Fernerkundungsbasierte Modellierung und hydrologische Messungen zur Analyse und Bewertung der landwirtschaftlichen Wassernutzung in der Region Khorezm (Usbekistan)

Die Bewasserungslandwirtschaft in Mittelasien ist gepragt von schwerwiegenden okologischen und okonomischen Problemen. Zur Verbesserung der Situation auf dem hydrologischen Sektor wird daher seitens der mittelasiatischen Interstate Commission for Water Coordination (ICWC) die Einfuhrung des Integrated Water Resource Management (IWRM) gefordert. Wichtige Herausforderungen zur Optimierung der Wassernutzung im Aralsee-Becken sind dabei die Schaffung von Transparenz sowie von Moglichkeiten zur Uberwachung der Landnutzung und der Wasserentnahme in den Bewasserungssystemen. Im Detail fokussierte diese Arbeit auf das Bewasserungssystem der Region Khorezm im Unterlauf des Amu Darya sudlich des Aralsees. Die Arbeit zielte darauf ab, (1) objektive und konsistente Datengrundlagen zum Monitoring der Landnutzung und des Wasserverbrauchs innerhalb des Bewasserungslandes zu schaffen und (2) auf Basis dieser Ergebnisse die Funktionsweise des Bewasserungssystems zu verstehen sowie die Land- und Wassernutzung der Region zu bewerten. Um diese Ziele zu erreichen, wurden Methoden der Fernerkundung und der Hydrologie miteinander kombiniert. Fernerkundliche Schlusselgrosen der Arbeit waren die Kartierung der agrarischen Landnutzung und die Modellierung der saisonalen tatsachlichen Evapotranspiration. Es wurde eine Methode vorgestellt, die eine Unterscheidung verschiedener Landnutzungen und Fruchtfolgen der Region durch die temporale Segmentierung von Zeitserien aus 8-tagigen Kompositen von 250 m-Daten des MODIS-Sensors ermoglicht. Durch die mehrfache Anwendung von Recursive Partitioning And Regression Trees auf deskriptive Statistiken von Zeitseriensegmenten konnte eine hohe Stabilitat erzielt werden (overall accuracy: 91 %, Kappa-Koeffizient: 0,9). Taglich von MODIS aufgezeichnete Landoberflachentemperaturen (LST) bildeten die Basis zur fernerkundungsbasierten Modellierung der saisonalen tatsachlichen Evapotranspiration (ETact) fur die sommerliche Vegetationsperiode. Aufgrund der hohen zeitlichen und groben raumlichen Auflosung der verwendeten MODIS-Daten von 1 km waren leichte Modifikationen des zur Modellierung eingesetzten Surface Energy Balance Algortihm for Land (SEBAL) erforderlich. Zur Modellierung von ETact wurden MODIS-Produkte (LST, Emissionsgrad, Albedo, NDVI und Blattflachenindex) und meteorologische Stationsdaten aus Khorezm verwendet. Die Modellierung des fuhlbaren Warmeflusses, einer Komponente der Energiebilanzgleichung an der Erdoberflache, erfolgte mittels METRIC (High Resolution and Internalized Calibration), einer Variante des SEBAL. Die Landnutzungsklassifikation fungierte als zentraler Eingangsparameter, um eine automatisierte Auswahl der Ankerpunkte des Models sicherzustellen. Da innerhalb der MODIS-Auflosung aufgrund der Mischpixelproblematik keine homogen feuchten oder trockenen Bedingungen im Bewasserungsgebiet gefunden werden konnten, wurden die Landnutzungsklassifikation, der NDVI und die ASCE-Referenz-Evapotranspiration zur Abschatzung des tatsachlichen Zustands an den Ankerpunkten herangezogen. Weiterhin wurden umfassende Gelandemessungen durchgefuhrt, um in der Vegetationsperiode 2005 die Zu- und Abflussmengen des Wasser von und nach Khorezm zu bestimmen. Die abschliesende Bewertung der Land- und Wassernutzung basierte letztendlich auf der Bildung von Wasserbilanzen und der Berechnung anerkannter Performanceindikatoren wie der Ratio aus Drainage und Wasserentnahme oder der depleted fraction. Fur die landwirtschaftliche Nutzung im Rayon Khorezm wurde fur die Sommersaison 2005 eine Wasserentnahme von 5,38 km3 ermittelt. Damit ubertrafen die Messergebnisse die offiziell verfugbaren Daten der ICWC um durchschnittlich 37 %. Auf die landwirtschaftliche Flache bezogen ergab sich fur Khorezm im Jahr 2005 eine mittlere Wasserentnahme von 22.782 m3/ha. In den Subsystemen schwankten diese Werte zwischen 17.000 m3/ha und 30.000 m3/ha. Allerdings konnte an den Systemgrenzen, an denen die Messungen durchgefuhrt werden, der aus den fernerkundungsbasierten Modellierungen auf WUA-Level erwartete abnehmende Gradient der Wasserentnahme zwischen Oberlauf und Unterlauf nicht nachvollzogen werden. Als Ursache fur diese Diskrepanz sind vor allem die Versickerungsverluste im Kanalsystem zu nennen, die den Grundwasserkorper grosraumig auffullen und auf Feldebene nicht zur oberflachlichen Bewasserung zur Verfugung stehen. Monatliche Bilanzierungen und die Analyse der Performanceindikatoren fuhrten zu denselben Ergebnissen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich mit Methoden der Fernerkundung objektive und konsistente Daten der agrarischen Landnutzung und des Wasserverbrauchs fur ein regionales Monitoring erstellen lassen. Da in den benachbarten Regionen gleiche atmospharische Bedingungen und ahnliche Anbausorten anzutreffen sind, ist anzunehmen, dass beide Verfahren auch auf der Planungsebene in einem IWRM fur die ubrigen Mittel- und Unterlaufe von Amu Darya und Syr Darya ein hohes Anwendungspotenzial besitzen.

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