Aplicación de teledetección y gestión integrada el agua en zonas semiáridas

Abstract

El agua es un recurso esencial para el mantenimiento de los ecosistemas naturales, la regulación del clima y el desarrollo de la humanidad. La creciente presión sobre este recurso en las últimas décadas y los cambios en el clima hacen prioritario evaluar y proteger nuestros recursos naturales de manera cooperativa, hacia unos mismos objetivos. Por ello, la legislación y el impulso de la administración resultan fundamentales para llevar a cabo diferentes estrategias para poner en marcha proyectos que favorecen el uso coordinado, equitativo y sostenible de los recursos hídricos y alcanzar los objetivos de la planificación hidrológica. Algunos de los planes propuestos por las administraciones consisten en realizar el seguimiento del estado cuantitativo y cualitativo del agua, tanto subterránea como superficial, medidas de adaptación y mitigación de los efectos del cambio climático, recuperación de los ecosistemas fluviales y mejoras en su estado ecológico, adaptaciones y gestión de los riesgos de inundación, planes para minimizar los efectos de situaciones de sequía, gestión de la seguridad de presas y embalses, así como nuevas propuestas y medidas para potenciar la depuración, saneamiento y la reutilización del agua. Con estas estrategias se pretende desarrollar una metodología que permita lograr el cumplimiento de los objetivos sociales, ambientales y económicos planteados por las políticas de gestión comunitarias y nacionales. Junto a ello, la desalinización, es uno de los principales objetivos de la administración. Sobre esta base, la finalidad de esta tesis es destacar la capacidad de la teledetección y los Sistemas de Información Geográfica (SIG) en la planificación hidrológica, no solo como herramienta de diagnóstico del estado actual de los recursos, sino también para incorporarlo al proceso de toma de decisiones en los sistemas de control en tiempo real. La teledetección nos proporciona una gran cantidad de información complementaria a la obtenida in situ a la que, además, se pueden incluir otro tipo de parámetros ambientales como indicadores de los efectos producidos por el cambio climático. En los artículos que comprenden esta tesis se realiza una evaluación de los recursos hídricos a partir de metodologías sencillas con imágenes de satélite y formulación de modelos que permitan prever la disponibilidad de agua bajo diversos escenarios de escasez hídrica. Al mismo tiempo, se apunta hacia una de las estrategias de reutilización y de obtención de recursos como es la desalinización. Para evaluar los cambios de usos del suelo y su relación con el consumo de agua, se realizó un análisis mediante imágenes aéreas a escala de cuenca hidrográfica, en una zona que, a pesar de estar afectada por condiciones de aridez, se ha producido un gran crecimiento poblacional e intensificación de la actividad agrícola. En la primera publicación, “Water Management in Irrigation Systems by Using Satellite Information”, se estimaron las pérdidas de agua por evaporación en relación con el incremento del número de balsas para el riego comparando dos periodos de estudio, entre 1973-1986 y en 2016. En este estudio, se ha determinado un aumento por cuatro del número de balsas, que se traduce en un ascenso de las pérdidas por evaporación anual de alrededor de 15,62 hm³/año. La utilización de imágenes de satélite y el cálculo de índices espectrales para obtener información sobre la evolución, estado y disponibilidad de los recursos hídricos se ha convertido en los últimos años en una herramienta habitual principalmente para en el sector agrícola y el estudio de los ecosistemas naturales. En la segunda publicación, “A review of Landsat TM/ETM based vegetation indices as applied to wetland ecosystems” se utilizó información de Landsat 5 del área localizada entre las Salinas de Santa Pola y el Parque Natural de El Hondo en Elche y Crevillente, con el objetivo de evaluar el ajuste de