Tesis Doctorado

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https://repositorio.udec.cl/handle/11594/180

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Browsing Tesis Doctorado by Author "Aguayo Arias, Mauricio Iván"

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    Assessment of the impacts of climate change on the spatio-temporal patterns of freshwater sources to the coastal system of western Patagonia.
    (Universidad de Concepción, 2023) Aguayo Gutiérrez, Rodrigo Andrés; Aguayo Arias, Mauricio Iván
    The western region of Patagonia is characterized by an almost pristine environment, with aquatic ecosystems composed of a great diversity of lakes, rivers and glaciers. The influence of westerly winds from the Southern Hemisphere results in high precipitation in the region, which determines large freshwater inputs to the coastal-marine system. In this vast (~400,000 km2), narrow (~200-300 km) and transboundary (Chile and Argentina) area, freshwater ecosystems interact with one of the most complex and extensive fjord systems in the world. In these systems, freshwater produces a pronounced vertical stratification of two or three layers, which is a key regulator of circulation patterns and primary production, and limits the depth of turbulent mixing. Turbulent mixing determines the exchange of nutrients between the different layers of the water column, a process that can trigger pulses of primary productivity and thus an increase in autotrophic biomass in the western Patagonian inland seas. Climate projections for most of Western Patagonia indicate a prolongation of the dry and warm conditions that have affected it in recent decades. Overall, the climate impacts recorded in Western Patagonia have been attributed to the Southern Annular Mode (SAM), which has shown a significant trend towards its positive phase. Given the heterogeneous and incomplete monitoring network of hydro-meteorological stations, most studies performed in this region have used only a very small subset of meteorological stations, satellite imagery or climate proxies to study environmental changes. Despite the low use of ground-based information, the region has shown evidence of a decrease in snow cover extent, an increase in forest fires, unusual tree growth patterns, a decrease in water availability and significant trends in major lakes, rivers and glaciers. Considering the threads posed by climate change scenarios, the main objective of the present doctoral thesis is to assess the impacts of anthropogenic climate change on the spatio-temporal patterns of freshwater inputs to the coastal system of western Patagonia. To this end, four specific objectives have been proposed, each associated with a different phase of the present thesis. The first objective explored the main trends, challenges and gaps in hydrological drought projections, using northern Patagonia (40-45ºS) as a study case. For this purpose, historical severe droughts and their climatic drivers in northern Patagonia were evaluated. In addition, a hydrological model was calibrated using a combination of satellite, reanalysis and groundbased data. To assess the impact of climate change on future severe droughts, 90 scenarios were used to account for multiple sources of uncertainty in the climate impact modeling chain. The projections obtained with the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) 6 and CMIP5 models showed significant climatic (greater trends in summer and autumn) and hydrological (longer droughts) differences, and therefore it is recommended that future climate impact assessments adapt the new simulations as more CMIP6 models become available. Based on the detected hydrological gaps, the second objective was to develop PatagoniaMet (PMET) to analyze the hydrological consistency between atmospheric reanalysis models, ground-based meteorological observations and stream gauges. PMET is a compilation of ground-based hydrometeorological data (PMET-obs), and a daily gridded product of precipitation and maximum and minimum temperature (PMET-sim). PMET-obs was developed considering a 4-step quality control process applied to 523 hydrometeorological time series obtained from eight institutions in Chile and Argentina, while PMET-sim used statistical bias correction procedures, spatial regression models and hydrological methods. PMET-sim was compared against other bias-corrected alternatives using hydrological modelling, and achieved Kling-Gupta efficiencies greater than 0.7 in 72% of the catchments, while other alternatives exceeded this threshold in only 50% of the catchments. Considering the hydrological