Hydrological modelling improvements in the assessemnt of water resources of agrarian subbasins in semiarid regions

Rivas Tabares, David Andrés (2020). Hydrological modelling improvements in the assessemnt of water resources of agrarian subbasins in semiarid regions. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65810.

Description

Title: Hydrological modelling improvements in the assessemnt of water resources of agrarian subbasins in semiarid regions
Author/s:
  • Rivas Tabares, David Andrés
Contributor/s:
  • Tarquis Alfonso, Ana Maria
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Matemática Aplicada
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Hydrological modelling is nowadays an essential step for sustainable management of water and land resources. Despite the fact that most of the hydrological processes are well known and equations performance is accurate, most of the challenge in hydrological modelling focusing on whether the model can, in some close way, represent the real world. Most hydrological models are generally biased during modelling exercises, including setting up and interpreting the results. The correct representation depends on the input data, which also depend on two practices: i) the correct harmonization of the data and the available scales, before the configuration of the model and ii) the use of adequate tools and complementary for data pre-processing. The absence of these practices leads to a reduction in the quality of the data and therefore a decrease in the precision of the results. The focus of this thesis is in the improvements about hydrological modelling in agrarian sub-basins in the semiarid. These environments are especially sensitive to biophysical aspects as climate, soils, vegetation and land management. This work offers a complementary approach to hydrological modelling of agrarian watersheds in Spain, through using the Soil Water and Assessment Tool (SWAT). In Spain, when regional modelling and long-term modelling is required, model inputs data are scarce and scales are not usually compatible. One of the main, untreated inputs, to run models over these characteristics is the soil data. In this work, the Self-Organizing maps (SOM) are presented as an alternative method to improve digital soil mapping for hydrological modelling getting promising improvements in comparison to taxonomic classic approach. There is not previous evidence in literature using this method for soil mapping in hydrology modelling. Other sensitive data is the land use land cover (LULC), as a spatial dynamic array that influences water flows. Using Earth Observation (EO) and surveys allow including a large dataset of crop rotations schemas and crop practices to model more realistic agrarian effect at subbasin scale. Once that model is calibrated and validated, LULC scenarios can be assessed to determine the influence of future land policy making in water resources. The former model improvements were developed in one of the most recurrent drought alerted watershed in last decades in Duero River basin, the Cega-Eresma-Adaja (CEA) exploitation system. An exploitation system is referred as a management system grouping watersheds with similar characteristics (i.e. biophysical parameters, climate and land management) but this grouping is done to facilitate management and decision making by the River Basin Authority. However, there are important differences from technical point of view referred to hydrology and land and water dynamics for each River implies different water balance flows as demonstrated in this work. In this work, was studied the influence of different soil maps and resolutions on the main hydrological components of a sub-arid watershed. The Soil Water and Assessment Tool (SWAT) was parameterized with three different soil maps. A first one was based on Harmonized World Soil database from FAO, at scale 1:1,000,000 (HWSD). The other two were based on a Kriging interpolation at 100x100 m from soil samples. To obtain soil properties map from it, two strategies were applied: one was to average the soil properties following the official taxonomic soil units at 1:400,000 scale (Agricultural Technological Institute of Castilla and Leon - ITACyL) and the other was to applied Self-organizing map (SOM) to create the soil units (SOMM). The results suggest that scale and soil properties mapping influence HRU definition, which in turn affects water flow through the soils. Statistical metrics of model performance were improved from R2 =0.62 and NSE=0.46 with HWSD soil map to R2 =0.86 and NSE=0.84 with SOM and similar values were achieved during validation. The CEA watershed for the period 2004-2014 was calibrated and validated analysing hydrological year types to provide more details of low-flows during spring-summer periods. The study reveals that aspects such as crop rotation, soil management and their associated measures in Mediterranean basins are key factors for water resource management facing climate change. These results are expected to serve stakeholders and River Basin Authorities in conducting better-integrated water management practices in the watershed. Cereals in CEA midlands are a predominant crop choice because of climate and soil factors. These crops represent most of the agricultural water demand in the midlands. Crop rotations of wheat, fallow and barley are major choices within cereal crop sequences. Characterizing agricultural land processes coupling weather and soils are challenging because of multeity of factors affecting vegetation growth of cereals. One of these growth factors in semiarid is especially the rainfall on agricultural fields, in which soil properties and climate are strongly correlated with crop yield. These relationships are commonly analysed using vegetation indices such as the normalized difference