Implementación de un modelo eco-hidrológico para la gestión forestal en la cuenca del Carraixet (València) con escenarios de cambio climático

Abstract

[ES] En los últimos años la Ecohidrología ha cubierto la necesidad de comprender como los procesos ecológicos regulan e interactúan dentro del ciclo hidrológico, permitiendo adoptar alternativas de gestión más variadas y versátiles con el fin de mejorar la sostenibilidad ambiental. Nuestra área de estudio se ubica en la cuenca del Carraixet en donde se ha calibrado el modelo ecohidrológico TETIS, primero se han estimado los mapas de parámetros que fueron calculados a partir del modelo de elevación digital, usos de suelo, edafología, geomorfología y litología de la cuenca. Asimismo, para la estimación inicial de los parámetros efectivos de vegetación se tomaron como referencia los valores obtenidos en la investigación de Sanchis et al. (2019) llamada "Managing low productive forests at catchment scale: Considering water, biomass and fire risk to achieve economic feasibility". Luego se realizó la calibración del modelo TETIS mediante cuatro configuraciones: a) Monobjetivo Temporal, b) Multiobjetivo temporal, c) Monobjetivo espacio - temporal y d) Multiobjetivo espacio - Temporal, en las calibraciones monobjetivo se empleó el algoritmo de SCE-UA para optimización del modelo. Sin embargo, en la calibración multiobjetivo se utilizó el algoritmo de MOSCEM-UA y la metodología de las funciones empíricas ortogonales para la optimización del modelo. Finalmente, se encontró que la calibración multiobjetivo espacio - temporal (variables de estado: caudal y humedad del suelo) es la que representaba adecuadamente el comportamiento de los caudales y dinámica de la vegetación en la cuenca. En el análisis de escenarios de gestión forestal se realizó sobre 4 usos forestales que abarcaban gran parte del área de la cuenca. Asimismo, se estableció un escenario de control en donde el factor de cobertura fue igual 0.85 (85% de la densidad de cubierta) y se asumió talas de 20%, 30%, 40% y 50%. Los resultados mostraron que el Índice de área foliar (LAI), la humedad del suelo en la capa profunda y la evaporación directa aumentaban a medida que se intensificaba la tala en la gestión forestal. Sin embargo, las variables como transpiración y humedad del suelo en la capa superficial mostraban mayores descensos a medida que la tala era más intensa. En el caso de la evapotranspiración no se encontraron cambios significativos ya que un descenso de la transpiración ocasionado por el aumento de la tala también generaba un aumento de la evaporación directa manteniendo el balance de la evapotranspiración sin cambios significativos. Los escenarios de cambio climático analizaron las proyecciones de 14 modelos de circulación regional (RCM). Fue necesario el ajuste de sesgo de las series proyectadas de precipitación. Dicha corrección se realizó mediante el enfoque de mapeo de cuantiles (Quantile Mapping, QM), habiéndose eliminado previamente la lluvia espuria con la finalidad de que la precipitación proyectada por los RCM tuviera el mismo porcentaje de días seco/húmedos de la precipitación observada. Los resultados mostraron un buen ajuste de las variables climáticas. La elección del RCM más apropiado para el análisis de escenarios se basó en el análisis de tendencias y del RSME (raíz del error medio cuadrático). El modelo MPI_CSC_REMO2009_v1 presentó el mejor ajuste en la estimación de la precipitación observada una vez realizada la corrección de sesgo. Las series de temperatura presentaron un comportamiento no estacionario que no se lograba reproducir correctamente al realizar ajuste de sesgo. Por tanto, se decidió emplear para nuestro análisis las series de temperatura con los datos originales ya que presenta un comportamiento muy cercano al valor observado sin realizar correcciones. El análisis de escenarios de cambio climático y gestión forestal se centró en examinar los impactos en los mismos 4 usos forestales mencionados previamente. De los resultados obtenidos se concluyó que el LAI tiene una tendencia a incrementarse a medida que aumenta la intensidad de tala en la gestión forestal. Los efectos de cambio climático modifican las tendencias presentando diferentes resultados en función al escenario. por ejemplo, para el escenario pesimista (RCP 8.5), el valor del LAI muestra una tendencia constante hasta un futuro a medio plazo, luego el valor tiende a descender hasta finales del centenario. La transpiración tiende a decrecer a medida que se intensifican tanto la tala como la intensidad de las variaciones climáticas (especialmente al final del centenario). La tala y el cambio climático extremo favorecen las pérdidas hidrológicas por evaporación desde el suelo desnudo. La humedad del suelo en la capa superficial tiende a disminuir a medida que aumentamos la superficie de gestión forestal, siendo este efecto más marcado en los escenarios de cambio climático más pesimistas a finales del centenario. La humedad del suelo en la capa profunda muestra una tendencia creciente a medida que se intensifica el escenario de gestión forestal. Tiene un efecto contrario la intensificación de los impactos climáticos, proyectándose descensos considerables en el escenario pesimista a finales del centenario. La percolación presenta una tendencia creciente a medida que aumenta la superficie talada y la magnitud de sus valores extremos se incrementará en los diferentes escenarios de cambio climático. Mediante este trabajo ha quedado nuevamente y más ampliamente demostrado lo que ya avanzaban Sanchís et al (2019). Por una parte, que el modelo TETIS es una herramienta ideal para el análisis de las variables ecohidrológicas ante diferentes alternativas de gestión y en un marco de clima futuro cambiante. En segundo lugar, que la gestión forestal produce otros beneficios además de la disponibilidad de agua, lo cual tiene una importancia destacable en clima semiárido como es el caso de la cuenca del Carraixet; también incrementan el LAI como consecuencia de un incremento de la biomasa vegetal.

