Hydroeconomic modeling for sustainable water management of multiple uses and their adaptation to climate uncertainty

Abstract

El estrés hídrico y la degradación de la calidad del agua son problemas importantes en las cuencas fluviales de todo el mundo, lo que supone un desafío para alcanzar los objetivos de seguridad hídrica, alimentaria y energética, y de protección medioambiental. La escasez de agua, el crecimiento económico, el aumento de la población y los cambios en los patrones de uso del agua entre sectores con fuerte competencia y vulnerabilidad, han llevado a un enorme aumento de demanda de agua en las cuencas. Las proyecciones de cambio climático anticipan mayor variabilidad en el suministro de agua, aumento de temperaturas, y reducción de la disponibilidad de recursos hídricos, especialmente en cuencas áridas y semiáridas. Estos riesgos son importantes por lo que es necesario empezar a tomar medidas que hagan frente a los efectos del cambio climático. Un desafío específico es la elaboración de estrategias de gestión que asignen agua de manera eficiente entre sectores competitivos, que mejoren la calidad del agua, y que promuevan la resiliencia y adaptación climática en las próximas décadas. La contribución de esta investigación consiste en contribuir al diseño de una planificación hidráulica eficiente y equitativa en la cuenca del Ebro (España), que también pueda ser útil en otras cuencas con condiciones climáticas similares. La modelización hidroeconómica tiene un considerable potencial de apoyo a la toma de decisiones. La información que proporciona es esencial para el diseño, implementación y cumplimiento de planes de gestión de agua sostenibles y adaptados al cambio climático. Distintos estudios utilizan modelos hidroeconómicos para investigar problemas de asignación de agua, analizando las interacciones sectoriales y espaciales en las cuencas. Aunque ha habido avances generalizados en modelización hidroeconómica integrada en las últimas décadas, aún quedan por resolver distintas cuestiones en la literatura que deben abordarse. Frente a estas cuestiones pendientes, esta tesis pretende abordar algunos de estos desafíos mediante el desarrollo y aplicación de enfoques seleccionados de modelización hidroeconómica integrada incorporando análisis multisectoriales, y utilizando técnicas de optimización no lineal y estocástica. Los cuatro capítulos principales de esta tesis desarrollan enfoques metodológicos específicos para evaluar distintas estrategias de gestión de agua. El objetivo es mejorar la seguridad del suministro, recuperar la calidad del agua, y adaptar los sistemas de agua al cambio climático. La contaminación difusa de la agricultura es una fuente principal de degradación de la calidad del agua y de la contaminación de la atmósfera, como consecuencia del uso excesivo de fertilizantes en los cultivos y de las emisiones de la ganadería intensiva. Así, el primer artículo de la tesis “Capítulo 2: Hydroeconomic modeling for assessing water scarcity and agricultural pollution abatement policies in the Ebro River Basin, Spain”, analiza la escasez de agua y las interacciones entre la cantidad y la calidad del agua. Estos resultados se han utilizado para evaluar la eficiencia de una serie de medidas de adaptación de los recursos hídricos, y de mitigación de la carga de contaminación del agua y de la atmósfera, tanto en condiciones climáticas normales como de sequía. El estudio se basa en un modelo hidroeconómico integrado que se ha desarrollado y aplicado en la cuenca del Ebro. El modelo integra aspectos hidrológicos, biofísicos, económicos y de calidad del agua, capturando las principales interacciones espaciales y sectoriales en la cuenca. El modelo se ha validado mediante dos procedimientos de calibración: calibración hidrológica basada en los caudales observados, y calibración económica mediante programación matemática positiva (PMP). La inclusión de la calidad del agua es un tema de relevancia creciente, y solo existen unos pocos estudios de modelización hidroeconómica que analizan la calidad del agua. Los mensajes clave de este estudio son los siguientes: (1) las condiciones de sequía reducen la disponibilidad de agua y aumentan la concentración de nitratos en los tramos de los ríos de la cuenca y en la desembocadura del Ebro, lo que pone de relieve el balance entre la cantidad y la calidad del agua; (2) las políticas de mitigación y adaptación seleccionadas tienen un gran potencial para disminuir los impactos del cambio climático, mejorar la calidad del agua, reducir las emisiones de GEI y reducir los daños ambientales; (3) las políticas más eficientes son la optimización de la aplicación de nitrógeno reduciendo la fertilización excesiva, la sustitución de fertilizantes sintéticos por estiércoles, y la modernización del regadío. Esas políticas facilitan el logro de los objetivos de gestión sostenible del agua. La mejora de la eficiencia en la asignación de agua para enfrentar futuras condiciones de estrés climático es un gran desafío en muchas regiones del mundo, especialmente en áreas áridas y semiáridas. El segundo artículo, “Capítulo 3: Climate Adaptation Guidance: New Roles for Hydroeconomic Analysis”, desarrolla un marco de modelización innovador que integra la hidrología, la economía, el estrés climático y los compromisos institucionales para compartir el agua. Los resultados del modelo ilustran cómo las alternativas flexibles para compartir agua durante periodos de escasez pueden desempeñar una función informativa importante entre los grupos de interés para poder adaptarse al estrés climático. Este estudio muestra el potencial de diferentes políticas de