importance of glaciers in the region and their uncertain evolution, the third objective used the Open Global Glacier Model (OGGM) to estimate the evolution of each glacier (area > 1 km2) in the Patagonian Andes (40-56°S) over the period 1980-2099. To generate these projections, different glacier inventories (n = 2), ice thickness datasets (n = 2), reference climates (n = 4), general circulation models (n = 10), emission scenarios (n = 4), and bias correction methods (n = 3) were used to disentangle the importance of different sources of uncertainty from a hydrological perspective. Overall, the projections suggest that the northern area is expected to experience a steady decline, while the Patagonian Icefields should increase or maintain their glacier runoff in the coming decades. Considering the melt on glacier signatures, the future sources of uncertainty (GCMs, SSPs and BCMs) were the main source in only 18% ± 21% of the total catchment area. In contrast, the reference climate was the most important source in 78% ± 21% of the catchment area, highlighting the importance of the second objective. Based on recent advances in regional and global datasets (second objective), and the potential trajectory of evolution of each glacier in the Patagonian Andes (third objective), the fourth objective generated state-of-the-art projections of freshwater inputs to the coastal system. Specifically, Long Short-Term Memory (LSTM) neural networks in combination with the Open Global Glacier Model (OGGM) were used to estimate the runoff evolution from non-glacier and glacier areas, respectively. The total runoff of the study area was 23,533 ± 1,399 m3 s-1 in the historical period (1985-2019). From this total, the glacier runoff contributed 5,185 ± 471 m3 s-1. While the northern area is expected to experience the greatest relative reductions with values close to -22%, the central and southern areas are expected to show slight increases with relative changes of 6% and 13% (Figure 6.1), respectively. Finally, the results showed in this thesis provides: i) a basis for an open collaborative dataset that outperforms all current alternatives, ii) the first large-scale evaluation of the impact of various sources of uncertainty (historical and future) beyond future glacier mass loss, and iii) state-of-the-art projections of freshwater inputs to the coastal system that will contribute to future climate change adaptation plans for Western Patagonia.
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    El cambio de uso del suelo en el centro sur de Chile. Comprendiendo su dinámica a través de la modelación espacialmente explícita y explorando sus efectos ambientales en una cuenca hidrológica de meso escala.
    (Universidad de Concepción, 2008) Aguayo Arias, Mauricio Iván; Parra Barrientos, Óscar
    Los usos del suelo han transformado una gran proporción de la superficie del planeta en los últimos 300 años. La tala de bosques, la producción agrícola, y la expansión de los centros urbanos son acciones humanas que han cambiado drásticamente el paisaje natural. En el centro y sur de Chile las transformaciones del paisaje estuvieron asociadas, en un inicio, a la expansión de la frontera agropecuaria que permitió satisfacer tanto las necesidades internas como la creciente demanda externa por productos agrarios. Posteriormente, un fuerte incentivo a la forestación, comandado por el estado, genera un acelerado proceso de desarrollo forestal que explica, en gran medida, la actual configuración del paisaje en esta región. El cambio de uso del suelo es el resultado de complejas interacciones entre factores sociales –incluido los políticos, económicos y culturales- y ambientales. Las técnicas de modelación espacialmente explícitas constituyen una poderosa herramienta que permite analizar los mecanismos que determinan los cambios y predecir los potenciales impactos derivados de las transformaciones del territorio. Una manera directa de explorar los efectos ambientales del cambio de uso del suelo es evaluar el impacto que esta perturbación genera sobre los recursos hídricos. La cobertura del suelo constituye un componente determinante en los procesos hidrológicos que ocurren a nivel de cuenca. Cambios en la cobertura, producto de diversas prácticas de uso del suelo, alteran significativamente el balance de aguas superficiales y la partición de las precipitaciones dentro de los procesos de evaporación, escorrentía y flujo de agua subterránea. En el centro sur de Chile la principal fuente de abastecimiento corresponde a cursos de agua superficiales. Muchas de las cuencas que dan origen a estas fuentes de