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

技術要約：ガーナのクルパウン流域における土地被覆変化と気候変動が水文バランスに及ぼす影響

問題提起
ガーナのホワイト・ボルタ川の重要な支流であるクルパウン川流域（KRB）は、土地利用および土地被覆（LULC）の変化と気候変動という二重の圧力に起因する、深刻化する水文学的課題に直面している。単一の降雨レジームと長期にわたる乾季を特徴とするこの地域は、雨頼みの農業と天然資源に大きく依存している。しかし、急速な都市化、農業拡大、森林減少、違法な小規模採掘、および燃料用薪の採取により、流域の植生被覆が劣化している。これまでの研究では、より広範なホワイト・ボルタ流域内において、気候変動またはLULC変化のいずれかを個別に調査してきたが、クルパウン流域の水文学的プロセスに対するこれら両者の結合的かつ累積的な影響を理解するには、依然として大きな空白が存在する。この統合的な分析の欠如は、標的を絞った水資源管理戦略の開発を妨げ、流域を水利用量の減少、洪水リスクの増大、および生態系の回復力の低下に対して脆弱な状態に置いている。

研究手法
本研究では、1995年から2023年までの変化を評価するために、リモートセンシング、機械学習、および水文学的モデリングを組み合わせた統合的なアプローチを採用した。

• LULC分類: 1995年、2005年、2015年、2023年のLandsat衛星画像（TM、ETM+、およびOLI）を、Rソフトウェア内のRandom Forest（RF）アルゴリズムを用いて処理した。5つのLULCクラス（密なサバンナ森林、疎なサバンナ森林、農地、市街地、および水体）を特定した。精度は、全体精度（OA）およびKappa係数を用いて検証された。
• 水文学的モデリング: 土壌および水資源評価ツール（SWAT）を用いて、水文気象条件をシミュレーションした。モデルの較正と検証は、SWAT-CUP内のSequential Uncertainty Fitting（SUFI-2）アルゴリズムを用い、観測された流出データ（1992–2012年）を通じて行った。性能評価には、Nash-Sutcliffe効率（NSE）、決定係数（$R^2$）、およびKling-Gupta効率（KGE）を用いた。
• 気候分析: 気候データは、ガーナ気象庁および衛星プロダクト（CHIRPS、NASA POWER）から取得した。将来の気候予測は、CMIP6プロジェクトの2つの共通社会経済経路（SSP1-2.6およびSSP5-8.5）の下での6つの全球気候モデル（GCM）から導出した。
• シナリオ評価: 異なるLULCシナリオ（1995年、2005年、2015年、2023年）および気候シナリオの下で水文学的構成要素（降水量、蒸発散量、地表流出、地下水流、水収量など）をシミュレーションし、土地被覆の変化と気候変動による影響を分離して定量化した。

主な結果

• LULC動態: 1995年から2023年の間に顕著な土地被覆の遷移が観察された。密なサバンナ森林は28.34%減少し、主に疎なサバンナ森林（20.83%）および農地（3.22%）へと転換した。市街地は年率29.80%で拡大し、農地は年率9.35%で増加した。逆に、水体は約13.78%減少した。
• 水文学的影響: LULCのシフトは、水収支の明確な変化と相関していた。
  • 降水量: 2.14%減少（2691 mmから2633.25 mmへ）。
  • 蒸発散量（ET）: 植生被覆の減少により4.91%減少。
  • 地表流出（SurfQ）: 都市化と植生の喪失による浸透能の低下により、7.78%増加。
  • 水収量（WYLD）: 14.5%の大幅な減少を示し、これは全体的な水利用可能性の低下を意味する。
  • 地下水および浸透: 側方流は1.8%減少し、浸透量は4.87%減少しており、地下水涵養能力の低下を示唆している。
• 気候トレンド: 高排出シナリオであるSSP5-8.5の下では、1995年から2023年にかけて、流域の気温が12.48%上昇し、降水量が3.47%減少した。本研究は、LULCの変化と水文気象変数との間に強い正の相関関係を確立しており、土地被覆の変化が局所的な降水および気温パターンに大きな影響を与えることを示している。
• 季節変動: LUL_C変化の影響は雨季（5月–10月）に最も顕著であり、地表流出が劇的に増加した一方で、乾季（11月–4月）には深刻な水不足と基底流への寄与の減少が見られた。

意義と貢献
本研究は、人為的な土地被覆の変化と気候変動が、どのように共同でクルパウン流域の水文学的劣化を駆動しているかについての重要な統合的評価を提供する。LULCの遷移と水文気象変数の間の強い相関関係を確立することで、本研究は、水収量の減少と地表流出の増加が、単に気候に起因するものではなく、持続不可能な土地管理慣行によって悪化していることを明らかにしている。研究結果は、密なサバンナ森林から市街地や農地への転換が、流域の自然な緩衝能力を損ない、雨季におけるフラッシュフラッド（突発的洪水）のリスク増大と、乾季における水不足の両方を招いていることを強調している。

推奨事項と政策的含意
これらの知見に基づき、著者らは流域のHydrological Resilience（水文学的回復力）を高めるための統合的管理戦略を提唱する。主な推奨事項は以下の通りである。

• 敏感な生態学的ゾーンへの侵入を防ぐため、空間的な土地利用計画を実施し、執行すること。
• 土壌水分を保持し侵食を軽減するために、アグロフォレストリー、被覆作物、最小耕作などの気候スマート農業を推進すること。
• 植生被復を回復させるために、在来種を用いたコミュニティ主導の再植林および植林プログラムを優先すること。
• 環境保護庁、水資源委員会、および地域コミュニースタックホルダーを含む流域レベルのステークホルダー・プラットフォームを設立し、協調的なガバナンスを促進すること。
• LULCの変化と水文学的応答を追跡するために、リモートセンシングと水文学的モデルを用いた長期モニタリングシステムを構築すること。

本研究は、持続可能な土地および水利用計画がなければ、クルパウン流域における水の利用可能性は今後も悪化し続け、当該地域の食料安全保障、生活手段、および生態系サービスに深刻な影響を及ぼすと結論付けている。