The impact of sedimentation and climate variability on the hydrological status of Lake Hawassa, South Ethiopia

Abstract

Lake Hawassa is a topographically closed lake in the Central Main Ethiopian Rift Valley. The water level of this lake has been rising significantly with an average rate of 4.9 cm/year over the study period (1970-2010). The cause of this rise is not yet sufficiently investigated. The main target of this study is to investigate causal variables for lake level variability in general, and its resultant rise in particular. The study is based on two main hypotheses. The first is concerned with the effect of climate variability on the lake level variability; and the second is related to the effect of sedimentation on the storage capacity of the lake. <br /> The first hypothesis (the effect of climate variability) was investigated through the application of diverse statistical techniques. It comprises the coherence analysis to study the linear relationship between the 3.4 ENSO index and lake level changes. A sequential regime shift algorithm was employed to investigate the variations in the mean values of some selected hydro-climatic variables. Trend test was also used to investigate the variability of the hydro-climatic variables overtime. A simple water balance approach was applied to simulate the lake level variability so as to examine how the model behaves throughout the study period.<br /> The second hypothesis (the effect of sedimentation) was approached by conducting a new bathymetric survey. The result of the new survey was compared with the existing bathymetric map of 1999. The Pacific-Southwest Inter-Agency Committee (PSIAC) model was also employed to identify the "hot-spots" of sediment production in the watershed. In this semi-quantitative model, nine factors affecting sediment yielding the watershed were characterized, rated, and an overlay analysis was performed. Participatory assessment of anthropogenic factors that affect the hydrological status of the lake was conducted through the application of DPSIR (Drivers-Pressures-State-Impact-Response) analytical framework.<br /> The result of the coherence analysis between the monthly lake level changes and the corresponding changes in the ENSO index reveals that the two variables have significant linear relationship over frequencies ranging from 0.13 to 0.14 cycles/month or 1.56 to 1.68 cycles/year. This corresponds to a dominant average periodicity (coincident cycle) of about 7.4 months. Furthermore, the result of sequential regime shift detections show that most of the significant change points coincide with the occurrences of ENSO events and climate shifts. Generally, the lake level tends to be high during El Niño and low during La Niña years. The typical example is the coincidence of extreme historical maximum lake level to the strongest El Niño event of the century that occurred in 1997/98. The coincidence of climate regime shift in the Pacific Ocean in 1976/77 with an equivalent regime shift in the lake level and rainfall records of this period is considered as additional evidence. The study further reveals the existence of sequential regime shifts in stream flow, runoff coefficient, and lake evaporation which clearly coincide with the occurrences of ENSO phenomena. Results of the Mann-Kendall trend analyses also reveal the significant increasing trend of the lake level and streamflow. On the contrary, decreasing trend of evaporation was observed while rainfall exhibits no trend over the study period.<br /> The long-term increasing trend of streamflow from Tikur Wuha sub-watershed without the corresponding increment in rainfall is found to explain the role of land use/cover changes at least in modifying the impact of climate. The application of simple spreadsheet water balance model estimates the long-term (1986-2006) average annual magnitudes of the water balance components as follows: over-lake precipitation (89 Mm3), evaporation from the lake surface (132 Mm3), streamflow from the Tikur Wuha sub-watershed (94 Mm3), and streamflow from the un-gauged sub-watershed (77 Mm3) and storage changes (3 Mm3).<br /> Comparison of the two bathymetric maps shows that the average accumulated sediment between the years 1999 and 2010 was estimated as 14 ± 5cm or 13.3 x106 m3. Assuming a constant rate, the mean annual average rate of sedimentation in the lake is about 1.2 cm/year or 1.1 x106 m3. Accordingly, the mean annual reduction in storage capacity of the lake due to siltation is 0.08 %. <br /> The attempt to link sediment yield estimate of the bathymetric approach with the estimates of the PSIAC model results in a considerable disagreement as the former estimates 967 m3/km2/year whereas the latter estimates the sediment yield to be in the range of 95-250 m3/km2/yr. <br /> The result of participatory assessment of anthropogenic factors and review of previous studies shows that anthropogenic factors show considerable impact on the hydrological status of the lake. Sedimentation and increased runoff are perceived as pressures (immediate causes) for the lake level rise (state). These pressures are perceived to arise from drivers (land use changes, deforestation and misuse/mistreatment of land resources). These drivers in turn had resulted from indirect drivers that comprised population growth and density, agricultural development, the use of wood as fuel, socio-economic changes, and the existing land tenure system. The interesting finding of this assessment of anthropogenic factors is the presence of promising policy instruments (responses) that support the integrated management of the lake and the watershed. The failure of implementation of these policy instruments is the commonly complained issues among the stakeholders.

