TZ Kamerun: Szenarienentwicklung und Modellierung der Ressourcen Boden und Wasser unter der Berücksichtigung des Klimawandels

Beitrag zum Projekt:

• Kamerun - Szenarienentwicklung und Modellierung der Ressourcen Boden und Wasser unter der Berücksichtigung des Klimawandels in Kamerun

Hintergrund:
Das zentralafrikanische Land Kamerun wird mit seiner einzigartigen Diversität in Landschaft, Klima und Kultur auch als Afrika in Miniatur bezeichnet. Es erstreckt sich vom tropischen Regenwald am Golf von Guinea zu den südlichen Ufern des Tschadsees in der Sahelzone. Die Auswirkungen des Klimawandels sind insbesondere im nördlichen Teil des Landes bereits zu beobachten. Die mittlere Jahrestemperatur ist von 1971 bis 2009 zwischen 1,0°C und 2,5°C angestiegen und die Niederschlagsverteilung, -quantität und -intensität unterlag ebenfalls Veränderungen.

Extremwetterereignisse gefährden die Boden- und Wasserressourcen. Starkniederschläge führen zu verstärkter Bodenerosion, was die Bodenfruchtbarkeit vermindert. Gleichzeitig erhöht sich der oberflächige Abfluss, was zu ungleichmäßiger Grundwasserneubildung führt. Längere und häufigere Trockenperioden führen dagegen zu ausgetrockneten Böden und geringerer Wasserverfügbarkeit für das Pflanzenwachstum. Ein geringerer Ertrag und niedrigere landwirtschaftliche Produktivität sind die Folge. Ausgetrocknete Böden behindern außerdem die Infiltration von Wasser in den Untergrund und somit die Grundwasserneubildung.

Das Projekt:
Aufbauend auf den Ergebnissen des vorangegangenen Projekts, unterstützt "Projet Sol-Eau-Climat (ProSEC)" das technische Personal der Partnerinstitutionen dabei, die Folgen des Klimawandels auf Boden- und Wasserressourcen in den Regionen Adamaoua und Nord abzuschätzen und ihre Beratungskapazitäten für ländliche Gemeinden zu stärken. Die Partnerinstitutionen sind das Forschungsinstitut für Geologie und Bergbau (Institute of Geological and Mining Research - IRGM) und das Forschungsinstitut für Landwirtschaft und Entwicklung (Agricultural Research Institute for Development - IRAD).

Das Projekt ProSEC arbeitet schwerpunktmäßig an zwei Zielen:

• Partizipative Erarbeitung von Szenarien zur Boden- und Wasserentwicklung, die unter anderem Klimawandel und Bevölkerungswachstum betrachten;
• Erstellung eines numerischen Modells, das die Boden-Wasser-Interaktion für die Vergangenheit und Gegenwart gut widerspiegelt. Unter Einbeziehung der entwickelten Szenarien wird das Modell als Werkzeug zur Entscheidung über anpassungsfähige Wassernutzungsmaßnahmen dienen.

Das Projekt legt einen Schwerpunkt auf die Kapazitätsentwicklung bei der Erstellung und Nutzung von numerischen Modellen.

Lage der Projektgebiete Quelle: BGR

Ergebnisse aus dem vorherigen Projekt:
Das vorangegangene Projekt "Projet Sol-Eau-Plante (ProSEP)" hat den Fokus auf zwei unterschiedliche agro-ökologische Regionen in Kamerun gelegt: das Bidou-Einzugsgebiet (61 km²) in der Region Adamaoua (Hochsavanne) und das Douka Longo-Einzugsgebiet (678 km²) in der Nordregion (Sudan-Sahel Zone). In beiden Gebieten gibt es eine ausgeprägte Regenzeit (von März/April bis Oktober/November) und eine ebenso ausgeprägte Trockenzeit. Die Länge der Regenzeit und die Regenmenge nimmt nach Norden hin ab, während die Temperatur zunimmt.

