Integrated Management of Wadi Haseeb Watershed for Sustainable Agriculture Using Remote Sensing, GIS Techniques and Hydrological System, East Khartoum, Sudan

Abstract

Abstract: Integrated Watershed Management (IWM) is a process of safeguarding, improvement and optimum utilization of the available natural resources in a watershed on a sustained basis. The objective of the study was to specify an integrated watershed management strategy for sustainable agricultural activities by harvesting rainwater. This study was conducted during the period August 2016 to December 2018 in Wadi Haseeb Watershed, Khartoum State which, it lies at a distance of 65 km southeast of Khartoum. Landsat 8 (173/49) image and digital elevation model (DEM) were acquired in 2016 – 2017, respectively and obtained from Survey Administration – Khartoum State. Daily rainfall records for the period 1989 - 2018 were obtained from Khartoum airport meteorological station and the soil data were obtained from Khartoum State Ministry of Agriculture, Livestock and Irrigation. A questionnaire was designed and distributed by purposive random probability stratification among the inhabitants of 10 preselected villages located within the watershed boundaries to collect data related to previous hydrological information and agricultural activities. An integrated approach of remote sensing (RS), geographic information system (GIS), hydrologic engineering center geospatial hydrologic modeling extension (HEC-GeoHMS) and hydrologic modeling system (HMS4.0) was performed to develop a daily rainfall-runoff model and subsequently identifying the most appropriate water harvesting sites for sustainable agricultural activities. The reliability method was used to analyze the daily rainfall data. Soil conservation service curve number (SCS-CN) and rational methods were adopted to estimate direct water volume runoff. The float measuring method was used to monitor average water discharges which were used for calibrating the runoff model. Analysis of variance (ANOVA) was used to analyze the data obtained from the questionnaire. The land suitability for certain crops was based on the prevailing environmental condition. The crops water requirements and the water balance were determined by CROPWAT program. Consequently, three scenarios were proposed for an irrigated agriculture area of 10800 hectares located downstream the wadi, of the total 59000 ha suitable land scattered all over the watershed: The first scenario was cultivating the whole area with sorghum, maize, and vegetables; the second scenario was cultivating of sorghum only while the third scenario was cultivating 800 ha with sorghum only for the inhabitants self-sufficiency. The results indicated that sandy clay loam soil dominated most of the 170,000 ha watershed area, which was 40 km in length and 0.00093 m/m slope. The soil water infiltration rate ranged from 10 to 15 mm/h. The major classes of the land cover were scrub (58.14%), agricultural land (34.5%), rocks (3.98%), built-up (3.33%) and water bodies (0.06%). The average rainfall was 121 mm/year. The watershed was delineated and divided into four basins yielding an average water volume of 23 million cubic meters/month. Based on the hydrological models, three sites were selected for water harvesting and incorporated with earth dams. The results indicated that the first scenario needed 48 MCM/month whereas watershed discharge was 23 MCM/month with a deficit of 25 MCM/month. On the other hand, the second scenario needed 32 MCM/month, leading to a deficit of 9 MCM/month. The third scenario needed 4000 MCM/month with a water surplus 19 MCM/month. However, it was not economically and technically feasible to construct canalization system for this small area. The questionnaire analysis indicated that high flood levels increased the cultivated area of some farmers from 0.8 to 22 ha and the yield of sorghum crop from 400 to 2500 kg/ha. The effect of the flood on the cultivated area and crop yield was highly significant (P ≤ 0.01) during high floods periods and significant (P ≤ 0.05) during the low floods. Hence it becomes apparent from this study that the surface runoff of Wadi Haseeb watershed ranged from moderate to low and the floods can be controlled for agricultural and household uses. On the other hand, the geospatial models have proven highly efficient in integrated water management. The study recommended mitigating the flash flood disasters by constructing dams coupled with weirs to improve water flow management, provide suitable hydraulic head, alleviate problems of soil erosion and eventually promote agricultural activities.

