Integrated assessment of climate change and land-use/land-cover change on floods: insighs from landscape configuration in a tropical basin.

Abstract

Climate change and land-use/land-cover change (LUCC) are among the main anthropogenic factors affecting flood risk, as they change the frequency and magnitude of floods. Specifically, native forest deforestation in tropical humid basins reduces the forest capacity for flood regulation during small and medium-size storms events. Also, while climate change affects at regional scales, the LUCC influences occur at a smaller, local scale. Consequently, forest protection and reforestation are considered a nature-based solutions (NbS) for flood regulation, especially on small basins (<100 Km2). However, there are few studies that analyze the combined effects of both forcings (i.e., climate change and LUCC) on floods, and generally they focus on the discharge at the basin outlet only. Thus, the continuous variation of interactions in the stream network has not been identified yet. On the other hand, little is known about the effects of different deforestation spatial patterns over floods. Together, these knowledge gaps limit the understanding of the ecosystem services provided by the forest for flood regulation within the context of NbS and climate change adaptation. Therefore, this research evaluates the effects of LUCC on floods distinguishing forest location and forest fragmentation in a humid tropical basin within the Ecuadorian Amazon. Additionally, it analyzes the individual and combined effects of climate change and LUCC on floods across the basin’s altitudinal gradient. In the first stage (Chapter III), this study applied the use of storm event sampling and flood-survey data to validate a modeling framework for flood hazard assessment in data-scarce watersheds. Specifically, the hydrologic modeling system (HEC-HMS) was coupled with the Nays2Dflood hydrodynamic solver to simulate the system response to several storm events including one, that flooded urban areas located within the basin. In the second stage (Chapter IV), the spatially-distributed hydrological model TETIS was calibrated and validated using nine storm samples in order to evaluate the effects of forest location and forest fragmentation on floods. The TETIS model was applied to simulate the influence of five LUCC scenarios, including forest location and forest fragmentation. The Kruskal-Wallis and the post-hoc Dunn tests were used to analyze the differences between scenarios. In the third stage (Chapter V), LUCC scenarios were prepared with two homogeneous land cover types, forest and agriculture, while precipitation scenarios were obtained through the Global Climate Model (GCM) IPSL SSP5-8.5 (CMIP6). The hydrological response of the scenarios was evaluated at 42 points across the stream network using the TETIS model previously calibrated. The individual and combined effects of climate change and LUCC were analyzed using absolute differences and the aforementioned statistical tests, including the Sheirer-Ray-Hare test. Results from the coupled approach, showed satisfactory model performance in simulating streamflow and water depths. In almost all events, the Nash-Sutcliffe coefficient (NSE) was within the range 0.40 ≤ NSE ≤ 0.95, while the range of Percent Bias (PBIAS) was −3.67% ≤ PBIAS ≤ 23.4%. Forest location and forest fragmentation had greater influence on overland flow than on stormflows at the basin outlet. However, forest location had more influence than forest fragmentation over both, overland flow and storm flows. Deforestation of the upper basin represented the worst scenario for flood regulation. In addition, the climate change effect on floods was more homogeneous than the LUCC effect, across the altitudinal gradient of the basin. Moreover, the relative influence of deforestation on stormflows was greater than that of climate change in the upper part of the basin, while in the lower part of the basin, the climate change was more important than LUCC for flood changes. For small floods the altitudinal range from 590 to 906 meters above sea level (m.a.s.l) was identified as a transitional area in terms of influence of deforestation on stormflows. However, a relatively stable threshold of absolute differences in peak flows and stormflow volume was obtained at 590 m.a.s.l. Finally, a slightly and statistically non-significant interaction between climate change and LUCC was identified, with an antagonistic effect in the lower part. In conclusion, native forest protection and/or reforestation, in the upper part of the basin are crucial for flood risk mitigation during small and moderate events, while maintaining several ecosystems services through implementation of NbS. The flood magnitude changes in the lower part of the basin are closely related to the scale effect and the sensitivity of the ecosystem in the upper part. Moreover, the importance of forest for flood regulation will be even greater in the future due to the climate change-induced precipitation projections. However, as storm intensity and catchment area increases, the capacity of forest to regulate floods decreases in the downstream direction and in a non-linear manner. Thus, the NbS needs to be integrated to other strategies within a broader context in order to achieve an effective flood management. The applied methodology can be used by modelers and decision-makers for flood impact assessment under climate change and LUCC scenarios in data-scarce watersheds. Moreover, the results improve our understanding of ecosystem services of Andean foothills forests and provide guidelines to implement NbS for flood regulation and climate change adaptation.

