Estimación de pérdidas de cauce, modelización de transporte de sedimentos y cambio climático de una cuenca mediterránea (Rambla de la Viuda)

Abstract

¿Rambla¿ is a Spanish term used for rivers which only present water flow a few days per year. That is the case with most Spanish rivers. These are characterized by an ephemeral water flow in the riverbed. This is related to Spain¿s unique weather, with a seasonal temperatures regime similar to a temperate climate regime, and the aridity and low rainfall typical of dry climate; and its lithology dominated by karst that hinders the connection between river and aquifer and also enables favors water infiltration from riverbed.

For this project, the conceptual distributed model TETIS has been implemented on the ¿Rambla de la Viuda¿ basin to assess the distinctive features of this kind of basins. Based on a previous implementation of the said basin model, the work sought to estimate the water losses. This was done for the purpose of trying to obtain a better hydrological representation in order to jointly model the sediment cycle . And finally, the work tried to estimate the effects of Climate Change on the watershed.

Water transmission losses have been estimated using spatial information related with the process, such as maps of the karstic zones inside the basin and of the relationship between surface and groundwater flow. These maps have been used to detect the areas affected by the phenomenon. Its magnitude was related with its area according to methodologies previously applied by various authors. The magnitude was estimated taking into account the three different kinds of phenomena: areas inside karstic zones, river sections with indirect connection between surface-groundwater and the combined case. The results show 8 m3/s global losses distributed around 6.5 Km2 of the riverbed area. The introduction of the distributed water losses into the model increases its performance qualitatively evaluating the hydrograph and in quantitatively evaluating the Nash¿Sutcliffe model efficiency coefficient.

The modeling of the sediment cycle was performed using information about the Ma. Cristina dam storage capacity losses related with the sediment accumulation. Information from different years was used to estimate the sediment storage. This was calculated as the difference between the older and the newer measure. The variation over time caused by the consolidation effect was taken into account. The volume of sediment obtained was used to calibrate the TETIS sediment submodel getting as result a simulated sedimentogram for the catchment. This represents the temporal variation in transport of sediment and in siltation on the dam. The results lead to the conclusion that there exists a relation between these and events of great magnitude rainfall that produce enough flow to transport large volumes of sediment. But at the same time these depend on available material in the river produced and transported in previous events.

The estimation of Climate Change effects was performed using the future scenarios provided by AEMET. These provide information on temperature and precipitation downscaled from different General Circulation Models within Spain¿s geography. This information had to be corrected because, compared with the observed information, in this case the period of 1971-2000, the Control Period that represents the recent past did not represent the meteorology of the basin correctly. Therefore it did not constitute a reliable representation of the basin weather. Only the models MRI-CGCM3, MPIESM-LR, HadGEM2-CC, CMCC-CC, ACCESS1-1 y ACCESS1-3 have been used because these were the ones better applicable to the basin. Once corrected, the future scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5 have been evaluated. These represent stabilization and increase effects of Climate Forcing for the period 2071-2100. The scenario RCP 4.5 does not show a significant difference with regard to the Control Period, with similar precipitations, temperatures and flow regime, these represent a similar hydrology. The scenario RCP 8.5 shows similar precipitations

Rambla es un término utilizado en España para denominar a ríos que presentan flujo pocos días al año, siendo el caso de la inmensa mayoría de las cuencas mediterráneas españolas, caracterizadas por tener un cauce efímero, asociado a: su clima único, que presenta un régimen estacional de temperaturas similar al de los climas templados, y la aridez y escasas precipitaciones características de los climas secos; y a su litología marcada por un dominio calcáreo que dificulta la conexión entre río y acuífero y favorece la infiltración de agua en el cauce.

En el presente trabajó se implementó el modelo conceptual distribuido TETIS en la Rambla de la Viuda, permitiendo evaluar las particularidades de este tipo de cuencas. Partiendo de una implementación previa del modelo dicha cuenca, se buscó estimar en la misma las pérdidas producidas en cauce debido a su litología particular, buscando obtener una mejor representación de su hidrología, para luego modelizar de manera conjunta su ciclo sedimentológico, y finalmente tratar de estimar los efectos del Cambio Climático pudiera producir sobre ella.

Las pérdidas por transmisión en cauce fueron estimadas utilizando información espacial relacionada, como los mapas de zonas kársticas dentro de la cuenca, y de relación entre flujo superficial y subterráneo en el cauce. Identificando en estos las posibles zonas donde se pueda dar el fenómeno, correlacionando la magnitud del mismo al área de las zonas, siguiendo la metodología que varios autores han aplicado previamente. Ponderando la misma en función del fenómeno producido en cada caso, considerando las zonas donde el cauce se encuentra dentro de zonas kársticas, tramos donde se identifica que existe conexión indirecta por efecto ducha, y la combinación de ambos casos. Obteniendo como resultado una magnitud global de pérdidas de 8 m3/s, distribuidas a lo largo de 6.5 Km2 de área dentro del cauce, donde las zonas con efecto combinado son las más influyentes. La introducción de las mismas de manera distribuida en el modelo, incrementan considerablemente su desempeño, tanto al evaluarlo cualitativamente observando su hidrograma, como cuantitativamente evaluando estadísticos como el coeficiente de correlación de Nash & Sutcliffe.

