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

Technische Samenvatting: Effecten van Landbedekkingsverandering en Klimaatvariabiliteit op de Hydrologische Balans van het Kulpawn-bekken, Ghana

Probleemstelling
Het Kulpawn-rivierbekken (KRB), een cruciaal subbekken van de Witte Volta in Ghana, staat voor escalerende hydrologische uitdagingen die worden gedreven door de dubbele druk van Landgebruik en Landbedekking (LULC) veranderingen en klimaatvariabiliteit. De regio, die wordt gekenmerkt door een enkel regenregime en langdurige droge seizoenen, is sterk afhankelijk van regenafhankelijke landbouw en natuurlijke hulpbronnen. Echter, snelle verstedelijking, landbouwexpansie, ontbossing, illegale kleinschalige mijnbouw en de winning van brandhout hebben de vegetatieve bedekking van het bekken aangetast. Hoewel eerdere studies klimaatvariabiliteit of LULC-veranderingen afzonderlijk hebben onderzocht binnen het bredere Witte Volta-bekken, blijft er een aanzienlijke kloof in het begrip van hun gecombineerde, cumulatieve effecten op de hydrologische processen van het Kulpawn-bekken. Dit gebrek aan geïntegreerde analyse belemmert de ontwikkeling van gerichte strategieën voor waterbeheer, waardoor het bekken kwetsbaar is voor verminderde waterbeschikbaarheid, toegenomen overstromingen en verminderde ecosysteemresiliëntie.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een geïntegreerde aanpak waarbij remote sensing, machine learning en hydrologische modellering werden gecombineerd om de veranderingen van 1995 tot 2023 te beoordelen.

• LULC-classificatie: Landsat-satellietbeelden (TM, ETM+, en OLI) uit 1995, 2005, 2015 en 2023 werden verwerkt met behulp van het Random Forest (RF) algoritme in R-software. Vijf LULC-klassen werden geïdentificeerd: dicht savannebos, licht savannebos, landbouwgronden, bebouwde gebieden en waterlichamen. De nauwkeurigheid werd gevalideerd met behulp van de Overall Accuracy (OA) en Kappa-coëfficiënten.
• Hydrologische Modellering: De Soil and Water Assessment Tool (SWAT) werd gebruikt om hydro- klimatologische condities te simuleren. Het model werd gekalibreerd en gevalideerd met geobserveerde debietgegevens (1992–2012) via het Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) algoritme binnen SWAT-CUP. De prestaties werden geëvalueerd met de Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), de Coëfficiënt van Determinatie ($R^2$) en de Kling-Gupta Efficiency (KGE).
• Klimaatanalyse: Klimaatgegevens werden afkomstig van de Ghana Meteorological Agency en satellietproducten (CHIRPS, NASA POWER). Toekomstige klimaatprojecties werden afgeleid van zes Global Climate Models (GCMs) onder twee Shared Socioeconomic Pathways (SSP1-2.6 en SSP5-8.5) uit het CMIP6-project.
• Scenario-beoordeling: De studie simuleerde hydrologische componenten (neerslag, evapotranspiratie, oppervlakteafvoer, grondwaterstroom, wateropbrengst, etc.) onder verschillende LULC-scenario's (1995, 2005, 2015, 2023) en klimaatscenario's om de effecten van landbedekkingsveranderingen en klimaatvariabiliteit te isoleren en te kwantificeren.

