Participatory Approach in Decision Making Processes for Water Resources Management in the Mediterranean Basin

This paper deals with the comparative analysis of different policy options for water resources management in three south-eastern Mediterranean countries. The applied methodology follows a participatory approach throughout its implementation and is supported by the use of three different software packages dealing with water allocation budget, water quality simulation, and Multi Criteria Analysis, respectively. The paper briefly describes the general objectives of the SMART project and then presents the three local case studies, the valuation objectives and the applied methodology - developed as a general replicable framework suitable for implementation in other decision-making processes. All the steps needed for a correct implementation are therefore described. Following the conceptualisation of the problem, the choice of the appropriate indicators as well as the calculation of their weighting and value functions are detailed. The paper concludes with the results of the Multi Criteria and the related Sensitivity Analyses performed, showing how the different policy responses under consideration can be assessed and furthermore compared through case studies thanks to their relative performances. The adopted methodology was found to be an effective operational approach for bridging scientific modelling and policy making by integrating the model outputs in a conceptual framework that can be understood and utilised by non experts, thus showing concrete potential for participatory decision making.Scientific Advice, Policy-Making, Participatory Modelling, Decision Support

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Cross-Comparison of Climate Change adaptation Strategies Across Large River Basins in Europe, Africa and Asia

A cross-comparison of climate change adaptation strategies across regions was performed, considering six large river basins as case study areas. Three of the basins, namely the Elbe, Guadiana, and Rhine, are located in Europe, the Nile Equatorial Lakes region and the Orange basin are in Africa, and the Amudarya basin is in Central Asia. The evaluation was based mainly on the opinions of policy makers and water management experts in the river basins. The adaptation strategies were evaluated considering the following issues: expected climate change, expected climate change impacts, drivers for development of adaptation strategy, barriers for adaptation, state of the implementation of a range of water management measures, and status of adaptation strategy implementation. The analysis of responses and cross-comparison were performed with rating the responses where possible. According to the expert opinions, there is an understanding in all six regions that climate change is happening. Different climate change impacts are expected in the basins, whereas decreasing annual water availability, and increasing frequency and intensity of droughts (and to a lesser extent floods) are expected in all of them. According to the responses, the two most important drivers for development of adaptation strategy are: climate-related disasters, and national and international policies. The following most important barriers for adaptation to climate change were identified by responders: spatial and temporal uncertainties in climate projections, lack of adequate financial resources, and lack of horizontal cooperation. The evaluated water resources management measures are on a relatively high level in the Elbe and Rhine basins, followed by the Orange and Guadiana. It is lower in the Amudarya basin, and the lowest in the NEL region, where many measures are only at the planning stage. Regarding the level of adaptation strategy implementation, it can be concluded that the adaptation to climate change has started in all basins, but progresses rather slowl

La evaluación de los servicios de los ecosistemas como herramienta para planificar la restauración ecológica de cuencas hidrográficas

