Sistema de Indicadores de Estado Hidrológico en España

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1 Sistema de Indicadores de Estado Hidrológico en España Villaverde Valero, José Julio Técnico de proyectos, Centro de Estudios Hidrográficos del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) julio.villaverde@cedex.es Álvarez Rodríguez, Javier Coordinador de Programa Técnico-Científico, Centro de Estudios Hidrográficos del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) javier.alvarez@cedex.es 1 Introducción El Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX ha elaborado un Sistema de Indicadores de Estado Hidrológico en España (SIEH), en el marco de los trabajos para la Elaboración de un Sistema de Indicadores Hidrológicos y Estudios para la Identificación y Caracterización de Sequías de la Encomienda de Gestión por el Ministerio de Medio Ambiente (Dirección General del Agua) al Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) del Ministerio de Fomento para la realización de asistencia técnica, investigación y desarrollo tecnológico en materias competencia de la Dirección General del Agua. Las variables con las que actualmente trabaja el sistema son la precipitación, los caudales registrados en distintas estaciones de aforo, en régimen natural y alterado, entradas y salidas de embalse, reservas y superficie encharcada en lugares de especial interés ambiental como las Tablas de Daimiel. La información procedente de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) y las Demarcaciones Hidrográficas es recopilada mensualmente por la Subdirección de Planificación y Uso Sostenible del Agua de la Dirección General del Agua (SPUSA- DGA). En el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX se procede al archivo de dicha información en la base de datos HIDRO (Quintas, 1996) y a la elaboración periódica de los índices de estado que permitan caracterizar la situación hidrológica. Esta información forma parte de los informes trimestrales y anuales que realiza la SPUSA-DGA sobre el estado hidrológico en España. 2 Objetivos del SIEH Entre los objetivos generales de un sistema de indicadores de sequía están el seguimiento del estado hidrológico, la caracterización de impactos y la previsión de sequías (Wilhite, 26). Los principales objetivos actuales del SIEH son la caracterización del estado hidrológico por medio de la recopilación de información, tratamiento y divulgación de las principales variables de cantidad del recurso hídrico, la identificación y el seguimiento de la evolución de las sequías, determinando su inicio, severidad, duración y extensión y la colaboración en la elaboración de los informes trimestrales y anuales de seguimiento del estado hidrológico del Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino.

2 3 Estructura y fundamentos del SIEH 3.1 Regiones El estado hidrológico se evalúa en zonas delimitadas de acuerdo a agrupaciones de cuencas hidrográficas y sistemas de explotación (figura 1). Se pretende manejar unidades de generación de recurso y consumo, aunque esto no puede ser entendido con generalidad ya que las demandas de determinadas zonas pueden, por ejemplo, depender de sistemas de regulación general a lo largo de un tramo de río o de trasvases. Figura 1 Regiones del SIEH delimitadas para el conjunto de las cuencas hidrográficas 3.2 Variables implementadas en el SIEH Se realiza una selección de puntos atendiendo a la representación de diferentes fases del ciclo hidrológico y a la posibilidad de actualizarlos mensualmente. Con carácter general, el estado hidrológico se representa mediante gráficas de evolución y cuantiles alcanzados en cada ocasión respecto a la serie histórica. Las variables hidrometeorológicas implementadas en el SIEH (figura 2) son: o o o o o Precipitación Caudales registrados en estaciones de aforo, entradas en embalses y salidas de los embalses en régimen natural o alterado Volúmenes almacenados en embalses Niveles piezométricos Superficies inundadas en humedales El SIEH está constituido por 9 estaciones sinópticas de precipitación, 66 puntos de control de caudal en régimen natural, registrados en estaciones de aforo u obtenidos mediante balance hídrico como entradas a los embalses, 5 puntos de control de caudal en régimen alterado, registrados en estaciones de aforo u obtenidos mediante balance hídrico como entradas o salidas a los embalses, los datos de reserva de 373 embalses que se agrupan en una serie de índices para determinar los almacenamientos en diferentes puntos significativos del sistema, los almacenamientos por Regiones o los almacenamientos por Demarcaciones Hidrográficas y 8 piezómetros que registran el nivel piezométrico de las aguas subterráneas.