distribución de agua para poder proporcionar asignaciones de agua eficientes en todos los sectores y ubicaciones espaciales, y así reducir las pérdidas económicas provocadas por los impactos del cambio climático. Se han identificado distintas políticas alternativas para la adaptación al estrés climático que facilite un uso sostenible de los recursos hídricos en el futuro. Los resultados muestran que los logros tanto de la política de mercados de agua sin restricciones, como de la política de distribución proporcional de la escasez suponen una motivación significativa de optimismo, que se hace más pronunciado al considerar el valor económico del agua adicional. Estos resultados ofrecen una información crítica para los responsables de la toma de decisiones, en relación a la evaluación del rendimiento y la eficiencia de las políticas. Esos valores económicos facilitan una comprensión más clara de los costes y beneficios de las políticas, proporcionando una valoración económica a los distintos patrones de intervención disponibles para la adaptación al estrés hídrico del cambio climático. La implementación de políticas económicamente eficientes para compartir agua, para poder hacer frente a la elevadaincertidumbre del estrés hídrico, va a tener un interés creciente en la protección de los recursos hídricos, y puede considerarsecomo una forma práctica de adaptación al impacto del estrés climático. En el tercer artículo, “Capítulo 4: Ecosystems in WEFE nexus planning enhance water security and biodiversity for climate resilience”, se presenta un análisis intersectorial del nexo WEFE. El trabajo desarrolla un marco de optimización integrado para abordar los riesgos climáticos futuros, con el fin de identificar estrategias de adaptación climática que sean asequibles. En el modelo se examinan los compromisos y sinergias entre sectores (agricultura, urbano, energía y ecosistemas) y ubicaciones espaciales, que se obtienen de las distintas estrategias de gestión bajo escenarios de cambio climático (CC-2070, CC-2100). Estos resultados proporcionan información sobre el alcance de las ganancias y pérdidas entre sectores y ubicaciones que generan las estrategias alternativas. La investigación ofrece información sobre las reasignaciones de agua no solo entre actividades económicas sino también sobre los caudales medioambientales, así como sobre los beneficios y costes de cada política en los sectores económicos y medioambiental. Los resultados de este capítulo muestran la capacidad de los modelos hidroeconómicos integrados para poder evaluar con precisión una amplia gama de sectores, escenarios de estrés hídrico climático, y opciones de políticas de gestión del agua. Esta evaluación integrada proporciona información detallada sobre: (1) el impacto espacio-temporal del cambio climático futuro en la hidrología, la producción agrícola y de energía, el consumo urbano, los caudales ambientales, y los resultados económicos; (2) las vulnerabilidades sectoriales y las pérdidas hidrológicas y económicas; y (3) el potencial de las estrategias seleccionadas para lograr la seguridad hídrica, alimentaria, energética y medioambiental, a la vez que se promueve un desarrollo sostenible. Esta información es crítica para poder diseñar políticas de adaptación al cambio climático que sean sostenibles. Abordar la vulnerabilidad climática futura en los sectores del agua es un tema que tiene un interés creciente en la investigación de los riesgos de sequía, y que permite diseñar e implementar estrategias de adaptación. En el último artículo, “Capítulo 5: Probabilistic cross-sectoral trade-offs assessments under climate stress for sustainable and equitable water planning”, se desarrolla un modelo hidroeconómico integrado para conseguir decisiones óptimas de asignación de agua bajo estrés climático futuro. El modelo evalúa los compromisos (trade-offs) probabilísticos entre usuarios de agua que compiten y son vulnerables a la escasez, así como entre las ubicaciones espaciales. La evaluación se realiza bajo diferentes políticas prioritarias de agua y distintos escenarios climáticos. En el modelo se utiliza la metodología de la programación dinámica dual estocástico (SDDP), que se ha empleado con éxito para resolver problemas de optimización con caudales estocásticos. La formulación de la programación estocástica permite evaluar los riesgos hidrológicos y económicos, y muestra las incertidumbres hidrológicas futuras vinculadas a cada política de asignación. El alcance de las ganancias y pérdidas de las intervenciones de política se mide en relación a las ubicaciones espaciales de los distritos de riego, los centros urbanos y las plantas hidroeléctricas. Esta información sirve para poder caracterizar mecanismos adecuados para lograr acuerdos equitativos de agua y de distribución de beneficios. Los resultados indican que la opción de prioridad agrícola promueve la seguridad alimentaria, pero aumenta la vulnerabilidad de la producción de energía en la cuenca baja, donde se ubican las principales centrales hidroeléctricas. Por el contrario, la opción de prioridad energética promueve la seguridad energética, pero aumenta la vulnerabilidad de la agricultura de regadío en la cuenca alta. El análisis de compromisos probabilísticos contribuye al diseño de estrategias de gestión del agua capaces de manejar los desafíos de una mayor vulnerabilidad del acceso al agua. También contribuye a implementar esquemas apropiados de distribución equitativa de beneficios, para lograr resultados que beneficien a todos los grupos de interés, y que aseguren niveles aceptables de seguridad alimentaria, energética y urbana en grandes cuencas fluviales.