varios índices de vegetación en zonas de humedales. Entre los índices de estimación de la biomasa, se encontró una relación directa y una elevada correlación. En cambio, para los índices de contenido de humedad, no se consiguieron buenas correlaciones. Estos resultados muestran que la selección de los diferentes índices debe realizarse de acuerdo con las características de la zona, teniendo en cuenta que, por ejemplo, en áreas con baja densidad vegetal y mayor exposición, se deberían elegir aquellos que corrigen las distorsiones producidas por la reflectividad del suelo. En el caso de la tercera publicación, “Assessing water availability in Mediterranean regions affected by water conflicts through MODIS data time series analysis”, se utilizaron series temporales de imágenes MODIS desde 2001 a 2014 del Índice de Diferencia Normalizada (NDVI) y de Temperatura de la Superficie Terrestre (LST) localizadas en las cuencas hidrográficas de los ríos Amadorio y Guadalest. También se utilizaron datos diarios de precipitación, volumen anual almacenado en los dos embalses de la zona y proyecciones de modelos climáticos para 2050 del IPCC. Con el cálculo de las anomalías de esta serie de datos, se pudieron visualizar patrones espacio-temporales de cambio para poder analizar la relación entre el volumen de agua almacenado en los embalses y el resto de variables (NDVI, LST y precipitación), encontrándose una correlación significativa entre el NDVI y los datos de volumen de agua almacenado. Además, se evaluó la capacidad de predicción de almacenamiento de agua, NDVI y LST teniendo en cuenta los escenarios de cambio climático, en el que se muestra una relación significativa inversa con LST. El objetivo de la cuarta publicación, “Using Landsat images to determine water storing capacity in Mediterranean environments”, fue estimar y modelizar la capacidad de almacenamiento de agua con la posibilidad de incorporarlo a un sistema de control y gestión automatizado. Para ello, se utilizó la clasificación supervisada de una serie temporal de imágenes Landsat para extraer una estimación de la superficie de lámina de agua y generar modelos de predicción. En la validación se obtuvieron valores que indicaban un buen ajuste y una buena capacidad de predictiva. Para una gestión sostenible de los recursos es necesario la implantación de medidas que permitan el máximo aprovechamiento del agua y reducir la presión actual. Una de las propuestas que define las políticas nacionales y comunitarias es la reutilización y depuración de las aguas como estrategia clave en la consecución de los objetivos planteados. En la quinta publicación, “Agricultural drainage water characterization to determine the desalination possibilities for irrigation in a semiarid environment”, se evaluó la calidad de las aguas de drenajes agrícolas relacionadas con las áreas estudiadas en la segunda publicación, para determinar la posibilidad de implantar un sistema de desalinización para su reutilización como recursos no convencionales. Se realizaron diferentes muestreos en los que se estimó el caudal y se analizó el pH, la conductividad eléctrica, sales disueltas y sólidos en suspensión. Aunque en algunos de los canales de drenaje se obtuvo un caudal demasiado variable y elevados valores de salinidad y sólidos disueltos, en otros casos, los datos indicaron la posibilidad de instalar una pequeña planta de ósmosis inversa para la desalinización y reutilización de esas aguas. A modo de conclusión, el agua debe de tratarse con una visión de conjunto, gestión integrada, de manera que los recursos y su obtención estén bajo un sistema de control en el que la teledetección ofrece una serie de posibilidades y se combine con otras estrategias y procesos. Sin lugar a dudas, y centrándonos en el entorno inmediato, la escasez de recursos aboga a la necesidad de reutilizar al máximo las aguas, incluidas aquellas sobrantes y la desalación, no solo de agua marina, existen muchas posibilidades, como se ha puesto de manifiesto.

