Análisis de las proyecciones de disponibilidad y necesidad de agua

Actas de las
IV Jornadas de Ingeniería del Agua
Análisis de las proyecciones de disponibilidad y
necesidad de agua en Europa bajo escenarios de
cambio climático
A. Granados, L. Garrote
Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente
Universidad Politécnica de Madrid. Escuela de Ingenieros de Caminos. 28040 Madrid
A. Iglesias
Departamento de Economía y Ciencias Sociales Agrarias
Universidad Politécnica de Madrid. Escuela de Ingenieros Agrónomos. 28040 Madrid
1. Introducción
Garantizar la disponibilidad de agua es una cuestión central en la gestión de los recursos
hídricos de cara al futuro. En muchas zonas de Europa el precario equilibrio entre los
recursos disponibles y las necesidades de agua puede romperse, entre otras causas, por las
alteraciones del régimen hidrológico inducidas por los cambios climáticos. Ya desde el
primer informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPPC, 1990) se
alertaba sobre el posible efecto del cambio climático en el ciclo hidrológico. Desde esa fecha
han sido muy numerosos los estudios que se han realizado para determinar el efecto de las
proyecciones climáticas sobre el ciclo hidrológico y los usos del agua (véase, por ejemplo
Jiménez-Cisneros et al., 2014). Sin embargo, la mayoría de estos estudios han ignorado un
elemento esencial en la determinación de la disponibilidad de agua: el efecto regulador
proporcionado por los embalses.
En muchas regiones del mundo la disponibilidad de agua queda determinada por la
posibilidad de regulación, que permite almacenar los excedentes en épocas de abundancia
para utilizarlos en épocas de escasez. En el Libro Blanco del Agua en España (MMA, 2000) se
realizó un estudio de la influencia de los embalses en la disponibilidad de agua en España,
concluyendo que la regulación ha permitido multiplicar por cuatro la disponibilidad de agua
en régimen natural. En un contexto de cambio climático el volumen de embalse puede jugar
un papel estratégico, ya que facilita la gestión de los recursos. González-Zeas et al. (2015)
presentaron un estudio del efecto de los embalses de regulación en la disponibilidad de agua
bajo cambio climático en España. Garrote et al. (2014) analizaron la futura disponibilidad de
agua para riego en la Europa Mediterránea bajo distintas estrategias de adaptación. En
ambos estudios se pudo comprobar que puede existir una gran diferencia entre la variación
unitaria de escorrentía y la variación unitaria de disponibilidad.
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En este trabajo se presenta una evaluación de los efectos del cambio climático sobre la
disponibilidad de agua en Europa, comparándola con las proyecciones de necesidad de agua
bajo distintos escenarios de cambio climático. El objetivo es realizar un análisis global,
estudiando las fuentes de incertidumbre y comparando sus efectos en las distintas regiones
climáticas de Europa para poder identificar las áreas que se encuentran en un mayor riesgo
relativo de escasez.
2. Metodología de evaluación de la disponibilidad de agua
2.1 Descripción del modelo
La disponibilidad de agua se ha evaluado mediante el modelo WAAPA (Water Availability
and Adaptation Policy Analysis), que calcula la disponibilidad de agua en los distintos puntos
de una red fluvial. El modelo trabaja a escala mensual y tiene en cuenta el efecto regulador
proporcionado por los embalses presentes en la cuenca. El algoritmo de cálculo se basa en la
rutina de simulación de la regulación de un conjunto de embalses que atienden una serie de
demandas priorizadas, respetando unos caudales ecológicos prefijados y teniendo en cuenta
las pérdidas por evaporación. Esta rutina se ejecuta reiteradamente hasta identificar la
máxima demanda que puede ser atendida según un criterio de garantía determinado. El
modelo puntual se aplica en distintos puntos de la red fluvial para determinar dos tipos de
disponibilidad: (1) la disponibilidad mínima (suponiendo la regulación y la demanda en su
emplazamiento real en la cuenca, sin coordinación entre los embalses en la gestión) y (2) la
disponibilidad con gestión coordinada de los embalses (suponiendo la regulación distribuida
y la demanda concentrada en el punto final). En los cálculos presentados en este trabajo se
ha utilizado un reparto uniforme de la demanda a lo largo del año y un criterio de garantía
volumétrica que ha variado entre el 95% y el 100%.
