Lake Catchment Interaction Analysis by Using Remote Sensing and GIS Techniques – the case study of Kolleru Lake, South India

Feuchtgebiete gehören zu den produktivsten Ökosystemen der Erde. Sie verfügen deshalb über viele essentielle Dienstleistungen für die Menschen. Bedeutende Funktionen oder Ökosystemdienstleistungen stellen sie z.B. für die Aufrechterhaltung der Biodiversität, für den Wasserkreislauf, zur regionalen Abpufferung des Klimawandels und für die menschliche Gesundheit zur Verfügung. Unter den verschiedenen Feuchtgebieten kommt den Seen (lakustrine Feuchtgebiete) eine besondere Bedeutung bei der Aufrechterhaltung bzw. dem Dargebot der globalen und regionalen Wasserbilanz, der natürlichen und sozio-ökonomischen Ressourcen und den Habitaten zu. Während der letzten Dekaden unterlagen Seen enormen Veränderungen, ausgelöst sowohl durch natürliche Prozesse als auch durch anthropogene Aktivitäten. Süßwasserseen sind vor allem gefährdet gegenüber Punkt- und diffusen Stoffeinträgen, die häufig durch die Landwirtschaft, durch die Industrie, aber auch in Verbindung mit Hausmüll und kommunalen Abwässern eingetragen werden und dadurch die Wasserqualität in den Seen und damit deren ökologische Intaktheit sowie deren Funktionen enorm verschlechtern bzw. erniedrigen. Das Kolleru Lake Feuchtgebiet Ökosystem in Südindien wurde als Untersuchungsobjekt ausgewählt, um auf Basis der Analyse und Modellierung der raum-zeitlichen Variabilität der Verschmutzungsbelastung zu einem besseren Verständnis der Mensch-Umweltprobleme dieses Sees und seines Einzugsgebietes zu gelangen. Das ist eine notwendige Voraussetzung sowohl für ein besseres Management der landwirtschaftlichen, industriellen und aquatischen Ressourcen des gesamten Gebietes als auch für den Schutz und die Erhaltung des Kolleru Lake. Der Kolleru Lake ist der größte Süßwassersee in Indien. Er stellt ein gewaltiges Hochwasserausgleichsreservoir dar; zugleich ist er auch ein Wildtierschutzgebiet. 2002 wurde der See durch die Ramsar Konvention als ein Feuchtgebiet von internationaler Bedeutung anerkannt. Der See wird vor allem durch Flusswasser gespeist. Die Flussläufe des Budameru und des Tammileru tragen substantiell zum Wasser-Input des Sees bei; daneben erfährt er aber auch Zuflüsse von insgesamt 68 kleineren Bewässerungs- (Drainage-) kanälen. Die gesamte Seefläche des Kolleru Lake beträgt mehr als 90.100 Hektar, was einem Volumen von 1.350 Kubikmeilen 2.172.614 m3 Süßwasser entspricht. Der Kolleru Lake stellt auch einen Trinkwasserspeicher für die Bewohner der angrenzenden Dörfer dar. Ein 3 Fuß bzw. 0,92 m flacher Wasserkörper ist permanent mit Wasser bedeckt. Das Wildtierschutzgebiet reicht bis zur Marke eines 5 Fuß bzw. 1,52 m temporär mächtigen Wasserkörpers. Die Seefläche wird partiell von Aquakulturen, Nassreisfeldern, Seegras und Marschland eingenommen. Im Umfeld haben sich kleinere bis hin zu größeren Industrieanlagen im Zusammenhang mit der Nutzung der Aquakulturen angesiedelt, deren Anzahl in den letzten beiden Jahrzehnten ständig zunahm. Vor 1970 gab es bis zur 5 Fuß- bzw. 1,52 m Wassertiefen-Uferlinie keine Landnutzungen. Aber während der monsunalen Regenzeit ist der See bis zu dieser Marke mit Wasser gefüllt, das nach viel Zufluss dort auch während der trockenen Sommermonate nahezu verbleibt. Dieser Wasserkörper