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

Sintesi Tecnica: Effetti del Cambiamento della Copertura del Suolo e della Variabilità Climatica sul Bilancio Idrologico del Bacino di Kulpawn, Ghana

Definizione del Problema
Il bacino del fiume Kulpawn (KRB), un sottobacino critico del White Volta in Ghana, affronta crescenti sfide idrologiche guidate dalle doppie pressioni del cambiamento dell'uso e della copertura del suolo (LULC) e della variabilità climatica. La regione, caratterizzata da un unico regime di precipitazioni e stagioni secche prolungate, dipende fortemente dall'agricoltura pluviale e dalle risorse naturali. Tuttavia, l'urbanizzazione rapida, l'espansione agricola, la deforestazione, l'estrazione illegale di oro artigianale e il prelievo di legname da ardere hanno degradato la copertura vegetativa del bacino. Sebbene studi precedenti abbiano esaminato la variabilità climatica o i cambiamenti LULC isolatamente all'interno del più ampio bacino del White Volta, rimane una lacuna significativa nella comprensione dei loro effetti combinati e cumulativi sui processi idrologici del bacino di Kulpawn. Questa mancanza di un'analisi integrata ostacola lo sviluppo di strategie mirate per la gestione delle risorse idriche, lasciando il bacino vulnerabile alla riduzione della disponibilità idrica, all'aumento delle inondazioni e alla diminuzione della resilienza ecosistemica.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio integrato combinando telerilevamento, machine learning e modellazione idrologica per valutare i cambiamenti dal 1995 al 2023.

• Classificazione LULC: Immagini satellitari Landsat (TM, ETM+, e OLI) del 1995, 2005, 2015 e 2023 sono state elaborate utilizzando l'algoritmo Random Forest (RF) nel software R. Sono state identificate cinque classi LULC: foresta di savana densa, foresta di savana leggera, terreni agricoli, aree edificate e corpi idrici. L'accuratezza è stata validata tramite l'accuratezza complessiva (OA) e i coefficienti Kappa.
• Modellazione Idrologica: È stato utilizzato lo strumento Soil and Water Assessment Tool (SWAT) per simulare le condizioni idro-climatiche. Il modello è stato calibrato e validato utilizzando dati di portata osservati (1992–2012) tramite l'algoritmo Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) all'interno di SWAT-CUP. Le prestazioni sono state valutate utilizzando l'efficienza di Nash-Sutcliffe (NSE), il coefficiente di determinazione ($R^2$) e l'efficienza di Kling-Gupta (KGE).
• Analisi Climatica: I dati climatici sono stati ottenuti dall'Agenzia Meteorologica del Ghana e da prodotti satellitari (CHIRPS, NASA POWER). Le proiezioni climatiche future sono state derivate da sei modelli climatici globali (GCM) sotto due percorsi socio-economici condivisi (SSP1-2.6 e SSP5-8.5) del progetto CMIP6.
• Valutazione degli Scenari: Lo studio ha simulato i componenti idrologici (precipitazioni, evapotraspirazione, deflusso superficiale, flusso sotterraneo, resa idrica, ecc.) sotto diversi scenari LULC (1995, 2005, 2015, 2023) e scenari climatici per isolare e quantificare gli impatti dei cambiamenti della copertura del suolo e della variabilità climatica.

Risultati Chiave

• Dinamiche LULC: Sono state osservate transizioni significative della copertura del suolo tra il 1995 e il 2023. La foresta di savana densa è diminuita del 28,34%, convertendosi principalmente in foresta di savana leggera (20,83%) e terreni agricoli (3,22%). Le aree edificate si sono espanse del 29,80% annuo, mentre i terreni agricoli sono aumentati del 9,35% annualmente. Al contrario, i corpi idrici sono diminuiti di circa il 13,78% durante il periodo di studio.
• Impatti Idrologici: Il passaggio di LULC è correlato a cambiamenti distinti nel bilancio idrico:
  • Precipitazioni: Diminuite del 2,14% (da 2 691 mm a 2 633,25 mm).
  • Evapotraspirazione (ET): Diminuita del 4,91% a causa della riduzione della copertura vegetativa.
  • Deflusso Superficiale (SurfQ): Aumentato del 7,78%, attribuito alla riduzione dei tassi di infiltrazione causata dall'urbanizzazione e dalla perdita di vegetazione.
  • Resa Idrica (WYLD): Ha mostrato un calo significativo del 14,5%, indicando una ridotta disponibilità idrica complessiva.
  • Acque Sotterranee e Percolazione: Il flusso laterale è diminuito dell'1,8% e la percolazione è diminuita del 4,87%, suggerendo una ridotta capacità di ricarica delle acque sotterranee.
• Tendenze Climatiche: Sotto lo scenario ad alte emissioni SSP5-8.5, il bacino ha registrato un aumento del 12,48% della temperatura e una diminuzione del 3,47% delle precipitazioni dal 1995 al 2023. Lo studio ha stabilito una forte correlazione positiva tra i cambiamenti LULC e le variabili idro-climatiche, indicando che le alterazioni della copertura del suolo influenzano significativamente i modelli locali di pioggia e temperatura.
• Variabilità Stagionale: L'impatto dei cambiamenti LULC è stato più pronunciato durante la stagione umida (maggio–ottobre), dove il deflusso superficiale è aumentato drasticamente, mentre la stagione secca (novemmente–aprile) ha presentato gravi deficit idrici e una riduzione dei contributi del deflusso di base.

Significato e Contributi
Questo studio fornisce una valutazione integrata critica di come i cambiamenti antropici della copertura del suolo e la variabilità climatica guidino congiuntamente il degrado idrologico nel bacino di Kulpawn. Stabilendo una forte correlazione tra le transizioni LULC e le variabili idro-climatiche, la ricerca evidenzia che il calo della resa idrica e l'aumento del deflusso superficiale non sono esclusivamente guidati dal clima, ma sono esacerbati da pratiche di gestione del territorio insostenibili. I risultati sottolineano che la conversione delle foreste di savana dense in aree edificate e terreni agricoli ha compromesso la capacità di tamponamento naturale del bacino, portando a un maggiore rischio di inondazioni improvvise nella stagione umida e scarsità d'acqua nella stagione secca.

Raccomandazioni e Implicazioni Politiche
Sulla base di questi risultati, gli autori raccomandano strategie di gestione integrata per migliorare la resilienza idrologica del bacino. Le raccomandazioni chiave includono:

• Implementare e far rispettare piani spaziali di uso del suolo per prevenire l'avanzata in zone ecologiche sensibili.
• Promuovere pratiche agricole climaticamente intelligenti, come l'agroforestazione, la coltura di copertura e la minima lavorazione del terreno, per conservare l'umidità del suolo e ridurre l'erosione.
• Dare priorità a programmi di riforestazione e riforestazione basati sulle comunità utilizzando specie autoctone per ripristinare la copertura vegetativa.
• Stabilire piattaforme di stakeholder a livello di bacino coinvolgendo l'Autorità per la Protezione Ambientale, la Commissione per le Risorse Idriche e le comunità locali per favorire una governance collaborativa.
• Sviluppare sistemi di monitoraggio a lungo termine utilizzando il telerilevamento e la modellazione idrologica per tracciare i cambiamenti LULC e le risposte idrologiche.

Lo studio conclude che, senza una pianificazione sostenibile del suolo e dell'acqua, la disponibilità di acqua nel bacino di Kulpawn continuerà a deteriorarsi, con gravi conseguenze per la sicurezza alimentare, i mezzi di sussistenza e i servizi ecosistemici nella regione.