La modelización del ciclo sedimentológico se llevó a cabo utilizando información sobre la pérdida de la capacidad del embalse de Mª. Cristina que se encuentra dentro de la cuenca, asumiendo que esta se debe al proceso de acumulación de sedimento en el mismo. Utilizando información sobre su capacidad en diferentes años, asumiendo como volumen de sedimento acumulado en el periodo a la diferencia entre la medición inicial y final. Considerando además la variación en el tiempo debido al efecto de consolidación que se da en el material. Este volumen permite calibrar el submodelo sedimentológico de TETIS, obteniendo un sedimentograma simulado de la cuenca, que ofrece una variación temporal del proceso de transporte de sedimento en la misma, así como la variación temporal del proceso de aterramiento en el embalse, concluyéndose que existe una relación estrecha entre estos y los eventos de precipitación de gran magnitud, que generan los caudales necesarios para transportar grandes volúmenes de sedimento, en función del material disponible en el cauce, que es el producido y arrastrado en eventos previos.

La estimación de los efectos del Cambio Climático se realizó utilizando los escenarios futuros presentados por la AEMET, que brindan información de temperatura y precipitación regionalizada de diferentes Modelos de Circulación Global dentro de la geografía española. Esta información tuvo que ser corregida previamente, debido a que en el periodo de control de la misma, que representa un pasado reciente comparable con información observada, en este caso 1971-2000, no representaba de manera correcta la meteorología de la cuenca. Se utilizaron

[CA] Rambla és un terme utilitzat a Espanya per a denominar a rius que presenten flux pocs dies a l'any, sent el cas de la immensa majoria de les conques mediterrànies espanyoles, caracteritzades per tindre un llit efímer, associat a: el seu clima únic, que presenta un règim estacional de temperatures semblant al dels climes temperats, i l'aridesa i escassesa de precipitacions característiques dels climes secs; i a la seua litologia marcada per un domini calcari que dificulta la connexió entre riu i aqüífer i afavoreix la infiltració d'aigua en el llit. En aquest treball s’ha implementat el model conceptual distribuït TETIS en la Rambla de la Viuda, permetent avaluar les particularitats d’aquest tipus de conques. Partint d'una implementació prèvia del model de l’esmentada conca, es va buscar estimar en la mateixa les pèrdues produïdes en el llit degut a la seua litologia particular, buscant obtenir una millor representació de la seua hidrologia, per a després modelitzar de manera conjunta el seu cicle sedimentològic i, finalment, tractar d'estimar els efectes del Canvi Climàtic que es pogueren produir sobre ella. Les pèrdues per transmissió en el llit van ser estimades utilitzant informació espacial relacionada, com els mapes de zones càrstiques dins de la conca, i de la relació entre flux superficial i subterrani en el llit. Identificant en aquests les possibles zones on es pugui donar el fenomen, correlacionant la magnitud del mateix a l'àrea de les zones, seguint la metodologia que diversos autors han aplicat prèviament. Ponderant la mateixa en funció del fenomen produït en cada cas, considerant les zones on el llit es troba dins de zones càrstiques, trams on s'identifica que hi ha connexió indirecta per efecte dutxa, i la combinació d'ambdós casos. Obtenint com a resultat una magnitud global de pèrdues de 8 m3/s, distribuïdes al llarg de 6.5 Km2 d'àrea dins del llit, on les zones amb efecte combinat són les més influents. La introducció de les mateixes de manera distribuïda en el model, incrementen considerablement el seu exercici, tant a l'avaluar-lo qualitativament observant el seu hidrograma, com quantitativament avaluant estadístics com el coeficient de correlació de Nash & Sutcliffe. La modelització del cicle sedimentològic es va dur a terme utilitzant informació sobre la pèrdua de la capacitat de l'embassament de Mª. Cristina que es troba dins de la conca, assumint que aquesta es deu al procés d'acumulació de sediment en el mateix. Utilitzant informació sobre la seua capacitat en diferents anys, assumint com a volum de sediment acumulat en el període a la diferència entre el mesurament inicial i final. Considerant, a més, la variació en el temps a causa de l'efecte de consolidació que es dóna en el material. Aquest volum permet calibrar el submodel sedimentològic de TETIS, obtenint un sedimentograma simulat de la conca, el qual ofereix una variació temporal del procés de transport de sediments en la mateixa, així com la variació temporal del procés d'aterrament en l'embassament, concloent-se que hi ha una relació estreta entre aquestos i els esdeveniments de precipitació de gran magnitud, que generen els cabals necessaris per a transportar grans volums de sediment, en funció del material disponible en el llit, que és el produït i arrossegat en esdeveniments previs. L'estimació dels efectes del Canvi Climàtic es va realitzar utilitzant els escenaris futurs presentats per l'AEMET, que ofereixen informació de temperatura i precipitació regionalitzada de diferents Models de Circulació Global dins de la geografia espanyola. Aquesta informació va haver de ser corregida prèviament, pel fet que en el període de control de la mateixa, que representa un passat recent comparable amb la informació observada, en aquest cas 1971-2000, no representava de manera correcta la meteorologia de la conca. Es van utilitzar únicament els models MRI-CGCM3, MPIESM- LR, HadGEM2CC, CMCC-CC, ACCESS1-1 i ACCESS1-3 per ser els que millor representaven a la conca. Després de corregir-se la informació d’aquestos, es van avaluar els escenaris futurs RCP 4.5 i RCP 8.5 que representen respectivament escenaris d'estabilització i augment, en els efectes del Forçament Radioactiu, en el període 2071- 2100. L'escenari RCP 4.5 no mostra gran diferència, amb precipitació i temperatura semblants, els quals representen una hidrologia semblant, amb un règim de cabals semblant al del període de control. Per contra, RCP 8.5 presenta precipitacions semblants, però un augment considerable en les temperatures, que es reflecteix en un augment d'evapotranspiració, i que deriva, finalment, en un increment en l’estrès de la conca, reduint la magnitud dels cabals en esdeveniments grans, que són els que caracteritzen aquest tipus de conques.