Influence of Morphology, Climate Change and Landuse Change on Water Partitioning in Olifants River Basin

Das Einzugsgebiet des Olifants River befindet sich derzeit in einer umfassenden Entwicklung der landwirtschaftlichen Landnutzungsaktivität. Trotz verschiedener Schutzpraktiken und Schutzmaßnahmen führt die Veränderung der Landnutzung immer noch zu einer Verschiebung im hydrologischen Regime. Als Treiber dieser rasanten Entwicklung in der Landnutzungsänderung durch landwirtschaftliche Nutzung sind der stetig steigende Nahrungsmittelbedarf und günstige klimatische Bedingung für die Landwirtschaft zu nennen. Ein stetiges Bevölkerungswachstum in Südafrika von etwa 1,4% pro Jahr weist auf eine kontinuierliche Nachfrage nach Nahrungsmitteln hin, die zu weiteren landwirtschaftlichen Expansionen und anschließend zu weiteren Veränderungen in der Hydrologie führen werden. ... mehrDiese Situation könnte durch den Klimawandel und dadurch bedingte zunehmende Schwere extremer Phänomene wie Dürren und Überschwemmungen weiter verschärft werden. Diese Studie quantifiziert die Veränderungen des Klimas und der Landnutzung in den Teileinzugsgebieten Blyde River und Steelpoort River des Olifants Rivers, analysiert deren Einfluss auf die Hydrologie und schlägt eine Methode für die Landnutzungsplanung vor, mit der Änderungen im hydrologischen Regime abgemindert werden können.
Historische Abflüsse, Temperatur und Niederschläge wurden mit statistischen Methoden ausgewertet, um das Vorhandensein von Veränderungen in den Zeitreihen für 37 Jahre ab dem Jahr 1980 festzustellen. 1996 und 2012 wurden zwei abrupte Veränderungen im Abflussgeschehen festgestellt. Diese Veränderungen wurden auf die hohe Häufigkeit extremer Niederschläge (> 40 mm / Tag) zwischen 1996 und 2012 zurückgeführt. Es wurde auch ein allmählicher Anstieg des Abflusses nachgewiesen, der jedoch nicht auf klimatische Faktoren zurückzuführen war. Darüber hinaus wurde ein allmählicher Temperaturanstieg festgestellt, der jedoch keinen nachweisbaren Einfluss auf die Evapotranspiration und andere hydrologische Faktoren hatte.
Fernerkundliche Daten wurden zur Erkennung von Landnutzungsänderungen verwendet; vier Karten für 1992, 1998, 2002 und 2014 aus LANDSAT-Bildern. Die festgestellten signifikanten Veränderungen waren hauptsächlich auf die Urbanisierung und die landwirtschaftliche Entwicklung von etwa 169 km2 und 514 km2 zurückzuführen. Das SWAT-Modell wurde basierend auf dem LULC von 1992 kalibriert und zur Bewertung der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf die Hydrologie verwendet. Basierend auf den LULC-Szenarien von 1992 und 2002 zeigten die Modellergebnisse eine Verringerung der Evapotranspiration um 6 mm, insbesondere in Gebieten, in denen Wälder durch Landwirtschaft ersetzt wurden, und eine allgemeine Erhöhung des Oberflächenabflusses um 3 mm, was auf die Verringerung der Oberflächenbedeckung zurückzuführen ist. Die weitere Ausdehnung des urbanen Bereichs und der Landwirtschaft zwischen 2002 und 2014 führte zu einer weiteren Erhöhung des Oberflächenabflusses um ca. 3 mm.
Diese Studie schlägt einen Ansatz für die landwirtschaftliche Landnutzungsplanung vor, bei dem die Wechselwirkungen von Morphologie und Klima genutzt werden, um Gebiete zu identifizieren, die zu minimalen Auswirkungen auf die Landwirtschaft führen werden. Grünland wurde als Landnutzung identifiziert, die engere hydrologische Eigenschaften als die Landwirtschaft aufwies. Das Grünland wurde als LULC-Klasse ausgewählt, die durch Landwirtschaft ersetzt werden kann. Morphologische Analysen zeigten, dass eine geringe Hangneigung, eine höhere Bodenschüttdichte und eine geringe Robustheit des Geländes die besten physikalischen Bedingungen für die landwirtschaftliche Praxis sind.
Dies würde jedoch zu einem Verlust der Vegetationsvielfalt bei anhaltender landwirtschaftlicher Expansion führen. Daher sollte das Ausmaß der Umwidmung von Grünland auf Landwirtschaft begrenzt werden und es sollten zusätzliche Studien zu den Auswirkungen dieser Methode auf die biologische Vielfalt durchgeführt werden.

The Olifants River Basin is currently experiencing extensive evolution of agricultural landuse activities. Despite various conservation practices put in place, landuse development is still causing a shift in hydrological regimes. The drivers of this rapid evolution of agriculture in the river basin are a constant increase in food demand and conducive climatic conditions for agriculture. Steady population growth in South Africa of about 1.4% annum is indicative of continuous demand for food production, which would lead to further agricultural expansions and subsequently, further changes in hydrology; this situation could be further exacerbated by climate change through increased severity of extreme phenomena like droughts and floods. ... mehrThis research quantifies the changes in climate and landuse in Olifants’ sub-basins of Blyde and Steelpoort, analyzes their influence on hydrology, and proposes a method for landuse planning that would improve mitigating changes in hydrology.
Historical river discharge, temperature, and rainfall were evaluated using statistical methods to detect the presence of changes in their time series for 37 years beginning 1980. Two abrupt changepoints were detected in the river discharge in 1996 and 2012; these changes were attributed to a high frequency of extreme rainfall, above 40 mm/day between 1996 and 2012. A gradual increase of discharge was also detected, but this change had no attributions to any climatic factors. A gradual increase in temperature was also detected, but this had no detectable influence on evapotranspiration and other hydrological factors.
Remotely sensed images were used for landuse change detection; four maps for 1992, 1998, 2002, and 2014 from LANDSAT images. Significant changes detected were human-driven mainly by urbanization and agricultural development of about 169 km2 and 514 km2, respectively. SWAT Model was calibrated based on 1992 LULC and used to evaluate the impacts of landuse change on hydrology. Based on 1992 and 2002 LULC scenarios, the model outputs revealed a reduction in evapotranspiration by 6mm, especially in areas where forests were replaced with agriculture and a general increase in surface runoff by 3 mm, which is attributed to the reduction in surface cover. Further expansion of urban area and agriculture between 2002 and 2014 led to a further increase in surface runoff by about 3 mm.
This research proposes an approach for agricultural landuse planning that utilizes the interactions of morphology and climate to identify areas that would result in minimal impacts under agriculture. Grassland was identified as landuse that exhibited closer hydrological characteristics to agriculture and was selected as the LULC class that can be replaced by agriculture. Morphological analysis indicated that low slope, higher soil bulk density, and low terrain ruggedness are the best physical conditions for the establishment of agriculture.
However, the shortcomings of this would be loss of vegetation diversity in case of sustained agricultural expansion. Therefore, there should be a limitation on the extent of grassland conversion to agriculture, and additional studies on the impacts of this method on biodiversity.