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Uso de servicios climáticos en cuencas propensas a la sequía: Proyecto IMPREX y cuenca del Júcar

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  • Uso servicios climáticos cuencas propensas sequía: Proyecto IMPREX y cuenca Júcar
  • Artículo escrito por los investigadores del Grupo de Ingeniería de Recursos Hídricos del IIAMA-UPV, Joaquín Andreu, Sara Suárez, Javier Paredes y Abel Solera.

Sobre el blog

Joaquín Andreu Álvarez
Catedrático de Ingeniería Hidráulica, responsable del grupo de Ingeniería de Recursos Hídricos del Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA) de la Universitat Politècnica de València.
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Dada mi condición de profesor e investigador del IIAMA-UPV (Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente de la Universitat Politècnica de València), con actividades docentes y de I+D+i sobre planificación y gestión integradas de los sistemas de recursos hídricos (SRH) -con el objetivo siempre en mente de que tengan aplicación práctica para contribuir en la medida de lo posible a mejoras en el diseño de los SRH-, me siento mucho más cómodo redactando informes, manuales, y artículos en revistas científicas que contribuciones a una sección de blogs.

A pesar de ello, he emprendido la labor de publicar en este blog nuestras impresiones, basadas en nuestras experiencias y que llevan a preguntarnos: ¿cuál es la aportación que podemos esperar de la utilización de los denominados “servicios climáticos”, para tomar mejores decisiones en la planificación y en la gestión de los SRH propensos a situaciones de sequía?

He de confesar que lo hago un poco forzado por el propósito que se hizo en el proyecto de investigación IMPREX, de que a su finalización divulgaríamos nuestras experiencias en algún foro que no fuera el habitual del ámbito científico (revistas académicas y científicas en lengua inglesa). Por ello, se nos planteó publicar nuestras contribuciones y resultados del proyecto en medios del sector del agua y en la lengua del país que alberga cada caso de estudio, por lo que nos pareció muy adecuado hacerlo en los blogs de iAgua.

Espero que este “empujón” nos haga descubrir y navegar una vía de transferencia tecnológica complementaria a las que estamos más acostumbrados a utilizar

Espero que este “empujón” que nos dan para tirarnos a esta piscina, nos haga descubrir y navegar una vía de transferencia tecnológica complementaria a las que estamos más acostumbrados a utilizar.

Antecedentes

La mayor parte de las cuencas españolas, al igual que muchas otras en el resto del mundo con condiciones climáticas similares a las de la cuenca del río Júcar, en el Este de España, se caracterizan por su aridez, un alto grado de explotación del recurso, una gran variabilidad espacial y también una gran variabilidad temporal (MIMAM, 2000). La alta irregularidad temporal hídrica hace que en la cuenca del Júcar se presenten de forma recurrente episodios de sequía extrema con duración plurianual (en ocasiones más de 4 años seguidos), así como también episodios de grandes precipitaciones y caudales extremos que producen inundaciones catastróficas. Y, paradójicamente, las inundaciones pueden estar insertas en un episodio de sequía sin que sirvan necesariamente para poner fin al mismo.

De hecho, las sequías son los períodos que condicionan en mayor medida los resultados de los análisis que se realizan para tomar decisiones sobre:

  • las asignaciones de recursos en los planes de cuenca y a las medidas para la reducción de la vulnerabilidad del SRH (primer horizonte de los planes de cuenca).
  • Las medidas de mitigación y adaptación al cambio climático (CC) (segundo horizonte de los planes de cuenca).
  • la asignación del recurso en el corto-medio plazo en las Comisiones de Desembalse (Gestión del recurso).
  • las decisiones adoptadas por las Comisiones Permanentes de Sequía cuando son constituidas para ello (corto-medio plazo) (Gestión de las sequías).

En la mayoría de cuencas españolas nos encontramos con una serie de elementos de una gran complejidad, no solo en cuanto a sus características físicas, sino también a las legales, sociales, económicas, y medioambientales

En muchas de estas cuencas, nos encontramos con una serie de elementos de regulación (embalses), transporte (canales y conducciones),  utilización (demandas), tratamiento (ETAPS, EDARS y Desalinizadoras) y restitución del agua, etc., de una gran complejidad: no solo en cuanto a sus características físicas, sino también a las legales, sociales, económicas, y medioambientales (por ejemplo, prioridades, cánones, tarifas, cuencas inter-comunitarias, zonas protegidas, etc.).