abastecimientos han sido sometidas a intensos procesos de transformación incluyendo la tala de bosque nativo, el desarrollo de actividades agropecuarias y, en las últimas décadas, la forestación masiva con especies exóticas de rápido crecimiento. Este proceso de forestación ha hecho surgir con fuerza la idea de que las plantaciones forestales disminuyen la producción de agua en las cuencas hidrográficas. En este contexto, las hipótesis que guían este trabajo hacen referencia, por un lado, a la combinación de factores sociales y ambientales cuya distribución geográfica influyen fuertemente en el patrón espacial de la transformación del paisaje y, por otro, a los efectos que las coberturas de reemplazo generan sobre la producción hídrica en una cuenca de meso-escala. De este modo, los objetivos estuvieron centrados en la caracterización del patrón espacial de los cambios de uso del suelo que ha experimentado el paisaje del centro sur de Chile durante los últimos 30 años, explorando sus efectos ambientales a través de la respuesta hidrológica de una cuenca de meso escala. El área de estudio cubre una superficie de 2,3 millones de hectáreas y se encuentra localizada en una de las regiones más pobladas e industrializadas del país. Los cambios en la cobertura del suelo fueron detectados y cuantificados a través del uso de dos imágenes satelitales cuyas escenas corresponde a los años 1979 y 2000. Usando métodos cuantitativos basados en técnicas estadísticas y modelación espacial se sometieron a prueba una serie variables que, a priori, fueron consideradas factores forzantes del cambio de uso del suelo. Los resultados reafirman que las principales transformaciones del paisaje están dadas por el desarrollo de la actividad forestal, la mantención de los rubros agropecuarios y el crecimiento urbano e industrial. Las coberturas que experimentaron los mayores cambios corresponden a matorrales, terrenos agrícolas, bosque nativo y plantaciones forestales, siendo esta última la principal cobertura de reemplazo. Las áreas urbanas y las plantaciones forestales registraron los mayores avances durante el período de análisis. Una parte importante de las plantaciones se establece sobre suelos aptos para la agricultura. El tamaño de la propiedad y algunas variables demográficas determinan, en gran medida, la probabilidad de expansión forestal. Así también, el avance forestal se ve favorecido por la presencia de plantaciones previamente establecida y buenas condiciones accesibilidad. Por su parte, la presencia de bosque nativo influye positivamente en la probabilidad de expansión forestal debido a que una parte importante de estas áreas poseen condiciones favorables para el establecimiento de las plantaciones. Los procesos de desforestación y sustitución del bosque nativo están fuertemente controlados por condiciones topográficas extremas y de accesibilidad. Bosques ubicados en sectores con topografía moderada y altamente fragmentados son más susceptibles a los cambios. Los datos revelan que la principal causa de pérdida del bosque nativo, en el área de estudio, se debe a la expansión de la frontera forestal hacia los cordones montañosos. En cuanto a las áreas urbanas, las vías de acceso siguen siendo la variable que tradicionalmente ha estructurado su crecimiento. Gran parte de la expansión urbana se establece en suelos agrícolas, tendencia observada en la mayoría de las ciudades ubicadas a lo largo del valle central de Chile. En cuanto a los efectos ambientales, el modelo Soil an Water Assesment Tool (SWAT) fue elegido para evaluar la respuesta hidrológica de la cuenca del río Vergara (4.265 km2) ante distintos escenarios de uso del suelo construidos a partir de reglas heurísticas y modelos de regresión logística. Los resultados muestran que el modelo aplicado posee una buena capacidad para representar la hidrología de la cuenca bajo análisis. Las tendencias en la variación del caudal son consistentes con las encontradas por otros autores en cuencas de pequeña y meso escala. Escenarios en donde los usos agrícolas son dominantes producen un aumento del caudal medio anual. Por el contrario, escenarios predominantemente forestales generan una disminución de los caudales de descarga. Los resultados también sugieren que el proceso forestación, independiente de la especie utilizada, devuelve las condiciones hidrológicas típicas de una cuenca cuya principal cobertura de suelo son formaciones boscosas.
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    Efectos del cambio de uso cobertura del suelo sobre la respuesta hidrológica en cuencas del centro sur de Chile bajo escenarios de cambio climático.