El cambio climático y el cambio de uso/cobertura del suelo (LUCC; por sus siglas en inglés) están entre los principales forzantes antrópicos que afectan la frecuencia y magnitud del riesgo de inundación. Específicamente, la deforestación de bosques nativos en cuencas húmedas tropicales reduce la capacidad de regulación de inundaciones (crecidas hidrológicas) durante eventos de tormentas pequeñas y medianas. Mientras que el cambio climático afecta a escalas regionales, la influencia del LUCC ocurre a una escala local más pequeña. En consecuencia, la protección y reforestación de bosques se consideran soluciones basadas en la naturaleza (SbN) para la regulación de inundaciones, especialmente en cuencas pequeñas (<100 Km2). Sin embargo, hay pocos estudios que analizan los efectos combinados del cambio climático y LUCC en las inundaciones, y generalmente se centran solo en el caudal a la salida de la cuenca. Por lo tanto, la variación continua de las interacciones en la red fluvial aún no ha sido identificada. Por otro lado, se sabe poco acerca de los efectos de diferentes patrones espaciales de deforestación en las inundaciones. Estas brechas de conocimiento limitan la comprensión de los servicios ecosistémicos proporcionados por los bosques para la regulación de inundaciones en el contexto de las SbN y la adaptación al cambio climático. Por lo tanto, este estudio evalúa los efectos del LUCC en las inundaciones distinguiendo la ubicación y fragmentación del bosque en una cuenca húmeda tropical dentro de la Amazonía ecuatoriana. Además, analiza los efectos individuales y combinados del cambio climático y el LUCC en las inundaciones a lo largo del gradiente altitudinal de la cuenca. En la primera etapa (Capítulo III), este estudio utilizó un muestreo de eventos de tormenta y datos de inundaciones en terreno para validar un marco metodológico de modelación de peligrosidad en cuencas con escasez de datos. El modelo HEC-HMS se acopló con el modelo hidrodinámico Nays2Dflood para simular la respuesta del sistema a varios eventos de tormentas, incluido uno que inundó áreas urbanas en de la cuenca. En la segunda etapa (Capítulo IV), se calibró y validó el modelo hidrológico distribuido TETIS utilizando nueve eventos de tormentas para evaluar los efectos de la ubicación y fragmentación del bosque en los caudales de crecida. El modelo TETIS se aplicó para simular la influencia de cinco escenarios LUCC, considerando diferente localización y fragmentación del bosque. Se utilizó el test estadístico de Kruskal-Wallis y el test post-hoc de Dunn para analizar las diferencias entre los escenarios. En la tercera etapa (Capítulo V), se prepararon escenarios homogéneos de LUCC con dos escenarios, bosque y agricultura, mientras que los escenarios de precipitación se obtuvieron a través del Modelo Climático Global (GCM; por sus siglas en inglés) IPSL SSP5-8.5 (CMIP6). La respuesta hidrológica de los escenarios se evaluó en 42 puntos a lo largo de la red fluvial utilizando el modelo TETIS previamente calibrado. Los efectos individuales y combinados del cambio climático y el LUCC se analizaron utilizando diferencias absolutas y los tests estadísticos ya mencionados, incluido el test de Sheirer-Ray-Hare. Los resultados del enfoque acoplado mostraron un rendimiento satisfactorio de los modelos en la simulación de caudales y niveles de agua. En casi todos los eventos, el coeficiente de Nash-Sutcliffe (NSE) estuvo dentro del rango 0.40 ≤ NSE ≤ 0.95, mientras que el rango de Sesgo Porcentual (PBIAS) fue −3.67% ≤ PBIAS ≤ 23.4%. Los patrones espaciales de LUCC tuvieron una influencia mayor en la escorrentía superficial que en los caudales de tormenta en la salida de la cuenca. Sin embargo, la localización del bosque tuvo más influencia que la fragmentación tanto en la escorrentía superficial como en los caudales de tormenta. La deforestación de la parte alta de la cuenca representó el peor escenario para la regulación de inundaciones. Por otro lado, el efecto del cambio climático en las inundaciones fue más homogéneo que el efecto del LUCC a lo largo del gradiente altitudinal de la cuenca. Además, la influencia relativa de la deforestación en la parte alta de la cuenca sobre el caudal de tormenta, fue mayor que la del cambio climático, mientras que en la parte baja, el cambio climático fue más importante. Para inundaciones pequeñas, el rango altitudinal de 590 a 906 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m) fue identificado como un área de transición en términos de la influencia de la deforestación en los caudales de tormenta. Sin embargo, se obtuvo un umbral relativamente estable de diferencias absolutas en caudales máximos y volumen de caudal a 590 m.s.n.m. Finalmente, se identificó una interacción leve y estadísticamente no significativa entre el cambio climático y el LUCC, con un efecto antagonico en la parte baja. En conclusión, la protección y/o reforestación de bosque nativo en la parte alta de la cuenca es crucial para la mitigación del riesgo de inundaciones, durante eventos pequeños y moderados. Al mismo tiempo se mantienen varios servicios ecosistémicos mediante la implementación de SbN. Los cambios en la magnitud de las inundaciones en la parte baja de la cuenca, están estrechamente relacionados con el efecto de escala y la sensibilidad del ecosistema en la parte superior. En este sentido, la importancia del bosque para la regulación de inundaciones será aún mayor en el futuro debido a las proyecciones de precipitación por cambio climático. Sin embargo, a medida que aumenta la intensidad de las tormentas y el área de captación, la capacidad del bosque para regular inundaciones disminuye en dirección aguas abajo y de manera no lineal. Por lo tanto, las SbN deben integrarse con otras estrategias dentro de un contexto más amplio para lograr una gestión efectiva de inundaciones. La metodología aplicada puede ser utilizada por modeladores y tomadores de decisiones para la evaluación del impacto de inundaciones bajo escenarios de cambio climático y de LUCC en cuencas con escasez de datos. Estos resultados mejoran la comprensión de los servicios ecosistémicos de los bosques de las estribaciones Andes-Amazonía y proporcionan pautas para implementar SbN para la regulación de inundaciones y la adaptación al cambio climático.