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

Resumo Técnico: Efeitos da Mudança na Cobertura do Solo e da Variabilidade Climática no Balanço Hidrológico da Bacia de Kulpawn, Gana

Problema
A Bacia do Rio Kulpawn (KRB), uma sub-bacia crítica do White Volta em Gana, enfrenta desafios hidrológicos crescentes impulsionados pelas pressões duplas das mudanças no Uso e Cobertura da Terra (LULC) e da variabilidade climática. A região, caracterizada por um regime de chuva único e estações secas prolongadas, é fortemente dependente da agricultura de sequeiro e dos recursos naturais. No entanto, a rápida urbanização, a expansão agrícola, o desmatamento, a mineração artesanal ilegal e a extração de lenha degradaram a cobertura vegetal da bacia. Embora estudos anteriores tenham examinado a variabilidade climática ou as mudanças de LULC isoladamente dentro da mais ampla Bacia do White Volta, permanece uma lacuna significativa na compreensão de seus efeitos combinados e cumulativos nos processos hidrológicos da Bacia de Kulpawn. Essa falta de análise integrada dificulta o desenvolvimento de estratégias direcionadas de gestão de recursos hídricos, deixando a bacia vulnerável à redução da disponibilidade de água, ao aumento das inundações e à diminuição da resiliência do ecossistema.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem integrada combinando sensoriamento remoto, aprendizado de máquina e modelagem hidrológica para avaliar as mudanças de 1995 a 2023.

• Classificação de LULC: Imagens de satélite Landsat (TM, ETM+, e OLI) de 1995, 2005, 2015 e 2023 foram processadas utilizando o algoritmo Random Forest (RF) no software R. Foram identificadas cinco classes de LULC: floresta de savana densa, floresta de savana clara, terras agrícolas, áreas construídas e corpos d'água. A precisão foi validada usando Coeficientes de Acurácia Global (OA) e Kappa.
• Modelagem Hidrológica: A ferramenta Soil and Water Assessment Tool (SWAT) foi utilizada para simular condições hidroclimáticas. O modelo foi calibrado e validado utilizando dados observados de vazão (1992–2012) via algoritmo Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) dentro do SWAT-CUP. O desempenho foi avaliado utilizando o Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE), o Coeficiente de Determinação ($R^2$) e a Eficiência de Kling-Gupta (KGE).
• Análise Climática: Os dados climáticos foram obtidos da Agência Meteorológica de Gana e de produtos de satélite (CHIRPS, NASA POWER). As projeções climáticas futuras foram derivadas de seis Modelos de Circulação Global (GCMs) sob dois Caminhos Socioeconômicos Compartilhados (SSP1-2.6 e SSP5-8.5) do projeto CMIP6.
• Avaliação de Cenários: O estudo simulou componentes hidrológicos (precipitação, evapotranspiração, escoamento superficial, fluxo de água subterrânea, rendimento hídrico, etc.) sob diferentes cenários de LULC (1995, 2005, 2015, 2023) e cenários climáticos para isolar e quantificar os impactos das mudanças na cobertura do solo e da variabilidade climática.

Principais Resultados

• Dinâmicas de LULC: Observaram-se transições significativas na cobertura do solo entre 1995 e 2023. A floresta de savana densa diminuiu 28,34%, convertendo-se principalmente em floresta de savana clara (20,83%) e terras agrícolas (3,22%). As áreas construídas expandiram-se 29,80% ao ano, enquanto as terras agrícolas aumentaram 9,35% ao ano. Por outro lado, os corpos d'água declinaram aproximadamente 13,78% durante o período de estudo.
• Impactos Hidrológicos: A mudança no LULC correlacionou-se com mudanças distintas no balanço hídrico:
  • Precipitação: Diminuiu 2,14% (de 2691 mm para 2633,25 mm).
  • Evapotranspiração (ET): Declinou 4,91% devido à redução da cobertura vegetal.
  • Escoamento Superficial (SurfQ): Aumentou 7,78%, atribuído às taxas de infiltração reduzidas causadas pela urbanização e perda de vegetação.
  • Rendimento Hídrico (WYLD): Mostrou um declínio significativo de 14,5%, indicando redução da disponibilidade hídrica geral.
  • Águas Subterrâneas e Percolação: O fluxo lateral diminuiu 1,8% e a percolação declinou 4,87%, sugerindo uma redução na capacidade de recarga das águas subterrâneas.
• Tendências Climáticas: Sob o cenário de altas emissões SSP5-8.5, a bacia experimentou um aumento de 12,48% na temperatura e uma diminuição de 3,47% na precipitação de 1995 a 2023. O estudo estabeleceu uma forte correlação positiva entre as mudanças de LULC e as variáveis hidroclimáticas, indicando que as alterações na cobertura do solo influenciam significativamente os padrões locais de chuva e temperatura.
• Variabilidade Sazonal: O impacto das mudanças de LULC foi mais pronunciado durante a estação chuvosa (maio–outubro), onde o escoamento superficial aumentou dramaticamente, enquanto a estação seca (novembro–abril) exibiu severos déficits hídricos e reduções nas contribuições do fluxo base.

Significância e Contribuições
Este estudo fornece uma avaliação integrada crítica de como as mudanças antropogênicas na cobertura do solo e a variabilidade climática impulsionam conjuntamente a degradação hidrológica na Bacia de Kulpawn. Ao estabelecer uma forte correlação entre as transições de LULC e as variáveis hidroclimáticas, a pesquisa destaca que o declínio no rendimento hídrico e o aumento do escoamento superficial não são apenas impulsionados pelo clima, mas são exacerbados por práticas de gestão de terra insustentáveis. Os achados sublinham que a conversão de florestas de savana densas para áreas construídas e terras agrícolas comprometeu a capacidade de amortecimento natural da bacia, levando a riscos elevados de inundações repentinas na estação chiva e escassez de água na estação seca.

Recomendações e Implicações de Políticas
Com base nestes achados, os autores defendem estratégias de gestão integrada para aumentar a resiliência hidrológica da bacia. As principais recomendações incluem:

• Implementar e aplicar planos espaciais de uso do solo para evitar a invasão de zonas ecológicas sensíveis.
• Promover práticas agrícolas climaticamente inteligentes, como a agrofloresta, a cultura de cobertura e o preparo mínimo do solo, para conservar a umidade do solo e reduzir a erosão.
• Priorizar programas comunitários de reflorestamento e aforestamento utilizando espécies nativas para restaurar a cobertura vegetal.
• Estabelecer plataformas de partes interessadas ao nível da bacia, envolvendo a Autoridade de Proteção Ambiental, a Comissão de Recursos Hídricos e as comunidades locais para fomentar a governança colaborativa.
• Desenvolver sistemas de monitoramento de longo prazo utilizando sensoriamento remoto e modelos hidrológicos para rastrear as mudanças de LULC e as respostas hidrológicas.

O estudo conclui que, sem um planejamento sustentável do uso da terra e da água, a disponibilidade de água na Bacia de Kulpawn continuará a deteriorar-se, com consequências graves para a segurança alimentar, os meios de subsistência e os serviços ecossistêmicos na região.