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Title: Hydrological modeling in a data-poor Mediterranean catchment (Merguellil, Tunisia). Assessing scenarios of land management and climate change
Other Titles: Applicazione di un modello idrologico ad un bacino Mediterraneo (Merguellil, Tunisia) in condizione di scarsezza di dati. Valutazione degli scenari connessi all’uso del suolo e ai cambiamenti climatici
Authors: Abouabdillah, Aziz
Keywords: SWAT;Hydrology;Watershed;Semi-arid;Alternative scenarios;Climate change;CGCM;Idrologia;Bacino;Semiarido;Scenari alternativi;Cambiamenti climatici;AGR/10
Issue Date: 23-Feb-2010
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 22. ciclo
Abstract: 
In the Mediterranean regions, hydrologic processes are quite specific due to the temporal variability of precipitation characterized by a succession of drought and flash-flood periods.
These processes may also have changed due to a range of human activities such as land use
changes, dams building, soil and water conservations works. The Merguellil catchment (Central Tunisia) is a typical Mediterranean semi-arid basin which suffers regular water shortage aggravated by current drought. It extends on an area of about 1200 km² upstream of the El Houareb dam which presents its outlet. This semi-arid zone is exposed to a high variability of rainfall in time and space. Annual means vary between 300 mm in the plain and 500 mm in the highest parts. During the recent decades the continuous construction of small and large dams and Soil and Water Conservation Works (SWCW) (ie. Counter ridges) has taken place within the watershed. These practices, that currently cover nearly of the basin
surface, are classified in two categories: the practices on basin slopes constituted essentially by contour ridges (200 Km²) and the practices on the hydrographical network by implantation of small hilly dams draining about 170 Km. These water harvesting systems may intercept runoff at the upstream part of the catchment, thus depriving potential downstream users of their share of the resources. However, little is known about the effect of these water harvesting systems on the water balance components of arid watersheds. In such a vulnerable situation of water resources availability, it can be expected that the impact of climate change will further worsen the situation.
The work presented here attempts to simulate the actual water and nutrient balance using the integrated hydrological model “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT 2005). The
simulation results revealed that vapotranspiration is the major component of the hydrological balance. Hydrological Calibration (1992-1994) and validation (1998) have been carried out referring to daily flow data at the Hafouz and Skhira flow-gauges. The model performance
was satisfactory and the Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient ranges from 0.6 to 0.7.
The model was rather successful in reproducing water flow. However the low sampling frequency and the lack of detailed water quality measurement data did not allow an in-depth evaluation of the SWAT performance in predicting nutrient and sediment. Some scenarios were further generated. The first one regards the removal of contour ridges to assess their impact to water and sediment load. The results show that the contour ridges contribute to the
retention of high quantity of sediment. These regulations reduce the surface runoff by 32 %.
Planting the olive trees between contours could improve its yield. The second scenario
consists in the reduction of the applied fertilizers. By reducing 20% in the applied fertilizers no change was detected in the olive yield, while a small change was noted for durum wheat yield’s (-2%). Whereas a net decrease in nutrient load was observed at the outlet. This reduction ranges, from 3 to 10% for nitrates, from 2.5 to 8% for total nitrogen and from 13 to 16.5 % for total phosphorus. Finally, the SWAT model was used to study the impact of future climate on water resources of this Mediterranean catchment. Future climate scenarios for periods of 2010-2039 and 2070-
2099 were generated from the Canadian Global Coupled model (CGCM 3.1) for scenarios
A1B, B1, and A2. These CGCMs data were then statistically downscaled to generate future
possible local meteorological data of precipitation and temperature in the study area. SWAT model was run first under current climate (1986-2005) and then for the future climate period to analyze the potential impact of climate change on flow, evapotranspiration, and soil moisture across this catchment. Finally, Richter et al.’s Indicators of Hydrologic Alteration
(IHA) were used to analyze the flow regime alterations under changing climate. The main
results indicate that this catchment would suffer a combination of increased temperature and reduced rainfall that will reduce water resources in this area. Consequently, summer droughts would be intensified. Different spatial responses to climate change were observed in the
catchment for near future simulations. Higher altitude regions would experience an increase of the total water yield, while a reduction is foreseen for lower parts. For far future, a noticeable decrease would affect water resources in all part of the catchment.

Nelle regioni del Mediterraneo, i processi idrologici sono caratterizzati dalla variabilità
temporale delle precipitazioni che si manifesta attraverso la successione di periodi di siccità e
allagamenti.
L’alterazione dei processi idrologici nell’area del Mediterraneo è attribuibile, oltre che alle
alterazioni climatiche globali, anche alla pressione antropica sul territorio attraverso la
modificazione dell’uso del suolo, la costruzione di sbarramenti fluviali e le opere di
protezione idraulica e del suolo.
