Spatially explicit hydrological modelling for water accounting under climate change in the Volta River Basin in West Africa

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Serval ID
serval:BIB_08A0D80C87B7
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
Spatially explicit hydrological modelling for water accounting under climate change in the Volta River Basin in West Africa
Author(s)
Dembélé Moctar
Director(s)
Mariéthoz Grégoire
Codirector(s)
Schaefli Bettina
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Accepted
Issued date
11/09/2020
Language
french english
Abstract
Abstract
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Competition for scarce water resources in the Volta River Basin (VRB) of West Africa will increase in the near future due to the combined effects of rapid population growth and climate change. Residents are dependent on subsistence, mainly rainfed agriculture that is sensitive to climate variabilities. Recurrent floods and droughts damage properties and take lives. Information on water resources and their future trends is fundamental for water actors, as the basis for proper management and implementation of adequate measures to bolster resilience to water scarcity and foster water security.
This PhD thesis proposes a novel and clear demonstration of combining the Water Accounting Plus (WA+) framework with hydrological modelling and climate change scenarios to report on the current and future states of water resources in the VRB. WA+ is a standardized framework that provides a comprehensive view of the water resources in terms of water availability and consumptive uses with respect to different land uses.
The adopted methodological framework addresses key challenges posed by large-scale hydrological modelling in data scarce environments such as the VRB. These challenges include the issue of missing data in streamflow records, the reliability of satellite and reanalysis data for forcing or calibrating hydrological models as an alternative to in-situ measurements, and the accuracy of the spatial and temporal representation of hydrological processes with spatially explicit models. A novel multivariate model calibration strategy is proposed to improve the representation of hydrological flux and state variables simulated with the fully distributed mesoscale Hydrologic Model (mHM). The proposed calibration strategy relies on the use of multiple satellite and reanalysis datasets from various sources. Then, a large ensemble of climate models are used to assess the impacts of climate change on water resources under various scenarios. The outputs of the mHM model are used to feed the WA+ framework to comprehensively report on the current and future conditions of water resources in the VRB.
The results show a clear increase in the projected exploitable water fraction while a decrease is expected in the available water fraction in the near future (2021-2050). Consequently, there is a clear need for adaptation measures to increase the water storage capacity in the VRB to facilitate a good exploitation of the projected increase in the net inflow, which would be beneficial for agriculture production and hydropower generation.
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Résumé
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La compétition pour l'usage de l'eau dans le bassin de la Volta (VRB) en Afrique de l'Ouest va s'intensifier dans un futur proche en raison des effets combinés de la croissance démographique galopante et du changement climatique. Les populations du bassin dépendent fortement d'une agriculture pluviale de subsistance qui demeure très sensible aux variabilités climatiques. Les inondations et les sécheresses récurrentes endommagent les infrastructures et créent des pertes en vie humaine. Les informations sur les ressources en eau et leurs tendances futures sont essentielles pour les acteurs de l'eau, car elles constituent la base d'une bonne gestion de l'eau et de la mise en oeuvre de mesures adéquates pour renforcer la résilience à la pénurie d'eau et favoriser la sécurité de l'eau.
Cette thèse de doctorat propose une démonstration élaborée et innovante de la combinaison du Water Accounting Plus (WA+) avec la modélisation hydrologique et les scénarios de changement climatique pour faire un rapport de l'état actuel et futur des ressources en eau dans le VRB. WA+ ou "comptabilité de l'eau" est un outil standard de gestion de l'eau qui fournit une analyse complète des ressources en eau en termes de disponibilité et de consommation d'eau en fonction de différents usages du sol. La méthodologie adoptée aborde les principaux défis posés par la modélisation hydrologique à grande échelle dans des régions où les données sont rares, comme le VRB. Ces défis comprennent la question des données manquantes dans les séries temporelles de débit, la fiabilité des données satellitaires et de réanalyse pour faire tourner ou calibrer des modèles hydrologiques comme alternative aux mesures sur site, et la justesse de la représentation spatiale et temporelle des processus hydrologiques avec des modèles spatialement distribués. Une nouvelle stratégie de calibration multivariée est proposée pour améliorer la représentation des processus hydrologiques avec le modèle mesoscale Hydrologic Model (mHM). La nouvelle stratégie de calibration de modèle repose sur l'utilisation de plusieurs données satellitaires et de réanalyse provenant de diverses sources. Un large ensemble de modèles climatiques est utilisé pour évaluer les impacts du changement climatique sur les ressources en eau en considérant divers scénarios. Les sorties du modèle mHM sont utilisées pour alimenter le WA+ afin de faire une description complète des conditions actuelles et futures des ressources en eau dans le VRB.
Les résultats montrent une nette augmentation de la fraction d'eau exploitable dans un futur proche (2021-2050), tandis qu'une diminution de la fraction d'eau disponible est attendue. Par conséquent, il est opportun d'adopter des mesures d'adaptation pour augmenter la capacité de stockage de l'eau dans le bassin de la Volta afin de faciliter une bonne exploitation de l'augmentation prévue de l'apport net en eau, ce qui serait bénéfique pour la production agricole et la production hydroélectrique.
Keywords
Hydrological modelling, Water accounting, Climate Change, Volta river basin, West Africa, Ungauged basins, Distributed hydrological models, Actual evaporation, Satellite remote sensing, Reanalysis, Model parametrization, Hydrological processes, Spatial patterns, Multi-variable calibration, Multi-objective function
Create date
06/10/2020 15:59
Last modification date
15/12/2020 6:24
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