Assessing impacts of potential climate change scenarios in water resources systems depending on natural storage from snowpacks and/or groundwater

Abstract

La finalidad de esta tesis es avanzar en el desarrollo y aplicación de metodologías para la evaluación de impactos potenciales del cambio climático en los recursos almacenados de forma natural en acuíferos y/o en forma de nieve en sistemas que abarcan grandes extensiones de terreno. Se estudia la dinámica nival en una cordillera, Sierra Nevada y se evalúan potenciales escenarios futuros de recarga en acuíferos a escala nacional. La mayor parte de trabajos científicos sobre impactos del cambio climático en los recursos subterráneos se desarrollan para sistemas a escala de acuífero. De igual forma, la dinámica nival suele estudiarse en laderas o cuencas concretas, no siendo habituales los análisis a nivel de macizo o cordillera. Los datos en estos sistemas alpinos normalmente son escasos, debido a la baja accesibilidad y los limitados recursos existentes. Se ha propuesto una metodología para estimar la ubicación óptima de los puntos de monitoreo. Para el estudio de impactos del cambio climático es necesario generar escenarios climáticos locales o regionales adaptados al sistema. Se propone una metodología para la definición de dichos escenarios considerando estadísticos de sequías. La revisión del estado del arte ha puesto de relieve que a pesar de la importancia de las sequías en la gestión de zonas áridas y semiáridas, en la generación de escenarios locales y regionales futuros no se consideran los estadísticos de sequías. Aunque existen numerosos trabajos de análisis de sequías en periodos históricos, el número de ellos dedicado a escenarios futuros es aún escaso. En las citadas lagunas o necesidades de estudio científico se encontró la motivación para desarrollar este trabajo. Para la propagación de impactos de potenciales escenarios futuros de cambio climático en la cubierta de nieve y en la recarga subterránea se han utilizado los modelos descritos. La simulación con el modelo de autómata celular de las series climáticas futuras generadas para el horizonte 2071-2100 considerado el escenario de emisiones RCP8.5, muestra significativas reducciones en la cubierta de nieve en Sierra Nevada, alrededor de un 60% en media. Además las series futuras de precipitación y temperatura generadas muestran que los impactos potenciales del cambio climático aumentarán con la altitud en el caso de la temperatura y disminuirán con la altitud en el caso de la precipitación. La propagación con el modelo empírico de recarga neta proporciona reducciones en la recarga en el 99.8% de la España Peninsular, las cuales se distribuyen de forma muy heterogénea. Más de 2/3 del área muestra reducciones superiores al 10%, siendo la media de las reducciones obtenida en el territorio el 12%. Estos resultados reflejan la necesidad de que se establezcan las medidas necesarias para elaborar políticas de agua basadas en la adaptación y mitigación de los efectos del cambio climático en los sistemas de recursos hídricos.

The objective of the pre-doctoral research undertaken and presented in this thesis was to advance the development and application of methodologies for evaluating potential impacts of climate change on water resources stored naturally in aquifers and/or in snowpack in systems covering large tracts of land. The snow dynamics of the Spanish Sierra Nevada mountain range were studied, as well as potential future recharge scenarios in aquifers on a national scale. The majority of scientific studies of the impacts of climate change on groundwater resources have been developed for aquifer scale systems. In contrast, snow dynamics are usually studied for specific mountain slopes or basins, while analyses on the scale of an entire mountain range are unusual. Data in alpine systems are usually scarce, due to poor accessibility and limited funds. A methodology is proposed to estimate the optimal siting of monitoring points. Assessing the impacts of climate change requires local or regional climate scenarios adapted to the system to be generated. A methodology is proposed that uses drought statistics to define these scenarios. A review of the state of the art highlights that, despite the importance of droughts in the management of arid and semi-arid zones, drought statistics are not considered in the generation of future local and regional scenarios. Although there are numerous analyses of droughts for historical periods, few are dedicated to future scenarios. It is precisely these requirements and data gaps that provided the motive to develop this research work. The methods described above were applied to propagate the impacts of potential future scenarios of climate change to snow cover area and groundwater recharge. The simulation using the cellular automata model and the future climate series generated for the 2071-2100 horizon considering the RCP8.5 emission scenario, shows significant reductions in snow cover area in the Sierra Nevada – around 60% on average. Moreover, the future temperature and precipitation series generated indicate that the potential climate change in this alpine system at the highest elevations will be greater in the case of temperature and smaller in the case of precipitation. Propagation of net recharge using the empirical model predicts a reduction in recharge over 99.8% of peninsular Spain, distributed in a very heterogeneous way. A greater than 10% reduction in recharge was indicated over more than two thirds of the territory, while the average reduction predicted is 12%. These results reflect the need to establish proper measures to devise water policies based on the adaptation and mitigation of the effects of climate change on water resources systems.