Lorenzo Gonzalez, María Ángeles
Quílez Sáez Viteri, Dolores María Guadalupe (dir.) ; Isidoro Ramírez, Daniel (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2022
Resumen: Son muchos los factores que interfieren sobre la calidad y cantidad de las aguas superficiales y subterráneas, siendo la actividad humana uno de los principales factores que introducen cambios en el medio. El incremento del consumo de agua para la agricultura, el abastecimiento urbano o la industria, los vertidos procedentes de las zonas urbanas o industriales, o el cambio en los usos del suelo, entre los que se encuentra el incremento de la superficie de riego, han contribuido al deterioro de la calidad de las aguas y a la disminución de los recursos.
El estudio y análisis de series temporales de variables hidrológicas y de elementos contaminantes constituye una buena herramienta para la identificación de estos factores y la cuantificación de su afección al medio. Nos permiten realizar análisis causa-efecto y establecer las bases con las que plantear horizontes futuros ante diferentes escenarios de gestión y de incertidumbre climática.
En esta Tesis Doctoral se han desarrollado, implementado y contrastado diversos métodos de cálculo y análisis de series temporales de parámetros hidrológicos y fisicoquímicos de las aguas superficiales de la cuenca del Ebro, se ha llevado a cabo un análisis en el que se relacionan las actividades humanas con los cambios observados en los ríos de la cuenca, fundamentalmente caudal, salinidad y temperatura, y en base a este análisis, se han realizado prognosis bajo diferentes escenarios.
En concreto, se han definido y contrastado diferentes metodologías de cálculo de masas de sal y nitrato exportadas por el río Arba. Además, dentro de esta cuenca se ha implementado y calibrado un modelo hidrosalino basado en balances de agua y sal que define la relación existente entre el regadío, y el caudal y salinidad del río. Mediante este balance se han caracterizado los drenajes asociados al Sistema de Riegos del canal de Bardenas, determinado su influencia sobre el río Arba y analizado su evolución a lo largo de una serie de 30 años. Ello ha permitido hacer una prognosis de caudal y salinidad bajo diferentes escenarios de ampliación de la superficie de riego, modernización del regadío y cambio climático.
Se ha aplicado y contrastado diversas metodologías para el análisis de tendencias de la salinidad del río Ebro en Tortosa, y a partir de los valores de las tendencias, se ha determinado la salinidad del río Ebro en 2027 bajo diferentes escenarios de cambio.
Finalmente, se han analizado los cambios estacionales y anuales de la temperatura del agua del río Ebro desde Cereceda hasta Tortosa y de los tributarios Aragón, Arga, Cinca, Segre y Arba. Este análisis ha permitido identificar las estaciones de control físico-químico de la cuenca del Ebro que presentan temperaturas anómalas y cómo éstas han variado con el tiempo, así como determinar cuáles son las principales afecciones a la temperatura del agua de los ríos entre los que se encuentran los embalses, los vertidos térmicos o el regadío.
Los principales resultados obtenidos son:
Los métodos regresivos de cálculo de masas de sal del río Arba, basados en la relación entre el caudal y la conductividad eléctrica, son los que mejores resultados mostraron. Estos métodos pueden ser empleados en series incompletas o con una cadencia de medición baja, sin embargo, requieren de la existencia de una buena relación entre la conductividad eléctrica y el caudal.
Los métodos regresivos basados en la relación entre el nitrato y la conductividad eléctrica también mostraron resultados satisfactorios para el cálculo de la masa de nitrato, al igual que los métodos de interpolación que emplean una medida de concentración de nitrato al mes multiplicada por el caudal, pero solo cuando la serie de medidas mensuales de concentración de nitrato, es suficientemente completa. Estos resultados permiten definir una estrategia de muestreo para el río Arba en Tauste basada en una lectura al mes de la concentración de nitrato y del caudal del río.
Los balances mensuales de caudal y sales en la cuenca del Arba mostraron como las aportaciones y salinidad del río Arba están fuertemente vinculadas a los drenajes del Sistema de riegos del canal de Bardenas; el 60% del caudal y el 58% de las sales en el río Arba en Tauste proceden de los drenajes asociados a este sistema de riego. Estas cifras varían según se trate de años secos, con mayor porcentaje, o húmedos, con un menor porcentaje. Estos drenajes han ido disminuyendo a lo largo del tiempo debido a la mejora en la gestión del agua y el aumento de la eficiencia del riego, desde valores promedio del 46% en los años 80, 51% en los años 90 y 70% en el período 2000/2014. Este aumento de la eficiencia ha llevado asociado un descenso de los caudales y un incremento de la concentración de sales en su desembocadura.
