Quantifying the spatiotemporal coupling effects of Shrinkage development policy and climate change on surface runoff

Resumo Técnico: Quantificando os efeitos de acoplamento espaço-temporais da política de desenvolvimento de retração e das mudanças climáticas no escoamento superficial

Definição do Problema
As mudanças climáticas globais estão aumentando a frequência e a intensidade das precipitações extremas, elevando significativamente os riscos de escoamento superficial em megacidades. Concomitantemente, muitas cidades estão transitando de uma expansão territorial extensiva para estratégias de "desenvolvimento de retração", utilizando intervenções políticas para otimizar a estrutura da terra e reforçar a proteção ecológica. No entanto, as pesquisas existentes carecem de um quadro abrangente para realizar análises de acoplamento espaço-temporal entre as mudanças nos padrões de paisagem impulsionadas por políticas e as mudanças climáticas. Não está claro como esses dois fatores interagem para influenciar a dinâmica do escoamento e se as regulamentações do uso do solo sozinhas podem mitigar efetivamente os riscos de segurança hídrica sob cenários climáticos futuros. Este estudo aborda a necessidade de quantificar as contribuições relativas das mudanças climáticas e das mudanças no uso do solo impulsionadas por políticas nas variações do escoamento superficial.

Metodologia
O estudo foca na Bacia do Canal do Norte (seção de Pequim), uma unidade hidrológica crítica que sustenta aproximadamente 13 milhões de residentes. A pesquisa emprega um arcabouço analítico integrado combinando três componentes principais:

1. Análise de Padrão de Paisagem: Utilizando dados de sensoriamento remoto (Landsat 7 e 8) de 2008 a 2022, o estudo quantificou os padrões de paisagem de espaços verdes através de 30 métricas de nível de classe e 37 métricas de nível de paisagem. Sete indicadores representativos, incluindo a Porcentagem de Paisagem (PLAND), o Índice da Maior Mancha (LPI) e o Índice de Diversidade de Shannon (SHDI), foram selecionados para descrever a configuração espacial e a evolução temporal.
2. Identificação de Direcionadores (Random Forest): Um modelo de Floresta Aleatória (Random Forest - RF) foi utilizado para classificar a importância dos fatores climáticos (ex: precipitação, radiação solar) e dos fatores antropogênicos (índices de padrão de paisagem) no direcionamento das mudanças de escoamento. Variáveis com alta autocorrelação foram filtradas, e a importância das variáveis restantes foi medida usando o aumento percentual no erro quadrático médio (%IncMSE).
3. Simulação Futura (PLUS e SWAT):
   • Modelo PLUS: O modelo de Simulação de Uso da Terra Baseado em Patches (PLUS) projetou mudanças no uso do solo para 2035 sob três cenários de desenvolvimento: (1) Desenvolvimento Inercial (continuação das tendências atuais de expansão), (2) Proteção de Terras Cultiváveis (desenvolvimento baseado em estoque) e (3) Proteção Ecológica (restrições ecológicas estritas alinhadas ao Plano Diretor Urbano de Pequim 2016–2035).
   • Modelo SWAT: O Modelo de Avaliação de Solo e Água (SWAT) foi calibrado e validado utilizando dados meteorológicos e de escoamento diários de 2010 a 2020. O modelo foi então utilizado para simular o escoamento superficial para 2035 sob os três cenários de uso do solo combinados com três Trajetórias Socioeconômicas Compartilhadas (SSP1-2.6, SSP2-4.5 e SSP5-8.5) do CMIP6.

Principais Resultados

• Evolução da Paisagem: A área de estudo experimentou uma expansão contínua de áreas construídas e de florestas em detrimento das terras cultiváveis. Embora a conectividade de áreas construídas e florestais tenha aumentado, a conectividade das terras cultiváveis declinou. No geral, a fragmentação e a complexidade da paisagem mostraram um declínio gradual, sugerindo uma tendência para uma configuração de paisagem mais estável.
• Direcionadores do Escoamento: Fatores naturais são os principais direcionadores da variação do escoamento. A precipitação é o fator mais significativo, respondendo por 17,07% da importância total, seguida pela radiação solar e umidade relativa média. Entre os fatores antropogênicos, o índice de coesão de manchas (COHESION) e a dimensão fractal perímetro-área (PAFRAC) são as métricas de paisagem mais influentes.
• Impactos das Políticas (Cenários de Uso do Solo): Sob o cenário climático SSP2-4.5, o cenário de Proteção Ecológica resultou no menor escoamento mensal, seguido pelo cenário de Proteção de Terras Cultiváveis, com o cenário de Desenvolvimento Inercial gerando o maior escoamento. O pico de escoamento em julho para o cenário inercial foi de 65,92 m³/s, comparado a 65,72 m³/s para o cenário de Proteção Ecológica. Embora as políticas ecológicas tenham reduzido efetivamente o escoamento, a magnitude da redução foi marginal em comparação aos impactos climáticos.
• Impactos Climáticos: Os cenários climáticos exerceram uma influência muito maior no escoamento do que as políticas de uso do solo. Sob o cenário SSP2-4.5, o pico de escoamento (65,92 m³/s) foi quase seis vezes maior do que sob o cenário SSP1-2.6 (11,68 m³/s) e mais de três vezes maior do que sob o SSP5-8.5 (20,72 m³/s). As diferenças no escoamento causadas pelos cenários climáticos superaram significativamente as resultantes de diferentes cenários de políticas de uso do solo.

Principais Contribuições

• Estrutura Integrada: O estudo desenvolveu um novo arcabouço acoplando o modelo Random Forest, o PLUS e o SWAT para avaliar quantitativamente os mecanismos de acoplamento espaço-temporal entre política, padrões de paisagem e mudanças climáticas.
• Contribuições Relativas Quantificadas: A pesquisa classificou explicitamente as contribuições do clima versus as mudanças no uso do solo impulsionadas por políticas, demonstrando que as mudanças de escoamento induzidas pelo clima são substancialmente maiores do que os efeitos impulsionados por políticas.
• Avaliação de Políticas: O estudo avaliou estratégias específicas de "desenvolvimento de retração", encontrando que, embora os cenários de proteção ecológica sejam os mais eficazes na redução dos riscos de escoamento, eles não podem compensar totalmente os impactos hidrológicos do aumento das precipitações extremas sob mudanças climáticas.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo fornece uma base científica para a avaliação ambiental estratégica e gestão da segurança hídrica em cidades em rápida transformação. Os achados sugerem que uma estratégia de desenvolvimento de baixo crescimento baseada exclusivamente na regulação do uso do solo não é capaz de enfrentar efetivamente os desafios de segurança hídrica impostos pelas futuras mudanças climáticas. O estudo conclui que, embora as políticas de desenvolvimento de retração possam melhorar as condições de escoamento superficial, seus efeitos hidrológicos positivos são rapidamente minados pela crescente frequência de eventos de chuva intensa. Portanto, manter a segurança hídrica urbana requer o fortalecimento das restrições espaciais ecológicas e a otimização das configurações de espaços verdes para fornecer uma via de mitigação controlável sob condições dominadas pelo clima, em vez de depender exclusivamente da regulação do uso do solo para reduzir o volume de escoamento.