3 Las precipitaciones medias areales se han calculado con las estaciones sinópticas de la AEMET, que son las que actualmente pueden enviar los datos con periodicidad menor que el mes. Los datos de caudales tienen carácter provisional y en muchos casos provienen del Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH). Figura 2 Mapa de selección de variables implementadas en el SIEH 3.3 Intervalo temporal El paso considerado en el sistema es el mensual. Por tanto, las series contienen oscilaciones estacionales y los cuantiles se calculan siempre utilizando series sin estacionalidad. 4 Evaluación del Estado Hidrológico El estado hidrológico del sistema se evalúa mediante la comparación de cada valor actual, mensual o agregado de varios meses anteriores, con su evolución temporal calculando probabilidades de ocurrencia. Las series han de ser, por tanto, suficientemente extensas para que estos cuantiles sean consistentes. La probabilidad de ocurrencia se calcula en cada estación en función de la serie histórica. En el caso de la precipitación, también se estiman los percentiles en cada región, ponderando los alcanzados en las estaciones mediante operaciones de interpolación. Los resultados de esta comparación se visualizan en forma de mapas con una gama de colores clasificada para facilitar la identificación de los estados a los niveles mínimos. Las probabilidades de ocurrencia se refieren a los datos disponibles, por lo que pueden no ser suficientemente representativas cuando las series son cortas o muestran un grado de autocorrelación importante, tal como ocurre con caudales y reservas. Para la elaboración de los índices de estado y los mapas mencionados se utiliza el programa SIMPA (Ruiz, 1999) implementado sobre el SIG-GRASS (GRASS 27 y 28). La información recopilada se está usando en los informes trimestrales y anuales que realiza la DGA sobre el estado hidrológico de las cuencas en España. En primer lugar se describe una situación general del comportamiento a escala nacional y después se hace un desglose de la situación hidrológica de las cuencas y los sistemas de explotación en base al análisis de las variables precipitación, caudal y reservas superficiales. Las variables principales analizadas en estos informes trimestrales son: las precipitaciones, los caudales y las reservas.

4 4.1 Precipitación e identificación de sequías Se analiza la variable precipitación mediante mapas de lluvia acumulada en el último trimestre analizado y mapas de la desviación de la precipitación respecto a la media estacional y al acumulado a inicio de año hidrológico. Además se elaboran tablas con los datos registrados, desglosados por demarcaciones, en los que se incluyen precipitación registrada en el último trimestre, probabilidad de ocurrencia, precipitación registrada en el mismo periodo que el año anterior y su desviación con respecto a la actual, precipitación media registrada en el mismo periodo durante los cinco años anteriores y su desviación con respecto a la actual, la precipitación media registrada en el mismo periodo durante el ciclo completo considerado y su desviación con respecto a la actual. También se elabora un gráfico de la evolución de las precipitaciones totales trimestrales en España en la que se diferencian en tramas de colores los cuatro periodos estacionales del año hidrológico, otoño en marrón, invierno en azul, primavera en verde y verano en naranja (figura 3). Figura 3 Mapa de precipitación trimestral y mapa de desviación de la precipitación entre abril y junio de 29 y gráfico de la evolución de las precipitaciones totales trimestrales en España Una posibilidad en el estudio de sequías reside en la identificación de rachas secas y el cálculo del periodo de retorno utilizando las variables duración y déficit. Aplicando la teoría de rachas, se identifica el inicio de sequías mediante la selección de un umbral mensual o nivel crítico como un percentil de la curva de lluvias medias areales de cada mes. En la figura 4 se muestra una selección de eventos de sequía utilizando series de precipitación en diversas regiones españolas. La gravedad de la sequía se ha estimado en función de su duración y del déficit alcanzado. Los altos periodos de retorno se pueden alcanzar tanto en eventos duraderos como en eventos intensos. Se considera que el umbral de entrada en sequía es el valor medio de la precipitación. En rojo se resaltan los años hidrológicos en sequía extraordinaria, con altos periodos de retorno, y en naranja los que tienen periodos de retorno más reducidos. (Álvarez et al., 28)

