Global Change: Facing Risks and Threals 10 Water Resources (p roc. of the Sixth WorldFRIEND Conference, Fez, Morocco, October 2010). IAHS Pub!. 340, 2010.

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Evolution des relations pluie-debit sur des bassins versants duMaroc

STEPHANIE SINGLA 1, GIL MAHE2

, CLAUDrNE DIEULIN2,

FATIMA DRIOUECH3, MARIANNE MILAN02A

, FATIMA ZOHRA EL GUELAI3

& SANDRA ARDOIN-BARDIN2

I Meteo-France, 42 A venue G. Coriolis 31057, Toulouse Cedex, Francestephanie.singla@meteo.fr

2 Laboratoire HydroSciences Montpellier, 300 Avenue du Profe sseur EmileJeanbrau34000 Montpellier, France3 Direction Nationale de la Meteorologic Marocaine, BP 8106 Casablanca, Maroc4 Plan Bleu, 15 rue Beethoven - Sophia Antipolis 06560 Valbonne, France

Resume L'objectif de cette etude est l' analyse des regim es hydroclimatiques sur 27 bassin s maroc ains poureva luer l' impact du changement climati que sur les ressources en eau. Grace a la methode du vec te urregional, on co nstitue 23 un ites c1imatiques hornogenes, sur plusieurs ech elles spatiales ernboi tees (mic ro,meso et macro), afin devaluer la represen tativite et la pe rsistance reg iona le des signaux clima tiques. Dansles regions a I'ouest de I' Atlas les pluies sont correlees avec l'Oscillati on Nor d Atlantique , notamment pourle cceur de la sa ison pluvieuse. La baisse des plu ies est ge nera lisee et so ulignee par une rupture dans lesse ries chro no logiques entre 1976 et 1980, excepte dans la region entre Rif et Medi terra nee, ou les pluiesmon trent une tendance aune hausse relat ive depui s les minim ums des an nees 1980. Mais aucune tend ancen ' est detec tee da ns une major ite dunites sahar iennes . Les debits de la rnaj orit e des fleuves marocainsdiminuent a partir du debut des an nees 1980: les dates de rupture pour les debit s et les coefficientsd ' ecoulements mensuels sont hom ogenes ace lles des pluies, sur la periode allant j usqu'en 1990 . Ces datesde rup ture ont ete com parees aux dates de construc tion de grands barrages sans qu 'un lien puisse etre etab li,Les stations choi s ies sont situees en ge neral dans la mo itie amont des bassins, et peu influ encees par lacon structi on de barrages. ElIes constitue nt un jeu de donnees interessant pour tes ter I' impact du changementc1 imatique sur des regim es hydrol ogiques et don e pour co nnai tre la var iabilite de la ressource en eau quiserait d isponible pour les ame nagements en ava l de ces statio ns.

Mots clefs climat; hydrologie; vecteur regional; ruptures; pluies; debits; Maroc

Evolution of rainfall-runoff relationships in 27 watersheds in MoroccoAbstract The objective of this study is the analysis of the hydrological regimes of 27 river basins inMorocco in order to assess the impact of climate change on wate r reso urces. We outline 23 units ofhom ogeneous rainfall va riabi lity with the meth od of the reg ional vec tor over several nested spat ial sea les(m icro , meso and macro), to assess the representativeness and persistence of regiona l signa ls. We observethat prec ipitatio ns are co rrelated with the North Atlantic Osc illation Wes t of the Atlas, espec ially for theheart of the rainy seas on. We provide evidence of a generalize d rainfa ll reduct ion by an abrupt change in thetime series between 1976 and 1980, except in the region between the Rif and the Med iterra nea n Sea , whererainfall shows a trend towards a relat ive inerease since 1980. No trend was detected in many of the Sahara nun its. The discharges of most of the Moroccan rivers decrease from the ear ly 1980s: the rup tur e years fordischarges and monthl y runoff coefficients are consistent with those of ra in up to 1990. We found norelat ion between the dates of the construction of large dams and the rupture da tes in time series of riverdischarges on the basins concerned. The se lected stations are usually located in the upstre am parts of thebasins, and are not mu ch influenced by the cons truc tion of dams. These data sets are interest ing to test theimpac t of climate change on hydrological regim es of basins no t influ enced by dams, a llow ing study of thevariability of water resources that wou ld be avai lable for developme nt downstream of these statio ns in acontext of cli mate chan ge.