vegetation index (NDVI). NDVI series from two zones, belonging to different agroclimatic zones from CEA, were examined decomposing them into the overall average pattern, the residual series, and anomalies series. All of them studied by applying the concept of the generalized Hurst exponent (GHE). This is derived from the generalised structure function (GSF), which characterizes the series‘ scaling properties. The overall pattern of the NDVI original series, NVDI residual and NDVI anomalies were examined from both zones. These presenting differences explained from climate-soil characteristics. The significant differences found in the soil reflectance bands confirm the differences in these two zones. Original NDVI series are persistent and multiscaling as other works reports. With respect to the scaling properties of the NDVI residual series, these presented Hurst exponents significantly lower than 0.5 indicating the structure of the signals. A stronger anti-persistent character was obtained in NDVI residual series with significant differences between zones. Similar is the case of NDVI anomalies with minor scaling properties. These findings reveal the influences of soil-climate interactions in the dynamic of the NDVI series for rainfed cereal crops in a semiarid climate. The assessment of land use and land cover (LULC) scenarios is a relevant field of study to anticipate future environmental impacts at the basin scale. Often the LULC scenarios and transition rules for hydrological modelling are based on expert criteria and disregard a participatory approach for its definition. In this work was analyzed the potential implications of three stakeholder informed LULC scenarios, and its implications in the water balance components of a sub-arid catchment of CEA. The LULC scenarios were defined through a participatory scenario process, involving a wide range of stakeholders and experts, and reflect three contrasting local land use developments: Land Sharing (LSH), Land sparing (LSP) and Land balance (LBA). The SWAT model was used to quantify the water resources implications linked to the LULC baseline scenario and the alternative LULC futures. The three scenario narratives underpinning the modelling scenarios highlight differences among reforestation transitions, landscape fragmentation, cropping patterns, and agricultural specialization. ----------RESUMEN---------- La modelización hidrológica es hoy en día un paso fundamental para la gestión sostenible de los recursos hídricos y de suelo. A pesar de que la mayoría de los procesos hidrológicos son bien conocidos y el funcionamiento de las ecuaciones es preciso, la mayor parte del desafío en la modelización hidrológica se centra en que el modelo pueda, de algún modo cercano, representar el mundo real. La mayoría de modelos hidrológicos generalmente se sesgan durante los ejercicios de modelización, incluida la configuración y la interpretación de los resultados. Una representación adecuada depende en gran parte de los datos de entrada, los cuales también dependen de dos prácticas: i) la correcta de armonización de los datos y de las escalas disponibles, antes de la configuración del modelo y ii) el uso de herramientas adecuadas y complementarias para el pre-procesamiento de datos. La ausencia de estas prácticas conlleva una reducción en la calidad de los datos y por lo tanto una disminución en la precisión de los resultados. Esta tesis se centra en las mejoras realizadas sobre la modelización hidrológica en subcuencas agrarias en el semiárido. Estos entornos son especialmente sensibles a aspectos biofísicos como el clima, los suelos, la vegetación y la gestión del territorio. Este trabajo ofrece un enfoque complementario a la modelización hidrológica de cuencas hidrográficas agrarias en España, mediante el uso de la herramienta de Evaluación de Agua y Suelo (SWAT), por sus siglas en inglés. En España, cuando se requiere un modelo regional y un modelo a largo plazo, los datos de entrada del modelo son escasos y las escalas no suelen ser compatibles. Una de las principales entradas, no tratadas, para ejecutar modelos sobre estas características son los datos del suelo. En este trabajo, los mapas Autoorganizados (SOM) por sus siglas en inglés, se presentan como un método alternativo para mejorar el mapeo digital de los suelos para la modelización hidrológica, obteniendo mejoras prometedoras en comparación con el enfoque taxonómico clásico. No existe evidencia previa en la literatura sobre el uso de este método para el mapeo de suelos en modelos hidrológicos. Otro dato sensible en el modelo, es la cobertura y uso del suelo (LULC) por sus siglas en inglés, como una matriz dinámica espacial que influye en los flujos de agua. El uso de la observación de la Tierra (EO) y de encuestas, permite incluir un gran conjunto de datos de esquemas de rotación de cultivos y prácticas de cultivos para capturar con el modelo el efecto agrario, más realista, a escala de subcuenca. Una vez que ese modelo está calibrado y validado, los escenarios LULC pueden evaluarse para determinar la influencia de la futura formulación de políticas territoriales y de los recursos hídricos. Las mejoras del modelo se desarrollaron en una de las cuencas hidrográficas con alerta de sequía más recurrentes de las últimas décadas en la cuenca del río Duero, el sistema de explotación Cega-Eresma-Adaja (CEA). Un sistema de explotación se define como un sistema de gestión que agrupa cuencas hidrográficas con características similares (es decir, parámetros biofísicos, clima y gestión de la tierra), esta agrupación se realiza para facilitar la gestión y la toma de decisiones por parte de la autoridad de cuenca. Sin embargo, en la aplicación de este concepto originan importantes diferencias desde el punto de vista técnico referido a la hidrología, la dinámica del uso y cobertura