Gestión de recursos hídricos con el software WEAP

1. Introducción

En este artículo se ha empleado el software WEAP para crear un modelo que permite, a partir de los datos del año corriente (existencias iniciales en los embalses, aportaciones de caudal en cabecera, volúmenes de demanda, restricciones de caudal en tramo de río…) y de los supuestos del año horizonte (escenarios), estudiar la evolución de los embalses, contrastar el caudal circulante en un punto de interés del río Segura, valorar el grado de satisfacción de la demanda agraria considerada y comprobar el requerimiento de caudal (uso ambiental…) aguas abajo del azud de Ojós.
Es muy importante disponer de datos de calidad para la alimentación de los modelos de simulación de la gestión de los sistemas de recursos hídricos. En este caso se trabajará con una subcuenca del río Segura comprendida entre los embalses de Cenajo, Camarillas y aguas abajo del azud de Ojós.
Aunque en el ejercicio que aquí se presenta, se ha trabajado a escala mensual, el software también permite trabajar a escala diaria.
En definitiva, se ha planteado un par de escenarios hipotéticos con estados iniciales de embalse, aportaciones previas, demandas, restricciones de caudal… analizándose los resultados obtenidos en cada una de las simulaciones realizadas, obteniendo conclusiones de interés, quedando demostrada la utilidad de la herramienta empleada para la gestión del recurso hídrico en la cuenca del río Segura frente a situaciones de escasez, tan habituales en esta zona del sureste peninsular.

2. Acerca de WEAP

Desde la página web www.weap21.org es posible descargar la versión de evaluación del software WEAP (Water Evaluation And Planning). Esta versión de evaluación de WEAP es gratuita y funcional permitiendo utilizar en los modelos un máximo de 6 nodos y 3 tramos de río. Para un número mayor de nodos y/o tramos la opción de guardar datos no está habilitada. Para utilizar el programa sin restricciones es necesario adquirir una licencia de WEAP.
WEAP ha sido desarrollado por el Stockholm Environment Institute (SEI) aunque también han participado en su desarrollo otros organismos como el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE.UU., la ONU, el Banco Mundial, la EPA, IWMI, el Fondo para la Infraestructura Global de Japón, etc.
El programa se ha aplicado en evaluaciones de los recursos hídricos en numerosos países como Estados Unidos, México, Brasil, Alemania, Ghana, Burkina Faso, Kenia, Sudáfrica, Mozambique, Egipto, Israel, Omán, Asia Central, India, Sri Lanka, Nepal, China, Corea del Sur, Tailandia,…
Se trata de una herramienta computacional con una interfaz amigable que provee un enfoque integral para la planificación y gestión de los recursos hídricos, al igual que Aquatool, pero a diferencia de este último software, que trabaja a escala mensual, WEAP también permite trabajar a escala diaria.
Por lo tanto, esta herramienta permite la integración completa de la demanda, el suministro, la calidad del agua y consideraciones ecológicas para realizar la asignación de los recursos hídricos, que, como se sabe, cada vez son más limitados. El balance de agua se lleva a cabo haciendo uso de una arquitectura de nodo-enlace.
Un aspecto interesante de WEAP es que permite la integración dinámica con otros modelos computacionales, por ejemplo, MODFLOW, QUAL2K, etc.

3. Construcción de un modelo en WEAP

Se ha construido un modelo en la versión de evaluación de WEAP con los siguientes elementos:
– Un tramo del río Segura desde aguas arriba del embalse del Cenajo hasta aguas abajo del azud de Ojós.
– Un tramo del río Mundo desde aguas arriba del embalse del Camarillas hasta la confluencia con el río Segura.
– Un nodo tipo embalse que representa al Cenajo.
– Un nodo tipo embalse que representa al Camarillas.
– Un nodo tipo embalse que representa al azud de Ojós.
– Un nodo de demanda agraria con derivación desde aguas arriba del azud de Ojós para abastecer a los riegos del Trasvase Tajo Segura a través del Canal Principal de la Margen Izquierda (CPMI), del Canal Principal de la Margen Derecha (CPMD) y de la Elevación a la Zona II (EZII).
– Una conducción para derivar la demanda agraria citada anteriormente.
– Un medidor de caudal situado en el río Segura inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo.
– Un requerimiento de caudal situado en el río Segura aguas abajo del azud de Ojós.
En la siguiente figura se muestra el esquema en WEAP con los elementos descritos y de fondo se han colocado la Demarcación Hidrográfica del Segura, la red hidrográfica principal y los embalses como capas de información SHP, en coordenadas UTM Huso 30 N y Datum WGS84.