Key word s climate; hydrology; regional vector; ruptures; rainfall; discharges; Morocco

INTRODUCTION

Le Maroc po ssede un clirnat essentiellement semi-aride it forte influence rnediterraneenne. Or, lesregions semi-arides et mediterranecnnes devraient etre particulierernent vulnerables auxchangements climatiques (Huebener & Kerschgens, 2007). Une modification des pluies devraitentra iner une modification de la disponib ilite en eau. D'autre part, la population au Maroc est passeede 12 it 28 millions d'habitants entre 1960 et 1999 (Ministere de l' environnernent du Maroc, 2001).Une telle croissance demographiqu e augmente la pression sur les ressources en eau: changementd 'occupation des sols, construction de barrages, prelevements d' eau souterra ine, etc.

Copyright © 2010 IAHS Press

680 Stephanie Singla et al.

Dans ce contexte, I'objectif de cette etude est d ' analy ser les regim es hydroclimatiques d 'ungrand nombre de bassins versants marocain s et la description des effets du changement climatiquesur les regim es hydrol ogiqu es de surface. Tout d ' abord, on applique la methode du vec teurregional it plu sie urs ec helles spa tiales emboitees puis on analy se les debits de 27 bassins marocain sa I'aide de tests statistiques de detection de ruptures dans les series chrono logiques. Les resu ltatssont enfin compares a ce ux des precipitations mais aussi aux dat es de construc tion de grandsbarrages.

DONNEES ET METHODE

Origine des donnees

La banqu e de donn ees pluv iornetriques pro vient en grande parti e du Sys teme d'Inform at ionEnviron nementale sur les Ressources en Eau et leur Modelisa tion (SIEREM, 2005; Dieulin et ai,2006) de I' UMR HydroSciences Mo ntpe llier. Cette banque es t composee de sta tionspluvi ometriques du GHCN (G loba l Hi stori cal Climate Network) et du CRU (C limatic ResearchUnit). Quelques stations du GI-ICN possedent des series de donnees s 'arre tant dans les annees1980 et ont ete cornpletees par des donnees de la Direction de la Me teo rologic Na tiona le duMa roc , sur la periode 1970- 2008. La repartit ion des postes plu viornetriques est heterogene: lenomb re de sta tions est tres reduit dans la part ie sud de I'Atlas ma is aussi dans le Sahara Occid entalet dans le Ma roc or iental. Cependan t le jeu de donn ees utili se est assez dense dans une grandepartie du pays (Fig. I(a),(b)) .

La banque de donn ees concemant les debits mensuels provient en rnajor ite du GRDC (G loba lRun off Data Center). Les series chro nologiques concernent generaleme nt la periode 1960 it 1990 ,mais sont de durees variables. D' autres donn ees provenant de l' agence hyd raul ique du Souss ­Massa ont ete utili sees, Nous disposon s d'un total de 26 series hydrologiqu es sur le Ma roc,possedant peu ou aucun e lacun e et concemant 8 des 9 gra nds bassins hyd rologiqu es du Ma roc :Lo ukkos , Sebou, Moul ouya, Oum Er Rbia, Bouregreg, Tensift , Sou ss-M assa, Ziz -Guir-Rher iss­Draa. Ce pendant, les bassins versants sont repartis de facon heterogen e dans I' espace , le plusgra nd nom bre de bassin s se trou ve dan s la partie No rd, sur les reli efs de I'Atlas et du Rif (Fig . 2).De plus, en vue d'une eventuelle spatialisation des donn ees, nous avo ns travaille sur les bassinsd 'une super ficie minimum de 1500 km2 et dont la ser ie dur ait plus de lO ans (Ta bleau I) .

AltJtud e lm j

J ' O00. «o11· 00- 6501 8 50 - 19:)0

1 1'500 - J9 5ll

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MAJRITM IE

(a)

Fig. I (a) Relief et repartition geographique des stations pluviornetriques utilisees, (b) relief et stationspluviometriques sur le nord du Maroc.

