Abstract:
Die Region mit der weltweit höchsten Rate an Landnutzungsänderungen sind die feuchten Tropen. Es ist ein weit verbreiteter Prozess in diesen Regionen durch Entwaldung Raum für landwirtschaftliche Flächen und Weiden zu schaffen. Darüber hinaus ist diese Region für ihre große Wasserverfügbarkeit und ihr Potenzial zur Erzeugung von Wasserkraft bekannt. Daher sind in den letzten Jahrzehnten Bemühungen zur Erhaltung und zum Schutz der natürlichen Waldbedeckung der tropischen Wassereinzugsgebiete zu einer Priorität innerhalb der Prozesse des integrierten Wasserressourcenmanagements (IWRM) geworden.
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Landnutzungsänderungen (LUC) beeinflussen den Wasserhaushalt eines Einzugsgebiets, indem sie das verfügbare Wasser zusammen mit der Veränderung der anderen Wasserhaushaltskomponenten beeinflussen. Das Verständnis der LUC und ihrer Auswirkungen auf die Hydrologie eines Einzugsgebiets ist für das Management und die Nutzung der Wasserressourcen in einem Einzugsgebiet von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen in den letzten Jahrzenten auf die Abflussmenge eines Wassereinzugsgebiets zu verstehen, um in Zukunft - innerhalb eines IWRM-Rahmens - ein ordnungsgemäßes Wassermanagement und eine Wasserressourcenplanung durchführen zu können.
Diese Studie bewertet die historischen Trends von Niederschlag und Stromfluss und analysiert die Reaktionen des Stromflusses auf Landnutzungsänderungen unter verschiedenen Szenarien und Zukunftsprojektionen im oberen Coca-Einzugsgebiet. Dieses befindet sich am Osthang der ecuadorianischen Anden und ist Teil der oberen ecuadorianischen Amazonasregion. Die Ergebnisse des Mann-Kendall-Tests (MK) zeigen, dass kein statistisch signifikanter Trend in den täglichen Niederschlags- und monatlichen Flussabflussmessungen im Wassereinzugsgebiet existiert. Der Pettitt-Test kann keinen Sprungpunkt in den einzugsgebietsweiten Niederschlagsreihen feststellen.
Die Landnutzungskarten von 1990, 2000, 2008 und 2016 werden für die LUC-Erkennungsanalyse verwendet, sowie das CA_Markov-Modell, um die zukünftigen LUC-Projektionen unter drei verschiedenen Szenarien vorherzusagen: Trendszenario, “Best-Case-Szenario”, “Worst-Case-Szenario”.
Die Vorhersagen für die Jahre 2026 und 2036 werden unter Berücksichtigung der physischen und sozioökonomischen Treiber der LUC-Dynamik im Einzugsgebiet berechnet.
Das Trendszenario behält die für die Jahre 2026 und 2036 prognostizierten Wahrscheinlichkeiten für Landnutzungsänderungen bei. Das Best-Case-Szenario befasst sich mit den Wahrscheinlichkeiten für Änderungen der LUC in Richtung eines ausgewogenen Szenarios, zwischen der Erhaltung natürlicher Ökosysteme und produktiven Aktivitäten innerhalb des Einzugsgebiets. Das “Worst-Case-Szenario” befasst sich mit den Wahrscheinlichkeiten einer Änderung der LUC in Richtung eines Szenarios, in dem Rohstoffaktivitäten vorherrschen und die Produktionsbereiche in der Wasserscheide zunehmen.