Monitoring der Wasserressourcen in den Pilotgebieten
Um den Wasserhaushalt der Einzugsgebiete zu bestimmen, wurden in beiden Pilotgebieten Messinstrumente installiert:

• Regensammler (zwei pro Einzugsgebiet): die Regenmenge wird seit März 2021 nach jedem Regenereignis manuell aufgezeichnet. Außerdem werden Regenwasserproben für Isotopenanalysen und (wenn genug Wasser vorhanden ist) für chemische Untersuchungen gewonnen.
• Flusspegel (zwei pro Einzugsgebiet): die Wasserstände in den Flüssen wurden seit März 2020 zweimal täglich manuell gemessen. Seit März 2021 ergänzen automatische Messungen mit Datenloggern die manuellen Aufzeichnungen mit zunächst stündlicher und seit August 2022 viertelstündlicher Erfassung. Alle Datenlogger messen außerdem die Wassertemperatur und einige zusätzlich die Wasserleitfähigkeit.
• Es wurden außerdem Datenlogger (drei pro Pilotgebiet) installiert, die seit November 2019 im Bidou-Einzugsgebiet und ab März 2021 im Douka Longo-Einzugsgebiet stündlich den Grundwasserstand, die Temperatur und in einigen Fällen auch die Leitfähigkeit automatisch aufnehmen.

Regensammler, Flusspegelmessung an der Station Gada Bidou (Bidou-Einzugsgebiet, Adamaoua) und Installation eines Datenloggers in einem Brunnen in Tchabal (Bidou-Einzugsgebiet, Adamaoua) Quelle: BGR

Feldarbeiten
Neben dem Wasserressourcen-Monitoring hat das Projektteam Feldmissionen durchgeführt, um die Wasser-Dynamik in den jeweiligen Einzugsgebieten besser zu verstehen. Diese Untersuchungen umfassten:

Abflussmessung an der Station Gada Bidou (Adamaoua) Quelle: BGR

• Abflussmessungen in den Flüssen um Abflusskurven erstellen zu können;
• Manuelle Grundwasserstandmessungen;
• Infiltrationstests zur Bestimmung der Bodeninfiltrationskapazität um Gebiete zu unterscheiden in denen eher Grundwasserneubildung bzw. Oberflächenabfluss stattfindet;
• Pumpversuche zur Abschätzung der hydraulischen Eigenschaften der Grundwasserleiter;
• Messung von in-situ-Parametern (Temperatur, pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit) gefolgt von Oberflächen- und Grundwasserprobenahmen sowie Laboranalyse von Hauptanionen und -kationen, Spurenelementen und Isotopen;
• Bodenprobenahmen und Laboranalysen von Hauptanionen und -kationen sowie Spurenelementen;
• Gesteinsprobenahmen und Laboranalysen von Hauptoxiden, Nebengruppen- und Spurenelementen.

Wesentliche Ergebnisse
Die Niederschlagsdaten zeigen eine große Variabilität über kurze Distanzen: in den stromaufwärts gelegenen Gebieten regnet es in beiden Pilotzonen weniger als in den abstrom gelegenen Gebieten.

Aufgrund der lokalen Gegebenheiten am Fluss Douka Longo können niedrige Flussstände nur manuell aufgenommen werden. Im Bidou-Einzugsgebiet dient die manuelle Aufzeichnung lediglich als Sicherung. Eine höhere zeitliche Auflösung der Datenlogger-Aufzeichnungen ab August 2022 erlaubt eine genauere Erfassung von Flutereignissen.

Grundwasserstand in einem Brunnen in Ngaoumokone (Adamaoua) Quelle: BGR

Die Datengrundlage zur zeitlichen Variabilität des Grundwasserstandes ist im Einzugsgebiet des Douka Longo noch nicht ausreichend, um Aussagen treffen zu können. Im Bidou-Einzugsgebiet zeigen erste Ergebnisse (zumindest partiell) eine Erholung des Grundwasserleiters während der Regenzeit. Die piezometrische Karte zeigt ebenso einen Anstieg des Grundwasserstandes während der Regenmonate in einigen Bereichen des Grundwasserleiters.

