Logo
Department of Biology
Institute for Plant Science and Microbiology
    Division BEE  >  Biodiversity & Ecology  >  Vol.6 >  Article 2.8

Biodiversity & Ecology

 Water resources    Research article    Open Access 

Semi-arid catchments under change: Adapted hydrological models to simulate the influence of climate change and human activities on rainfall-runoff processes in southern Africa


Markus Meinhardt*, Melanie Fleischer, Manfred Fink, Sven Kralisch, Piet Kenabatho, Willem P. de Clercq, Henry Zimba, Wilson Phiri, Jörg Helmschrot

Article first published online: 24 April 2018

DOI: 10.7809/b-e.00313

*Corresponding author contact: meinhardt.markus@gmail.com

Biodiversity & Ecology  (Biodivers. Ecol.)

Climate change and adaptive land management in southern Africa - assessments, changes, challenges, and solutions,
edited by Rasmus Revermann, Kristin M. Krewenka, Ute Schmiedel, Jane M. Olwoch, Jörg Helmschrot & Norbert Jürgens
Volume 6, pages 114-130, April 2018
  PDF  (4.4 MB)

English

Abstract: A comprehensive river basin assessment is key to integrated land and water resources management (ILWRM), which is based on an integrated system analysis to identify interacting hydrological processes that are driven by landscape features and socioeconomic development. Software toolsets like RBIS (River Basin Information System), GRASS-HRU, and the hydrological modelling system JAMS/J2000 were used and further developed for basin assessments and modelling of hydrological process dynamics and other environmental processes in selected catchments in southern Africa. These are the Gaborone Dam catchment (Botswana, South Africa), the Verlorenvlei catchment (South Africa), and the Luanginga catchment (Angola, Zambia). All of these catchments respond very sensitively to changes in climate and land management, revealing additional issues like a strong decline of inflow (Gaborone Dam) or a decline of usable groundwater resources (Verlorenvlei). Further, extensive wetland areas in the Upper Zambezi (Luanginga) respond strongly to changes in hydroclimatic conditions and land management. In this study, newly developed and improved simulation components for representing processes with a strong local impact on the hydrological conditions such as floodplain inundation, irrigation, small farm dams, and contour bank farming were used to more precisely simulate the hydrology of the respective basins. After successful model validation and an improved understanding of catchment dynamics, the models were used as a platform for different land or climate change analysis. Taking the RCP 8.5 scenario based on EC-Earth and ECHAM, downscaled by REMO, into account, the Luanginga catchment showed a strong decrease in runoff generation, inundation extent, and groundwater recharge. For the Kruismannsrivier, a sub-catchment of the Verlorenvlei, the relation between contour farming and related eff ects on surface/subsurface runoff processes and related parameters were revealed through modelling. These findings could also be projected to the Gaborone Dam catchment, in which the influence of small farm dams spread over the catchment could be shown by modelling.

Portuguese

Resumo: Uma avaliação abrangente da bacia hidrográfi ca é essencial para a gestão integrada dos recursos terrestres e hídricos (ILWRM), a qual é baseada numa análise integrada do sistema para identifi car processos hidrológicos em interacção que são impulsionados pelas características da paisagem e o desenvolvimento socioeconómico. Ferramentas de software, tais como RBIS (River Basin Information System), GRASS-HRU e o sistema de modelação hidrológica JAMS/J2000, foram utilizadas e desenvolvidas para avaliações de bacias e modelação de dinâmicas de processos hidrológicos e outros ambientais em bacias selecionadas na África Austral. Estas são a bacia de Gaborone Dam (Botswana, África do Sul), bacia de Verlorenvlei (África do Sul) e bacia de Luanginga (Angola, Zâmbia). Todas estas bacias hidrográfi cas são muito sensíveis a alterações no clima e na gestão das terras, revelando problemas adicionais como um forte declínio no infl uxo (Gabarone Dam) ou um declínio nos recursos hídricos subterrâneos utilizáveis (Verlorenvlei). Além disso, extensas áreas de zonas húmidas no Zambezi Superior (Luanginga) respondem fortemente a alterações nas condições hidro-climáticas e na gestão das terras. Neste estudo, foram utilizados componentes de simulação recentemente desenvolvidos e melhorados para representar processos com um forte impacto local nas condições hidrológicas, tais como inundação de várzeas, irrigação, pequenas barragens agrícolas e agricultura de contorno, para simular com maior precisão a hidrologia das respectivas bacias. Após a validação bem-sucedida do modelo e uma melhor compreensão das dinâmicas das bacias, os modelos foram usados como uma plataforma para diferentes análises da terra e das alterações climáticas. Tendo em conta o cenário do RCP 8.5, baseado em EC-EARTH e ECHAM, downscaled pelo REMO, a bacia de Luanginga mostrou uma forte diminuição na produção de escorrência superfi cial, extensão de inundação e recarga de águas subterrâneas. Para o Kruismannsrivier, uma sub-bacia do Verlorenvlei, a relação entre a agricultura de contorno e os impactos relacionados com os processos de escorrência superfi cial/subterrânea (e parâmetros relacionados) foram revelados pela modelação. Estas descobertas podiam ser também projectadas para a bacia de Gaborone Dam, na qual a infl uência de pequenas barragens agrícolas espalhadas pela bacia podia ser demonstrada através da modelação.

Suggested citation:
Meinhardt, M., Fleischer, M., Fink, M., Kralisch, S., Kenabatho, P., de Clercq, W.P., Zimba, H., Phiri, W. & Helmschrot, J. (2018) Semi-arid catchments under change: Adapted hydrological models to simulate the influence of climate change and human activities on rainfall-runoff processes in southern Africa In: Climate change and adaptive land management in southern Africa – assessments, changes, challenges, and solutions (ed. by Revermann, R., Krewenka, K.M., Schmiedel, U., Olwoch, J.M., Helmschrot, J. & Jürgens, N.), pp. 114-130, Biodiversity & Ecology, 6, Klaus Hess Publishers, Göttingen & Windhoek. doi:10.7809/b-e.00313