Die LUC-Erkennungsergebnisse zeigen eine Zunahme der landwirtschaftlichen Flächen und eine Abnahme der Waldbedeckung zwischen 1990 und 2016. Statistisch gesehen, verringerte sich die natürliche Waldbedeckung von 61,2% im Jahr 1990 auf 57,12% im Jahr 2016, während der Anteil der landwirtschaftlichen Flächen von 2,9% auf 7,23% zwischen die Jahren 1990 und 2016 zunahm. Die Ergebnisse der LUC- Projektion für die Jahre 2026 und 2036 in Bezug auf das Jahr 2016 deuten darauf hin, dass die landwirtschaftlichen Flächen im Jahr 2026 voraussichtlich um 9,3% und im Jahr 2036 um 19,2% im Trendszenario zunehmen werden. Für das “Best-Case-Szenario” wird eine Zunahme der landwirtschaftlichen Flächen um 1,1% bzw. 3% im Jahr 2026 bzw. 2036 prognostiziert. Die Ergebnisse des “Worst-Case–Szenarios” für die Jahre 2026 und 2036 prognostizieren eine Zunahme der landwirtschaftlichen Flächen um 26,1% bzw. 54,3%. Darüber hinaus wird für das Trendszenario im Vergleich zu 2016 ein Rückgang der natürlichen Waldbedeckung im Einzugsgebiet um 0,6% (2026) und um 1,5% (2036) prognostiziert. Für das “Best-Case-Szenario” wird prognostiziert, dass die Waldbedeckung um 0,2% (2026) und um 0,4% (2036) abnehmen wird. Das “Worst-Case-Szenario” prognostiziert für die Jahre 2026 und 2036 einen Rückgang der natürlichen Waldbedeckung um 2,6% bzw. 5,8% gegenüber 2016.
Die Ergebnisse der hydrologischen Modellierung zeigen, dass aufgrund der Auswirkungen von LUC der durchschnittliche tägliche Stromfluss für das Trendszenario im Vergleich zu 2016 um 1,04% (2026) und 1,45% (2036) anstieg. Für das “Best-Case– Szenario” verringerte sich der durchschnittliche tägliche Stromfluss in den Jahren 2026 und 2036 gegenüber 2016 um 4,91% (-24,8 m³/s) bzw. 6,10% (-30,8 m³/s). Für das Szenario “Worst-Case” wird in Bezug auf das Jahr 2016 ein Anstieg des durchschnittlichen täglichen Stromflusses um 2,08% (2026) und um 2,37% (2036) prognostiziert.
Die Ergebnisse zu den Auswirkungen von LUC auf den Stromfluss unter den verschiedenen vorgeschlagenen Szenarien zeigen, dass die Änderungen des Stromflusses kein Faktor sind, der die Wasserkrafterzeugung im Einzugsgebiet beeinflussen könnte. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Wasserhaushaltskomponenten durch die räumliche und zeitliche Verteilung von LUC im Untersuchungsgebiet beeinflusst werden, was für ein einzugsgebietsweites integriertes Wasserressourcenmanagement nützlich ist. Das Ausmaß dieser Effekte kann jedoch durch Unsicherheiten verdeckt werden, die sich aus den hydrologischen und LUC-Modellierungsprozessen ergeben. Daher sind weitere Studien zur Optimierung von Landnutzungsänderungen und Untersuchungen zur Bewertung von Niederschlag-Abfluss-Prozessen im Untersuchungsgebiet unerlässlich.
Nichtsdestotrotz sollten Nachhaltigkeitsaspekte, die mit dem Vorhandensein der Wasserkraftanlage im Untersuchungsgebiet verbunden sind, nicht vernachlässigt werden. Um eine nachhaltige Entwicklung im Einzugsgebiet gewährleisten zu können (die die langfristige Wasserkraftproduktion, die Erhaltung der Ökosysteme und das sozioökonomische Wohlergehen der Bevölkerung im Einzugsgebiet umfasst), müssen in weiteren Arbeiten innerhalb eines IWRM-Rahmens weitere Variablen und Prozesse analysiert werden, die in dieser Studie nicht behandelt wurden.
Abstract (englisch):
The region with the highest rate of land-use change worldwide is the humid tropics, where deforestation of natural forest cover, caused by the aim to create space for agricultural lands and pastures, is a prevalent process. Furthermore, this region is well known for its great water availability and hydropower generation potential. Therefore, in recent decades, efforts to conserve and protect the natural forest cover of the tropic watersheds have become a priority within Integrated Water Resource Management (IWRM) processes.