Evolution des relation s pluie-debit sur des bassins versants du Maroc 681

5"OTIW

35'll'O"N

3O<tJ 'O"N

icno-w 5'll UW

Fig. 2 Carte des bassins versants etudies.

Tableau I Inventaire des bassins versants etudies.

Bassin Station hydro l. Riviere Lat. Lon . Date de Date de fin Superfic ie Altitude Lacunes(ON) (OE) debut (km") (m) (mo is)

Moulouya Dar El Caid Moulouya 34.24 - 3.32 01102/1957 01/12/1988 24422 325 5Zeida Moulouya 32.97 -4.9 01/09/1976 0 1/0411988 1673 1450 aucune

Oum Er Dechra El Oum Er Rbiii 32.68 - 5.9 0 110911 953 0 1102/1989 3330 59 1 4Rb iii OuedSebou Ain Timedrine Sebou 33.75 -4.53 01/0 111 965 01/0711 984 4392 645 aucune

Azib Soltane Sebou 34.28 - 5.43 01/09/1959 01/011 1989 17250 70 aucuneBab Ouender Ouergha 34.6 -4.55 01/0 111 952 01/0111 990 1758 540 4M'Jara Ouergha 34.59 - 5.25 01109/ 1951 011011 1990 6 190 85 5Ourtzagh Ouergha 34.62 - 5.0 1 0 1109/1951 01/011 1989 4404 140 1Pont Mdez 33 .67 -4.5 01/0911 956 0 110211990 3435 725 2du Mdez

Souss- Aoulouz pont Souss 30.53 - 8.7 0 110 111 955 0 1108/1991 4450 706 aucuneMassa Ava l Tamri AitAmer 30.72 - 9.76 01/03/1980 01/08/1995 1741 93 aucuneSud Atlas Tazzoughert Guir 32 - 3.75 0 110911 976 0 110811 989 2370 1052 2

Vecteur regional

Une unite c1imatique ou region climatique est definie comme une zone a pluviornetrie homogenccontenant des stations dont les variations interannuelles sont coherentes les unes par rapport auxautres (Wotling et aI., 1995). Le vecteur regional est une method e automatique de critique despluies, elaborce a I'ORSTOM-IRD par Hiez (1977). 11 est constitue par une suite chronologiqued'indices annuel s ou mensuels, representative de l' evolut ion des precipitations a l'Interieu r d 'uneregion c1imat iquem cnt homogene et dont les stations presentent une variabilite pseudo­proportionnelle entre elles, 11 [aut au preal able effectuer un premier decoupage en regions a priorihornogencs, puis modi fier la repartition des stations entre region s pour redui re au minimum leurecart par rapport a l'indice moyen appele vecteur.

A partir des donn ees pluviornetriques mensuelles nous definis sons des regions c1imat iques duMaroc plus precises que celles propo sees par Ward et al. (1999 ). El Guelai (corn. pers.) a dejadefini pour la Direction Nationale de la Meteorologic du Maroc 19 unites c1imatiques homogenes,par la methode des nuees dynamiques.

682 Stephan ie Singla et al.

A partir de cette repartition, la method e du vecteur regional a ete appliquee au pas de tempsannuel, puis mensuel, grace au logiciel Hydraccess de I'TRD (Vauchel, 2005) . Ainsi nous avons puelargir le nombre de regions climatiques a 23 grace aux nombreuses stations disponibles danscertaines unites climatiques. Or, nous avons constate que : (a) la taille des series chrono logique s estdifferente selon les regions ; (b) certain es regions connaissent des periodes de lacunes tresimportantes sur certaines stations, ce qui impliqu e alors une perte de donnees considerable. Nousavons done reconstitue certaines donnees pluviornetriques.

En cffct, une reconstitution pennet d'obtenir des series plus longues et les plus homogenespossibles. nest alors possible d'effectuer des tests statistiques de detection des ruptures sur lesindices pluviometriques annuels, puis de comparer les series de donnees reconstituees etobservees.

Cette reconstitution a ete effectuce a plusieurs echclles. Un prem ier essai a ete realise al' echclle des 23 unites climatiques, que nous appellerons par la suite "micros" regions (Fig. 3(a)).Ensuite, une reconstitution d'ordrc "meso" et "macro" regionale ont ete effectuees pour pouvoiranalyser les fluctuations climatiques aplus grande echelle (Fig. 3(b) et (c)). Les "macros" regionspeuvent etre assimil ees aux unites climatiques constituees par Ward et at. (1999).

