Practical Riverside Restoration and Bioengineering Guide, Based on Water Purifying Plant Technique Litany River, Lebanon

Abstract

In Lebanon, the demand for water resources for domestic, commercial, industrial and agricultural use is increasing dramatically (Jaber, 1997), due to rapid population growth and demographic change (EMWATER, 2004). In southern Lebanon, the Litani River provides a vital water supply. The river rises west of the city of Baalbek, in the Beqaa valley, and empties into the Mediterranean Sea north of the city of Tire. The Litani River, which stretches for more than 140 kilometers and has an annual flow of 920 million cubic meters, is the longest in Lebanon (LRA, 2010). Climate change and water scarcity are affecting the availability of water for irrigation and agricultural production in a country with the highest number of renewable water resources per unit area in the Middle East (Darwish et al., 2012). Lebanon is a country facing water stress and food insecurity, with more than 7 million people and less than 2 billion m3 of available water (Hamade, 2012), a situation that has been partly generated by a model of use and management of inappropriate territory (Dwarakish and Ganasri, 2015). In this context, an adequate knowledge of the behavior and dynamics of hydrological resources is essential to design an adequate strategy for their management, as well as for land management. For this, hydrological modeling, supported by other remote sensing data sources and managed in GIS environments, are fundamental tools for the development of comprehensive and sustainable management plans for natural resources and land use. In addition, the use of future models and scenarios allows long-term decision-making taking into account the expected environmental conditions as a consequence of climate change, and the design of adaptation and mitigation plans for its effects. The main objectives of this doctoral thesis have been a) to develop and present a methodological approach and the application of the method of assessing the suitability of land use at the river basin level in a GIS environment to identify the suitability of location of systems of biological wastewater treatment in Lebanon and the Litani river basin region; b) model and analyze the hydrological behavior of the Litani river basin in Lebanon and analyze the effects of land use change on the main hydrological parameters using the WimMed modeling software for the period 2009-2019; c) evaluate the potential impacts of climate change on the hydrological variables of the Litani river basin in Lebanon using the CCSM4 GCM model (Gent et al., 2011) under two of the future scenarios defined by the IPCC (RCP2.6 and RCP8 .5). In this doctoral thesis, the Litani River Basin (Lebanon) is used as a model hydrological system to link the water-related SDGs (especially SDG 6) with long-term aspects of water management. The objective of this research has been to evaluate water management in the study area and investigate the effects of land use change and climate change on the hydrological variables that define the behavior of the Litani river basin (Lebanon). The first model was evaluated using fuzzy set theory and analytical hierarchy process (AHP) modeling theory in GIS environment, and a suitability mapping for biological wastewater treatment (TBA) in Lebanon was developed, based on specific criteria. The results found that the spatial distribution of the regions eligible for BWWT sites varies based on the criteria, with a total area of 162.94 km2 all over Lebanon and 42.62 km2 in Litani basin areas for these potential locations. These potential sites are selected using land suitability classes in order to preserve the remaining BWWT lands for future generations while mitigating climate change. The model was tested in the field and found to have an overall accuracy of 89%. Subsequently, we use the WiMMed hydrological model (Aguilar et al., 2010) to characterize how the change in land use has affected the hydrological parameters in the study area, the Litani river basin, taking the years 2009 as reference years. , 2014 and 2019. The results obtained showed that the change in land use between 2009, 2014 and 2019 had a detrimental impact on the hydrological parameters of this river basin, reducing the infiltration capacity and soil moisture in the second layer. Based on the simulation results, it can be inferred that low differences in runoff were observed at all stations between 2009, 2014 and 2019. Finally, the current hydrological variables of the study area (infiltration, runoff, soil moisture in the first and second layers) were compared with the variables simulated in 2040 under two future scenarios defined by the IPCC (2008), RCP 2.6 and RCP 8.5, with the assumption that future land use is the same as the current one (2019 land use and cover map). An increase in temperatura followed by a decrease in precipitation will lead to a decrease in infiltration, in soil moisture in the second layer in all seasons, and in runoff during spring and winter under the same conditions of use ground. For all stations, all hydrological indicators within the research area are expected to decrease under RCP 8.5 compared to RCP 2.6. The results of this doctoral thesis indicate that the land use patterns of the study area, the Litani river basin, should be adjusted according to the determined land suitability classes in order to preserve the remaining productive lands, for future generations. This work has been useful to evaluate changes in land use and their influence on the hydrological behavior of the study region, analyzing both what happened in the last decade (2009-2019) and under different future scenarios of climate change in the 2040 horizon. It should also be concluded that in order to suggest restoration activities and reduce the negative effects of land use change and climate change, more detailed studies are needed to define the correct type of land use and design mitigation actions for the effects of climate change in the Litani river basin. The results of this study provide an important tool to assess the status and hydrological behavior of the Litani River basin in Lebanon. In addition, they can contribute to defining adequate policies and strategies for land use and management, in terms of land use. An adequate territorial planning oriented to productive and sustainable development in this region of Lebanon should consider the influence that possible changes in land use could have on the available water resources. Since the 2009 land capacity map and the one published in this study used essentially the same approach, with different results, they now have the potential to propose a more appropriate adjustment of the centrally established land use strategy on the basis of of large-scale maps. The reduced spatial resolution used in the 2009 classification did not allow the variety of soil characteristics to be considered adequately, which has been corrected in this analysis by significantly increasing the spatial resolution of the analysis for the Litani river basin.

