Eficiencia en la gestión del agua y viabilidad de nuevos proyectos de riego en España Dr. Francesc Hernández Sancho

OBJETIVO GLOBAL Optimizar la gestión del agua en un territorio Visión integral que incluye todas las fuentes y todos los usos. Perspectiva de sostenibilidad futura

Cualquier actuación dirigida a optimizar la disponibilidad de recursos hídricos debería basarse en la utilización de mecanismos tanto de oferta como de demanda. Como mecanismos de oferta: los recursos convencionales (superficiales y acuíferos) los recursos no convencionales, es decir, los procedentes de la depuración de aguas residuales y de la desalación. los trasvases

Desde el punto de vista de la demanda, el mayor consumo corresponde habitualmente a la agricultura. Ello exige garantizar una gestión eficiente del agua para riego teniendo en cuenta: la tipología de cultivos, técnicas de riego, estado de las canalizaciones, calidad del agua, criterios de fijación de precios y, posibilidades de ahorro, entre otras.

MODELIZACIÓN Se pretende modelizar el suministro de recursos hídricos desde diferentes orígenes con el fin de satisfacer las demandas con el coste mínimo. Este modelo permite considerar: la incertidumbre en la oferta y la demanda, la inclusión de actuaciones de mejora e inversiones, restricciones adicionales como elasticidades demanda-precio, criterios de calidad, etc.

Desde el punto de vista de la oferta se considerarán: los recursos existentes los potencialmente disponibles a través de nuevas instalaciones de reuso, desalación o de cualquier otro tipo de infraestructura. Desde una óptica de demanda se abordarán: los usos actuales, los requerimientos de calidad en cada caso, las posibilidades de ahorro, las previsiones sobre nuevas necesidades, la estacionalidad de la demanda y, los usos potenciales.

Desde el punto de vista de la oferta se consideran: Recursos convencionales (Aguas superficiales y subterráneas). Desalación. Reuso de agua tratada desde depuradoras. Trasvases Desde el punto de vista de la demanda se incluye: Consumo domestico Consumo industrial Consumo agrícola

Este planteamiento está basado en un modelo multidimensional según la siguiente caracterización: Transporte: Enlazar orígenes con destinos Multidimensional: Diferentes tipos de orígenes, destinos y calidades del recurso. Generalizado: No todo lo que se envía desde cada origen llega al destino. Coste Fijo: Posibilidad de incluir la construcción de nuevas infraestructuras. Variables Acotadas: Puede existir límite de capacidad a los enlaces entre orígenes y destinos

ESQUEMA

Enlaces: origen-destino Para cada uno de los orígenes y destinos considerados se establecen sus disponibilidades y demandas.uedetermi Para ello se han construido unas matrices de transición, en donde si el origen Oi puede abastecer al destino Dj, entonces el elemento (i,j) de la matriz es uno, y cuando eso no sea posible, será cero. Para cada uno de los elementos de la Matriz de Transición (MT), pueden existir diferentes niveles de eficiencia expresada en forma del porcentaje de agua enviada desde un origen que llega a su destino.

Inicialmente se plantea con los datos existentes para cada variable (Balance hídrico). A continuación, se construye un árbol de escenarios teniendo en cuenta previsiones de tipo meteorológico, demográfico y económico, entre otras. A partir de este planteamiento se aborda un proceso de optimización de usos y fuentes para cada uno de los escenarios considerados.

Una vez determinados de manera realista los costes del agua (incluyendo la cuantificación de externalidades) se obtienen a través de programación matemática las cuantías óptimas de agua a extraer de cada fuente y a destinar a cada uno de los usos. Se incluyen restricciones como, por ejemplo: Restricciones sobre la calidad: la oferta de agua desde los distintos orígenes tiene diferentes niveles de calidad y las demandas tienen, a su vez, requerimientos específicos. Acuerdos previamente establecidos en cuanto a precios y cantidades máximas ofrecidas. Impacto ambiental asociado a la obtención de agua en cada uno de los orígenes. Restricciones vinculadas a la normativa reguladora.

APLICACIÓN EMPÍRICA CUENCA RIO SEGURA (ESPAÑA) Área demarcación 20.234 km² Población año 2013 (hab) 2.006.794 Densidad (hab/km²) 105 hab/km²

OFERTA: Datos Agua superficial (SUP) → 21 fuentes. Agua subterránea (SUB) → 62 acuíferos. Agua depurada (EDAR) → 81 plantas Agua trasvasada de otras cuencas (TRA) → Opcional.