La demanda de agua se ha estimado a partir de los datos de abstracciones de agua por país y
tipo de consumo (abastecimiento, industria y regadío) publicados por el Banco Mundial. Los
valores agregados por país se han distribuido espacialmente tomando como indicador la
densidad de población para los usos de abastecimiento e industria y la superficie en regadío
para el uso agrícola. En el cálculo no se han considerado las abstracciones de aguas
subterráneas ni las destinadas a usos hidroeléctricos.
2.2 Ámbito de estudio y datos de partida
El área en estudio se presenta en la Figura 1. Comprende la mayor parte de las cuencas
fluviales de la Europa Occidental y abarca la totalidad de los países europeos excepto Rusia y
Ucrania, que se incluyen sólo parcialmente, totalizando una extensión de unos 6 millones de
2
km . El territorio se ha dividido en cuencas hidrográficas y éstas se han dividido en
subcuencas siguiendo la topología establecida en la base de datos “Hydro1K” (EROS, 2008).
2
En total se han considerado 1.260 subcuencas, con una extensión media de unos 5.000 km .
Los datos de capacidad de regulación se han obtenido de la base de datos del Comité
Internacional de Grandes Presas (ICOLD, 2003). Se han seleccionado las presas del inventario
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con un volumen de embalse igual o mayor que 5 hm . Estas presas se han georreferenciado
y se han tomado los datos de uso prioritario, capacidad máxima y superficie inundada
máxima. En el modelo sólo se han considerado las presas destinadas a regulación, eliminado
aquéllas dedicadas a un uso exclusivo de carácter hidroeléctrico.
Figura 1. Zona en estudio, presentando la división en cuencas y subcuencas
Los datos de población se han tomado del producto “Gridded Population of the World” del
Proyecto de Mapeo Global Urbano-Rural (GRUMP) del Centro para la Red Internacional de
Información Científica de la Tierra (CIESIN, 2008). Los datos de área potencialmente regable
se han tomado del mapa Global de Zonas Regadas (Doll y Siebert, 2000). Todos estos datos
se han ido agregando recursivamente por subcuencas hidrográficas, que son las unidades
básicas de computación.
2.3 Proyecciones hidrológicas y de demanda
Las proyecciones hidrológicas se han tomado de los resultados obtenidos mediante el
modelo PCRGLOBWB (van Beek y Bierkens, 2009) en el Proyecto de Comparación de
Modelos de Impacto Intersectoriales (Warszawski et al., 2014). PCRGLOWB es un modelo
hidrológico de balance de agua que está diseñado para ser usado a escala continental en
alta resolución. El modelo PCRGLOBWB se ejecutó para todo el mundo con una resolución
de 0,5º utilizando como entrada las series de precipitación y temperatura obtenidas
mediante cinco combinaciones de modelos climáticos globales y regionales en condiciones
históricas y en proyecciones de cambio climático correspondientes a cuatro escenarios de
emisiones del grupo “Itinerarios Representativos de Concentración” (Representative
Concentration Pathways): RCP2P6, RCP4P5, RCP6P0 y RCP8P5. Se utilizaron las siguientes
combinaciones de modelos climáticos: GFDL-ESM2NM, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A-LR,
MIROC-ESM-CHEM y NorESM1-M. Las simulaciones cubrían desde 1960 a 2100, y se
dividieron en tres periodos de cuatro décadas: histórico (1960-1999), corto plazo (20202059) y largo plazo (2060-2099). El modelo PCRGOBWB presenta unos resultados
globalmente buenos, pero para poder utilizarlo en modelos de gestión de recursos es
necesario corregir su sesgo. Por este motivo se modificaron las series mensuales en cada
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celda para hacer coincidir su media con la correspondiente al mapa compuesto de
escorrentía de la base de datos del UNH/GRDC, que combina caudales observados en ríos
con un modelo de balance de agua y constituye la mejor estimación disponible de
escorrentía media a escala mundial.
Las proyecciones de necesidad de agua se estimaron a partir de las proyecciones de los
indicadores socioeconómicos (población y producto interior bruto) mediante modelos de
regresión ajustados con los datos actuales. Los indicadores socioeconómicos se
proyectaron a los escenarios futuros siguiendo los modelos de desarrollo previstos en
cada uno de los cuatro escenarios de emisiones contemplados. Los modelos de regresión
permiten estimar la necesidad de agua a partir de los datos de población y producto
interior bruto.