5 Año Hidrológico Norte Norte III y C. I. País Vasco Duero Tajo Cabecera del Tajo Guadiana Cabecera del Guadiana Guadalquivir Cabecera del Guadalquivir C. Mediterráneas Andalucía Segura Júcar Ebro Cabecera del Ebro C. Margen Derecha Ebro C. Gállego y Segre C. I. Cataluña Baleares Canarias España 198/ / / / / / / / / /9 199/ / / / / / / / / / 2/1 21/2 22/3 23/4 24/5 25/6 26/7 Figura 4 Identificación de sequías anuales por regiones en España La identificación y caracterización de sequías se realiza actualmente con la variable precipitación. A las series de lluvia regional se les aplica modelos de rachas mensuales o anuales para identificar periodos secos y sequías. El índice de precipitación estandarizado (IPE) (McKee, 1995) representa el carácter húmedo o seco de la precipitación y la entrada y el final de una sequía a través de un valor normalizado de la lluvia (figura5). Se considera como función de distribución asociada a la lluvia la distribución Gamma. Se aplica a escala mensual, estacional, anual, bianual, etc. y los resultados se analizan en función de la fase del ciclo hidrológico que se pretenda representar. Las más cortas, mensuales o estacionales, para la dinámica de la humedad en el suelo y, las más largas, para la dinámica de los acuíferos. La sequía queda determinada por una secuencia continua de valores del índice de precipitación negativos alcanzando el valor -1 y finaliza cuando se obtienen valores positivos del índice. Según la información disponible en el IPE está siendo usado como índice de sequías en el Colorado Climate Center ( el Western Regional Climate Center ( y el National Drought Mitigation Center ( entre otros. 3 SEQUÍA IPE 12 meses c /11/1942 1/8/1944 1/5/1946 1/2/1948 1/11/1949 1/8/1951 1/5/1953 1/2/1955 1/11/1956 1/8/1958 1/5/196 1/2/1962 1/11/1963 1/8/1965 1/5/1967 1/2/1969 1/11/197 1/8/1972 1/5/1974 1/2/1976 1/11/1977 1/8/1979 1/5/1981 1/2/1983 1/11/1984 1/8/1986 1/5/1988 1/2/199 Figura 5 Gráfico de evolución del IPE anual donde se observan los valores negativos en los periodos de sequía

6 4.2 Caudales de los ríos Se analiza la situación de los caudales que circulan por los ríos españoles, cuya respuesta natural sólo se puede determinar en las zonas de cabecera de las cuencas donde el grado de alteración introducido por el hombre es reducido, quedando los tramos medios y bajos en situación más alterada. Se elaboran distintos cuantiles con los caudales registrados en un conjunto de puntos de medida seleccionados en régimen natural y alterado (figura 6). Los cuantiles estacionales representan los valores medios de caudales trimestrales registrados comparados con la media del periodo de estudio para los mismos meses considerados, mientras que los cuantiles anuales representan el valor del caudal medio acumulado en los últimos doce meses. Régimen natural Régimen alterado Figura 6 Mapa de cuantiles medios trimestrales en régimen natural y en régimen alterado en junio de Reservas en embalses superficiales Se analiza la evolución del estado de las reservas en los embalses superficiales en el año hidrológico, así como los incrementos de volumen a inicio del año hidrológico. Además, se elaboran tablas en las que queda reflejado el estado de las reservas por Demarcaciones Hidrográficas comparándolas con el estado a final del último año hidrológico y referidas a la capacidad total de embalse con la que se cuenta (figura 7). Figura 7 Gráficos de evolución del estado de las reservas y los incrementos de volumen a inicio de año hidrológico en la España peninsular

7 4.4 Zonas Húmedas También se analiza la evolución de la superficie encharcada en las Tablas de Daimiel (figura 8). Área encharcada (ha) /4 24/5 25/6 26/7 27/8 28/9 Media 1988/89 a 27/8 4 2 OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP Figura 8 Evolución de la superficie encharcada en las Tablas de Daimiel 5 Sequía de los años 24/5 a 26/7 Durante el periodo de sequía que se produjo en España entre los años 24/5-26/7, se realizó un importante análisis de la información hidrológica recopilada en el SIEH. Se analizó la evolución de la precipitación para las principales cuencas peninsulares, así como, la situación de los caudales en régimen natural y alterado en los ríos y de las reservas en los embalses de la España peninsular (MIMAM 28). En el año 24/5 la sequía estaba extendida en casi toda la Península como puede observarse en la figura 9. En las cuencas atlánticas las lluvias alcanzan los mínimos de la serie. Las cuencas mediterráneas sufren un periodo seco durante el año 24/5. Las cuencas del Pirineo Oriental, Cuencas Internas de Cataluña y Segre, son las que sufren con mayor intensidad el déficit acumulado de lluvias durante el trienio 24/5-26/7. Utilizando la serie de precipitaciones totales anuales 194/41-26/7 se comprueba que, aunque se han dado precipitaciones tan bajas como las de los tres últimos años (Barrera y Llasat, 25), constituye un evento singular la sucesión de estos tres años con precipitaciones inferiores a los que marca el percentil 2%. Si bien en el inicio la situación seca era generalizada en toda la Península, finalizando el año hidrológico 26/7, la sequía meteorológica en las cuencas Catalanas aparecía local, intensa y extraordinaria (Álvarez et al.,28). Esto se puede apreciar muy bien en la figura 1 que incluye las precipitaciones totales y las desviaciones unitarias acumuladas respecto a la media en cuencas internas de Cataluña. La figura 11 muestra la evolución de las lluvias y las reservas en España para el periodo 24/5-26/7 en la que queda reflejado el año 24/5 como un año con muy poca lluvia y la posterior recuperación parcial hasta alcanzar valores medios de lluvia durante el periodo 25/6-26/7. Los datos de reservas comienzan a descender en la primavera del año 24/5 manteniéndose en valores bajos hasta otoño de 26/7 donde comienza su recuperación. La figura 12 muestra la evolución de caudales en régimen natural en las entradas al embalse de Yesa y en régimen alterado en el río Ebro en Tortosa para el periodo 24/5-26/7, apreciándose en ambos casos caudales bajos durante los dos primeros años del periodo hasta que comienza su recuperación.