war vor 1970 weitestgehend kontaminationsfrei. Ab 1970 hat die Provinzregierung solche Flächen bis zur 5-Fuß-Marke zur Nutzung an arme Bevölkerungsgruppen, Arbeitsmigranten und die lokale Bevölkerung abgegeben, mit der Option, dass sie diese Flächen, wenn sie benötigt werden, gegen eine Kompensationszahlung zurück kaufen kann. Daraufhin haben Bauern im See und in dessen Umfeld Nassreis angebaut. Alle seebettnahen Dörfer sind deshalb häufig massiven Überschwemmungen in Verbindung mit dem Wässern der Nassreisflächen ausgesetzt. Ungeachtet der Tatsache, dass die Provinzregierung die Bauern ermutigt hat, die Nassreisfelder in Fischteiche umzuwandeln, indem sie Darlehen zur Überwindung der Überschwemmungsfolgen gewährt hat, wurden in den 1990er Jahren auf dem größten Teil der Seefläche, einschließlich des Wildtierschutzgebietes, nach wie vor Aquakulturen betrieben. Seit 1970 bis zur Gegenwart war und ist der See einigen schwerwiegenden Umweltbelastungen ausgesetzt, die meist anthropogen, d.h. durch die Nutzung ausgelöst wurden und durch den Klimawandel nicht selten noch verstärkt werden. Das äußert sich in einer solch schlechten Wasserqualität, dass bestimmte Wassernutzungen nicht mehr möglich sind, in Schädigungen an Wasserorganismen und Vögeln und in Form von generellen Habitatverlusten. Ein Hauptgrund für die Umweltprobleme sind die innerhalb des Sees angelegten Fischteiche. Durch Pestizideinsatz und Speisenabfälle, die eigentlich das Fischwachstum stimulieren sollten, kommt es zu Verschmutzungen, die wiederum bakterielle Erkrankungen und Infektionen verursachen können. Infolge dessen kam es zu einer Zunahme von Erkrankungen bei Wasserlebewesen, Vögeln und Menschen im Umfeld des Sees. Eine Folge für die See-Ökosysteme ist, dass sie zunehmend nicht mehr als Habitatstandorte für Wasserorganismen und Vögel fungieren können. 42% der Seefläche werden von Fischteichen, weitere 8.5% von Aquakulturen eingenommen. Wenn sich die anthropogene Ausbeutung und Übernutzung der Naturresourcen des Sees fortsetzt, wird der See nicht mehr lange existieren und die Tierarten werden hier aussterben. Neben der Aquakulturnutzung ist der Kolleru Lake traditionell für die intensive Nassreiskultivierung bekannt. Aber auch hier ist der massive Pestizid- und Düngereinsatz auf den Landwirtschaftsflächen des Einzugsgebietes ein Grund für Eutrophierungsprozesse im Kolleru Lake. Neben diesen Einwirkungen auf das See-Ökosystem tragen auch industrielle Emissionen zu einer Verschlechterung der Wasserqualität bei und führen letztlich dazu, dass der See als Trinkwasserreservoir für die Bewohner der den Kolleru Lake umgebenden Dörfer nicht mehr genutzt werden kann. Sowohl Punkt- als auch diffuse Stoffeinträge in den See sind bedeutende Belastungsursachen infolge anthropogener Aktivitäten. Hauptzielstellung des vorliegenden Promotionsprojekts war es, eine Problemanalyse für den See und sein Einzugsgebiet durchzuführen und daraus Empfehlungen für die Provinzregierung für eine belastungsarme Landnutzung abzuleiten sowie die öffentliche Wahrnehmung über die Seedegradierung zu verbessern. Die Aufsedimentierung eines Sees ist ein natürlicher Prozess infolge des Sedimenteintrags durch die Zuflüsse bzw. aus dem Einzugsgebiet. Zusätzlich zum natürlichen Sedimenteintrag sind auch anthropogene Aktivitäten wie die Landnutzung