Use of SPI and hydrological modelling to analyse the climate change effects on droughts: case study of the Jiet catchment in Romania

Abstract

Drought events are a worldwide phenomenon, their impacts and consequences, however, vary based on the characteristics of the region where they occur. The main consequences derived from extreme dryness are the reduction of cropping areas and runoff, lower rates of percolation for groundwater recharge, and scarcity of water used for different purposes. To estimate present and future droughts due to climate change, analysis was done using the Standardized Precipitation Index (SPI), and a hydrological model in HEC-HMS, covering time frames between 1990-2020; 2020-2050 and 2070-2100 in the Jiet river basin, Romania. The SPI and HEC-HMS model were set up, calibrated and validated with information of physical characteristics, discharge, historical and projected meteorological data available for the catchment. SPI analysis was calculated for time scales of 3, 6, 12 and 24 months, which represented the estimation of meteorological, agricultural and hydrological droughts. HEC-HMS model was used only to evaluate and estimate hydrological droughts. Results obtained from both analyses allowed to estimate the number of events, periods of occurrence, duration, and severity of the different types of droughts events. SPI results showed a total of 28 meteorological droughts, 14 agricultural droughts, and 7 hydrological droughts for past scenarios. For mid-century and end-century scenarios, the increment of droughts compared with past scenarios was between 10% and 17% for meteorological droughts, 71% and 100% for agricultural droughts, and for hydrological droughts the number of events where two or three times increased. Hydrological estimated droughts simulated with HEC-HMS were 9 for past scenarios, 19 for mid-century scenario and 26 for the end-century scenario. Duration and severity were also incremented for each projected scenario. Droughts have a high probability to become more common and regular on the catchment, causing impacts in different sectors based on the type of drought. The results of this research, are the first step for estimation, assessment and analysis of the events in the Jiet due to climate change in the future. Keywords: Drought, SPI, HEC-HMS, estimation, Meteorological, agricultural, hydrological, drought index.

Los eventos de sequía son un fenómeno mundial, sus impactos y Las consecuencias, sin embargo, varían en función de las características de la región donde se producen. ocurrir. Las principales consecuencias derivadas de la sequedad extrema son la reducción de áreas de cultivo y escorrentía, menores tasas de percolación para la recarga de aguas subterráneas, y escasez de agua utilizada para diferentes propósitos. Estimar las sequías presentes y futuras debido al cambio climático, el análisis se realizó utilizando el Índice de Precipitación Estandarizado (SPI), y un modelo hidrológico en HEC-HMS, que cubre marcos de tiempo entre 1990- 2020; 2020-2050 y 2070-2100 en la cuenca del río Jiet, Rumania. Los modelos SPI y HEC-HMS fueron configurados, calibrados y validados con información de características físicas, caudal, histórico y proyectado datos meteorológicos disponibles para la cuenca. El análisis SPI se calculó para el tiempo escalas de 3, 6, 12 y 24 meses, que representaban la estimación de las condiciones meteorológicas, sequías agrícolas e hidrológicas. El modelo HEC-HMS se usó solo para evaluar y estimar sequías hidrológicas. Los resultados obtenidos de ambos análisis permitieron estimar el número de eventos, períodos de ocurrencia, duración y severidad de los diferentes tipos de eventos de sequía. Los resultados del SPI mostraron un total de 28 sequías meteorológicas, 14 sequías agrícolas, y 7 sequías hidrológicas para escenarios pasados. Para mediados y finales de siglo escenarios, el incremento de sequías con respecto a escenarios pasados ​​fue entre 10% y 17% para sequías meteorológicas, 71% y 100% para sequías agrícolas, y para las sequías hidrológicas el número de eventos aumentó dos o tres veces. Las sequías hidrológicas estimadas simuladas con HEC-HMS fueron 9 para el pasado escenarios, 19 para el escenario de mediados de siglo y 26 para el escenario de fin de siglo. Duración y la severidad también se incrementaron para cada escenario proyectado. Las sequías tienen una alta probabilidad de volverse más comunes y regulares en el cuenca, causando impactos en diferentes sectores según el tipo de sequía. los resultados de esta investigación, son el primer paso para la estimación, valoración y análisis de los eventos en el Jiet debido al cambio climático en el futuro.