Durante varias décadas se han desarrollado para la cuenca del Júcar modelos y sistemas soportes de decisión (SSD), que permiten simular su comportamiento y la gestión de su SRH incorporando esas complejidades

Durante varias décadas, se han desarrollado para la cuenca del Júcar modelos y sistemas soportes de decisión (SSD), algunos de ellos mediante el entorno AQUATOOL (Andreu y otros 1996, 2009), que permiten simular el comportamiento de la cuenca y la gestión de su SRH incorporando esas complejidades (módulo SIMGES). Esto es así, no solo en la cuenca del Júcar, sino también en muchas otras cuencas españolas (Solera y otros, 2016).

La finalidad de estos SSD es simular de forma suficientemente detallada los caudales en ríos, almacenamientos en embalses, estados de acuíferos, suministro a los diferentes usuarios, etc., que se producirían para un horizonte futuro dado si se presentara un escenario hidro-meteorológico concreto, y unos determinados escenarios propuestos de usos, de demandas, y de medidas de actuación en general.

Adicionalmente, los modelos proporcionan indicadores que sintetizan los resultados para que estos resulten más útiles para la toma de decisiones (garantías de las demandas, cumplimiento de criterios de vulnerabilidad, cumplimientos de regímenes ecológicos, etc.), tal y como se requiere en la Instrucción de Planificación Hidrológica (IPH) (MARM-2008).

El modelo de gestión de la cuenca del Júcar usado en la actualidad, fue consensuado con los agentes de la cuenca en un interesante ejercicio de desarrollo participativo y de transparencia realizado en el año 2005

Es más, el modelo de gestión de la cuenca del Júcar usado en la actualidad, fue consensuado con los agentes de la cuenca en un interesante ejercicio de desarrollo participativo y de transparencia realizado en el año 2005, como resultado del cual, los agentes de la cuenca entienden que los mencionados modelos reproducen de forma aceptable el comportamiento de la cuenca y de su gestión (aunque siempre haya margen para mejoras) (Andreu y otros, 2009).

Por lo tanto, podemos decir que desde hace casi dos décadas la cuenca del Júcar dispone de un sistema soporte de decisión que permite estimar de forma bastante fiable, las consecuencias de un escenario hidrológico futuro (ya sea a largo plazo, o a medio-corto plazo). Si tuviéramos información perfecta sobre cuál va a ser el escenario hidrológico futuro, tanto en un caso como en otro, conoceríamos las consecuencias simulando con el modelo SIMGES. Es más, podríamos también determinar las decisiones óptimas utilizando el módulo OPTIGES.


Esquema del sistema de recursos hídricos de la cuenca del río Júcar modelado con el módulo SIMGES del entorno AQUATOOL elaborado en 2005.

Pero, como es bien sabido, una de las principales incertidumbres del análisis que se efectúa para la toma de decisiones en planificación y gestión de las cuencas y sus SRH, viene precisamente del desconocimiento del escenario hidro-meteorológico futuro que afrontará el SRH.

Tradicionalmente, ante la falta de previsiones adecuadas, en planificación (largo plazo) los escenarios hidro-meteorológicos futuros utilizados para el análisis del primer horizonte han sido las series históricas restituidas al régimen natural, ya sean procedentes de registros o de resultados de modelos precipitación-escorrentía.

Por otra parte, en la gestión del recurso (corto-medio plazo) se han utilizado años tipo (seco, normal, húmedo), o cualquier año que pudiera resultar interesante para testear por algún motivo determinado (por ejemplo, el año anterior), o también años selectos afectados por algún coeficiente (normalmente de minoración).

La cuantificación de la incertidumbre

Los resultados obtenidos sobre las consecuencias en los elementos del SRH mediante estos procedimientos tienen incertidumbres importantes debido al mencionado desconocimiento de la hidrología futura. La cuantificación de las mismas, en el caso del largo plazo (planificación), se realiza utilizando indicadores de garantía y vulnerabilidad obtenidos a través del análisis de los resultados de la serie histórica, lo cual, si esta es suficientemente larga, puede ser una aproximación aceptable.

