6CFE01-294
2/9 Caudales ecológicos y cambio climático en la Cuenca del río Ebro ESCOLANO CLUSA, L.A. 1 y ALCÁZAR MONTERO, J. 1 1 Departamento de Medio Ambiente y Ciencias del Suelo, Universitat de Lleida. Resumen Durante las últimas décadas, el establecimiento de caudales ecológicos se ha convertido en uno de los principales problemas en la gestión de los recursos hídricos, especialmente en los países mediterráneos. Este hecho se ha reflejado en las numerosas metodologías que han sido desarrolladas para establecer los caudales ecológicos en ríos regulados. El método del Caudal Básico de Mantenimiento (BFM) es una metodología hidrológica utilizada para establecer los regímenes de caudales ambientales para la regulación de ríos, que está siendo ampliamente aceptado en España. El cambio climático es una de las mayores amenazas a las que se enfrenta el planeta, provocando efectos de diferente magnitud en la escala regional y local. El propósito de este estudio es analizar la evolución durante las últimas décadas de la estimación del régimen ambiental de caudales de un río mediterráneo (la Cuenca del río Ebro) con el BFM. Las series hidrológicas de los caudales medios diarios de estaciones de aforo seleccionadas por su baja o nula alteración hidrológica fueron utilizadas como la base de datos para su análisis. Los resultados han sido comparados con un indicador del clima (precipitación) para buscar relaciones entre las tendencias en el cambio climático y en los caudales ecológicos calculados por esta metodología. Palabras clave Caudales ecológicos, cambio climático, caudal básico de mantenimiento, río Ebro. 1. Introducción El agua existente en la naturaleza es constante, por el principio de conservación de la masa, constituyendo un ciclo donde pasa continuamente de estado líquido o sólido a vapor y viceversa. Por otro lado, el clima es el encargado de gobernar este ciclo, y por tanto, los cambios climáticos provocan necesariamente cambios en el tiempo y en el espacio de los recursos hídricos disponibles. La sensibilidad de los recursos hídricos a la disminución de la precipitación es muy alta, principalmente en las zonas con precipitaciones bajas (áreas semiáridas). Cambios en la precipitación condicionan la cantidad y características de las escorrentías. Dado que solo se produce escorrentía cuando el suelo tiene excedentes, o bien la intensidad de precipitación es superior a la capacidad de infiltración, hay que admitir que la distribución temporal y el régimen de las precipitaciones incide sobre la generación de escorrentía tanto o más que el volumen de precipitación en sí mismo (MMA, 2005). En determinadas áreas principalmente de ambientes mediterráneos, el efecto del cambio climático en los últimos años ha provocado una reducción del volumen de agua en las cuencas
3/9 que en algunos casos puede tener consecuencias catastróficas. Por ello, el establecimiento de caudales ecológicos se ha convertido en uno de los principales instrumentos en la gestión de los recursos hídricos. De las numerosas metodologías existentes que han sido elaboradas para establecer caudales ecológicos en ríos regulados, destaca el método del Caudal Básico de Mantenimiento (BFM) por ser ampliamente aceptado en España. La variación de los recursos hídricos a consecuencia del cambio climático está condicionada por la influencia de otros sectores también afectados por el cambio climático. A su vez los cambios que se producen en los recursos hídricos afectan a muchos otros sectores de una forma importante, siendo clara y notable en los ecosistemas acuáticos y continentales, en la biodiversidad animal y vegetal, en los sectores agrícola, forestal, energético y turístico, en la salud humana y en los riesgos naturales de origen climático. En la estimación de recursos hídricos a consecuencia del posible cambio climático existen incertidumbres inherentes tanto a los datos de base, como al proceso de generación de recursos, considerando los primeros de mayor importancia relativa. Se destacan entre estas incertidumbres los escenarios previsibles, la distribución espacial y temporal de la precipitación, el comportamiento del uso y cubierta del suelo y la recarga de acuíferos y las limitaciones de los modelos de simulación. 