Methodology for the optimal management design of water resources system under hydrologic uncertainty

Un sistema de gestión de sequías apropiado requiere de la anticipación de los posibles efectos que un episodio de este tipo tenga sobre el sistema de recursos hídricos. Esta tarea sin embargo resulta más complicada de lo que parece. En primer lugar, debido al alto grado de incertidumbre existente en la predicción de variables hidrológicas futuras. Y en segundo, debido al riesgo de sobrerreacción en la activación de medidas de mitigación generando falsa sensación de escasez, o sequía artificial. A este respecto, los planes especiales de sequía proveen de herramientas para la gestión eficiente de situaciones con escasez de recursos y la preparación de cara a futuros eventos. De todos modos, las diferentes estrategias de operación seguidas en cada sistema de recursos hídricos hacen que las herramientas que en algunos casos resultaron altamente útiles no lo sean tanto cuando se aplican en sistemas distintos. Debido a la falta de tiempo y/o al exceso de confianza en los trabajos realizados por terceros, con excelentes resultados en sus respectivos casos, a veces se cae en el error de implementar metodologías no del todo apropiadas en sistemas con requisitos completamente distintos. El desarrollo y utilización de metodologías generalizadas aplicables a diferentes sistemas y capaces de proporcionar resultados adaptados a cada caso es, por tanto, muy deseable. Este es el caso de las herramientas de modelación de sistemas de recursos hídricos generalizadas. Estas permiten homogeneizar los procesos mientras siguen siendo los suficientemente adaptables para proporcionar resultados apropiados para cada caso de estudio. Esta tesis presenta una serie de herramientas destinadas a avanzar en el análisis y comprensión de los sistemas de recursos hídricos, haciendo énfasis en la prevención de sequías y la gestión de riesgos. Las herramientas desarrolladas incluyen: un modelo de optimización generalizado para esquemas de recursos hídricos, con capacidad para la representación detallada de cualquier sistema de recursos hídricos, y una metodología de análisis de riesgo basada en la optimización de Monte Carlo con múltiples series sintéticas. Con estas herramientas es posible incluir tanto la componente superficial como la subterránea del sistema estudiado dentro del proceso de optimización. La optimización está basada en la resolución iterativa de redes de flujo. Se probó la consistencia y eficiencia de diferentes algoritmos de resolución para encontrar un balance entre la velocidad de cálculo, el número de iteraciones, y la consistencia de los resultados, aportando recomendaciones para el uso de cada algoritmo dadas las diferencias entre los mismos. Las herramientas desarrolladas se aplican en dos casos de estudio reales en la evaluación y posibilidad de complementación de los sistemas de monitorización y alerta temprana de sequías existentes en los mismos. En el primer caso, se propone un enfoque alternativo para la monitorización de la sequía en el sistema de operación anual del río Órbigo (España), complementándolo con la utilización de la metodología de análisis de riesgo. En el segundo caso, las herramientas se emplean en un sistema con una estrategia de operación completamente distinta. Se estudia como el análisis de riesgo de la gestión óptima puede ayudar a la activación anticipada de los escenarios de sequía en los sistemas de los ríos Júcar y Turia, cuya operación es hiperanual. En esta ocasión, el sistema de indicadores existente goza de una gran confianza por parte de los usuarios. La metodología de análisis de riesgo es, sin embargo, capaz de anticipar los eventos de sequía con mayor alarma, aspecto que es deseable si se quiere evitar que los episodios en desarrollo vayan a más. En ambos casos se muestra como la evaluación anticipada de las posibles situaciones futuras del sistema permiten una definición confiable de los escenarios de sequía con suficiente antelación para la activación efectiva de medidas de prevención y/o mitigación en caso de ser necesarias. La utilización de indicadores provenientes de modelos frente a indicadores basados en datos observados es complementaria y ambos deberían utilizarse de forma conjunta para mejorar la gestión preventiva de los sistemas de recursos hídricos. El empleo de modelos de optimización en situaciones de incertidumbre hidrológica es muy apropiado gracias a la no necesidad de definir reglas de gestión para obtener los mejores resultados del sistema, y teniendo en cuenta que las reglas de operación habituales pueden no ser completamente adecuadas en estas ocasiones.Haro Monteagudo, D. (2014). Methodology for the optimal management design of water resources system under hydrologic uncertainty [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/45996TESI

Análisis y adaptación de algoritmos para la optimización de sistemas de recursos hídricos mediante técnicas de redes de flujo. Aplicación en la mejora y ampliación del modelo OPTIGES

La distribución del agua entre los diferentes usos es un problema habitual en numerosas cuencas hidrológicas. En este trabajo se han estudiado diversos algoritmos de resolución de redes de flujo para la optimización de sistemas de rrhh. También se estudió el funcionamiento de dichos algoritmos al resolver problemas con no linealidades complejas.Haro Monteagudo, D. (2011). Análisis y adaptación de algoritmos para la optimización de sistemas de recursos hídricos mediante técnicas de redes de flujo. Aplicación en la mejora y ampliación del modelo OPTIGES. http://hdl.handle.net/10251/15645Archivo delegad

