Hydrological Analysis for Agricultural Water Availability in a Semi-Arid Terraced Catchment: A Case Study from Ta'izz Government, Yemen

Abstract

This particular study was carried out to evaluate agricultural water availability and the traditional water harvesting schemes in the Southern Uplands of Yemen. It analyses the effect of water harvesting in a terraced catchment, using the prevailing crop sorghum. Two methods were used: one in which the climatic water availability over the growing season was computed and compared with the crop water requirements, and another where a non-calibrated semi-distributed crop evapotranspiration model was used. In the latter method, two scenarios, one with and one without water harvesting, were compared. In the former method the climatic water availability was assessed by a reliability analysis of Ta'izz 10-day interval precipitation data. The exceedance probability was computed and inverted to compute the precipitation for an a priori defined probability. The results showed that under rainfed conditions the water supply for the reference crop sorghum was not sufficient. Mia�amirah, the study area in the Southern Uplands, receives more rainfall due to its higher altitude, consequently the precipitation was adapted. A water harvesting factor of 3 is needed to meet the crop water requirements if a precipitation reliability of 0.7 is assumed. For the semi distributed evapotranspiration model the 1998 hydro-meteorological field data were used. The water harvesting factors were derived by a terrain analysis and runoff measurements. The model used the reference evapotranspiration combined with crop coefficients factors to assess the crop evapotranspiration. In the rainfed scenario the water harvesting was neglected. With the water harvesting scenario the water harvesting factors were used to modify the precipitation. In both scenarios the model showed plant water stress during the initial and development stages, while during the mid-season and late-season ample rainfall reduced water stress. Especially during the development and mid-season stages water harvesting reduced water stress in duration and magnitude significantly, but the effect depended not only on the water harvesting factor but also on the total storage capacity of the soil in the root zone. For instance, the effect of water harvesting is limited in the initial stage because the rooting depth restricts the storage capacity where as in the development and mid- season stages the rooting depth increases. Most significant is the reduction of water stress in the development stage which coincides with the intermediate dry season. Spare rain and more adequate storage show the effect of water harvesting and reduce the number of days with water stress. However the number of days with water stress is still high in some zones. Both methods, the assessment of climatic water availability and the crop reference evapotranspiration model, achieve coherent results: The total annual rainfall in this region is, with 584 mm/a (Ta�izz, station), reasonably good for the Arabian Peninsula and sufficient for sorghum if the annual values are considered only. However the temporal distribution during the vegetation period provides a different picture. During the first half of the vegetation period the agricultural water supply on terraces, both rainfed and rainfed with water harvesting is critical, while in the second half of the season the situation is by far less tense. The high temporal variability of precipitation and the spatial distribution of different terrace types show that detailed studies with a common methodological framework are necessary before specific recommendations can be given. This study however, provides a contribution towards solving how this can be done and what the challenges the future may hold.

