Modeling Hydrological Responses to Changes in Land Cover and Climate in Geba River Basin, Northern Ethiopia

Abstract

This study addresses the past and potential future land cover and climate changes and their impacts on the hydrological response of Geba River Basin, Northern Ethiopia. The socio-economic development and food security of this area is limited by the high variable rainfall, serious water shortage and poor watershed management. In order to supplement rain-fed agriculture with other technological options, detailed understanding of the hydrological response of the basin and the impact to changes in land cover and climate is crucial. The analysis of the long-term hydrological and meteorological data reveals that the climate in the Geba River Basin is changing slower than the global average. Climate change scenarios were downscaled from general circulation models (HADCM3 and CGCM3) for the years 2030, 2050 and 2080. Landsat satellite images are analyzed to classify past land cover changes. Using these change detection analysis and Ethiopian Climate-Resilient Green Economy (CRGE) strategies on agricultural development, three future lands cover scenarios are developed for the year 2030. Based on the collected primary and secondary data, the hydrological model SWAT 2009 (Soil and Water Assessment Tool) was used to investigate the impact of land cover and climatic change on the stream flow. Surface runoff, interflow, base flow, ground water recharge and seasonal and annual evapotransipration are the main outputs of the model. Accordingly, about 61% of the precipitation in the basin is lost through evapotranspiration, 18% becomes surface runoff, and 8% is recharging the deep aquifer. The scenario analysis results show the implication of reduced water availability and impacts on agricultural production.

Die Arbeit befasst sich mit den vergangenen und möglichen zukünftigen Landbedeckungs- und Klimaveränderungen und ihre Auswirkungen auf die Hydrologie des Geba Einzugsgebiet, Nord Äthiopien. Die sozio-ökonomische Entwicklung und Ernährungssicherheit in diesem Gebiet werden durch hohe Niederschlagsvariabilltät, Wassermangel und schlechtes watershed management beschränkt. Um beispielsweise Regenfeldbau mit anderen technologischen Möglichkeiten zu ergänzen, ist ein detailliertes Verständnis der Veränderung der Hydrologie des Einzugsgebiets und die Auswirkungen der Landnutzungs- und Klimaänderungen von entscheidender Bedeutung. Die Analyse der langfristigen hydrologischen und meteorologischen Daten zeigt, dass sich das Klima im Geba Einzugsgebiet langsamer verändert als im globale Durchschnitt. Klimawandel- Szenarien wurden aus allgemeinen Zirkulationsmodellen (HadCM3 und CGCM3) für die Jahre 2030, 2050 und 2080 abgeleitet. Aus Basis von Landsat- Satellitenbilder werden Landnutzungsänderungen klassifiziert. Mit Hilfe dieser Klassifikation und der äthiopischen „Climate Resilient-Green Economy“-Strategie (CRGE) für die Entwicklung der Landwirtschaft werden drei Landbedeckungsszenarien für das Jahr 2030 entwickelt. Auf der Grundlage der gesammelten Primär-und Sekundärdaten, wurde das hydrologische Model SWAT 2009 (Soil and Water Assessment Tool) verwendet, um die Auswirkungen des Landbedeckungs- und Klimawandels auf den Abfluss zu untersuchen. Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss, Basisabfluss, Grundwasserneubildung und saisonale und jährliche Evapotransipration sind die hauptsächlichen Ergebnisse des Modells. Etwa 61% der Niederschläge im Einzugsgebiet gehen durch Evapotransipration verloren, 18% generieren Oberflächenabfluss und 8% tragen zur Grundwasserneubildung bei. Die Analyse der Szenarien zeigt die Auswirkungen der reduzierten Verfügbarkeit von Wasser und die Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion.