Modelling impacts of climate change on water resources in the Volta Basin, West Africa

Abstract

The Volta River Basin is one of the largest river systems in Africa covering an area of approximately 400,000 km² and shared by six riparian states of West Africa. The semi-arid to sub-humid regions of the basin are climate sensitive. The population is mainly dependent on rainfed agriculture and therefore highly vulnerable to the spatial and temporal variability to rainfall and climate change. Even though the per capita water availability of the basin may be perceived as normal, deforestation, land degradation, and high population growth rate coupled with global climate change promises to exacerbate the growing scarcity on water resources due to climate change, as water supplies are unreliable and insufficient to meet the water demands of the growing population. The basin has experienced prolonged dry seasons when many rivers and streams dried up, and lately flooding due to excessive rainfall.<br /> To assess the impact of plausible global climate change to regional climate as well as land surface andl as to sub-surface hydrology in the region of the Volta Basin, hydrology simulations were performed with the use of calibrated regional climate models. <br /> The WaSiM-ETH hydrological model was calibrated and validated at Pwalugu (north of basin) and Bui (south of basin). Using the WaSiM-simulated water balance for the period 1961-2000 as the basis for comparison, the simulated future (2001-2050) water balance in the Volta Basin shows increases in the mean annual discharge and surface runoff with the regional model MM5 and decreases with the regional model REMO. <br /> The results of the MM5 and WaSiM simulations show an annual mean temperature increase of 1.2°C over the basin. Mean annual precipitation increases for both the north and the south of the basin are projected. The averaged increase over the basin is about 15 %. The simulated mean change in discharge at the subsurface is about 40 % of total rainfall between the periods 1991-2000 and 2030-2039. Consequently, interflow and base flows are expected to increase in the range of 0 and 20 %, respectively. <br /> The results of two ensemble runs of the IPCC scenarios A1B and B1 by REMO applied to WaSiM show an annual mean increase in temperature of 1°C. Precipitation over the basin is expected to reduce between 3 % and 6 % in the period 2001-2050 compared to 1961-2000. An average decrease of 5 % is projected for total discharge with corresponding decreases in surface, lateral and base flows.

<strong>Modellierung der Auswirkung des Klimawandels auf die Wasserressourcen des Volta Einzugsgebiet, Westafrika</strong><br /> Das Voltabecken ist eines der größten Flusssysteme in Afrika und erstreckt sich über eine Fläche von circa 400.000 km² mit sechs westafrikanischen Anrainerstaaten. Die semi-ariden bis sub-humiden Regionen desVoltaeinzugsgebieest gehören zu den klimasensitiven Gebieten Afrikas. Die Bevölkerung ist überwiegend vom Regenfeldbau abhängig und daher sehr stark durch die räumliche und zeitliche Variabilität von Niederschlag und deren Änderung aufgrund des Klimawandels beeinflusst. <br /> Obwohl die mittlere Wasserverfügbarkeit pro Kopf der Bevölkerung im Einzugsgebiet nicht auf einen hohen Wasserstress hinweist, gibt es einen großen Gradienten zwischen dem Süden Ghanas und dem Norden Burkina Fasos. Es ist zu erwarten, dass Abholzung, Landdegradation und ein hohes Bevölkerungswachstum zusammen mit dem globalen Klimawandel zu einer Abnahme der verfügbaren Wasserressourcen führen wird, so dass der Wasserbedarf der zunehmenden Bevölkerung nicht befriedigt werden kann. <br /> In der Vergangenheit gab es im Einzugsgebiet einerseits lange Trockenzeiten, in denen Flüsse und Bäche austrockneten, sowie andererseits, wie in den letzten Jahren, extreme Überschwemmungen aufgrund von sehr starken Niederschlägen. Es ist zu erwarten, dass sich diese Extreme verstärken werden. Um die Auswirkungen des zu erwartenden globalen Klimawandels auf das regionale Klima und die Landoberfläche sowie auf die Wasserressourcen des Voltabeckens zu quantifizieren, wurden hydrologische Simulationen durchgeführt. Dafür wurde das hydrologische Modell WaSiM-ETH anhand der Abflüsse in Pwalugu (im Norden des Einzugsgebietes) und Bui (im Süden des Einzugsgebietes) kalibriert und validiert. Mit dem kalibrierten Modell wurden verschiedene Klimaszenarien berechnet, die mit zwei regionalen Klimamodellen erzeugt wurden.<br /> Die Klimaszenarien des MM5 Modells zeigen eine Zunahme der Niederschläge für den Zeitraum 2030-2039 was zu einer Zunahme der Wasserverfügbarkeit und der Abflüsse führt. Im Gegensatz dazu berechnet das Modell REMO für den Zeitraum 2001-2050 eine Abnahme der Niederschläge und somit eine Abnahme des verfügbaren Wassers. <br /> Die Ergebnisse der MM5-WaSiM-Simulationen zeigen eine jährliche mittlere Temperaturzunahme von 1,2°C und eine Zunahme des Niederschlags sowohl im Norden als auch im Süden des Einzugsgebietes von ca. 15 %. Die simulierte mittlere Zunahme des Gesamtabflusses beträgt ca. 40 % für den Zeitraum 2030-2039 verglichen mit 1991-2000. Als Folge der Änderung im Niederschlag wird eine Zunahme des Zwischenabflusses und des Basisabflusses von 0 bis 20 % erwartet.<br /> Die REMO-WASIM Ergebnisse der Ensembleläufe der beiden IPCC-Szenarien A1B und B1 zeigen eine jährliche mittlere Temperaturzunahme von 1°C. Die Niederschläge nehmen zwischen 3 % und 6 % im Zeitraum 2001-2050 im Vergleich zum Zeitraum 1961-2000 ab. Eine durchschnittliche Abnahme des Gesamtabflusses von 5 % wird durch entsprechende Abnahmen des Oberflächen-, Zwischen- und Basisabflusses erfolgen.