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Toma de decisiones para la gestión colaborativa de los recursos hídricos y
modelación participativa en la cuenca del Río Sonora, México.
Presentado por:
Dr. Agustín Robles Morua Profesor Investigador
Dept. Ciencias del Agua y del Medio Ambiente
Instituto Tecnológico de Sonora.
1er Encuentro Internacional
“Procesos de Soporte a la Decisión para la Gestión Participativa [ del Agua”
14 - 15 Abril 2016, Monterrey, México.
Mar de Cortez
Ubicación del proyecto:
El Rio Sonora
218
2618
Area~ 12,500 km2
Sistemas hidrológicos complejos!
* Alta variabilidad espacial y temporal de la precipitación debido a la influencia del Monzón de Norte América.
* Cambios drásticos de vegetación.
* Condiciones dinámicas de humedad de suelo y otras variables hidrológicas de estado.
Retos que enfrentamos:
Temporada Seca Temporada Humeda Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)
Porcentaje de contribución durante los meses de Julio-Agosto-
Septiembre en la región del Monzón de Norte América.
* La cuenca incluye grandes áreas de agricultura de irrigación y el área urbana mas grande del estado de Sonora.
* La infraestructura del agua y los organismos de manejo del agua tienen muchas dificultades para abastecer de agua la ciudad.
* Existe escasez y/o falta de datos para analizar el sistema (i.e. cuencas hidrológicas sin aforar, datos climáticos limitados).
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Precipitation
Potential Evapotranspiration
Jan Jul-Aug Dec
winter rains
monsoon rains
Conflictos por el
Agua!
El manejo de los recursos hídricos ha sido controversial a raíz de:
• Trasvases de agua.
• Percepciones de falta de agua.
• Conflictos entre los distintos usuarios.
• Intereses políticos.
• Falta de confianza en el gobierno….
http://www.miambiente.com.mx
http://olasonora.com
Problemas de Calidad de Agua:
* Descargas de contaminantes a cuerpos de agua (i.e. contaminación bacteriológica y de metales pesados por descargas de aguas residuales domesticas e industriales). * Costos elevados de monitoreo y llevar a cabo estudios de campo.
Retos que enfrentamos:
¿Cuáles Serán los principales impactos del cambio
climático en el Monzón de Norte América?
% Cambio en la precipitación media anual observada actualmente
Cambios Proyectados para el año 2080-2090
% Cambio en la intensidad de las lluvias
% Cambio en el numero maximo de dias secos (sin lluvias).
% Cambio en la duración de las lluvias de verano
RCP 8.5: Pesimista.
incremento en las temperaturas
entre 3 y 5 oC para el año 2100.
RCP 2.6: Optimista.
incremento en las temperaturas
entre 1.1 y 2.6 oC para el año 2100.
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Tem
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C)
Fuente: Datos de CONAGUA para estaciones en el Río Sonora
Temperatura Promedio Anual
en el Rio Sonora (1982-2007) Tendencia Positiva 0.03 oC por año
Temperatura Máxima Anual
en el Rio Sonora (1982-2015)
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Fuente: Datos de CONAGUA para estaciones en el Río Sonora
Precipitación Total Anual
en el Rio Sonora (1982-2007)
Tendencia Negativa 3.13 mm por año
Resumen sobre el Cambio Climático
en el Rio Sonora * Datos históricos demuestran que existen cambios de temperatura (0.3 C por año) y precipitación (3 mm/año) desde 1982 a 2007.
* Estudios de predicciones de cambio climático en la región sugieren:
o Menor precipitación anual por reducciones en invierno.
o Precipitación de verano similar pero retrasada en tiempo.
o Mayor intensidad en las lluvias de verano.
* Estas predicciones se basan en modelos de clima globales re-escalados.
Proyecto de modelación participativa
en la cuenca del Río Sonora, México.
Pregunta central de investigación:
¿Como contribuye el desarrollo de modelos dinámicos creados mediante un esquema participativo al desarrollo de estrategias de para el manejo integral del agua a nivel cuenca?
En el contexto de:
• Sequias (Falta de agua).
• Conflictos entre usuarios.
• Condiciones climáticas altamente variables y que se espera que cambien en el futuro.
Preguntas de investigación:
¿Qué impactos podemos esperar de un esquema de modelación
participativa con respecto a la comodidad y eficacia del uso de
modelos por parte de los participantes?