(a)

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(c)

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(b)

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Fig. 3 (a) "Micros" regions (b) "Mesas" regions (c) "Macros" regions.

Evolution des relations pluie-debt: sur des bassins versants du Maroc 683

Tests statistiques de detection de ruptures sur les series chronologiques

L'approche statistique par I'application de tests de detection de rupture a ete utilisec pour analy serles series chronologiques des precipitations et ecoulements. Une rupture dans une seriechronologique peut etre assimilee it un changement dans la loi de probabilite de la serie it uninstant donne, le plus souvent inconnu. Khronostat (1998) est un logiciel d 'analyses statistiques deseries chronologiques developpe par I'IRD (Lubes-Niel et al., 1998) disponible gratuitement. 11propose plusieurs tests statistiques de detection de ruptures . Nous avons choisi ceux nouspermettant de determiner des dates de ruptures : methode non parametrique de Pettit , methodeBayesienne de Lee et Heghinian , et la segmentation de Hubert (Lubes et al., 1994). Ces tests ontete appliques sur les series observees et reconstituees des precipitations et ecoulcments.

Pour la suite de l'ctude, nous qualifions une rupture de faible lorsque la date de rupture estindiquee au moins une fois par deux tests statistiques differcnts sur trois . Une rupture dite probableest definie par une date de rupture signalee au moins deux fois par deux tests statistiques sur trois .

RESULTATS

Analyse de precipitations

Les indices annuels pluviornetriques traces nous ont permis de constater que les regionsatlantiques et de I'Atlas montrent un pie important en 1996 it toutes les echelles spatiales. Ce piepeut etre mis en relation avec un tres fort indice de l'Oscillation Nord Atlantique (ONA) negatif enhiver 1995/1996 (Ward et al., 1999). L'ONA etait alors dans une phase positive depuis 1980. Deplus, ce pie n'est pas observe dans les "macros" region "Mediterranee" et "Presaharien". Cela meten evidence , encore une fois, I'importance de l'influence de I'ONA sur les precipitations desregions atlantiques qui recoivent le maximum de leur pluviornetrie en saison d'hiver mais aussi surla chaine de I'Atlas. Cette merne hypothese est aussi ernise dans Ward et al. (1999).

Ensuite , nous avons pu distinguer une faible tendance it I'augmentation des indices annuelsdu debut des annees 1980 it la fin des annees 1990 de 2.4% sur les regions dans la "macro""Mediterranee" au nord du Rif. Ces resultats obtenus sont differents de ceux des travauxprecedents (Born et al., 2008) qui montraient plutot une diminution des indices standardises deprecipitations saisonnieres (SPI) . En effet, nous ne disposons pas des rnemes stationsd'observations pluviometriques: dans notre etude, une seule station est situee en Algerie ; tandisque dans les travaux precedents trois stations sont marocaines et trois autres algeriennes. Nouspouvons done nous questionner sur la representativite des resultats obtenus par Born et al. (2008),ou le poids des stations algeriennes semble etre suffisant pour masquer la variabilite des stationsmarocaines. De plus, des tests de significativite auraient probablement montrc la confiance itattribuer it ces tendances .

Par ailleurs , les tests statistiques de rupture dans les indices des regions climatiques ont permisde mettre en evidence plusieurs resultats (Tableau 2). Tout d'abord, la constitution des regions estlimitee par le nombre de stations utilisees , mais aussi par leur repartition spatiale et la duree desseries. La reconstitution de donnees a done un impact sur les valeurs des indices des serieschronologiques moyennes . En effet , les dates de rupture des donnees reconstituees sont differentesde celles des donnees observees (Tableau 2). De nombreuses ruptures correspondant it desdiminutions de precipitations ont lieu it la fin des annees 1970/debut des annees 1980 au Maroc(Tableau 2). Meme s'il s'agit le plus souvent de ruptures que nous qualifions de faibles, ellesconcernent un grand nombre de series, et signalent un changement climatique importantspatialement au Maroc it cette periode : relief de I'Atlas, sud du Rif et le nord est du bassin de laMoulouya. Ce signal est visible depuis des series stationnelles jusqu'a des series de "macros"regions , ce qui confirme les etudes demontrant une diminution des precipitations au Maroc , depuisles annees 1960 (Driouech, 2006 ; DMN, 2007) et plus significativement depuis la fin des anneesI970/debut des annees 1980 (Agoumi & Debbarh , 2006; Knippertz et al. , 2003).