    (Universidad de Concepción, 2021) Martínez Retureta, Rebeca; Aguayo Arias, Mauricio Iván
    El cambio de uso del suelo y cambio climático destacan entre los principales factores forzantes del cambio ambiental global, debido a que afectan aspectos claves del sistema terrestre cuyo adecuado funcionamiento sustenta importantes servicios ecosistémicos. A nivel global, más de la mitad del agua generada a través del proceso de escorrentía es usada por el hombre. En el centro-sur de Chile, la principal fuente de abastecimiento hídrico corresponde a cursos de agua superficial cuya recarga depende del régimen de precipitaciones. En las últimas décadas muchas de las cuencas que proveen estos servicios ecosistémicos, han sido sometidas a intensos cambios en el uso del suelo como la tala de bosques nativos y la forestación masiva con especies exóticas de rápido crecimiento. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto del cambio de uso/cobertura del suelo, ocurrido en el centro sur de Chile sobre el recurso hídrico, así como su vulnerabilidad ante posibles escenarios de cambios de uso de suelo y cambio climático. El modelo SWAT fue implementado para predecir el impacto en la respuesta hidrológica de las cuencas de los ríos Andalién, Quino y Muco con disponibilidad de datos hidro-meteorológicos de más de 30 años. Para ello se simularon 16 escenarios combinados de uso/cobertura de suelo y periodos climáticos. El efecto del cambio de uso/cobertura del suelo sobre la respuesta hidrológica en años pasados se analizó utilizando los escenarios LU_1986, LU_2001 y LU_2011. Mediante un análisis de distribución t de Student para muestras relacionadas se pudo determinar la ocurrencia de graves disminuciones en los caudales entre los escenarios modelados respondiendo a un aumento de las plantaciones forestales y agricultura con una disminución del bosque nativo y matorrales en las tres cuencas de estudio en diferentes magnitudes. Se determinó además que los cambios ocurridos provocaron el aumento significativo de la evapotranspiración anual (+4.2%, +2.4% y +4.2%) con una disminución de la percolación (-15.6%, - 11.0% y -12.2%) y el flujo subterráneo (-2.4%, -15.0% y -10.1%), conduciendo a la disminución del rendimiento hídrico (-1.3%, -4.5% y -5.3%) en las cuencas Andalién, Quino y Muco respectivamente. Los escenarios pasados de cambio de uso/cobertura del suelo de los años 1986, 2001 y 2011 fueron posteriormente considerados para la simulación del escenario futuro de expansión forestal al año 2051. Este proceso se llevó a cabo por medio del modelo de regresión logística siguiendo los patrones de crecimiento de las áreas de plantaciones forestales y considerando la actual legislación sobre la protección del bosque nativo. Para este análisis se seleccionaron las cuencas Quino y Muco por presentar mayores posibilidades de cambio ante un escenario forestal futuro. El cambio porcentual proyectado para las cuencas Quino y Muco entre 2011 y 2051 prevé un aumento considerable de las plantaciones forestales en un 8.1% y 14.1% lo que representa una ocupación del 35.4% y el 22.3% del total de las áreas de las cuencas respectivamente para este año. Por su parte este escenario de aumento en las plantaciones forestales proyecta una sustitución principalmente de los terrenos agrícolas (2.1% y 7.01%), matorrales (3.4% y 4.3%), y praderas (2.9% y 2.9%) para Quino y Muco respectivamente.Finalmente, para el análisis individual y combinado de los efectos de los cambios de uso/cobertura del suelo (LUCC) y el cambio climático sobre la hidrología de las cuencas, se determinó un escenario histórico con el LU_2011 para un periodo climático de 1976-2005, el cual fue comparado con cinco combinaciones de cambios futuros. Se utilizó el modelo climático local RegCM4- MPI-ESM-MR para determinar los periodos de cambio climático: 2020-2049 (futuro inmediato) y 2050-2079 (futuro intermedio), bajo la proyección del escenario climático futuro RCP 8.5. Mientras que el escenario proyectado de expansión forestal se utilizó como escenario futuro de cambio de uso/cobertura del suelo. Los resultados muestran que los LUCC futuros y el cambio climático en su efecto individual y combinado conducirían a escenarios de menos rendimiento hídrico. La mayor sensibilidad en estas cuencas estaría asociada a los posibles LUCC, agudizando su impacto al incorporar el efecto del cambio climático. De este modo, el aumento de la evapotranspiración y la disminución del rendimiento hídrico se deben fundamentalmente al aumento de plantaciones forestales proyectado. Esto, unido al aumento de las temperaturas en 1.5°C y la disminución de la precipitación en 127mm y 140mm para las cuencas Quino y Muco respectivamente, afectaría la disponibilidad del recurso hídrico en las cuencas de estudio en caso de cumplirse las condiciones supuestas en la simulación en el futuro, presentando efectos en todos los componentes del ciclo hidrológico y con disminuciones del rendimiento hídrico de la cuenca de hasta -6.18% y 5.53 % respectivamente.
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    Integrated assessment of climate change and land-use/land-cover change on floods: insighs from landscape configuration in a tropical basin.
    (Universidad de Concepción, 2023) Hurtado Pidal, Jorge René; Aguayo Arias, Mauricio Iván; Link Lazo, Óscar Eduardo
    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.
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