Assessment of sustainable efficiency (sefficiency) and water allocation under uncertainty in Kano River basin

Abstract

The ever-increasing population and climate change have placed a considerable pressure on Kano city water supply (KCWS) and Kano River Irrigation Project (KRIP), major water users on Kano River, the most upstream tributary of Yobe River flowing directly to Lake Chad which is an important transboundary basin in West Africa. Under water scarcity and competing water uses, improved knowledge of the performance of water use systems (WUS) is essential for policy formulation and sustainable development of water sector. This study is carried out in semi-arid Kano River basin of Nigeria, where water is a limiting factor, but a comprehensive knowledge on the performance of different water users across the basin are lacking. The main objective is to assess the performance of main water users and provide a thorough analysis of the impacts of drivers of change on their performances using new and innovative methodological framework called Sefficiency (Sustainable efficiency). However, crop requirements were estimated using CROPWAT 8.0. In evaluating KRIP, two major stakeholders were contacted, namely, farmers and water managers and their views on the value of water flows were registered through interviews. The results indicated that useful consumption relative to effective consumption of farmers is significantly lower than management, showing a higher relative consumptive impact on both KRIP and Kano River. Also, the useful outflow per unit of useful inflow is lower according to the farmers relative to the managers. Classical efficiency in use globally gives much lower values than meso-efficiency. The synthesis of the results for Kano River model reveals that effective consumption that is useful consumption is lower relative to beneficial consumption which is an indication of pollution that increases effective consumption and consequently decreases efficiency. The difference between beneficial inflow and beneficial consumption indicated that water consumption is through non-reusable water flow paths that do not consider quality, i.e., evaporation. Moreover, beneficial consumption efficiency is lower than inflow efficiency due to a combination of relatively high return flow and pollution impact. The low value of MicroEs suggests that the WUS itself is not efficient in using its water resources. The temporal changes in the performance of the WUSs according to uncertainty related to the drivers of change were also explored as part of the system analysis. The performance of KRIP and Kano River were degraded significantly under projected population and future climate conditions. However, Kano River is less sensitive to global warming impacts suggesting that population growth is the dominant driver of change. Moreover, cumulative effects of population and climate change impact in Kano River basin resulted in a reduction of downstream water by 70% to below the recommended volume. Generally, potential demands for water will far exceed the available supply by 2050 thereby affecting water allocation. The study concludes that the regional water managers have a much broader view of water needs and impacts, such as pollution and groundwater depletion, than farmers, and consequently, can better relate useful flows and (effective) consumptions for sustainable management, including technological investments. Water quality has a dominant influence on the performance of Kano River model under population growth. The quantitative efficiency values show decreasing trends mostly due to the assertion that evaporation have less beneficial value under climate change scenario. For KRIP, quantitative meso-efficiency values for climate change show increasing trends because water quality is not considered and relative quantities remain the same while beneficial consumption increases. Increasing the effective consumption in terms of decreasing the pollution caused by anthropogenic activities is the pathway to achieving better results. The study recommends that Kano River basin should be properly managed by employing Sefficiency framework, which puts water as the central issue for policy making. It would be helpful to improve the set of data using remote sensing and GIS and use of smart systems particularly for improving water balance flow paths and their qualities. The Sefficiency model application demonstrated in this study should be extended by testing other “what if” scenarios (e.g., water user associations, before and after the TRIMING intervention project funded by World Bank, and wastewater treatment plants). Our results point to the need for in-depth studies to understand the dynamics of the trade-offs that influences Sefficiency.

