3.1. Datos utilizados

Para este trabajo se dispuso de información diaria de precipitación y temperatura en 40 y 25 estaciones meteorológicas, respectivamente, ubicadas en las cuencas analizadas entre 1975 y 2006. Los datos son recogidos y gestionados por la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). Estos datos se sometieron a un riguroso proceso de control de calidad, reconstrucción de series y análisis de homogeneidad (Vicente-Serrano et al., 2010; El Kenawy et al., 2012). Los datos hidrológicos, utilizados para la calibración y la validación del modelo, han sido proporcionados por la Confederación Hidrográfica del Ebro, y fueron sometidos igualmente a un proceso de control de calidad para eliminar datos anómalos y detectar inhomogeneidades en las series temporales. Los datos ausentes se rellenaron a partir de series cercanas y altamente correlacionadas (Lorenzo-Lacruz et al., 2012).

La información sobre los usos del suelo se basa en los inventarios forestales de vegetación de los años 1986, 1997 y 2007. Las clases de vegetación originales se reclasificaron en 8 categorías: pastizales, bosque caducifolio, bosque de coníferas, bosque de quercíneas, matorrales, suelo desnudo, superficie agrícola, áreas urbanas, y láminas de agua.

Los tipos de suelo se obtuvieron de la base de datos europea del suelo (Joint Research Center, http://eusoils.jrc.ec.europa.eu/) a una escala espacial de 1 km²; los datos incluyen información sobre los tipos de suelo y los parámetros del suelo que requiere el modelo RHESSys (textura, densidad aparente y contenido de materia orgánica). Otros parámetros necesarios (capacidad de campo, conductividad hidraúlica y decaimiento de la capacidad hidraúlica saturada) se obtuvieron de la literatura disponible (Stanhill, 1970; Wösten et al., 1999; Jones et al., 2004 y 2005; Cho et al., 2012).

3.2. Escenarios de cambio climático y de usos del suelo

La temperatura y la precipitación simulada por modelos climáticos regionales (RCMs) para un período de control (1970-2000) y un periodo futuro (2021-2050) se obtuvieron de la base de datos del proyecto ENSEMBLES (http://www.ensembles-eu.org). Incluyen simulaciones continuas del clima para el periodo 1950-2100 a una elevada resolución espacial (celdas a 25 km²) para un escenario de emisiones de gases de efecto invernadero A1B, que contempla un incremento moderado de dichas emisiones (Nakicenovic et al., 1998). Los modelos utilizados en este trabajo fueron: C4I (HadCM3Q16); CNRM (ARPEGE); DMI (ECHAM5-r3); ETHZ (HadCM3Q0); GKSS (IPSL); HC (HadCM3Q0); ICTP (ECHAM5-r3); KNMI (ECHAM5-r3); METNO (HadCM3Q20); MPI (ECHAM5-r3); SMHI (HadCM3Q3); y VMGO (HadCM3Q0). Los RCMs han mostrado una buena capacidad para reproducir la precipitación y la temperatura observada en el Pirineo durante el periodo control. En general, los errores en la temperatura oscilan entre 1 y 1,5 ºC y entre un 10 y 25% para la precipitación (López- Moreno et al., 2008a).

Se utilizaron dos escenarios de usos del suelo para las simulaciones hidrológicas (Fig. 2 y Tabla 1). En el primer escenario los usos del suelo se mantuvieron sin cambios durante las próximas décadas (Figura 2A). El segundo escenario se basa en una posible evolución de la cubierta vegetal, asumiendo que las áreas actualmente cubiertas por matorrales evolucionarán hacia bosques de coniferas, como se ha venido observando en los campos abandonados desde hace varias décadas (Lasanta et al., 2005). Este escenario también asume un incremento altitudinal del límite del bosque (2000 m s.n.m), resultado de un posible descenso de la presión ganadera (O’Flanagan et al., 2011), y que puede verse facilitado por temperaturas cada vez más cálidas. Como se puede observar en la Tabla 1, según el proceso de revegetación asumido en este estudio, las cuencas de los ríos Aragón y Ésera serían las que registrarían una mayor expansión de los bosques de coníferas (14.8 y 19.7%, respectivamente), mientras que la cuenca del río Gállego experimentaría el mayor incremento del área ocupada por matorral, fundamentalmente en la zona de pastos subalpinos.

3.3. El modelo RHESSys

RHESSys es un modelo hidro-ecológico diseñado para simular el ciclo del agua, del carbono y de los nutrientes sobre terreno complejo, a escalas de análisis pequeñas y medianas (Tague & Band, 2004). Los procesos que puede simular son los flujos verticales de humedad (intercepción, transpiración, evapotranspiración y recarga subterráneas), y los flujos laterales entre las distintas unidades espaciales (Band et al., 2000). Las cuencas se subdividen mediante una organización jerárquica entre las unidades de paisaje, lo que permite que los distintos procesos puedan ser simulados a distintas escalas (Tague & Band, 2004). Los distintos niveles espaciales comprenden unidades progresivamente más pequeñas. Cada nivel espacial está asociado con diferentes procesos modelizados por RHESSys. Este procedimiento permite una parametrización eficiente y reducir el error asociado con la fragmentación del paisaje (Band et al., 1993; Lammers et al., 1997).