Meta-analysis of climate impacts and uncertainty on crop yields in Europe

Acknowledgments This research was conducted as part of the FACCE Knowledge Hub: Modelling European Agriculture with Climate Change for Food Security (MACSUR1 and 2). The authors acknowledge funding support provided by the UK Research Council BBSRC (Grant BB/K010301/1 and BB/N00485X/1) and the preliminary assessment and literature searches conducted by Benson Sumani. Any enquiries for access to the data referred to in this article should be directed to [email protected] reviewedPublisher PD

Optimal management of the Jucar River and Turia River basins under uncertain drought conditions

This paper presents a methodology to assess the best behavior achievable for a water resources system, and we apply it to the joint system of the Jucar River and Turia River basins in Spain. The resources of the two rivers are used jointly to meet the different water uses within the region, especially urban demands and environmental requirements. The climate change effects in this area are predicted to be particularly severe in this area with great variability in drought patterns. The results are particularly suitable for evaluating the best performance of the system under uncertain conditions

Drought early warning based on optimal risk forecasts in regulated river systems: Application to the Jucar River Basin (Spain)

[EN] Droughts are a major threat to water resources systems management. Timely anticipation results crucial to defining strategies and measures to minimise their effects. Water managers make use of monitoring systems in order to characterise and assess drought risk by means of indices and indicators. However, there are few systems currently in operation that are capable of providing early warning with regard to the occurrence of a drought episode. This paper proposes a novel methodology to support and complement drought monitoring and early warning in regulated water resources systems. It is based in the combined use of two models, a water resources optimization model and a stochastic streamflow generation model, to generate a series of results that allow evaluating the future state of the system. The results for the period 1998 2009 in the Jucar River Basin (Spain) show that accounting for scenario change risk can be beneficial for basin managers by providing them with information on the current and future drought situation at any given moment. Our results show that the combination of scenario change probabilities with the current drought monitoring system can represent a major advance towards improved drought management in the future, and add a significant value to the existing national State Index (SI) approach for early warning purposes.This work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitivity (CGL2009-11798, CGL2012-34978, and CSD2009-00065), and the European Commission FP7 programme (FP7-ENV-2011-282769 and FP7-ENV-2012-308438).Haro Monteagudo, D.; Solera Solera, A.; Andreu Álvarez, J. (2017). Drought early warning based on optimal risk forecasts in regulated river systems: Application to the Jucar River Basin (Spain). Journal of Hydrology. 544:36-45. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.11.022S364554

Perceptions of and adaptation to climate change in mountainous agro-pastoral communities : The case of the Afghan central highlands

Peer reviewe

Assessing future drought risks and wheat yield losses in England

Acknowledgement: The authors acknowledge the Class Stiftung Foundation their financial support, Cambridge NIAB for solar radiation data, Cranfield Soil and Agrifood Institute for the soil characteristics data, AHDB for access to their Recommended List Trial yield data. We are grateful for access to the UK Meteorological Office MIDAS Land Surface Stations data (1853-current) from the British Atmospheric Data Centre (http://badc.nerc.ac.uk/data/ukmo-midas). Rothamsted Research receives grant-aided support from the Biotechnology and Biological Sciences Research Council through Designing Future Wheat [BB/P016855/1] and Achieving Sustainable Agricultural Systems [NE/N018125/1].Peer reviewedPublisher PD

A sweet deal? Sugarcane, water and agricultural transformation in Sub-Saharan Africa

Globally, the area of sugarcane is rising rapidly in response to growing demands for bioethanol and increased sugar demand for human consumption. Despite considerable diversity in production systems and contexts, sugarcane is a particularly “high impact” crop with significant positive and negative environmental and socio-economic impacts. Our analysis is focused on Sub-Saharan Africa (SSA), which is a critical region for continued expansion, due to its high production potential, low cost of production and proximity, and access, to European markets. Drawing on a systematic review of scientific evidence, combined with information from key informants, stakeholders and a research-industry workshop, we critically assess the impacts of sugarcane development on water, soil and air quality, employment, food security and human health. Our analysis shows that sugarcane production is, in general, neither explicitly good nor bad, sustainable nor unsustainable. The impacts of expansion of sugarcane production on the environment and society depend on the global political economy of sugar, local context, quality of scheme, nature of the production system and farm management. Despite threats from climate change and forthcoming changes in the trade relationship with the European Union, agricultural development policies are driving national and international interest and investment in sugarcane in SSA, with expansion likely to play an important role in sustainable development in the region. Our findings will help guide researchers and policy makers with new insights in understanding the situated environmental and social impacts associated with alternative sugar economy models, production technologies and qualities of management

D-Risk: a decision-support webtool for improving drought risk management in irrigated agriculture