2. Objetivos El objetivo del estudio es analizar las tendencias durante las últimas décadas de la estimación del régimen ambiental de caudales de distintos ríos mediterráneos pertenecientes a la Cuenca Hidrográfica del Ebro por el método del Caudal Básico de Mantenimiento, con el fin de identificar cambios en la cantidad y disponibilidad de recursos hídricos en los últimos 30 años. Los resultados se comparan con un indicador de clima (precipitación), para establecer posibles relaciones entre las variaciones del régimen de caudales ambientales en la Cuenca del Ebro (si es que las hubiera) en función de variaciones producidas por el cambio climático. 3. Metodología La zona objeto del estudio es la Cuenca del Ebro, se encuentra situada en el cuadrante NE de la Península Ibérica y ocupa una superficie total de 85.362 Km 2. Es la cuenca hidrográfica más extensa de España, y sus límites naturales son: por el N los montes Cantábricos y los Pirineos, por el SE el Sistema Ibérico y por el E la cadena Costero- Catalana. Está drenada por el río Ebro que discurre en sentido NO-SE, con una longitud total de 910 km, y siendo el río más caudaloso de España, presentando un caudal medio en su desembocadura de unos 430 m 3 /s (www.chebro.es). Dentro de la cuenca del Ebro existen 248 estaciones de aforo (EAs) con registros de caudales diarios, y aproximadamente 1700 estaciones meteorológicas que recogen en su mayoría datos de temperatura y/o precipitación. Para conseguir los objetivos marcados es necesario realizar una selección de las estaciones de aforo que estén sometidas a un régimen natural de caudales, en funcionamiento en la actualidad y representativos del mayor número posible de ríos (tabla 1).
4/9 Tabla 1. Características generales y localización de los puntos de aforo seleccionados (EA: Estación de Aforo) Nº EA RÍO POBLACIÓN ALT. (m) COORDENADAS UTM PERÍODO ESTUDIO X Y 3 Ega Andosilla 300 586038,875 4692890,5 1976-07 4 Arga Peralta 485 598641,688 4686380,5 1976-07 6 Ega Marañón 630 545858,500 4719917,0 1976-06 7 Jalón Cetina 670 586703,188 4572450,0 1976-04 8 Piedra Nuevalos 414 601383,500 4561836,5 1976-07 21 Segre Puigcerda 1125 906058,125 4708846,5 1976-05 22 Valira Seo de Urgel 680 866536,438 4699086,5 1976-07 30 Guadalope Santolea 670 722485,688 4513192,0 1976-06 33 Alcanadre P. de Alcofea 310 737897,813 4643958,0 1978-07 40 Ara Boltaña 680 753493,563 4702927,5 1976-07 41 Pancrudo Navarrete 904 646521,188 4532369,0 1976-07 43 Linares S. P. Manrique 1060 564246,000 4652197,0 1976-06 44 Cidacos Yanguas 940 555305,688 4661730,0 1976-06 46 Vero L. de Barcabo 630 750685,125 4678382,5 1976-06 47 Isábena Capella 485 780129,813 4676778,5 1976-07 56 Mesa Jaraba 750 594014,875 4560681,5 1976-07 57 Deza Embid Ariza 782 584624,938 4582195,0 1976-07 58 Jalón Jubera 895 555462,813 4561055,5 1976-07 62 Veral Binies 650 679212,875 4722029,0 1976-07 63 Esca Sigues 510 663000,000 4722000,0 1976-07 64 Salazar Aspurz 547 650692,250 4730936,0 1976-07 65 Irati Liedana 412 641096,688 4719786,0 1976-07 67 Ulzama Olave 465 613727,063 4749502,5 1976-07 71 Ega Estella 425 579069,500 4724771,5 1976-07 78 Cemborain Arinoain 490 611623,563 4717227,5 1976-06 79 Erro Arroz-Villa 483 627179,375 4737020,5 1976-05 80 Veral Zuriza 1187 678226,813 4748244,5 1976-05 85 Ubagua Riezu 481 585084,813 4735513,5 1976-06 86 Zidacos Barasoain 494 610872,813 4717646,5 1976-06 88 Fortanete Pitarque 990 703227,125 4500780,0 1976-05 91 Alcanadre Lascellas 390 738738,125 4663404,5 1976-07 93 Oca Oña 570 465605,438 4731644,5 1976-07 95 Vero Barbastro 320 762583,438 4654393,0 1976-07 100 Guadalopillo Berge 700 717129,313 4526304,0 1976-05 110 Pena Beceite 627 764084,625 4521341,5 1976-05 111 Segre Orgaña 542 857824,313 4682459,0 1976-07 113 Figuerales Valderrobres 680 763048,938 4521617,5 1976-05 