De los escenarios simulados en la cuenca del Arba aquellos que incorporan la modernización del regadío muestran un mayor impacto sobre el río, con una bajada generalizada de los caudales circulantes (23%), un descenso de la masa de sales exportada (25%), y una mayor concentración de sales (35%). Esta variación se hace más acusada en los meses de estiaje y en los posteriores a la campaña de riego (de julio a noviembre). El principal cambio que implica la ampliación de la superficie de riego es el incremento de los aportes de sal (10%) debido a la incorporación de superficies de riego sobre litologías salinas. El escenario de cambio climático tiene un efecto más moderado sobre el río Arba que los escenarios de modernización y de ampliación de la superficie de riego; reducción de los caudales en un 12% y un aumento de la concentración de sales en un 19%.
De los métodos empleados para el cálculo de las tendencias de salinidad del río Ebro en Tortosa, los que presentaron mejor ajuste fueron los métodos autoregresivos (ARIMA) y los de regresión basados en la relación entra caudal y salinidad. Todos los métodos empleados y series analizadas mostraron un incremento de la salinidad del río Ebro en Tortosa. Las mayores tendencias se obtuvieron para la serie completa, 1973-2012, para la que se estimó un incremento de los sólidos disueltos totales (SDT) del Ebro de 5,6-5,8 mg/l al año y las tendencias más bajas correspondieron a la serie 1990-2012 con incrementos de 3,1-4,9 mg/l al año. Los mayores incrementos de salinidad se detectaron en los meses de octubre-enero, con incrementos de entre 6,9 y 10,3 mg/l al año y los menores incrementos en los meses de primavera (abril a junio), con incrementos de entre 2,5 y 3,3 mg/l al año.
A partir de las tendencias establecidas para la serie más completa (1973-2012) se estimó un valor medio anual de SDT para 2027 de entre 913 y 920 mg/l, aumento del 27,5% sobre la media del periodo 1973-2012 y de un 12,5% sobre la media de los últimos 5 años analizados (2008-12), con un valor máximo para el mes de diciembre de 1100-1200 mg/l, y un valor mínimo para el mes de junio, en torno a 700 mg/l.
La descomposición de las tendencias de SDT en una componente asociada al caudal y otra independiente del mismo, mostró que las tendencias pueden atribuirse en mayor medida a la carga salina de las aguas que al efecto de la disminución de los caudales circulantes. Las tendencias de SDT asociadas al caudal fueron más acusadas en los meses de noviembre a enero, mientras que las tendencias de SDT independientes del caudal, lo fueron en los meses de diciembre a febrero. Finalmente, el efecto de una reducción del 5% de los aportes de agua debido al cambio climático, junto con el de las tendencias independientes del caudal, dio como resultado un valor medio anual de SDT para 2027 de 884 mg/l, que supone un aumento del 23% sobre la media del periodo 1973-2012 y del 8% sobre la media de 2008-2012.
Los mayores cambios en la temperatura del agua del río se observaron en las estaciones situadas aguas abajo de las centrales nucleares que mostraron una temperatura media anual elevada y no acorde con el valor observado en su tramo del río, con valores más elevados en los meses de menor caudal, de agosto a diciembre. Las estaciones afectadas por los principales embalses del río Ebro, presentaron una amplitud térmica anual baja, con descenso de la temperatura media en verano e incremento en invierno; y las estaciones asociadas a los retornos de los grandes sistemas de riego mostraron una temperatura en los meses de verano menor que la obtenida en otras estaciones de condiciones climáticas semejantes.
En casi todas las estaciones analizadas se obtuvo un incremento significativo de la temperatura (promedio de 0.04ºC/año), salvo en aquellas estaciones situadas en la cabecera de los tributarios. Las tendencias fueron más elevadas para las estaciones del último tramo del Ebro, las situadas aguas abajo de la central nuclear de Ascó. Estacionalmente, fueron los meses de primavera los que mostraron mayores cambios, con incrementos más acusados en las estaciones aguas abajo de Ascó (¿T en Ascó = 0.121ºC/año) y menores para las estaciones afectadas por los embalses del eje del Ebro (¿T Mequinenza = 0.036ºC/año).
