Tesis:
Hydrological modelling and evapotranspiration estimation based on remote sensing data : a case study in the Doñana region and surrounding irrigated areas
- Autor: MOYANO PÉREZ, María del Carmen
- Título: Hydrological modelling and evapotranspiration estimation based on remote sensing data : a case study in the Doñana region and surrounding irrigated areas
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
- Departamentos: INGENIERIA AGROFORESTAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/52678/
- Director/a 1º: JUANA SIRGADO, Luis
- Director/a 2º: PALACIOS ORUETA, Alicia
- Resumen: La escasez de agua está agravándose en muchas regiones a nivel global, y se espera que empeore en las próximas décadas. En las regiones semiáridas, que abarcan más del 15% de la superficie terrestre mundial, el agua es un factor limitante para la vegetación y para la sostenibilidad de sus ecosistemas naturales asociados, especialmente en presencia de zonas agrícolas de regadío que compiten por los mismos recursos. Por la importancia del agua en estas regiones y particularmente en áreas con datos hidrológicos limitados, los avances realizados en la estimación de magnitudes hidrológicas deben ser adaptados y perfeccionados para analizar la situación de este recurso. Para dar soporte a la toma de decisiones en materia de gestión hídrica, es crucial evaluar los componentes del balance hídrico, particularmente la evapotranspiración (ET), un componente fundamental en el balance hídrico y energético de la Tierra. En la presente tesis, se proponen y evalúan modelos hidrológicos y de teledetección (RS) con objeto de mejorar la estimación de los componentes del balance hídrico. El estudio se ha llevado acabo en España, en particular en una región semiárida sujeta a la posible aplicación de medidas en materia de gestión hídrica: la región Patrimonio Mundial de la UNESCO de Doñana, y las zonas de regadío circundantes, incluido el Sector BXII localizado donde se encontraban las antiguas marismas del Guadalquivir. Para ello, se establecieron los siguientes objetivos específicos: (1) desarrollar un modelo hidrológico, WATEN, con el objetivo de evaluar los componentes del balance hídrico, (2) profundizar en la componente de evapotranspiración a través de la reformulación de un modelo basado en teledetección, el modelo PT-JPL-thermal, (3) comparar la ET derivada del modelo hidrológico WATEN, la ET derivada del modelo PT-JPL-thermal y la ET derivada del producto global de NASA para la ET, MOD16 y (4) analizar la dinámica espacio-temporal de la evapotranspiración en el área de estudio basada en los modelos propuestos, identificando zonas concretas de tendencias secas junto con períodos plurianuales de uso creciente o decreciente del agua. En el primer estudio, se desarrolló un modelo hidrológico conceptual, WATEN, que se aplicó al sector de riego BXII y permitió estimar las series mensuales de drenaje, evapotranspiración y contenido de humedad del suelo durante el periodo de estudio 2003-2012. WATEN propone una calibración alternativa basada en los consumos energéticos de las estaciones de bombeo de drenaje. Este enfoque resulta de interés en áreas donde no existe información sobre caudales y en las que, sin embargo, de haber bombeos, sus consumos energéticos quedan registrados. WATEN considera que la ET se reduce linealmente cuando el contenido de agua disminuye por debajo del umbral fácilmente disponible, y resultó en estimaciones de un 18% por debajo de los valores potenciales, alcanzando hasta un 40% de reducción en el mes de agosto. El segundo estudio se ha centrado en la evaluación de los patrones de ET en la región: i) el modelo hidrológico calibrado in situ WATEN; ii) el modelo PT-JPL-thermal basado en RS y modificado en este trabajo y iii) el producto de ET basado en RS, MOD16, disponible globalmente. En el Sector BXII, el modelo PT-JPL-thermal mostró concordancia con las estimaciones de ET derivadas de WATEN, tanto en términos cuantitativos como en sus dinámicas. Las estimaciones del PT-JPL-thermal resultaron un 7% mayores que las de WATEN y los coeficientes de correlación fueron ρ = 0.78 y ρ1month-lag = 0.94. MOD16 subestimó la ET en un 40% y el coeficiente de correlación frente a WATEN fue ρ= 0.48. Las estimaciones de PT-JPL-thermal y MOD16 ET se extendieron a toda la región de Doñana y las áreas de regadío circundantes, incluidos los arrozales, y los ecosistemas naturales de humedales, matorrales y bosque. Para todas las clases de cobertura de suelo, las estimaciones de ET del PT-JPL-thermal se ajustaron a las dinámicas de ET documentadas en la región (ecosistemas naturales y zonas regadas), mientras que MOD16 subestimó la ET en todos los casos, aunque pudo identificar patrones espaciales ET y variabilidad interanual. Este estudio ha demostrado que la reformulación de la radiación neta, junto con el uso del concepto de inercia térmica como indicador del contenido de humedad del suelo, es un enfoque más apropiado para evaluar ET en ambientes semiáridos que el uso del déficit de presión de vapor. Esta variable (utilizada por MOD16) puede reflejar las condiciones áridas circundantes, pero no considera los valores reales de la disponibilidad de agua en el suelo. Además, el PT-JPL-thermal requiere únicamente la temperatura del aire y la radiación solar entrante, aparte de producto satelitales estándar de libre acceso, lo que le convierte en un modelo que se puede aplicar fácilmente en áreas con reducida disponibilidad de información. En el tercer estudio, el modelo PT-JPL-thermal fue eficaz para ayudar a comprender las presiones sobre los ecosistemas naturales y la agricultura que la región de Doñana, donde los ecosistemas naturales y los cultivos compiten por las mismas fuentes de agua, ha experimentado en los últimos 14 años, una competencia que ha aumentado a medida que los recursos hídricos escasean. La ET resultó altamente correlacionada con la precipitación en las zonas de marisma, y en mucha menor medida en los matorrales, bosques y tierras de cultivo, lo que sugiere una susceptibilidad más pronunciada de los humedales a la escasez hídrica, aunque toda la región es susceptible. El análisis de las tendencias de ET permitió