123 Gallego Anzanigo 570 693327,813 4697443,0 1976-07 127 Martin Alcaine 585 693152,313 4535556,5 1976-07 129 Ortiz Tranquera C.E. 680 602562,875 4562651,0 1976-05 135 Tor Alins 1059 855658,875 4720469,0 1976-07 148 Sallent Coll Nargo 530 855324,500 4677229,0 1976-05 150 Salado Estenoz 480 587836,938 4733388,0 1976-05 153 Algas H. de San Juan 418 775989,875 4538701,5 1976-05 154 Tastavins Peñarroya 677 755325,688 4514299,0 1976-05 155 A. de Luesia Biota 470 649564,750 4681017,5 1976-07 157 Glera Azarrulla 919 497105,000 4679160,0 1976-07 158 Tiron S.M. Pedroso 810 482615,406 4694425,0 1976-07 165 Bayas Miranda 453 505836,375 4726133,0 1976-07 170 Aragón Yesa 423 664807,688 4719318,5 1976-07 177 Algas Batea 217 769529,750 4555829,5 1976-06 187 Arba de Biel Erla 390 669798,688 4664545,5 1976-07 189 Oroncillo Oron 469 501731,875 4724608,5 1976-07 190 Flumen Quicena 465 719091,313 4669429,5 1978-07 197 Leza Leza 517 548742,813 4686731,5 1976-07 221 Subialde Larrinoa 609 522009,406 4757542,0 1978-05
5/9 En el análisis del régimen de caudales ambientales se ha tomado como fuente de información la página web de la Oficina de Planificación Hidrológica de la Confederación Hidrográfica del Ebro (www.oph.chebro.es). El método del Caudal Básico de Mantenimiento es un método hidrológico que ha sido desarrollado en la Universitat de Lleida (PALAU, 1994; PALAU & ALCÁZAR, 1996; PALAU et al., 1998, SÁNCHEZ, 2000). Se basa en el estudio de las series temporales de caudales, mediante la utilización de medias móviles que permite el reconocimiento de irregularidades o discontinuidades a lo largo de las series. De los principales parámetros en los que se centra el método se consideran los siguientes en el trabajo: El caudal básico, se define como el mínimo absoluto a mantener en el cauce. El caudal de mantenimiento, es el caudal mínimo que debe circular en el río a lo largo del tiempo. El caudal generador se define como el equivalente a la avenida ordinaria más probable, y por tanto, se determina estadísticamente. Para analizar la tendencia temporal durante el periodo de estudio se realiza un análisis de regresión lineal utilizando el método de mínimos cuadrados sobre los valores calculados de los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento y aplicando un nivel de confianza del 95%. El valor de la pendiente de la recta de regresión de los valores de los parámetros considerados indica el cambio o tendencia de variación de cada parámetro durante el periodo de estudio. En caso de producirse p-valores por encima del límite 0,05 se considera pendiente nula y se entiende que no existe significación (tendencia de variación en el tiempo) para la variable. Sobre los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento se realiza un análisis espacial para la búsqueda de patrones o regiones que contengan estaciones con similares características en la evolución en el tiempo para el periodo considerado. Para ello, se ejecuta un análisis de componentes principales (ACP) sobre los valores de los estimadores de las pendientes obtenidas del análisis de la tendencia temporal para identificar todos los ejes principales o combinaciones de variables que expliquen las diferencias y afinidades entre las estaciones. Estos ejes (eigenvalues) se utilizan como las nuevas variables en un posterior análisis tipo cluster por el procedimiento de Ward (WARD, 1963) para agrupar las estaciones en bloques con similares características en la tendencia de variación en el tiempo. Como se observa en la figura 1, las estaciones de aforo seleccionadas se trasladan a una escala espacial asignando cada estación con su cuenca vertiente (unidad geográfica de análisis). Finalmente, se relacionan los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento con la variable climática de precipitación superponiendo ambos patrones espaciales y analizando los resultados a través de tablas de contingencia. Para ello, se dispone de un análisis climático de precipitación en la zona de estudio realizado por Decuyper (2011).
