A Hybrid WSA and AHP-TOPSIS Modeling for Soil Erosion Assessment and Prioritization of the Sub-watershed of Karmanasa River Basin

Technische Zusammenfassung: Eine hybride WSA- und AHP-TOPSIS-Modellierung zur Bewertung der Bodenerosion und Priorisierung des Teilflusseinzugsgebiets des Karmanasa-Flusses

Problemstellung
Das Karmanasa-Flusseinzugsgebiet (KRB), ein perennierender Nebenfluss des Ganges in der mittleren Ganges-Ebene, ist durch schwere Bodenerosion und Landdegradation gekennzeichnet, die durch den Klimawandel, anthropogene Aktivitäten und seine spezifische geologische Beschaffenheit vorangetrieben werden. Das Becken, das durch erodierbare Vindhyan-Sandstein-, Schiefer- und Kalksteinformationen charakterisiert ist, unterstützt eine intensive Landwirtschaft, leidet jedoch unter wiederkehrenden Überschwemmungen und Sedimenttransport. Während frühere Studien die Erosion in den Vindhyan- und Ganges-Ebenen behandelt haben, bleibt das KRB hinsichtlich einer systematischen Priorisierung von Teilflusseinzugsgebieten mittels fortschrittlicher, integrierter Modellierungstechniken untererforscht. Der Mangel an detaillierter Einzugsgebietscharakterisierung und Priorisierung behindert eine effektive Bodenkonservierungsplanung und ein nachhaltiges Landmanagement in dieser datenarmen Region.

Methodik
Die Studie verwendet einen integrierten geospatialen und Multi-Kriterien-Entscheidungsrahmen (MCDM), um die Anfälligkeit für Bodenerosion zu bewerten und zu priorisieren. Der Arbeitsablauf besteht aus vier Primärphasen:

1. Datenerfassung und Abgrenzung: Unter Verwendung von 30 m hochauflösenden SRTM DEM-Daten wurde das Becken in sechs Teilflusseinzugsgebiete (SW1–SW6) unterteilt. Geologische, bodenkundliche und topographische Daten wurden vom Geological Survey of India (GSI) und dem National Bureau of Soil Survey and Land Use Planning (NBSS&LUP) bezogen.
2. Morphometrische Analyse: Es wurden zweiundzwanzig morphometrische Parameter extrahiert und in die Aspekte linear, areal und Relief klassifiziert. Dazu gehörten Fließordnungen, Bifurkationsverhältnis, Entwässerungsdichte, Formfaktor, Kompaktheitskoeffizient, Reliefverhältnis und Rauheitszahl.
3. Modellierung und Priorisierung: Drei verschiedene Modelle wurden angewendet, um die Teilflusseinzugsgebiete basierend auf der Erosionsanfälligkeit zu ranken:
   • Gewichtete Summenanalyse (WSA): Ein zusammengesetzter Index wurde erstellt, indem normalisierten Gewichten morphometrische Parameter basierend auf ihren Korrelationskoeffizienten mit der Erosion zugewiesen wurden.
   • Sedimentproduktionsrate (SPR): Ein logarithmisches Modell, das den Sedimentertrag mit geomorphologischen Parametern (Formfaktor, Zirkulationsverhältnis und Kompaktheitskoeffizient) verknüpft.
   • Hybrides AHP-TOPSIS: Das Analytical Hierarchy Process (AHP) wurde verwendet, um Gewichte für 14 ausgewählte Parameter basierend auf Expertenurteilen (15 Spezialisten) abzuleiten, wobei ein Konsistenzverhältnis (CR) von 0,016 sichergestellt wurde. Diese Gewichte wurden dann in die Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) integriert, um Alternativen basierend auf ihrer Distanz zu idealen und anti-idealen Lösungen zu ranken.
4. Statistische Validierung: Die Zuverlässigkeit und Konsistenz der drei Modelle wurde mittels nicht-parametrischer statistischer Tests evaluiert: dem Spearman-Rangkorrelationskoeffizienten (SCCT) und dem Kendall-Tau-Korrelationskoeffizienten (KTCCT).