<strong>Der Einfluss von Sedimentation und Klimavariabilität auf die Hydrologie des Hawassa-Sees, Südäthiopien</strong><br /> Der Hawassa-See ist ein Endsee im afrikanischen Grabenbruch, dessen Wasserstand im Zeitraum dieser Studie (1970-2010) jährlich im Durchschnitt um 4,9 cm gestiegen ist. Der Grund für diesen Anstieg ist noch nicht ausreichend erforscht. Das Hauptziel dieser Studie ist die Untersuchung der Ursachen für die Variabilität des Seewasserstandes im Allgemeinen und für den beobachteten Anstieg insbesondere. Dieser Arbeit liegen zwei Hypothesen zugrunde. Die erste bezieht sich auf die Auswirkungen der Klimavariabilität und die zweite auf die Auswirkung der Sedimentation auf die Speicherkapazität des Hawassa-Sees.<br /> Für die Untersuchung der ersten Hypothese (Auswirkung der Klimavariabilität) wurden verschiedene statistische Verfahren eingesetzt, darunter die Kohärenzanalyse, um die lineare Beziehung zwischen dem 3.4 ENSO-Index und der Wasserstandsänderung zu prüfen. Der sequential regime shift algorithm wurde verwendet, um zu untersuchen, ob die Kipppunkte der Mittelwerte ausgewählter hydro-klimatischer Variablen mit dem Auftreten bzw. der Intensität der ENSO-Ereignisse übereinstimmen. Weiterhin wurde eine Trendanalyse durchgeführt, um die zeitliche Variabilität klimatischer Parameter zu bestimmen. Mittels eines einfachen Wasserbilanzverfahrens wurden die Wasserstandsänderungen simuliert, um das Modellverhalten im Untersuchungszeitraum zu analysieren.<br /> Für die Analyse der zweiten Hypothese (Sedimentationseffekt) wurde eine neue bathymetrische Untersuchung durchgeführt und mit einer existierenden Bathymetrie aus dem Jahr 1999 verglichen. Das Pacific-Southwest Inter-Agency-Committee-Modell (PSIAC) wurde für die Bestimmung von „Hot-Spots“ der Sedimentproduktion eingesetzt. In diesem Modell werden neun Faktoren der Erosion und Sedimentation im Einzugsgebiet berücksichtigt, flächenhaft berechnet und überlagert. Abschließend wurde eine partizipative Bewertung der beeinflussenden anthropogenen Faktoren im Rahmen der DPSIR-Methode (Drivers-Pressures-State-Impact-Response) durchgeführt. <br /> Das Ergebnis der Kohärenzanalyse zwischen monatlichen Wasserstandsänderungen und den entsprechenden ENSO-Indices zeigt, dass die beiden Variablen eine signifikante lineare Beziehung im Frequenzbereich von 0,13 bis 0,14 Zyklen/Monat bzw. 1,56 bis 1,68 Zyklen/Jahr aufweisen. Dies entspricht einer dominierenden mittleren Periodizität von ca. 7,4 Monaten. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse der sequential regime shift detection, dass die überwiegenden Kipppunkte der ENSO-Ereignisse und der Klimaparameter übereinstimmen. Der Seewasserstand tendiert in El Niño-Jahren zu höheren und in La Niña-Jahren zu niedrigeren Werten. Ein typisches Beispiel ist die Übereinstimmung des historisch höchsten Seewasserstandes mit dem stärksten El Niño-Ereignis des letzten Jahrhunderts im Winter 1997/1998. Eine weitere Evidenz ist die Übereinstimmung der Verschiebung des Klimaregimes im pazifischen Ozean 1976/1977 mit einer entsprechenden Verschiebung des Seewasserstände und der Niederschläge im gleichen Zeitraum. Die Untersuchung zeigt auch die Existenz von weiteren Regimeverschiebungen in Abfluss, Abflussbeiwert und Evaporation in Übereinstimmung mit ENSO-Ereignissen. Die Ergebnisse der Mann-Kendall-Trendanalyse zeigen eine Übereinstimmung zwischen Seewasserstand und gemessenem Zufluss, wohingegen die Evaporation abnimmt und der Niederschlag keinen Trend zeigt.<br /> Die langfristige Zunahme der beobachteten Zuflüsse am Pegel Tikur-Wuha ohne Änderung des Niederschlags ist ein Hinweis auf die Bedeutung von Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen im Einzugsgebiet. <br /> Die Anwendung einer einfachen Tabellenkalkulation ergibt die langfristigen (1986-2006) mittleren Jahresbilanzen: Niederschlag über dem See (89 Mm³), Evaporation des Sees (132 Mm³), Zufluss des Tikur-Wuha Einzugsgebietes (94 Mm³), und Zufluss des nicht instrumentierten Einzugsgebietes (77 Mm³) sowie Speicheränderung (3 Mm³).<br /> Der Vergleich der beiden Bathymetrien ergibt eine Sedimentakkumulation in der Zeit von 1999 bis 2010 in Höhe von 14 ± 5cm oder 13.3 x10⁶ m³, was einem mittleren Wert von 1.2 cm/a oder 1.1x10⁶ m³ entspricht. Dies bedeutet einen Verlust an Speichervolumen in Höhe von 0.08% pro Jahr.<br /> Beim Versuch, die Ergebnisse der Bathymetrie (967 m³/km²/a) mit denen des PSIAC Modells (95-250 m³/km²/a) zu vergleichen, werden klare Unterschiede deutlich. <br /> Die Analyse vorheriger Studien und die teilnehmende Bewertung der anthropogenen Einflussfaktoren zeigen einen deutlichen Einfluss derselben auf die Hydrologie des Sees. Sedimentation und zunehmender Gebietsabfluss werden als Belastung (pressure) für den Seewasserstand (Status, state) angesehen. Diese Belastung ist eine Folge verschiedener Treiber (drivers: Landnutzungsänderung, Abholzung, unangemessene Nutzung der Landressourcen). Diese direkten Treiber werden von indirekten Treibern wie Bevölkerungswachstum, landwirtschaftliche Entwicklungen, Feuerholznutzung, sozio-ökonomische Änderungen sowie den existierenden Besitzverhältnissen beeinflusst. <br /> Interessanterweise existieren vielversprechende politische Instrumente (response), die das integrierte Management des Sees und seines Einzugsgebietes unterstützen. Das Versagen der Implementierung dieser politischen Instrumente wird von den betroffenen Stakeholdern beklagt.