Integrated watershed modeling of mountainous landscapes : Assessing the environmental performance of an intensive farming system in South Korea

Titelangaben

Maharjan, Ganga Ram:
Integrated watershed modeling of mountainous landscapes : Assessing the environmental performance of an intensive farming system in South Korea.
Bayreuth , 2015 . - XXVI, 171 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

Volltext

	Format: PDF Name: Library_finalG.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY 3.0: Namensnennung
	Download (7MB)

Abstract

The agricultural production to secure food for overgrowing world's population and the reduction of associated detrimental effects on the environment are of global concern. Intensive farming systems coupled with a high amounts of fertilizer applied to secure an increasing crop yield have a negative effects on the global environment. The nonpoint source pollution, such as sediments and nutrients from the intensive farming systems and point source pollution from industry are of major threat to the global environment. The point source pollutions from the industries are discernible, which can be fed into wastewater treatment plants before bringing back to the environmental system. Nonpoint source pollutions come from many diffuse sources (surface runoff, atmospheric deposition, precipitation, and seepage) and are more difficult to handle compared to point source pollution. The extent of generation of nonpoint source pollution depends on complex geophysical and environmental conditions in combination with adopted land use and management systems. The catchments Haean and Jawoon-ri in South Korea are characterized by complex terrain and highly affected by monsoon climate. In addition, mountainous intensive agriculture and application of high amount of fertilizer have produced a considerable amount of sediments and nutrients, which are transported to the downstream reservoir. Furthermore, the catchments are regionally recognized as a "hot spot" of muddy flows and associated contaminants contributing to the downstream Soyang Reservoir. The Soyang Reservoir is a major source of drinking water supply in Seoul, the capital city of South Korea. The reservoir also has problem of yearly siltation, which decreases its water storage capacity. In addition, contaminants sorbed to the sediments are deteriorating the water quality. The regional attention is to improve the water quality while maintaining the agricultural production from the adjoining Haean and Jawoon-ri catchments. Based on this paradigm, the Complex TERRain and ECOlogical Heterogeneity (TERRECO) project was developed. The studies associated with the TERRECO project included a detailed plot level study of understanding water flow and erosion processes and solute transport under various management practices. The research findings based on plot level studies are important to integrate processes at the catchment level in order to analyze the management impact on agricultural production and export of nonpoint source pollution with an approach of watershed modeling. Among various watershed modeling tools, we chose the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) which can handle various management systems. The SWAT model was adapted to two study sites, the Jawoon-ri and the Haean catchment. The central focus of the thesis is to identify land use systems and best management practices for permanent reduction of sediments and nutrients export from our study catchments. The first two studies were focused on the technical specifications of the SWAT model, its calibration, validation and associated model sensitivities and uncertainties. The following two studies were related to SWAT applications to evaluate the impact of different land use systems and agricultural management practices on water quality, crop yield and farm income. The first study was to test the SWAT model for the prediction potential of discharge from the small agricultural watershed of Jawoon-ri by using hourly rainfall data as rainfall and precipitation are basic and most important input data for runoff estimations in the SWAT model. We found that the use of hourly rainfall data in the SWAT model predicted hourly runoff from the watershed by using the Green and Ampt infiltration approach performed quite well and gave better results than the SCS curve number method with daily data. However, even though the use of sub-daily simulation gave better results, their overall test, and use is restricted by limited availability of input but also measured corresponding output variable like discharge. After evaluating the performance of the SWAT simulation at the field level of the small agricultural watershed, the model was applied to the higher catchment level of the Haean catchment in the second