Hauptergebnisse

• Morphometrische Merkmale: Das Becken weist ein 6. Ordnung fließendes Entwässerungsnetz mit einer mittleren Entwässerungsdichte von 0,535 km/km² auf. Das Teilflusseinzugsgebiet SW3 ist das größte (2.142,21 km²), während SW6 das kleinste ist (804,51 km²). Die Entwässerungstextur ist generell grob, und das Becken befindet sich in einem geomorphologischen Entwicklungsstadium vom Jugend- zum Reifestadium.
• Modelloutputs:
  • WSA: Identifizierte etwa 38–40 % der Wassereinzugsgebiete als gefährdet. SW4 erhielt die höchste Priorität (niedrigster Wert), während SW1 die niedrigste Priorität erhielt.
  • SPR: Gab an, dass 42,6 % des Beckens gefährdet sind. SW5 zeigte die höchste Sedimentproduktionsrate (0,50) und wurde als sehr hohe Priorität klassifiziert, während SW6 die niedrigste aufwies (0,000013).
  • AHP-TOPSIS: Klassifizierte SW3, SW1 und SW2 als Hochprioritätszonen. Das Modell lieferte einen Näheskoeffizienten ($C_i^+$) im Bereich von 0,22 bis 0,75.
• Statistische Validierung: Das AHP-TOPSIS-Modell demonstrierte die höchste Stabilität und Konsistenz. Es zeigte eine positive Korrelation mit dem SPR-Modell (SCCT = 0,37), während das WSA-Modell schwächere Beziehungen zu den beiden anderen Ansätzen aufwies. Beide statistischen Tests bestätigten, dass AHP-TOPSIS die zuverlässigste Priorisierung für dieses Becken bietet.
• Räumliche Muster: Die hohe Erosionsanfälligkeit konzentriert sich auf das Kaimur-Plateau und die Übergangszonen zwischen dem Plateau und der Schwemmlandebene. Diese Gebiete sind durch steile Hänge, hohe Entwässerungsdichte und erodierbare Rewa-Schiefer- und Sandsteinformationen gekennzeichnet.

Zentrale Beiträge

• Integrierter Rahmen: Die Studie wendet erfolgreich einen hybriden AHP-TOPSIS-Ansatz kombiniert mit morphometrischer Analyse auf ein bisher untererforschtes Nebenflussgebiet des Ganges an und bietet so eine strukturierte Methode für die Entscheidungsfindung in datenarmen Regionen.
• Vergleichende Modellevaluierung: Durch den statistischen Vergleich von WSA, SPR und AHP-TOPSIS mittels SCCT und KTCCT identifiziert die Forschung AHP-TOPSIS als das überlegene Modell für diesen spezifischen geologischen Kontext und validiert dessen Anwendung gegenüber traditionellen gewichteten Summendarstellungen.
• Priorisierung für Maßnahmen: Die Forschung liefert eine spezifische, gerankte Liste von Teilflusseinzugsgebieten (SW3, SW1, SW2 als hohe Priorität), um gezielte Bodenkonservierungsmaßnahmen zu steuern und über allgemeine Bewertungen auf Beckenebene hinauszugehen.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Studie eine kritische Forschungslücke schließt, indem sie die erste systematische Priorisierung der Teilflusseinzugsgebiete des Karmanasa-Beckens unter Verwendung fortgeschrittener MCDM-Techniken bereitstellt. Die Ergebnisse bieten einen praktischen, kosteneffizienten Rahmen für das Flussbeckenmanagement, der auf andere Vindhyan- und Ganges-Nebenflussbecken übertragen werden kann. Durch die Identifizierung von Prioritätszonen unterstützt die Studie die Entwicklung von Restaurationsmaßnahmen und Strategien zur Milderung der Bodenerosion und trägt so zu einem nachhaltigen Landmanagement sowie zur Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) bei. Die Arbeit betont, dass integrierte geospatiale und morphometrische Ansätze für eine effektive Einzugsgebietsbewertung essenziell sind, wenn feldbasierte Erosionsdaten begrenzt sind.