u.a. verantwortlich für Bodenerosion im Einzugsgebiet sowie den daraus resultierenden Sedimenttransport und die Sedimentakkumulation im gefällearmen Unterlauf bzw. im Seebecken selbst. Das wird im Rahmen des ersten Teilzieles untersucht. Extensive Landnutzung und die nahezu ungehinderte Zunahme der Eindeichungen für die Anlage von Fischteichen, aber auch landwirtschaftliche Aktivitäten haben zu weit verbreiteten Erosionsprozessen im Einzugsgebiet und zu einer Aufsedimentation im gesamten Deltabereich des Kolleru Lake geführt. Unabhängig davon transportieren die permanent Wasser führenden Flüsse Krishna und Godavar 68.000 Tonnen Sedimente pro Jahr zum Kolleru Lake, z. T. unter „Nutzung“ der Sedimentreservoire der Flussufer und der Sohlbetten. Das Ziel dieses Teils des Promotionsprojekts bestand darin, die durchschnittliche Bodenabtragsrate und deren zeitliche Veränderung sowie das Sedimentaufkommen mit Hilfe der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (RUSLE) für den terrestrischen Teil des Einzugsgebietes und den semi-aquatischen Teil des Deltas des Kolleru Lake Einzugsgebietes für die Jahre 1972 und 2012 zu ermitteln. Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass der durchschnittliche Bodenabtrag 13,6 t/ha/Jahr beträgt, was das Kolleru Lake Einzugsgebiet als ein Gebiet mit einer hohen Erosionsrate kennzeichnet. Das jährliche Sedimentaufkommen wurde mit 7,61 t/ha/Jahr ermittelt. Die resultierende Differenz an Sedimenten in der Sedimentbilanz wird zeitlich befristet sowohl auf den terrestrischen Standorten als auch in den Flussufern und Sohlbetten der Zuflüsse zwischengespeichert und steht als Sedimentreservoir zur Verfügung. Unabhängig davon konnte nachgewiesen werden, dass die Zuflüsse zum Kolleru Lake eine hohe Sedimentzufuhr zum See gewährleisten. Durch die Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, welche Interaktionen zwischen den intensiven landwirtschaftlichen Aktivitäten im Einzugsgebiet des Feuchtgebietes und den Verschmutzungsniveaus der Wasserqualität im See bestehen. Der Landwirtschafts-Abfluss (d.h. Abfluss von den Flächen des Einzugsgebietes, die dominant landwirtschaftlich genutzt werden) ist ein Hauptfaktor der Verschmutzung des Seewassers aus diffusen Quellen, mit Nebenwirkungen auf die Sedimente und Schlämme des Sees und des seenahen Unterlaufgebietes der Zuflüsse. Vor allem kommt es dadurch zur Eutrophierung im See und zur vermehrten Ausbreitung von Seegras. Das zweite Teilziel des Forschungsprojekts war es, den Beitrag der Zuflüsse aus den Teileinzugsgebieten an der Belastung des Seewassers abzuschätzen und die diffusen kritischen Belastungsquellen gegenüber den Punktbelastungen, welche von den Kommunen ausgehen, heraus zu stellen. Für dieses Teilziel wurde das Soil and Water Assessment Tool (SWAT) genutzt, um die diffusen Quellen im Einzugsgebiet zu identifizieren. Die räumliche Auflösung der Nitrat-Stickstoff (NO3-N)- und der Gesamt-Phosphor (TP)-Emissionen konnten quantifiziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass einige Teileinzugsgebiete stärker zur Seeverschmutzung beitragen als andere. Darauf basierend konnten Nutzflächeneignungen detektiert und ausgewiesen werden, welche eine Nutzung im Sinne der BMP (Best Management Praxis) ersten und zweiten Grades erlauben. Als Schlussfolgerung daraus wurden