En el Líbano, la demanda de recursos hídricos para uso doméstico, comercial, industrial y agrícola está aumentando drásticamente (Jaber, 1997), debido al rápido crecimiento de la población y al cambio demográfico (EMWATER, 2004). En el sur del Líbano, el río Litani proporciona un suministro vital de agua. El río nace al oeste de la ciudad de Baalbek, en el valle de la Beqaa, y desemboca en el Mar Mediterráneo al norte de la ciudad de Tiro. El río Litani, que se extiende a lo largo de más de 140 kilómetros y tiene un caudal anual de 920 millones de metros cúbicos, es el más largo del Líbano (LRA, 2010). El cambio climático y la escasez de agua están afectando a la disponibilidad de agua para el riego y la producción agrícola en un país que cuenta con el mayor número de recursos hídricos renovables por unidad de superficie de Oriente Medio (Darwish et al., 2012). Líbano es un país que se enfrenta al estrés hídrico y a la inseguridad alimentaria, con más de 7 millones de personas y menos de 2.000 millones de m3 de agua disponible (Hamade, 2012), una situación que ha sido en parte generada por un modelo de uso y gestión del territorio inadecuado (Dwarakish y Ganasri, 2015). Ante este contexto, un adecuado conocimiento del comportamiento y la dinámica de los recursos hidrológicos es fundamental para diseñar una adecuada estrategia de gestión de los mismos, así como de gestión del territorio. Para ello, la modelización hidrológica, apoyada en otras fuentes de datos de sensores remotos y manejada en entornos GIS, son herramientas fundamentales para el desarrollo de planes de gestión integrales y sostenibles de los recursos naturales y del uso del territorio. Además, el uso de modelos y escenarios futuros permite la toma de decisiones a largo plazo teniendo en cuenta las condiciones ambientales esperadas como consecuencia del cambio climático, y el diseño de planes de adaptación y mitigación de sus efectos. Los principales objetivos de esta tesis doctoral han sido a) desarrollar y presentar un enfoque metodológico y la aplicación del método de evaluación de la idoneidad del uso de la tierra a nivel de cuenca hidrográfica en un entorno SIG para identificar la idoneidad de ubicación de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales en el Líbano y la región de la cuenca del río Litani; b) modelizar y analizar el comportamiento hidrológico de la cuenca del río Litani en el Líbano y analizar los efectos del cambio de uso de la tierra en los principales parámetros hidrológicos utilizando el software de modelado WimMed para el período 2009-2019; c) evaluar los impactos potenciales del cambio climático sobre las variables hidrológicas de la cuenca del río Litani en Líbano utilizando el modelo CCSM4 GCM (Gent et al., 2011) bajo dos de los escenarios futuros definidos por el IPCC (RCP2.6 y RCP8.5). En esta tesis doctoral, la cuenca del río Litani (Líbano) se utiliza como sistema hidrológico modelo para vincular los ODS relacionados con el agua (especialmente el ODS 6) con los aspectos de la gestión del agua a largo plazo. El objetivo de esta investigación ha sido evaluar la gestión del agua en la zona de estudio e investigar los efectos del cambio de uso del suelo y del cambio climático en las variables hidrológicas que definen el comportamiento de la cuenca del río Litani (Líbano). El primer modelo se evaluó utilizando la teoría de los conjuntos difusos y la teoría de modelización del proceso de jerarquía analítica (AHP) en entorno GIS, y se desarrolló una cartografía de idoneidad para el tratamiento biológico de las aguas residuales (TBA) en el Líbano basado en criterios específicos. En los resultados se encontró que la distribución espacial de las regiones elegibles para los emplazamientos de BWWT varía en función de los criterios, con una superficie total de 162,94 km2 en todo el Líbano y 42,62 km2 en las zonas de la cuenca del Litani para estas posibles ubicaciones. Estos