3. Análisis de resultados
En este apartado se presentan los resultados obtenidos en el cálculo de disponibilidad y
necesidad de agua en las cuencas europeas. La disponibilidad de agua se ha calculado
empleando el modelo WAAPA en cada subcuenca. Para cada modelo climático se han
analizado nueve casos, que corresponden a la situación actual y a dos periodos (corto plazo y
largo plazo) para cada escenario de emisiones.
3.1 Disponibilidad de agua
En la figura 2 se presentan los resultados de disponibilidad de agua obtenidos en cada tramo
de río en las distintas hipótesis. La figura presenta la relación entre los valores obtenidos
para la disponibilidad de agua en el horizonte de largo plazo (2060-2099) y la disponibilidad
de agua en la situación actual (1960-1999) para los cuatro escenarios de emisiones
analizados con los cinco modelos climáticos empleados. La figura muestra un patrón general
de aumento de la disponibilidad de agua en el norte y reducción en el sur, aunque hay
grandes variaciones entre los distintos modelos y escenarios de emisiones, lo que indica que
hay una incertidumbre importante asociada tanto a los modelos empleados en el cálculo
como a los escenarios de emisiones. El modelo que presenta una mayor reducción de la
disponibilidad de agua es el HadGEM2 y el escenario donde la reducción de disponibilidad es
más acusada es el RCP8.5.
En la figura 3 se presenta la relación que existe entre la variación de escorrentía media anual
y la variación de disponibilidad de agua. La figura muestra la nube de puntos
correspondiente a los valores obtenidos comparando la situación actual (1960-1999) con el
horizonte de largo plazo (2060-2099) para cada una de las cuencas analizadas. Las cuencas
intermedias se representan mediante puntos azul claro, mientras que las cuencas totales
(que drenan al mar) se representan con puntos ligeramente mayores y más oscuros. Los
resultados muestran que existe una diferencia apreciable entre la variación de la escorrentía
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Figura 1. Cociente entre la disponibilidad de agua en el horizonte 2060-2099 y la situación actual
para los escenarios de emisiones RCP2.6 (columna izquierda), RCP4.5 (columna centro-izquierda),
RCP6.0 (columna centro-derecha) y RCP8.5 (columna derecha), calculado mediante los modelos GFDL
(fila superior), HadGEM2 (fila centro-superior), IPSL (fila central), MIROC (fila centro-inferior) y
NorESM1 (fila inferior).
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y la de la disponibilidad. Son frecuentes los casos en los que dichas variaciones tienen incluso
diferente signo.
Este comportamiento se explica porque además de modificarse las medias se modifican
otras características de las series hidrológicas, como por ejemplo la estacionalidad, la
variabilidad interanual o la persistencia. Esta diversidad de situaciones, unida a las
características específicas de cada cuenca (régimen hidrológico y capacidad de
almacenamiento) conducen a esta gran variedad de resultados.
Figura 3. Relación entre la variación (1960-1999 a 2060-2099) de la escorrentía media anual y la
disponibilidad de agua para los escenarios de emisiones RCP2.6 (columna izquierda), RCP4.5
(columna centro-izquierda), RCP6.0 (columna centro-derecha) y RCP8.5 (columna derecha), calculado
mediante los modelos GFDL (fila superior), HadGEM2 (fila centro-superior), IPSL (fila central), MIROC
(fila centro-inferior) y NorESM1 (fila inferior).
También se puede apreciar cómo cambian los resultados para los distintos escenarios de
emisiones. Como ya se ha mencionado, el escenario que presenta una reducción más
acusada de la escorrentía y disponibilidad es el RCP8 y el que presenta la mínima variación
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es el RCP2. Los resultados obtenidos con los distintos modelos climáticos presentan también
una variabilidad muy significativa. La diferencia de comportamiento debe atribuirse a las
distintas características de las proyecciones climáticas en cada escenario, ya que el cálculo
de la escorrentía se ha hecho en todos los casos con el mismo modelo hidrológico. Las
proyecciones del modelo MIROC son las que presentan una mayor dispersión de resultados
en las distintas cuencas, mientras que el modelo NorEsH1 es el que presenta resultados más
uniformes.