684 Stephanie Singla et al.

Tableau 2 Dates de ruptures des ind ices pluviometriques annuels pour les regions "macro", "mesa" ,"micro " et statio ns de references. (Ref.) pour les donn ees observees (ga uche) et reconst ituees (droi te) (blanc:aueune rupture; gris clair: une rupture fa ible pour au mains deux reg ions ou stations; gris fence: deu xruptures pour au main s deux regions ou statio ns; noir : troi s ruptures pour au ma ins deux regions oustations) .

Annee

2526

Macro Mesa Micro Stat. Annee

14 2515 26

Mac ro Mesa Micro Re f. Stat.

D l415___. 28282530353535

_ 3836353433

_ 3939

••L....._ 3638435150485354616275..lIIIIIir -, 83929096

.....--------- - ...., 104

109.....-.....,.--- 11 5

11 2121

..... ... 125123114

_ 117123125122124124125122123126

4748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293

2528282328353538363534344039

••36384350504853

_,-54

615871

C:=J•• 798886

• • • • 92100105

.....-------. III.....--... 108

11712111 811 011 311 9

...-.----" 12011 8

,.-----. 120

12012011 811 8120

-

4748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293

Suite a la page 685

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Tableau 2 (cont.)

Annec Macro Meso Micro Stat. Annee Macro Meso Micro Ref. Stat.

94 122 94 12895 122 95 - 12896 121 96 12697 121 97 12698 112 98 11699 1]6 99 _ ]2000 105 00 1090] 56 0] 5902 56 02 5803 53 03

(Jl104 52 0405 22 0506 22 06

Tableau 3 Dates de ruptures detectees par au moins deux tests statistiques (ruptures probables) sur lesbassins versants (en gras: les dates de ruptures dctectecs par plus d 'un bassin versant la meme annec ou lemerne mois) (case vide = aucune rupture probable dctectcc) .

Station J F M A M J A S 0 N D Debit annucl Cocff. ecoulernent annucl

Aoulouz pont 79 74 56 73 72 80Amsoul 79Ourtzagh 80 79 65Azib Soltane 73 78 78 78 68 79 80Bab Ouender 79 79M'Jara 69Foum Tillich 76 76 76 76Alt Moutade 80 76 82 80Oar El Caid 77 80 69 77 79N'Kouris 79Ain Timedrine 76 79Pont du Mdez 73 77 76 79Tarhat 82 80 80 80 81 81 81 80 79 80Oechra El Oued 79 80 79 79 80 80 79 81ZClda 79 79 80Ansegrnir 73 86 76 76 76 76

Analyse des donnees hydrologiques

Les debits et les coefficients d'ecoulements annuels connaissent une diminution globale depuis lesannees 1970 (Tableau 3). Pour les debits, des ruptures probables sont observees aussi bien ensaison de pluie qu'en saison sechc (Tableau 3). Au pas de temps annuel , les dates de rupturesprobabies sont 1976, 1979 et 1980 et correspondent generalement aux ruptures detectees au pas detemps mensuel.

D'apres ces resultats obtenus, nous constatons done une concordance satisfaisante avec lesdates detectees sur les indices annuels pluviornetriques de la fin des annces 1970 / debut desannees 1980. Nous supposons done que la diminut ion des ecoulements serait due aune diminutionglobale des precipitations sur lcs bassins versants etudies au Maroc .Or, en ce qui concerne lcs coefficients d'ecoulement, l'annee de rupture probable est 1980(Tableau 3). Beaucoup de ruptures faibles sont detectees et indiquent une tendance a unediminution depuis la fin des annees 1970 au milieu des annecs 1980 (non montre) et sont doneplus tardives par rapports a celles detectees sur les debits et precipitations. De plus, nousrappelons que depuis 1967, de nombreux barrages ont ete construits au Maroc . En effct, leurnombre croit de 1929 a 1985, puis plus rapidement jusqu'en 2000 (Singla, 2009). En 1953, 1973,

686 Stephanie Singla et al.

1979 et 1997, de grands barrages ont ete construits dans les bass ins de I'Oum Er Rbia et du Sebou.Mais il n 'y a aucune concordance entre les dates de ruptures identifiees dans les series

decoulement avec les dates de construction de barrages. Les barrages construits sont soit troprecents, soit situ es trop en aval des bassins versants etudies sur la periode donnee .

