Antonio Jodar Abellán és investigador postdoctoral del Grup de Recerca de Conservació de Sòl i Aigua del Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura, amb seu al Campus del Espinardo de Murcia. És el primer autor i autor corresponsal d’una modelització de la capacitat de l’embassament de Guadalest per abastir les demandes urbanes presents i futures d’aigua que apareix aquesta setmana en forma d’article a la revista Environmental Science and Pollution Research. Jodar-Abellan et al. utilitzen una eina de valoració de sòl i aigua (SWAT) acoblada amb xarxes neurals recurrents, que han validat a través d’un model SIMPA (Sistema Integrat de Modelatge de Precipitació i Aportació) en el context d’aquesta conca fluvial càrstica. Al capdavall les àrees càrstiques són de difícil simulació hidrològica, més encara en regions semiàrides mediterrànies, on episodis humits breus interrompen llargs períodes eixuts. Jodar-Abellan et al. posen a prova un mètode SWAT de codi obert en avaluar períodes humits i secs amb diagrames de caixa amb bigotis i un test d’ondetes. En el curs del calibratge i validació del SWAT han considerat una nova expressió de l’índex Nash-Sutcliffe. El calibratge l’han fet amb les dades del període de vint anys que va del 1996 al 2015 i la validació amb la dècada anterior del 1985 al 1995. Paral·lelament amb el mètode SIMPA tracten dades de descàrrega d’aigua subterrània. Els algoritmes de xarxa neural recurrent els permeten d’examinar la disponibilitat de recursos hídrics d’acord amb la demanda urbana present i projectada, tenint en compte alhora l’explotació d’aqüífers. El SWAT es mostra eficaç en la modelització del període 1980-2016. Detecta en aquest període una tendència a la baixa en la precipitació en forma de pluja i una reducció progressiva de la recàrrega d’aigua subterrània. La predicció dels algoritmes, que arriba fins el 2050, indica que aquesta tendència continuarà, amb la minva consegüent de l’aigua subterrània destinada a la demanda urbana i a l’augment de l’índex d’explotació dels aqüífers. La modelització, diuen Jodar-Abellan et al., hauria de fornir a les autoritats informació en la gestió de la demanda hídrica d’aquesta i d’altres àrees càrstiques.
El riu Guadalest, tributari del riu Algar, neix per la confluència dels barrancs de Fabara i Beniardà, en l’entorn càrstic de Serrella i d’Aitana. L’embassament de Guadalest té una capacitat de 13 hm3
Els recursos hídrics d’aqüífers càrstics
Els recursos hídrics d’aqüífers càrstics són cabdals per garantir l’aigua de boca de la població mundial. Hom calcula que entre una cinquena part i una quart part de la humanitat viu o adquireix aigua d’ambients càrstics. Aquest proporció puja al 35% en no poques regions del subcontinent europeu, ja que les roques carbonatades solubles cobreixen una superfície important, particularment al sud, a l’est i a l’oest d’Europa. Unitats geològiques calcàries es troben escampades arreu de la Mediterrània: sud de França, Balcans, Itàlia, Turquia, Mallorca, Creta, Sicília i Península Ibèrica. A Espanya l’aigua subterrània càrstica s’estén per un 11% del territori nacional (54.628 km2). La geografia física de la Conca Mediterrània es troba marcada per processos càrstics, amb aqüífers i fonts que constitueixen recursos hídrics indispensables per a la demanda urbana, agrícola i industrial.
En els entorns càrstics la geomorfologia i el paisatge són el producte de l’acció de l’aigua de pluja sobre materials carbonats solubles (pedra calcària, dolomita, marbre, magnesita). La carstificació és un procés de dissolució que condueix a la formació de fonts, dolines, rierols que davallen al subsol i coves. La porositat del terreny regula el comportament hidràulic. La carstificació transforma un sistema de flux subterrani baix, connectat però fracturat, en un de flux més concentrat a través de grans canonades i coves interconnectades. Això culmina habitualment amb una font per la qual emergeix l’aigua subterrània.
La gestió d’aquests recursos hídrics requereix d’una modelatge fet a diverses escales, des de la local de l’aqüífer amb models hidrològics i hidroquímics d’escala regional. Els models a escala regional han d’atendre a l’heterogeneïtat espacials dels entorns càrstics. Els models de conca poden ésser distribuïts o agregats.
En conques càrstiques hom pot distingir entre:
– estudis de flux d’acord amb la fórmula de Manning.
– models d’aigua subterrània amb paràmetres distribuïts.
– model d’aigua subterrània entesa com a magatzem o reserva.
– eines hidrològiques distribuïdes.
