River ecosystem assessment: towards water security and environmental governance

Abstract

Water security is key to human well-being and is one of the greatest challenges of environmental governance. The research carried out in this doctoral thesis aims to develop strategies that guarantee water security in the Galicia-Costa Hydrographic Demarcation. To this end, an evaluation of the cause-effect interactions between the main conditioning factors that affect water quality in all the basins that make up the Galicia-Costa Demarcation is proposed (Chapter 1). The objective is to obtain a holistic view of the various threats affecting the ecological integrity of the basins that make up the Galicia-Costa hydrological district, using the partial least squares path modelling method (PLS-PM). In addition, two of the main effects affecting water security in Galicia-Costa, the eutrophication process (Chapter 2) and flood risk (Chapter 3), have been assessed for a case study (Umia River, Pontevedra). The eutrophication process was evaluated through PLS-PM, including information on climatic conditions (temperature, precipitation). In addition, different trophic scenarios were tested, adapted to the temperature increase predicted for the study area. Flood risk was calculated through hydrological modelling using the HEC-HMS software. Land cover changes were detected through Sentinel-2 images and the associated flood risk was analysed. In this case, different simulations were performed based on the use of reforestation as a Nature Based Solutions (NbS) tool (Observed, S-Up, S-Down, S-Total). Finally, the effects of management plans carried out in a case study (Olo River, Northern Portugal) over 10 years have been evaluated (Chapter 4). This has allowed us to obtain a comprehensive view of the methodologies carried out, analysing their successes and failures. The first model revealed that the PLS-PM results reveal that 69.0% of the physicochemical composition of the water is successfully predicted by the independent variables employed. Furthermore, it highlights the need for the restoration of riparian vegetation in the area as an NbS tool, which would improve the ecological integrity of the Galicia-Costa Demarcation. The study of land use and land cover changes (LULC), obtained that riparian vegetation decreased by almost 11% between 2016 and 2021 in the Umia river basin. The second PLS-PM model revealed that the independent variables predict 51.0% of the "eutrophication" variable. On the other hand, the different trophic scenarios provided that ecological integrity would improve by 46% if the oligotrophic state was reached. The flood risk model revealed that the flow was reduced by 9.3% S-Up, 8.6% S-Down, and 13% S-Total. Finally, planning management in the Olo River was assessed, distance-based redundancy analysis (dbRDA) provided a consistent pattern across the management space, showing the presence of two sets of sampling locations (upstream and downstream of the natural obstacle). Conductivity, HQAFLTP (flow type) and HMS index were the main variables related to the natural obstacle, meaning that this sector of the Olo river basin has higher conductivity values (more nutrients) and greater variety of flows (HQAFLTP), and is more modified by man (presence of dams, bridges, etc.). This research highlights the importance of coordination in the public sector to achieve success in ensuring the good status of water resources. The use of models and possible scenarios provides essential information for planning, monitoring and decision making by the relevant administration.

A seguridade hídrica é clave para o benestar humano e preséntase como un dos maiores desafíos da gobernanza ambiental. A investigación realizada nesta tese doutoral pretende desenvolver estratexias que garantan a seguridade hídrica na Demarcación Hidrográfica Galicia-Costa. Para iso, proponse a avaliación das interaccións causa-efecto entre os principais condicionantes que afectan á calidade da auga en todas as concas que conforman a Demarcación Galicia-Costa (Capítulo 1). O obxectivo é obter unha visión holística das diversas ameazas que afectan á integridade ecolóxica das concas que forman o distrito hidrolóxico de Galicia-Costa, mediante o método de modelado de camiños por mínimos cadrados parciais (PLS-PM). Ademais, avaliáronse dous dos principais efectos que afectan á seguridade hídrica en Galicia-Costa, o proceso de eutrofización (Capítulo 2) e o risco de inundación (Capítulo 3), para un caso de estudo (Río Umia, Pontevedra). O proceso de eutrofización avaliouse a través de PLS-PM, incluíndo información das condicións climáticas (temperatura, precipitación). Ademais, ensaiáronse diferentes escenarios tróficos, adaptados ao incremento de temperatura previsto para a zona de estudo. O risco de inundación calculouse a través da modelización hidrolóxica mediante o uso do software HEC-HMS. Detectáronse os cambios na cobertura do chan a través de imaxes Sentinel-2 e analizouse o risco de inundación asociado. Neste caso, realizáronse diferentes simulacións baseadas no uso da reforestación como ferramenta de Solucións baseadas na natureza (NbS) (Observada, S-Up, S-Down, S-Total). Por último, avaliáronse os efectos dos plans de xestión levados a cabo nun caso de estudo (Río Olo, Norte de Portugal) ao longo de 10 anos (Capítulo 4). O que nos permitiu obter unha visión integral das metodoloxías levadas a cabo, analizando os éxitos e fracasos das mesmas. O primeiro modelo, revelou que os resultados de PLS-PM revelan que o 69.0% da composición fisicoquímica da auga é predita con éxito polas variables independentes empregadas. Ademais, destaca a necesidade da restauración da vexetación ribeirega da área como ferramenta de NbS, que melloraría a integridade ecolóxica da Demarcación Galicia-Costa. O estudo dos cambios de uso da terra e a cobertura da terra (LULC), obtivo que a vexetación de ribeira diminúo en case un 11% entre os anos 2016 e 2021 na conca do rio Umia. O segundo modelo realizado a partir de PLS-PM revelou que as variables independentes predín o 51,0% a variable "eutrofización". Por outra banda, os diferentes escenarios tróficos proporcionaron que a integridade ecolóxica melloraría nun 46% se se alcanzase o estado oligotrófico. O modelo do risco de inundación revelou que o caudal se reducía un 9.3% S-Up, un 8.6% S-Down, e un 13% S-Total. Por último, avaliouse a xestión da planificación no río Olo, a análise de redundancia baseado na distancia (dbRDA) proporcionou un patrón consistente en todo o espazo de ordenación, mostrando a presenza de dous conxuntos de localizacións de mostraxe (antes e despois do obstáculo natural). A condutividade, o HQAFLTP (tipo de fluxo) e o índice HMS foron as principais variables relacionadas co obstáculo natural, o que significa que este sector da conca do río Olo ten valores de condutividade máis altos (máis nutrientes) e maior variedade de fluxos (HQAFLTP), e está máis modificado polo home (presenza de presas, pontes, etc.). Esta investigación destaca a importancia da coordinación no sector público para lograr o éxito á hora de garantir o bo estado dos recursos hídricos. O emprego de modelos e posibles escenarios proporciona información esencial para a planificación, o seguimento e a toma de decisións por parte da administración competente.

