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

Technische Zusammenfassung: Auswirkungen von Landbedeckungsänderungen und Klimavariabilität auf die hydrologische Bilanz des Kulpawn-Beckens, Ghana

Problemstellung
Das Kulpawn-Flussbecken (KRB), ein kritisches Teilbecken des Weißen Volta in Ghana, steht vor eskalierenden hydrologischen Herausforderungen, die durch den doppelten Druck von Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen (LULC) sowie Klimavariabilität verursacht werden. Die Region, die durch ein einzelnes Niederschlagsregime und verlängerte Trockenzeiten gekennzeichnet ist, ist stark von regenabhängiger Landwirtschaft und natürlichen Ressourcen abhängig. Durch schnelle Urbanisierung, landwirtschaftliche Expansion, Entwaldung, illegalen handwerklichen Bergbau und Brennholzentnahme wurde jedoch die Vegetationsdecke des Beckens degradiert. Während frühere Studien Klimavariabilität oder LULC-Änderungen isoliert innerhalb des breiteren Weißen Volta-Beckens untersucht haben, besteht eine signifikante Lücke im Verständnis ihrer kombinierten, kumulativen Auswirkungen auf die hydrologischen Prozesse des Kulpawn-Beckens. Dieser Mangel an integrierter Analyse behindert die Entwicklung gezielter Strategien zur Wasserressourcenbewirtschaftung und lässt das Becken gegenüber verringerter Wasserverfügbarkeit, erhöhten Überschwemmungen und verminderter Ökosystemresilienz anfällig werden.

Methodik
Die Studie verwendete einen integrierten Ansatz, der Fernerkundung, maschinelles Lernen und hydrologische Modellierung kombinierte, um die Veränderungen von 1995 bis 2023 zu bewerten.

• LULC-Klassifizierung: Landsat-Satellitenbilder (TM, ETM+, OLI) aus den Jahren 1995, 2005, 2015 und 2023 wurden unter Verwendung des Random-Forest-Algorithmus (RF) in der Software R verarbeitet. Es wurden fünf LULC-Klassen identifiziert: dichter Savannensavannwald, heller Savannensavannwald, landwirtschaftliche Flächen, bebaute Gebiete und Wasserflächen. Die Genauigkeit wurde mittels der Gesamtgenauigkeit (Overall Accuracy, OA) und der Kappa-Koeffizienten validiert.
• Hydrologische Modellierung: Das Soil and Water Assessment Tool (SWAT) wurde eingesetzt, um hydro-klimatische Bedingungen zu simulieren. Das Modell wurde unter Verwendung des Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2)-Algorithmus innerhalb von SWAT-CUP anhand beobachteter Abflussdaten (1992–2012) kalibriert und validiert. Die Leistung wurde mittels des Nash-Sutcliffe-Effizienzmaßstabs (NSE), dem Bestimmtheitsmaß ($R^2$) und der Kling-Gupta-Effizienz (KGE) bewertet.
• Klimaanalyse: Klimadaten wurden von der Ghana Meteorological Agency und Satellitenprodukten (CHIRPS, NASA POWER) bezogen. Zukünftige Klimaprojektionen wurden aus sechs globalen Klimamodellen (GCMs) unter zwei sozioökonomischen Pfaden (SSP1-2.6 und SSP5-8.5) des CMIP6-Projekts abgeleitet.
• Szenariobewertung: Die Studie simulierte hydrologische Komponenten (Niederschlag, Evapotranspiration, Oberflächenabfluss, Grundwasserfluss, Wasserertrag usw.) unter verschiedenen LULC-Szenarien (1995, 2005, 2015, 2023) und Klimaszenarien, um die Auswirkungen von Landbedeckungsänderungen und Klimavariabilität zu isolieren und zu quantifizieren.