Empfehlungen für die Implementierung anderer landwirtschaftlicher Bewirtschaftungspraktiken erarbeitet, die eine Schlüsselfunktion für den Schutz der See-Ökosysteme darstellen. Das Kolleru Lake Feuchtgebiet ist bekannt sowohl für seine reiche Wasserverfügbarkeit als auch für seine Wasserknappheit. Flüsse und Kanäle werden abgezweigt, um landwirtschaftliche Flächen zu bewässern, und selbst Grundwasser wird entzogen. Wenn der monsunale Niederschlag unterdurchschittlich war, fällt der See während der niederschlagsfreien Sommermonate mehr oder weniger trocken. Dann besteht ein erhöhter Bedarf, Grundwasser zu nutzen. Dieser Bedarf stieg in den letzten Jahren stetig an. Aus diesem Grund bestand das dritte Teilziel des Forschungsprojekts darin, die potentiellen Grundwasserresourcen im Einzugsgebiet des Kolleru Lake zu untersuchen. Aus der Analyse der hydrologischen Charakteristika des Einzugsgebietes wurde eine einfache mathematische Gleichung erarbeitet. Die Einzugsgebietscharakteristika wurden auf Grundlage von Literaturangaben analysiert und deren Einfluss mittels einer thematischen Gewichtung unterschieden, um potentielle Grundwasserzonen zu detektieren. Dabei wurde festgestellt, dass 13% des Einzugsgebietes über ein geringes Grundwasseraufkommen, 38% über moderate, 42% über gute und 7% über ausgezeichnete Grundwasservorkommen verfügen. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag für zukünftige Grundwassermanagement-Projekte und Grundwasserneubildungspläne im Kolleru Lake Einzugsgebiet dar, um einen hinreichendes Grundwasserdargebot zu gewährleisten. Weil Datenlücken zum Abfluss, zur Sedimentführung, zur Nährstofffracht und zur Wasserqualität der Zuflüsse bestanden weisen die hier gewählten Methoden bzgl. der Ergebnisse auch Einschränkungen auf, weshalb z. T. nur Abschätzungen getroffen werden konnten. Eine Kalibrierung und Validierung der Ergebnisse vor Ort konnte nur sehr eingeschränkt durchgeführt werden, da der Bearbeiterin als in Deutschland eingeschriebene Doktorandin der Zutritt zum Untersuchungsgebiet und zu einem Forschungsinstitut vor Ort von den örtlichen Behörden untersagt wurde. Vor-Ort-Geländemessungen vor allem der Schadstofffracht in Abhängigkeit vom Abfluss würden eine bessere Abschätzung der Schadstoffbelastung und deren Dynamik erlauben. Auch standen nicht genügend Mittel zur Verfügung, um jedes der Fernerkundungsergebnisse und GIS-Modellierungen durch eigene Vor-Ort-Messungen zu überprüfen bzw. abzusichern. Deshalb basiert, bis auf wenige Ausnahmen, dieses Promotionsprojekt vor allem auf Fernerkundungsdaten sowie zugängliche Klima- und Bodendaten. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sowohl der Seespiegel als auch die Wasserqualität im Kolleru Lake in hohem Maße erniedrigt sind, dass das Wasser mit Metallen und aus der Landwirtschaft stammenden schädlichen Stoffen angereichert ist, weshalb das Seewasser nicht mehr für die Trinkwassernutzung empfohlen werden kann. Die Erosionsraten im Einzugsgebiet und Sedimentationsraten im Delta sind hoch. Deshalb sollten Maßnahmen zur Eindämmung der Erosion schon im mittleren Einzugsgebiet beginnen. Die Ergebnisse tragen zum generellen und verbesserten Verständnis der Verschmutzungsniveaus im See bei. Sie stellen deshalb nützliche Basisinformationen für Managementpläne der Provinzregierung dar.