study. The goal of using the SWAT model at a higher catchment level was to observe the cumulative effect of different agricultural and management practices on the environment of a bigger and more complex environmental situation. We focus on the capability of the SWAT model to predict the spatiotemporal variability in discharge throughout the catchment. The spatial and temporal data gap in precipitation among other meteorological parameters showed considerable impact on modeled plant growth dynamics which effects the overall water balance in the catchment. We developed an algorithm for gap-filling and to interpolate meteorological data in order to consider the convective effects of precipitation variability due to topographic variation in the catchment. We applied the method of multi-site calibration and validation for discharge which parameterized the variability in flow processes and predicted the respective discharge partitioning within the catchment. The impact on discharge due to engineered structures in relation to drainage and culverts and road network consideration in the SWAT model was evaluated. We observed the drainage and culverts had significant impact on discharge at downstream. Hence, in the second study, we explored the SWAT capability and associated methods to improve the model performance for estimation of discharge. After the parameterization of discharge modeling in SWAT, which serve as basis for the prediction of other environmental contaminants (sediment and nitrate). Henceforth, the model output variable of sediment and nitrate were calibrated and validated in a similar approach to consider impact due to different land use and management practices, which were further explored in the subsequent two studies. The model was applied to different land use scenarios. However, the land use system of the study catchment depends on the policy and technological intervention. In the third study, we developed an extreme land use scenario by expanding major dryland crops of Haean catchment: cabbage, potato, radish, and soybean. We present a simplistic and transparent approach to identify scenario-based optimal land use systems for a) minimum discharge, b) minimum sediment, c) maximum crop yield and d) maximum income. The implemented optimal land use system and associated trade-offs were analyzed. We found that the implementation of the land use system which was optimal for minimum discharge and minimum sediment had the trade-offs of producing minimum crop yields and minimum income. On the other hand, the optimal land use systems for maximum income and maximum crop yield produced more discharge and sediment export. This methodological approach to develop optimal land use systems and the analyses of associated trade-offs are of major importance for policy makers and farmers to select a particular land use system which is sustainable for both ecology and economy. The final application of the SWAT model was for the implementation of best management practices (BMPs). Based on recommendations of previous studies and considering the catchment agricultural practices, the BMPs scenarios of cover crop and split fertilizer application were implemented. The applications of BMPs were aimed at better environmental performance by reducing nonpoint source pollution while increasing the crop yields. The BMPs of cover crop and split fertilizer application were assessed for effectiveness in sediment and unproductive nitrate reduction. We found that cover crop has a considerable effects on reducing both sediment and nitrate losses, and at the same time increased crop yields. The BMP with the split fertilizer application showed supportive effects in reducing nitrate but not reduce erosion and did not increase crop yields. The simultaneous application of BMPs with cover crop and split fertilizer application exhibited even greater impacts on environmental performance in reducing sediment and nitrate losses and increased crop yield. Summing up, in this study we used integrated watershed modeling to identify the environmental performance of study catchments. In general, the land use system that was identified to produce a minimum sediment loss and the application of combining BMPs (cover crop and split fertilizer) would have positive environmental effects regarding sediment and nutrient losses from the intensive farming systems of similar mountainous agricultural landscapes in South Korea. The approach that we apply in this study to assess the environmental performance of intensive farming system could be applicable to similarly structured agricultural area in South Korea. However, a policy to compensate associated income losses needs additionally to be considered for effective implementation of the recommended land use systems and BMPs made by this study.