Die Arbeit untersucht die landwirtschaftliche Wasserverfügbarkeit und die traditionellen Flutbewässerungssysteme im südlichen Hochland des Jemens (Governorat Ta�izz). Anhand der vorherrschenden Nutzpflanze Sorghum wird der Waterharvesting-Effekt in einem terrassierten Einzugsgebiet analysiert. Dabei werden zwei Methoden eingesetzt: 1\. Die klimatische Wasserverfügbarkeit wird zeitlich differenziert berechnet und mit dem Pflanzenwasserbedarf verglichen. 2\. Es wird ein Niederschlags-Verdunstungsmodell erstellt, in dem zwei Szenarien mit einander verglichen werden: a) Regenfeldbau mit Waterharvesting und b) Regenfeldbau ohne Waterharvesting. Ad 1) Die klimatische Wasserverfügbarkeit basiert auf der Analyse der Überschreitungswahrscheinlichkeiten 10-tägiger Niederschlagssummen der meteorologischen Station in Ta�izz. Aufgrund der Invertierbarkeit der Überschreitungswahrscheinlichkeitsfunktion ist es zudem möglich, in einem Folgeschritt für eine a priori definierte Wahrscheinlichkeit die zu erwartenden Niederschläge zu berechnen. Die Berechnungen zeigen, dass für eine Überschreitungswahrscheinlichkeit von 0.5 und 0.7 Waterharvesting Faktoren von 4 bzw. 6 notwendig sind, um eine optimale Pflanzenwasserverfügbarkeit zu gewährleisten. Diese Ergebnisse sind für die Gegend nördlich von Ta�izz zutreffend. Im Untersuchungsgebiet Mia�amirah fällt jedoch signifikant mehr Niederschlag. Nach Anpassung der Niederschlagsdaten zeigt sich, dass bei einer Überschreitungswahrscheinlichkeit von 0.7 ein Waterharvesting Faktor von 3 in Mia�amirah hinreichend ist, um die optimale Pflanzenwasserverfügbarkeit zu gewährleisten. Ad 2) Das Niederschlags-Verdunstungsmodell basiert auf den hydroklimatologischen Daten der Messphase von 1998. Aus der Reliefanalyse und den Abflussmessungen werden die für das Modell notwendigen Faktoren des Waterharvesting abgeleitet. Zur Berechnung der pflanzenspezifische Evapotranspiration wird zunächst die Referenzverdunstung nach Pennman-Monteith ermittelt. Dann wird diese mit einer Funktion korrigiert, in der pflanzenspezifische Parameter und das Wachstumsstadium eingehen. Mit dem Modell werden die beiden Szenarien, Regenfeldbau mit Waterharvesting (Ist- Situation) und ohne Waterharvesting, miteinander verglichen. In beiden Szenarien tritt Wasserstress im Anfangs- und im Wachstumsstadium auf, während im Mittel- und im Endstadium häufige und ergiebigere Niederschläge den Wasserstress verringern. Der Einfluss des Waterharvesting verringert die Dauer und Stärke des Wasserstresses jedoch erheblich. Die Verbesserung der Pflanzenwasserverfügbarkeit hängt jedoch nicht nur von dem Waterharvesting Faktor ab, sondern darüber hinaus auch von der Wasserspeicherfähigkeit der durchwurzelten Bodenzone. Deshalb ist der Waterharvesting-Effekt im Anfangsstadium minimal. In diesem Stadium ist die Wurzeltiefe gering und deshalb die Mächtigkeit des Bodenwasserspeichers der begrenzende Faktor. Das ändert sich jedoch schlagartig, wenn mit dem Wachstums- Mittelstadium die Wurzeltiefe zunimmt. Am deutlichsten tritt der positive Effekt des Waterharvesting im Wachstumsstadium hervor. Dieses Stadium fällt mit der kleinen Trockenzeit im Juni/Juli zusammen. Begrenzte Niederschläge und größere Speicherfähigkeit in der durchwurzelten Bodenzone lassen den positiven Effekt des Waterharvesting hervortreten. Die Anzahl der Tage mit Wasserstress wird reduziert. Dort wo die Bodeneigenschaften jedoch schlecht sind, bleibt die Anzahl der Tage mit Wasserstress jedoch hoch. Die beiden angewendeten Methoden, die Berechnung der klimatischen Wasserverfügbarkeit und das Niederschlags-Verdunstungsmodell erzielen kohärente Ergebnisse. Für die Arabische Halbinsel ist ein Jahresniederschlag von 584 mm/a ( Ta�izz) relativ hoch und theoretisch ausreichend für den Anbau von Sorghum. Betrachtet man jedoch die zeitliche Verteilung der Niederschläge, zeigt sich ein differenzierteres Bild. Im Anfangsstadium der Vegetationsphase ist die Pflanzenwasserverfügbarkeit kritisch. Dies gilt für Regenfeldbaubedingungen wie auch, in etwas schwächerer Form, für Terrassen mit Waterharvesting, was auf die geringe Wasserspeicherfähigkeit der durchwurzelten Bodenzone zurückzuführen ist. Im Mittel- und Endstadium der Vegetationszeit ist die Pflanzenwasserverfügbarkeit entspannt. Die hohe zeitliche Variabilität des Niederschlags und die Differenzierung in unterschiedliche Terrassentypen zeigen, dass eine detaillierte Analyse der regionalen und lokalen Wasserverfügbarkeit notwendig ist, damit Aussagen zur Pflanzenwasserverfügbarkeit gemacht werden können. Diese Arbeit zeigt zwei Verfahren, mit denen dies möglich ist.