3.2 Necesidad de agua
Las proyecciones de las necesidades futuras de agua se han realizado aplicando los modelos
de comportamiento estimados para la situación actual. En consecuencia, estas proyecciones
deben entenderse como valores de referencia en ausencia de medidas específicas de
adaptación que puedan modificar las relaciones entre variables básicas. Los resultados
obtenidos en los dos horizontes de análisis se presentan en la figura 4. Dado que estas
proyecciones están basadas en dos indicadores socioeconómicos (población y producto
interior bruto) para los que está previsto un crecimiento sustancial en todos los escenarios
de emisiones, las necesidades de agua obtenidas en los horizontes futuros son superiores a
las necesidades actuales en todos los casos. En el horizonte de medio plazo las proyecciones
de todos los escenarios son similares, pero en el horizonte de medio plazo destacan los
incrementos de necesidad de agua en los escenarios RCP2 y RCP 4. Estos dos escenarios son
los que presentan un menor incremento de población, pero un mayor incremento del
producto interior bruto, lo que sugiere que este factor es más importante a la hora de
determinar el crecimiento de la demanda de agua con la metodología aplicada.
Figura 4. Relación entre la necesidad de agua en la situación actual (1960-1999) y la necesidad de
agua futura en el horizonte de medio plazo (2020-2059, fila superior) y en el horizonte de largo plazo
(2060-2099, fila inferior) para los escenarios de emisiones RCP2.6 (columna izquierda), RCP4.5
(columna centro-izquierda), RCP6.0 (columna centro-derecha) y RCP8.5 (columna derecha).
3.3 Comparación entre necesidad y disponibilidad de agua
La figura 5 permite apreciar la distribución territorial de la relación entre necesidad y
disponibilidad de agua en la situación actual (1960-1999) y en el horizonte de largo plazo
(2060-2099) para uno de los escenarios de emisiones (RCP4) y uno de los modelos de cálculo
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(GFDL). Puede apreciarse que hay un número importante de cuencas en las que las
necesidades de agua son comparables e incluso superan la disponibilidad. Esta circunstancia,
que se da en todos los escenarios y modelos, no implica necesariamente escasez, ya que la
necesidad se ha estimado a partir de las detracciones y con frecuencia los retornos permiten
la reutilización del agua. Sin embargo, indica que el equilibrio es ciertamente precario y
planteará problemas de gestión en un gran número de cuencas europeas. Hay cuencas muy
importantes, como la del Rin, que corren el riesgo de verse en situación de escasez,
especialmente en el horizonte de largo plazo.
Figura 5. Distribución territorial del cociente entre la necesidad y disponibilidad de agua en la
situación actual (1960-1999, izquierda) y el horizonte de largo plazo (2060-2099, derecha) para el
escenarios de emisiones RCP4.5 calculado mediante el modelo GFDL.
El análisis anterior se ha realizado suponiendo que no se adoptan medidas de adaptación al
cambio climático. Estas medidas suponen una modificación de las prácticas de la gestión del
agua para responder a los retos planteados por la variación de disponibilidad. Con objeto de
estimar en qué medida la adaptación al cambio climático puede corregir las tendencias
detectadas se ha realizado un nuevo juego de simulaciones modificando los criterios de
gestión del sistema. Se han planteado dos tipos de medidas de adaptación: centradas en la
oferta de recursos y centradas en la demanda de agua.
La adaptación basada en la oferta de recursos se ha simulado cambiando la estrategia de
gestión de los embalses de regulación. Se ha supuesto que se pasa de una estrategia de
gestión independiente de cada embalse a una estrategia de gestión coordinada de los
embalses de la cuenca. Esto equivale a integrar todas las demandas del territorio en un
único sistema de explotación. Para ello es necesario interconectar las demandas y las
distintas fuentes de suministro. Esta práctica, que ya se realiza en algunas cuencas de la
Europa Mediterránea, es más factible en cuencas de tamaño pequeño y mediano.
La adaptación basada en la demanda consiste en mejorar los sistemas de gestión y
gobernanza para conseguir que las demandas puedan satisfacerse con menos recursos.
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Desde el punto de vista de la modelación, esta estrategia se ha calculado reduciendo la
garantía necesaria del 100% al 95%. Si se ponen en marcha mecanismos de gestión, como
por ejemplo el intercambio de derechos de uso del agua, puede atenderse adecuadamente
un conjunto de demandas con menos recursos que si las demandas se atienden
individualmente.
