegen, welche Landschaftsbereiche vorrangig als Risikogebiete ausgewiesen werden sollten, um dort nachhaltige Boden- und Wasserschutzmaßnahmen zu implementieren.