Impact of climate change on the hydrology and geochemistry of Crete and estimation of uncertainty

Abstract

The Mediterranean region has been identified as a “climate change hot-spot”. The specific region is projected to undergo the most significant drying among 26 regions across the world, by the end of the 21st century. Karstic springs are the exclusive source of water during dry months for most Mediterranean regions. The impact of climate change on the hydrology and water quality of karstic springs has not received proper attention in the scientific literature. In addition, uncertainty assessment of the hydrologic projections for karstic watersheds has not been studied and may reveal possible water deficits that cannot otherwise be taken into account. This study aims to (1) estimate the impact of climate change on the flow and water quality predictions of Mediterranean karstic watersheds (2) quantify the uncertainty of these predictions stemming from hydrologic model parameters, climate change scenario and internal variability, and (3) evaluate the response of different Mediterranean karstic springs to the present-day and forecasted meteorological droughts. The Soil Water Assessment Tool (SWAT) along with a karstic model (Karst-SWAT) is used to assess the composite spring and surface flow of the karstic watershed of Koiliaris along with the transferred nitrogen nitrate and sediment masses. The parameter uncertainty of both the surface and karstic flow models are estimated by combining the SUFI2 interface and the @RISK by PALISADE software. Input to the hydrologic models is provided by eleven combinations of five Regional Climate Models (RCMs) and three Representative Concentration Pathways (RCPs) of the EURO-CORDEX ensemble. Representative rainfall time series for certain of these scenarios are stochastically modeled with the LARS weather generator. Monte Carlo simulations are used to investigate the effect of input internal variability on the flow output. The meteorological drought of the present-day and future periods is translated into hydrological drought for three Mediterranean karstic springs with different properties. Specifically, the springs under study are the Stilos spring (Koiliaris River Basin), the Meskla spring and the Agia spring (Keritis River Basin). The Karst-SWAT model is used to quantify the hydrologic response of the karstic springs, which are characterized by different systems and water detention times. A non-parametric drought index is modified to estimate the future frequency, duration and intensity of meteorological and hydrological droughts in comparison to the reference period. The progress of the lowest and the highest flows in the future is analyzed. This is the first time, to our knowledge, that a combined assessment of surface and karstic flow model parameter uncertainty and internal variability is applied to a karstic Mediterranean watershed. Analysis shows that the parameter uncertainty of the hydrologic model and the internal variability of the climate change scenarios should be considered in planning water resources adaptation and mitigation measures that aim to alleviate climate change impacts in watersheds of semi-arid or arid climates, especially for the 2019-2058 period. After 2059, the climate change scenario is the most important uncertainty factor. Even under this large uncertainty, the drought status is anticipated to deteriorate after 2059, regardless of the scenario realized, for all springs. A 40-year period is offered for adaptation measures to be prepared and planned for the improved management of the springs’ water resources. The study provides a benchmark for comparative studies in other similar regions of the globe, where water needs during the summer are exclusively covered by the flow originating from karstic springs.

