Modeling water availability for smallholder farming in inland valleys under climate and land use / land cover change in Dano, Burkina Faso

Idrissou, Mouhamed

dc.contributor.advisor	Diekkrüger, Bernd
dc.contributor.author	Idrissou, Mouhamed
dc.date.accessioned	2020-05-05T10:42:00Z
dc.date.available	2020-05-05T10:42:00Z
dc.date.issued	05.05.2020
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/20.500.11811/8351
dc.description.abstract	Effective water management in inland valley catchments is crucial for adaptation to the adverse impact of climate change and land use and land cover change (LULCC) on smallholder farming systems, poverty reduction, attaining food security, and ecosystem preservations in the West African region. An intensive hydrological instrumentation of four sparse data catchments (Bankandi-Loffing, Mebar, Moutori, and Fafo in Dano, Burkina Faso) has been undertaken in order to better understand hydrological processes which control water availability, to calibrate and validate the physically-based and spatially distributed water balance simulation model WaSiM, to assess the impact of climate and land use and land cover change on water resources, and subsequently to derive strategies for improving the capacity of smallholder farmers to cope with water scarcity and climate variabilities. The instrumentation of the catchment helped to achieve three years (2014-2016) of high temporal and spatial resolution data. The temporal resolutions of meteorological and stream flow data were 5 min to 10 min, six hours to a week for piezometric data, and 30 min to a week for soil moisture data. Five rain recorders, seven stream gauges, 64 piezometers in shallow groundwater (< 5 m deep), and 64 soil moisture measurements at three different depths (5 cm, 30 cm, and 50 cm) were installed and operated in the four catchments (total area: 65 km²). Additionally, the groundwater tables of three relatively deep wells (6 m, 16 m, and 25 m deep) were monitored. The analyses of hydrographs and the flow duration curves (FDC) using observed discharge show less discharge in the headwater sub-catchments compared to the downstream sub-catchments. This is due to the low contribution of base flow in the headwater sub-catchments. The decomposition of total runoff using observed hydrographs and stream electric conductivity suggests that interflow is the major contributor to total discharge. The calibration and validation of the Bankandi-Loffing catchment achieved a good model performance using the coefficient of determination (R²), the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), the Kling-Gupta efficiency (KGE), and the percent bias (Pbias). The R² ranges from 0.47 to 0.95, NSE from 0.40 to 0.95, and KGE from 0.57 to 0.84 between the observed and simulated discharge. The numerical performance for soil moisture modeling is 0.70 for both R² and NSE, and 0.80 for KGE while for the groundwater table modeling the results are 0.30, 0.20, and 0.5 for R², NSE, and KGE, respectively. The fact that the transfer of the parameter set from Bankandi-Loffing to Mebar catchment without recalibration resulted in a good model performance (R²: 0.93, NSE: 0.92, and KGE: 0.84 in 2014-2015; R²: 0.65, NSE: 0.64, and KGE: 0.59) suggests the strong robustness of WaSiM in the investigated area. The resulting water balance shows that evapotranspiration is quantitatively the most important hydrological process, physical evaporation dominates the evapotranspiration, and 14% of rainfall runs out of the catchment as discharge. Interflow dominates runoff at the headwater sub-catchments whereas base flow is the major runoff component in the downstream area where the inland valley bottoms are located. The conversion of savanna to cropland leads to an increase of surface runoff. This is potentially associated with an exacerbation of soil erosion and soil fertility loss. Therefore, supplementing the current erosion technique (stone-belt) with agroforestry and/or mulching will reduce the negative effects of land cover change. Two scenarios were considered during the impact assessment. The first scenario evaluated exclusively the climate change impact by utilizing five regional climate models (RCMs) using land use and land cover (LULC) of the year 2013 for both the reference period (1971-2000) and the projection period (2021-2050). Each RCM is composed of the representative concentration pathways (RCPs) 4.5 and 8.5. The results indicate large uncertainty in the discharge projection for the future. Three RCMs predict an