MODELACION HIDROECONOMICA Y ANALISIS COSTE EFICACIA DE MEDIDAS PARA ALCANZAR OBJETIVOS MEDIOAMBIENTALES EN UNA CUENCA HIDROGRAFICA. Contribución a la Directiva Marco europea del Agua

Abstract

[EN] The strive for the good status of water bodies in a drainage basin is an ambitious project that requires decisions that will surely lead to major financial investment, technical and operational, which must be supported in tools and look for their optimal design. Therefore, an economic analysis of scale using economic tools such as Cost-Effectiveness Analysis -CEA- and hydro-economic models -HEM-, would select the combination of measures to achieve environmental objectives (EO) proposed by the European Water Framework Directive (WFD) at the lowest cost.

The main objective of this Doctoral Thesis is to develop a methodology and hydro-economic tools necessary to provide decision makers the selection and combination of measures to achieve the EO in a drainage basin. The focus of the research includes an Integrated Water Resources Management (IWRM), considering the quantity, quality and the optimization of parameters not conservative as the Biological Oxygen Demand (BOD) and parameters conservative such as Phosphorus (P). Prior to the hydro-economic modeling, it is a detailed study of the pressures and impacts of bodies of water in the basin, identifying the most polluted bodies and to be applied different measures such as: Basic Measures (MB), Reuse Measures to meet consumptive demands (MRDC) and Complementary Measures (MC), this in order to reach these OMA in the set masses by the WFD.

In hydro-economic models (HEM) using No Linear Mathematical Programming (NLP) to optimize the parameters of BOD, incorporating the temporal variability for a given period, while optimizing the parameter Phosphorus is used Mathematical programming Mixed Integer (MIP) and mathematical programming "semi-soft" and Mixed Integer Nonlinear (MINLP), using variables of activation and clearance for selecting optimal combination of measures. Mathematical programming tools have been used GAMS ¿ (General Modelling Algebraic System), and EXCEL ¿ spreadsheet. The CEA integrated with multiple objectives, including pollution control measures on time (Sewage), system management (flow, security of supply, demand control (modernization of irrigation systems) and reuse of reclaimed water. Alongside hydro- economic models, Support System Decision is used to AQUATOOL (Andreu et al, 1996), which allows to know in detail the behavior of circulating flows for the balance equations and concentrations in water bodies in the basin.

This methodology with a focus on comprehensive analysis that includes hydro-economic models, CEA and SSDs has been implemented in different basins and drainage basins in the river basin district Júcar (Serpis, Albaida, Arquillo, Magro), and the findings allow to meet mathematically the environmental objectives at the lowest possible cost of the different bodies of water in a drainage basin, it allows the economic analysis which may include the study of shadow prices, multiple objectives, analysis of goodness of the constraints of quality, uncertainty analysis of hydrological multiple equiprobability scenarios and study the downstream externalities that arise in the different masses in a drainage basin, among others, strengthening the focus of a methodology for Integrated Water Resources Management (IWRM), contributing to the implementation of the European Water Framework Directive (WFD). Prior to the hydro-economic modeling (HEM), it is done a detailed analysis of pressures and impacts and schemes of important issues (SII) of water bodies in the basin, where the most polluted bodies are identified and that different measures should be applied.

[ES] El propender por el buen estado de las masas de agua en una cuenca hidrográfica es un proyecto ambicioso que requiere de decisiones que seguramente conllevan grandes inversiones financieras, técnicas y operativas, las cuales han de estar soportadas en herramientas y estudios para lograr su diseño óptimo. Por lo anterior, un análisis económico a escala de cuenca mediante herramientas económicas de medidas que permiten lograr los objetivos medioambientales (OMA), como el Análisis Coste-Eficacia -ACE- y Modelos Hidro-Económicos -MHE-, permitiría seleccionar la combinación de medidas para alcanzar los OMA propuestos por la Directiva Marco europea del Agua (DMA) al menor coste.

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es desarrollar una metodología y las herramientas hidro-económicas necesarias para facilitar a los tomadores de decisión la selección y combinación de medidas que permitan alcanzar los OMA en una cuenca hidrográfica. El enfoque de la investigación incluye una gestión integrada del recurso hídrico (GIRH) considerando la cantidad, la calidad y la optimización económica de las medidas para alcanzar los objetivos medioambientales, entre ellos los correspondientes a constituyentes no conservativos como la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) y conservativos como el fósforo (P). Previo a la modelación hidro-económica, se hace un estudio detallado de las presiones e impactos de las masas de agua en la cuenca, donde se identifican las masas más contaminadas y que deban de aplicarse diferentes medidas tales como: Medidas Básicas (MB), Medidas de Reutilización para atender Demandas Consuntivas (MRDC) y Medidas Complementarias (MC), esto con el fin de que dichas masas alcancen OMA fijados por la DMA.

En los modelos hidro-económicos se utiliza la programación matemática no lineal para determinar la combinación de medidas óptima para alcanzar los OMA (DBO), incorporando la variabilidad temporal para un periodo dado; mientras que para alcanzar el OMA relacionado con el fósforo (P) se utiliza programación matemática entera mixta y programación matemática "semiblanda" entera mixta y no lineal, utilizando variables de activación y de holgura para la selección óptima de la combinación de medidas. Las herramientas de programación matemática usadas han sido GAMS¿ (General Algebraic Modeling System), y la hoja de cálculo EXCEL¿. El ACE integrado con objetivos múltiples, incluye medidas de control de contaminación puntual (Depuradoras) y reutilización de aguas regeneradas. Paralelamente a los modelos hidro-económicos, se utiliza Sistema de Apoyo a la Decisión AQUATOOL¿ (Andreu et al, 1996), el cual permite conocer detalladamente el comportamiento de caudales circulantes para realizar las ecuaciones de equilibrio y concentraciones en las masas de agua de una cuenca.

