Contribución de los Sistemas Soporte a la Decisión en los procesos evaporativos.

Contribución de los Sistemas Soporte a la Decisión en los procesos evaporativos. Aplicación a la Cuenca del río Barbate (Cádiz).

La cuenca del río Barbate, ubicada en la costa atlántica de Andalucía (Cádiz, España), se encuentra regulada superficialmente por tres embalses de nombres homónimos a los ríos en los que se ubican, Barbate (228 hm³), Celemín (45 hm³) y Almodóvar (5,7 hm³). Los dos últimos se proyectaron para llevar a cabo una regulación anual, ya que sus capacidades son equiparables a las aportaciones medias que reciben. En cambio, el embalse de Barbate tiene una capacidad de almacenamiento 2,5 veces superior a las aportaciones medias estimadas (86 hm³), lo que le permite una regulación plurianual y le confiere un carácter estratégico de cara al almacenamiento de recursos en años húmedos. Sin embargo, esta reserva se ve considerablemente mermada por los elevados procesos evaporativos que se producen desde la lámina de agua. En el período de 3 años 2013-2016, el volumen evaporado medio en el embalse de Barbate ha sido de 23 hm³/año, mientras que el suministrado para riego (único uso), ha sido de 45,6 hm³/año. Esto arroja una relación volumen evaporado/volumen suministrado superior a 0,5. Los Sistemas Soporte a la Decisión constituyen una potente herramienta de análisis y de definición de estrategias de gestión encaminadas al aumento en el volumen de recurso utilizable mediante la reducción de la evaporación en embalses y el uso conjunto de los recursos hídricos de la cuenca. En este estudio se recoge la definición de estrategias de gestión planteadas, los resultados respecto a la evaporación en la lámina de agua del embalse de Barbate, y la comparativa de estrategias.

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Se expone en este trabajo una síntesis de las labores de modelización numérica de la gestión integral de recursos hídricos en la cuenca del río Barbate. El área de estudio se ubica en la costa atlántica de Andalucía, en la provincia de Cádiz. Por su tamaño, unos 1.330 km², por la variedad en los elementos hidrológicos que la componen y ciertas características específicas que condicionan la gestión y explotación, constituye un buen caso de estudio para desarrollar e implementar metodologías de modelización numérica dirigidas a la optimización del uso conjunto de los recursos hídricos y conseguir de esta forma la satisfacción de las demandas actuales y futuras con el máximo de garantía, pero minimizando el impacto sobre el medio natural.

Aunque los esfuerzos realizados por las administraciones públicas han sido considerables en los últimos años (Agencia Andaluza del Agua, 2008a, 2008b, 2008c; Secretaría General de Agua, 2011 y 2013), el análisis integral de la cuenca del Barbate desde la perspectiva del uso conjunto de agua superficial y subterránea aún no ha sido llevado a cabo con el detalle suficiente. De modo que con este trabajo se pretende responder a la necesidad de ofrecer respuestas y soluciones, en términos de gestión, a los diferentes escenarios que se pueden plantear en el sistema de explotación, tanto en la gestión actual como con la incorporación de diferentes alternativas de gestión para un mejor aprovechamiento de los recursos hídricos, para la mejora del estado cuantitativo y cualitativo de las masas de agua subterráneas de la cuenca, así como para maximizar los índices de garantía de suministro de las demandas, todo ello a través de la reducción de la salida por evaporación directa desde embalses.

2. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA Y PROBLEMÁTICA HÍDRICA

El río principal de la cuenca es el río Barbate, con nacimiento en la Sierra del Aljibe y desembocadura en el océano Atlántico. Recibe por su margen izquierda las aportaciones de los ríos Celemín y Almodóvar. Los tres ríos se encuentran regulados por sus embalses homónimos, Barbate (228 hm³ de capacidad), Celemín (45 hm³) y Almodóvar (5,7 hm³). Por su margen derecha, el río Barbate recibe las aportaciones del río Álamo, éste sin regular. Dentro de la cuenca del Barbate podemos identificar dos subsistemas superficiales conectados entre sí. Por un lado, las cuencas vertientes de las presas del Barbate y Celemín y por el otro, la zona de influencia de la presa del Almodóvar, de extensión significativamente menor. La gestión de los embalses del Barbate y Celemín se lleva a cabo de manera conjunta para asegurar el regadío de unas 12.230 ha. Además, el sistema de compuertas instalado a lo largo de los casi 64 km de cauces naturales de los ríos Barbate y Celemín, originan que el río funcione como canal de distribución hacia las zonas de consumo. Por otro lado, el embalse de Almodóvar tiene una notoria importancia, ya que de éste depende el abastecimiento de la ciudad de Tarifa (18.000 habitantes). Además, cuando el volumen de agua embalsada es superior a 3 hm³, también se utiliza para el riego de 362,6 ha. Cuando el volumen en el embalse de Almodóvar es inferior, a través del “Canal de Churriana” se aportan recursos procedentes del subsistema Barbate-Celemín, elevando el agua hasta la zona regable.