المستخلص: الإدارة المتكاملة لمستجمعات المياه (IWM) هي عملية الحماية والتحسين والاستخدام الأمثل للموارد الطبيعية المتاحة في مستجمعات المياه على أسس مستدامة. هدفت الدراسة الي تحديد استراتيجية للادارة المتكاملة لمستجمع المياه للانشطة الزراعية المستدامة وذلك بحصاد مياه الامطار. اجريت هذه الدراسة خلال فترة أغسطس 2016 الي ديسمبر 2018 في مستجمع مياه وادي حسيب بولاية الخرطوم. الذي يقع علي بعد 65 كلم جنوب شرق الخرطوم. اخذت صورة (173/49) Landsat8 ونموذج الارتفاعات الرقمي في 2016 - 2017 علي التوالي، وتم الحصول عليها من ادارة المساحة ولاية الخرطوم وعلي سجلات هطول الامطاراليومية للفترة 1989 - 2018 من محطة الارصاد الجوية بمطار الخرطوم وعلي بيانات التربة من وزارة الزراعة والثروة لحيوانية والري - ولاية الخرطوم. تم تصميم استبيان وتوزيعه بطبقية احتمالية عشوائية غرضية علي سكان 10 قري مختارة مسبقا تقع داخل حدود المستجمع المائي لجمع البيانات المتعلقة بالمعلومات الهيدرولوجية والانشطة الزراعية السابقة. نفذ النهج المتكامل للاستشعارعن بعد (RS)، نظم المعلومات الجغرافية (GIS) ، النمذجة الهيدرولوجية الجيومكانية (HEC-GeoHMS) ونظام النمذجة الهيدرولوجية ((HMS4.0 لتطوير نموذج الجريان السطحي لهطول الامطار اليومي ولتحديد انسب المواقع لحصاد المياه. استخدمت طريقة الاحتمالية لتحليل بيانات هطول الامطار اليومية وتم تبني طريقتي خدمة حفظ التربة والنسبية لتقدير الجريان المباشر لحجم المياه. كما استخدمت طريقة العوامة لقياس متوسط تصرفات المياه التي استخدمت لمعايرة نموذج الجريان السطحي. استخدم برنامج تحليل التباين (ANOVA) لتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من الاستبيان. تم تحديد بعض المحاصيل الملائمة واحتياجاتها المائية لطبيعة الارض والظروف المناخية السائدة والتوازن المائى بواسطة برنامج .CROPWAT وعليه اقترحت ثلاث سيناريوهات لمساحة 10800 هكتار تقع في اتجاه مجري الوادي للزراعة المروية من اجمالي مساحة 59000 هكتار ملائمة للزراعة ومتفرقه في جميع انحاء المستجمع المائي: السيناربو الاول زراعة كل المساحة بالذرة الرفيعة، الذرة الشامية والخضروات. اما السيناريو الثاني زراعة الذرة الرفيعة فقط بينما السيناريو الثالث لزراعة 800 هكتار بالذرة الرفيعة فقط لسد حوجة السكان. تشير النتائج الي ان التربة الطينية الرملية الطميية تسود معظم مساحة المستجمع المائي البالغة 170,000 هكتار بطول 40 كم وانحدار 0.0093 متر/متر. ويتراوح معدل تسرب مياه التربة من 10 الي 15 مم/ساعة. التصنيفات الرئيسية لغطاء الارض هي شجيرات (58.14%)، اراضي زراعية (34.5%)، صخور (3.98%)، مباني سكنية (3.33%) و الاجسام المائية (0.06%). متوسط معدل الامطار 121 مم/العام. قسم المستجمع المائي الي اربعة احواض نتج عنها متوسط حجم مياه 23 مليون متر مكعبب/الشهر. بناءًا علي النماذج الهيدرولوجية تم اختيار ثلاثة مواقع لحصاد المياه ودمجها مع السدود الترابية. اشارت النتائج الي ان السيناريو الاول يحتاج الي 48 مليون متر مكعب/الشهر بينما تصرف المستجمع المائي 23 مليون متر مكعب/الشهر مما يؤدى الي عجز مائي بمقدار 25 مليون متر مكعب/الشهر. من ناحية اخري يحتاج السيناريو الثاني الي 32 مليون متر مكعب/الشهر وهذا يؤدي الي عجز 9 مليون مترمكعب/الشهر. يحتاج السيناريو الثالث الي 4000 مليون متر مكعب/الشهر مع فائض مائي بحجم 19 مليون متر مكعب/الشهر، وغليه لم يكن ممكنا من النواحي الاقتصادية والفنية انشاء نظام قنوات لهذه المساحة الصغيرة. أوضح تحليل الاستبيان أن ارتفاع مستويات الفيضان يؤدي الي زيادة المساحة المزروعة لبعض المزارعين من 0.8 – 22 هكتار وانتاجية محصول الذرة الرفيعة من 400 الي 2500 كجم/هكتار. تأثير الفيضان علي المساحة المزروعة وانتاجية المحصول عالي المعنوية (0.01 ≥ P) خلال فترات الفيضانات العالية ومعنوي (0.05 ≥ P)خلال الفيضانات المنخفضة. وعليه يتضح من هذه الدراسة أن الجريان السطحي لمستجمع مياه وادي حسيب يتراوح بين المعتدل إلى المنخفض، يمكن التحكم في الفيضانات للاستخدمات الزراعية والمنزلية. من ناحية اخري، اثبتت النماذج الجيومكانية كفاءة عالية في الادارة المتكاملة للمياه. ولذا توصي الدراسة التخفيف من حدة كوارث السيول من خلال انشاء سدود مصحوبة بهدارات لتحسين ادارة تدفق المياه واعطاء ضغط هيدروليكي مناسب مع الحد من مشاكل إنجراف التربة مما يؤدي الي تعزيز الانشطة الزراعية.