Wasser ist eine lebenswichtige Ressource für den Lebensunterhalt und die Entwicklung, doch seine Verfügbarkeit ist aufgrund des Klimawandels und anthropogener Aktivitäten zunehmend gefährdet. Mehr als 80 % des Wassers in Afghanistan stammen aus der Schneeschmelze, doch der Rückgang der Schneedecke stellt eine große Bedrohung für die Wasserressourcen des Landes dar. Daher ist das Verständnis langfristiger Trends bei der Wasserspeicherung für eine nachhaltige Bewirtschaftung von entscheidender Bedeutung, und die Satellitengravimetrie ist eine wichtige Informationsquelle zur Verbesserung des Prozesswissens.
Abdul Haseeb Azizia, Fazlullah Akhtara, Bernhard Tischbeina, Christian Borgemeistera, Qiuyu Wangb
a Universität Bonn
b Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, China
Quantifizierung von Veränderungen in den Wasserspeichern Afghanistans
Eine neue Studie verwendet modernste Instrumente, darunter Fernerkundung von GRACE/-FO und anderen Satelliten, maschinelles Lernen, Reanalyse-Daten und Daten hydrologischer Modelle, um die Dynamik der terrestrischen Wasserspeicherung (TWS) Afghanistans über zwei Jahrzehnte (2003–2022) zu bewerten. Die fünf großen Flusseinzugsgebiete Afghanistans (d. h. Harrirud-Murghab, Helmand, Kabul, Nord und Panj-Amu) spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewirtschaftung der Oberflächen- und Grundwasserressourcen des Landes (Abbildung 1). Diese Einzugsgebiete sind durch erhebliche Schwankungen in Bezug auf die ökologischen Bedingungen, die Schneebedeckung und die Grundwasserabnahme gekennzeichnet. Die Ergebnisse dieser Forschung unterstreichen die Bedeutung der Integration verschiedener Datensätze und fortschrittlicher Analysewerkzeuge, um den globalen Herausforderungen für die Grundwasserspeicherung in Afghanistan zu begegnen. Unsere Arbeit veranschaulicht das komplexe Zusammenspiel von KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge..., HydrologieWissenschaft vom Wasserkreislauf. In der Hydrologie wird die zeitliche und räumliche Verteilung des Wassers, dessen Eigenschaften und dessen Wechselwirkungen mit der Umwelt untersucht. Folgende Wissenschaften sind verwandte Disziplinen oder Teilgebi... und anthropogenen Aktivitäten und unterstreicht die Notwendigkeit einer regionalen und internationalen Zusammenarbeit bei der Bewirtschaftung der Wasserressourcen.
Forschungsdesign
Die Methodik integriert Satellitenbeobachtungen (z. B. durch GRACE sowie den Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite (ICESat)). Sie umfasst auch hydrologische Modelle (z. B. WaterGAP und Global Land Data Assimilation System (GLDAS); Catchment Land Surface Model (CLSM)) und Reanalyse-Datensätze (Global Land Water Storage (GLWS) und ERA5-Land). Darüber hinaus werden KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...variablen (Niederschlag, Temperatur und potenzielle Evapotranspiration) einbezogen, um die Analyse zu verbessern. Techniken des maschinellen Lernens, darunter künstliche neuronale Netze (KNN) und Random Forests (RF), werden eingesetzt, um terrestrische Wasserspeicheranomalien (TWSA) zu rekonstruieren, Datenlücken zu schließen und die zeitliche Abdeckung von GRACE-Beobachtungen zu erweitern. Die saisonale Trendzerlegung mit Loess wird angewendet, um Trends und saisonale Schwankungen in der TWSA zu bewerten. Die Dicke und Masse der Gletscher werden anhand von ICESat- und ICESat-2-Daten geschätzt, während die Vorhersagegenauigkeit anhand mehrerer Leistungskennzahlen, darunter der Korrelationskoeffizient nach Pearson und die Nash-Sutcliffe-Effizienz, validiert wird. Die Methodik umfasst auch die Ableitung räumlicher Trends in TWSA und Wasserspeicherkomponenten unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate, wobei die Signifikanz über die t-Verteilung nach Student bei einem Konfidenzniveau von 95 % getestet wird.