¿Cómo influye la exposición a información acerca del cambio climático
y problemas-causas–soluciones relacionados al agua en un contexto
participativo en las percepciones de los participantes?
¿Cuáles son los rangos de opciones de estrategias para un manejo
optimo del agua seleccionados por los participantes?
Enfoque del proyecto: Modelación Participativa
• Definición: Proceso que a través de un esquema colaborativo se construye una representación compartida de un sistema de modelos de manejo de recursos naturales.
• Razonamiento:
o Recopilar e integrar una diversidad de puntos de vista de participantes durante el proceso de desarrollo …. ….para que se pueda establecer una visión
colectiva de manejo de la cuenca tomando en consideración como pueden cambiar las condiciones del futuro.
Áreas de contribución científica
• Modelación Participativa (MP) ha sido utilizada en muchos contextos.
• Muchos de los organizadores de MP hablan de los impactos positivos del proceso pero sin datos empíricos que validen sus argumentos.
• Algunos esquemas de MP realizan entrevistas al final de los talleres pero al no utilizar encuestas o entrevistas preliminares no existe una línea base.
• El nuevo estándar de MP es llevar a cabo encuestas semiestructuradas ANTES y DESPUES, pero es algo que no se realiza comúnmente.
Diseño del proyecto
• Desarrollo de modelos que describan el sistema físico y de manejo del agua de la cuenca:
o Hidrológico: superficial y subterráneo.
o Sistema de manejo de agua que incluye oferta del agua y opciones de demanda, incluyendo la infraestructura existente.
o Pronósticos de climatología basados en modelos re-escalados del IPCC.
• Llevar a cabo TRES talleres con tomadores de decisión, academia, ONGs, organizaciones privadas (Primavera y Verano del 2013).
• Llevar a cabo encuestas ANTES y DESPUES de los talleres para evaluar el impacto en las percepciones de los participantes basado en Robles-Morua el al. (2014).
Diseño de los talleres
Taller # 1
Establecer una visión de la hidrología del Rio Sonora, su clima y los retos
del manejo del agua: seminario y discusión
Introducción a la modelación utilizando HEC-HMS: seminario
El sistema integral de manejo e agua de la cuenca del Rio Sonora:
seminario y discusión
Demostración del modelo dinámico del sistema del Rio Sonora:
seminario y actividad practica
Indicadores de desempeño para el manejo de recursos hídricos en la
cuenca del Rio Sonora: seminario y discusión
Introducción a la modelación con enfoque en el cambio climático:
seminario
Modelación de la hidrología utilizando HEC-HMS: seminario y actividad
practica
Aplicación de la encuesta ANTES
Recibir Retroalimentación
Taller # 2
Discusión de resultados de los escenarios de cambio climático y de obras
de infraestructura a través del modelo hidrológico HEC-HMS
Presentación de la incorporación de la retroalimentación y
modificaciones al modelo dinámico del sistema del Rio Sonora:
Descripción de las modificaciones, discusión y actividades practicas de
uso del modelo
Elaboración de escenarios futuros para la cuenca del Rio Sonora
Taller # 3
Presentación del modelo FINAL construido de la retroalimentación al
modelo dinámico del sistema del Rio Sonora: Descripción de las
modificaciones, discusión y actividades practicas de uso del modelo
Desarrollo de estrategias de manejo de recursos hídricos para la cuenca
del Rio Sonora: discusión y actividades practicas de uso del modelo
Diseño de los talleres
Recibir Retroalimentación
Aplicación de la encuesta DESPUES
Diseño del Estudio de Ciencias Sociales
• Las encuestas ANTES y DESPUES se diseñaron con tres metas en mente:
o Evaluar cambios en las percepciones en cuanto a los problemas de cantidad de agua y sus posibles soluciones.
o Evaluar las percepciones de los posibles impactos del cambio climático.
o Evaluar las percepciones acerca del uso de los modelos utilizados en los talleres (comodidad y comprensión de su uso).
o Evaluar las percepciones de los participantes en cuanto al calor, calidad, accesibilidad y utilidad de los modelos y del proceso de modelación participativo.
• Los instrumentos (encuestas) se construyeron para realizar análisis y medir cambios en percepciones a través de índices que fueron creados por medio de varios reactivos (5-7 preguntas).