Esta metodología con un enfoque de análisis integral que incluye modelos hidro-económicos, ACE y SADs, ha sido implementada en diferentes cuencas y subcuencas de la Demarcación Hidrográfica del Júcar (Serpis, Albaida, Arquillo, Magro), y los resultados permiten matemáticamente alcanzar los objetivos medioambientales al menor coste posible de las diferentes masas de agua en una cuenca hidrográfica. Además, permite realizar análisis económicos que pueden incluir el estudio de precios sombra, objetivos múltiples, análisis de bondad de las restricciones de calidad, análisis de incertidumbre con múltiples escenarios hidrológicos equiprobables, y estudiar las externalidades aguas abajo que se presentan en las diferentes masas en una cuenca, entre otros; fortaleciendo el enfoque de una metodología de Gestión Integrada de Recursos Hídricos, contribuyendo a la implementación de la DMA. Previo a la modelación hidro-económica, se hace un estudio detallado de las presiones e impactos y esquemas de temas importante (ETI) de las masas de agua en la cuenca, donde se identifican las masas más contaminadas y qu

[CA] El propendir pel bon estat de les masses d'aigua en una conca hidrogràfica és un projecte ambiciós que requerix de decisions que segurament comporten grans inversions financeres, tècniques i operatives, les quals han d'estar suportades en ferramentes i estudis per a aconseguir el seu disseny òptim. Per l'anterior, una anàlisi econòmica a escala de conca per mitjà de ferramentes econòmica com l'Anàlisi Coste-Eficacia (ACE) i Models HidroEconómicos, permetria seleccionar la combinació de mesures que permeten aconseguir els objectius mediambientals (OMA) proposats per la Directiva Marco Europea de l'Aigua (DMA) al menor cost.

L'objectiu principal d'esta Tesi Doctoral és desenrotllar una metodologia i les ferramentes hidro-económicas necessàries per a facilitar als acceptants de decisió la selecció i combinació de mesures que permeten aconseguir els OMA en una conca hidrogràfica. L'enfocament de la investigació inclou una gestió integrada del recurs hídric (GIRH) considerant la quantitat, la qualitat i l'optimització econòmica de paràmetres No conservatius com la Demanda Biològica d'Oxigen (DBO) i conservatius com el Fòsfor (P). Previ a la modelació hidro-económica, es fa un estudi detallat de les pressions i impactes de les masses d'aigua en la conca, on s'identifiquen les masses més contaminades i que deguen aplicar-se diferents mesures com ara: Mesures Bàsiques (MB) , Mesures de Reutilització per a atendre Demandes Consumptives (MRDC) i Mesures Complementàries (MC) , açò a fi que les dites masses aconseguixen OMA fixats per la DMA.

En els models hidro-económicos s'utilitza la programació matemàtica no lineal (NLP) per a optimitzar el paràmetre de, incorporant la variabilitat temporal per a un període donat; mentres que per a optimitzar el paràmetre de Fòsfor s'utilitza programació matemàtica sencera mixta (MIP) i programació matemàtica 'semiblanda' sencera mixta i no lineal (MINLP), utilitzant variables d'activació i de folgança per a la selecció òptima de la combinació de mesures. Les ferramentes de programació matemàtica usades han sigut GAMS¿ (General Algebraic Modeling System), i el full de càlcul EXCEL¿. L'ACE integrat amb objectius múltiples, inclou mesures de control de contaminació puntual (Depuradoras), gestió del sistema (caudales, garanties de subministrament, control de demanda (modernización de regadíos) i reutilització d'aigües regenerades. Parallelament als models hidro-econòmics, s'utilitza Sistema de Suport a la Decisió AQUATOOL¿ (Andreu et al, 1996), el qual permet conèixer detalladament el comportament de cabals circulants per a realitzar les equacions d'equilibri i concentracions en les masses d'aigua d'una conca.

Esta metodologia amb un enfocament d'anàlisi integral que inclou models hidro-económicos, ACE i SSDs, ha sigut implementada en diferents conques i subconques de la Demarcació Hidrogràfica del Xúquer (Serpis, Abaida, Arquillo, Magre), i els resultats permeten matemàticament assolir els objectius mediambientals al menor cost possible de les diferents masses d'aigua en una conca hidrogràfica. A més, permet realitzar anàlisis econòmiques que poden incloure l'estudi de preus ombra, objectius múltiples, anàlisi de bondat de les restriccions de qualitat, anàlisi d'incertesa amb múltiples escenaris hidrològics equiprobables, i estudiar les externalitats aigües baix que es presenten en les diferents masses en una conca, entre altres; enfortint l'enfocament d'una metodologia de Gestió Integrada de Recursos Hídrics (GIRH), contribuint a la implementació de la Directiva Marco Europea de l'Aigua (DMA). Previ a la modelación hidro-economica, se fa un estudi detallat de les pressions i impactes i esquemes de temes important (ETI) de les masses d'aigua en la conca, a on s'identifiquen les masses mes contaminades i que degue aplicar-se diferents mesures