El análisis de series temporales y el balance de masas que se han planteado dentro de esta tesis han mostrado ser herramientas sólidas que se pueden emplear como punto de partida en otros estudios para valorar afecciones derivadas del cambio en los usos del suelo, en el empleo de los recursos o de cambio climático.
Resumen (otro idioma):
El estudio y análisis de series temporales de variables hidrológicas y de elementos contaminantes constituye una buena herramienta para la identificación de estos factores y la cuantificación de su afección al medio. Nos permiten realizar análisis causa-efecto y establecer las bases con las que plantear horizontes futuros ante diferentes escenarios de gestión y de incertidumbre climática.
En esta Tesis Doctoral se han desarrollado, implementado y contrastado diversos métodos de cálculo y análisis de series temporales de parámetros hidrológicos y fisicoquímicos de las aguas superficiales de la cuenca del Ebro, se ha llevado a cabo un análisis en el que se relacionan las actividades humanas con los cambios observados en los ríos de la cuenca, fundamentalmente caudal, salinidad y temperatura, y en base a este análisis, se han realizado prognosis bajo diferentes escenarios.
En concreto, se han definido y contrastado diferentes metodologías de cálculo de masas de sal y nitrato exportadas por el río Arba. Además, dentro de esta cuenca se ha implementado y calibrado un modelo hidrosalino basado en balances de agua y sal que define la relación existente entre el regadío, y el caudal y salinidad del río. Mediante este balance se han caracterizado los drenajes asociados al Sistema de Riegos del canal de Bardenas, determinado su influencia sobre el río Arba y analizado su evolución a lo largo de una serie de 30 años. Ello ha permitido hacer una prognosis de caudal y salinidad bajo diferentes escenarios de ampliación de la superficie de riego, modernización del regadío y cambio climático.
Se ha aplicado y contrastado diversas metodologías para el análisis de tendencias de la salinidad del río Ebro en Tortosa, y a partir de los valores de las tendencias, se ha determinado la salinidad del río Ebro en 2027 bajo diferentes escenarios de cambio.
Finalmente, se han analizado los cambios estacionales y anuales de la temperatura del agua del río Ebro desde Cereceda hasta Tortosa y de los tributarios Aragón, Arga, Cinca, Segre y Arba. Este análisis ha permitido identificar las estaciones de control físico-químico de la cuenca del Ebro que presentan temperaturas anómalas y cómo éstas han variado con el tiempo, así como determinar cuáles son las principales afecciones a la temperatura del agua de los ríos entre los que se encuentran los embalses, los vertidos térmicos o el regadío.
Los principales resultados obtenidos son:
Los métodos regresivos de cálculo de masas de sal del río Arba, basados en la relación entre el caudal y la conductividad eléctrica, son los que mejores resultados mostraron. Estos métodos pueden ser empleados en series incompletas o con una cadencia de medición baja, sin embargo, requieren de la existencia de una buena relación entre la conductividad eléctrica y el caudal.
Los métodos regresivos basados en la relación entre el nitrato y la conductividad eléctrica también mostraron resultados satisfactorios para el cálculo de la masa de nitrato, al igual que los métodos de interpolación que emplean una medida de concentración de nitrato al mes multiplicada por el caudal, pero solo cuando la serie de medidas mensuales de concentración de nitrato, es suficientemente completa. Estos resultados permiten definir una estrategia de muestreo para el río Arba en Tauste basada en una lectura al mes de la concentración de nitrato y del caudal del río.
Los balances mensuales de caudal y sales en la cuenca del Arba mostraron como las aportaciones y salinidad del río Arba están fuertemente vinculadas a los drenajes del Sistema de riegos del canal de Bardenas; el 60% del caudal y el 58% de las sales en el río Arba en Tauste proceden de los drenajes asociados a este sistema de riego. Estas cifras varían según se trate de años secos, con mayor porcentaje, o húmedos, con un menor porcentaje. Estos drenajes han ido disminuyendo a lo largo del tiempo debido a la mejora en la gestión del agua y el aumento de la eficiencia del riego, desde valores promedio del 46% en los años 80, 51% en los años 90 y 70% en el período 2000/2014. Este aumento de la eficiencia ha llevado asociado un descenso de los caudales y un incremento de la concentración de sales en su desembocadura.