Figura 1. Esquema en WEAP con los elementos definidos anteriormente

4. Datos de partida para el año corriente (2015)

4.1. Tramos de río

Para los dos tramos de río considerados, es decir, tramo de río Segura y tramo de río Mundo ha sido necesario introducir los caudales medios mensuales en cabecera para el año corriente. Se ha considerado como año corriente, en el que se dispone de datos observados, el año 2015.

Figura 2. Caudales medios mensuales en cabecera de ríos Segura y Mundo para el año corriente (2015)

4.2. Embalses

Para los tres embalses considerados (Cenajo, Camarillas y Ojós) ha sido necesario introducir sus batimetrías, es decir, las curvas características cota-volumen.

Figura 3. Batimetrías de los embalses Cenajo, Camarillas y Ojós

Para el embalse del Cenajo se ha considerado una capacidad de almacenamiento de 465 hm3, para el embalse del Camarillas 44 hm3 y para el embalse de Ojós 3,6 hm3, valores estos últimos ligeramente inferiores a los volúmenes máximos de cada batimetría.
En cuanto al almacenamiento inicial o volumen de cada embalse al inicio del año 2015, el embalse del Cenajo disponía de un volumen de 298,719 hm3, el embalse del Camarillas de 13,359 hm3 y el embalse de Ojós de 2,657 hm3.
En este ejemplo no se ha tenido en consideración la evaporación ni las filtraciones de los embalses.
Lo que sí que se ha tenido en consideración ha sido el volumen observado en cada uno de los embalses, a finales de cada mes, durante el año corriente 2015, tal y como se muestra en los gráficos siguientes:

Figura 4. Volúmenes observados en los embalses al final de cada mes para el año corriente (2015)

Es importante tener en consideración que WEAP permite establecer una zonificación de los embalses para gestionar su explotación. De esta forma, el programa propone los tres umbrales siguientes:
1) Parte superior de conservación, que define el volumen máximo de agua que almacenará un embalse en régimen de explotación ordinaria, permitiendo un margen o resguardo para el control de avenidas (gestión del embalse en situaciones extraordinarias).
2) Parte superior de amortiguamiento, por debajo de este nivel las descargas del embalse pueden ser restringidas, haciendo uso de un coeficiente de amortiguamiento inferior a la unidad.
3) Parte superior del volumen inactivo, por debajo del cual se encuentra el embalse muerto que es un volumen de agua que no está disponible para la asignación.
En nuestro caso se ha considerado:
– Para el embalse del Cenajo: un umbral superior de conservación de 397,048 hm3, no se ha considerado umbral superior de amortiguamiento y un umbral superior de volumen inactivo de 20,430 hm3.
– Para el embalse del Camarillas: un umbral superior de conservación de 37,035 hm3, no se ha considerado umbral superior de amortiguamiento y un umbral superior de volumen inactivo de 1,860 hm3.
– Para el embalse de Ojós: un umbral superior de conservación de 3 hm3, no se ha considerado umbral superior de amortiguamiento y un umbral superior de volumen inactivo de 0,500 hm3.
En cuanto a la prioridad de llenado de los embalses, a los tres embalses se les ha asignado la prioridad que WEAP asigna por defecto a las infraestructuras, es decir, un valor de 99. Téngase en cuenta que 1 es la mayor prioridad y 99 la menor prioridad. Por lo tanto, los embalses se llenarán sólo después de satisfacer el resto de las demandas (regadíos, caudales ecológicos, etc.)

4.3. Nodo de demanda

En el modelo que hemos construido se ha considerado un único nodo de demanda ubicado inmediatamente aguas arriba del azud de Ojós y que, tal y como se ha comentado anteriormente, pretende representar la demanda de los riegos del Trasvase Tajo Segura a través del Canal Principal de la Margen Izquierda (CPMI), del Canal Principal de la Margen Derecha (CPMD) y de la Elevación a la Zona II (EZII).
Para esta demanda se ha supuesto que se debe abastecer una superficie de riego de 90000 ha con una dotación anual de 5000 m3/ha y con una variación mensual obtenida del Plan Hidrológico de la Demarcación del Segura, tal y como se muestra el gráfico siguiente:

Figura 5. Variación mensual de la demanda para el año corriente (2015)

Se ha considerado que el consumo es del 100 % y que no existen retornos de riego al río Segura. Tampoco se han considerado pérdidas que supongan un incremento del suministro, ni reutilización que suponga una disminución en el suministro.
La prioridad asignada para satisfacer esta demanda ha sido la máxima, es decir, un valor de 1.