Abstract in weiterer Sprache

Die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion zur Sicherung der Nahrungsgrundlage für eine wachsende Weltbevölkerung bei gleichzeitger Reduzierung der damit verbundenen nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt stellt weltweit eine große Herausforderung dar. Sedimentfrachten, Nährstoffe und andere Agrochemikalien wie z.B. Pestizide aus der intensiven Landwirtschaft wirken hierbei als diffuse Eintragspfade ins Grundwasser und sind, etwa im Vergleich zu Punktquellen aus kommunalen Leckagen und industriellen Unfällen, oft schwierig zu handhaben und durch ein geeignetes Umweltmanagement zu regulieren. Hierbei greifen Topographie, Geologie, Geophysik, Klima, ökologische Rahmenbedingungen, Landnutzung und Landnutzungsänderungen eng ineinander und sind im Rahmen eines nachhaltigen Umweltmanagements adäquat zu berücksichtigen. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurden zwei Einzugsgebiete intensiv untersucht: das HaeanEinzugsgebiet und das Jawoon-ri-Einzugsgebiet. Beide liegen im Norden Südkoreas und sind durch Topographie, Geologie und Nutzungsverhältnisse komplex strukturiert. Die intensive Landwirtschaft in der Region ist durch den Einsatz hoher Düngermengen und Mobilisierung einer beachtlichen Sedimentfracht charakterisiert, die zu stromabwärts gelegenen Reservoirs transportiert werden. Insbesondere werden die beiden Einzugsgebiete regional als wesentliche Quellen für die Verunreinigung der Gewässer durch Schlämme und Umweltchemikalien angesehen, die letztlich im Soyang Reservoir akkumuliert werden. Da das Soyang Reservoir eine wichtige Quelle für die Trinkwasserversorgung in Seoul, der Hauptstadt Südkoreas, darstellt, ist diese Thematik außerordentlich brisant. Die Sedimente reduzieren die Speicherkapazität des Reservoirs, die gleichzeitig eingetragenen Schadstoffe verschlechtern die Wasserqualität. Das regionale Management zielt tendenziell darauf ab, die Wasserqualität zu verbessern und gleichzeitig die landwirtschaftliche Produktion in den stromaufwärts liegenden Einzugsgebieten Haean und Jawoon-ri auf hohem Niveau sicherzustellen. Vor diesem Hintergrund wurde das DFG-geförderte binationale Projekt TERRECO (Complex TERRain and ECOlogical Heterogeneity) ins Leben gerufen. Die in TERRECO durchgeführten Studien auf Plot- und Einzugsgebietsebene sollen ein detailliertes Verständnis über Wasserflüsse, Erosionsfrachten und Stofftransport unter verschiedenen Nutzungsszenarios und Managementstrategien ermöglichen. In Plotstudien werden die Auswirkungen des Managements auf die landwirtschaftliche Produktion und Umweltbelastung durch diffuse Quellen analysiert. Auf der Einzugsgebietsebene wird das SWAT-Modellpaket (Soil and Water Assessment Tool) verwendet, das es erlaubt, prozessbasiert verschiedenen Managementsysteme quantitativ auszuwerten. Das SWATModell wurde an die Untersuchungsgebiete der Jawoon-ri - und Haean - Einzugsgebiete mit komplexem Gelände angepasst. Hierbei wurden Erkenntnisse aus Publikationen zu verschiedenen SWAT-Anwendungen in Südkorea berücksichtigt. Hauptziel der Arbeit war es, das Landnutzungssystem und die besten Managementstrategien für eine dauerhafte Reduzierung von Sedimenten und Nährstoffen aus den Modellgebieten zu identifizieren. Unsere ersten beiden Studien befassten sich mit wichtigen technischen Details des SWAT-Modells, der Kalibrierung und Validierung und der zugehörigen Modellsensitivität, sowie der Unsicherheit der Ergebnisse. Thematik der folgenden zwei Studien war die SWAT-basierte Bewertung der Auswirkung verschiedener Landnutzungssysteme und landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsstrategien auf die Wasserqualität, den Ertrag und die Betriebseinkommen. In der ersten Studie wurde das SWAT-Modell hinsichtlich der Vorhersage der Wasserflüsse aus dem kleinen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet Jawoon-ri mit Hilfe stündlicher Niederschlagsdaten bewertet (im Vergleich zu gröberen und feineren Datenaggregierungen), da Niederschlagsdaten zu den wichtigsten Eingangsdaten für Abflussschätzung im SWAT-Modell gehören. Wir fanden heraus, dass die Verwendung von stündlichen Niederschlagsdaten (in Verbindung mit dem Infiltrationsmodell von Green und Ampt), die gemessenen Gebietsabflüsse besser reproduzieren konnten als bei Verwendung von täglichen Niederschlagsdaten und des SCS-curve-number-Verfahrens. Allerdings sind stündliche Eingabedaten und deren korrespondierenden Abflussdaten oft nicht ausreichend verfügbar. Im Anschluss daran wurde das Modell auf das größere und komplexere Haean-Einzugsgebiet ausgedehnt. Ziel war hierbei die Anwendung des SWAT-Modells zur Analyse der kumulativen Auswirkungen verschiedener Praktiken des Agrarmanagements auf die Umwelt auf der Einzugsgebietsebene. Wir konzentrierten uns zunächst auf die Fähigkeit des SWAT-Modells, um die räumliche und zeitliche Variabilität des Abflusses im gesamten Einzugsgebiet vorherzusagen. Räumliche und zeitliche