Sustainable management of water resources in large river basins in a climate change scenario – A case study of Po River Basin

Freshwater resources globally are under stress due to increasing greenhouse gas emissions, rising temperatures, and anthropogenic forcing. The agricultural sector, as the largest consumer of freshwater, is particularly vulnerable to these changes. The Po river basin, Italy's largest river basin and agrarian hub, has been experiencing frequent droughts in recent years. This study set out to provide some insights regarding the sustainable management of water resources in large river basins suffering from climate change. The specific objectives included the analysis of historical climatic trends, assessment of evapotranspiration patterns and, evaluation of aridity threats across the Po river basin on seasonal and spatial scales. Mann-Kendall and seasonal Mann-Kendall tests, combined with Theil-Sen's slope, were applied to detect past trends and rates of change from 1960 to 2020. The classical Bandini Pluviometric classification for Italy was updated using current data to better characterize precipitation regimes. Temperature and precipitation data were altitudinally detrended to eliminate elevation influences, and updated monthly climatological maps were developed for the basin. The basin’s water demand was assessed using Thornthwaite potential evapotranspiration (indicative of ecosystem water demand as a climatic characteristic) and crop evapotranspiration obtained from the Hargreaves and Samani's reference evapotranspiration adjusted with crop coefficients (as per Corine land cover classes). Additionally, crop evapotranspiration demand was determined for four cropping scenarios which were millet and lentils, barley and lentils, winter wheat and green beans, and rice and lentils. The spatial and temporal trends in aridity were assessed using four aridity indices based on two different aspects. Temperature and precipitation-based i.e., De Martonne and De Martonne Pinna combinative indices, and evapotranspiration-based i.e., Melisenda and Budyko aridity indices. Results showed significant increasing trends in all temperature metrics, most prominently during summer seasons with rates of 0.5 degree C to 0.7 degree C per decade. Over 80% of the basin showed higher crop evapotranspiration than potential evapotranspiration, indicating irrigation needs. While the basin is classified as humid on an annual basis, about 40% experiences Mediterranean to semi-arid conditions during summer, coinciding with peak growing season. The rice-lentils cropping system showed the highest water deficit, reaching 500 mm annually. These findings highlight the need for immediate action through sustainable strategies including crop selection, irrigation efficiency, and integrated water resources management to ensure the basin's hydrological and agricultural sustainability.

Le risorse di acqua dolce a livello globale sono sotto pressione a causa dell'aumento delle emissioni di gas serra, dell'aumento delle temperature e del forzamento antropogenico. Il settore agricolo, in quanto principale consumatore di acqua dolce, è particolarmente vulnerabile a questi cambiamenti. Il bacino del fiume Po, il più grande bacino fluviale e centro agricolo d'Italia, negli ultimi anni ha subito frequenti siccità. Questo studio intende fornire alcune informazioni sulla gestione sostenibile delle risorse idriche nei grandi bacini fluviali colpiti dal cambiamento climatico. Gli obiettivi specifici comprendevano l'analisi delle tendenze climatiche storiche, la valutazione dei modelli di evapotraspirazione e la valutazione delle minacce di aridità nel bacino del Po su scala stagionale e spaziale. I test di Mann-Kendall e stagionali di Mann-Kendall, combinati con la pendenza di Theil-Sen, sono stati applicati per rilevare le tendenze passate e i tassi di cambiamento dal 1960 al 2020. La classificazione pluviometrica di Bandini per l'Italia è stata aggiornata utilizzando i dati attuali per meglio caratterizzare i regimi di precipitazione. I dati relativi alla temperatura e alle precipitazioni sono stati estrapolati altitudinalmente per eliminare gli effetti della quota, e sono state elaborate mappe climatologiche mensili aggiornate per il bacino. Il fabbisogno idrico del bacino è stato valutato utilizzando l'evapotraspirazione potenziale di Thornthwaite (indicativa della domanda d'acqua dell'ecosistema come caratteristica climatica) e l'evapotraspirazione delle colture ottenuta dall'evapotraspirazione di riferimento di Hargreaves e Samani corretta con i coefficienti di coltura (secondo le classi di copertura del suolo accoppiate con il metodo FAO). Inoltre, la domanda di evapotraspirazione delle colture è stata determinata per quattro scenari colturali: miglio e lenticchie, orzo e lenticchie, frumento invernale e fagiolo verde, riso e lenticchie. Le tendenze spaziali e temporali dell'aridità sono state valutate utilizzando quattro indici di aridità basati su due diversi aspetti. Essi son oindici basati su temperatura e precipitazioni, cio gli indici di aridit' di e indici di De Martonne e De Martonne Pinna sul l'evapotraspirazione, cioè indici di aridità di Melisenda e Budyko. I risultati hanno mostrato tendenze significative verso l'alto in tutte le metriche di temperatura, soprattutto durante le stagioni estive con tassi da 0,5 \degree C a 0,7 \degree C per decennio. Oltre l'80\% del bacino presentava una domanda evapotraspirativa delle colture superiore a quella potenziale, indicando esigenze di irrigazione. Mentre il bacino è classificato come umido su base annua, circa il 40\% sperimenta condizioni mediterranee o semi-aride durante l'estate, che coincide con la stagione di crescita massima. Tra quelli considerati, lo scenario di coltivazione del riso e delle lenticchie ha mostrato il deficit idrico più elevato, raggiungendo i 500 mm annui. Questi risultati evidenziano la necessità di un'azione immediata attraverso strategie sostenibili che includano selezione delle colture, efficienza dell'irrigazione e gestione integrata delle risorse idriche per garantire la sostenibilità idrologica e agricola del bacino.