Creación de escalas de las Encuestas
Tema/Escala
Experiencia previa utilizando modelos
Percepciones acerca de la capacidad para usar y entender los resultados de modelos
Percepciones acerca de la “utilidad” de los modelos
Percepciones acerca de la “veracidad” de los modelos
Percepciones acerca de las causas y las soluciones de cantidad los problemas de cantidad de agua
Percepciones acerca de los impactos de los problemas de cantidad de agua
Percepciones acerca del cambio climático y sus posibles impactos
Percepciones de los resultados de los talleres y del proceso de evaluación
Total de preguntas: ANTES: 44 DESPUES: 49
Modelo de cuenca: HEC-HMS
US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center
• Consiste en la creación de un modelo de múltiples sub-cuencas (47) que fue calibrado y utilizado para simular los procesos hidrológicos del Rio Sonora.
• Es un modelo comúnmente utilizado por agencias de gobierno y privadas en todo el mundo. Tiene una interfaz fácil de utilizar y mucha documentación de apoyo.
Sistema de Modelación Hidrológico
Plataforma del Modelo dinámico:
STELLA® Systems Modeling Platform
• La plataforma del modelo dinámico permite elaborar una representación matemática y grafica que permite simular las interacciones de los distintos componentes del sistema de manejo del agua.
• El modelo dinámico se utilizo para:
o Simular los componentes de sistema de manejo del agua en la cuenca del Rio Sonora.
o Visualizar como estan entrelazados los diferentes componentes del sistema.
o Explorar estrategias de manejo de uso del agua utilizando resultados gráficos.
• STELLA® es un software de modelación de sistemas dinámicos que tiene la capacidad para construir modelos matemáticos a través de interfaces graficas.
Indicadores del desempeño del sistema
• Escenarios climáticos del pasado y del futuro.
• Desarrollo de escenarios de crecimiento de la demanda (población).
• Opciones de manejo del abastecimiento de agua.
• Escenarios de la eficiencia del uso del agua.
• Incertidumbre en las estimaciones de recarga de acuíferos.
Variables del modelo dinámico
• Confiabilidad: % de días que demanda se cumple.
• Cambios en los niveles estáticos de agua subterránea.
• Impactos sociales, económicos y ambientales.
Modelo conceptual del
modelo dinámico del Rio Sonora
Modelos de
Balance de agua
Subterranea
Modelo de cuenca
HEC-HMS Presas Aquiferos
Escurrimientos Recargas
Salidas
presas Flujos Base Extracciones*
Extracciones* Flujos de
regreso
Usos Consumptivos
Flujos de
regreso
Usos Consumptivos
Hermosillo
Cuenca Rio
Sonora
*por tipos de usuarios
Variables controladas por el clima
Variables críticas para el manejo de recursos del agua
Indicadores de desempeño
Acoplamiento de Simulaciones Regionales de Clima con
Escenarios de Cambio Climático y Modelos hidrológicos.
• Los modelos globales de clima (GCM) tienen resoluciones de ~2.5 grados (250 km) y no capturan variaciones detalladas.
• Por esta razón, se utilizan modelos regionales como “Weather Research and Forecasting” (WRF) para reducir la escala temporal y espacial de productos de GCM.
• Aquí se muestran las áreas de simulación para el GCM en Norteámerica y de WRF en el suroeste de EEUU y noroeste de México.
• Este tipo de reducción de escala es muy importante para generar datos de entrada meteorólogicos para los modelos hidrológicos aplicados en cuencas.
WRF en resolución de 10-km
Río Sonora
Escenarios climáticos
• Se obtuvieron de los resultados de modelos de circulación globales (GCMs) que ya han sido evaluados para la región del Rio Sonora.
• Se utilizaron las salidas de los modelos HadCM3 y PI-ECHAM5 A2 utilizando escenarios de emisiones altas.
• Las salidas de los GCMs fueron re-escaladas dinámicamente para generar tres periodos de simulación:
o Histórico: 1990-2010
o Futuro cercano: 2031-2040
o Futuro lejano: 2071-2079 Regional Climate Model(WRF)
Boundary conditions from GCM
IPCC Projections
Annual average: 267 mm
493 mm
400 mm
1990-2000 2031-2040
2071-2079
Escenarios Climáticos
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cip
ita
tio
n (
mm
) 900
0
Pre
cip
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)
Jan Dec
Jan Dec
900
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Pre
cip
ita
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n (
mm
) HadCM3
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1990 2010 2030 2050 2070
Po
bla
cio
n (
Mil
lio
ns)
Meseta
Hyper
Estrellada
Escenario “Hyper”:
• Expansión continua de las áreas urbanas e industriales.