4.4. Nodo de requerimiento de caudal

Se ha impuesto una condición de caudal en el río Segura inmediatamente aguas abajo del embalse de Ojós, para satisfacer las demandas existentes, incluida la demanda de caudal ambiental, tal y como se muestra en la gráfica siguiente.

Figura 6. Caudal mensual requerido en el río Segura aguas abajo del embalse de Ojós para el año 2015

La prioridad asignada también ha sido la mayor, es decir, el valor 1, al igual que se hizo con el nodo de demanda descrito en el apartado anterior.

4.5. Nodo de medición de caudal

Se ha empleado un medidor de caudal en el río Segura, inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo, con la finalidad de contrastar los caudales observados en la estación de aforos del Bayo (SAIH) y los caudales simulados que proporciona WEAP. Esto permitirá ayudar en la calibración de los parámetros del modelo.
Es importante comprender que el medidor de caudal no supone una condición impuesta, a diferencia del nodo de demanda y del nodo de requerimiento de caudal, por esta razón, el nodo de medición de caudal no necesita que se le asigne ninguna prioridad.
El caudal medio mensual observado en la estación de aforos citada se muestra a continuación:

Figura 7. Caudal mensual observado en el río Segura en la estación de aforos del Bayo para el año 2015

4.6. Conducción

Se ha incluido en el modelo una conducción que conecta el río Segura inmediatamente aguas arriba del azud de Ojós con el nodo de demanda. A esta conducción no se le han impuesto condiciones de máximo volumen por falta de capacidad, ni restricciones al caudal demandado. Esta conducción tiene asignada la misma prioridad que el nodo de demanda, es decir, el valor 1.

5. Horizonte o periodo de referencia para obtener resultados y realizar predicciones

En este ejemplo se está trabajando con las variables a escala mensual y el año corriente seleccionado, como año que dispone de datos observados, ha sido el año 2015.
El horizonte temporal o periodo de referencia en el que se quieren obtener resultados de las variables con la simulación del modelo será el año 2016.
En principio WEAP va a extrapolar los datos necesarios para realizar los cálculos desde el año 2015 al año 2016, es decir, por defecto WEAP supone los mismos valores del año 2015 para el año 2016. Sin embargo, como se dispone de los datos del año 2016, se van a editar los datos copiados y se van a sustituir por los datos observados en 2016.
Evidentemente, cuando se realicen predicciones a futuro, sólo se va a disponer de los datos observados del año corriente, y los datos de los años del periodo de referencia u horizonte se deberán suponer, en función de los escenarios que se quieran simular (optimistas, pesimistas, etc.)

6. Valores considerados para el año horizonte o periodo de referencia. Escenario 1

6.1. Tramos de río

Para el tramo de río Segura y tramo de río Mundo se ha considerado como hipótesis que se mantienen las aportaciones, es decir, que los caudales medios mensuales en cabecera en ambos tramos de río, para el año horizonte 2016, coinciden con los caudales medios mensuales del año corriente 2015.

6.2. Embalses

Para los tres embalses considerados (Cenajo, Camarillas y Ojós) las batimetrías son las mismas para el año corriente 2015 y para el año horizonte 2016. Las capacidades de almacenamiento también son las mismas. Y el volumen inicial ya se introdujo para el inicio del año corriente 2015.
Para el año horizonte 2016 tampoco se ha tenido en consideración la evaporación, ni las filtraciones de los embalses.
Lo que sí que se ha tenido en consideración ha sido el volumen observado en cada uno de los embalses, a finales de cada mes, durante el año horizonte 2016, ya que se dispone de estos datos, y nos servirán de referencia para la calibración de los parámetros del modelo, al igual que ocurría con el medidor de caudal.
Los gráficos siguientes muestran los volúmenes observados en los embalses al final de cada mes para el año corriente 2015 (naranja) y para el año horizonte 2016 (azul)

