A methodology to assess the combined effect of climate change and groundwater overexploitation over the Upper Guadiana basin, Spain

There is a growing concern about the combined effect of climate change and groundwater overexploitation on the availability of water resources in the Upper Guadiana basin (UppGb) in central Spain. General Circulation Models (GCMs) are used to evaluate the possible impact of climate change based on future scenarios of greenhouse gas emissions. However, the output of these models cannot be applied directly to hydrological models because their spatial resolution is coarse and because their simulated precipitation is highly biased. A stochastic downscaling method for generating daily spatial rainfall fields was developed. The model termed Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorporates two major non-stationarities -- changes in the frequencies of different precipitation generating mechanisms (frontal and convective), and spatial non-stationarities caused by the interactions of meso-scale atmospheric circulation patterns (ACP) with topography (orographic effects). SRGP was developed to incorporate good climate outputs simulated by GCMs (i.e. ACP), and actual observations. These capabilities enabled us to (1) use SRGP as a downscaling method for climate change impact study, and (2) generate stochastic rainfall fields conditioning to the information of rain gauges. The latter capability was used to investigate the effect of rainfall spatial variability (RSV) on the hydrological response in the UppGb. RSV exerted a major influence on the response of the system especially on the groundwater recharge and the aquifer related responses.GCMs considered in the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change were used to evaluate the impact of climate change. The RCP8.5 future emission scenario (GCM-RCP8.5) and the GCM historical control (GCMH) were selected. The climate change was assumed to be the accumulated effects of increases in Temperature, changes in annual and climatological ACP frequency, and changes in probability and volume of rain. Transformations were applied to correct the bias in the temperature, probability and volume of rain, whereas the ACP sequences were used directly. The SRGP method was employed as a rainfall downscaling method for the GCMs. GCMH was used to evaluate the hydrological response obtained with GCMs as driving climate variables, introducing the concept of stochastic equivalence. This evaluation was based on the comparison of the hydrological response obtained with actual observations and transformed (bias correction and SRGP) GCMH. Although an exact stochastic equivalence response was not totally achieved, the seasonal variations were well captured and some response reported very good agreements. The combined effect of climate change and groundwater overexploitation in the UppGb was evaluated in two stages: (1) comparing the hydrological response of the system simulated under natural conditions (absence of pumping), using GCMH and GCM-RCP8.5 as climate driving variables. (2) Groundwater pumping was applied using the same GCM climate driving variables and again the responses were compared. Climate change led to reductions of 14% and 25% in the number of rainy days and volume of rain respectively and an increase of 20% in potential evapotranspiration. Under natural conditions because of climate change, soil moisture and the actual evapotranspiration were reduced by 20% and groundwater recharge, runoff generation, groundwater-river exchange and river discharge were reduced by 40%. As a result of the combined effects of pumping and climate change, all variables were reduced; soil moisture and actual evapotranspiration were reduced by 20% and recharge was reduced by 50%. Moreover, the aquifer related responses yielded annual average reductions of approximately 60%. In general, the results showed an increase in the dry season from April to October.El efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación de las aguas subterráneas podría llegar a ser crítico para la disponibilidad de recursos hídricos en la cuenca del Alto Guadiana (CAG) en el centro de España. Los modelos de circulación general del clima (GCM) son utilizados para evaluar el posible impacto del cambio climático en base a futuros escenarios de emisión de gases de efecto invernadero. No obstante, la salida de estos modelos no puede aplicarse directamente en modelos hidrológicos porque: (1) la resolución espacial es demasiado grande, y (2) el gran sesgo con que simulan la precipitación. Por tanto, se desarrolló un modelo para el downscaling diario de campos espaciales de precipitaciones. El modelo denominado Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorpora dos importantes no-estacionaridades: (1) cambios en la frecuencia de los mecanismos de generación de precipitación (frontal y convectivo), y (2) no estacionaridades espaciales causadas por la interacción de patrones de circulación atmosférica (ACP) con la topografía (efecto orográfico). El SRGP se diseñó para que incorpore variables simuladas por los GCMs con sesgo reducido (ACP), así como también observaciones. Estas prestaciones permiten: (1) utilizar el SRGP como un método de downscaling para el estudio del cambio climático, (2) poder generar múltiples realizaciones de campos de precipitación condicionando a la información de estaciones meteorológicas. Esta última función fue utilizada para investigar el efecto de la variabilidad espacial de la precipitación (RSV) en la respuesta hidrogeológica en la CAG. Se constató que la RSV afecta fuertemente la respuesta hidrológica especialmente para la recarga de agua subterránea y las respuestas asociadas al acuífero. GCMs utilizados en el quinto informe de evaluación del Panel Intergubernamental del Cambio Climático fueron empleados para evaluar el efecto del cambio climático. En todos los casos se consideraron las simulaciones correspondientes al periodo histórico (GCMH) (escenario de control) y el escenario futuro de emisiones RCP8.5 (GCM-RCP8.5). El cambio climático se evaluó como el efecto acumulado en el incremento de las temperaturas, cambios en la frecuencia climatológica anual de los ACP y cambios en la probabilidad y volumen de