DEMANDA: Datos Unidades de demanda agraria (UDA)→ 64 Unidades de demanda industrial (UDI)→ 8 Unidades de demanda urbana (UDU)→ 14

Se han construido las correspondientes matrices de origen-destino entre los puntos de oferta y los de demanda. En el caso de inexistencia de información relativa a costes se han utilizado funciones de coste representativas. Las pérdidas asociadas a canalizaciones de riego se sitúan en el 35 por ciento. En las redes urbanas e industriales alcanzan un 25 por ciento.

Características del modelo Ecuaciones de oferta

Ecuaciones de demanda

Función objetivo: Abastecimiento de demanda con minimización de costes

El modelo se ha resuelto mediante la aplicación informática GAMS/CPLEX fijando un coste total del suministro de agua ligeramente superior a los 300 millones de euros anuales, y garantizando la cobertura de todas las necesidades. Se trata de una solución óptima para toda la cuenca. Sobre la base de la solución alcanzada se han realizado una serie de simulaciones específicas con el fin de analizar los resultados obtenidos en cada escenario.  

Por ejemplo, se han considerado distintas posibilidades: Mejora en la eficiencia de los canales de riego pasando de un 65 % a un 66%. Esta mejora supone un ahorro estimado en cerca de 3,5 millones anuales, es decir, un 1,15% del total de costes anuales. En una de las tomas de agua superficial con una disponibilidad de 50 Hm3 anuales se plantea disponer de un hectómetro cúbico adicional. El coste disminuiría en poco más de medio millón de euros, lo que representa un 0,17% del total.

Estas simulaciones son solamente una muestra de las amplias posibilidades del modelo a la hora de identificar y analizar los puntos fuertes, debilidades y previsiones de futuro sobre la gestión óptima del agua en un área territorial. Uno de los resultados es la propuesta de sustitución de fuentes de suministro para los distintos destinos. Un ejemplo es destinar el agua de mayor calidad de los acuíferos para uso urbano y utilizar el efluente de la depuración para riego agrícola.

ESTUDIOS DE VIABILIDAD DE NUEVAS INVERSIONES CON VALORACIÓN DE EXTERNALIDADES

El objetivo básico de cualquier proyecto de actuación en el ámbito de la gestión del agua es maximizar los beneficios totales, es decir, la diferencia entre ingresos y costes. Beneficios totales se dividen en: Beneficios internos Beneficios externos

En otras palabras, la función a maximizar debería ser: donde: = Beneficio Total (ingreso total – coste total) = Beneficio Interno (ingreso interno – coste interno) = Beneficio Externo (externalidades positivas – externalidades negativas)

Beneficio interno Recuperación Total de Costes El coste por metro cúbico debería ser igual al precio mínimo de venta. Para obtener este precio se utiliza el criterio del Valor Actual Neto (VAN) El precio mínimo de venta es aquel que consigue igualar el VAN a cero.

VAN = Valor Actual Neto I0 = Inversión inicial BN = Beneficio Neto i =Tasa de descuento n = Año VAR = Volumen Anual de Agua Regenerada PMV = Precio Mínimo de Venta CI = Coste de Inversión CEM = Costes de Explotación y Mantenimiento T = Impuestos CF = Costes Financieros

BENEFICIO EXTERNO BE = Beneficio Externo EP = Externalidades positivas EN = Externalidades negativas El conjunto de las externalidades se deben a los impactos positivos y negativos derivados del proyecto.

MÉTODO DE VALORACIÓN MONETARIA DE EXTERNALIDADES Cálculo de PRECIOS SOMBRA representativos del coste ambiental evitado gracias a una actuación concreta. Permite la cuantificación de los beneficios ambientales derivados de una inversión. 29 1

Modelo Programación Matemática Cálculo Precios Sombra Modelo Programación Matemática 30 1

Cuenca rio Llobregat (España) EJEMPLO

Ubicación La cuenca del río Llobregat está situada en la parte noreste de España, ​​junto a Barcelona. Cubre un área de 4.948 km2, y cuenta con 156,5 km. de longitud. El río Llobregat tiene dos afluentes principales, el río Cardener y río Anoia, y los tres reciben efluentes de varias plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) y los efluentes industriales, tratados y no tratados.

Características del medio Delta del Llobregat: - 100 Km2, situado al sur de la ciudad de Barcelona. - Humedales con reconocimiento internacional, - Gran importancia del acuífero (100 hm3/año) - Tierra muy fértil idónea para agricultura intensiva. - El rio Llobregat es la principal fuente de agua de riego con un caudal en condiciones normales de 1,5 m3/s. - En épocas de sequia esta cifra se reduce a 0,8 m3/s y las extracciones del acuifero superan la recarga natural.