En el cuenca del Júcar en el corto-medio plazo, se dispone de una metodología que permite una estimación más rigurosa de la incertidumbre

En el caso del corto-medio plazo, mediante el uso del sistema soporte de decisión utilizado en la cuenca del Júcar, se dispone de una metodología adicional que permite una estimación más rigurosa de la incertidumbre, y una cuantificación probabilística de la evolución de las variables hidrológicas y otros resultados para cualquier mes del escenario futuro en términos, por ejemplo, de probabilidades de déficit en el suministro de una determinada cuantía a una determinada demanda, o la probabilidad de superar un determinado volumen de agua almacenado en un determinado embalse.

Esta metodología fue especialmente utilizada durante la sequía extrema que sufrió la cuenca del Júcar en el período 2005-2008

Esta metodología, basada en generación sintética de series de caudales (Q) mediante modelos estocásticos ARMA y simulación múltiple (Sánchez Quispe, 1999; Sánchez Quispe y otros, 2001; Andreu y otros 2006), está incorporada al SSD con un módulo específico (SIMRISK) que realiza todo el proceso, y fue especialmente utilizada durante la sequía extrema que sufrió la cuenca del Júcar en el período 2005-2008, proporcionando información útil para las reuniones de la Comisión Permanente de la Sequía que se constituyó al efecto (Andreu y otros, 2013).

El cambio climático y las proyecciones climáticas

La evaluación del impacto del cambio climático (CC) en la cuenca del Júcar debe incluirse en las actualizaciones de los Planes Hidrológicos, según la Instrucción de Planificación Hidrológica (IPH) (MARM, 2008). Y, si bien ha habido multitud de estudios sobre el impacto  del CC sobre los recursos hídricos y sobre los elementos de las cuencas (ver Estrela y otros, 2012), en la práctica dicha evaluación se ha venido haciendo de forma simplificada aplicando coeficientes reductores a las aportaciones hidrológicas proporcionados por el Centro de Estudios Hidrográficos (CEH) del CEDEX, obtenidos con varios modelos globales y de regionalización para distintos escenarios de emisiones (Barranco y otros, 2018).

Cuando el análisis del impacto del cambio climático en las cuencas pase de ser informativo a tener que definir medidas específicas, los agentes de la cuenca estarán interesados en tener resultados a una escala de detalle adecuada

Es seguro que cuando el análisis del impacto del cambio climático en las cuencas pase de ser informativo, a tener que definir medidas específicas para la adaptación y mitigación en los sistemas de recursos hídricos, los agentes de la cuenca estarán interesados en tener resultados a una escala de detalle adecuada que les permita conocer cuáles son para sus intereses los impactos del cambio climático y las consecuencias de las medidas.

Por eso, en 2007, el IIAMA analizó el impacto del cambio climático en las demandas de la cuenca del Júcar de una forma más elaborada (Hernández Barrios, 2007). Cinco proyecciones climáticas de precipitación (P) y temperatura (T), -producidas por los modelos globales HadCM2y HadCM3 para los escenarios de emisiones del SRES (ICCP, 2000) y regionalizadas con el modelo PROMES (Gallardo y otros, 2001)-,  se utilizaron para producir proyecciones de caudales mediante el modelo de lluvia-escorrentía PATRICAL (Pérez Martín, 2005), y proyecciones de demandas agrícolas mediante el modelo CROPWAT (Clarke et al., 1998). A continuación, se simularon los cinco escenarios con el módulo SIMGES de AQUATOOL, y se pudieron comparar las garantías que se obtenían en las diferentes demandas para los diferentes escenarios de cambio climático, con las que se tenían en 2007.

El proyecto IMPREX​

El proyecto de investigación IMPREX (IMproving PRedictions and management of hydrological EXtremes) ha sido financiado por la Unión Europea (H2020-WATER-2014-2015, 641811), y en él han participado 23 socios de 9 países distintos.