Datenlücken im Niederschlag haben erhebliche Auswirkungen auf modellierte Ergebnisse zum Pflanzenwachstums, was den errechneten Gesamtwasserhaushalt im Einzugsgebiet empfindlich beeinflusst. Wir entwickelten daher einen Algorithmus, der die fehlenden meteorologische Daten interpoliert, hauptsächlich um die Wirkung der höhenabhängigen Niederschlagsvariabilität im Einzugsgebiet zu berücksichtigen. Zur Kalibrierung und Validierung des Modells im Hinblick auf die Gebietsabflüsse verwendeten wir eine speziell entwicklete, sequentielle Multi-Site-Methodik zur Berücksichtigung der räumlichen Gliederung des Einzugsgebiets in Teileinzugsgebiete. Die Auswirkungen ingenieurtechnischer Anlagen zur Abführung von Oberflächenwasser wurden über die Abflussanalysen ausgewertet. Wir beobachteten, dass diese Kanalisationen erhebliche Auswirkungen auf den Abfluss hatten. Daher untersuchten wir in der zweiten Studie, inwieweit durch die Berücksichtigung dieser Konstruktionen in SWAT die Modellperformance zur Abschätzung des Abflusses verbessert werden kann. Im Anschluss an die Parmeterisierung der Abflussmodellierung von SWAT, als Basis für die Prognose anderer umweltrelevanter Stoffe, wurden dann Sedimentfrachten und Nitratexport separat kalibriert und validiert, um die Auswirkungen hinsichtlich unterschiedlicher Landnutzungs- und ManagementPraktiken analysieren und bewerten zu können. Die Landnutzung des untersuchten Einzugsgebiets wird jedoch stark von Eingriffen der Politik und von technologischen Aspekten geprägt wird, wodurch der Anbau von Kohl, Kartoffeln, Rettich und Soja stark favorisiert wurde. Daher hatten wir in der dritten Studie zunächst extreme Landnutzungsformen implementiert, indem wir den den exklusiven Anbau je einer der großer Trockenfeldpflanzen des Haean Einzugsgebiets (Kohl, Kartoffeln, Rettich oder Sojabohnen) im Modell repräsentierten. Dies entspricht einem vereinfachenden, aber effizienten und transparenten Ansatz, um eine optimale Landnutzung für a) minimalen Abfluss, b) minimale Sedimentfracht, c) maximalen Ernteertrag und d) maximales Einkommen zu identifizieren. Die Umsetzung in ein optimales Landnutzungssystems und die damit verbundenen Kompromisse (trade-offs) wurden analysiert. Wir beobachteten, dass die Realisierung eines Landnutzungssystems, das optimal ist für minimalen Abfluss und minimalen Sedimentexport, zu minimalen Ernteerträgen und minimalem Einkommen der landwirtschaftlichen Bevölkerung führte. Andererseits führte ein optimiertes System für maximales Einkommen und maximale Ernteerträge zu höheren Gebietsabflüssen und Erosion. Die hier beschriebene Methodik zur Entwicklung eines optimalen Landnutzungssystems hat möglicherweise ein hohes Potential zur Unterstützung der politischen Entscheidungsträger und der Landwirte bei der Etablierung eines nachhaltigen, wirtschaftlichen und umweltverträglichen Agrarmangements. Die abschließende Anwendung des SWAT Modell zielte auf die Umsetzung des Konzepts der “Best Management Practices” (BMPs), basierend auf Empfehlungen früherer Studien für landwirtschaftliche Praxis im Einzugsgebiet. In dieser Studie wurden speziell die BMP-Szenarien der Gründüngung und der zeitlich aufgeteilten Düngergaben implementiert und bewertet. Durch die Anwendungen dieser BMPs werden bessere Umweltleistungen durch Reduzierung diffuser Umweltbelastungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Ernteerträge angestrebt. Es zeigte sich, dass Gründüngung deutliche, positive Auswirkungen auf die Belastung der Umwelt hat, sowohl durch die Verringerung der Sedimentfracht als auch durch die Reduzierung unproduktiver Nitratverluste, was wiederum eine Erhöhung der Ernteerträge zur Folge hatte. Die BMP-Szenarien zur zeitlich aufgeteilten Düngung hatten ebenfalls einen deutlichen Einfluss auf die Reduzierung von Nitratverlusten, aber keine vergleichbaren Wirkungen hinsichtlich der Sedimentfracht und der Ernteerträge. Die gleichzeitige Anwendung von Gründüngung und zeitlich aufgeteilter Düngergabe wiederum hat einen noch größeren Einfluss auf die Umweltleistung bezüglich der Verringerung der Sedimentfracht und der Nitratverluste. Insgesamt werden in der hier vorgelegten kumulativen Dissertation mit einer integrierten Einzugsgebiets-Modellierung für ein komplexes Terrain Landnutzungsszenarien analysiert, die es erlauben, die Umweltleistung der Modellgebiete zu identifizieren und zu quantifizieren. Das hier ermittelte optimale Landnutzungs-System ermöglicht eine Minimierung der Erosion und damit einen minimalen Sedimentexport, sowie durch die Anwendung von Deckfruchtanbau und geteilten Düngergaben eine Reduzierung unproduktiver Nährstoffverluste bei gleichzeitig positiven Auswirkungen auf Erträge bzw. Ertragssicherheit. Im Prinzip sollte das Konzept auch auf ähnlich strukturierte landwirtschaftliche Gebiete in Südkorea übertragbar sein. Allerdings sind hier zu einem hohen Maße auch flankierende politische Maßnahmen erforderlich, z.B. um eventuelle Einkommensverluste zu kompensieren.