La provisión de servicios por los ecosistemas podría empeorar considerablemente y rápidamente durante la primera mitad del presente siglo si no se restauran eficientemente ecosistemas degradados. Frente a la aproximación clásica de la restauración basada en sistemas de referencia a imitar, existe el reto de obtener metodologías para territorio amplio y complejo y no solo para un sitio con un tipo de ecosistema. Existen muchas opciones para conservar o fortalecer servicios específicos de los ecosistemas de forma que se reduzcan las elecciones negativas que nos veamos obligados a hacer o que se creen sinergias positivas con otros servicios de los ecosistemas. En esta tesis se ha desarrollado una metodología basada en la evaluación de servicios de los ecosistemas, como variables de estado, y del riesgo de erosión, como factor de disturbio, para establecer una jerarquización espacial de actuaciones de restauración a escala de cuenca hidrográfica. Para ello se ha realizado la evaluación de servicios de los ecosistemas, modelización de la erosión y se han utilizado sistemas de información geográfica (SIG) para la elaboración de cartografía jerárquica y análisis espacial. El área de estudio utilizada es la cuenca del Río Martín (Teruel, NE España, 1938 km2) como unidad funcional que, por su susceptibilidad natural a la erosión y con su elevada heterogeneidad paisajística y diferentes usos del suelo (agrícola, minería, ganadera) se presta como un valioso territorio donde aplicar y testar la metodología propuesta. La cartografía elaborada para la estimación de las tasas de erosión ha sido extrapolada con el modelo RUSLE (Ecuación de pérdida de suelo revisada) utilizando un innovador índice de vegetación (GPVI). Este índice fue elaborado mediante una técnica de inteligencia artificial llamada programación genética, la cual fue calibrada con los datos de campo del factor C de RUSLE (muestreo de suelos, transectos de vegetación) del presente estudio. Los datos de campo utilizados para crear el mapa de erosión han sido complementados con imágenes satelitales Landsat 5-TM y mapas disponibles de las características del territorio (litología, uso del suelo, ortofotos aéreas). Las tasas de erosión observadas en la cuenca del Martín tienen una media de 13.8 t ha-1 año-1 siendo notablemente mayores en la parte sur (20 t ha-1 año-1) debido a su irregular orografía que en las zonas de llanura del norte (10 t ha-1 año-1). Los servicios de los ecosistemas se evaluaron mediante indicadores obtenidos a partir de bases de datos nacionales y regionales complementados con datos de campo. Los datos son expresados para cada servicio en las unidades de medida correspondientes y se basan en el análisis de los mapas de diferentes datos físico-químicos y biológicos. Los datos de los servicios relacionados con el agua han sido proporcionados para la Confederación Hidrográfica del Ebro (CHE), los datos de acumulación de carbono en pies mayores han sido proporcionados por el Departamento de Recursos forestales del Centro de Investigación de tecnología y investigación agraria de Aragón (CITA). Los datos de acumulación de carbono en el suelo son disponibles en el Portal de Suelos Europeo (European Soil Portal). Las rutas de eco-turismo han sido descargadas de la pagina de rutas wiki-loc y la pagina de senderos de Aragón. La retención de suelo fue modelizada combinando datos del factor C para estimar el porcentual de cobertura vegetal y las tasas de erosión del modelo RUSLE-SIG. Los servicios de los ecosistemas variaron también entre amplios y diferentes rangos. La acumulación de carbono varía entre 0 y 4648 t CO2 eq en zonas menos densas de vegetación y 40442 y 118073 t CO2 eq en las zonas forestales densas; la provisión de agua superficial en el norte varía entre 0 y 13 mm y 100 y 210 en el sur de la cuenca, principalmente en fondos de valles; el control de la escorrentía (recarga acuíferos) es más alto en zonas montañosas del sur de la cuenca con valores entre 8 y 81 mm año-1 con valores mínimos entre 8 y 34 mm año-1 en el norte y máximos de 81 mm año-1 en el sur; la retención del suelo se ha expresado en valores relativos que varían de 1 a 5 dependiendo de la relación entre porcentaje de cobertura vegetal y perdida del suelo (estimada por la RUSLE-SIG en 5 clases de muy baja a muy alta), con valor máximo de retención de suelo a coberturas mayores de 70% y erosión menor de 12 t ha-1 año-1, y mínimo a zonas de cobertura inferior a 30% y erosión mayor de 17 t ha-1 año-1. El servicio de eco-turismo se ha evaluado como presencia-ausencia, asignando valor 1 a las áreas de la cuenca que se observan desde los senderos usando la herramienta de visualización de cuenca en SIG (viewshed) y 0 en el resto de la cuenca que no se observa desde los senderos según el modelo digital del terreno utilizado. Tratándose de datos con unidades diferentes, entre ellos se utilizó una agrupación en el rango relativo de 1 a 5 de cada servicio por cortes naturales (Natural Breaks) en SIG, que genera clases cuyos límites se ubican donde hay diferencias relativamente grandes en los valores de los datos por cada servicio. Ecoturismo tenía un valor 0 o 1 según la ausencia o posibilidad de visualización del paisaje en el recorrer los caminos. El valor más elevado de un determinado servicio se considera un área de elevado valor definido como hotspot, que es un área de una importancia máxima para ese servicio. Análisis de solapamiento han sido realizados para entender las relaciones entre servicios. Finalmente a través de la creación de mapas jerárquicos los datos de erosión y servicios ecosistémicos han sido relacionados analizando la congruencia espacial y los patrones espaciales a diferentes escalas anidadas entre ellas, dándonos la posibilidad de analizar el comportamiento de los dos factores, y contrastar el factor de disturbio y las variables de estado a diferentes escalas espaciales. Se ha identificado la zona sur de la cuenca del área de estudio, como el área donde se presentan más servicios y se observan las tasas de erosión más altas debido a factores topográficos, entre otros. En ésta zona, y particularmente en las subcuencas con zonas mineras no restauradas (donde la erosión muestra tasas máximas y los servicios son muchas veces nulos y en subcuencas con altas tasas de erosión y alto número de servicios las acciones de restauración han de ser prioritarias si no se quieren perder servicios que benefician aguas abajo en la cuenca. Claramente según los objetivos del gestor las prioridades pueden modificarse y nuestra metodología fácilmente adaptarse. En la zona norte, llana y mayoritariamente usada para agricultura de cereal de secano, la erosión es relativamente baja y la provisión de servicios de regulación también. Es la zona de menor interés para realizar acciones de restauración dado que la mejora de los servicios no está asegurada y se podría entrar en conflicto con intereses de usos (trade off) de otros servicios (por ej., producción de alimentos) incluidos sociales. También se ha demostrado la utilidad de realizar evaluaciones a diferentes resoluciones espaciales para la mejor identificación de las zonas óptimas de restauración. Se propone un modelo conceptual general de toma de decisiones de restauración a escala de cuenca en función de la provisión de servicios de los ecosistemas y de los factores de alteración ecológica. Finalmente la metodología aquí propuesta, desarrollada con SIG con la creación de mapas jerárquicos, ha resultado fácilmente adaptable a la escala de paisaje. Esto hace que nuestro modelo dependiendo de la disponibilidad de datos, sea una herramienta útil y fácilmente aplicable para la restauración a escala de cuenca hidrográfica o de paisaje, donde los servicios ecosistémicos estén alterados por diferentes factores de disturbio

