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Process-based modelling of the impacts of land use change on the water balance in the Cerrado Biome (Rio das Mortes, Brazil)

DOI: 10.3112/erdkunde.2017.03.06
Year: 2017
Vol: 71
Issue: 3
Pages: 241-266
Summary:

 Since the 1980s, the state of Mato Grosso, Brazil, exhibits high rates of Cerrado conversion in favour of soybean expansion and cattle ranching. This conversion process becomes obvious in the upper Rio das Mortes macro-catchment. The objective of this study was to assess the influence of future land use changes on the discharge dynamics of the Rio das Mortes River. A single catchment approach was applied with the physically-based water balance simulation model WaSiM 8.5.0 (Schulla and Jasper 2007) to simulate land use scenarios. In Scenario 1, only small pasture sites (< 1 km²) were converted into the respective land use type surrounding them (i.e. cropland or Cerrado vegetation), whereas in Scenario 2 all pasture sites were converted into cropland and all Cerrado patches were then transformed into pastures. The WaSiM model was calibrated and validated based on discharge data measured at two gauging stations, achieving Nash-Sutcliffe coefficients of 0.81 (calibration) and 0.68 (validation). Main problems in modelling arise because of scarce spatial distributed data on subsurface parameter and vegetation parameter (Cerrado biome). Therefore, the use of the numerical groundwater model and manifold calibration runs were essential in this modelling approach to allow the simulation of the high levels of baseflow during the dry season and the transition from the dry to the wet season. The immediate rise of the baseflow in response to the increasing precipitation at beginning of the rainy season is a result of high soil hydraulic conductivity and groundwater recharge. These soil characteristics apparently persist on newly-created pasture and cropland sites, which still exhibit high ksat values after deforestation. Simulated evapotranspiration is comparable to literature values (Eddy flux measurements, MODIS-EVI calculation) and recently done paired micro-catchment studies in this catchment. The scenario analysis indicates that there are only small differences in runoff volume, which is directly related to the precipitation changes. In the scenario 2, groundwater recharge and base flow increase, whereas surface runoff does not. Therefore, the ongoing land use intensification with pasture conversion to cropland, remaining high infiltration and slight increase of evapotranspiration may not change runoff volume and discharge characteristics.

Zusammenfassung:

Seit den 1980iger Jahren erfolgte im Bundesstaat Mato Grosso (Brasilien) eine weitflächige Umwandlung des Cerrado (Baumsavanne) in Rinderweiden und Ackerland (Sojaanbau). Das Rio das Mortes Einzugsgebiet ist geprägt von diesem Konversionsprozess. Ziel der Studie war die Analyse und Simulation des zukünftigen Landnutzungswandels auf das Abflussgeschehen des Rio das Mortes. Dafür wurde das physikalisch basierte Wasserhaushaltsmodell WaSiM 8.5.0 (Schulla and Jasper 2007) für das Makroeinzugsgebiet des Rio das Mortes kalibriert und zur Simulation entsprechender Landnutzungsszenarien eingesetzt. In Szenario 1 erfolgte eine Konversion kleiner Weideflächen (< 1km2) in den umgebenden Landnutzungstyp (Cerrado-Vegetation oder Ackerland), während im Szenario 2 alle Weideflächen in Ackerland und alle Cerradoflächen außerhalb der Schutzgebiete in Weideflächen umgewandelt wurden. Die Kalibrierung und Validierung des WaSiM-Modells erfolgte anhand der Abflussdaten zweier Pegelstationen mit Kalibrations- und Validationskoeffizienten von 0,81 und 0,68 nach Nash-Sutcliffe. Innerhalb der Modellparametrisierung traten Probleme aufgrund der unzureichenden Datengrundlage im Bereich des Grundwasser und der Vegetation (Cerrado-Biom) auf. Daher waren für den Modelleinsatz die Kopplung mit dem numerischen Grundwassermodell und zahlreiche Kalibrationsläufe nötig, um den hohen Basisabfluss und den Jahreszeiteneinfluss mit Trocken- und Regenzeit in Volumen und zeitlichem Verlauf zu simulieren. Ein schneller Anstieg des Basisabflusses mit der Niederschlagszunahme zu Beginn der Regenzeit ist ein Ergebnis hoher hydraulischer Leitfähigkeiten und einer hohen Grundwasserneubildungsrate, die auch nach Entwaldung auf den Weide- und Ackerflächen mit hohen ksat-Werten weiter bestehen bleibt. In den Landnutzungsszenarien verändert sich der maßgeblich vom Niederschlagsgeschehen abhängige Abfluss kaum. In Szenario 2 erhöhen sich die Grundwasserneubildungsrate und der Basisabfluss, während der Oberflächenabfluss nicht ansteigt. Mit der fortschreitenden Landnutzungsintensivierung durch Umwandlung von Weideland in Ackerland, in der Regel mit no-tillage Systemen, bleibt die hohe Infiltrationsrate mit einem leichten Anstieg der Verdunstung bestehen, so dass Abflussvolumen und Abflusscharakteristik sich wahrscheinlich kaum ändern werden.

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