Modeling hydrological processes in a semi-arid mountainous catchment at the regional scale

Abstract

In the Upper Drâa Valley (14,988 km²) on the southern slopes of the Moroccan High Atlas Mountains, a highly variable precipitation and large evaporation losses cause major water availability problems. The combined effect of projected increase in water demand and temperature and a decrease in precipitation poses a major challenge for water managers in the region. To assess the actual state of the hydrological system (1978-2007), but also the impacts of future changes (2000-2049) a conceptual model, adapted to the characteristics of a semi-arid mountainous environment, has been applied. A spatially explicit altitudinal representation, an oasis-irrigation routine, a second linear storage aquifer and a reservoir management module have been implemented in the SWAT model, extending it to SWAT-MAROC (SWAT-Mountainous and Arid Regions Oriented Concept).<br /> During the validation period the model performs well on a monthly timescale at the basin outlet (CME: 0.89) and satisfactorily at the two main tributaries Oued Ouarzazate (CME: 0.69) and Oued Dades (CME: 0.62). Furthermore model results are in line with validation data obtained from groundwater, snow and irrigation studies. Nevertheless the model exhibits flaws in representing water availability in groundwater-fed oases and soil water dynamics. <br /> Considering the variable sources of uncertainty, especially in arid and mountainous regions, a wide-ranging uncertainty assessment scheme, quantifying and comparing uncertainties with a signal-to-noise ratio, has been developed and applied. Uncertainties from the hydrological model are highest, followed by divergent signals from climate change ensembles, while the downscaling method has only minor effects on model results. <br /> It has been shown that climate change effects for the period 2000-2029 are subject to considerable uncertainties and no clear trends could be identified. For the period 2020-2049 the following developments are “likely” according to the IPCC terminology. Despite a decrease in precipitation (-11%) and especially snowfall (-31%), irrigation water availability in the surface water dependent oasis remains high enough (-5%) to sustain agriculture to the current extent. In contrast, water availability at the reservoir is decreasing disproportionately high (-17%). Therefore the potential for riparian conflicts between the Upper Drâa and the Middle Drâa might augment. A further finding is that the reservoir Mansour-Eddahbi is likely to become inoperable due to siltation in the period 2030-2042, dependent on the assumed pathways of socio-economic development.

<strong>Modellierung hydrologischer Prozesse eines semi-ariden, gebirgigen Einzugsgebietes auf der regionalen Skala</strong><br /> Das südmarokkanische Obere Drâatal (14.988 km²), an der Südabdachung des Hohen Atlas gelegen, ist durch eine hohe Niederschlagsvariabilität und starke Verdunstung gekennzeichnet, die bereits heute die Wasserverfügbarkeit beeinträchtigen. Die kombinierte Wirkung des prognostizierten Anstiegs der Wassernachfrage und der Temperatur sowie des Rückgangs der Niederschläge stellen eine große Herausforderung für das Wassermanagement dar. Um den aktuellen Zustand des hydrologischen Systems (1978-2007) zu beurteilen und die Auswirkungen von zukünftigen Veränderungen (2000-2049) zu erfassen, wird ein konzeptionelles Modell verwendet, das an die Eigenschaften der semi-ariden gebirgigen Region angepasst wurde. Dafür ist das SWAT-Modell um eine räumlich explizite Darstellung der Höhengliederung, ein Oasen-Bewässerungs-Modul, einen zweiten Grundwasserleiter und ein Stausee-Management-Modul zu SWAT-MAROC (SWAT – Mountainous and Arid Regions Oriented Concept) erweitert worden. <br /> Während der Validierungsphase erzielte das Modell auf monatlicher Zeitskala am Gebietsauslass (CME: 0,89) sowie an den beiden wichtigsten Zuflüssen Oued Ouarzazate (CME: 0,69) und Oued Dades (CME: 0,62) gute bis zufriedenstellende Ergebnisse. Darüber hinaus stehen Modellergebnisse im Einklang mit Validierungsdaten aus Grundwasser-, Schnee- und Bewässerungsstudien. Mängel zeigt das Modell bei der Simulation des Wasserdargebots in grundwassergespeisten Oasen und der Bodenwasserdynamik. Um diversen Unsicherheitsquellen, vor allem in ariden und bergigen Regionen, gerecht zu werden, sind im Rahmen eines umfassenden Bewertungsschemas quantifizierbare Unsicherheiten mit einer Signal-to-Noise-Ratio verglichen worden. Unsicherheiten aus dem hydrologischen Modell sind am höchsten, gefolgt von divergenten Signalen aus den Klimaensembles, während das Downscaling nur geringe Auswirkungen auf die Trends zeigt.<br /> Die Auswirkungen des Klimawandels für den Zeitraum 2000-2029 sind mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und weisen keine eindeutigen Trends auf. Für den Zeitraum 2020-2049 sind folgende Entwicklungen „wahrscheinlich“ (entsprechend der IPCC Terminologie). Trotz einer Abnahme des Niederschlag (-11%) und insbesondere des Schneefalls (-31%), ist die Bewässerungswasserverfügbarkeit an den Oberflächenwasseroasen hoch genug (-5%), um die Landwirtschaft im aktuellen Umfang aufrecht zu erhalten. Die Wasserverfügbarkeit am Stausee hingegen nimmt überproportional ab (-17%). Deshalb könnte das Konfliktpotenzial zwischen den Wassernutzern des Oberen und Mittleren Drâa zunehmen. Weitere Implikationen für das mittlere Drâatal beinhaltet der Sedimenteintrag in den Stausee Mansour-Eddahbi. Dieser wird voraussichtlich in der Periode 2030-2042 versandet sein.