Dentro de la cuenca del Barbate, se catalogan dos masas de agua subterránea (MAS), la del Barbate (062.013) y la de Benalup (062.014). Dentro de la MAS 062.013 (Barbate), y atendiendo a criterios litológicos e hidrogeológicos, se identifican 2 subsistemas acuíferos principales, ambos constituidos por calcarenitas miocenas, arenas pliocenas y cuaternarias y depósitos aluviales recientes. Por otro lado, la MAS de Benalup (062.014), está constituida por un único acuífero formado principalmente por calcarenitas miocenas y arenas miocenas y cuaternarias con una posición topográfica varias decenas de metros elevada sobre la red hidrográfica e hidráulicamente desconectada de ésta.

Figura 1: Red hidrográfica, embalses (azul oscuro) y masas de agua subterránea (azul claro). 

Los recursos de la cuenca se estiman en 247 hm³/año, de los cuales 25 proceden de agua subterránea y el resto de escorrentía superficial. Las demandas ascienden a un total de 101,7 hm³/año, de las que un 84% corresponden a demandas consuntivas (82 hm³/año para agricultura y 2,8 hm³/año para abastecimiento) y el 16% restante corresponde a caudales ecológicos (16,9 hm³/año).

Hasta la mitad del siglo pasado, en la cuenca baja se localizaba uno de los más importantes humedales de agua dulce del sur de Europa, la Laguna de “La Janda” que llegaba a superar los 50 km² de extensión. Los cambios en el uso del territorio y una política de gestión de los recursos hídricos dirigida exclusivamente al desarrollo agrícola condujeron a la desecación del humedal y a la pérdida de este importante patrimonio natural. Así, se construyeron las obras de regulación ya citadas y se acometieron obras de drenaje y canalización hacia el mar. El reducido tamaño de las cuencas de aportación de los embalses de Celemín y Almodóvar, condicionó el tamaño de ambas presas, que fueron dimensionadas para una regulación anual. En cambio, el embalse de Barbate fue diseñado con una capacidad de almacenamiento de 2,5 veces las aportaciones medias anuales estimadas (86 hm³), lo que le permite una regulación plurianual y le confiere un carácter estratégico de cara al almacenamiento de recursos en años húmedos. Sin embargo, esta reserva se ve considerablemente mermada por los intensos procesos evaporativos que se producen desde la lámina de agua. El valle en el que se asienta la presa del Barbate se caracteriza por su suave orografía, que condiciona una obra de características peculiares (longitud de dique 1.359 m, altura de dique 30 m, superficie inundada a máximo embalse 2.540 ha), lo que origina que sea muy proclive a los fenómenos evaporativos. Por otro lado, los embalses del Celemín y Almodóvar presentan vasos comparativamente más profundos y menos extendidos, lo que hace que a igualdad de almacenamiento, la superficie inundada sea menor (figura 2). Además, en la zona de estudio se produce con cierta frecuencia una situación meteorológica que favorece notablemente la evaporación especialmente en los periodos cálidos: el viento de levante, que puede alcanzar velocidades elevadas sostenidas durante periodos de hasta una semana y que suele estar ligado a periodos de escasa nubosidad (elevada radiación), incremento de temperatura y notable disminución de la humedad ambiental.

  Figura 2: Curvas volumen almacenado-superficie inundada en los embalses del Barbate, Celemín y Almodóvar.

Cabe destacar que además de la elevada pérdida de agua por evaporación, la gestión de la cuenca en su conjunto está condicionada por otros factores: i) las masas de agua subterráneas están catalogadas en el Plan Hidrológico del Guadalete-Barbate 2015-2021 (Junta de Andalucía, 2016), en mal estado cuantitativo y cualitativo; ii) la cuenca está sometida a un importante estrés hídrico, ya que el índice de explotación de agua (WEI; cociente entre la extracción media anual de agua dulce y la media a largo plazo del recurso disponible) es superior al 40% (Alcamo et al., 2000); iii) aunque las aguas superficiales se gestionan para riego de forma unitaria a través de una Comunidad de Usuarios legalmente establecida, las aguas subterráneas son explotadas por un gran número de usuarios con escasa planificación y control lo que repercute en el estado cuantitativo y cualitativo de las mismas y iv) el cambio climático podría ser el responsable de la disminución de aportaciones identificado en los últimos años.