del suelo. El caudal resultante para cada Río es el resultado de diferentes flujos del balance hídrico como se demuestra en este trabajo. En este trabajo se estudia la influencia sobre los principales componentes hidrológicos de una cuenca sub-árida, usando diferentes mapas de suelos y varias resoluciones. Se parametrizó el modelo SWAT con tres mapas de suelos diferentes. El primero se basó en la base de datos armonizada de suelos mundiales de la FAO, a escala 1: 1.000.000 (HWSD). Los otros dos se basaron en una interpolación de Kriging a 100x100 m de muestras de suelo. Para la obtención del mapa de propiedades del suelo se aplicaron dos estrategias: una fue promediar las propiedades del suelo siguiendo las unidades taxonómicas oficiales de suelo a escala 1: 400.000 (Instituto Tecnológico Agrario de Castilla y León - ITACyL) y la otra fue aplicar el método (SOM) para crear las unidades de suelo (SOMM). Los resultados sugieren que el mapeo de propiedades del suelo y la escala influyen en la definición de las unidades de respuesta hidrológica (HRUs), lo que a su vez afecta el flujo de agua a través de los suelos. Las métricas estadísticas del rendimiento del modelo se mejoraron de R2 = 0.62 y NSE = 0.46 con el mapa de suelos HWSD a R2 = 0.86 y NSE = 0.84 con SOM y se lograron valores similares durante la validación. La cuenca del CEA para el período 2004-2014 se calibró y validó analizando los tipos de años hidrológicos para proporcionar más detalles de los caudales bajos durante los períodos primavera-verano. El estudio reveló que aspectos como la rotación de cultivos, la gestión del suelo y sus medidas asociadas en las cuencas mediterráneas son factores clave para la gestión de los recursos hídricos frente al cambio climático. Se espera que estos resultados sirvan a los actores y a las autoridades de las cuencas hidrográficas para llevar a cabo mejores prácticas integradas de gestión del agua en la cuenca. Los cereales en las tierras centrales de CEA son una opción de cultivo predominante debido a factores climáticos y del suelo. Estos cultivos representan la mayor parte de la demanda de agua para la agricultura en la región central. Las rotaciones de cultivos de trigo, barbecho y cebada son opciones muy importantes dentro de las secuencias de cultivos de cereales. Caracterizar los procesos de tierras agrícolas que combinan el clima y los suelos, es un desafío debido a la multiplicidad de factores que afectan el crecimiento de la vegetación de los cereales. Uno de estos factores de crecimiento en el semiárido, es especialmente la lluvia en los campos agrícolas, en los cuales las propiedades del suelo y el clima están fuertemente correlacionados con el rendimiento de los cultivos. Estas relaciones se analizan comúnmente utilizando índices de vegetación como el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI). Se examinaron series de NDVI de dos zonas, pertenecientes a diferentes zonas agroclimáticas del CEA, descomponiéndolas en el patrón promedio general, la serie residual y la serie de anomalías. Estas se estudiaron aplicando el concepto de exponente de Hurst generalizado (GHE). Esto se deriva de la función de estructura generalizada (GSF), que caracteriza las propiedades de escala de la serie. El patrón general de la serie NDVI de ambas zonas presentó diferencias que podrían explicarse por las características de precipitación y suelo de cada una. Las diferencias significativas encontradas en las bandas de reflectancia del suelo confirmaron las diferencias en entre las zonas. Se encontró que las series originales de NDVI son persistentes y multiescala, tal como lo han reportado otros trabajos. Con respecto a las propiedades de escalamiento de las series residuales del NDVI, estas presentaron exponentes de Hurst significativamente menores a 0.5 indicando una estructura de ruido. Resultados similares se encontraron para las series de anomalías del NDVI, pero con menores propiedades de escalado. Estos hallazgos revelan las influencias de las interacciones suelo-clima en la dinámica de la serie NDVI para cultivos de cereales de secano en un clima semiárido. La evaluación de escenarios de uso y cobertura del suelo (LULC) es un campo de estudio relevante para anticipar impactos ambientales futuros a escala de cuenca. A menudo, los escenarios LULC y las reglas de transición para la modelización hidrológica se basan en criterios de expertos y no tienen en cuenta un enfoque participativo para su definición. En este trabajo se analizaron las implicaciones potenciales de tres escenarios LULC informados por diversos actores, y sus implicaciones en los componentes del balance hídrico de una cuenca subárida de CEA. Los escenarios LULC se definieron a través de un proceso de escenario participativo, que involucró a una amplia gama de actores y expertos de la zona de estudio, obteniendo tres escenarios locales de usos del suelo contrastantes: ―buscando la multifuncionalidad de los espacios rurales‖ (LSH), ―Hacia la especialización del territorio‖ (LSP) y ―Continuidad de los modelos territoriales vigentes‖ (LBA). El modelo SWAT se utilizó para cuantificar las implicaciones de los recursos hídricos vinculadas al escenario de línea de base LULC y los futuros LULC alternativos. Las tres narrativas de escenarios que sustentan los escenarios de modelización destacan las diferencias entre las transiciones de reforestación, la fragmentación del paisaje, los patrones de cultivo y la especialización agrícola.

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Item ID: 65810
DC Identifier: https://oa.upm.es/65810/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65810
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65810
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 22 Dec 2020 07:50
Last Modified: 21 Jun 2021 22:30
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