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)

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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.