Mejora de la gestión del recurso hídrico mediante la incorporación de indicadores de regímenes ecológicos en el análisis de sistemas de recursos hídricos

[ES] El agua constituye un recurso esencial cuya disponibilidad limitada y su creciente demanda hace que sea considerado como un elemento de gran valor desde diversos puntos de vista (ambiental, biológico, social, económico, etc.). El mantenimiento de condiciones favorables que permitan un equilibrio medioambiental adecuado es una de las metas de una adecuada planificación y gestión de recursos hídricos. Una de las acciones principales para la preservación de la biodiversidad de las cuencas consiste en la implementación de caudales ecológicos. Para ello, es importante poder contar con herramientas adecuadas que permitan cuantificar los efectos de los cauda-les ecológicos sobre las actividades socioeconómicas y el medio ambiental. Esta tesis tiene como objetivo proponer metodologías para la obtención y análisis de indicadores que permitan la optimización de regímenes de caudales ecológicos en sistemas de recursos hídricos complejos. Estas metodologías posibilitan evaluar los efectos de los caudales ecológicos en la alteración hidrológica, la alteración del hábitat, las garantías de las demandas, y la explotación del recurso hídrico. Esta tesis doctoral se estructura como un compendio de tres artículos científicos publicados en revistas del primer y segundo cuartil del Journal Citation Reports. En el primer artículo se define una metodología para el análisis de la alteración hidrológica en sistemas altamente regulados para diferentes escenarios de caudales ecológicos, apoyada en la utilización de modelos de simulación de la gestión de sistemas de recursos hídricos, y la posterior estimación y agrupación de indicadores de alteración hidrológica. Dicha metodología ha sido aplicada en la parte española de la Demarcación Hidrográfica del Duero. El segundo artículo plantea una metodología para la obtención de un indicador de alteración del hábitat en cuencas reguladas, mediante la aplicación conjunta de un modelo de simulación de la gestión de cuencas y un modelo de estimación de series temporales de hábitat de las especies acuáticas presentes en la zona de estudio. La metodología se aplica en el sistema de explotación del Órbigo, perteneciente a la Demarcación Hidrográfica del Duero. Las series temporales de hábitat fueron obtenidas y analizadas para diferentes escenarios de regímenes de caudales ecológicos, evaluando sus efectos en la alteración del hábitat y las garantías de las demandas. El tercer artículo propone una metodología para evaluar la variación temporal y espacial del índice de explotación del recurso hídrico (WEI+) en cuencas reguladas. Esta metodología, que fue aplicada en la cuenca del río del Órbigo, permite analizar los efectos de los regímenes de caudales eco-lógicos en el estrés hídrico de los distintos tramos de rio de una cuenca regulada. El enfoque propuesto para reducir la escala espacial del índice de explotación del recurso hídrico es también es útil para identificar las mejores fuentes de agua en las cuencas fluviales para satisfacer futuras demandas de agua y/o restricciones ambientales. Finalmente, a partir de la información obtenida de estas metodologías, se realiza un análisis conjunto de todos estos parámetros para las diferentes alternativas de caudal ecológicos planteadas. Para ello, se evalúan de manera conjunta indicadores globales de alteración hidrológica, alteración de hábitat, déficits de las demandas y estrés hídrico. Estos indicadores globales facilitan, tanto a los gestores como a los usuarios del agua, el análisis de estrategias de planificación y gestión de recursos hídricos.