Die Werte der gesättigten vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit sind in beiden Pilotzonen ähnlich (ca. 10^-6 – 10^-5 m/s) und beschreiben Böden mit limitierter Infiltrationskapazität.

Die Pumpversuchsauswertungen weisen auf einen wenig durchlässigen Grundwasserleiter im Bidou-Einzugsgebiet hin (ca. 10^-5 m/s), während der Grundwasserleiter im Douka Longo-Einzugsgebiet eine höhere, jedoch auch örtlich variable, Leitfähigkeit aufweist (10^-5 – 10^-3 m/s).

Stabile Isotope im Oberflächen- und Grundwasser Quelle: BGR

Die Grundwässer sind insgesamt gering mineralisiert. Aufgrund der geologischen Gegebenheiten sind die Wässer im Douka Longo-Einzugsgebiet jedoch fünfmal höher mineralisiert als im Bidou-Einzugsgebiet. Bei der Mehrheit der genommenen Proben handelt es sich in beiden Gebieten um Wässer vom Ca-HCO₃ Typ. Einige Proben im Bidou-Einzugsgebiet überschreiten die Grenzwerte der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für Mangan und Kobalt (Nsata, 2020). Ungefähr ein Drittel der Grundwasserproben im Douka Longo-Einzugsgebiet überschreiten den WHO Grenzwert für Nitrat (NO₃^- ≤ 50 mg/l). Weitere Grenzwertüberschreitungen treten in diesem Gebiet für Mangan, Arsen, Barium, Beryllium, Kobalt, Blei und Uran auf (Chounna Yemele, 2020).

Die Isotopensignatur des Niederschlags zeigt in beiden Pilotzonen nur am Anfang und Ende der Regenzeit einen Evaporationseinfluss. Die Zusammensetzung der Grundwasserisotope lässt darauf schließen, dass während des Grundwasserneubildungsprozesses keine signifikante Evaporation stattfindet. Einige Oberflächenwasserproben weisen in ihrer Isotopensignatur jedoch auf Evaporation hin.

Perspektiven für ProSEC:
Ein fundiertes Wissen über die Einzugsgebiete ist eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Konzeptmodellen und Erstellung von numerischen Modellen. Die gesammelten Daten und deren erste Interpretationen geben bereits Hinweise auf die Wasserdynamik in den Pilotzonen. Allerdings bestehen noch Datenlücken. Lediglich eine vorläufige Abflusskurve (im Abstrom vom Bidou-Einzugsgebiet) ist vorhanden. Für die restlichen drei Pegelstationen konnten aufgrund von Messschwierigkeiten (u. a. Trockenfallen des Flusses) bisher nicht genügend Daten gesammelt werden. Durch die Installation weiterer Datenlogger in Brunnen soll das Grundwassermonitoring räumlich ausgeweitet werden.

Ablaufdiagramm mit den zentralen Schritten, die ProSEC vorsieht Quelle: BGR

Das Ziel von ProSEC ist die Verbesserung der Datengrundlage, sowohl von Modelleingangsdaten (z. B. Niederschlag) als auch Beobachtungsdaten (z. B. Grundwasser- und Flussstände) zur Validierung der Modellierungsergebnisse. Die oben erwähnten Datenlücken schließen eine Modellerstellung jedoch nicht aus. Das Modell wird im Laufe des Projekts anhand neuer Daten ständig überarbeitet und verbessert.

Die Entwicklung von Zukunftsszenarien ist unabhängig von der Datenakquirierung. Einige Parameter (Klima- und Bevölkerungsentwicklung) können von bereits existierenden globalen Simulationen abgeleitet werden. Die Szenarien werden in enger Zusammenarbeit mit Projektpartnern und lokalen Interessensgruppen erarbeitet.

Literatur:

Masterarbeiten

• CHOUNNA YEMELE, G. (2020): Hydrogeochemical generation, content, mobility and flux of elements in watersheds draining sedimentary and igneous rocks; contribution to inorganic nutrients. - M. Eng., École Nationale Supérieure des Travaux Publics, Yaoundé, Cameroun. 124 pp.
• NSATA, S.A. (2020): Suitability of water resources for domestic and agricultural uses in Bidou and Douka Longo watersheds, Northern Cameroon. - M. Eng., École Nationale Supérieure des Travaux Publics, Yaoundé, Cameroun. 150 pp.