La calibración de los cuatro parámetros necesarios se hizo mediante un proceso de simulación de Monte-Carlo: i) el decaimiento de la conductividad hidráulica con la profundidad (m); ii) la conductividad hidráulica en suelos saturados (K); iii) la infiltración a través de macroporos (gw1); y iv) la conectividad lateral de las laderas con el canal principal (GW2). El período de 1996-2006 se utilizó para calibrar el modelo, mientras que el período de 1975-1995 se utilizó para su validación. El índice de eficiencia de Nash-Sutcliffe (NS), el porcentaje de sesgo (PBIAS) y la relación entre la media del error estándar y del cuadrado desviación (índice de RSR) se utilizó para cuantificar la capacidad del modelo para reproducir de manera adecuada los caudales mensuales observados. La formulación matemática de los tres índices, así como la escala de los mismos, se describen en Moriasi et al. (2007). Una vez confirmada la calidad de las simulaciones hidrológicas para el período observado en todas las cuencas objeto de estudio, se repitieron las simulaciones a escala diaria, siendo luego convertidas a valores medios mensuales, asumiendo los cambios en el clima y las proyecciones de usos de suelo definidas anteriormente. Las series observadas de temperatura y precipitación se modificaron utilizando valores de cambio medio mensual de cada cuenca, obtenidos a partir de la comparación de los datos climáticos simulados para el periodo proyectado (2020-2050) y para el período control (1970-2000). Por lo tanto, nuevas simulaciones se realizaron utilizando los parámetros calibrados para el periodo 1996-2006, pero introduciendo las series climáticas modificadas según las proyecciones de los RCMs en combinación con los dos escenarios de usos del suelo: condiciones inalteradas desde el período de control (1), y las cuencas sometidas a un proceso de revegetación (2).

4.1. Proyecciones de cambio climático en las cuencas analizadas

La Figura 3 muestra el cambio proyectado (promedio de los modelos regionales utilizados) en la precipitación y la temperatura anual y estacional en las cuencas de los ríos Aragón, Gállego, Cinca, Ésera y Noguera Ribagorzana. La señal de cambio en precipitación y temperatura es prácticamente idéntica en las cinco cuencas estudiadas. El promedio entre modelos indica un aumento generalizado de la temperatura para el período 2021-2050 con respecto al periodo de control (1970-2000). Se espera que el calentamiento pueda oscilar entre 1,5 ºC en invierno y primavera, y casi 2,5 ºC en verano, con un calentamiento medio anual próximo a 1,8 ºC. Los modelos climáticos indican un descenso de la precipitación anual próximo al 10% respecto al período de control, con una mayor disminución en verano (próxima al 18%) y menor en invierno (menor al 5%).

4.2. Simulación de los caudales durante el periodo de control

La Figura 4 muestra los caudales mensuales observados y simulados en las cinco cuencas simuladas para el período de validación. La Tabla 2 muestra los estimadores de error correspondientes (NS, PBIAS y RSR) obtenidos para el periodo de validación. A pesar de algunas discrepancias entre los valores observados y simulados, en particular una sobreestimación de los picos más elevados de caudal, RHESSys reproduce adecuadamente los ciclos estacionales más característicos y la variabilidad interanual de los caudales de las cinco cuencas estudiadas. En general, los estimadores de error de la tabla 2 indican que las simulaciones de las cinco cuencas pueden considerarse “buenas” o “muy buenas”, sobre la base de la escala indicada en Moriasi et al. (2007). Los valores de NSE fueron mayores de 0,6; el PBIAS no excedió un 15% y el RSR fue menor de 0,5.

5. Discusión y conclusionesTop

Este trabajo muestra cómo los cambios ambientales proyectados a medio plazo, incluyendo cambios en el clima y en la cubierta vegetal, pueden modificar de forma importante la hidrología de las cabeceras de los ríos pirenaicos. En todas las cuencas analizadas, los modelos climáticos predicen un notable aumento de las temperaturas (1-2 ºC), incluso para un horizonte relativamente próximo (2021-2050), y considerando un escenario de emisión de gases de efecto invernadero relativamente moderado (A1B). La evolución de la precipitación está sujeta a una mayor incertidumbre, pero casi todos los modelos indican una suave disminución de sus valores anuales, con un descenso más acusado en verano, y valores muy similares para el invierno. Los modelos indican que el mayor calentamiento se producirá en verano, mientras que las temperaturas de invierno serán las menos afectadas. Las proyecciones obtenidas para las cuencas pirenaicas son bastante similares a las obtenidas en estudios previos sobre el cambio climático en otras zonas de montaña Mediterránea (Nogués-Bravo et al., 2008; García- Ruiz et al., 2011; López- Moreno et al., 2011b).