precipitación. Se aplicaron transformaciones para corregir el sesgo en la temperatura, probabilidad y volumen de precipitación, mientras que se utilizó de forma directa los ACP. Se aplicó el SRGP como método de downscaling de precipitaciones. El GCMH se utilizó para evaluar la respuesta hidrológica obtenida, introduciendo el concepto de equivalencia estocástica. Esta evaluación se basó en comparar la respuesta hidrológica obtenida al aplicar como forzantes la salida transformada (corrección del sesgo y SRGP) de los GCMH, en relación a la obtenida con observaciones. Se comprobó que no se alcanza una respuesta estocástica equivalente exacta para todas las respuestas, pero sí, reproducir variaciones estacionales. El efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación por bombeo en la CAG se realizó en dos etapas: (1) Se simuló en condiciones naturales (sin bombeo) comparando la respuesta hidrológica obtenida de aplicar como forzantes la salida de GCMH y GCM-RCP8.5. (2) con los mismos forzantes se incorporó los bombeos y nuevamente se compararon las respuestas. Se determinó que el efecto del cambio climático produce una reducción de 14% y 25% en el número de días de lluvia y en el volumen de precipitación respectivamente. Mientras que un incremento del 20% en la evapotranspiración potencial. En condiciones naturales esto se tradujo en una reducción relativa del 20% para la humedad de suelo y la evapotranspiración real. En tanto que, para la recarga de agua subterránea, generación de escurrimiento, intercambio río-acuífero y caudal en el río la reducción fue del 40%. Finalmente, el efecto conjunto de los bombeos y cambio climático, resultó en una reducción para todas las variables, siendo la reducción relativa de un 20% tanto para la humedad del suelo y al evapotranspiración real y del 50% para la recarga. Para las respuestas asociadas al acuífero, la reducción fue del 60 %. Los resultados mostraron un incremento de la estación seca, extendiéndose de Abril a Octubre.L'efecte conjunt del canvi climàtic i la sobreexplotació de les aigües subterrànies podria arribar a ser crític per a la disponibilitat de recursos hídrics en la conca de l'Alt Guadiana (CAG) en el centre d'Espanya. Els models de circulació general del clima (GCM) són utilitzats per avaluar el possible impacte del canvi climàtic sobre la base de futurs escenaris d'emissió de gasos d'efecte hivernacle. No obstant això, la sortida d'aquests models no pot aplicar-se directament en models hidrològics perquè: (1) la resolució espacial és massa gran, i (2) el gran biaix amb què simulen la precipitació. Per tant, es va desenvolupar un model pel downscaling diari de camps espacials de precipitacions. El model denominat Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorpora dos importants no-estacionaritats: (1) canvis en la freqüència dels diferents mecanismes de generació de precipitació (frontal i convectivo), i (2) no estacionaritats espacials causades per la interacció de patrons de circulació atmosfèrica (ACP) amb la topografia (efecte orogràfic). El SRGP es va dissenyar perquè pugui incorporar variables simulades pels GCMs amb biaix reduït (ACP), així com també observacions. Aquestes prestacions permeten: (1) utilitzar el SRGP com un mètode de downscaling per a l'estudi del canvi climàtic, (2) poder generar múltiples realitzacions de camps de precipitació condicionant a la informació d'estacions meteorològiques. Aquesta última funció va ser utilitzada per investigar l'efecte de la variabilitat espacial de la precipitació (RSV) en la resposta hidrogeologic en la CAG. Es va constatar que la RSV afecta fortament la resposta hidrològica especialment para la recarrega d'aigua subterrània i les respostes associades a l'aqüífer. GCMs utilitzats en el cinquè informe d'avaluació del Panell Intergovernamental del Canvi Climàtic van ser emprats per avaluar l'efecte del canvi climàtic. En tots els casos es van considerar les simulacions corresponents al període històric (GCMH) (escenari de control) i l'escenari futur d'emissions RCP8.5 (GCM-RCP8.5). El canvi climàtic es va avaluar com l'efecte acumulat en l'increment de les temperatures, canvis en la freqüència climatològica anual dels ACP i canvis en la probabilitat i volum de precipitació. Es van aplicar transformacions per corregir el biaix en la temperatura, probabilitat de pluja i volum de precipitació, mentre que es va utilitzar de forma directa els ACP. Es va aplicar el SRGP com a mètode de downscaling de precipitacions. El GCMH es va utilitzar per avaluar la resposta hidrològica obtinguda amb els GCMs, introduint el concepte d'equivalència estocàstica. Aquesta avaluació es va basar a comparar la resposta hidrològica obtinguda en aplicar com forçants la sortida transformada (correcció del biaix i SRGP) dels GCMH, en relació a l'obtinguda amb observacions. Es va comprovar que no s'aconsegueix una resposta estocàstica equivalent exacta per a totes les respostes, però sí, reproduir variacions estacionals. L'efecte conjunt del canvi climàtic i la sobreexplotació per bombament en la CAG es va realitzar en dues etapes: (1) Es va simular en condicions naturals (sense bombament) comparant la resposta hidrològica obtinguda d'aplicar com forçants la sortida de GCMH i GCM-RCP8.5. (2) amb els mateixos forçants es va incorporar els bombaments i novament es van comparar les respostes. Es va determinar que l'efecte del canvi climàtic produeix una reducció de 14% i 25% en el nombre de dies de pluja i en el volum de precipitació respectivament. Mentre que un increment del 20% en la evapotranspiració potencial. En condicions naturals això es tradueix en una reducció relativa del 20% per a la humitat de sòl i la evapotranspiració real. Mentre que, per la recarrega d'aigua subterrània, generació de escolament, intercanvio riu-aqüífer i cabal en el riu la reducció va ser del 40%. Finalment, l'efecte conjunt dels bombaments i canvi climàtic, va resultar en una reducció per a totes les variables, sent la reducció relativa d'un 20% tant per a la humitat del sòl i al evapotranspiració real i del 50% para la recarrega. Pel les respostes associades a l'aqüífer, la reducció arriba fins al 60 %. Els resultats van mostrar un increment de l'estació seca estenent-se d'Abril a Octubre.Postprint (published version