3.METODOLOGÍA

Las actividades que se han llevado a cabo pueden agruparse en 3 fases:

• Caracterización del sistema hidrológico de la cuenca del Barbate, con la determinación y descripción de los elementos integrantes, recursos superficiales y subterráneos, demandas a satisfacer e infraestructuras hidráulicas existentes. Los datos se han obtenido de los distintos organismos privados, autonómicos y estatales relacionados con la gestión de recursos hídricos en la cuenca.
• Verificación de los valores de evaporación. Se dispone de valores diarios de evaporación en los embalses de la cuenca correspondientes a 4 años hidrológicos (2013/14 a 2016/17) proporcionados por el Organismo de Cuenca (Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio, Junta de Andalucía). Para la verificación de éstos, se ha calculado la evaporación en el mismo período a partir de la ecuación semiempírica de Penman-Monteith, reconocida por la FAO, para los embalses de Barbate y Celemín y se han comparado con los valores disponibles, determinando que el ajuste entre ellos es adecuado, con una discrepancia en sus valores medios menor del 2%.
• Definición del modelo de simulación, calibración y validación de éste y simulación de alternativas para la gestión conjunta del sistema. Para el modelado de la cuenca se ha usado el Sistema Soporte a la Decisión AQUATOOL (Andreu et al., 1996) y concretamente la aplicación SIMGES (Andreu et al., 2007). El módulo SIMGES resuelve el problema de la gestión del sistema a partir de una red de flujo conservativa que se resuelve mediante optimización. Para la calibración y validación del modelo se ha hecho uso de los datos diarios durante el período septiembre de 2013 a octubre de 2016 de volúmenes embalsados, cota de embalse y evaporación, corregidos y calibrados por la Administración Autonómica de Andalucía. En este estudio, dado que los datos fehacientes disponibles corresponden al último período, para la calibración y validación del modelo se ha empleado la técnica denominada “backwards validation” (Paredes et al., 2010), en lugar de los métodos tradicionales (Oreskes et al., 1994; Manache et al., 2004), donde se invierten los períodos de calibración (2013-2016) y validación (1999-2013). Finalmente, fueron estudiadas las alternativas de gestión disponibles en el sistema junto con las necesidades para determinar los márgenes de decisión que la cuenca permite o se podría implementar sin costes elevados para la distribución de los recursos. En este estudio se identificaron 5 posibles estrategias de actuación y se realizaron diferentes simulaciones dentro de cada estrategia modificando las variables de gestión.

4. MODELO DE GESTIÓN INTEGRADA DE RECURSOS HÍDRICOS. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Una vez incluidos todos los elementos del sistema hídrico de la cuenca del Barbate, se procedió a realizar la simulación de la gestión en las condiciones actualmente existentes (figura 3).

Figura 3: Modelo de gestión de la cuenca.

A partir del modelo actual se plantearon distintos escenarios de simulación para la mejora de la gestión de la cuenca del Barbate en relación a la reducción de la evaporación directa en la lámina de agua del embalse de Barbate. En este estudio se identificaron 5 posibles estrategias de actuación y se analizaron las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas (tabla 1). Dentro de cada estrategia se desarrollaron simulaciones diferentes modificando caudales de transferencia entres elementos, reglas de operación del sistema, etc., y finalmente se ha cuantificado la disminución por evaporación directa desde embalses que se produce en cada una de ellas.

Tras la definición del modelo actual se determinó que la gestión del conjunto de la cuenca, para el cumplimiento de las demandas, está muy condicionada a las variaciones de volumen en los embalses de Celemín y Almodóvar. Éstos, tienen una menor capacidad de regulación (anual) y de ambos embalses dependen en exclusividad demandas. Por este motivo el primer cambio de gestión de la cuenca debe estar encaminado a mantener Celemín y Almodóvar a la mayor cota posible y cubrir la mayor parte de demandas con el agua almacenada en Barbate (estrategia 1, subescenario A1). El objetivo principal es que la demanda agraria que depende de Celemín y la urbana que depende de Almodóvar, queden cubiertas sin limitaciones. El resto de demandas poseen distintas opciones de origen del recurso, de modo que prioritariamente se suministrará agua del Barbate, utilizando el resto de embalses en segundo lugar.