Wichtigste Erkenntnisse der Studie: Die Wasserspeicherung in Afghanistan nimmt ab
Die Studienergebnisse zeigen eine starke Korrelation (R = 0,90–0,97) zwischen den rekonstruierten und beobachteten Anomalien der terrestrischen Wasserspeicherung (TWS) in den wichtigsten Einzugsgebieten Afghanistans. Aus diesen Ergebnissen schließen wir, dass
- Afghanistan von 2003 bis 2022 einen Nettoverlust von etwa 2,46 Gt/Jahr an TWS verzeichnete. Die Grundwasserverknappung war für 36,7 % dieses Rückgangs verantwortlich, während der Gletscherschwund 49,1 % beitrug.
- der größte Verlust an TWS durch den Gletscherrückgang (d. h. -1,21 Gt/Jahr), gefolgt von der Grundwasserverknappung mit etwa -0,90 Gt/Jahr, verursacht wurde, und
- der größte TWS-Verlust im Helmand-Flussbecken verzeichnet wurde, verursacht durch die Grundwasserverknappung mit einer Rate von 1,18 Gt/Jahr, was 80,1 % des gesamten TWS-Signals ausmacht.
Von allen Einzugsgebieten in Afghanistan verzeichnete das Helmand-Flussbecken mit einer Rate von etwa 1,47 Gt/Jahr den stärksten Rückgang des Gesamtwasserspeichers. Dieser Rückgang ist größtenteils auf nicht nachhaltige Grundwasserentnahmepraktiken zurückzuführen. Im Gegensatz dazu verzeichneten die Panj-Amu- und Kabul-Flussbecken einen erheblichen Gletschermassenverlust, was die Anfälligkeit der Region für klimabedingte Veränderungen unterstreicht.
Saisonale Schwankungen bei Niederschlägen und Schneeschmelze haben erhebliche Auswirkungen auf die Variabilität des TWS. Langfristige Rückgänge unterstreichen jedoch die dringende Notwendigkeit effektiver und nachhaltiger Strategien für das Wassermanagement. Von März bis Mai wurden positive Anomalien beim TWS beobachtet, hauptsächlich aufgrund der Schneeschmelze und des Beitrags zur Grundwasserneubildung. Im Gegensatz dazu wurden von September bis November aufgrund der trockenen Wetterbedingungen negative Anomalien beobachtet.
Abbildung 2 zeigt die räumliche Verteilung der Trends der TWS in Afghanistan von 2003 bis 2022. Die Daten von JPL-M und GSFC-M deuten auf einen signifikanten Rückgang der TWS in den nördlichen, nordöstlichen, südlichen, südwestlichen und westlichen Regionen des Landes hin.
Diese Studie liefert neue Erkenntnisse über die hydrologischen Veränderungen in Afghanistan und seinen wichtigsten Flusseinzugsgebieten und unterstützt gleichzeitig die Entwicklung modellbasierter Ansätze für die Analyse der Wasserspeicherung in anderen Regionen mit Datenknappheit. Diese Erkenntnisse können den internationalen Investitionsagenturen, darunter dem Ministerium für Landwirtschaft, Bewässerung und Viehzucht, dem Ministerium für Energie und Wasser, dem Ministerium für ländliche Rehabilitation und Entwicklung, dem Ministerium für Stadtentwicklung und Land sowie der Nationalen Umweltschutzbehörde, bei der Entwicklung evidenzbasierter Strategien zur Bekämpfung der Wasserknappheit und zur Anpassung an den Klimawandel helfen.
Die Studie über die Dynamik der Wasserspeicherung in Afghanistan steht im Einklang mit der Mission des ZEF, zu einer nachhaltigen Entwicklung beizutragen und Lösungen für das Ressourcenmanagement in Regionen zu fördern, die aufgrund des Klimawandels und anthropogener Belastungen mit komplexen Herausforderungen konfrontiert sind. Darüber hinaus können die gewonnenen Erkenntnisse die internationale Zusammenarbeit erheblich fördern und dadurch das Konfliktpotenzial verringern, da die wichtigsten Einzugsgebiete in Afghanistan Teil grenzüberschreitender Einzugsgebiete sind.
Weiterführende Literatur
Azizi, A.H., Akhtar, F., Tischbein, B., Borgemeister, C., and Wang, Q. (2024) Assessing long-term water storage dynamics in Afghanistan: An integrated approach using machine learning, hydrological models, and remote sensing, Journal of Environmental Management, 370, 122901. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122901.