Figura 8. Volúmenes observados en los embalses al final de cada mes para el año corriente 2015 (naranja) y para el año horizonte 2016 (azul)

La zonificación de embalses (umbral superior de conservación, umbral superior de amortiguamiento y umbral superior del volumen inactivo) es la misma para el año horizonte 2016 que para el año corriente 2015.
Y en cuanto a la prioridad de llenado de los embalses para el año horizonte 2016, a los tres embalses se les ha asignado la prioridad que WEAP asigna por defecto a las infraestructuras, es decir, un valor de 99. Téngase en cuenta que 1 es la mayor prioridad y 99 la menor prioridad. Por lo tanto, los embalses se llenarán sólo después de satisfacer el resto de las demandas (regadíos, caudales ecológicos, etc.) al igual que se había supuesto en el año corriente 2015.

6.3. Nodo de demanda

Para la demanda en el año horizonte 2016 se ha supuesto que se debe abastecer una superficie de riego de 90000 ha con una dotación anual de 5000 m3/ha y con la variación mensual obtenida del Plan Hidrológico de la Demarcación del Segura, es decir, igual que en el año corriente 2015.
Análogamente, se ha considerado que el consumo es del 100 % y que no existen retornos de riego al río Segura. Tampoco se han considerado pérdidas que supongan un incremento del suministro, ni reutilización que suponga una disminución en el suministro.
La prioridad asignada para satisfacer esta demanda ha sido la máxima, es decir, un valor de 1.

6.4. Nodo de requerimiento de caudal

También se ha impuesto una condición de caudal en el río Segura inmediatamente aguas abajo del embalse de Ojós para satisfacer las demandas existentes, incluida la demanda de caudal ambiental, en el año horizonte 2016, tal y como se muestra en la gráfica siguiente.

Figura 9. Caudal mensual requerido en el río Segura aguas abajo del embalse de Ojós para el año corriente 2015 (naranja) y para el año horizonte 2016 (azul)

La prioridad asignada también ha sido la mayor, es decir, el valor 1, al igual que se hizo con el año corriente 2015.

6.5. Nodo de medición de caudal

Se ha empleado un medidor de caudal en el río Segura, inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo, con la finalidad de contrastar los caudales observados en la estación de aforos del Bayo (SAIH) y los caudales simulados que proporciona WEAP. Esto permitirá ayudar en la calibración de los parámetros del modelo, también para el año horizonte 2016.
El caudal medio mensual observado en la estación de aforos citada se muestra a continuación:

Figura 10. Caudal mensual observado en el río Segura en la estación de aforos del Bayo para el año corriente 2015 (naranja) y para el año horizonte 2016 (azul)

6.6. Conducción

Se ha incluido en el modelo una conducción que conecta el río Segura inmediatamente aguas arriba del azud de Ojós con el nodo de demanda. A esta conducción no se le han impuesto condiciones de máximo volumen por falta de capacidad, ni restricciones al caudal demandado. Esta conducción tiene asignada la misma prioridad que el nodo de demanda, es decir, el valor 1. Por lo tanto, las características de la conducción son las mismas para el año corriente 2015 que para el año horizonte 2016.

7. Análisis de resultados del Escenario 1 sin cambios en las aportaciones

Una vez que se ha llevado a cabo la entrada de datos al modelo, se procede a realizar la simulación del Escenario 1 en el que no se han producido cambios en las aportaciones entre el año corriente 2015 y el año horizonte 2016.
A continuación, se muestran los resultados obtenidos de la evolución de los embalses, el caudal circulante aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo, el grado de satisfacción de la demanda agraria considerada y el grado de cumplimiento del requerimiento de caudal (uso ambiental…) aguas abajo del azud de Ojós.

7.1. Evolución del estado de los embalses

Los resultados muestran que los volúmenes de embalse simulados recogen adecuadamente el descenso observado en las existencias durante el año 2015 (especialmente en el embalse del Cenajo que es el de mayor capacidad de la cuenca), pero muestran un vaciado excesivo para el año horizonte 2016, si se quiere satisfacer la demanda supuesta para los regadíos del trasvase.