<strong>Modélisation des processus hydrologiques dans un bassin versant montagneux semi-aride à l'échelle régional</strong><br /> Dans la Haute V allée du Drâa ( 14.988 km²) située au sud du Haut Atlas M arocain, une précipitation très variable et de grandes pertes d' évaporation causent d es problèmes de disponibilité en eau. L'effet combiné projeté de l'augmentation de la demande e n eau et la température et une diminution des précipitations prévues constitue un défi majeur pour les gestionnaires de l'eau dans la région. Pour évaluer l'état actuel du système hydrologique (1978 - 2007), m ais aussi les impacts des changements futurs ( 2000 - 2049), un modèle conceptuel adapté aux caractéristiques d'un milieu semi - aride montagneuse, a été appliquée. Une représentation spatialement explicite d'altitude, une routine d'irrigation des oasis , un sec ond aquifère et un module de gestion des réservoirs ont été mis en œuvre dans le modèle SWAT, en l'étendant à SWAT – MAROC (SWAT – Mountainous and Arid Regions Oriented Concept) .<br /> Dans la période de validation , le modèle simule qualitativement bien sur une échelle de temps mensuelle à l'exutoire du bassin (CME: 0,89) ainsi que dans les deux principaux affluents Oued Ouarzazate (CME: 0,69) et Oued Dad e s (CME: 0,62). En outre les résultats du modèle sont en accord avec les données de validation obtenues à part ir d'études des e aux souterraines, de neige et d' irrigation. Néanmoins, le modèle présente des fai b l esse s dans la représentation de la disponibilité en eau dans les oasis alimentées par les eaux souterraines et de la dynamique de l'eau du sol.<br /> Les sources variables d'incertitude, en particulier dans les régions arides et montagneuses, ont été comparées dans le cadre d'un système d' évaluation des incertitudes, avec un Signal - to - Noise - Ratio . Les incertitudes de la modélisation hydrologique sont les plus élevé es suivi e s par des signaux divergents des ensembles de changement climatique, tandis que la méthode de downscaling n'a que des effets mineurs sur les résultats du modèle.<br /> Il a été démontré, que les effets du changement climatique pour la période 2000 - 2029 sont sujets à des incertitudes considérables et aucune tendance claire n'a pu être identifiée . Pour la période 2020 - 2049 les développements suivants sont "probables" selon la terminologie du GIEC. Malgré une diminution des précipitations ( - 11%) et surtout des chutes de neige ( - 31%), la disponibilité en eau d'irrigation dans l es oasis dépendant des eau x de surface reste assez élevé e ( - 5%) pour soutenir l'agriculture dans la mesure actuelle. En contraste, la disponibilité en eau , au niveau du réservoir est an ormalement en forte baisse ( - 17%). Par conséquent, le potentiel de conflits entre les riverains du Haute et Moyen Drâa pourrait augmenter. Une autre constatation est q ue le réservoir Mansour - Eddahbi est susceptible de devenir inutilisable en raison de l'en vasement dans la période 2030 - 2042 .