Feature Papers of Water Resources Management, Policy and Governance

Water resource management includes the consideration of all disciplines of hydrology and water sources. Water supplies are allocated and diverted to cover the water needs of a range of agricultural, municipal, industrial, hydro-electrical, and ecological water uses. These water uses are, usually, very competitive, as the available water resources are limited and it is not possible to cover the total water needs in a basin, requiring the setting of water use priorities to best serve societal and ecological needs. To manage the water resources and waterworks may, sometimes, lead to confrontational deliberations and negotiations. As a result, water resource management is one of the world’s greatest challenges due to competition for limited resources, regional disparities in water supply and affluence, mounting global water demand, aquifer depletion, and pollution- and climate-change-induced water stress. Proper policy and governance for sustainable water resource management is essential and require new fresh ideas, innovation, and international cooperation. This book includes seven papers by invited renowned researchers and engineers to cover issues of water resource management, governance, and policy. These issues include the following topics: Integrated water resource management; Water resource systems and water availability; National and international water policy, institutional arrangements, and water law; Water conflict resolution, public participation, and decision making; Water resource management, policy and governance in socially and environmentally sensitive areas and regions

Water in the Green Economy: Capacity Development Aspects

This book discusses needs related to capacity development for water resources management, including water supply and sanitation, in the context of the green economy. It showcases theoretical and practical approaches with proven success. Most contributions come from members and partners within the interagency mechanism, UN-Water. The 11 case studies in this book range from innovative design and delivery of capacity development programs related to water in the green economy, market mechanisms, and quality control procedures supporting capacity development success towards the practical implementation of programs to enhance individual and institutional capacity

Analyzing climate change adaptation in the agriculture and water sectors: screening risks and opportunities.