Il bacino idrografico di Merguellil (nella Tunisia centrale) è un tipico bacino semi arido del
Mediterraneo caratterizzato da un deficit idrico aggravato dagli attuali eventi siccitosi. L’area
è contraddistinta da un’elevata variabilità delle precipitazioni nello spazio e nel tempo. In
particolare, la media annuale di precipitazione varia tra 300 mm nelle aree di pianura e 500
mm in quelle più alte. Nel corso degli ultimi decenni il bacino è stato interessato dalla
costruzione di dighe e le opere di protezione idraulica e del suolo. Queste pratiche, che
attualmente ricoprono il 25% della superficie del bacino, si distinguono in due categorie di
interventi: quelle che interessano i versanti del bacino, essenzialmente fossi di guardia e
terrazzamenti (200 km2), e quelle che insistono sul reticolo idrografico attraverso la
costruzione di sbarramenti (170 km). Questi sistemi di raccolta dell’acqua intercettano il
ruscellamento superficiale della parte più elevata del bacino, privando la parte bassa di una
cospicua aliquota d’acqua. Tuttavia, l’effetto di questi interventi di sistemazione idraulica
sulle componenti del bilancio idrico dei bacino aridi è poco conosciuto.
In tale situazione di vulnerabilità delle risorse idriche, ci si attende che l’impatto dei
cambiamenti climatici peggiori la situazione. Il presente lavoro ha lo scopo di modellare le
risorse idriche attuali e il bilancio dei nutrienti nel bacino di Merguellil utilizzando il modello idrologico integrato “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT, 2005). I risultati delle
simulazioni rivelano che l’evapotraspirazione è la principale componente del bilancio idrologico. La calibrazione idrologica (1992-1994) e la validazione (1998) è stata condotta riferendosi ai dati giornalieri di portata delle stazioni idrolometriche di Hafouz e Skhira.
La performance del modello è stata soddisfacente ottenendo un coefficiente di efficienza di
Nash-Sutcliffe che varia tra 0.6 e 0.7. Il modello ha riprodotto correttamente le portate.
Tuttavia la bassa frequenza di campionamento e la carenza di misure dettagliate di qualità dell’acqua non hanno permesso di valutare approfonditamente le performance di SWAT nel
simulare il carico di nutrienti e sedimenti.
Sono stati generati alcuni scenari. Il primo scenario riguarda la rimozione dei fossi di guardi per valutare il loro impatto sul carico idraulico e dei sedimenti. Queste regolazioni riducono il ruscellamento superficiale del 32%. La piantumazione di alberi di ulivo tra i fossi di guardia potrebbe migliorare la resa. Il secondo scenario consiste nella riduzione dei fertilizzanti utilizzati. Attraverso la riduzione del 20% del quantitativo dei fertilizzanti nessun
cambiamento della resa degli ulivi è stato osservato, mentre un ridotto cambiamento è stato
osservato nella resa del grano duro (-2%). Invece una netta diminuzione nel carico di nutrienti
è stata osservata all’uscita. Questa riduzione varia dal 3% al 10% per i nitrati, dal 2.5% all’8% per l’azoto e dal 13% al 16.5% per il fosforo totale.
Infine, il modello SWAT è stato utilizzato per lo studio di impatto del clima futuro sulle
risorse idriche del bacino idrografico. Gli scenari climatici futuri per il periodo 2010-2039 e 2070-2099 sono stati generati dal modello accoppiato globale canadese CGCM 3.1 per gli
scenari di emissione A1B, B1, e A2. I dati del modello climatico CGCM sono stati sottoposti
ad una procedura di downscaling statistico per generare scenari locali di precipitazione e
temperatura dell’area di studio. Il modello SWAT è stato fatto girare prima in condizioni
climatiche attuali (1986-2005) e poi in condizioni di cambiamento climatico futuro per
analizzare l’impatto potenziale dei cambiamenti climatici sulla portata, evapotraspirazione ed
umidità del suolo del bacino in esame. Infine, per analizzare le alterazioni del regime di
portata sono stati utilizzati gli indicatori dell’alterazione idrologica (Indicators of Hydrologic Alteration –IHA) di Richter et al. I risultati principali indicano che nel bacino studiato, l’azione combinata dell’ incremento di temperatura e riduzione della precipitazione, porterà alla riduzione delle risorse idriche. Gli effetti del cambiamento climatico sulle risorse idriche del bacino non sono univoci per tutta l’area, ma si differenziano in base alle caratteristiche topologiche del territorio. Le regioni ad alte altitudine subiscono un incremento del tasso totale d’acqua, mentre per le parti basse si prospetta una riduzione. Per l’ultimo trentennio del secolo, invece una pesante diminuzione delle risorse idriche influenzerà tutte le parti del bacino.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale
URI: http://hdl.handle.net/2067/960
Rights: If not otherwise stated, this document is distributed by the Tuscia University Open Archive under a Creative Commons 2.0 Attribution - Noncommercial - Noderivs License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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