En el caso de la estrategia 2 (uso conjunto), se plantean 3 opciones de simulación: i) no aplicar ninguna regla de operación al sistema (subescernario B1); ii) aplicar una regla de operación para evaluar la situación del embalse a principio de cada mes (subescenario B2) y; iii) aplicar una regla de operación definida en un mes y de aplicación mensual para ahorrar agua antes de que se produzca la situación de sequía (subescenarios B3-B9). Además, se imponen bombeos máximos de entre 0,3 y 2 hm³/mes para los acuíferos de la zona, en función de los bombeos actuales y las características hidrogeológicas de los mismos.

Durante la ejecución de la presa del Barbate se construyó una conducción para trasvasar agua del embalse de Barbate hasta el de Celemín. Las características del trasvase, actualmente en desuso, son 2.073 m de tubería de fibrocemento de 1.2 m de diámetro y presión de servicio de 5 atm, con un caudal de bombeo de 500 l/s por bomba, disponiéndose de una estación de bombeo con 4 bombas de eje vertical, con altura manométrica de 36 m.c.a. En esta estrategia de gestión se plantean varias opciones: i) no aplicar ninguna regla de operación (subescenario C1); ii) que se derive agua sólo cuando el volumen de Barbate esté por encima de 50 hm³, siendo el caudal variable entre 0 y 5,2 hm³/mes en función de las reservas (subescenario C2); iii) el trasvase de agua será escalonado en función del volumen de agua almacenada en Barbate (subescenario C3); iv) el trasvase se rige por las mismas reglas de operación que las opciones ii) y iii) pero disminuyendo el caudal máximo al de una única bomba (1,34hm³/mes).

En el caso de la recarga artificial del acuífero de Benalup (estrategia 4), en primer lugar, se definieron los caudales de recarga en función del cálculo hidráulico que nos proporcionaría un predimensionamiento óptimo de las tuberías necesarias. Para cada caudal de recarga se ha establecido el volumen óptimo del embalse de Barbate a partir del cual se puede llevar a cabo dicha recarga sin afectar a las demandas del sistema. Esto se ha desarrollado mediante ensayos de prueba y error, seleccionando las óptimas (subescenarios D1-D11).

Finalmente, se ha planteado combinar las estrategias anteriores que sean compatibles con el objetivo principal de maximizar los beneficios de cada una de ellas (subescenarios E1-E2).

En la siguiente figura se recogen los valores medios de evaporación en el período de estudio (1999-2016) en la gestión actual del sistema y en las propuestas, así como las reducciones medias de evaporación de cada una de las estrategias planteadas respecto a la que se lleva a cabo en la actualidad. Tras analizar las ventajas e inconvenientes de todas las simulaciones planteadas, se ha considerado que, con las premisas establecidas, la estrategia de gestión más adecuada para la cuenca del Barbate sería sustituir los recursos hídricos subterráneos por superficiales y simultáneamente trasvasar agua del embalse de Barbate al de Celemín (estrategia de gestión E1). Con esta estrategia combinada se maximiza la reducción por evaporación directa en el embalse de Barbate. Además, todas las demandas quedan satisfechas con una garantía del 100% y proporcionaría una mejora cuantitativa y cualitativa de las MAS del sistema (diminución de la explotación y por lo tanto recuperación de niveles piezométricos y aumento del recurso disponible, dilución de contaminantes, etc.). La directriz de esta estrategia es almacenar el recurso disponible en el embalse de Barbate durante las épocas de precipitaciones abundantes en otros reservorios estratégicos que no sufran una fuerte evaporación, como son los acuíferos y el embalse de Celemín. En este sentido si analizamos períodos cortos de tiempo, vemos que en sólo 5 años (1999-2005), se habrían almacenado 34 hm³ (6,8 hm³/año) que habrían estado disponibles para la sequía posterior

Figura 4: Resumen y representación gráfica de los valores de evaporación en el embalse de Barbate en cada estrategia de gestión. 

5. CONCLUSIONES

Del análisis de los resultados de simulación de los veintiocho escenarios de gestión propuestos se obtienen las siguientes conclusiones:

• La cuenca, para el cumplimiento de las demandas, está muy condicionado por las variaciones de volumen en los embalses de Celemín y Almodóvar. Por este motivo podría ser conveniente realizar un cambio en la gestión de vertidos de ambos embalses, manteniéndolos siempre a la mayor cota posible y así garantizar las demandas del conjunto de la cuenca.
• La elevada evaporación que se produce directamente desde la lámina de agua del embalse de Barbate constituye una de las principales salidas del sistema, de modo que para la optimización del recurso se plantea que el embalse de Barbate debería estar siempre a la menor cota posible para reducir la evaporación directa que se produce en él, derivando los recursos de este a otros reservorios que no sufran tal problema de evaporación (acuíferos y resto de embalses).
• Una gestión conjunta del sistema basada en la sustitución de agua subterránea por superficial en los períodos que se factible y trasvasar agua del embalse de Barbate a Celemín, permite reducir esta salida en más de 4 hm³/año en el período analizado, maximizando este valor si se analizan períodos inferiores de tiempo en los que los recursos superficiales hayan sido más abundantes, almacenando una cantidad de hasta 34 hm³, casi la capacidad del embalse de Celemín, para la época de estiaje.