– models hidrològics semidistribuïts de subconques.
SWAT és un model semidistribuït que ja hem vist en alguna ocasió (23/2023). L’objectiu de Jodar-Abellan et al. és implementar-lo i validar-lo per a una conca càrstica mediterrània, la de Guadalest, caracteritzada per un clima semiàrid, per la presència de diverses fonts que descarreguen aigua subterrània en localitzacions específiques, i zones d’infiltració d’aigua. La precipitació del període 1980-2016 mostra l’alternança desigual de períodes secs i humits. La modelització amb algoritmes de xarxa neural recurrent els permet d’estimar la recàrrega de les aigües subterrànies per al període que resta fins el 2050.
La conca de Guadalest
La conca de Guadalest és una conca càrstica mediterrània de 62 km2 de clima semiàrid de la regió d’Alacant. L’àrea pertany a la porció oriental de la cadena muntanyosa prebètica. Les aigües de Guadalest desemboquen al riu Algar, el qual ho fa a la Badia d’Altea, uns 13,7 km més avall. La conca de Guadalest té una altura mitjana de 864 m sobre el nivell del mar, amb el punt més alt situat a 1556 m i el més baix a 336 m. Segons el Model d’Elevació Digital del Centre Nacional d’Informació Geogràfica (CNIG) arreu de la conca hi ha pendents del 30-40%, amb torrents efímers.
L’Agència Estatal de Meteorologia d’Espanya disposa a la conca de Guadalest de quatre estacions meteorològiques. Aquestes indiquen una temperatura mitjana anual de 14,2 °C i una precipitació anual en forma de pluja de 568 mm per al període 1980-2016. El clima de la conca és mediterrani, amb un estiu càlid i eixut i un hivern moderat.
Segons la base de dades CORINE Land Cover (CLC) del CNIG no hi ha usos urbans del terreny a la conca de Guadalest. L’agricultura ocupa un 18,6% de la superfície. La majoria del terreny és, doncs, forestal (80,6%). L’embassament de Guadalest és el cos d’aigua més extens (7003). Segons la base de dades HWSD, hi predominen els leptosòls lítics amb inclusions de cambisòls calcaris (9702), seguits de cambisòls calcaris amb inclusions de regosols calcaris (9706), i de cambisòls calcaris amb insercions de luvisòls cròmics (9713).
Litològicament, la conca de Guadalest inclou materials mesozoics (Triàsic i Cretàcic) i cenozoics (Quaternari i Terciari). Geomorfològicament, hi ha pedra calcària, dolomita, guix, conglomerat i pedra arenisca. Tot plegat integra un ambient càrstic, amb una permeabilitat de mitja-alta a molt alta. Val a dir que al sud de la conca hi ha dipòsits de margues i argiles amb permeabilitat de baixa a molt baixa. A la conca hi ha setze aqüífers. L’aigua de pluja flueix ràpidament a aquests aqüífers, i d’ací a fonts naturals.
Amb una població escassa i dispersa, el règim hidrològic de la conca del Guadalest no dista del règim natural. Els 750-770 residents es reparteixen entre els municipis del Castell de Guadalest, Benifato, Benimantell, Beniardà, Abdet i Confrides. Aquests residents es proveeixen d’aigües subterrànies. L’embassament de Guadalest es troba a la sortida de la conca, té una capacitat màxima de 13 hm3 (l’ocupació mitjana és del 60% per a la darrera dècada). L’embassament de Guadalest rep aigua de la planta de tractament d’aigües residuals de Confrides amb un cabal de 108,3 m3 diaris.
El mètode SWAT
El mètode SWAT fa prediccions hidrològiques d’acord amb un codi semidistribuït i de temps continu a escala de conca. Concretament, Jodar-Abellan et al. utilitze ArcSWAT 2012.10.4.21.
La conca de Guadalest és definida amb un model d’elevació digital (DEM) de 5 m x 5 m. També s’hi acobla al model la capa de canals de drenatge del MAPAMA d’escala 1:25.000. La sortida de la conca és fixada a l’estació de cabal de l’embassament de Guadalest. Es defineixen 95 subconques, que es divideixen alhora en un total de 732 unitats de resposta hidrològica (HRU), segons el pendent, la coberta de terra i les dades de sòl.
Les dades de les quatre estacions meteorològiques (8060, ALC18wgn, 8040I i 8041I) eren aplegades diàriament. Totes elles forneixen un mínim de 30 anys de dades de pluja diària, temperatura màxima i temperatura mínima. Les dades de velocitat de vent, radiació solar i humitat relativa foren reconstruïdes amb el generador meteorològic de SWAT. Amb l’equació de Hargreaves modelen l’evapotranspiració segons les dades meteorològiques.