Los resultados de aplicar estas dos medidas de adaptación independientemente y de forma
conjunta se presentan en la figura 6. Puede comprobarse que los problemas de escasez
causados por el cambio climático pueden reducirse e incluso anularse completamente en un
gran número de cuencas mediante la aplicación de las medidas de adaptación planteadas,
especialmente en el caso de las cuencas de Centroeuropa, donde el margen de actuación es
mayor.
Figura 6. Cociente entre la necesidad y disponibilidad de agua en el horizonte 2060-2099 para el
escenario de emisiones RCP4.5 calculado mediante el modelo GFDL, en tres hipótesis de adaptación:
con la implantación de adaptación en el suministro (izquierda), adaptación en la demanda (centro) y
adaptación en suministro y demanda (derecha).
5. Conclusiones
Se han presentado resultados de las proyecciones de disponibilidad y necesidad de agua en
numerosas cuencas de la Europa occidental. Los resultados muestran que muchas regiones
se encuentran en un equilibrio precario por la proximidad de los valores de disponibilidad y
necesidad y que localmente la necesidad puede llegar a ser muy superior a la disponibilidad.
La incertidumbre asociada a las proyecciones es relativamente elevada, si se comparan los
resultados con los distintos modelos en los diferentes escenarios de emisiones. Sin embargo,
es posible identificar las áreas de conflicto con facilidad, ya que todos los modelos coinciden
aproximadamente en la distribución territorial de los cambios. También se ha comprobado
que las medidas de adaptación podrían llegar a compensar la posible reducción de
disponibilidad, pero a costa de un esfuerzo significativo de gestión. Los resultados se pueden
aplicar para definir las políticas europeas de gestión del agua con el objetivo de garantizar la
disponibilidad del agua sin comprometer los servicios ecológicos y económicos del agua.
Agradecimientos
B.2.
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Este trabajo se integra en el proyecto europeo BASE “Bottom-Up Climate Adaptation
Strategies Towards a Sustainable Europe” financiado por la Comisión Europea en el
Séptimo Programa Marco: Los resultados del modelo PCRGLOBWB fueron proporcionados
por Laurens Bouwer y Hessel Winsemius, de Deltares.
Referencias
CIESIN (2008) Global Urban-Rural Mapping Project (GRUMP): Socioeconomic Data and
Applications
Center
(SEDAC),
Columbia
University,
Data
available
at:
http://sedac.ciesin.columbia.edu/gpw/
Döll P. y Siebert S. (2000) A digital global map of irrigated areas, ICID J., 49(2), 55–66, 2000
EROS, USGS (2008) HYDRO1k Elevation Derivative Database. Tech. rept. U.S. Geological Survey
Center
for
Earth
Resources
Observation
and
Science
(EROS).
http://eros.usgs.gov/products/elevation/hydro1k.html-97
Garrote L., Iglesias A., Granados A., Mediero L. y Martín-Carrasco F.J. (2015) Quantitative
Assessment of Climate Change Vulnerability of Irrigation Demands in Mediterranean Europe.
Water Resources Management 29, 325-338.
González-Zeas D., Garrote L., Iglesias A., Granados A. y Chávez-Jiménez A. (2015) Hydrologic
Determinants of Climate Change Impacts on Regulated Water Resources Systems. Water
Resources Management 29, 1933-1947.
ICOLD (2003) World Register of Dams. International Commission on Large Dams.
IPCC (1990) Climate Change. The IPCC Scientific Assessment. Cambridge University Press.
Jiménez-Cisneros B.E., Oki T., Arnell N.W., Benito G., Cogley J.G., Döll P., Jiang T. y Mwakalila
S.S. (2014) Freshwater resources. In: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and
Vulnerability, pp. 229-269. Cambridge University Press.
MMA (2000) El Libro Blanco del Agua en España. Ministerio de Medio Ambiente.
van Beek L.P.H. y Bierkens M.F.P. (2009) The Global Hydrological Model PCR-GLOBWB:
Conceptualization, Parameterization and Verification Utrecht University, Faculty of Earth
Sciences, Department of Physical Geography, Utrecht, The Netherlands.
Warszawski L., Frieler K., Huber V., Piontek F., Serdeczny O. y Schewe J. (2014) The InterSectoral Impact Model Intercomparison Project (ISI–MIP): Project framework. Proc Natl Acad
Sci USA 111:3228–3232
B.2.