posibles lugares se seleccionan utilizando clases de idoneidad del terreno con el fin de preservar las tierras restantes de BWWT para las generaciones futuras y, al mismo tiempo, mitigar el cambio climático. El modelo se probó sobre el terreno y resultó tener una precisión global del 89%. Posteriormente, utilizamos el modelo hidrológico WiMMed (Aguilar et al., 2010) para caracterizar cómo el cambio de uso del suelo ha afectado a los parámetros hidrológicos en la zona de estudio, la cuenca del río Litani, tomando como años de referencia los años 2009, 2014 y 2019. Los resultados obtenidos mostraron que el cambio de uso del suelo entre 2009, 2014 y 2019 tuvo un impacto perjudicial en los parámetros hidrológicos de esta cuenca fluvial, reduciendo la capacidad de infiltración y la humedad del suelo en la segunda capa. Basándose en los resultados de la simulación, se puede inferir que se observaron bajas diferencias en la escorrentía en todas las estaciones entre 2009, 2014 y 2019. Por último, las variables hidrológicas actuales de la zona de estudio (infiltración, escorrentía, humedad del suelo en la primera y segunda capa) se compararon con las variables simuladas en 2040 bajo dos escenarios futuros definidos por el IPCC (2008), RCP 2.6 y RCP 8.5, con el supuesto de que el uso futuro del suelo es el mismo que el actual (mapa de uso y cobertura del suelo de 2019). Un aumento de la temperatura seguido de un descenso de las precipitaciones dará lugar a una disminución de la infiltración, de la humedad del suelo en la segunda capa en todas las estaciones y de la escorrentía durante la primavera y el invierno en las mismas condiciones de uso del suelo. Para todas las estaciones, se prevé que todos los indicadores hidrológicos dentro del área de investigación disminuyan bajo el RCP 8.5 en comparación con el RCP 2.6. Los resultados de esta tesis doctoral indican que los patrones de uso de la tierra de la zona de estudio, la cuenca hidrográfica del río Litani, deben ajustarse de acuerdo con las clases de idoneidad de la tierra determinadas con el fin de preservar las tierras productivas restantes para las generaciones futuras. Este trabajo ha sido útil para evaluar los cambios en el uso del suelo y su influencia en el comportamiento hidrológico de la región de estudio, analizando tanto lo acontecido en la última década (2009-2019) como bajo diferentes escenarios futuros de cambio climático en el horizonte 2040. También debe concluirse que para sugerir actividades de restauración y reducir los efectos negativos del cambio de uso de la tierra y del cambio climático, se necesitan estudios más detallados para definir el tipo de uso de la tierra correcto y diseñar acciones de mitigación de los efectos del cambio climático en la cuenca del río Litani. Los resultados de este estudio proporcionan una importante herramienta para evaluar el estado y el comportamiento hidrológico de la cuenca del río Litani en el Líbano. Además, pueden contribuir a definir políticas y estrategias adecuadas de gestión y ordenación del territorio, en cuanto a la utilización del suelo. Una adecuada planificación territorial orientada al desarrollo productivo y sostenible en esta región del Líbano debería considerar la influencia que los posibles cambios en el uso del suelo podrían tener sobre los recursos hídricos disponibles. Dado que el mapa de capacidad de la tierra de 2009 y el publicado en este estudio utilizaron esencialmente el mismo enfoque, con resultados diferentes, ahora tienen el potencial de proponer un ajuste más adecuado de la estrategia de uso de la tierra establecida centralmente sobre la base de mapas a gran escala. La reducida resolución espacial utilizada en la clasificación de 2009 no permitía considerar la variedad de características del suelo de manera adecuada, lo que se ha corregido en este análisis aumentando de manera importante la resolución espacial del análisis para la cuenca del río Litani.