Agradecimientos

Con el apoyo del Ministerio para la Transición Ecológica, a través de la Fundación Biodiversidad. Así mismo, agradecemos a la Comunidad de Usuarios y Regantes “Ingeniero Eugenio Olid” de Benalup (Cádiz), por el apoyo prestado en la recopilación de información.

REFERENCIAS

Agencia Andaluza del Agua (2008a): Diseño y ejecución del programa de seguimiento del estado de calidad de las aguas continentales de las cuencas intracomunitarias de la comunidad autónoma de Andalucía. Lote II: Revisión del estado de cumplimiento de los objetivos medioambientales de las masas de agua subterránea de las Cuencas Atlánticas Andaluzas. 29 pp., 5 anexos y 4 planos.

Agencia Andaluza del Agua (2008b): Estudio general de la Demarcación: Cuenca Atlántica Andaluza. Agencia Andaluza del Agua, Consejería de Medio Ambiente de la Junta de Andalucía. 233 pp. y 6 anexos.

Agencia Andaluza del Agua (2008c): Adecuación de las masas de agua subterránea de la cuenca del Guadalete‐Barbate a los requerimientos de la Directiva 2000/60/CE. Directiva Marco del Agua. 188 pp. y 4 anexos. Tragsatec, 2008.

Alcamo, J., Henrich, T., Rösch, T. (2000): World Water in 2025 – Global modeling and scenario analysis for the World Commission on Water for the 21st Century. Report A0002, Centre for Environmental System Research, University of Kassel, Germany.

Andreu, J., Capilla, J., Sanchís, E. (1996): AQUATOOL, a generalized decision-support system for water-resources planning and operational management. Journal of Hydrology 177, 269-291.

Andreu, J., Solera, A., Capilla, J. y Ferrer, J. (2007): Modelo SIMGES de simulación de la gestión de recursos hídricos, incluyendo utilización conjunta. Versión 3.03.01. Manual de usuario. Universidad Politécnica de Valencia.

Junta de Andalucía. Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. (2016): Plan Hidrológico del Guadalete Barbate (2015-2021). http://www.juntadeandalucia.es. Último acceso: 25/05/2018.

Manache G, Melching CS. (2004): Sensitiviy analysis of water-quality model using latin hypercube sampling. J Water Resour Plann Manage 2004;130(3):232–42.

Oreskes N, Shrader-Frechette K, Belitz K. (1994): Verification, validation and confirmation of numerical models in the earth sciences. Science 1994;263(5147):641–6.

Paredes, J., Andreu, J., Solera, A., (2010): A decision support system for water quality issues in the Manzanares River (Madrid, Spain). Science of the Total Environment 408: 2576-2589.

Secretaria General de Agua. Consejería de Medio Ambiente (2011): Trabajos necesarios para la mejora del conocimiento y protección contra la contaminación y el deterioro del estado de las masas de agua subterránea, conforme a lo establecido en las directivas 2000/60/CE y 2006/118/CE. CD inédito.

Secretaria General de Agua. Consejería de Agricultura, Pesca y Medio Ambiente (2013): Elaboración de un plan de gestión integrada en las masas de agua subterránea en mal estado químico y/o cuantitativo identificadas en las demarcaciones hidrográficas andaluzas de carácter intracomunitario, con objeto de alcanzar los objetivos medioambientales fijados en la legislación vigente en materia de aguas. CD inédito.

Verónica Ruiz‐Ortiz¹, Santiago García‐López², María Jesús Pacheco-Orellana² y Abel Solera³

¹ Departamento de Ingeniería Industrial e Ingeniería Civil, Escuela Politécnica Superior de Algeciras, Universidad de Cádiz, Avda. Ramón Puyol s/n 11202 Algeciras, Cádiz (España). Email: veronica.ruiz@uca.es

² Departamento de Ciencias de la Tierra, Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales, Universidad de Cádiz, Campus Río San Pedro s/n 11510 Puerto Real, Cádiz (España). Email: santiago.garcia@uca.es y mariajesus.pacheco@uca.es

³ Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n 46022 Valencia (España). Email: asolera@upvnet.upv.e