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

Abstract -------- 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. -------- Resume -------- La competition 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 combines de la croissance demographique galopante et du changement climatique. Les populations du bassin dependent fortement d'une agriculture pluviale de subsistance qui demeure tres sensible aux variabilites climatiques. Les inondations et les secheresses recurrentes endommagent les infrastructures et creent 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 adequates pour renforcer la resilience a la penurie d'eau et favoriser la securite de l'eau. Cette these de doctorat propose une demonstration elaboree et innovante de la combinaison du Water Accounting Plus (WA+) avec la modelisation hydrologique et les scenarios de changement climatique pour faire un rapport de l'etat actuel et futur des ressources en eau dans le VRB. WA+ ou "comptabilite de l'eau" est un outil standard de gestion de l'eau qui fournit une analyse complete des ressources en eau en termes de disponibilite et de consommation d'eau en fonction de differents usages du sol. La methodologie adoptee aborde les principaux defis poses par la modelisation hydrologique a grande echelle dans des regions ou les donnees sont rares, comme le VRB. Ces defis comprennent la question des donnees manquantes dans les series temporelles de debit, la fiabilite des donnees satellitaires et de reanalyse pour faire tourner ou calibrer des modeles hydrologiques comme alternative aux mesures sur site, et la justesse de la representation spatiale et temporelle des processus hydrologiques avec des modeles spatialement distribues. Une nouvelle strategie de calibration multivariee est proposee pour ameliorer la representation des processus hydrologiques avec le modele mesoscale Hydrologic Model (mHM). La nouvelle strategie de calibration de modele repose sur l'utilisation de plusieurs donnees satellitaires et de reanalyse provenant de diverses sources. Un large ensemble de modeles climatiques est utilise pour evaluer les impacts du changement climatique sur les ressources en eau en considerant divers scenarios. Les sorties du modele mHM sont utilisees pour alimenter le WA+ afin de faire une description complete des conditions actuelles et futures des ressources en eau dans le VRB. Les resultats 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 consequent, il est opportun d'adopter des mesures d'adaptation pour augmenter la capacite de stockage de l'eau dans le bassin de la Volta afin de faciliter une bonne exploitation de l'augmentation prevue de l'apport net en eau, ce qui serait benefique pour la production agricole et la production hydroelectrique.