Fachberichte

• NSANGOU, D., MONTCOUDIOL, N., SEEHAUSEN, L., NGAH, M., BASSOGOG, Z. & FANTONG, W.Y. (2023): Rapport de mission de terrain - Mission du 30 juin au 15 juillet 2023 dans les régions Adamaoua et Nord. Rapport technique du Projet ProSEC, 49 p. (PDF, 3 MB)
• MONTCOUDIOL, N., JOKAM NENKAM, T.L.L. & VASSOLO, S. (2021): Interprétation préliminaire des données collectées (2019–2021) pour la réalisation de bilans hydrologiques dans les bassins versants du Bidou et de Douka Longo, Cameroun. - Rapport technique N°7 de Projet ProSEP, 132 p. (PDF, 10 MB)
• JOKAM NENKAM, T.L.L., NGOLLO, T., FOZAO ATSAMO, D., NJIAYOUOM, M.N., DANDJIO, W.F., W., HAMAN, D.J.B., FODOUE, Y., AMINOU, A., MBODJI, B.J., TAKOUNDJOU, A.F. & FANTONG, W.Y. (2021): Rapport sur la mission de juillet à septembre 2021 dans les régions Adamaoua et Nord, Cameroun - Rapport technique N°6 de Projet ProSEP, 45 p. (PDF, 4 MB)
• JOKAM NENKAM, T.L.L., NGOLLO, T., TAKOUNDJOU, A.F., & FANTONG, W.Y. (2021): Rapport sur la mission de mars 2021 dans les régions Adamaoua et Nord. - Rapport technique N°3 de Projet ProSEP, 32 p. (PDF, 3 MB)
• JOKAM NENKAM, T.L.L., NGOLLO, T., NSATA, S.A. & FANTONG, W.Y. (2021): Rapport sur la mission de septembre 2020 dans les régions Adamaoua et Nord. - Rapport technique N°2 de Projet ProSEP, 33 p. (PDF, 2 MB)
• JOKAM NENKAM, T.L.L., TAKOUNDJOU, A.F., FANTONG, W.Y., NGOLLO, T., BASSAGOG, Z., FODOUE, Y., NJIAYOUOM, N., FOANO, W. & CHOUNNA YEMELE, G. (2020): Rapport sur la mission de terrain de février-mars 2020 dans les régions Adamaoua et Nord. - Rapport technique N°1 de Projet ProSEP, 45 p. (PDF, 2 MB)
• JOKAM NENKAM, T.L.L. (2019): Rapport de la mission de terrain (16-30 novembre 2019). - Rapport Projet ProSEP, 28 p. (PDF, 6 MB)

Veröffentlichungen (peer-reviewed)

• FANTONG, W.Y., CHOUNNA G., JOKAM NENKAM, T.L.L., FOUEPE, A.T., CHI FRU, E., VASSOLO, S., MONTCOUDIOL, N., FODOUE, Y., HAMAN, J.B.D., CARLIER, C., NBENDAH, P. & NKENG, G.E. (2023): Hydrogeochemistry of low agricultural soil yield in Sahelian and sub-tropical watersheds, Northern Cameroon. - Journal of African Earth Sciences, 19, 104823. DOI: 10.1016/j.jafrearsci.2022.104823
• TAKOUNJOU, A.F., DANDJIO, W.F., FODOUE, Y. FANTONG, W., NGAH, M., JOKAM NENKAM, T., CARLIER, C., VASSOLO, S., MONTCOUDIOL, N., ENOW TARKANG, C., CHOUNNA, G. & KRINGEL, R. (2022): Assessment of water availability for agricultural activities in the savannah Plateau of Adamawa-Cameroon. - Environmental Monitoring Assessment, 194, 813. DOI: 10.1007/s10661-022-10476-z