8 Figura 9 Mapas de IPE a escala anual en el año hidrológico 24-25

9 Precipitación anual (mm DUA Figura 1 En línea con marcado, serie de precipitaciones anuales (mm); en línea simple, desviaciones unitarias acumuladas respecto a la media, en cuencas internas de Cataluña Evolución de lluvias (periodo 24/5-26/7) Lluvia mensual Promedio ciclo completo Evolución de reservas (período 24/5-26/7) Reserva mensual Promedio ciclo completo Máximo Máximo Mínimo Mínimo Percentil 75% Percentil 75% Percentil 25% Percentil 25% mm 1 hm oct-4 oct-5 oct-6 5 oct-4 oct-5 oct-6 Figura 11 Evolución de las lluvias y las reservas en la España peninsular para el periodo 24/5-26/7 Evolución de caudales (período 24/5-26/7) Caudal mensual Promedio ciclo completo Evolución de caudales (período 24/5-26/7) Caudal mensual Promedio ciclo completo 25 Máximo Mínimo Percentil 75% 2 Máximo Mínimo Percentil 75% 2 Percentil 25% 18 Percentil 25% m 3 /s 1 m 3 /s oct-4 oct-5 oct-6 oct-4 oct-5 oct-6 Entradas al embalse de Yesa Río Ebro en Tortosa Figura 12 Evolución de caudales en régimen natural en las entradas al embalse de Yesa y en régimen alterado en el río Ebro en Tortosa para el periodo 24/5-26/7 El Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX está elaborando una página web donde se recopila toda la información disponible sobre el mantenimiento del SIEH.

10 6 Agradecimientos Este trabajo se desarrolla dentro del marco de una Encomienda de Gestión por la Dirección General del Agua del Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino. 7 Referencias bibliográficas Álvarez Rodríguez, J., Potenciano de las Heras, A., Villaverde Valero, J.J. (28). Evolución histórica de sequías en España. Revista de Obras Públicas. Vol 155, nº pp Barrera, A.; Llasat Botija, M.C. (25). Nota sobre la evaluación de la situación de sequía en España (septiembre 24-mayo 25). RAM. Revista del Aficionado a la Meteorología. Nº 33, sep GRASS Development Team, (27). GRASS 6.2 Users Manual. ITC-irst, Trento, Italy. Electronic document: GRASS Development Team, (28). Geographic Resources Analysis Support System (GRASS) Software. Open Source Geospatial Foundation Project. McKee, T., Doesken N., Kleist J. (1995). Drought Monitoring with Multiple Time Scales. American Meteorological Society, 9th. Conference on applied climatology, pp. MIMAM, (28). Gestión de la sequía de los años 24 a 27. Ministerio de Medio Ambiente, España. 198 pp. Quintas Ripoll, L. (1996). La base de datos hidrológicos HIDRO del CEDEX. Ingeniería Civil, Nº 14. Ministerio de Fomento. Madrid Ruiz García, J.M. (1999). Modelo distribuido para la Evaluación de Recursos Hídricos. Monografía del CEDEX, M-67, Ministerio de Fomento. Publicación de la Tesis Doctoral. Wilhite, Donald A. (26). Drought monitoring and early warning: concepts, progress and future challenges. World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland. WMO Nº 16