A water balance model of the Upper Blue Nile in Ethiopia

Abstract

This paper describes the development and validation of a water balance model of the Upper Blue Nile in Ethiopia. A major requirement of any modelling attempt is the availability of climatic and hydrological data. However, for the Upper Blue Nile, only a limited number of observation sites are available over a very large area. As a result, the model described here is a grid-based water balance model which requires limited data inputs, few parameters and runs on a monthly time-step. Climate is dominated by the influence of elevation in the river basin. Estimates of potential evapotranspiration (PE) and rainfall are predicted for 10-minute resolution grid cells for input to the model. These estimates are based on multiple regression models using latitude, longitude and elevation. In the basin, annual mean PE and rainfall range, with increasing elevation, from 1800 mm to 1200 mm and 924 mm to 1845 mm, respectively. In the model, vegetation cover is not explicitly treated and soil characteristics are spatially invariant. The model is calibrated to reproduce mean monthly runoff over a 37-year period (1953–1987), and validated by its ability to simulate sub-catchment runoff and historical variations in Blue Nile runoff. The key factor that determines model performance is the quality of the rainfall inputs, with the best results obtained with a time series comprised of long, good quality station data. Over a 76-year period the correlation between observed and simulated annual flows was 0.74 and the mean error was 14%, although fairly large errors occurred in individual years. Considering the paucity of data for the basin, these results are encouraging. The model is used to investigate spatial variability in the sensitivity of runoff to changes in rainfall and PE. The sensitivity is greatly affected by the runoff ratio of the model grid cells and it increases as grid cell runoff ratio decreases. The sensitivity is also affected by the seasonal distribution of rainfall. The paper ends with a discussion of the model's performance and its potential for future development.

Résumé

Cet article décrit le développement et la validation d'un modèle de bilan pour le bassin du haut Nil Bleu en Ethiopie. Dans toute tentative de modélisation il est avant tout nécessaire de disposer de données climatiques et hydrologiques. En ce qui concerne le haut Nil Bleu, il n'y a qu'un nombre limité de sites d'observation disponibles sur une vaste région. En conséquence, le modèle décrit ici consiste en un modèle de bilan d'eau sur un maillage dont les besoins en données sont modestes, qui possède peu de paramètres et qui fonctionne au pas de temps mensuel. Le climat du bassin est essentiellement influencé par l'altitude. Les estimations de l'évapotranspiration potentielle (PE) et de la hauteur des précipitations servant d'entrées au modèles ont été réalisées selon des mailles de 10 min. d'arc de côté. Ces évaluations ont été obtenues grâce à des modèles de régression multiple utilisant la latitude, la longitude et l'altitude. Dans le bassin, la moyenne annuelle moyenne de l'PE et des précipitations augmentent avec l'altitude et se situent respectivement dans des fourchettes allant de 1800 à 1200 mm et de 924 à 1845 mm. Dans le modèle la couverture végétale n'a pas été explicitement introduite et on a supposé que les caractéristiques du sol ne variaient pas spatialement. Le modèle a été calé en vue de reproduire le débit moyen mensuel (pendant une période de 37 ans, 1953–1987) et a été validé par sa capacité à simuler l'écoulement des sous bassins et les variations historiques de l'écoulement du Nil Bleu. Le facteur clé déterminant les performances du modèle est la qualité des données concernant les précipitations, les meilleurs résultats ayant été obtenus avec des séries chronologiques provenant de stations possédant de longues observations de bonne qualité. Pour une période de 76 ans la corrélation entre débits annuels observés et simulés est égale à 0.74, l'erreur moyenne étant de 14% bien que d'assez grandes erreurs aient été observées pour des années particulières. Compte tenu de la pauvreté des données dans le bassin, ces résultats sont encourageants. Le modèle est utilisé pour examiner la variabilité spatiale de la sensibilité de l'écoulement aux modifications de la hauteur des précipitations et de l'PE. Cette sensibilité est gravement affectée par la proportion de ruissellement au niveau de la maille du modèle et elle augmente lorsque la fraction ruisselée au niveau de la maille diminue. La sensibilité est également affectée par la distribution saisonnière de la hauteur des précipitations. L'article se termine par une discussion sur les performances du modèle et sur son potentiel de développement.