Towards applied modeling of the human-eco-system an approach of hydrology based integrated modeling of a semi-arid sub-catchment in rural north-west India

Die Entwicklung ländlicher Regionen hinsichtlich von Ernährungssicherheit, Nachhaltigkeit und sozio-ökonomischer Stabilität ist eine der wichtigsten Aufgaben unserer globalisierten Gemeinschaft. In Hinblick auf den Klimawandel sind insbesondere semi-aride Gebiete im Einfluss von Monsun oder El Niño von extremen Wetterereignissen betroffen.Tockenheiten, Überschwemmungen, Erosion, Bodendegradation, Verschlechterungder Wasserqualität und Versteppung sind nur einige, oft beobachtete Folgen.Der Stand der Forschung in Sachen hydrologischer Umweltmodellierung ist insbesondere einem reduktionistischen Paradigma verhaftet (Sivapalan 2005). Obwohl eine enorme Menge verschiedenster Prozessmodelle existiert können auf Grundlage kleinskaliger Prozessapproximationen die komplex interagierenden Prozesse in ihren wirkenden Skalen im Raum-Zeit-Kontinuum nur begrenzt beschreiben werden (z.B. Beven 2002). Während die verwendeten Modelle große Mengen an Parametern und Daten benötigen, können wichtige Informationen über Muster und Organisationsprinzipien nicht in die Simulationen einfließen.Für eine Analyse möglicher Wege und Restriktionen der integrierten hydrologischen Modellierung als Mittel in der Entscheidungsunterstützung wurde das 512 km² große Einzugsgebiet des Mod Flusses in Jhabua, Madhya Pradesh, Indien ausgewählt. Es ist gekennzeichnet von charakteristischen Problemen der Neuen Peripherie (z.B. Scholz 2004) (im human-geographischen Kontext) und intensiv anthropogen beeinflusster Agrar-Öko-Systeme der semi-ariden Tropen. Die dünne Datengrundlage des nicht-bepegelten Einzugsgebiets stellt dabei eine besondere Anforderung an die Datenakquise.In der vorliegenden Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der Feld- und Fernerkundungstechniken zur Landschaftsanalyse verbindet. Mit dem Fokus auf Plausibilität statt strenger "Datengenauigkeit" wird eine Datenbank zur hydrologischen Modellierung des Gebiets entwickelt. Das Catena-basierte hydrologische Prozessmodell WASA (Güntner 2002) wird um eine Routine zur Simulation der Entwicklung von Nutzpflanzen nach de Wit (z.B. in Bouman et al. 1996) erweitert. Zur Anwendung des Modells als Entscheidungsunterstützungssystem ist ein agentenbasierter Landnutzungsalgorithmus entwickelt worden, welcher auf Grundlage von Standorteigenschaften und politischen Vorgaben wie Profitmaximierung oder Standortanpassung über die Landnutzung entscheidet. Das neue Modellsystem wird zur Untersuchung von einigen Landnutzungstrategien so verwendet, dass nicht antizipierte Szenarien sondern die Wechselwirkung des Systems selbst die Realisation des Modells bestimmen.Die Umsetzung zeigt einerseits mögliche Ansätze zur Verbesserung der Situation im Untersuchungsgebiet auf. Anderseits gibt sie konkrete Vorschläge zu zentralen Fragen hydrologischer Umweltmodellierung und zur Überwindung bestehender Paradigmen.

The development of rural areas concerning food security, sustainability and social-economic stability is key issue to the globalized community. Regarding the current state of climatic change, especially semi-arid regions in uenced by monsoon or El Niño are prone to extreme weather events. Droughts, ooding, erosion, degradation of soils and water quality and deserti cation are some of the common impacts.State of the art in hydrologic environmental modeling is generally operating under a reductionist paradigm (Sivapalan 2005). Even an enormous quantity of process-oriented models exists, we fail in due reproduction of complexly interacting processes in their effective scale in the space-time-continuum, as they are described through deterministic small-scale process theories (e.g. Beven 2002). Yet large amounts of parameters - with partly doubtful physical expression - and input data are needed. In contradiction to that most soft information about patterns and organizing principles cannot be employed (Seibert and McDonnell 2002).For an analysis of possible strategies on the one hand towards integrated hydrologic modeling as decision support and on the other hand for sustainable land use development the 512 km2 large catchment of the Mod river in Jhabua, Madhya Pradesh, India has been chosen. It is characterized by a setting of common problems of peripheral rural semi-arid human-eco-systems with intensive agriculture, deforestation, droughts and general hardship for the people. Scarce data and missing gauges are adding to the requirements of data acquisition and process description. The study at hand presents a methodical framework to combine eld scale data analysis and remote sensing for the setup of a database focusing plausibility over strict data accuracy.The catena-based hydrologic model WASA (Güntner 2002) employes this database.It is expanded by a routine for crop development simulation after the de Wit approach (e.g. in Bouman et al. 1996). For its application as decision support system an agentbased land use algorithm is developed which decides on base of site speci cations and certain constraints (like maximum pro t or best local adaptation) about the cropping.The new model is employed to analyze (some) land use strategies. Not anticipated and a priori de ned scenarios will account for the realization of the model but the interactions within the system. This study points out possible approaches to enhance the situation in the catchment. It also approaches central questions of ways towards due integrated hydrological modeling on catchment scale for ungauged conditions and to overcome current paradigms.