Características del medio Población y densidad de población en los municipios principales del delta de Llobregat

Características del medio Situación actual: - Altamente contaminado (aguas residuales urbanas e industriales). - Elevada salinidad (natural y por minas de sal) - Planta de tratamiento de agua potable (Sant Joan Despi) - EDAR El Prat y EDAR Sant Feliu (ambas con tratamiento terciario) - Dos grandes canales de riego (Dreta e Infanta) - Extracción de pozos (no siempre controlada y registrada) - Sobreexplotación del agua. Déficit hídrico de 5,6 Mm3/año Promover EL REUSO de LAS aguas residuales tratadas

Situación EDARs Delta Llobregat

Análisis Coste-Beneficio Metodología ESTUDIO DE VIABILIDAD Análisis Coste-Beneficio

Transferencia intersectorial PRINCIPALES OBJETIVOS Económico: Garantizar el suministro de agua que cubra la demanda urbana y agrícola que permita incrementar la actividad económica. Ambiental: mejorar el caudal del río, la creación de una barrera contra la intrusión del agua de mar y el mantenimiento y la restauración de los humedales. Social: Aumentar los ingresos de los agricultores.

Transferencia intersectorial Se pretende integrar el agua regenerada dentro de la oferta de recursos hídricos. Los agricultores liberan aguas superficiales y subterráneas y los municipios les ofrecen agua regeneradas. Estrategia: WIN- WIN. Se garantiza la disponibilidad de agua para todos los usos al menor coste. Se asigna el agua de mayor calidad para uso doméstico y se consigue el riego de cultivos incluso en periodos de sequía.

Transferencia intersectorial EDAR Sant Feliu Estrategia A 1.Mezclar agua de la EDAR con agua de pozo para reducir la salinidad (75/25) 2. No extraer agua superficial (del rio Llobregat). 3. Reducir el bombeo de agua subterránea hasta el 25%. 4. Reducir del uso de fertilizantes. 5. Los agricultores no pagarán por el agua regenerada.

Transferencia intersectorial EDAR Sant Feliu Estrategia B 1. Construir nuevos tratamientos terciarios y una nueva red de tuberías. 2. No extraer agua superficial (del rio Llobregat). 3. No bombear agua subterránea. 4. Aumentar la calidad del agua. 5. Reducir el uso de fertilizantes. 6. Los agricultores no pagarán por el agua regenerada.

Transferencia intersectorial EDAR Sant Feliu Estrategia C 1. Construir nuevos tratamientos terciarios y una nueva red de tuberías. 2. No extraer agua superficial (del rio Llobregat). 3. No bombear agua subterránea. 4. Aumentar la disponibilidad y calidad del agua. 5. Paralización de la agricultura de secano e irrigación de todo el área cultivada (+14,5%). 6. Reducir del uso de fertilizantes. 8. Los agricultores no pagarán por el agua regenerada.

Transferencia intersectorial Impactos económicos del uso del agua regenerada – Sant Feliu de Lobregat

Transferencia intersectorial Factor de retorno de ingresos en la agricultura de regadío como resultado del uso del agua regenerada – Sant Feliu de Llobregat

Transferencia intersectorial EDAR Sant Feliu Estrategia C, mejor Coste-Beneficio Ahorro coste de extracción y fertilización Los agricultores aumentarían de ingresos por ventas Uso exclusivo del agua regenerada para riego Aumento de ingresos de un 37% (461.230 €/año) Factor de retorno de 2,21€ /1€ invertido

Transferencia intersectorial EDAR El Prat Estrategia A 1Mezclar, por parte de los agricultores, agua regenerada (tratamiento terciario) y agua subterránea (ratio de mezcla 50%). 2. Evitar el uso de agua superficial. 3. Reducir el uso del agua subterránea lo que conlleva un ahorro a los agricultores de los costes de bombeo. 4. Aumentar la disponibilidad de agua. 5. Ahorrar fertilizantes. 6. Los agricultores no pagarán por el agua regenerada.

Transferencia intersectorial EDAR El Prat Estrategia B 1. Construir EDR para reducir la salinidad del agua. 2. Todos los agricultores aceptan el agua EDR. 3. Evitar el uso de agua superficial. 4. Evitar el uso de agua subterránea lo que conlleva un ahorro a los agricultores de los costes de bombeo. 5. Aumentar la disponibilidad y calidad del agua. 6. Ahorrar fertilizantes. 7. Los agricultores no pagarán por el agua regenerada.