6/9 Figura 1. Localización de las estaciones de aforo seleccionadas y sus cuencas vertientes. 4. Resultados y discusión En los resultados del análisis de la tendencia temporal de cambio de los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento para el periodo de estudio, se identifica que poco más de la mitad de las estaciones de aforo (aproximadamente el 56%) muestran tendencias de cambio en el tiempo (pendiente significativa cuando p-valor <0,05), de las cuales el 42% señalan tendencias negativas, y el 14% positivas. Los parámetros que muestran mayores cambios son el caudal de mantenimiento en julio y agosto (aproximadamente el 65% de las estaciones de aforo), en ambos casos se observa una disminución en los caudales de mantenimiento para dichos meses. Este hecho puede indicar que en estas estaciones foronómicas el periodo de estiaje se esté agravando con el paso del tiempo. En el caudal de mantenimiento en el mes de diciembre, se observa una tendencia al aumento en aproximadamente el 27% de las estaciones de aforo, lo que podría apoyar la teoría de que un posible incremento de temperaturas debido al cambio climático afectara a la época de deshielo, provocando un adelanto del periodo de caudales elevados y reduciendo la disponibilidad de agua en posteriores épocas del año (ARNELL, 1999b; POFF et al., 1996). Por otro lado, el caudal de mantenimiento en el mes de enero y el caudal generador, son los parámetros que experimentan menos cambios (aproximadamente el 55% de las estaciones de aforo). En los parámetros del caudal de mantenimiento para cada mes, se observan dos patrones diferenciados durante el año. El primero es que desde el mes de febrero hasta agosto en la gran mayoría de las estaciones se producen disminuciones en el caudal de mantenimiento (aproximadamente el 49% de las estaciones) y tan solo un aumento en el 9%. Este hecho concuerda con los resultados obtenidos por Decuyper (2011), y puede significar que en estas estaciones el periodo de estiaje que normalmente tiene lugar en verano se podría extender hacia la primavera. En cambio, desde el mes de septiembre hasta enero, dichos porcentajes se suavizan, produciéndose cambios negativos en aproximadamente el 33% de las estaciones de aforos y tendencias positivas en el 20%. Respecto al caudal básico se observa que aproximadamente en el 43% de las estaciones de aforo no existen cambios significativos, y en un 45% son tendencias negativas,
7/9 produciéndose cambios positivos en el 12%. Estos porcentajes son similares a los obtenidos para el caudal de mantenimiento medio. Por último, el caudal generador se mantiene sin cambios en prácticamente la mitad de las estaciones foronómicas (aproximadamente el 53%), experimenta tendencias negativas en el 27%, y positivas en el 20% restante. Al ejecutar el análisis de cluster sobre las nuevas variables obtenidas del análisis de componentes principales se identifican en un principio 9 clusters con un número desigual de EAs en cada uno. A continuación se describen las principales características de los clusters más representativos en cuanto a las tendencias de cambio en el tiempo de los diferentes parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento. El cluster 1 agrupa 5 EAs y se caracteriza por la disminución más acusada en el caudal generador. Las EAs aquí agrupadas también presentan ligeros descensos para el resto de los parámetros, siendo más marcado en el caudal de mantenimiento durante los meses de abril, mayo, junio y febrero. Se encuentra localizado en la parte noroeste de la cuenca (zona superior del Ebro) (figura 4). El cluster 2 agrupa a la mayoría de las EAs (36 EAs) y se caracteriza por mostrar suaves disminuciones e incrementos en todos los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento sin seguir un patrón determinado. En este grupo, los parámetros no presentan cambios significativos en prácticamente la mitad de las estaciones. Está distribuido principalmente por la margen derecha del Ebro y zonas de prepirineo (figura 4). El cluster 9 agrupa 2 EAs y se