O aumento da população e as mudanças climáticas têm colocado uma pressão considerável sobre o abastecimento de água da cidade de Kano (KCWS) e Projeto de Irrigação do Rio Kano (KRIP), maior usuário de água do Rio Kano, o Rio Yobe afluente mais a montante de que flui diretamente para o Lago Chade, que é uma importante bacia transfronteiriça na África Ocidental. A escassez e usos competitivos de água, um conhecimento melhorado do desempenho dos sistemas de uso da água (WUS) é essencial para a formulação de políticas e o desenvolvimento sustentável do setor de água. Este estudo foi realizado no Rio Kano que é bacia hidrográfica da Nigéria, onde a água é um fator limitante, mas falta um conhecimento abrangente sobre o desempenho de diferentes usuários de água em toda a bacia. O principal objetivo é avaliar o desempenho dos principais usuários de água e fornecer uma análise completa dos impactos dos fatores de mudança. em seus desempenhos usando um novo e inovador quadro metodológico chamado Sefficiency (eficiência sustentável). No entanto, os requisitos de cultivo foram estimados usando o CROPWAT 8.0. Na avaliação do KRIP, foram contactados os principais intervenientes, nomeadamente agricultores e gestores da água, e as suas opiniões sobre o valor dos fluxos de água foram registadas através de entrevistas. Os resultados indicaram que o consumo útil relativo ao consumo efetivo dos agricultores é significativamente menor do que o manejo, mostrando um maior impacto relativo de consumo tanto no KRIP quanto no Rio Kano. Além disso, a vazão útil por unidade de entrada útil é menor de acordo com os agricultores em relação aos gerentes. A eficiência clássica em uso globalmente dá valores muito menores do que a mesoeficiência. A síntese dos resultados para o modelo do rio Kano revela que o consumo efetivo que é o consumo útil é menor em relação ao consumo benéfico, o que é uma indicação de poluição que aumenta o consumo efetivo e consequentemente diminui a eficiência. A diferença entre fluxo de entrada benéfico e consumo benéfico indicou que o consumo de água é através de caminhos de escoamento de água não reutilizáveis que não consideram a qualidade, ou seja, a evaporação. Além disso, a eficiência do consumo benéfico é menor do que a eficiência do fluxo de entrada devido a uma combinação de fluxo de retorno relativamente alto e impacto da poluição. O baixo valor de MicroEs sugere que o próprio WUS não é eficiente no uso de seus recursos hídricos. As mudanças temporais no desempenho das WUSs de acordo com a incerteza relacionada aos vetores de mudança também foram exploradas como parte da análise do sistema. O desempenho do KRIP e Rio Kano foram degradados significativamente pela projeção da população e condições climáticas futuras. No entanto, o rio Kano é menos sensível aos impactos do aquecimento global, sugerindo que o crescimento populacional é o principal fator de mudança. Além disso, os efeitos da população e alterações climáticas acumulam impactos na bacia do rio Kano e resultou numa redução de água a jusante por 70% para um valor inferior ao volume recomendado. Geralmente as demandas potenciais por água na bacia excederão em muito a oferta disponível até 2050, afetando a alocação de água. O estudo conclui que os gestores regionais de água têm uma visão muito mais ampla das necessidades e impactos das águas, como poluição e esgotamento das águas subterrâneas, do que os agricultores e, consequentemente, podem relacionar melhor fluxos úteis e consumos (efetivos) para manejo sustentável, incluindo investimentos tecnológicos. A qualidade da água tem uma influência dominante no desempenho do modelo do rio Kano sob o crescimento da população. Os valores quantitativos de eficiência mostram tendências decrescentes principalmente devido à afirmação de que a evaporação tem valor menos benéfico no cenário de mudanças climáticas. Para o KRIP, os valores quantitativos de meso eficiência para as mudanças climáticas mostram tendências crescentes porque a qualidade da água não é considerada e as quantidades relativas permanecem as mesmas enquanto o consumo benéfico aumenta. Aumentar o consumo efetivo em termos de diminuir a poluição causada por atividades antropogénicas é o caminho para alcançar melhores resultados. O estudo recomenda que a bacia hidrográfica do rio Kano seja administrada de forma adequada, empregando o quadro de eficiência, que coloca a água como a questão central para a formulação de políticas. Seria útil melhorar o conjunto de dados usando o sensoriamento remoto e o SIG e o uso de sistemas inteligentes, especialmente para melhorar os caminhos de fluxo do balanço de água e suas qualidades. A aplicação do modelo de eficiência demonstrada neste estudo deve ser estendida testando outros cenários (por exemplo, associações de usuários de água, antes e depois do projeto de intervenção TRIMING financiado pelo Banco Mundial e estações de tratamento de águas residuais). Nossos resultados apontam para a necessidade de estudos aprofundados para entender a dinâmica dos compromissos que influenciam a eficiência.