Entre los socios se encuentran reputadas instituciones proveedoras de servicios climáticos como el KNMI (Royal Netherlands Meteorological Institute), que además coordina el proyecto, el ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) y el SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute), entre otros. Otros socios somos instituciones o empresas interesadas en la aplicación de los datos proporcionados en distintos sectores del agua contemplados en el proyecto, como son la predicción de inundaciones por crecidas y evaluación del riesgo, la energía hidroeléctrica, el transporte fluvial, el agua urbana, la economía del agua, y la agricultura y las sequías.  En este análisis sectorial, así como en la integración de todos ellos, el IIAMA-UPV ha participado utilizando como caso de estudio la cuenca del río Júcar.

Los objetivos que el equipo del IIAMA-UPV se marcó en el proyecto IMPREX para el caso de estudio de la cuenca del Júcar en la faceta de sequías fueron básicamente:

  1. Mejorar la estimación de la fiabilidad y vulnerabilidad del SRH a largo plazo en condiciones de cambio climático mediante la incorporación de mejores predicciones climáticas de P y de T (escenarios climáticos).
  2. Mejorar la estimación del riesgo de sequía a corto plazo y de la efectividad de las medidas de mitigación en la gestión a corto-medio plazo del SRH mediante la incorporación de mejores predicciones estacionales de P y de T.

La interacción en el proyecto IMPREX con los proveedores de servicios climáticos ha contribuido a un mejor conocimiento de los métodos utilizados por estos

La interacción en el proyecto IMPREX con los proveedores de servicios climáticos ha sido muy interesante, y ha contribuido en gran medida a un mejor conocimiento, por nuestra parte, de los métodos utilizados por estos, y de las virtudes y defectos de los resultados que obtienen, contribuyendo a un mejor diseño de metodologías que podemos emplear para el aprovechamiento de los datos que nos proporcionan.

A continuación se sintetizan, en la medida de lo posible, los principales rasgos de estas propuestas metodológicas para los objetivos formulados.

Metodología para la estimación del impacto del cambio climático

En este apartado se han utilizado 9 proyecciones de cambio climático de P y T proporcionadas por el SMHI, 5 de ellas correspondientes a la “senda representativa de concentraciones” RCP 4.5 y 4 a la RCP 8.5, y se procedió a la verificación de su validez para las 5 subcuencas de la cuenca del Júcar donde se necesitan datos para los modelos de gestión.

En el estudio se tomaron como período de referencia el 1980-2000, incorporando así el “efecto 80” y como períodos futuros los comprendidos entre 2011-2040, 2041-207 y 2071-2098”

Para ello se tomó como período de referencia el 1980-2000, incorporando así el “efecto 80” (reducción brusca de aportaciones observada en la cuenca del Júcar, así como en otras cuencas mediterráneas) y como períodos futuros los comprendidos entre 2011-2040, 2041-207 y 2071-2098. Y al comparar con los datos de la base de datos SPAIN-02 (Herrera et al., 2016) se constató la necesidad de una corrección del sesgo de las variables P y T en las cinco subcuencas, y se realizó mediante la técnica de “ajuste de cuantiles” QM (Li et al., 2010).

A continuación se  procedió a la modelación hidrológica precipitación-escorrentía con el modelo HBV del módulo EVALHID (Paredes y otros, 2017) del entorno AQUATOOL, (calibrado satisfactoriamente con datos históricos), obteniendo así 9 proyecciones de caudales para los períodos futuros. A partir de ellos, se probaron dos alternativas de “cadenas de modelos” para la estimación del impacto del cambio climático:

  1.  Simulación con el módulo SIMGES del entorno AQUATOOL de cada una de las 9 proyecciones de caudales obtenidas para la evaluación directa del impacto del cambio climático en los elementos de la cuenca del Júcar y posterior estimación de estadísticas de las mismas.
  2. Uso del conjunto de las 9 proyecciones para estimar sus medias en cada uno de los períodos futuros, y utilización de esta media en un modelo estocástico AR(1) multivariado - calibrado con la serie histórica mediante el módulo MASHWIN del entorno AQUATOOL- en el que los demás parámetros relacionados con la dependencia temporal y espacial, se  mantienen iguales a los de la serie histórica para preservar las características relacionadas con las sequías. Este hecho es muy importante ya que, como ya se mencionó arriba, estas condicionan los resultados y por tanto las decisiones. El mismo módulo genera múltiples series sintéticas y a continuación se aplica el módulo SIMRISK del entorno AQUATOOL, que las simula y analiza sus resultados, proporcionando estimaciones probabilísticas de todas las variables de interés para los distintos elementos del SRH, así como de los indicadores de garantía y vulnerabilidad.