• Declive continuo en la población rural y en la agricultura.
Escenario “Plateau”:
• Crecimiento rápido urbano e industrial hasta el año 2030 y después se estabiliza.
• Declive en la población rural y en la agricultura hasta el año 2030 y después se estabiliza.
Escenario “Crash”:
• Crecimiento rápido urbano e industrial hasta el año 2030 y después se hay un declive.
• Declive en la población rural y en la agricultura hasta el año 2030 y después vuelve a crecer.
Desarrollo de escenarios de crecimiento de la demanda:
Población y áreas de agricultura irrigada
Plateau
Hyper
Crash
Opciones de abastecimiento y manejo del agua
• Incrementar el volumen de las presas dentro del sistema del rio Sonora.
• Incrementar o reducir los volúmenes de agua disponibles a través de acueductos (transferencias de agua entre cuencas).
• Reutilización de aguas residuales para recarga de acuíferos o para abastecer la demanda industrial.
• Desalinización.
• Reducciones en el abastecimiento de agua de pozos (agua subterránea)
• Reparaciones en los sistemas de distribución de agua urbanos y de agricultura.
• Urbano
• Industrial
• Usos agrícolas
• Usos pecuarios
Incrementar / reducir la eficiencia del uso
Opciones de la eficiencia del uso del agua
Incertidumbre en los modelos subterráneos
• Pesimista (50% menos recarga) a optimista (50% más recarga).
Interfaz del Modelo Dinámico de Manejo
de Recursos del Agua (STELLA)
Resultados de las encuestas
Resultados
Encuesta ANTES de los talleres
• Experiencia modelando:
o 51% de los participantes no trabajan con modelos regularmente.
o 51% no tienen ningún tipo de experiencia de modelación previo al taller.
• Cambio Climático:
o 83% esta de acuerdo fuertemente que el cambio climático esta ocurriendo.
o 68% considera que el cambio climático va a crear enormes problemas para México.
• Asuntos de manejo el agua:
o 66% consideran que las
demandas del agua de Rio
Sonora exceden la capacidad
de abastecimiento dentro de
la misma cuenca.
Principales cambios observados de los talleres
ANTES vs. DESPUES
• Percepciones de la modelación:
o Se incremento positivamente el
conocimiento de los modelos
HEC-HMS y STELLA.
o Se incremento positivamente la
percepción de la utilidad del
modelos dinámico del sistema
de manejo del agua.
• Causas de los problemas:
o Menos gente piensa que la
construcción de infraestructura del
agua no podrá resolver los
problemas de falta e agua en el Rio
Sonora.
o Mas participantes piensan que las
perdidas de agua en la agricultura
es la principal razón de la falta de
agua .
***
0 1 2 3 4 5
Capacity to use and understand models
Beliefs about “usefulness” of models
Beliefs about “exactness” of models
Beliefs about water quantity problems,
causes, & solutions
Beliefs about water quantity problem
impacts
Climate change-related beliefs
Post-survey
Pre-survey
*** significant at p < 0.01 ** significant at p < 0.025
Resultados de las escalas
generales
La falta de agua afecta a la agricultura y al sector industrial y reduce el desarrollo económico de la región
Percepciones acerca del cambio climático
Percepciones acerca de los impactos de los problemas del agua
**
Percepciones acerca las causas y las soluciones de los problemas del agua
Percepciones acerca de veracidad de los modelos
Percepciones acerca de la utilidad de los modelos
***
Capacidad para entender y utilizar los modelos
***
Muy importante
Nada importante
Neutral
Resultados de la selección de estrategias
de manejo del agua
Aumentos en la oferta / demanda del agua
Mean and standard deviation of response
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Increase Capacity of El Molinito Reservoir and Aqueduct
Capacity of La Independencia Interbasin Transfer
Desalination Capacity
Reuse of Wastewater for Industry
Reuse of Wastewater for Aquifer Recharge
Repair Hermosillo Distribution System
Reduction in Hermosillo Groundwater Supply
Efficiency Gain/Loss in Residential Water Use
Efficiency Gain/Loss in Industrial Water Use
Efficiency Gain/Loss in Agricultural Water Use
Supply or Demand (MCM/yr)
Agrupando a los participantes en base a sus
percepciones de como manejar el agua
• Urban-Tecno-Incrementadores (27%): alta desalinización, bajo reusó, alta eficiencia en la agricultura, alta transferencia de agua mediante acueductos, crecimiento económico positivo, alta confiabilidad de que lograremos mitigar el cambio climático.
