Evaluación del impacto del Cambio Climático (escenarios B1 y A2) en las aportaciones futuras generadas para el horizonte de proyección 2000-2050 en las cuencas del Fluvià y la Tordera en Catalunya

Abstract

The results presented in this doctoral thesis aims to evaluate the possible Climate Change effects on the water resources yield by the Fluvià river basin and the Tordera river basin, both located in the autonomous region of Catalonia. In order to carried out with the study, a climate change projection generated by the Global Circulation Model ECHAM5 for the scenarios B1 and A2 (IPCC, 2007) were applied. The projections were statistically downscaled at local level through a Markov’s chain of first order to determine the occurrence of rainfall and a Weibull distribution to evaluate the amount of it during that occurrence. The temperature was projected using an ARMA model (Autoregressive Moving Average). Both projections (rainfall and temperature) were obtained for the time horizon of 50 years (2000 – 2050). Historical data (1984 – 2008) were previously used as an input in the weather generators in the downscaling process. The hydrological model of the case of study was developed using the software HEC-HMS 4.0 which through its Soil Moisture Accounting method (SMA) allows for long term simulations with a complete characterization of the hydrological process. The model was parametrized, calibrated and validated using discharge gages located at the outlet of each of the basins. The historical data for the rainfall and the temperature (evapotranspiration) were run in the hydrological model to evaluate the current condition of the basins to be finally compared with the future projections obtained from the downscaling process for the time horizon of 50 years for the Climate Change scenarios previously described. When comparing the current situation (historical) with the future projections for the two scenarios analysed (B1 and A2), it is observed that in the Fluvià’s basin the annual average (2000 – 2050) for the water resources decrease 16.7% for the B1 scenario and 28.2% for the A2 scenario. For the Tordera’s basin the situation is similar, with reductions of 19.9% for the B1 scenario and 26.6% for the A2 scenario. It may also be observed that in both scenarios and both basins when the reductions of rainfall compared to the historical data goes from 2.5 to 11.2% the reductions on annual average for the water resources are larger, which would indicate that the basin amplifies the effect of the reductions of the rainfall in the yielded discharge. Finally, it was also studied that carrying out modification to the downscaling process, new temporal distribution of the future rainfall may be obtained. This new time series were characterized by a more heterogenous distribution ungrouping rainfall event to a larger number of days. Once these new times series were input to the hydrological model it was observed the water resources increases in relation to the ones observed under the first downscaling carried out in the study. The increments observed were from 9 to 11% in both scenarios and both basins. This implies that it is important to evaluate the amount of future rainfall of the climate projections, but it is also very important to evaluate the temporal distribution of it due to the hydrological processes in a basin might be sensitive to this factor, affecting the water resource production in the long term.

El trabajo que se presenta en esta tesis de doctorado pretende determinar los posibles efectos del Cambio Climático en los recursos hídricos futuros para la cuenca del río Fluvià y la cuenca del río la Tordera en la Comunidad Autónoma de Catalunya. Para determinar como el Cambio Climático afecta a las aportaciones en dichas áreas, se dispuso de las proyecciones para la precipitación y la temperatura desarrolladas por el modelo meteorológico de circulación del clima ECHAM5 para los escenarios B1 y A2, propuestos en el cuarto informe de Cambio Climático presentado el año 2007 por el IPCC. Dichas proyecciones fueron escaladas a nivel local mediante un escalado estadístico basado una cadena de Markov de primer orden para generar lluvia local incluyendo días con o sin lluvia, y una distribución de Weibull para asignar el volumen de lluvia en los días de ocurrencia de la misma. Para el cálculo de los datos de temperatura a partir de las observaciones históricas se utilizó un modelo auto-regresivo de media móvil (ARMA). Las proyecciones de precipitación y temperatura se generaron para un horizonte de tiempo de 50 años (2000 - 2050). Adicionalmente se contó con registros históricos de precipitación temperatura para el período 1984 - 2008. Estos datos constituyeron la información de entrada en el generador local del clima para determinar las distribuciones y probabilidades históricas de la precipitación que fueron utilizadas en la generación de las proyecciones futuras. El modelo hidrológico de las cuencas en estudio se basó en la herramienta hidrológica HEC- HMS 4.0., y su algoritmo de cálculo de humedad continua del suelo (SMA) que permite hacer simulaciones a largo plazo evaluando los procesos hidrológicos en detalle. El modelo fue calibrado y validado a partir de la información de estaciones de aforo presentes en los últimos tramos de ambas cuencas. Los datos históricos de precipitación y temperatura (evapotranspiración) fueron ingresados en el modelo para evaluar la aportación histórica de cada una de las cuencas y obtener un valor de referencia para comparación de los resultados futuros. El siguiente paso consistió en ingresar las proyecciones futuras de precipitación y temperatura (2000 - 2050) en el modelo hidrológico, previamente validado, y determinar la variación de las aportaciones generadas para las nuevas proyecciones. La comparación de las proyecciones con las aportaciones históricas previamente modeladas en la cuenca del Fluvià para ambos escenarios de cambio (B1 y A2) indican que las aportaciones medias anuales futuras disminuyen un 16.7% para el escenario B1 y un 28.2% para el escenario A2. En la cuenca de la Tordera se observaron disminuciones de 19.9% para el escenario B1 y 26.6% para el escenario A2. Se puede observar para ambos escenarios en el período histórico y en ambas cuencas que cuando el descenso de precipitación varía entre 2.5% y 11.2%, las disminuciones en términos de aportaciones son mayores, indicativo de que la respuesta hidrológica amplifica el efecto de la disminución de precipitación. Finalmente, también se observó que realizando variaciones a la técnica de escaldo se pueden obtener nuevas series de precipitación futuras con distribuciones temporales distintas a las series originalmente generadas. Las nuevas series se caracterizan por una distribución de la precipitación más heterogénea desagregando eventos de lluvia a lo largo de más días. Cuando estas series son ingresadas al modelo hidrológico se obtienen aportaciones anuales mayores a las obtenidas a través del primer escalado del modelo climatológico, con incrementos de un 9 a un 11% en las aportaciones anuales para ambos escenarios de cambio (B1 y A2) y en ambas cuencas. Por ello no solo es importante conocer la cantidad de lluvia futura para una región, también es importante conocer su distribución temporal dada su influencia en la respuesta hidrológic