De los escenarios simulados en la cuenca del Arba aquellos que incorporan la modernización del regadío muestran un mayor impacto sobre el río, con una bajada generalizada de los caudales circulantes (23%), un descenso de la masa de sales exportada (25%), y una mayor concentración de sales (35%). Esta variación se hace más acusada en los meses de estiaje y en los posteriores a la campaña de riego (de julio a noviembre). El principal cambio que implica la ampliación de la superficie de riego es el incremento de los aportes de sal (10%) debido a la incorporación de superficies de riego sobre litologías salinas. El escenario de cambio climático tiene un efecto más moderado sobre el río Arba que los escenarios de modernización y de ampliación de la superficie de riego; reducción de los caudales en un 12% y un aumento de la concentración de sales en un 19%.
De los métodos empleados para el cálculo de las tendencias de salinidad del río Ebro en Tortosa, los que presentaron mejor ajuste fueron los métodos autoregresivos (ARIMA) y los de regresión basados en la relación entra caudal y salinidad. Todos los métodos empleados y series analizadas mostraron un incremento de la salinidad del río Ebro en Tortosa. Las mayores tendencias se obtuvieron para la serie completa, 1973-2012, para la que se estimó un incremento de los sólidos disueltos totales (SDT) del Ebro de 5,6-5,8 mg/l al año y las tendencias más bajas correspondieron a la serie 1990-2012 con incrementos de 3,1-4,9 mg/l al año. Los mayores incrementos de salinidad se detectaron en los meses de octubre-enero, con incrementos de entre 6,9 y 10,3 mg/l al año y los menores incrementos en los meses de primavera (abril a junio), con incrementos de entre 2,5 y 3,3 mg/l al año.
A partir de las tendencias establecidas para la serie más completa (1973-2012) se estimó un valor medio anual de SDT para 2027 de entre 913 y 920 mg/l, aumento del 27,5% sobre la media del periodo 1973-2012 y de un 12,5% sobre la media de los últimos 5 años analizados (2008-12), con un valor máximo para el mes de diciembre de 1100-1200 mg/l, y un valor mínimo para el mes de junio, en torno a 700 mg/l.
La descomposición de las tendencias de SDT en una componente asociada al caudal y otra independiente del mismo, mostró que las tendencias pueden atribuirse en mayor medida a la carga salina de las aguas que al efecto de la disminución de los caudales circulantes. Las tendencias de SDT asociadas al caudal fueron más acusadas en los meses de noviembre a enero, mientras que las tendencias de SDT independientes del caudal, lo fueron en los meses de diciembre a febrero. Finalmente, el efecto de una reducción del 5% de los aportes de agua debido al cambio climático, junto con el de las tendencias independientes del caudal, dio como resultado un valor medio anual de SDT para 2027 de 884 mg/l, que supone un aumento del 23% sobre la media del periodo 1973-2012 y del 8% sobre la media de 2008-2012.
Los mayores cambios en la temperatura del agua del río se observaron en las estaciones situadas aguas abajo de las centrales nucleares que mostraron una temperatura media anual elevada y no acorde con el valor observado en su tramo del río, con valores más elevados en los meses de menor caudal, de agosto a diciembre. Las estaciones afectadas por los principales embalses del río Ebro, presentaron una amplitud térmica anual baja, con descenso de la temperatura media en verano e incremento en invierno; y las estaciones asociadas a los retornos de los grandes sistemas de riego mostraron una temperatura en los meses de verano menor que la obtenida en otras estaciones de condiciones climáticas semejantes.
En casi todas las estaciones analizadas se obtuvo un incremento significativo de la temperatura (promedio de 0.04ºC/año), salvo en aquellas estaciones situadas en la cabecera de los tributarios. Las tendencias fueron más elevadas para las estaciones del último tramo del Ebro, las situadas aguas abajo de la central nuclear de Ascó. Estacionalmente, fueron los meses de primavera los que mostraron mayores cambios, con incrementos más acusados en las estaciones aguas abajo de Ascó (¿T en Ascó = 0.121ºC/año) y menores para las estaciones afectadas por los embalses del eje del Ebro (¿T Mequinenza = 0.036ºC/año).
El análisis de series temporales y el balance de masas que se han planteado dentro de esta tesis han mostrado ser herramientas sólidas que se pueden emplear como punto de partida en otros estudios para valorar afecciones derivadas del cambio en los usos del suelo, en el empleo de los recursos o de cambio climático.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: aguas superficiales ; control de la contaminación del agua ; series temporales ; usos del suelo
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Plan(es): Plan 508
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 28 03 2022
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2022
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