Wichtigste Ergebnisse

• LULC-Dynamik: Zwischen 1995 und 2023 wurden signifikante Landbedeckungstransitionen beobachtet. Der dichte Savannensavannwald nahm um 28,34 % ab, wobei er primär in hellen Savannensavannwald (20,83 %) und landwirtschaftliche Flächen (3,22 %) überging. Bebaute Gebiete expandierten jährlich um 29,80 %, während landwirtschaftliche Flächen jährlich um 9,35 % zunahmen. Umgekehrt gingen die Wasserflächen über den Untersuchungszeitraum um etwa 13,78 % zurück.
• Hydrologische Auswirkungen: Der Wechsel der LULC korrelierte mit deutlichen Veränderungen in der Wasserbilanz:
  • Niederschlag: Sank um 2,14 % (von 2691 mm auf 2633,25 mm).
  • Evapotranspiration (ET): Ging aufgrund der reduzierten Vegetationsdecke um 4,91 % zurück.
  • Oberflächenabfluss (SurfQ): Steigerte sich um 7,78 %, was auf reduzierte Infiltrationsraten durch Urbanisierung und Vegetationsverlust zurückzuführen ist.
  • Wasserertrag (WYLD): Verzeichnete einen signifikanten Rückgang von 14,5 %, was auf eine insgesamt verringerte Wasserverfügbarkeit hindeutet.
  • Grundwasser und Perkolation: Der seitliche Fluss nahm um 1,8 % ab und die Perkolation sank um 4,87 %, was auf eine verringerte Grundwasserneubildungskapazität hindeutet.
• Klimatrends: Unter dem Hochemissionsszenario SSP5-8.5 verzeichnete das Becken von 1995 bis 2023 einen Temperaturanstieg von 12,48 % und eine Abnahme des Niederschlags um 3,47 %. Die Studie stellte eine starke positive Korrelation zwischen LULC-Änderungen und hydro-klimatischen Variablen fest, was darauf hindeutet, dass Landbedeckungsänderungen lokale Niederschlags- und Temperaturmuster signifikant beeinflussen.
• Saisonale Variabilität: Die Auswirkungen der LULC-Änderungen waren während der Regenzeit (Mai–Oktober) am ausgeprägtesten, in der der Oberflächenabfluss drastisch anstieg, während die Trockenzeit (November–April) schwere Wasserdefizite und reduzierte Basisabflüsse aufwies.

Bedeutung und Beiträge
Diese Studie liefert eine kritische integrierte Bewertung darüber, wie anthropogene Landbedeckungsänderungen und Klimavariabilität gemeinsam die hydrologische Degradation im Kulpawn-Becken vorantreiben. Durch die Feststellung einer starken Korrelation zwischen LULC-Übergängen und hydro-klimatischen Variablen hebt die Forschung hervor, dass der Rückgang des Wasserertrags und der Anstieg des Oberflächenabflusses nicht allein klimabedingt sind, sondern durch eine unnachhaltige Landbewirtschaftung verschärft werden. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die Umwandlung von dichten Savannensavannwäldern in bebaute Gebiete und landwirtschaftliche Flächen die natürliche Pufferkapazität des Beckens beeinträchtigt hat, was zu einem erhöhten Risiko von Sturzfluten in der Regenzeit und Wasserknappheit in der Trockenzeit führt.

Empfehlungen und politische Implikationen
Basierend auf diesen Ergebnissen plädieren die Autoren für integrierte Managementstrategien, um die hydrologische Resilienz des Beckens zu stärken. Zu den wichtigsten Empfehlungen gehören:

• Implementierung und Durchsetzung räumlicher Landnutzungspläne, um das Eindringen in sensible ökologische Zonen zu verhindern.
• Förderung klimasmarter landwirtschaftlicher Praktiken, wie Agroforstwirtschaft, Zwischenfruchtanbau und minimale Bodenbearbeitung, um die Bodenfeuchtigkeit zu erhalten und Erosion zu reduzieren.
• Priorisierung von gemeinschaftsbasierten Aufforstungsprogrammen unter Verwendung einheimischer Arten, um die Vegetationsdecke wiederherzustellen.
• Einrichtung von Plattformen für Stakeholder auf Beckenebene unter Einbeziehung der Environmental Protection Authority, der Water Resources Commission und lokaler Gemeinschaften, um eine kollaborative Governance zu fördern.
• Entwicklung langfristiger Monitoring-Systeme unter Verwendung von Fernerkundung und hydrologischen Modellen, um LULC-Änderungen und hydrologische Reaktionen zu verfolgen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass ohne eine nachhaltige Land- und Wassernutzungsplanung die Verfügbarkeit von Wasser im Kulpawn-Becken weiter sinken wird, mit schwerwiegenden Folgen für die Ernährungssicherheit, die Lebensgrundlagen und die Ökosystemdienstleistungen in der Region.