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
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y ejecución del programa de seguimiento del estado de calidad de las
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establecido en las directivas 2000/60/CE y 2006/118/CE. CD inédito.
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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
La celebración de la Segunda Jornada sobre Gestión de Aguas
y Cambio Climático en la Cuenca del Barbate, durante la cual se compartieron
tanto con los agentes implicados en la gestión del agua, como con la comunidad
universitaria y todos aquellos interesados, nos aportó los resultados fruto de las
diferentes líneas de investigación desarrolladas que ya hemos compartido con todos vosotros para haceros partícipes.
Como algunos ya sabéis, la Jornada, que recibió una muy
buena acogida, tuvo lugar el pasado 11 de Julio en el edificio CASEM de la
Facultad de Ciencias del Mar y Ciencias Ambientales de la Universidad de Cádiz,
y contó entre sus asistentes con representantes de la comunidad de usuarios de
la cuenca, técnicos de la Consejería de Agricultura, Ganadería, Pesca y
Desarrollo Sostenible de la Junta de Andalucía, la dirección de los Parques
Naturales incluidos dentro del ámbito de estudio, técnicos de empresas
consultoras e investigadores de diferentes áreas de la Universidad de Cádiz.
Durante el evento, que se
estructuró en seis ponencias impartidas por el personal investigador implicado
en cada línea de trabajo, se abordaron brevemente los numerosos aspectos
estudiados acerca de la cuenca del Barbate y los resultados obtenidos en
relación a cada uno de ellos. Así, la primera sesión se centró en los
resultados del análisis de variables climáticas del registro histórico
(precipitación y temperatura), abarcando periodos de hasta 108 años en algunos
casos (https://proyectoremabar.blogspot.com/2019/07/registros-historicos-y-proyecciones.html).La segunda ponencia versó sobre el estado y funcionamiento del acuífero
de Benalup, catalogado como en mal estado cuantitativa y cualitativamente según
el Plan Hidrológico de la Demarcación Guadalete-Barbate vigente (https://proyectoremabar.blogspot.com/2019/07/estado-y-funcionamiento-del-acuifero-de.html ). Durante la
tercera intervención se expusieron los datos obtenidos acerca del
funcionamiento global de la cuenca hidrográfica y los resultados de la
modelización atendiendo a diferentes escenarios climáticos (https://proyectoremabar.blogspot.com/2019/07/simulacion-del-funcionamiento-de-la.html ). La cuarta ponencia
se centró sobre la caracterización limnológica de los embalses de Celemín y
Barbate , y en la quinta, se presentó un análisis de la biodiversidad de la zona
con especial atención a los hábitats acuáticos . Finalmente, en la última
ponencia se presentó la diversidad ornitológica de los humedales de la cuenca. (https://proyectoremabar.blogspot.com/2019/08/diversidad-ornitologica-en-los.html).
Contemplar la naturaleza del
mundo que nos rodea y sus elementos integrantes desde la óptica de la
curiosidad, cuestionándonos el cómo y por qué de sus manifestaciones y procesos,
es el motor que hace avanzar a la ciencia, a la sociedad y al individuo en sí
mismo, y constituye la herramienta necesaria para mitigar los numerosos vacíos
de conocimiento existentes en torno a los recursos naturales de los que
dependemos, alcanzar a comprenderlos y conservarlos. Todos y cada uno de
nosotros somos de manera directa o indirecta actores, partícipes y
afectados por las cuestiones
ambientales. Sigamos por tanto haciéndonos preguntas y continuemos
implicándonos en el conocimiento y protección de la naturaleza y los recursos
que esta ofrece; todos podemos contribuir con nuestro granito de arena.