Water is an essential resource for the maintenance of natural ecosystems, climate regulation and the development of humanity. The growing pressure on this resource in recent decades and changes in the climate make a priority to evaluate and protect our natural resources in a cooperative manner, towards the same objectives. Therefore, legislation and the administration management are essential to carry out different strategies to implement projects that favor the coordinated, equitable and sustainable use of water resources and achieve the objectives of hydrological planning. Some of the plans proposed by the administrations consist of monitoring the quantitative and qualitative status of both groundwater and surface water, adaptation measures and mitigation of the effects of climate change, recovery of river ecosystems and improvements in their ecological status, adaptations and management of flood risks, plans to minimize the effects of drought situations, safety management of dams and reservoirs, as well as new proposals and measures to promote the purification, sanitation and reuse of water. With these strategies, it is intended to develop a methodology that allows achieving the fulfillment of the social, environmental and economic objectives set out by the community and national management policies. Beside these strategies, desalination is one of the major targets of the administration. On this basis, the purpose of this thesis is to highlight the capacity of remote sensing and Geographic Information Systems (GIS) in hydrological planning, not only as a tool for diagnosing the current state of resources but also to incorporate it into the decisionmaking process. Remote sensing provides us with a large amount of complementary information to that obtained in situ, to which, in addition, other types of environmental parameters can be included as indicators of the effects produced by climate change. In the articles that comprise this thesis, an evaluation of water resources was carried out based on simple methodologies with satellite images and the formulation of models that allow predicting the availability of water under various scenarios of water scarcity. At the same time, one of the strategies for reuse and obtaining resources such as desalination is added. To evaluate the changes in land use and its relationship with water consumption, an analysis was carried out using aerial images at a hydrographic basin scale, in an area that, despite being affected by arid conditions, has produced a large population growth and intensification of agricultural activity. In the first publication, "Water Management in Irrigation Systems by Using Satellite Information", water losses due to evaporation were estimated in relation to with the increase in the number of ponds for irrigation comparing two study periods, between 1973-1986 and in 2016. In this study period, an increase by four in the number of ponds has been estimated, which means an increase in losses by annual evaporation of around 15.62 hm³/year. The use of satellite images and the calculation of spectral indices to obtain information on the evolution, state and availability of water resources has become in recent years a common tool mainly for the agricultural sector and the study of natural ecosystems. In the second publication, "A review of Landsat TM/ETM based vegetation indices as applied to wetland ecosystems", information from Landsat 5 of the area located between the Salinas de Santa Pola and the Natural Park of El Hondo in Elche and Crevillente was used, with the aim of evaluate the fit of various vegetation indices in wetland areas. A direct relationship and a high correlation were found between biomass estimation indices. On the other hand, for the moisture content indices, they did not indicate a good correlation. These results show that the selection of the different indices must be made according to the characteristics of the area, considering that, for example, in areas with low plant density and greater exposure, those that correct the distortions produced by ground reflectivity should be chosen. In the case of the third publication, “Assessing water availability in Mediterranean regions affected by water conflicts through MODIS data time series analysis”, time series of MODIS images from 2001 to 2014 of the Normalized Difference Index (NDVI) and Land Surface Temperature (LST) located in the hydrographic basins of the Amadorio and Guadalest rivers. Daily precipitation data, annual volume stored in both reservoirs, and climate model projections for 2050 were also used. With the calculation of the anomalies of this data series, it was possible to visualize spatio-temporal patterns of change in order to analyze the relationship between the volume of water stored in the reservoirs and the rest of the variables (NDVI, LST and precipitation), finding a significant correlation between the NDVI and the data on the volume of water stored. In addition, the prediction capacity of water storage, NDVI and LST was evaluated considering climate change scenarios, in which a significant inverse relationship with LST is shown. The objective of the fourth publication, “Using Landsat images to determine water storing capacity in Mediterranean environments”, was to estimate and model the water storage capacity with the possibility of incorporating it into an automated control and management system. To do this, the supervised classification of a time series of Landsat images was used to extract an estimate of the surface of the water table and generate prediction models. In the validation, values were obtained that indicated a good fit and a good predictive capacity. For sustainable resources management it is necessary to implement methods that guarantee the maximum water exploitation while reducing the current pressure. One of the proposals that defines national and community policies is water reuse and depuration as a key strategy in achieving the objectives. In the fifth publication, “Agricultural drainage water characterization to determine the desalination possibilities for irrigation in a semiarid environment”, the quality of agricultural drainage water was evaluated to determine the possibility of implementing a desalination system for its reuse as unconventional water resources. Flow rate, pH, electrical conductivity, chloride and sodium, and total dissolved solids were analyzed in different samplings. Although in some of drainage canals a highly variable flow and high salinity and dissolved solids values were obtained, in other cases, data indicated the possibility of installing a small reverse osmosis plant for the desalination and reuse of water. In conclusion, water must be treated with an overall vision, integrated management, so that the resources and their collection are under a control system in which remote sensing offers a series of possibilities and would be combined with other strategies and processes. Without any doubt, and focusing on the immediate environment, the scarcity of resources calls for the need to reuse water as much as possible, including surplus water, and desalination, not only of seawater, many possibilities existing, as has been shown.