Actas de las IV Jornadas de Ingeniería del Agua

B.2.

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

km2. 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).

En total se han considerado 1.260 subcuencas, con una extensión media de unos 5.000 km2.

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 hm3. 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 (2020-2059) 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

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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.

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