Assessment of the climate change and land use change impacts in the Piracicaba watershed, using hydrological modeling

Alterações nos componentes do ciclo hidrológico, decorrentes das mudanças climáticas, afetam a produção agrícola, a disponibilidade hídrica, a intensificação e frequência de eventos extremos, comprometendo a segurança hídrica e alimentar. Os impactos das mudanças climáticas junto com mudanças no uso da terra têm sido estudados e a avaliação desses impactos seria um insumo importante para o planejamento dos recursos hídricos, ainda mais em bacias onde os diversos usos simultâneos do recurso incrementam a complexidade econômica, técnica e social do gerenciamento, como a bacia do rio Piracicaba, no sudeste do Brasil. O objetivo da pesquisa de mestrado consistiu em avaliar os efeitos, nas vazões e nas principais variáveis climáticas, decorrentes das mudanças climáticas e mudanças no uso da terra na bacia do rio Piracicaba. A metodologia foi desenvolvida em quatro etapas: i) reformulação, calibração e validação do modelo hidrológico da bacia do rio Piracicaba no SWAT e SWAT-CUP para o período 1979-2011; ii) Obtenção das vazões futuras nos reservatórios do Sistema Cantareira, mediante simulação hidrológica da bacia e simulação simplificada da operação dos reservatórios; iii) Obtenção e redução de escala das projeções de mudanças climáticas, provenientes do modelo climático global GFDL-ESM4 do CMIP6; iv) Definição e simulação da resposta hidrológica da bacia para os cenários de mudanças climáticas com e sem mudanças no uso da terra. Primeiramente, quatro projeções de mudanças climáticas foram definidas, para dois Caminhos Socioeconômicos Compartilhados do CMIP6, SSP2-4.5 e SSP5-8.5, avaliados a médio (2021-2050) e longo prazo (2051-2080). Em segundo lugar, cinco tipos de mudanças no uso da terra foram definidos, com e sem desmatamento e simulados em conjunto com cenários de mudanças climáticas, considerando 70% de mudança de área e simulados para as piores condições de cobertura do solo. Finalmente, vinte cenários de mudanças no uso da terra foram obtidos para todas as combinações de cenários de mudanças climáticas. Nos resultados, os cenários de mudanças climáticas CC2 (SSP2-4.5 para o período 2051-2080) e CC4 (SSP5-8.5 para o período 2051-2080) apresentaram maior variabilidade na precipitação e tiveram os maiores valores na temperatura máxima e mínima, ao longo do tempo. Para os cenários de mudanças climáticas, a vazão na bacia do rio Piracicaba teve diminuição entre 36% e 50% nos valores mínimos e aumento entre 16% e 72% nos valores máximos, em relação os valores históricos. As temperaturas máxima e mínima das projeções climáticas das emissões altas de gases de efeito estufa (SSP5-8.5) a médio e longo prazo, tiveram aumento temporal significativo (p<0.05). Conclui-se: i) O modelo hidrológico simula adequadamente as condições da bacia para o período histórico e infere-se que é robusto para fazer predições hidrológicas. ii) Impactos de mudanças climáticas são intensificados com mudanças no uso da terra, aumentando a probabilidade de ter vazões máximas superiores e vazões mínimas inferiores, com relação às vazões históricas, favorecendo a ocorrência de possíveis eventos extremos, e possíveis panoramas de escassez hídrica e inundações. iii) Estudos de avaliação de mudanças climáticas e de mudanças no uso da terra são necessários para facilitar o gerenciamento do recurso hídrico.Changes in the components of the hydrological cycle, resulting from climate change, affect agricultural production, water availability, the intensification and frequency of extreme events, compromising water and food security. The impacts of climate change together with land use changes have been studied and the assessment of these impacts would be an important input for the planning of water resources, even more in watersheds where the various simultaneous uses of the resource increase the economic, technical, and social complexity of management, like the Piracicaba watershed in southeastern Brazil. The objective of the master\'s research was to assess the effects, of streamflow on the main climatic variables, derivate from climate change, and land use changes in the Piracicaba watershed. The methodology was developed in four stages: i) reformulation, calibration, and validation of the hydrological model of the Piracicaba watershed in SWAT and SWAT-CUP for the period 1979-2011; ii) Obtaining future streamflow in the reservoirs of the Cantareira System, through a hydrological simulation of the watershed and a simplified simulation of the operation of the reservoirs; iii) Obtaining and downscaling of climate change projections, from a global climate model GFDL-ESM4 from CMIP6; iv) Definition and simulation of the basin\'s hydrological response for future climate change scenarios, with and without land use change scenarios in the SWAT model. Firstly, four climate change projections were defined, for two CMIP6 Shared Socioeconomic Pathways, SSP2-4.5 and SSP5-8.5 evaluated for mid-term (2021-2050) and long-term (2051-2080). Secondly, five land use change scenarios were defined, with and without deforestation, and simulated together with climate change scenarios, considering 70% area change and simulated for the worst land cover conditions. Finally, twenty land use change scenarios were obtained for all combinations of climate change scenarios. In the results, climate change scenarios CC2 (SSP2-4.5 for the period 2051-2080) and CC4 (SSP5-8.5 for the period 2051-2080) presented greater variability in precipitation and had the highest values in the maximum and minimum temperature, over time. Streamflow in climate change scenarios in the Piracicaba watershed has a increase between 16% and 72% in maximum streamflow values, and a decrease between 36% and 50% in minimum streamflow values. Maximum and minimum temperatures of the climatic projections for high emissions of greenhouse gases (SSP5-8.5) in the mid and long term, had a significant temporal increase (p<0.05). It is concluded that: i) the hydrological model is adequate for simulating the watershed conditions for the historical period, and it is inferred that is robust to make future predictions. ii) climate change impacts are intensified with land use changes, increasing the probability of higher maximum and lower minimum streamflow, favoring the occurrence of possible extreme events and scenarios of water scarcity and floods. iii) Climate change and land use change evaluation studies are necessary for facilitating water resources management