Después de analizar los resultados obtenidos con una y otra alternativa, se descartó la alternativa A puesto que no preservaba de forma adecuada las características de sequía de las series históricas, tendiendo a subestimar su duración, intensidad y magnitud, por lo que se propone utilizar la alternativa B.

Después de analizar los resultados obtenidos se propone utilizar la alternativa B porque mejora la cuantificación de la incertidumbre en términos probabilísticos

Por tanto, consideramos que la metodología propuesta es la más adecuada, ya que supone un método sencillo, que es una extensión de un método muy utilizado hasta ahora en los planes (afección de la media), pero que mejora la cuantificación de la incertidumbre en términos probabilísticos al no usar una serie única (serie histórica), sino un gran número de ellas generadas sintéticamente. Un resultado interesante sería, por ejemplo, la evolución del indicador de sequía estructural que se define en los Planes Especiales de Sequía, pero además con la estimación de las incertidumbres en términos probabilísticos.


Esquema de la alternativa propuesta para la estimación del impacto del cambio climático.

Metodología para la estimación del riesgo de sequía incorporando las predicciones estacionales

En la metodología actualmente en uso para la estimación de riesgo de sequía en el corto-medio plazo -descrita en el apartado de antecedentes-, no se utilizan las predicciones estacionales de P y T. Si bien estas están disponibles desde hace unos años, se definen de una forma muy simplificada y con una fiabilidad relativamente baja, por lo que su uso ha sido más bien como información complementaria a la que se obtiene con la metodología de estimación de riesgo, basada solamente en la información de los caudales precedentes.

Nuestro objetivo en IMPREX era la incorporación de las predicciones en el proceso de estimación de riesgo de sequía para mejorar dicha estimación y reducir las incertidumbres

Nuestro objetivo en IMPREX era la incorporación de las predicciones en el proceso de estimación de riesgo de sequía para mejorar dicha estimación y en le medida de lo posible, reducir las incertidumbres.

Para ello, en IMPREX seguimos varias líneas, al igual que en el caso anterior. Una de las primeras líneas exploradas fue la utilización directa de pronósticos estacionales de caudales proporcionados por los socios del proyecto del grupo de los proveedores de servicios climáticos. Pero tuvimos que descartar esa alternativa, tras comprobar que dichas predicciones no preservaban las características estadísticas de las series históricas de caudales en las subcuencas del Júcar (por ejemplo, las medias mensuales), y que el tema no podía resolverse simplemente con una corrección de sesgo. Una de las principales causas es que los modelos hidrológicos de precipitación-escorrentía que utilizaban eran muy generales y no capturaban determinadas relaciones complejas existentes en la cuenca del Júcar (por ejemplo, la relaciones entre aguas superficiales y aguas subterráneas). Por lo tanto se descartó pronto esta línea.

Los modelos aportados por el ECWNF nos permiten realizar mejores predicciones que los que nos proporcionaba un modelo estocástico autorregresivo

El ECMWF nos proporcionó predicciones estacionales de P y T para horizontes de 7 meses (con un conjunto de 15 miembros en cada predicción emitida el primer día de cada mes) obtenidas son el modelo climático Sys4 (Molteni et al., 2011). Después de corregir el sesgo de las mismas mediante la técnica de “ajuste de cuantiles” (QM) mencionada en el apartado anterior, analizamos la pericia de las predicciones mediante tablas de contingencia y llegamos a la conclusión de que eran mejores predicciones que las que nos proporcionaba un modelo estocástico autorregresivo de predicción de P basado únicamente en observaciones de P anteriores (Madrigal, 2019).