Belangrijkste Resultaten

• LULC-dynamiek: Significante landbedekkingstransities werden waargenomen tussen 1995 en 2023. Het dichte savannebos nam met 28,34% af, waarbij het voornamelijk werd omgezet in licht savannebos (20,83%) en landbouwgrond (3,22%). Bebouwde gebieden breidden zich jaarlijks met 29,80% uit, terwijl landbouwgronden jaarlijks met 9,35% toenamen. Omgekeerd namen waterlichamen over de onderzochte periode met ongeveer 13,78% af.
• Hydrologische Impact: De verschuiving in LULC correleerde met duidelijke veranderingen in de waterbalans:
  • Neerslag: Nam af met 2,14% (van 2691 mm naar 2633,25 mm).
  • Evapotranspiratie (ET): Daalde met 4,91% als gevolg van de verminderde vegetatieve bedekking.
  • Oppervlakteafvoer (SurfQ): Nam toe met 7,78%, toegeschreven aan verminderde infiltratiesnelheden veroorzaakt door verstedelijking en vegetatieverlies.
  • Wateropbrengst (WYLD): Toonde een significante daling van 14,5%, wat wijst op een verminderde algehele waterbeschikbaarheid.
  • Grondwater en Percolatie: De laterale stroom nam af met 1,8% en de percolatie daalde met 4,87%, wat wijst op een verminderde capaciteit voor grondwateraanvulling.
• Klimaattrends: Onder het hoge emissie-scenario SSP5-8.5 ervoer het bekken een toename van 12,48% in temperatuur en een afname van 3,47% in neerslag van 1995 tot 2023. De studie stelde een sterke positieve correlatie vast tussen LULC-veranderingen en hydro-klimatologische variabelen, wat aangeeft dat landbedekkingwijzigingen lokale neerslag- en temperatuurpatronen aanzienlijk beïnvloeden.
• Seizoensgebonden Variabiliteit: De impact van LUL de veranderingen was het meest uitgesproken tijdens het natte seizoen (mei–oktober), waarbij de oppervlakteafvoer dramatisch toenam, terwijl het droge seizoen (november–april) ernstige watertekorten en verminderde basisafvoer vertoonde.

Betekenis en Bijdragen
Deze studie biedt een cruciale geïntegreerde beoordeling van hoe antropogene landbedekkingsveranderingen en klimaatvariabiliteit gezamenlijk de hydrologische degradatie in het Kulpawn-bekken drijven. Door een sterke correlatie vast te stellen tussen LULC-transities en hydro-klimatologische variabelen, benadrukt het onderzoek dat de afname van de wateropbrengst en de toename van de oppervlakteafvoer niet uitsluitend door het klimaat worden gedreven, maar worden verergerd door onhoudbare landbeheerspraktijken. De bevindingen onderstrepen dat de conversie van dichte savannebossen naar bebouwde gebieden en landbouwgronden de natuurlijke bufferende capaciteit van het bekken heeft aangetast, wat leidt tot een verhoogd risico op flash floods in het natte seizoen en waterschaarste in het droge seizoen.

Aanbevelingen en Beleidsimplicaties
Op basis van deze bevindingen pleiten de auteurs voor geïntegreerde beheersstrategieën om de hydrologische veerkracht van het bekken te vergroten. Belangrijke aanbevelingen zijn onder meer:

• Het implementeren en handhaven van ruimtelijke landgebruiksplannen om indringing in gevoelige ecologische zones te voorkomen.
• Het promoten van klimaat-slimme landbouwpraktijken, zoals agroforestry, bodembedekking en minimale grondbewerking, om bodemvocht te conserveren en erosie te verminderen.
• Het prioriteren van gemeenschapsgerichte herbebossings- en afforestatieprogramma's met inheemse soorten om de vegetatieve bedekking te herstellen.
• Het opzetten van platformen voor belanghebbenden op bekenniveau, waarbij de Environmental Protection Authority, de Water Resources Commission en lokale gemeenschappen betrokken zijn om gezamenlijk bestuur te bevorderen.
• Het ontwikkelen van langetermijnmonitoringssystemen met behulp van remote sensing en hydrologische modellen om LULC-veranderingen en hydrologische reacties te volgen.

De studie concludeert dat zonder duurzame land- en watergebruiksplanning, de beschikbaarheid van water in het Kulpawn-bekken zal blijven verslechteren, met ernstige gevolgen voor de voedselzekerheid, de levensonderhoud en de ecosysteemdiensten in de regio.