La seguridad hídrica es clave para el bienestar humano y se presenta como uno de los mayores desafíos de la gobernanza ambiental. La investigación realizada en esta tesis doctoral pretende desarrollar estrategias que garanticen la seguridad hídrica en la Demarcación Hidrográfica Galicia-Costa. Para ello, se propone la evaluación de las interacciones causa-efecto entre los principales condicionantes que afectan a la calidad del agua en todas las cuencas que conforman la Demarcación Galicia-Costa (Capítulo 1). El objetivo es obtener una visión holística de las diversas amenazas que afectan a la integridad ecológica de las cuencas que forman el distrito hidrológico de Galicia-Costa, mediante el método de modelado de caminos por mínimos cuadrados parciales (PLS-PM). Además, se han evaluado dos de los principales efectos que afectan a la seguridad hídrica en Galicia-Costa, el proceso de eutrofización (Capítulo 2) y el riesgo de inundación (Capítulo 3), para un caso de estudio (Río Umia, Pontevedra). El proceso de eutrofización se evaluó a través de PLS-PM, incluyendo información de las condiciones climáticas (temperatura, precipitación). Además, se ensayaron diferentes escenarios tróficos, adaptados al incremento de temperatura previsto para la zona de estudio. El riesgo de inundación se calculó a través de la modelización hidrológica mediante el uso del software HEC-HMS. Se detectaron los cambios en la cobertura del suelo a través de imágenes Sentinel-2 y se analizó el riesgo de inundación asociado. En este caso, se realizaron diferentes simulaciones basadas en el uso de la reforestación como herramienta de Soluciones basadas en la naturaleza (NbS) (Observada, S-Up, S-Down, S-Total). Por último, se han evaluado los efectos de los planes de gestión llevados a cabo en un caso de estudio (Río Olo, Norte de Portugal) a lo largo de 10 años (Capítulo 4). Lo que nos ha permitido obtener una visión integral de las metodologías llevadas a cabo, analizando los éxitos y fracasos de las mismas. El primer modelo, reveló que los resultados de PLS-PM revelan que el 69.0% de la composición fisicoquímica del agua es predicha con éxito por las variables independientes empleadas. Además, destaca la necesidad de la restauración de la vegetación ribereña del área como herramienta de NbS, que mejoraría la integridad ecológica de la Demarcación Galicia-Costa. El estudio de los cambios de uso de la tierra y la cobertura de la tierra (LULC), obtuvo que la vegetación de ribera disminuyo en casi un 11% entre los años 2016 y 2021 en la cuenca del rio Umia. El segundo modelo realizado a partir de PLS-PM reveló que las variables independientes predicen el 51,0% la variable "eutrofización". Por otra parte, los diferentes escenarios tróficos proporcionaron que la integridad ecológica mejoraría en un 46% si se alcanzara el estado oligotrófico. El modelo del riesgo de inundación reveló que el caudal se reducía un 9.3% S-Up, un 8.6% S-Down, y un 13% S-Total. Por último, se evaluó la gestión de la planificación en el río Olo, el análisis de redundancia basado en la distancia (dbRDA) proporcionó un patrón consistente en todo el espacio de ordenación, mostrando la presencia de dos conjuntos de localizaciones de muestreo (antes y después del obstáculo natural). La conductividad, el HQAFLTP (tipo de flujo) y el índice HMS fueron las principales variables relacionadas con el obstáculo natural, lo que significa que este sector de la cuenca del río Olo tiene valores de conductividad más altos (más nutrientes) y mayor variedad de flujos (HQAFLTP), y está más modificado por el hombre (presencia de presas, puentes, etc.). Esta investigación destaca la importancia de la coordinación en el sector público para lograr el éxito a la hora de garantizar el buen estado de los recursos hídricos. El empleo de modelos y posibles escenarios proporciona información esencial para la planificación, el seguimiento y la toma de decisiones por parte de la administración competente.