[EN] In recent years Ecohydrology has covered the need to understand how ecological processes regulate and interact within the hydrological cycle, allowing the adoption of more varied and versatile management alternatives to improve environmental sustainability. Our area of study is in the Carraixet basin where the TETIS eco-hydrological model has been calibrated. First, the parameter maps have been estimated from the digital elevation model, land use, pedology, geomorphology and lithology of the basin. Likewise, for the initial estimation of the effective vegetation parameters, the values obtained in the research of Sanchis et al. (2019) called "Managing low productive forests at catchment scale: Considering water, biomass and fire risk to achieve economic feasibility" were taken as reference. Then, the calibration of the TETIS model was carried out using four configurations: a) Mono-objective Temporal, b) Multi-objective Temporal, c) Mono-objective Space-Time and d) Multi-objective Space-Time. The SCE-UA algorithm was used in the mono-objective calibrations to optimize the model. However, in the multiobjective calibration the MOSCEM-UA algorithm and the methodology of the orthogonal empirical functions were used for the optimization of the model. Finally, it was found that the space-time multiobjective calibration (state variables: flow and soil moisture) is the one that adequately represented the behavior of the flows and dynamics of the vegetation in the basin. The analysis of forest management scenarios was carried out on 4 forest uses that covered a large part of the area of the basin. Likewise, a control scenario was established where the coverage factor was equal to 0.85 (85% of the cover density) and assumed felling of 20%, 30%, 40% and 50%. The results showed that the Leaf Area Index (LAI), deep soil moisture and direct evaporation increased as logging in forest management intensified. However, variables such as transpiration and topsoil moisture showed greater declines as logging became more intense. In the case of evapotranspiration, no significant changes were found since a decrease in transpiration caused by increased logging also generated an increase in direct evaporation while maintaining the balance of evapotranspiration without significant changes. The climate change scenarios analyzed the projections of 14 regional circulation models (RCM). Bias adjustment of the projected precipitation series was required. This correction was made through the approach of Quantile Mapping (QM), having previously eliminated the spurious rain so that the precipitation projected by the RCM had the same percentage of dry/wet days of the observed precipitation. The results showed a good adjustment of the climatic variables. The choice of the most appropriate RCM for the scenario analysis was based on the analysis of tendencies and the RSME (root of the half square error). The model MPI_CSC_REMO2009_v1 presented the best adjustment in the estimation of observed precipitation after bias correction. The temperature series presented a non-stationary behavior that was not able to be correctly reproduced when performing bias adjustment. Therefore, it was decided to use for our analysis the temperature series with the original data because it presents a behavior very close to the observed value without making corrections. The analysis of climate change and forest management scenarios focused on examining the impacts on the same 4 forest uses mentioned above. From the results obtained it was concluded that the LAI tends to increase as logging intensity increases in forest management. For example, for the pessimistic scenario (RCP 8.5), the LAI value shows a constant trend until a medium-term future, then the value tends to decrease until the end of the century. Transpiration tends to decrease as both logging and the intensity of climate variations intensify (especially at the end of the centenary). Logging and extreme climate change favour hydrological losses through evaporation from bare soil. Soil moisture in the surface layer tends to decrease as we increase the area of forest management, this effect being more marked in the more pessimistic climate change scenarios at the end of the century. Soil moisture in the deep layer shows an increasing trend as the forest management scenario intensifies. The opposite effect is the intensification of climate impacts, with considerable decreases projected in the pessimistic scenario at the end of the century. Percolation shows an increasing trend as the area harvested increases and the magnitude of its extreme values will increase in the different climate change scenarios. Through this work it has been demonstrated again and more widely what Sanchís et al (2019) were already advancing. On the one hand, that the TETIS model is an ideal tool for the analysis of the ecohydrological variables before different alternatives of management and in a framework of changing future climate. Secondly, that forest management produces other benefits besides the availability of water, which has a remarkable importance in semi-arid climate as is the case of the Carraixet basin; also increase the LAI as a result of an increase in plant biomass.