Si se atiende únicamente al cambio climático, el caudal anual de las cuencas estudiadas descendería entre un 13% y un 23% según los casos analizados, valores que resultan coherentes con el descenso del 19% indicado por García-Vera (2013) para zonas de cabecera del valle del Ebro para el periodo 2040-2070, también considerando el escenario A1B. Las diferencias en la magnitud de cambio entre las cuencas analizadas se deben a diferencias en su hipsometría, litología, tipo y espesor de los suelos y en la cubierta vegetal, que pueden afectar a la respuesta hidrológica frente a alteraciones climáticas (López-Moreno et al., 2011a).

El aumento de la vegetación en las cabeceras de las montañas mediterráneas está lejos de haber finalizado (García-Ruiz & Lana-Renault, 2011). Está demostrado que la expansión de los bosques y matorrales reduce la escorrentía (Weatherhead & Howden, 2009; Warburton et al., 2012), especialmente en las zonas de cabecera de los ríos. Sin embargo, el impacto del cambio en la cobertura vegetal sobre la respuesta hidrológica depende de las características físicas de la cuenca (tipo de suelo, altitud, etc.), el tipo de vegetación, la intensidad de las precipitaciones y los efectos de escala (Bunte & MacDonald, 1995; Andréassian, 2004; Calder, 2007; Nadal Romero et al., 2012; Quiñonero-Rubio et al., 2013). En este estudio las simulaciones hidrológicas también se llevaron a cabo utilizando la hipótesis de que las áreas actualmente cubiertas por matorral pueden evolucionar hacia bosque, y que los prados subalpinos pueden ir recolonizándose por formaciones arbustivas (García-Ruiz et al., 2011). Si sumamos el efecto del incremento de la vegetación asumido en este trabajo a los cambios derivados del incremento de la temperatura y de los usos del suelo, se espera un descenso de caudales que oscila entre el 19% y el 32%, dependiendo de la cuenca analizada. Estacionalmente, los cambios en la cubierta vegetal afectan con mayor intensidad a los caudales de finales del invierno y principios de la primavera (principalmente de marzo), y en otoño. A mitad de la primavera, la cantidad de agua consumida por la vegetación es alta, pero representa un porcentaje menor que en meses precedentes. En invierno, el efecto de la revegetación es menor porque la cantidad de agua consumida disminuye al tratarse de un periodo de latencia para la vegetación y su consumo de agua es mucho menor. En verano, el consumo de agua por parte de la vegetación disminuye debido al bajo nivel de disponibilidad de agua en el suelo, a lo que la vegetación se adapta anatómica y fisiológicamente (Cháves et al., 2003). El cambio en las variables climáticas produce un descenso de los picos de caudal primaverales como consecuencia de una menor acumulación de nieve y una fusión más temprana (López-Moreno & García- Ruiz, 2004; Christensen & Lettenmaier, 2007; Barnett et al., 2008; Dawadi & Ahmad, 2012), lo que acentúa los estiajes estivales. Las simulaciones del clima y el cambio en la cubierta vegetal combinados indican una disminución sostenida de la escorrentía desde el final del invierno hasta el final del otoño, con disminuciones de los caudales en torno al 30-40% respecto a los valores observados en las últimas décadas. El invierno es la única estación que muestra cambios hidrológicos mucho más moderados, o incluso un incremento de los caudales en algunas de las cuencas estudiadas.

La magnitud del cambio hidrológico simulado en las cabeceras pirenaicas es suficiente para alterar de forma muy notable los patrones de gestión de los recursos hídricos del Pirineo, afectando a la disponibilidad de agua en el conjunto de la cuenca del Ebro (López-Moreno et al., 2008a). De hecho, la magnitud del cambio proyectado para el periodo 2021-2050 resulta muy similar al ya observado en el Pirineo a lo largo de la segunda mitad del siglo XX (Beguería et al., 2003), que obligó a los gestores de agua a introducir importantes modificaciones en los patrones de llenado y vaciado de los embalses (López-Moreno et al., 2004). Estos resultados confirman la necesidad de profundizar más en el efecto combinado del clima y los usos de suelo de cara a desarrollar escenarios fiables de la disponibilidad de recursos hídricos en el futuro (Parajuli, 2010; Tong et al., 2012), que incluyan la incertidumbre de los modelos climáticos y la de los modelos hidrológicos, además de los esquemas de gestión de agua existentes en cada una de las cuencas, más allá de analizar la respuesta hidrológica exclusivamente bajo condiciones naturales.