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

Resumen Técnico: Efectos del Cambio en la Cobertura del Suelo y la Variabilidad Climática en el Balance Hidrológico de la Cuenca de Kulpawn, Ghana

Planteamiento del Problema
La Cuenca del Río Kulpawn (KRB), una subcuenca crítica de la White Volta en Ghana, enfrenta desafíos hidrológicos crecientes impulsados por las presiones duales del cambio en el Uso y la Cobertura del Suelo (LULC) y la variabilidad climática. La región, caracterizada por un régimen de lluvias único y estaciones secas prolongadas, depende fuertemente de la agricultura de secano y los recursos naturales. Sin embargo, la rápida urbanización, la expansión agrícola, la deforestación, la minería artesanal ilegal y la extracción de leña han degradado la cubierta vegetal de la cuenca. Si bien estudios previos han examinado la variabilidad climática o los cambios de LULC de forma aislada dentro de la cuenca más amplia de la White Volta, persiste una brecha significativa en la comprensión de sus efectos combinados y acumulativos sobre los procesos hidrológicos de la Cuenca de Kulpawn. Esta falta de análisis integrado dificulta el desarrollo de estrategias dirigidas para la gestión de los recursos hídricos, dejando a la cuenca vulnerable a la reducción de la disponibilidad de agua, el aumento de las inundaciones y la disminución de la resiliencia de los ecosistemas.

Metodología
El estudio empleó un enfoque integrado que combina teledetección, aprendizaje automático y modelado hidrológico para evaluar los cambios entre 1995 y 2023.

• Clasificación de LULC: Se procesaron imágenes satelitales Landsat (TM, ETM+, y OLI) de 1995, 2005, 2015 y 2023 utilizando el algoritmo Random Forest (RF) en el software R. Se identificaron cinco clases de LULC: bosque de sabana densa, bosque de sabana ligera, tierras agrícolas, áreas urbanizadas y cuerpos de agua. La precisión se validó mediante el Uso de la Exactitud Global (OA) y los coeficientes Kappa.
• Modelado Hidrológico: Se utilizó la herramienta Soil and Water Assessment Tool (SWAT) para simular las condiciones hidroclimáticas. El modelo fue calibrado y validado utilizando datos observados de caudal (1992–2012) mediante el algoritmo Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) dentro de SWAT-CUP. El desempeño se evaluó utilizando la Eficiencia de Nash-Sutcliffe (NSE), el Coeficiente de Determinación ($R^2$) y la Eficiencia de Kling-Gupta (KGE).
• Análisis Climático: Los datos climáticos se obtuvieron de la Agencia Meteorológica de Ghana y productos satelitales (CHIRPS, NASA POWER). Las proyecciones climáticas futuras se derivaron de seis Modelos de Circulación General (GCM) bajo dos Trayectorias Socioeconómicas Compartidas (SSP1-2.6 y SSP5-8.5) del proyecto CMIP6.
• Evaluación de Escenarios: El estudio simuló componentes hidrológicos (precipitación, evapotranspiración, escorrentía superficial, flujo de agua subterránea, rendimiento hídrico, etc.) bajo diferentes escenarios de LULC (1995, 2005, 2015, 2023) y escenarios climáticos para aislar y cuantificar los impactos de los cambios en la cobertura del suelo y la variabilidad climática.

Resultación Clave

• Dinámicas de LULC: Se observaron transiciones significativas en la cobertura del suelo entre 1995 y 2023. El bosque de sabana densa disminuyó un 28.34%, convirtiéndose principalmente en bosque de sabana ligera (20.83%) y tierras agrícolas (3.22%). Las áreas urbanizadas se expandieron un 29.80% anual, mientras que las tierras agrícolas aumentaron un 9.35% anual. Por el contrario, los cuerpos de agua disminuyeron aproximadamente un 13.78% durante el periodo de estudio.
• Impactos Hidrológicos: El cambio en el LULC se correlacionó con cambios distintivos en el balance hídrico:
  • Precipitación: Disminuyó un 2.14% (de 2691 mm a 2633.25 mm).
  • Evapotranspiración (ET): Disminuyó un 4.91% debido a la reducción de la cubierta vegetal.
  • Escorrentía Superficial (SurfQ): Aumentó un 7.78%, atribuido a la reducción de las tasas de infiltración causadas por la urbanización y la pérdida de vegetación.
  • Rendimiento Hídrico (WYLD): Mostró una disminución significativa del 14.5%, lo que indica una reducción de la disponibilidad general de agua.
  • Agua Subterránea y Percolación: El flujo lateral disminuyó un 1.8% y la percolación disminuyó un 4.87%, lo que sugiere una reducción en la capacidad de recarga de las aguas subterráneas.
• Tendencias Climáticas: Bajo el escenario de altas emisiones SSP5-8.5, la cuenca experimentó un aumento del 12.48% en la temperatura y una disminución del 3.47% en la precipitación de 1995 a 2023. El estudio estableció una fuerte correlación positiva entre los cambios de LULC y las variables hidroclimáticas, indicando que las alteraciones en la cobertura del suelo influyen significamente en los patrones locales de lluvia y temperatura.
• Variabilidad Estacional: El impacto de los cambios de LULC fue más pronunciado durante la estación húmeda (mayo–octubre), donde la escorrentía superficial aumentó drásticamente, mientras que la estación seca (noviembre–abril) exhibió severos déficits de agua y reducidas contribuciones de flujo base.

Significancia y Contribuciones
Este estudio proporciona una evaluación integrada crítica de cómo los cambios antropogénicos en la cobertura del suelo y la variabilidad climática impulsan conjuntamente la degradación hidrológica en la Cuenca de Kulpawn. Al establecer una fuerte correlación entre las transiciones de LULC y las variables hidroclimáticas, la investigación destaca que la disminución del rendimiento hídrico y el aumento de la escorrentía superficial no son únicamente impulsados por el clima, sino que se ven exacerbados por prácticas de gestión de la tierra insostenibles. Los hallazgos subrayan que la conversión de bosques de sabana densos a áreas urbanizadas y tierras agrícolas ha comprometido la capacidad de amortiguación natural de la cuenca, lo que conduce a mayores riesgos de inundaciones repentinas en la estación húmeda y escasez de agua en la estación seca.

Recomendaciones e Implicaciones de Política
Basándose en estos hallazgos, los autores abogan por estrategias de gestión integrada para mejorar la resiliencia hidrológica de la cuenca. Las recomendaciones clave incluyen:

• Implementar y hacer cumplir planes espaciales de uso de la tierra para evitar la invasión de zonas ecológicas sensibles.
• Promover prácticas agrícolas climáticamente inteligentes, como la agroforestería, el cultivo de cobertura y la labranza mínima, para conservar la humedad del suelo y reducir la erosión.
• Priorizar programas comunitarios de reforestación y forestación utilizando especies nativas para restaurar la cubierta vegetal.
• Establecer plataformas de participación a nivel de cuenca que involucren a la Autoridad de Protección Ambiental, la Comisión de Recursos Hídricos y las comunidades locales para fomentar la gobernanza colaborativa.
• Desarrollar sistemas de monitoreo a largo plazo utilizando teledetección y modelos hidrológicos para rastrear los cambios de LULC y las respuestas hidrológicas.

El estudio concluye que, sin una planificación sostenible del uso de la tierra y el agua, la disponibilidad de agua en la Cuenca de Kulpawn continuará deteriorándose, con graves consecuencias para la seguridad alimentaria, los medios de vida y los servicios ecosistémicos en la región.