distinguir las áreas donde el uso del agua para los ecosistemas naturales ha disminuido y las zonas donde el uso del agua ha aumentado significativamente a lo largo del período de estudio. Por otro lado, la investigación encontró que la ET aumentó en algunas zonas de agricultura intensiva, lo que apunta a una mayor desviación de agua hacia los cultivos cuando la escasez de agua ha sido más acuiciada. Estos resultados son relevantes en cuanto que aportan información útil para la gestión hídrica, ayudando en la toma de decisiones hacia un equilibrio entre las demandas regionales agrícolas y la sostenibilidad ambiental, y proporcionando información relevante en el contexto del cambio climático. ----------ABSTRACT---------- Water scarcity is rapidly increasing in many regions, and is expected to worsen in the coming decades. In semiarid regions, which extend over a 15% of the global land area, water is an important limitation for vegetation growth and a cause of concern for the long-term sustainability of its associated ecosystems, particularly where natural ecosystems and crops compete for the same water sources. Despite the importance of water scarcity in these regions, data availability is often limited and hydrological studies must still be improved. In order to inform water management decisions, it is crucial to assess the water balance components and particularly the evapotranspiration (ET), a crucial component in both the Earth water and energy balances. In the present thesis, hydrological modelling and remote sensing (RS)-based approaches are assessed and compared to investigate the potentiality to improve the estimation of the components of the water balance, particularly the ET. The study is accomplished in Spain, specifically in a semiarid region subject to the application of water management actions: the World Heritage protected UNESCO Doñana region and surrounding irrigated areas, including the BXII Irrigation District (BXII ID) situated where the old Guadalquivir marshes were located. The specific objectives were: (1) to develop a hydrological model, WATEN, aiming to assess the water balance components, (2) to deepen on the ET estimation through the reformulation of a RS-based ET model, the PT-JPL-thermal, (3) to compare the ET derived from WATEN, the PT-JPL-thermal model and the ET derived from the globally available RS-based ET product MOD16, and (4) to identify hot-spots of drying trends and pluri-annual periods of increasing or decreasing water use based on the spatio-temporal ET dynamics. In the first study of this work, the WATEN model was developed and implemented in the BXII ID, allowing the quantification of the water balance components from 2003 to 2012, in particular ET, drainage and soil moisture content. The model uses an alternative calibration method based on energy consumption data at the drainage pumping stations, which is an interesting approach for areas where access to streamflow information is not available. ET is considered linearly reduced when the water content falls below the readily available moisture in the soil and resulting in estimates about 18% below potential values, reaching up to a 40% reduction in August. The second study has focused on assessing ET patterns in the region by means of three methods: i) the locally calibrated hydrological model WATEN; ii) the RS-based PT-JPL-thermal model modified in this work and iii) the globally available RS-based ET product MOD16. In the mixed-irrigation BXII, the PT-JPL-thermal showed a reasonable agreement with the WATEN ET estimates, both in amount and dynamics. PT-JPL-thermal estimates were a 7% higher than those from WATEN and the correlation coefficient values were ρ = 0.78 and ρ1month-lag = 0.9. On the other hand, MOD16 underestimated ET by 40% and the correlation coefficient with WATEN was only ρ = 0.48. The PT-JPL-thermal and the MOD16 ET estimates were extended to the whole Doñana region and surrounding irrigated areas including rice fields and natural ecosystems, such as wetlands, shrublands and forests. For all the land cover classes, the PT-JPL-thermal ET estimations approached the documented ET rates in the region (both natural ecosystems and irrigated areas), whereas MOD16 underestimated ET in all the cases although it was able to identify ET spatial patterns and interannual variability. This study has shown that the re-formulation of the outgoing longwave radiation, together with the use of the thermal inertia concept as a proxy to soil moisture content is a more appropriate approach for assessing ET in semiarid environments than the use of vapor pressure deficit. This variable (used by MOD16) may reflect the surrounding arid conditions but fail to consider the real values of soil water availability. In addition, the PT-JPL-thermal only requires air temperature and incoming solar radiation, apart from standard satellites-products freely available, which makes it a model that can be easily applied in areas with little availability of information. In the third study, the PT-JPL-thermal model was used to assess the pressures on natural ecosystems and agriculture in the Doñana region, where natural ecosystems and crops compete for the same water sources, over the last 14 years, a competition that has increased as the region dries. The ET was found to be correlated with precipitation in all the ecosystems, especially in the wetlands and to a lesser extent in the shrublands, forests and croplands, suggesting a more pronounced susceptibility of the wetlands to overall drying. The analysis of the ET trends allowed to distinguish hot-spots, that is, areas where the water used by natural ecosystems was declining or increasing throughout the study period. Moreover, our results showed the significant increase of ET in some areas of intensive agriculture, which points to a greater diversion of water to the crops when the water supply has been dwindling. These results are relevant in terms of providing useful information for water management, helping in decision-making for the balance between regional demands for agriculture and environmental sustainability, and providing relevant information in the context of climatic changes.