As part of the Mediterranean area, the Guadiana basin in Spain is particularly exposed to increasing water stress due to climate change. Future warmer and drier climate will have negative implications for the sustainability of water resources and irrigation agriculture, the main socio- economic sector in the region. This paper illustrates a systematic analysis of climate change impacts and adaptation in the Guadiana basin based on a two-stage modeling approach. First, an integrated hydro-economic modeling framework was used to simulate the potential effects of regional climate change scenarios for the period 2000-2069. Second, a participatory multi-criteria technique, namely the Analytic Hierarchy Process (AHP), was applied to rank potential adaptation measures based on agreed criteria. Results show that, in the middle-long run and under severe climate change, reduced water availability, lower crop yields and increased irrigation demands might lead to water shortages, crop failure, and up to ten percent of income losses to irrigators. AHP results show how private farming adaptation measures, including improving irrigation efficiency and adjusting crop varieties, are preferred to public adaptation measures, such as building new dams. The integrated quantitative and qualitative methodology used in this research can be considered a socially-based valuable tool to support adaptation decision-making

Hierarchical priority setting for restoration in a watershed in NE Spain, based on assessments of soil erosion and ecosystem services

31 páginas[EN] Maintaining and enhancing ecosystem services through the restoration of degraded ecosystems have become an important biodiversity conservation strategy. Deciding where to restore ecosystems for the attainment of multiple services is a key issue for future planning, management, and human well-being. Most restoration projects usually entail a small number of actions in a local area and do not consider the potential benefits of planning restoration at broad regional scales. We developed a hierarchical priority setting approach to evaluate the performance of restoration measures in a semiarid basin in NE Spain (the Martín River Basin, 2,112 km2). Our analysis utilized a combination of erosion (a key driver of degradation in this Mediterranean region) and six spatially explicit ecosystem services data layers (five of these maps plotted surrogates for soil retention and accumulation, water supply and regulation, and carbon storage, and one plotted a cultural service, ecotourism). Hierarchical maps were generated using a geographic information system that combined areas important for providing a bundle of ecosystem services, as state variables, with erosion maps, as the disturbance or regulatory variable. This was performed for multiple scales, thereby identifying the most adequate scale of analysis and establishing a spatial hierarchy of restoration actions based on the combination of the evaluation of erosion rates and the provision of ecosystem services. Our approach provides managers with a straightforward method for determining the spatial distribution of values for a set of ecosystem services in relation to ecological degradation thresholds and for allocating efforts and resources for restoration projects in complex landscapes.This work was funded by Endesa S.A. through the collaborative agreement Endesa-CSIC for scientific research. The first author wants to thank Belinda Reyers for the fruitful conversation and helpfulness showed in every moment and two anonymous referees for their constructive suggestions. M. Trabucchi was in receipt of grant from JAE-DOC Program for Advanced Study financed by the European Social Fund (ESF), Ref. I3P-BPD-2006.Peer reviewe

Polycentric Water Governance in Spain: Understanding Determinants, Patterns, and Performance of Coordination

Increasing irrigation efficiency has been high on the political agenda in Spain for many years. However, the overarching aim to reduce agricultural water consumption has not been met so far. To explore this phenomenon, the author investigates processes of coordination between the water and agricultural sector in three Spanish river basins in the context of the EU Water Framework Directive implementation. From the perspective of polycentric governance, she identifies multiple mechanisms which illustrate how and why actors interact in certain ways, and thus shows why environmental aims of the Water Framework Directive remain unachieved