Figura 11. Evolución del volumen de los embalses. Comparativa entre el volumen observado y el volumen simulado

7.2. Caudal circulante aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo

En el punto de control considerado inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo el caudal simulado (azul) presenta un buen ajuste al caudal observado (rojo) durante el año corriente 2015, y muestra unos valores superiores en relación con el caudal observado durante el año horizonte 2016, debido a que se debe satisfacer una elevada demanda agraria aguas abajo correspondiente a los riegos del trasvase. Por esta razón se produce el vaciado observado en las existencias de los embalses de cabecera (Cenajo y Camarillas) en el año horizonte 2016.

Figura 12. Caudal aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo. Comparativa entre el caudal observado y el caudal simulado

7.3. Grado de satisfacción de la demanda agraria. Demanda no cubierta y suministro entregado

A pesar del vaciado en las existencias de los embalses de cabecera, los resultados de la simulación muestran que entre los meses de agosto y noviembre del año horizonte 2016 existe una fracción de la demanda agraria no cubierta, tal y como se muestra a continuación.

Figura 13. Demanda no cubierta y suministro entregado en CPMI, CPMD y EZII

7.4. Grado de cumplimiento del requerimiento de caudal aguas abajo del embalse de Ojós

Análogamente y a pesar del vaciado en las existencias de los embalses de cabecera, los resultados de la simulación muestran que entre los meses de agosto y noviembre del año horizonte 2016 existiría una fracción del requerimiento de caudal que no se puede satisfacer en el río Segura aguas abajo del azud de Ojós, tal y como se muestra a continuación.

Figura 14. Requerimiento de caudal no satisfecho y caudal entregado en el río Segura aguas abajo de Ojós

8. Escenario 2 con reducción de la dotación de la demanda agraria en el año horizonte. Análisis de los nuevos resultados

Tras el análisis de los resultados de la simulación del Escenario 1, se procede a realizar la simulación del Escenario 2 en el que se vuelve a suponer que tampoco se han producido cambios en las aportaciones entre el año corriente 2015 y el año horizonte 2016, pero se propone una reducción en la dotación de la demanda agraria en el año horizonte 2016, para no finalizar la campaña anual con unas existencias tan bajas como las que resultan con el Escenario 1 y para cumplir el requerimiento de caudal aguas abajo del azud de Ojós. Es decir, se propone una reducción de la dotación anual pasando de los 5000 m3/ha del año corriente 2015 a 3500 m3/ha para el año horizonte 2016.

8.1. Evolución del estado de los embalses

En este nuevo escenario, los resultados muestran que los volúmenes de embalse simulados recogen adecuadamente el descenso observado en las existencias durante el año corriente 2015 y también durante el año horizonte 2016, gracias al establecimiento de una reducción en la dotación anual de la demanda para los regadíos del trasvase. No obstante la disminuación en las existencias, especialmente en el embalse del Cenajo, ha sido importante. Téngase en cuenta que en la actualidad seguimos en situación de sequía en la cuenca.

Figura 15. Evolución del volumen de los embalses. Comparativa entre el volumen observado y el volumen simulado

8.2. Caudal circulante aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo

Con el nuevo escenario, en el punto de control considerado inmediatamente aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo el caudal simulado (azul) presenta un buen ajuste al caudal observado (rojo) durante el año corriente 2015 y también durante el año horizonte 2016, y para ello ha sido determinante plantear una reducción en la dotación anual de la demanda para los regadíos del trasvase.

Figura 16. Caudal aguas abajo de la confluencia de los ríos Segura y Mundo. Comparativa entre el caudal observado y el caudal simulado

8.3. Grado de satisfacción de la demanda agraria. Demanda no cubierta y suministro entregado

A diferencia de lo que ocurría en el Escenario 1, en el Escenario 2 no existe demanda agraria no cubierta, es decir la cobertura es del 100 %, aunque el volumen suministrado en el año horizonte 2016 es menor que el volumen que se suministró en el año corriente 2015, debido a la aplicación de una reducción en la dotación anual de la demanda para los regadíos del trasvase, tal y como se muestra a continuación.

Figura 17. Demanda no cubierta y suministro entregado en CPMI, CPMD y EZII

8.4. Grado de cumplimiento del requerimiento de caudal aguas abajo del embalse de Ojós

En el Escenario 2, los resultados de la simulación muestran que se satisface al 100 % el requerimiento de caudal en el río Segura aguas abajo del azud de Ojós, tal y como se muestra a continuación.

Figura 18. Requerimiento de caudal no satisfecho y caudal entregado en el río Segura aguas abajo de Ojós