Les sèries de precipitació diària del 1980 al 2016 permeten determinar la durada de períodes secs i humits, juntament amb les freqüències o cicles de pluja. Els diagrames de caixes amb bigotis divideixen els valors observats de precipitació diària en diferents quartils. Es considera sec el dia amb una precipitació inferior a 1 mm, i humit el dia que supera aquesta xifra.
A través d’un test d’ondeta CWT s’identifica la magnitud i presència de cicles de pluja.
La conversió de pluja-escolament es realitzà segons la CNII de SCS1986.
Amb els mètodes de Muskingum i Manning s’obtenen paràmetres de la ruta d’aigua per canals subterranis i superficials. S’hi consideren les pèrdues d’evaporació en els canals, i les pèrdues de transmissió dels canals o torrents cap a les aigües subterrànies.
La desviació de la conca del Guadalest del règim natural hidrològica és mínima. La principal alteració antròpica es correspon a la planta de tractament d’aigües residuals de Confrides, que fa una aportació de més de 100 metres cúbics diaris a la conca.
El model SWAT fou calibrat i validat amb les dades del 1985 al 2015 considerades amb una freqüència mensual. L’execució posterior es va dur a terme amb registres diaris de fonts d’aqüífers del 2007 al 2014. Una validació paral·lela es va fer amb dades anuals del model SIMPA del 1980 al 2016.
L’algoritme SUFI-2 fou utilitzat per a l’anàlisi de sensibilitat i el test d’incertesa. S’hi consideraren 17 paràmetres hidrològics. S’executaren quatre iteracions, de 2000 simulacions cadascuna. L’eficiència de Nash-Sutcliffe (NSE) fou considerada la funció diana, fent-s’hi un ajustament per a regions àrides (ANSE).
En el model SIMPA la resolució espacial és de 1 km x 1 km i la temporal és mensual.
D’acord amb els resultats de recàrrega d’aigua subterrània del model SWAT per al període 1980-2016 es construí una sèrie per al període ulterior del 2017-2050. Les dades segueixen un ritme anual per a cada unitat de resposta hidrològica. Els algoritmes de xarxes neurals (RNN) recurrents foren utilitzats per fer la predicció en tres condicions: RNN simple, xarxa neural d’unitat recurrent controlada (GRU) i xarxa neural de memòria a curt termini (LSTM). Per a cada unitat de resposta hidrològica es construí una seqüència de 20 entrades de recàrrega d’aigua subterrània corresponen al període 1980-1999, i es va fer la predicció de la del 2000. Seguidament la seqüència de 20 era traslladada un any endavant (1981-2000) i es feia la predicció del 2001. D’aquesta manera s’arribà a predir la del 2016. Una vegada validats els algoritmes per al període fins el 2016 es realitzaren 34 iteracions per al període 2017-2050. Les xarxes neurals utilitzades tenen tres nivells amagats amb nodes interns de 150, 100 i 50 unitats respectivament.
L’estat dels aqüífers de la conca del Guadalest era avaluat d’acord amb l’índex d’explotació (EI) per al període 1980-2016. La predicció era estesa fins el 2050. Es considera sobreexplotació quan l’EI supera 0,8. Les autoritats locals han facilitat dades de l’extracció d’aigua per a demandes urbanes per al període 1980-2016. Hom assumeix que aquesta demanda es mantindrà en nivells similars fins el 2050 ja que s’espera que la població no augmenti.
Sensibilitat i incertesa
El model SWAT indica una retenció de 5-6 dies entre l’aigua de pluja i l’aigua subterrània. L’índex NSE té un valor de 0,61 en la validació i de 0,63 en el calibratge. Això es correspon a una situació satisfactòria quant a la sensibilitat del model. L’índex ANSE encara és superior en arribar a un 0,78 en la validació i a un 0,96 en el calibratge.
Balanç hídric
La sèrie temporal de precipitació diària de la conca del Guadalest indica en el període 1980-2016 una successió de llargs períodes eixuts i breus períodes humits. Segons els valors medians, cada any hi ha 47 dies humits i 28 períodes secs. La durada mitjana de cada període sec és de 11,4 dies, cobrint un total de 319 dies cada any. Els models climàtics indiquen que en el futur seran menys els dies humits anuals i més llargs els períodes d’eixutesa.
Alguns dies humits són especialment plujosos, assolint una pluja diària de 80 mm de mediana. La pluja d’aquests dies representa el 14% de la pluja anual. Aquests dies tempestuosos es concentren en els mesos de setembre i octubre. La freqüència dels dies tempestuosos segueix un comportament cíclic, i els més rellevants són cicles de quatre i de cinc anys. Es tracta de tempestes altament convectives, típiques de final d’estiu i de tota la tardor.
