The future of flood-prone areas in Africa and Europe: predicting changing inundation patterns under climate change

Lehner, Bernhard (Internal/Supervisor) Wetlands and floodplains play an important role in a myriad of environmental services including flood and drought protection, water provision for humans and agriculture, sustainment of fisheries, water quality regulation, carbon storage, and habitat provision for a multitude of species. As a result of these important services, changes to inundated areas can have major socioeconomic and environmental consequences. In addition to continued anthropogenic degradation, global climate change is expected to pose an increasingly large threat to wetlands and floodplains in the coming century. Despite their importance, the fate of wetlands and floodplains under climate change is poorly understood at large scales. Spatially detailed knowledge about projected changes in inundation is necessary to inform large-scale risk assessments and to focus conservation and climate mitigation efforts on regions and populations with high levels of exposure to likely inundation change. In order to produce large-scale estimates of inundation change in Africa and Europe, the novel concept of 'floodsheds' is proposed and developed in this thesis to delineate the flooding extent of rivers. The floodshed approach is used to produce maps of large-scale monthly inundation estimates based on discharge simulations from a global hydrological model at an unprecedented spatial resolution of 15 arc-seconds (~500 m) for both present and future conditions. The predicted long-term changes to annual inundation patterns are then used to assess exposure of land areas and human populations. The results of this globally applicable model are shown for Africa and Europe under a business-as-usual development pathway for the year 2050 and are overlaid with population distribution to highlight critical regions of exposure to inundation changes under climate change. Different patterns of exposure are found when considering floodplain area versus floodplain population. Out of the total floodplain area in the region of study, 42% will experience some loss of annual inundation and 63% will experience some new annual inundation by the year 2050. By contrast, population distribution within the floodplain area has greater exposure to loss of annual inundation: an estimated 239.5 million people (54% of floodplain population) will be exposed to a loss of inundation and 220.4 million (50%) exposed to new inundation. The resulting inundation change maps can also be applied to conservation efforts, as demonstrated through their use in determining sites of concern for migratory birds in the African-Eurasian flyway. Les milieux humides et les plaines d'inondation jouent un rôle important à la base de nombreux services environnementaux : ils protègent contre les inondations et la sécheresse, approvisionnent en eau les humains et l'agriculture, soutiennent les pêcheries, régulent la qualité de l'eau, stockent du carbone et forment des habitats essentiels pour une variété d'espèces animales. Compte tenu de ces services importants, des changements aux zones inondées peuvent avoir des conséquences socioéconomiques et environnementales majeures. En plus de la dégradation anthropogénique continue, les changements climatiques poseront un risque aux milieux humides et aux plaines d'inondation de plus en plus grand dans le prochain siècle. Malgré leur importance, l'influence des changements climatiques sur ces milieux est peu étudiée à grande échelle. Une connaissance approfondie des changements anticipés dans la distribution spatiale des inondations est nécessaire pour évaluer les risques et concentrer les efforts de conservation de la nature et d'adaptation aux changements climatiques vers les régions et les populations grandement exposées aux changements d'inondation. Dans le but d'estimer les changements d'inondation en Afrique et en Europe, le nouveau concept de 'bassins d'inondation' (floodsheds) est proposé et développé dans cette thèse pour déterminer l'ampleur de la crue des rivières. Cette approche permet de produire des cartes estimant les zones inondées mensuelles à grande échelle, basées sur des simulations de débit de cours d'eau d'un modèle hydrologique global d'une résolution spatiale sans précédent de 15 arc-secondes (~500 m), et ce pour les conditions actuelles et futures. Les changements projetés à long terme dans la distribution annuelle d'inondation sont ensuite utilisés pour examiner les risques sur les territoires et les populations humaines. Les résultats de ce modèle à application globale sont présentés pour l'Afrique et l'Eurasie suivant le scénario de développement sans changement majeur (business-as-usual) pour l'année 2050, puis juxtaposés avec une distribution de population humaine dans le but de déterminer les régions critiques exposées aux changements d'inondation découlant des changements climatiques. Différents motifs d'exposition sont identifiés en analysant l'aire totale des plaines d'inondation ou de la population y vivant. Selon les résultats de cette étude, 42% des plaines d'inondation de la région étudiée verront une perte annuelle d'aires inondées et 63% verront de nouvelles inondations annuelles d'ici 2050. En revanche, la population humaine sur les plaines d'inondation est plus à risque de pertes d'inondation annuelles : environ 239.5 million de personnes (54% de la population vivant sur les plaines d'inondation) seront exposées à une perte d'inondation annuelle et 220.4 million de personnes (50%) seront exposées à de nouvelles inondations. Les cartes de changements d'inondation résultant de cette thèse peuvent également être utiles à divers efforts de conservation, tel que démontré par leur usage dans la détermination d'endroits à risque sur la route africaine-eurasienne d'oiseaux migrateurs.