Transferencia intersectorial Impactos económicos del uso del agua regenerada – El Prat de Llobregat

Transferencia intersectorial Factor de retorno de ingresos en la agricultura de regadío como resultado del uso del agua regenerada – El Prat de Llobregat

Transferencia intersectorial EDAR El Prat de Llobregat Estrategia B, mejor Coste-Beneficio Factor de retorno de 2,93€ /1€ invertido

Resumen Area de Sant Feliu (EUR/año) Area de El Prat (EUR/año) Total   Area de Sant Feliu (EUR/año) Area de El Prat (EUR/año) Total Coste del tratamiento adicional 589 000 3 685 000 4 274 000 Coste de transporte y distribución 1 018 000 1 550 000 2 568 000 COSTE TOTAL DE LA TRANSFERENCIA DE AGUA 1 607 000 5 245 000 6 852 000 Aumento en los ingresos de los agricultores 253 000 231 000 484 000 Beneficios municipales / ambientales 8 126 000 14 430 000 22 556 000 BENEFICIO TOTAL DE LA TRANSFERENCIA DE AGUA 8 379 000 14 631 000 23 010 000 BENEFICIO NETO 6 772 000 9 386 000 16 158 000

Resultados Desde la puesta en marcha del acuerdo la disponibilidad de agua en el Área Metropolitana de Barcelona ha mejorado. La renta de los agricultores se ha incrementado y el abastecimiento de agua está garantizado incluso en verano. La situación del acuífero del Llobregat también ha mejorado. El intercambio de agua entre agricultores ha supuesto mayor cantidad de agua para todos los usuarios y a un coste considerablemente inferior.

METODOLOGIAS DE APOYO A LA GESTIÓN DEL AGUA Cálculo de funciones de coste de inversión y de explotación. Análisis de eficiencia económica y ambiental

Cálculo de funciones de coste de inversión y de explotación. La modelización de costes permite aumentar la comprensión acerca de la estructura de los costes de operación y mantenimiento de cualquier instalación y, a su vez, proporciona un análisis detallado y riguroso para la planificación de mejoras y nuevas actuaciones. Las funciones de coste también son útiles para ayudar en la evaluación de distintas alternativas tecnológicas desde una perspectiva económica.

Funciones de Coste ofrecen la posibilidad de: 1. Predecir el coste económico de las diferentes etapas. 2. Comprender las relaciones entre las diferentes variables. 3. Reducir la incertidumbre para facilitar la elección. 4. Proyectar escenarios de inversión. 5. Generar un software automatizado (DSS).

Funciones de Coste R2 C=2.1165 V0.7128 e(0.0174 A+1.5122 SS+0.0372 BOD) 0.6849 C=2.5180 V0.7153 e(0.007 A+1.455 BOD+0.258 N+0.243 P) 0.7301 C=17.3617 V0.5771 e(0.1006 A+0.6932 BOD) 0.9862 C=3.7732 V0.7223e(0.6721 BOD+0.1958 N+0.7603 P) 0.9029 C es el coste total (€/año); V es el volume total de agua residual tratada (m3/año); A antiguedad de la instalación (años); SS es el rendimiento de eliminación de los sólidos en suspensión; BOD es el rendimiento en la eliminación de DBO; N es el rendimiento en la eliminación de nitrógeno y P es el rendimiento en la eliminación de fósforo.

Análisis de eficiencia económica y ambiental Cualquier actividad productiva o proceso debe funcionar eficientemente. No se trata de calcular índices de productividad. Los indicadores de eficiencia se obtienen por la comparación de los distintos procesos con la llamada frontera del buen comportamiento. Permite la identificación de las mejores prácticas, optimizar el uso de los recursos, ayudar en el proceso de toma de decisiones y reducir los costes.

El Data Envelopment Analysis (DEA) es una técnica que permite: - Evaluar la eficiencia técnico-económica global. - Evaluar la eficiencia energética. - Comparar la eficiencia de las diversas tecnologías usadas para el riego agrícola. - Cuantificar el cambio de la eficiencia a través del tiempo. - Evaluar la eficiencia en un contexto de incertidumbre.

Eficiencia energética para cada proceso Comparación de tecnologías Influencia de la incertidumbre Optimización de parámetros Eficiencia ambiental

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Francesc.Hernandez@uv.es