L’evapotranspiració de la conca de Guadalest seria de 255-640 mm anuals segons el SIMPA i de 114-617 mm segons el SWAT. El valor més alt es correspon a l’embassament de Guadalest. Les àrees de més altura, crestes i penya-segats que tanquen la conca, són les àrees de menys evapotranspiració (150-300 mm anuals): són al capdavall zones de fort pendent, poca vegetació i alta taxa d’escolament superficial. Les àrees més baixes i de pendent més moderat (fons de valls, thalwegs, llits fluvials) de la zona central de la conca tenen una evapotranspiració alta (500-640 mm).
L’escolament superficial de la conca del Guadalest és de 6-233 mm anuals segons el SIMPA i de 13-262 mm segons el SWAT. Els valors més baixos es corresponen a l’embassament.
La recàrrega d’aqüífers a la conca del Guadalest és de 32-367 mm anuals segons el model SIMPA i de 67-399 mm segons el model SWAT. La recàrrega més gran es produeixen en les zones de la conca de més alçada i més pendent segons el SIMPA. El SWAT, en canvi, les situa en la part més baixa i de pendent moderat.
Jodar-Abellan et al. comparen les dades del model SWAT amb les facilitades per les autoritats sobre descàrrega diària de fonts d’aqüífers per al període 2007-2014. Les fonts en qüestió són Mela, Los Chorros, Machelis i Partegat. Mela i Los Chorros mostren una actuació satisfactòria del model SWAT. Marchelis i Partegat mostren una actuació bona, però no tant.
La disponibilitat futura de recursos hídrics
Els algoritmes RNN són bons o molt bons en reconstruir la recàrrega d’aigües subterrànies del període 2000-2016. El millor és l’algoritme LSTM.
Les dades reconstruïdes de recàrrega d’aigües subterrànies per al període 1980-2050 que ofereix l’algoritme LSTM indiquen una tendència a la davallada de recàrrega en el període 1980-2016. El model SWAT indica per al 1985-1995 una recàrrega anual de 295 mm, mentre que per al 1996-2015 el valor era de 274 mm anuals. LSTM estima que per al 2050 la recàrrega anual d’aigües subterrànies haurà baixat a 125 mm.
Les sis poblacions de la conca de Guadalest depenen, pel que fa al recurs hídric, dels aqüífers de Mela, Beniardà-Polop, Benimantell i Serralla-Aixorta. Les dades del període 1980-2016 indiquen que les entrades d’aigua són superiors a les extraccions per a Mela, Benimantell i Serralla-Aixorta. En el cas de l’aqüífer Beniardà-Polop les extraccions anuals (7,1 hm3) superen les recàrregues (4,96 hm3), de manera que l’índex d’explotació és de 1,43.
Les prediccions de l’algoritme LSTM indiquen una reducció del 33,3% en el 2017-2050 per a l’aqüífer de Mela en relació a la recàrrega del període 1980-2016. En el cas de Benimantell la reducció seria del 14,9%, i en el cas de Serralla-Aixorta del 26,2%. La pitjor caiguda es produiria en l’aqüífer de Beniardà-Polop, amb un 47,2%. Els índexs d’explotació pujaran encara que la demanda urbana continuï igual. Així a Mela l’índex d’explotació del 2017-2050 pujarà a 0,29; a Serralla-Aixorta a 0,26; a Benimantell a 0,47; i a Beniardà-Polop a 1,68. Les xifres encara serien pitjors si es confirma una reducció de la precipitació anual i un augment de la taxa d’evapotranspiració: llavors tots els aqüífers s’acostarien a una situació de sobreexplotació.
Jodar-Abellan et al. recorden que a la conca de Guadalest hi ha altres formacions d’aigua subterrània. En tot cas el seu treball indica que és possible una modelització d’alta resolució en una conca càrstica semiàrida. També és possible aplicar-hi algoritmes de xarxa neural per fer prediccions hidrològiques. La modelització ajuda a detectar i predir problemes de sobreexplotació d’aqüífers, i a orientar la gestió del sòl i de l’aigua per a les properes dècades.
Lligams:
– Assessing current and future available resources to supply urban water demands using a high-resolution SWAT model coupled with recurrent neural networks and validated through the SIMPA model in karstic Mediterranean environments.. Antonio Jodar-Abellan, Miguel Ángel Pardo, Seyed Babak Haji Seyed Asadollah, Ryan T. Bailey. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. (2024).
– Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CSIC).
Des de la Mediterrània 