Effects of Land Cover Change and Climate Variability on the Hydrological Balance of the Kulpawn Basin, Ghana

Résumé Technique : Effets des changements de l'occupation du sol et de la variabilité climatique sur le bilan hydrologique du bassin de Kulpawn, Ghana

Énoncé du problème
Le bassin de la rivière Kulpawn (KRB), un sous-bassin critique de la Volta Blanche au Ghana, est confronté à des défis hydrologiques croissants impulsés par la double pression des changements d'utilisation et d'occupation des terres (LULC) et de la variabilité climatique. La région, caractérisée par un régime de précipitations unique et des saisons sèches prolongées, dépend fortement de l'agriculture pluviale et des ressources naturelles. Cependant, l'urbanisation rapide, l'expansion agricole, la déforestation, l'exploitation minière artisanale illégale et l'extraction de bois de chauffe ont dégradé la couverture végétale du bassin. Bien que des études antérieures aient examiné isolément la variabilité climatique ou les changements de LULC au sein du bassin plus large de la Volta Blanche, il subsiste une lacune importante dans la compréhension de leurs effets combinés et cumulatifs sur les processus hydrologiques du bassin de Kulpawn. Cette absence d'analyse intégrée entrave l'élaboration de stratégies de gestion des ressources en eau ciblées, laissant le bassin vulnérable à une réduction de la disponibilité de l'eau, à l'augmentation des inondations et à une diminution de la résilience des écosystèmes.

Méthodologie
L'étude a employé une approche intégrée combinant la télédétection, l'apprentissage automatique et la modélisation hydrologique pour évaluer les changements de 1995 à 2023.

• Classification LULC : L'imagerie satellite Landsat (TM, ETM+, et OLI) de 1995, 2005, 2015 et 2023 a été traitée à l'aide de l'algorithme Random Forest (RF) dans le logiciel R. Cinq classes LULC ont été identifiées : forêt de savane dense, forêt de savane claire, terres agricoles, zones bâties et plans d'eau. La précision a été validée par les coefficients de précision globale (OA) et Kappa.
• Modélisation hydrologique : L'outil Soil and Water Assessment Tool (SWAT) a été utilisé pour simuler les conditions hydro-climatiques. Le modèle a été calibré et validé à l'aide de données de débit observées (1992–2012) via l'algorithme Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) dans SWAT-CUP. Les performances ont été évaluées à l'aide de l'efficacité de Nash-Sutcliffe (NSE), du coefficient de détermination ($R^2$) et de l'efficacité de Kling-Gupta (KGE).
• Analyse climatique : Les données climatiques proviennent de l'Agence météorologique du Ghana et de produits satellites (CHIRPS, NASA POWER). Les projections climatiques futures ont été dérivées de six modèles de circulation générale (GCM) sous deux trajectoires socio-économiques partagées (SSP1-2.6 et SSP5-8.5) du projet CMIP6.
• Évaluation des scénarios : L'étude a simulé les composantes hydrologiques (précipitations, évapotranspiration, ruissellement de surface, écoulement souterrain, rendement en eau, etc.) sous différents scénarios LULC (1995, 2005, 2015, 2023) et scénarios climatiques afin d'isoler et de quantifier les impacts des changements d'occupation des terres et de la variabilité climatique.

Résultats clés

• Dynamique LULC : Des transitions significatives de l'occupation du sol ont été observées entre 1995 et 2023. La forêt de savane dense a diminué de 28,34 %, se convertissant principalement en forêt de savane claire (20,83 %) et en terres agricoles (3,22 %). Les zones bâties se sont développées de 29,80 % par an, tandis que les terres agricoles ont augmenté de 9,35 % par an. À l'inverse, les plans d'eau ont diminué d'environ 13,78 % au cours de la période d'étude.
• Impacts hydrologiques : Le changement de LULC est corrélé à des changements distincts dans le bilan hydrique :
  • Précipitations : Diminution de 2,14 % (de 2691 mm à 2633,25 mm).
  • Évapotranspiration (ET) : Baisse de 4,91 % due à la réduction de la couverture végétale.
  • Ruissellement de surface (SurfQ) : Augmentation de 7,78 %, attribuée à la réduction des taux d'infiltration causée par l'urbanisation et la perte de végétation.
  • Rendement en eau (WYLD) : A montré une baisse significative de 14,5 %, indiquant une réduction de la disponibilité globale de l'eau.
  • Eaux souterraines et percolation : L'écoulement latéral a diminué de 1,8 % et la percolation a chuté de 4,87 %, suggérant une réduction de la capacité de recharge des nappes phréatiques.
• Tendances climatiques : Sous le scénario à fortes émissions SSP5-8.5, le bassin a connu une augmentation de 12,48 % de la température et une diminution de 3,47 % des précipitations de 1995 à 2023. L'étude a établi une forte corrélation positive entre les changements de LULC et les variables hydro-climatiques, indiquant que les altérations de l'occupation des terres influencent considérablement les modèles locaux de précipitations et de température.
• Variabilité saisonnière : L'impact des changements de LULC est plus prononcé pendant la saison des pluies (mai–octobre), où le ruissellement de surface augmente de manière spectaculaire, tandis que la saison sèche (novembre–avril) présente de graves déficits hydriques et une réduction des contributions du débit de base.

Signification et contributions
Cette étude fournit une évaluation intégrée critique de la manière dont les changements anthropiques de l'occupation des terres et la variabilité climatique pilotent conjointement la dégradation hydrologique du bassin de Kulpawn. En établissant une forte corrélation entre les transitions de LULC et les variables hydro-climatiques, la recherche souligne que le déclin du rendement en eau et l'augmentation du ruissellement de surface ne sont pas uniquement dus au climat, mais sont exacerbés par des pratiques de gestion des terres non durables. Les résultats soulignent que la conversion des forêts de savane denses en zones bâties et en terres agricoles a compromis la capacité de tampon naturelle du bassin, entraînant des risques accrus d'inondations soudaines pendant la saison des pluies et de pénurie d'eau pendant la saison sèche.

Recommandations et implications politiques
Sur la base de ces résultats, les auteurs préconisent des stratégies de gestion intégrée pour renforcer la résilience hydrologique du bassin. Les principales recommandations incluent :

• La mise en œuvre et l'application de plans d'utilisation de l'espace pour empêcher l'empiètement sur les zones écologiques sensibles.
• La promotion de pratiques agricoles climato-intelligentes, telles que l'agroforesterie, la culture de couverture et le semis minimum, afin de conserver l'humidité du sol et de réduire l'érosion.
• La priorité donnée aux programmes communautaires de reboisement et d'afforestation utilisant des espèces indigènes pour restaurer la couverture végétale.
• L'établissement de plateformes de parties prenantes au niveau du bassin impliquant l'Autorité de protection de l'environnement, la Commission des ressources en eau et les communautés locales pour favoriser une gouvernance collaborative.
• Le développement de systèmes de surveillance à long terme utilisant la télédétection et la modélisation hydrologique pour suivre les changements de LULC et les réponses hydrologiques.

L'étude conclut que sans une planification durable de l'utilisation des terres et de l'eau, la disponibilité de l'eau dans le bassin de Kulpawn continuera de se détériorer, avec de graves conséquences pour la sécurité alimentaire, les moyens de subsistance et les services écosystémiques de la région.