Η περιοχή της Μεσογείου είναι μία από τις πιο επιρρεπείς περιοχές στις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής, βάσει των αποτελεσμάτων των σεναρίων για την παγκόσμια κλιματική αλλαγή (IPCC, 2013). Οι καρστικές πηγές είναι η μοναδική πηγή νερού για πολλές περιοχές της Μεσογείου κατά τη διάρκεια των ξηρών μηνών. Η επίπτωση της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογία και την ποιότητα των υδάτων των καρστικών πηγών δεν έχει τύχει της δέουσας προσοχής στην επιστημονική βιβλιογραφία. Επιπλέον, η εκτίμηση της αβεβαιότητας των υδρολογικών προβλέψεων σε καρστικές λεκάνες δεν έχει μελετηθεί και μπορεί να αποκαλύψει πιθανά ελλείμματα νερού που διαφορετικά δεν μπορούν να ληφθούν υπόψη. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής (1) εκτιμώνται οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στις προβλέψεις της παροχής και της ποιότητας των υδάτων σε χαρακτηριστική καρστική πηγή της Μεσογείου, (2) ποσοτικοποιείται η αβεβαιότητα αυτών των προβλέψεων και (3) αξιολογείται η απόκριση διαφόρων καρστικών πηγών της Μεσογείου στη μετεωρολογική ξηρασία που προβλέπουν τα κλιματικά σενάρια.Το Εργαλείο Αξιολόγησης Νερού και Εδάφους (SWAT) μαζί με ένα καρστικό μοντέλο (Karst-SWAT) χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της σύνθετης παροχής (από καρστική πηγή και επιφανειακά ύδατα) της καρστικής λεκάνης απορροής του ποταμού Κοιλιάρη, μαζί με τις μεταφερόμενες μάζες νιτρικού αζώτου και ιζημάτων. Η αβεβαιότητα των παραμέτρων τόσο των μοντέλων επιφανειακής όσο και καρστικής παροχής υπολογίζεται συνδυάζοντας τα προγράμματα SUFI2 και @RISK της PALISADE. Τα δεδομένα εισόδου στα υδρολογικά μοντέλα παρέχονται από έντεκα συνδυασμούς πέντε «Περιφερειακών Κλιματικών Μοντέλων» (Regional Climate Models - RCMs) και τριών «Αντιπροσωπευτικών Μονοπατιών Συγκέντρωσης» (Representative Concentration Pathways - RCPs) του ευρωπαϊκού κλάδου του κλιματικού πειράματος CORDEX, EURO-CORDEX. Αντιπροσωπευτικές χρονοσειρές βροχοπτώσεων για ορισμένα από αυτά τα σενάρια προσομοιώνονται στοχαστικά με τη γεννήτρια καιρού LARS. Προσομοιώσεις Monte Carlo χρησιμοποιούνται για να ερευνήσουν την επίδραση της εσωτερικής μεταβλητότητας των δεδομένων εισόδου στην παροχή εξόδου.Η μετεωρολογική ξηρασία της τρέχουσας και των μελλοντικών περιόδων μεταφράζεται σε υδρολογική ξηρασία για τρεις μεσογειακές καρστικές πηγές με διαφορετικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, οι πηγές που μελετώνται είναι η πηγή του Στύλου (λεκάνη του ποταμού Κοιλιάρη), η πηγή των Μεσκλών και η πηγή της Αγυιάς (λεκάνη του ποταμού Κερίτη). Το μοντέλο Karst-SWAT χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση της υδρολογικής απόκρισης των καρστικών πηγών, οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετικά συστήματα και χρόνους παραμονής νερού. Ένας μη παραμετρικός δείκτης ξηρασίας τροποποιείται για να εκτιμηθεί η μελλοντική συχνότητα, διάρκεια και ένταση των μετεωρολογικών και υδρολογικών ξηρασιών σε σύγκριση με την περίοδο αναφοράς. Αναλύεται, επίσης, η εξέλιξη των χαμηλότερων και των υψηλότερων παροχών στο μέλλον. Αυτή είναι η πρώτη φορά που πραγματοποιείται εκτίμηση παραμετρικής αβεβαιότητας παροχής (από καρστικό και επιφανειακό μοντέλο παροχής) σε συνδυασμό με εκτίμηση αβεβαιότητας λόγω εσωτερικής μεταβλητότητας σε καρστική μεσογειακή λεκάνη απορροής. Η ανάλυση δείχνει ότι η αβεβαιότητα παραμέτρων του υδρολογικού μοντέλου και η εσωτερική μεταβλητότητα των σεναρίων κλιματικής αλλαγής θα πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον σχεδιασμό μέτρων προσαρμογής και μετριασμού των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής σε λεκάνες ξηρού κλίματος για την περίοδο 2019-2058. Μετά το 2059, το σενάριο της κλιματικής αλλαγής είναι ο σημαντικότερος παράγοντας αβεβαιότητας. Ακόμη και κάτω από αυτή τη μεγάλη αβεβαιότητα, η κατάσταση της ξηρασίας αναμένεται να επιδεινωθεί μετά το 2059, ανεξάρτητα από το σενάριο που θα πραγματοποιηθεί, για όλες τις πηγές. Η επόμενη 40ετία προσφέρεται για την προετοιμασία και τον προγραμματισμό μέτρων προσαρμογής για τη βελτίωση της διαχείρισης των υδάτινων πόρων των πηγών. Η μελέτη μπορεί να αποτελέσει σημείο αναφοράς για συγκριτικές μελέτες σε άλλες παρόμοιες περιοχές του πλανήτη, όπου οι ανάγκες νερού κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού καλύπτονται αποκλειστικά από παροχή που προέρχεται από καρστικές πηγές.