CONCLUSION

L'objectif de cette etude etait d 'analyser les regimes hydroc1imatiques sur 27 bassins marocainspour evaluer l 'impact du changement climatique sur les ressources en eau. Tout d 'abord, l' etudedes indices pluviometriques annuels, couvrant plusi eurs echelles spatiales emboitees (station,micro , meso et macro-region) et plu sieurs profondeurs temporelies , no us a perrnis de mieuxprendre en compte la persistance spatio-temporelle des signaux c1imatiques mis en evidence: (a)relations de certaines regions avec l'Oscillation Nord Atlantique en 1996; (b) leg ere augmentationdes pluies en region mediterraneenne au Nord du Rif; et (c) une diminution significative et globaledes pluies sur les autres regions depu is la fin des annees 70 . Cependant, il reste difficile derepondre 11 la question de savoir que I type de donnees represente le mieux la variabilite c1imatiquedes regions : observees ou reconstituees, micro, meso ou macro.

L 'analyse des ecoulcmc nts (debits mensuels et annuels) montrent aussi une diminution depuisfin des annees 1970/debut des ann ees 1980. Nous avons done suppose que la diminution des debitsest due 11 la diminution des prec ipitations sur les bassins versants etudies. Seul es les rupturesdetectees sur les coefficients decoulements s 'etendent jusqu'au milieu des annees 80, marquantalors une periode de secheresse generalisee au Maroc. Une comparaison des dates de rupturesdetcctecs sur les series hydrologiques 11 celles de construction des grands barrages nous a permisde constater aucune correspondance. L 'origine de la diminution des ecoulements (debits etcoefficients d 'ecoulement) jusqu 'en 1990 est done tres certainement reliee 11 une diminution desprecipitations.

Pour poursuivre ces travaux, une base de donnees plus complete sur tout le Maroc seraitnecessaire, La plupart des bassins etudies ne comportait pas d 'amenagements hydrauliquesimportants, nous perrnettant d 'observer surtout l'influence c1imatique. Cependant, pour mener uneetude globale sur les ecoulements d 'autres bassins versants seraient necessaires . Enfin, lors de larecherche de correspondance entre dates de ruptures des ccoulements et date de creationd 'amenagements hydrauliques, seuls les barrages ont ete pris en compte. Une etude plusapprofondie devrait aussi tenir compte les prelevements diffus pour l'irrigation, les transferts d 'eauinter-bassins, etc .

REMERClEMENTS

Nous rem ercions vivement la Direction Nationale de la Meteorologic et la Direction General e deI'Hydraulique du Maroc (Secretariat d 'Etat 11 I'Eau et l'Environnement), pour la mis e 11 dispositiondes donnees pour cette etude, inscrite dans le cadre du Programme M ED FRIEND de l'UNESCO(PHI).

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Global Change:Facing Risks and Threatsto Water Resources

Edited by:

ERIC SERVATUMR HydroSciences Montpe/lier (HSM ),Universite Montpellier 2, France

SIEGFRIED DEMUTHHydrological Processes and Climate Section, Division of Water Sciences,Natural Sciences Sector, UNESCO , Paris, France

ALAIN DEZETTERUMR HydroSciences Montpellier (HSM),Universite Montpellier 2, France

TREVOR DANIELLSchool ofCivil and Environm ental Engineerin g,University of Adelaide, Australia

Co-edited by: ENNIO FERRA RI, MUSTAPHA IJJAALI,RAOUF JABRANE, HENNY VAN LANEN & YAN HUA NG

Proceedings of the Sixth World FRIEND Conference , Fez, Morocco ,25-29 October 2010.

IAHS Publication 340in the IAHS Series of Proceedings and Reports

Published by the International Association of Hydrological Sciences 2010

IAHS Publication 340

ISBN 978-1-907 16 1-13-1

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