A continuación estudiamos dos alternativas para la incorporación de estas predicciones en la estimación del riesgo de sequías, y las comparamos con la metodología actualmente en uso basada, como ya se ha dicho en los antecedentes,  en un modelo estocástico ARMA de predicción de Q:

  1. La primera alternativa fue el uso de cada una de las 15 predicciones estacionales de P y T para la modelación hidrológica precipitación-escorrentía con el modelo HBV del módulo EVALHID del entorno AQUATOOL, que, como ya se ha dicho antes, ha sido calibrado satisfactoriamente con datos históricos para la cuenca del Júcar. De esta forma obtenemos un conjunto de 15 pronósticos de caudales para el horizonte futuro de 7 meses.
  2. La segunda alternativa fue la incorporación de las predicciones de P y T como variables externas en un modelo estocástico ARMAX. Durante el diseño y calibración del modelo ARMAX se llegó a la conclusión de incorporar únicamente las predicciones de P para el primer mes, ya que son las que tienen una mayor pericia predictiva, y no incorporar las predicciones de T ya que no resultaban relevantes. A continuación, se pueden generar múltiples series sintéticas con el modelo estocástico ARMAX calibrado, y estas pueden alimentar el módulo SIMRISK del entorno AQUATOOL, que las simula y analiza sus resultados, proporcionando estimaciones probabilísticas de todas las variables de interés para los distintos elementos del SRH, así como de sequía estructural utilizados en el PES.

De la comparación de estas dos alternativas junto con la metodología actual, se concluye que aportan resultados muy similares en cuanto a las diferencias con las observaciones históricas, aunque se propone utilizar la alternativa B

De la comparación de estas dos alternativas junto con la metodología actual se concluye que proporcionan resultados muy similares en cuanto a las diferencias con las observaciones históricas, pero se propone utilizar la alternativa B, ya que sus resultados caen en general del lado de la seguridad (son menos optimistas), lo cual para la toma de decisiones en gestión de sequías es más recomendable. Además, tiene la ventaja adicional de que en la alternativa A se dispone solo de 15 predicciones de Q para el horizonte de 7 meses, mientras que con la alternativa B se pueden generar cientos, con lo que el análisis probabilístico es más fino.


Esquema de la alternativa propuesta para la estimación de riesgo de sequía en el corto-medio plazo.

Resumen y conclusiones

Las metodologías actualmente en uso en la cuenca del río Júcar para la estimación de los impactos del cambio climático en los planes de cuenca (largo plazo) y para la estimación del riesgo de sequía en la gestión a corto-medio plazo, no incorporan de forma explícita la información que pueden proporcionar hoy en día los servicios climáticos, ya sea en forma de proyecciones climáticas en el largo plazo, o en forma de predicciones estacionales en el corto-medio plazo.

En el proyecto IMPREX se han propuesto nuevas metodologías capaces de mejorar los resultados y estimar y reducir las incertidumbres, proporcionando una información más útil para la toma de decisiones

En el proyecto IMPREX se han investigado diferentes posibilidades para la incorporación de dicha información y se ha propuesto una nueva metodología para cada uno de los dos casos, después de comprobar que son capaces de mejorar los resultados y estimar y reducir las incertidumbres, proporcionando una información más útil para la toma de decisiones en el proceso de planificación y en la gestión cotidiana de la cuenca y su sistema de recursos hídricos.

Las metodologías propuestas y desarrolladas en el proyecto IMPREX, pueden aplicarse en el entorno AQUATOOL

Estas metodologías constituyen una extensión natural de las que se utilizan actualmente, por lo que son compatibles con las mismas y pueden aplicarse mediante la utilización del sistema soporte de decisión actualmente en uso, desarrollado en el entorno AQUATOOL. Por lo tanto, la transferibilidad de estas metodologías a otras cuencas españolas es viable, pues muchas de ellas disponen de SSD desarrollados en dicho entorno (Solera y otros, 2013).

Es de esperar que a medida que los servicios climáticos obtengan predicciones con más pericia (skill), así como una mayor facilidad de acceso a las mismas, estas metodologías irán siendo implantadas a medida que los agentes vayan ganando confianza en los resultados que proporcionan.

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