[CA] L'aigua constitueix un recurs essencial la disponibilitat limitada del qual i la seua creixent demanda fa que siga considerat com un element de gran valor des de diversos punts de vista (ambiental, biològic, social, econòmic, etc.). El manteniment de condicions favorables que permeten un equilibri mediambiental adequat és una de les metes d'una adequada planificació i gestió de recursos hídrics. Una de les accions principals per a la preservació de la biodiversitat de les conques consisteix en la implementació de cabals ecològics. Per a això, és important poder comptar amb eines adequades que permeten quantificar els efectes dels cabals ecològics sobre les activitats socioeconòmiques i el mitjà ambiental. Aquesta tesi té com a objectiu proposar metodologies per a l'obtenció i anàlisi d'indicadors que permeten l'optimització de règims de cabals ecològics en sistemes de recursos hídrics complexos. Aquestes metodologies possibiliten avaluar els efectes dels cabals ecològics en l'alteració hidrològica, l'alteració de l'hàbitat, les garanties de les demandes, i l'explotació del recurs hídric. Aquesta tesi doctoral s'estructura com un compendi de tres articles científics publicats en revistes del primer i segon quartil del Journal Citation Reports. En el primer article es defineix una metodologia per a l'anàlisi de l'alteració hidrològica en sistemes altament regulats per a diferents escenaris de cabals ecològics, recolzada en la utilització de models de simulació de la gestió de sistemes de recursos hídrics, i la posterior estimació i agrupació d'indicadors d'alteració hidrològica. Aquesta metodologia ha sigut aplicada en la part espanyola de la Demarcació Hidrogràfica del Duero. El segon article planteja una metodologia per a l'obtenció d'un indicador d'alteració de l'hàbitat en conques regulades, mitjançant l'aplicació conjunta d'un model de simulació de la gestió de conques i un model d'estimació de sèries temporals d'hàbitat de les espècies aquàtiques presents en la zona d'estudi. La metodologia s'aplica en el sistema d'explotació del Órbigo, pertanyent a la Demarcació Hidrogràfica del Duero. Les sèries temporals d'hàbitat van ser obtingudes i analitzades per a diferents escenaris de règims de cabals ecològics, avaluant els seus efectes en l'alteració de l'hàbitat i les garanties de les demandes. El tercer article proposa una metodologia per a avaluar la variació temporal i espacial de l'índex d'explotació del recurs hídric (WEI+) en conques regulades. Aquesta metodologia, que va ser aplicada en la conca del riu del Órbigo, permet analitzar els efectes dels règims de cabals ecològics en l'estrés hídric dels diferents trams de va riure d'una conca regulada. L'enfocament proposat per a reduir l'escala espacial de l'índex d'explotació del recurs hídric és també és útil per a identificar les millors fonts d'aigua en les conques fluvials per a satisfer futures demandes d'aigua i/o restriccions ambientals. Finalment, a partir de la informació obtinguda d'aquestes metodologies, es realitza una anàlisi conjunta de tots aquests paràmetres per a les diferents alternatives de cabal ecològics plantejades. Per a això, s'avaluen de manera conjunta indicadors globals d'alteració hidrològica, alteració d'hàbitat, dèficits de les demandes i estrés hídric. Aquests indicadors globals faciliten, tant als gestors com als usuaris de l'aigua, l'anàlisi d'estratègies de planificació i gestió de recursos hídrics.
[EN] Water is an essential resource whose limited availability and growing demand means that it is considered an element of great value from various points of view (environmental, biological, social, economic, etc.). The maintenance of favourable conditions that allow an adequate environmental balance is one of the goals of water resources planning and management. One of the main actions for the preservation of the basin biodiversity in the implementation of environmental flows. To this end, it is important to have adequate tools that allow assessing the effects of environmental flows on socioeconomic activities and the environment. This thesis aims to propose methodologies for assessing and analysing indicators that allow the optimization of ecological flow regimes in complex water resource systems. These methodologies enable evaluating the effects of ecological flows on hydrological alteration, habitat alteration, reliability of water demands, and water resources exploitation. This doctoral thesis is structured as a compendium of three research papers published in journals indexed in the first and second quartiles of the Journal Citation Reports. In the first paper, a methodology for the analysis of hydrological alteration in highly regulated systems for different scenarios of ecological flows is pro-posed. The methodology is endorsed using models for the management of water resource systems, and the subsequent computation and grouping of indicators of hydrological alteration. This methodology was applied to the Spanish part of the Duero Water District. The second paper proposes a methodology for assessing an indicator of habitat alteration in regulated basins through the joint application of a basin management simulation model and a model to estimate habitat time series of the aquatic species present in the study zone. The methodology is applied to the Órbigo exploitation system, which belongs to the Duero Water District. Habitat time series were obtained and analysed for different environmental flow regime scenario, and the effects of this environmental flows on habitat alteration and water demand reliability were assessed. The third paper proposes a methodology to evaluate the temporal and spatial variation of the water exploitation index (WEI+) in regulated basins. This methodology, which was applied in the Órbigo river basin, allows ana-lysing the effects of ecological flow regimes on water stress in the different river sections of a regulated basin. The proposed approach to reduce the spatial scale of the water exploitation index is also helpful to identify the best water sources in river basins to meet future water demands and/or higher values of environmental restrictions. Finally, based on the information obtained through the application of these methodologies, a joint analysis of all these parameters was carried out for the different proposed environmental flow alternatives. To this end, global indicators of hydrological alteration, habitat alteration, water demand deficits and water stress are jointly evaluated. These global indicators help water managers and users to analyse strategies of water resources planning and management.
The authors thank the Spanish Ministry of Science and Innovation (MCIN) and Spanish Research Agency (AEI) for the financial support MCIN/AEI/10.13039/501100011033 to RESPHIRA project (PID2019- 106322RB-I00). RB was partly funded by MCIN/AEI /10.13039/501100011033 through Juan de la Cierva program (IJC2019-038848-I). Funding for open ac- cess charge: CRUE-Universitat Politècnica de València. The authors also thank three anonymous reviewers for their suggestions to improve this work.