Drought constitutes a significant production and business risk in agriculture, particularly for those enterprises dependent on irrigation to deliver high quality continuous supplies of fresh produce to the retail sector. Whilst most farmers are well attuned to managing short term weather-related crop risks, they lack access to tools that can support medium-term decision-making and risk management strategies under conditions of increasing water scarcity and climate uncertainty. This paper describes D-Risk, an intuitive online webtool designed to help farming enterprises easily understand their existing and emergent drought and irrigation abstraction risks and thereby support more robust decision-making regarding future changes in crop planning and water resources infrastructure investment

Interacciones montaña-llanura frente al cambio global: desafíos y oportunidades en la gestión del territorio y de los recursos hídricos en Riegos del Alto Aragón

The transformation of rainfed agriculture lands into irrigated lands in the central sector of the Ebro Depression has represented a spectacular change in the cultivation conditions of a semi-arid territory affected by scarce and irregular precipitation. However, the new irrigation systems faced serious structural problems from the beginning due to the peculiar design of the irrigation system, the limitations of its objectives, the slow pace with which the infrastructures were built (reservoirs, canals and secondary ditches) and the conditioning of cultivated fields. This work focuses on the study of the limitations faced by Riegos del Alto Aragón due to the trend shown by water resources and their seasonal distribution as a result of the evolution of temperature and precipitation, the expansion of woody vegetation in mountain areas and the progressive silting up of the reservoirs. For this, the information available on Global Change in the Pyrenees has been reviewed and climatic and hydrological models have been applied. The necessary modernization has improved the irrigation systems and water use efficiency, and has allowed the expansion of much more productive and profitable crops. Paradoxically, modernization has also increased the water demand, and has made necessary to increase the system’s internal reserves through the construction of small reservoirs and ponds. This greater water demand coincides with a decreasing trend in water resources availability, due not only to the increase in average temperature, but also to changes in snowpack accumulation and melting dynamics in the Pyrenean headwaters and to forest expansion in old abandoned fields in the Pyrenean valleys, which reduces runoff generation and streamflow. It is foreseeable that most of these processes will continue or even accentuate in the medium- to long-term due to climate change. In addition, the progressive silting up of the reservoirs reduces the water storage capacity year after year. These processes, which highlight the interactions between mountain areas and the lowlands, will force in the medium term to reorganize the management of resources and irrigation procedures, as well as the progressive incorporation of crops with increasing added value that offset the rise in production costs linked to a stronger dependence of irrigation with respect to energy.La transformación del secano en regadío en el sector central de la Depresión del Ebro ha representado un cambio espectacular en las condiciones de cultivo de un territorio de características semiáridas y precipitaciones muy irregulares. Sin embargo, los nuevos regadíos se enfrentaron desde un principio a graves problemas estructurales debido al peculiar diseño del sistema de regadío, las limitaciones de sus objetivos, la lentitud con que se fueron construyendo las infraestructuras necesarias (embalses, canales y acequias secundarias) y el acondicionamiento de los campos de cultivo. Este trabajo se centra en el estudio de las limitaciones a que se enfrentan los regadíos de Riegos del Alto Aragón (R.A.A.) debido a la tendencia que muestran los recursos hídricos y su distribución estacional como consecuencia de la evolución de temperaturas y precipitaciones, la expansión de la superficie forestal y de matorrales en áreas de montaña y el progresivo aterramiento a que se enfrentan los embalses. Para ello se ha revisado la información disponible sobre el Cambio Global en el Pirineo y se han aplicado diversos modelos climáticos e hidrológicos. La necesaria modernización ha mejorado los sistemas de riego, ha incrementado la eficiencia en el uso de los recursos hídricos, y ha permitido la introducción de nuevos cultivos mucho más productivos y rentables. Paradójicamente, la modernización también ha conllevado un aumento del consumo de agua y ha obligado a incrementar las reservas internas del sistema mediante la construcción de pequeños embalses y balsas. Esta mayor demanda de agua coincide con una progresiva reducción en la disponibilidad de recursos hídricos, debida no solo al incremento de la temperatura media sino también a los cambios en la dinámica de la acumulación y fusión de nieve en alta montaña y a la expansión de bosques y matorrales en antiguos campos de cultivo abandonados en los valles pirenaicos, lo que reduce la capacidad de generación de escorrentía y los caudales fluviales. Se prevé que estas tendencias se acentúen en el medio y largo plazo como consecuencia del cambio climático. Además, el progresivo aterramiento de los embalses reduce año tras año la capacidad de almacenamiento de agua. Estos procesos, que ponen de manifiesto la importancia de las interacciones entre las áreas de montaña y las regiones de piedemonte, obligarán a medio plazo a reorganizar la gestión de los recursos y de los procedimientos de regadío, así como la progresiva incorporación de cultivos de mayor valor añadido que compensen el incremento de los costes de producción ligados a una mayor dependencia de los regadíos respecto de la energía