increase of total runoff for the projection period compared to the reference period. The mean total runoff increase is +61% (standard deviation Std= 31%) compared to the reference period. However, two RCMs project a decrease of total runoff. The mean total runoff decrease is -34% (Std= 10%) compared to the reference period. The second scenario utilizes the five RCMs and LULC 2013 for the reference period and LULC 2030 for the projection period in order to assess the combined impact of climate change and LULCC. The results suggest that LULCC exacerbates the increase of total runoff in combination with the three RCMs with a mean increase in total runoff by +108% (Std= 38%) compared to the reference period (versus mean= +61% in the first scenario). However, for the two RCMs predicting a decrease of total runoff, LULCC reduces the decrease of total runoff. The mean decrease is -20% (Std= 10%) compared to the reference period (versus mean= -34% in the first scenario). The results of this study can be used as input to water management models in order to derive strategies to cope with present and future water scarcities for smallholder farming in the investigated area.	en
dc.description.abstract	Modélisation de la disponibilité de l'eau pour les petites exploitations agricoles des bas-fonds sous l’influence du changement climatique, d’utilisation des sols / couverture végétale à Dano, Burkina Faso La gestion efficiente des ressources en eau dans les bassins versants des bas-fonds est indispensable non seulement pour l’adaptation aux impacts néfastes du changement climatique, utilisation sols / couverture végétale sur les petites exploitations agricoles, mais aussi pour réduire la pauvreté, l’insécurité alimentaire et préserver les écosystèmes en Afrique de l’Ouest. Une instrumentation hydrologique intensive de quatre (04) bassins versants pourvus de très peu de données (Bankandi-Loffing, Mebar, Moutori et Fafo situés à Dano, Burkina Faso) a été entreprise afin de mieux comprendre les processus hydrologiques qui contrôlent la disponibilité en ressources hydrologiques. Le modèle WaSiM (modèle à base physique distribué) a été utilisé, pour évaluer les impacts du changement climatique, d’utilisation des sols et de couverture végétale sur les ressources en eau. Cette étude pourra aider à développer des stratégies d’amélioration de la capacité des petits exploitants agricoles à surmonter les problèmes de manque d’eau et de variabilités climatiques. L'équipement hydrologique des bassins versants a permis d'obtenir durant trois (03) années (2014-2016) de données de hautes précisions temporelles et spatiales. Les précisions temporelles des données météorologiques et des données de débit des cours d'eau étaient de 5 à 10 minutes. Ces précisions étaient de 6 heures à une semaine pour les données piézométriques et de 30 minutes et une semaine pour les données sur l'humidité du sol. Cinq (05) pluviomètres, sept (07) station limnimétriques, soixante-quatre (64) piézomètres captant la nappe phréatique (< 5 m de profondeur), soixante-quatre (64) points de mesures de l'humidité du sol à trois profondeurs (5 cm, 30 cm et 50 cm) ont été installés et rendus opérationnels sur les quatre bassins versants (leur superficie total est d’environ 65 km²;). De plus, le niveau de la nappe phréatique a été régulièrement mesuré dans trois puits relativement profonds (6 m, 16 m et 25 m de profondeurs respectivement). Les analyses des hydrogrammes et des courbes de débits classés à partir des débits observés révèlent des débits plus faibles dans les sous-bassins en amont par rapport aux sous-bassins en aval. Cela s’explique en partie par la faible contribution des écoulements de base dans les sous-bassins en amont. La décomposition de l’écoulement à l'aide des hydrogrammes de débits observés et de la conductivité électrique des cours d'eau suggère que l'écoulement hypodermique est le principal contributeur des écoulements. La calibration et la validation de WaSiM pour le bassin versant de Bankandi-Loffing ont permis d'obtenir une bonne performance du modèle en utilisant le coefficient de détermination (R²), l'efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE), l'efficacité de Kling-Gupta (KGE), et le pourcentage de biais (Pbias). R² varie de 0,47 à 0,95, NSE de 0,40 à 0,95 et KGE de 0,57 à 0,84 entre les débits observés et les débits simulés. La performance numérique pour la modélisation de l'humidité du sol est de 0,70 pour les deux paramètres de performance R² et NSE, et de 0,80 pour KGE. Concernant la