Application and comparison of two analytical tools of decision support for the management of resources in a river basin in Tunisia

Abstract

The objective of this study was to adapt and evaluate the applicability of a physically-based spatially distributed hydrological model SWAT (Soil Water Assessment Tool) and IWRM integrated water resources management lumped model WEAP (Water Evaluation And Planning) for simulating the main hydrologic processes in arid environments. The models were applied to the 1200-km2 watershed of wadi Merguellil in central Tunisia to investigate the hydrological response of the basin. The sensitivity analysis of hydrology, soil and vegetation parameters of SWAT and WEAP helped to identify influential parameters and this could serve as a guide in calibrating the models. The main adjustment for adapting WEAP and SWAT model to this dry Mediterranean watershed was the inclusion of water soil conservation works WSCWs, which capture and use surface runoff for crop production and aquifers recharge in upstream basins. The models were run and the simulated runoff values were compared with the measured stream-flow values. In the calibration period the Nash efficiency coefficient for the SWAT and WEAP models were respectively 0,64 and 0,41 for the runoff. The value of Nash coefficient indicates that the result of SWAT model is acceptable contrasting the WEAP model. SWAT simulation was better than WEAP in most case and could be used with reasonable confidence for runoff quantification in the Merguellil watershed. For the SWAT model, The results of the water balance simulation at monthly and annual time scales was generally good and the observed stream-flow in Zebess, Skhira, Haffouz and El Houareb flow-gages could be reproduced satisfactorily. An estimation of the suspended sediments and nutrients loads in the watershed was performed without calibration because of missing data. Several hypothetical scenarios of land use and climate change were generated by the SWAT and WEAP models in order to determine the impact of the variation of land management and climate change on water demand and supply on downstream water users.

L’obiettivo del presente studio è quello di adattare e valutare il campo di applicazione del modello idrogeologico bidimensionale physically-based SWAT (Soil Water Assessment Tool), Strumento di valutazione di acqua e suolo, e del modello WEAP (Water Evaluation And Planning), Valutazione e pianificatione delle risorse idriche, per l’analisi integrata della gestione delle acque, IWRM (Integrated Water Resources Management), al fine di simulare i principali processi idrologici in ambienti aridi. Nella fattispecie, i modelli sono stati applicati al bacino dello Wadi Merguellil, che si trova nella parte centrale della Tunisia e si estende su di una superficie pari a 1200 Km2. L’analisi di sensibilità dei parametri idrogeologici, di suolo e vegetazione dei modelli SWAT e WEAP, ha permesso l’identificazione dei parametri determinanti che possono essere utilizzati come linea guida nella calibrazione dei modelli stessi. Il principale aggiustamento per l’adattamento dei modelli, WEAP e SWAT, al bacino mediterraneo arido, oggetto di studio, è stata l’introduzione della componente WSCWs, Water soil conservation works, contenente le misure per la conservazione di suolo ed acqua; tale componente permette di catturare ed usare l’acqua di ruscellamento, per la produzione di raccolti e per la ricarica dei bacini a monte del bacino stesso. I modelli sono stati messi a punto ed i valori di deflussi simulati sono stati paragonati a quelli delle portate di deflusso stream-flow misurate a valle del bacino. Nel periodo di calibrazione il coefficiente di efficienza di Nash, per i modelli SWAT e WEAP ha assunto rispettivamente valori di 0.64 e 0.41, per quanto riguarda i valori di deflussi. Secondo tali valori di Ens il modello SWAT risulta accettabile in contrasto con i risultati del modello WEAP. Pertanto. la simulazione ottenuta tramite il modello SWAT risulta migliore di quella ottenuta con il modello WEAP nella maggioranza dei casi. Il modello SWAT può essere dunque utilizzato con un livello di confidenza ragionevole per quanto riguarda la quantificazione del ruscellamento nel bacino di Merguellil. I risultati della simulazione del bilancio idrico su scala mensile ed annuale, è stata generalmente buona e le portate di deflusso osservate alle stazioni di misura di Zebess, Skhira, Haffouz e El Houareb hanno potuto essere riprodotte in maniera soddisfacente. Una stima quantitativa dell’erosione e del carico dei nutrienti nel bacino è stata condotta senza possibilità di calibrare i risultati a causa della scarsità di dati. Diversi scenari ipotetici di uso del suolo e cambiamento climatico sono stati generati attraverso i modelli SWAT e WEAP, così da determinare l’impatto della variazione di tali fattori, uso del suolo e cambiamento climatico, sull’ approvvigionamento idrico degli utenti a valle del bacino stesso.