Land-use change (LUC) influences the water balance of a basin, affecting the available water, along with the change in the other water balance components. ... mehrUnderstanding the LUC and its implication on the hydrology of a basin is vital for the management and utilization of water resources in a watershed. Thus, understanding responses by changes in land use over the past decades on streamflow in a watershed is important for the proper water management and water resources planning within an IWRM framework in the future.
This study assesses the historical trends of rainfall and streamflow and analyzes the responses of streamflow for hydropower generation to changes in land use, under different scenarios and future projections, in the upper Coca River basin. Which is located on the eastern slopes of the Ecuadorian Andes and is part of the upper Ecuadorian Amazon region. Findings of the Mann-Kendall (MK) test indicate no statistically significant trend existed in the daily precipitation and monthly streamflow measurements in the watershed. The Pettitt test does not detect any jump point in the basin-wide precipitation series.
The land-use maps of 1990, 2000, 2008, and 2016 are used for LUC detection analysis, and the CA_Markov model is used to predict the future LUC projections under three different scenarios; Trend scenario, “Best-case” scenario, and “Worst-case” scenario, for the years 2026 and 2036, by taking into consideration the physical and socio-economic drivers of LUC dynamics in the catchment. The Trend scenario maintains the probabilities of change in land use that are predicted for the years 2026 and 2036. The “Best-case” scenario addresses the probabilities of change in land use towards a balanced scenario between conservation of natural ecosystems and productive activities within the basin. The “Worst-case” scenario addresses the probabilities of change in LU towards a scenario where extractive activities prevail and the productive areas in the watershed increase.
The LUC detection results show increases in agricultural lands and decreases in forest cover from 1990 to 2016. Statistically, natural forest cover decreased from 61.2% in 1990 to 57.12% in 2016, while the proportion of agricultural lands increased from 2.9% to 7.23% in 1990 and 2016, respectively. The LUC projection results, for the years 2026 and 2036, in relation to the year 2016, suggest that agricultural lands are predicted to increase by 9.3% in 2026, and by 19.2% in 2036 in the Trend scenario. For the “Best-case” scenario, agricultural lands are predicted to increase by 1.1% and 3% in 2026 and 2036, respectively. The “Worst-case” scenario results for the years 2026 and 2036 predict increases in agricultural lands by 26.1% and 54.3%, respectively. Furthermore, the natural forest cover in the catchment is predicted to decrease by 0.6% (2026) and by 1.5% (2036) for the Trend scenario, in relation to 2016. For the “Best-case” scenario, the forest cover is predicted to decrease by 0.2% (2026) and by 0.4% (2036). The “Worst-case” scenario results for the years 2026 and 2036 predicted decreases in natural forest cover by 2.6% and 5.8% respectively, in relation to 2016.
Results of hydrological modeling indicate that, due to the effects of LUC, the average daily streamflow increased by 1.04% (2026) and 1.45% (2036) for the Trend scenario, in relation to 2016. For the “Best-case” scenario, the average daily streamflow decreased by 4.91% (-24.8m³/s) and 6.10% (-30.8m³/s) for the years 2026 and 2036 respectively, in relation to 2016. For the “Worst-case” scenario, in relation to the year 2016, the average daily streamflow is predicted to increase by 2.08% (2026) and by 2.37% (2036).
The findings on the effects of LUC on streamflow under the different proposed scenarios indicate that the changes in streamflow would not be a factor that could affect the hydropower generation in the watershed. Nevertheless, the results show that the water balance components are affected by the spatial and temporal distribution of LUC in the study area, which is useful for basin-wide integrated water resources management. However, the magnitude of these effects can be masked by uncertainties derived from the hydrological and LUC modeling processes. Hence, further land-use change optimization studies, and rainfall-runoff processes evaluation research are indispensable in the study area. Nevertheless, sustainability issues associated with the presence of the hydropower facility in the study area should not be neglected; and to be able to ensure sustainable development in the basin (which comprises the long-term hydropower production, ecosystems conservation, and the socio-economic well-being of the population in the watershed), other variables and processes that were not covered in this study must be analyzed in further work within an IWRM framework.