modélisation du niveau de la nappe phréatique, les résultats sont de 0,30, 0,20 et 0,5 pour R², NSE et KGE, respectivement. Le fait que le transfert du jeu de paramètres de Bankandi-Loffing au bassin versant de Mebar sans recalibration ait donné lieu à une bonne performance du modèle (R²: 0,93, NSE: 0,92, et KGE: 0,84 en 2014-2015 ; R²: 0,65, NSE: 0,64, et KGE: 0,59 en 2016) dénote une forte robustesse du modèle WaSiM pour la zone d’étude. Le bilan hydrique qui résulte de la modélisation montre que l'évapotranspiration est le processus hydrique le plus important quantitativement. L'évaporation physique est plus importante que la transpiration et 14% des précipitations s'écoulent du bassin versant sous forme d'écoulement de surface. Le ruissellement de surface domine les écoulements dans les sous-bassins en amont, tandis que l'écoulement de base est la principale composante des écoulements dans les sous-bassins en aval où se situent les bas-fonds. La conversion des savanes en terres cultivées entraîne une augmentation du ruissellement de surface. Ceci est potentiellement associé à une exacerbation de l'érosion et à la perte de fertilité des sols. Par conséquent, il serait envisageable de compléter les techniques anti-érosives actuelles (ceinture de pierres) par de l'agroforesterie et/ou du paillage. Deux scénarii ont été considérés lors de l’étude d'impact. Le premier scénario a évalué uniquement l'impact du changement climatique en se servant de cinq (05) modèles climatiques régionaux (RCMs) et de la carte d’utilisation des sols / couverture végétale de l'année 2013 (LULC 2013) pour la période de référence (1971-2000) et pour les projections futures (2021-2050). Chaque RCM est composé de profils représentatifs d’évolution des concentrations (RCPs) 4.5 et 8.5. Les résultats indiquent une grande incertitude des projections de débits d’écoulement pour l'avenir. Trois RCMs prévoient une augmentation moyenne annuelle de débits de +61% (écart-type Std = 31%) par rapport à la période de référence. En revanche deux RCMs prévoient une diminution des débits de -34% (Std = 10%) en moyenne par rapport à la période de référence. Le deuxième scénario a utilisé les cinq RCMs et le LULC 2013 pour la période de référence et le LULC 2030 pour le futur afin d'évaluer l'impact combiné du changement climatique et de le LULCC. Les résultats suggèrent que le LULCC accentue l'augmentation des débits quand il est combiné avec les trois modèles prévoyant l’augmentation des débits. L'augmentation moyenne des débits est de +108% (Std = 38%) par rapport à la période de référence (contre +61% en moyenne dans le premier scénario). Cependant, pour les deux RCMs qui prévoient une diminution des débits, le LULCC attenue le changement de débit. La diminution moyenne de débit est de -20% (Std = 10%) par rapport à la période de référence (contre –34% en moyenne dans le premier scénario). Les résultats de cette étude pourront servir de données d’entrée aux modèles de gestion des ressources en eau afin d’élaborer des stratégies pour faire face aux pénuries d’eau actuelles et futures pour les petites exploitations agricoles dans la zone d’étude.	fr
dc.language.iso	eng
dc.rights	In Copyright
dc.rights.uri	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subject	hydrological modeling
dc.subject	intensive instrumention
dc.subject	inland valley
dc.subject	smallholder farming
dc.subject	water resource
dc.subject	climate change
dc.subject	land use / land cover
dc.subject.ddc	550 Geowissenschaften
dc.subject.ddc	910 Geografie, Reisen
dc.title	Modeling water availability for smallholder farming in inland valleys under climate and land use / land cover change in Dano, Burkina Faso
dc.type	Dissertation oder Habilitation
dc.publisher.name	Universitäts- und Landesbibliothek Bonn
dc.publisher.location	Bonn
dc.rights.accessRights	openAccess
dc.identifier.urn	https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5-58434
ulbbn.pubtype	Erstveröffentlichung
ulbbnediss.affiliation.name	Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
ulbbnediss.affiliation.location	Bonn
ulbbnediss.thesis.level	Dissertation
ulbbnediss.dissID	5843
ulbbnediss.date.accepted	21.04.2020
ulbbnediss.institute	Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät : Fachgruppe Erdwissenschaften / Geographisches Institut
ulbbnediss.fakultaet	Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
dc.contributor.coReferee	Welp, Gerhard

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Format:: PDF

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