Einfluss der Waldkonversion auf den Wasserhaushalt eines tropischen Regenwaldeinzugsgebietes in Zentral Sulawesi (Indonesien)

Abstract

In der ersten Phase des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs Stabilität von Randzonen tropischer Regenwälder wurde an der Regenwaldgrenze des Lore Lindu Nationalparks in Zentral Sulawesi (Indonesien) ein experimentelles Einzugsgebiet mit Teileinzugsgebieten ausgewiesen und mit umfangreicher Messtechnik zur Untersuchung des Wasser- und Stoffhaushaltes instrumentiert. Der Versuchsaufbau ermöglicht die Untersuchung des langfristigen Einflusses von allmählicher kleinbäuerlicher Waldkonversion auf den Wasser- und Stoffhaushalt von tropischen Einzugsgebieten.Dieser Arbeit lagen folgende Fragestellungen und Zielsetzungen zugrunde, die sich in drei Teilbereiche untergliedern: (1) die räumlich detaillierte und zeitlich hoch aufgelöste experimentelle Ermittlung der Wasserhaushaltsgrößen des Einzugsgebietes (2) Anpassung des weitgehend physikalisch basierten Wasserhaushaltsmodells WASIM-ETH an das Untersuchungsgebiet (3) Berechnung der Wasserbilanzen für Landnutzungsszenarien im Untersuchungsgebiet und die Quantifizierung von Veränderungen der Wasserbilanz bei kompletter Bewaldung oder flächenhafter Nutzung in Form von Kakaoplantagen oder Landwirtschaft.Im ersten Teil der Arbeit wurden die Wasserbilanzglieder Niederschlag, Abfluss und die Änderung des Gebietsspeichers (Bodenwasser und Grundwasser) zeitlich und räumlich hochaufgelöst für die Untersuchungsperiode vom 19.09.01 bis 20.02.03 untersucht. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen stellen sich wie folgt dar: (1) Der Gebietsniederschlag im Jahr 2002 betrug 2360 mm. Durch die jahreszeitliche Bewegung der innertropischen Konvergenzzone wurden zwei feuchtere und trockenere Perioden im Jahresverlauf beobachtet. Der Niederschlag zeigt eine enorme räumliche und zeitliche Variabilität und nimmt mit der Einzugsgebietshöhe zu. (2) Im Jahr 2002 wurde für das Gesamtgebiet ein Abfluss von 966 mm erfasst. Die Abflussdynamik besitzt eine saisonale Komponente, die durch das Auftreten der Regenzeiten geprägt wird. Die Reaktionszeit des Abflusses auf den Niederschlag ist gering. Die ermittelten gewässerkundlichen Hauptzahlen mit großen Verhältnissen zwischen Hochwasser- und Niedrigwasserabflüssen deuten auf den tropischen Bergbachcharakter des Einzugsgebietes hin. (3) Die Dynamik der Bodenfeuchtigkeit und Saugspannung des Bodens wird durch das saisonale Niederschlagsverhalten bestimmt. Die Speicherglieder Boden- und Grundwasser tragen in trockeneren Perioden zu Basisabfluss und Evapotranspiration bei. Waldflächen verzeichnen einen schnelleren Rückgang der Bodenfeuchtigkeit in trockeneren Perioden. (4) Aus dem Restglied der Wasserbilanz ermittelte sich für das Jahr 2002 eine Evapotranspiration zwischen 1350 mm und 1518 mm im Nopu-Einzugsgebiet.Im zweiten Teil dieser Arbeit erfolgte die Modellierung des Wasserhaushaltes auf Tagesschrittbasis mit dem weitgehend physikalisch basierten Wasserhaushaltsmodell WASIM-ETH. Die Anwendung des Modells erfordert eine gute Datengrundlage, die durch die experimentellen Arbeiten geschaffen werden konnte. Die Ergebnisse der Modellierung und Modellbewertung präsentieren sich wie folgt: (1) Die experimentellen Wasserbilanzen werden gut nachgebildet. Dies zeigt sich an den statistischen Gütemaßen mit guten Modelleffizienzen und geringen Volumenfehlern. Im Sinne einer "multiple response validation" konnten die gemessenen Abflüsse, die Bodenfeuchtigkeiten, die aus den Wasserbilanzen berechnete Evapotranspiration und die Ergebnisse der Abflusskomponentenanalyse für die Modellbewertung herangezogen werden.(2) Die Modellanwendung ermöglicht die Aufgliederung der modellierten Evapotranspiration in Teilprozesse. Die jährliche Potentielle Evapotranspiration betrug im Einzugsgebebiet ca. 1450 mm. Aufgrund des ganzjährig hohen Niederschlagsangebotes ist die Reale Evapotranspiration kaum gegenüber der Potentiellen eingeschränkt, der Anteil der Interzeption betrug ca. 28 % an der Realen Evapotranspiration.(3) Die Prognosetauglichkeit für die Modellierung des Einflusses von Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt wurde anhand von Sensitivitätsanalysen der Vegetationsparametrisierung gezeigt.(4) Die Modellierung in Tagesschritten ist ausreichend für Wasserhaushaltsbetrachtungen. Für die prozessorientierte Modellierung der Abflussbildung muss die Modellierung in Stundenschritten erfolgen.Im dritten Teil dieser Arbeit erfolgte eine erste Abschätzung des Einflusses von Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt des Einzugsgebietes. Untersucht wurden drei Szenarien mit jeweils einheitlicher Einzugsgebietsnutzung (Naturwald, Kakaoplantage und Landwirtschaft). Alle Szenarien zeigen einen deutlichen Einfluss auf die Wasserbilanz. (1) Unter Annahme des Waldszenarios vermindern sich die jährlichen Abflüsse (-6,5%). Kakao- und Landwirtschaftsszenario führen zu deutlichen Abflusserhöhungen bei Jahresbetrachtungen (+16,8% Kakao und +7,8% Landwirtschaft). (2) Die Abflussspitzen werden durch die Waldvegetation gepuffert, während sie sich durch landwirtschaftliche Nutzung erhöhen. (3) Durch die Erhöhung der relativen Grundwasserstände, begründet in der verringerten Evapotranspiration bei gleichbleibender Infiltration, erhöhen sich durch das Kakaoszenario die Niedrigwasserabflüsse. (4) Das Waldszenario erhöht den prozentualen Anteil des unterirdischen Abflusses (bei aktueller Landnutzung 77% unter Annahme des Waldszenarios 80,4%), Landwirtschaft erhöht den Anteil des oberirdischen Abflusses und vermindert die unterirdischen Komponenten auf 61,1%.Die Modellergebnisse stehen nicht in Widerspruch zu experimentellen Untersuchungen in den Tropen. Der Vorteil des Modellierungsansatzes ist die Ableitung von Aussagen über zu erwartende Änderungen des Wasserhaushalts ohne langjährige Messreihen. Jedoch kommt der Modellparametrisierung eine entscheidende Bedeutung hinsichtlich der Qualität der Prognosen zu.