caracteriza por la disminución acusada en los caudales de mantenimiento durante los meses de junio y julio. La mayoría de los clusters que están formados por un reducido número de EAs, no se han descrito al no poseer un patrón determinado y caracterizarse por mínimas diferencias en algún parámetro del Caudal Básico de Mantenimiento (clusters 3, 4, 5, 6, 7 y 8). La superposición de los mapas con la localización espacial de los grupos identificados entre las variables del método del Caudal Básico de Mantenimiento y la climática (precipitación) se visualizan en las figuras 3 y 4. Figuras 3 y 4: A la izq. localización espacial de la variable de precipitación (Decuyper, 2011). A la derecha método del Caudal Básico de Mantenimiento. En el análisis de la superficie de solape entre ambos mapas (tabla de contingencia), se puede observar que algunos grupos del método del Caudal Básico de Mantenimiento están claramente identificados con un grupo de precipitación. Así, los grupos BFM1 y BFM6 están principalmente relacionados con el grupo P1, el grupo BFM4 lo está con el P3, y el grupo BFM7 con el grupo de precipitación P4. Todos los restantes grupos BFM están mayoritariamente asociados con el grupo de precipitación P2 (tabla 2).
8/9 Las principales relaciones identificadas en el método del Caudal Básico de Mantenimiento son: BFM1: Una reducción en la tendencia de la precipitación total en primavera y anual, es probablemente la causa de los ligeros descensos observados en la mayoría de los parámetros estudiados, siendo más marcado en el caudal de mantenimiento durante los meses de abril, mayo, junio y febrero. BFM2: Los pocos y suaves cambios significativos experimentados en todos los parámetros del caudal ambiental en esta agrupación de EAs, se encuentran relacionados con la ausencia de una tendencia de cambio general en los parámetros de precipitación. El resto de relaciones no se han descrito al no aparecer una relación clara y coherente entre variables. Por tanto, habría que estudiar las razones de esas diferencias a través del análisis de otros factores como la evolución de la vegetación. Tabla 2. Relación entre los grupos identificados para el método del Caudal Básico de Mantenimiento (BFM) y el parámetro climático de precipitación (P). Los valores indican el solape de áreas en km 2. BFM / P 1 2 3 4 5 6 7 8 1 559 98 0 313 215 0 201 314 2 704 6998 7 192 149 0 325 666 3 462 760 0 1 0 0 0 0 4 104 11 668 86 0 0 0 0 5 341 612 0 259 0 0 0 460 6 550 43 0 335 0 0 0 0 7 236 282 217 1202 482 0 0 59 8 466 1564 0 0 0 0 0 0 9 750 1481 0 0 0 0 466 0 5. Conclusiones Un elevado número de estaciones de aforo (aproximadamente el 56%) muestran tendencias de cambio en el tiempo, siendo en el 42% de las estaciones tendencias negativas, y tan solo en el 14% restante positivas. La disminución en la tendencia del caudal de mantenimiento desde el mes de febrero a agosto, siendo los meses de julio y agosto los que presentan cambios en mayor número de estaciones (aproximadamente el 65%) podría indicar que el periodo de estiaje se está extendiendo desde el verano afectando también a la primavera (DECUYPER, 2011), y además, se acreciente durante los meses de julio y agosto. El aumento en la tendencia del caudal de mantenimiento en el mes de diciembre podría corroborar la teoría de que un posible incremento de temperaturas debido al cambio climático afectara en la época de deshielo, provocando un adelanto del periodo de caudales elevados. Las cuencas que se caracterizan por la disminución más acusada en el caudal generador, que experimentan ligeros descensos en el resto de los parámetros y siendo más marcado en el caudal de mantenimiento durante los meses de abril, mayo, junio y febrero se localizan en la parte noroeste de la cuenca (zona superior del Ebro). En cambio, las cuencas que muestran suaves disminuciones e incrementos en todos los parámetros del método del Caudal Básico de Mantenimiento sin seguir un patrón determinado se encuentran distribuidas principalmente por la margen derecha del Ebro y zonas de prepirineo (figura 4).