• Urban-Tecno-Pragmatistas (23%): alta desalinización, alta transferencia de agua mediante acueductos, impactos negativos sociales, impactos negativos ambientales, confiabilidad media de mitigar el cambio climático.
• Greenistas: (40%): baja desalinización, alto reusó del agua residual, alto incremento en la eficiencia del agua residencial, mediana transferencia de agua mediante acueductos, baja confiabilidad de mitigar el cambio climático.
• Otros (10%)
F(p <0.05) = 82% Silhouette coefficient = 0.64
Observaciones de los talleres
• El interés de los participantes de utilizar herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones INCREMENTO.
• Se revelaron diferencias muy grandes en las preferencias de los participantes de como se debe de manejar los recursos hídricos.
• Los participantes consideraron que el cambio climático va a incrementar las fallas de falta de agua en la región.
• Atraer participantes de las distintas
dependencias a los talleres fue un
reto:
o 100 personas fueron invitadas.
o 55 asistieron al primer taller.
o 31 asistieron al 2do taller.
o 33 asistieron al 3er taller.
• Durante los talleres se dieron
discusiones muy enriquecedoras
(ricas) acerca de como manejar los
recursos hídricos del rio Sonora.
Siguientes pasos…..
• Expandir la evaluación de escenarios de cambio climático.
• Explorar las interacciones físicas entre los componentes de agua superficial y subterránea.
• Consideración de los usos consuntivos de agua superficial y subterránea.
• Integración de un modelo dinámico que considere los nexos entre los sistemas de Alimentos-Energía-Agua (Food-energy-water nexus) para todo el estado de Sonora.
Agradecimientos • Co-autores:
Enrique Vivoni (Arizona State University)
Daniel Che (Ohio State University)
Alex Mayer (Michigan Technological University)
Kathleen Halvorsen (Michigan Technological University)
David Kossak (Michigan Technologial University)
• Fuente de financiamiento:
National Science Foundation Interdisciplinary Research Program
• Participantes de los Talleres de modelación participativa.
• Investigadores que han trabajado en el Rio Sonora.
Muchas Gracias por su atención!
Bibliografía de nuestro trabajo: • Mayer, A., Vivoni, E.R., Halvorsen, K.E., Kossak, D. and Robles-Morua, A. 2016. Participatory modeling reveals disparity in
priorities for water resources management strategies in a water-scarce, water-conflicted basin. Water Resources Management, In review.
• Kossak, D., Halvorsen, K.E., Mayer, A.S., Robles-Morua, A., Vivoni, E., Brenna, E., Kelsii, D., Casteneda, M., and Dunn, J.L. 2016. Assessing impacts of participation in a water-related participatory modeling workshop, Environmental Practice, in review
• Robles-Morua, A., Halvorsen, K.E., Mayer, A.S., and Vivoni, E. 2014. Exploring the application of participatory modeling approaches in the Sonora River Basin, Mexico, Environmental Modelling and Software, 52, 273–282.
• Robles-Morua, A., Che, D., Mayer, A., and Vivoni, E. 2014. Hydrologic assessment of proposed reservoirs in the Sonora River Basin, Mexico, under historical and forecasted climate scenarios, Hydrological Sciences Journal, DOI:10.1080/02626667.2013.878462.
• Robles-Morua, A., Vivoni, E., and Mayer, A.S. 2012. Distributed hydrologic modeling in northwest Mexico reveals the links between runoff mechanisms and evapotranspiration, Journal of Hydrometeorology, 13(3), 785-807, DOI: 10.1175/JHM-D-11-0112.1.
• Robles-Morua, A., Mayer, A.S., Auer, M.T., and Vivoni, E. 2012. Modeling riverine pathogen fate and transport in Mexican rural communities and its public health implications, Journal of Environmental Management, 113, 61-70.
• Robles-Morua, A., Halvorsen, K.E., and Mayer, A.S. 2011. Waterborne disease-related risk perceptions in the Sonora River Basin, Mexico, Risk Analysis, 31(5), 866-878.
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