9/9 Una reducción en la tendencia de la precipitación total tanto en primavera como anual, es probablemente la causa de los ligeros descensos de los parámetros estudiados, siendo más marcado en el caudal de mantenimiento durante los meses de abril, mayo, junio y febrero. Los pocos y suaves cambios significativos experimentados en todos los parámetros del caudal ambiental se encuentran relacionados con la ausencia de una tendencia de cambio general en los parámetros de precipitación. 6. Bibliografía ARNELL, N.W.; 1999B. A simple water balance model for the simulation of streamflow over a large geographic domain. Journal of Hydrology, 217:314-335. CONFEDERACIÓN HIDROGRÁFICA DEL EBRO. Descripción de la cuenca, datos básicos [en línea]. Disponible en Internet: http://www.chebro.es/contenido.visualizar.do?idcontenido=2745&idmenu=2167 DECUYPER, M.; 2011. Exploratory analysis of climatic data, fire occurrences and wáter regimes in a Mediterranean watershed. MSc Thesis. Thesis report GIRS-2011-17. Centre for Geo-Information. Wageningen University. Wageningen, The Netherlands. MMA; 2005. Ministerio de Medio Ambiente de España. Evaluación Preliminar de los Impactos en España por Efecto del Cambio Climático. Proyecto ECCE Informe Final. Centro de Publicaciones. ISBN 84-8320-303-0. 846 pp. OFICINA DE PLANIFICACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CONFEDERACIÓN HIDROGRÁFICA DEL EBRO (OPHCHE). Caudal en las estaciones de aforo [en línea]. Disponible en Internet: http://oph.chebro.es/documentacion/caudalea/caudalea.htm PALAU, A.; 1994. Los mal llamados caudales ecológicos. Bases para una propuesta de cálculo. Obra Pública 28 (Ríos II): 84-95. PALAU, A. & ALCÁZAR, J.; 1996. The Basic Flow: An alternative approach to calculate minimum environmental instream flows. Proc. 2 nd International Symposium on Habitat Hydraulics Ecohydraulics 2000. Vol. A: 547-558. Québec, Canadá. PALAU et al.; 1998. El Caudal Básico. Método para la Gestión Hidrobiológica de Ríos Regulados. Dep. Medio Ambiente y Ciencias del Suelo. Universidad de Lleida CEDEX. Lleida. POFF, N.L.; TOKAR, S.; JOHNSON, P.; 1996. Stream hydrological and ecological responses to climate change assessed with an artificial neural network. Limnology and Oceanography 41, 857-863. SÁNCHEZ, R.; 2000. El método del Caudal Básico. Análisis de criterios de cálculo y aplicación para la obtención de caudales ecológicos. DMACS. Universitat de Lleida. WARD, J.H.; 1963. Hierarchical grouping to optimize an objective function. J. American.