BOLIVAR_EDUARDO_PAREDES_BELTRAN

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SIN SIGLA

María Camila Montoya Sánchez

26/4/2024

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Gestión de Recursos Hídricos

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE
CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

PROPUESTA DE ÍNDICES DE ESCASEZ DE
RECURSOS HÍDRICOS A ESCALA REGIONAL EN
UN ENTORNO DE CAMBIO CLIMÁTICO

TESIS DOCTORAL

Bolívar Eduardo Paredes Beltrán
Master of Science in Environmental Sustainability
Ingeniero Civil

2022
II

III

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL:
HIDRÁULICA, ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
E.T.S.I. CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

TESIS DOCTORAL

PROPUESTA DE ÍNDICES DE ESCASEZ DE RECURSOS
HÍDRICOS A ESCALA REGIONAL EN UN ENTORNO DE
CAMBIO CLIMÁTICO

Bolívar Eduardo Paredes Beltrán
Ingeniero Civil

Director:
Álvaro Francisco Sordo Ward
Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

2022
IV

Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad
Politécnica de Madrid, el día……… de………………………… de ……

Presidente D. ……………………………………………………………………….
Vocal D. …………………………………………………………………………….
Vocal D. …………………………………………………………………………….
Vocal D. …………………………………………………………………………….
Secretario D. ……………………………………………………………………….

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ………. de …………….
de ……, en …………………………………………

Calificación: …………………………………

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO
VI

VII

A Verónica y Alicia,
gracias por su inagotable apoyo y su maravilloso amor.

A mis padres y hermanos,
gracias por sus enseñanzas, su cariño y su apoyo.

VIII

AGRADECIMIENTOS

A Álvaro Sordo, por haberme guiado durante todo este camino. Su incansable
apoyo, sus consejos y su constante empuje y motivación, han sido vitales para poder
avanzar en mis estudios y sobre todo, para poder terminar esta tesis.

A Luis Garrote, por su apoyo e invaluable ayuda para poder culminar mis estudios.
Su gran sabiduría, su dedicación y su capacidad para compartir sus conocimientos, me
sirven de inspiración para mejorar cada día profesionalmente.

A la Universidad Técnica de Ambato, quien a través de su programa de becas me
permitió seguir mis estudios de doctorado.

A mi esposa Verónica y a mi hija Alicia, por haber realizado este viaje conmigo. Su
amor, sus cuidados y su apoyo incondicional me han permitido llegar a este punto del
camino a pesar de todos los obstáculos.

A Bolívar, Emilia, Tatiana, Victoria, Carolina, Cristina y Rafael, y a mis queridos
sobrinos, quienes siempre han estado ahí para mí brindándome su apoyo y su amor in-
condicional.

En especial, gracias a Fredy y a mi hermana Tatiana, quienes con su gran corazón
nos recibieron a mí y a mi familia como a uno más en su hogar. Sin ustedes este logro no
hubiera sido posible.

RESUMEN
En el presente siglo, la escasez de agua pone en peligro la seguridad alimentaria y
el desarrollo económico de varias regiones del mundo tanto a nivel nacional como local.
Factores adicionales como el crecimiento poblacional, el incremento no controlado de
actividades industriales, o los cambios proyectados en los patrones de precipitación, tem-
peratura y otras variables hidrometeorológicas, hacen prever una presión cada vez más
notable sobre los recursos hídricos renovables disponibles, lo que implica que el suminis-
tro equitativo del agua para satisfacer todas las demandas requeridas tanto antropogénicas
como medioambientales, estará cada vez más comprometido.
Esta tesis propone y analiza tres índices de escasez potencial hídrica a una escala
local y regional, los cuales están basados en información hidrológica y son obtenidos de
modelos que pueden contemplan escenarios de cambio climático. Los tres índices de re-
cursos hídricos propuestos en este trabajo son el índice de escasez en función del área
total de la cuenca (𝐼𝐸𝐴), el índice de escasez en función de la aportación media anual de
la cuenca (𝐼𝐸𝐹) y el índice de escasez en función la población total de cada cuenca (𝐼𝐸𝑃).
El trabajo desarrollado en esta tesis se divide en dos casos de estudio. El caso de
estudio principal en esta tesis es el área continental de Sudamérica, sobre un modelo to-
pológico original que contempla más de 4600 cuencas hídricas. Los resultados de este
caso de estudio incluyen el desarrollo de la base de datos sobre presas y embalses para
Sudamérica “Dataset of Georeferenced Dams in South America (DDSA)”, el análisis de
las dinámicas hidrológicas de los sistemas fluviales de este continente, la cuantificación
de disponibilidad potencial de agua para el continente, y finalmente, el cálculo y análisis
de los índices de escasez potencial hídrica. El segundo caso de estudio de esta tesis com-
prende el análisis de la disponibilidad potencial de agua presente y para escenarios futuros
en la región peninsular de España e Islas Baleares sobre un modelo topológico de más de
1940 cuencas hídricas. Para el caso de esta tesis, se definió a la disponibilidad potencial
de agua como la máxima demanda de agua que puede ser satisfecha en un punto dado del
sistema hídrico, bajo ciertos parámetros de garantía dentro del mismo sistema. Asimismo,
para el análisis de la disponibilidad potencial de agua se utilizó el modelo “Water Avai-
lability and Adaptation Policy Analysis” (WAAPA) desarrollado por Garrote. De la misma
XII

forma, para el caso de esta tesis la escasez potencial de agua se define como la reducción
continua en la disponibilidad potencial de agua en relación con su demanda.
Los resultados obtenidos del índice IEP indican que el 39% de las cuencas reguladas
del caso de estudio de Sudamérica se encuentran en un escenario de suficiencia relativa
de agua, en 10% de las cuencas presentan problemas potenciales de estrés hídrico, el 11%
de las cuencas se encuentran en un escenario potencial de escasez hídrica y, el 40% res-
tante corresponden a cuencas en un escenario potencial de escasez absoluta de agua. Adi-
cionalmente, los resultados indica que el 46% de cuencas reguladas del caso de estudio
de Sudamérica que presentan problemas potenciales de estrés o escasez hídrica, corres-
ponden a cuencas con una aportación media anual medias y bajas.

XIII

ABSTRACT
Water scarcity represents an increasing threat to food security and economic devel-
opment in many parts of the world for the upcoming decades, both at a national and local
scale. In addition, several such as population growth, uncontrolled industrial activity, or
projected changes in precipitation patterns, temperature, and other hydrological variables,
suggest an increasing and notable pressure on the availability of renewable water re-
sources, which implies that an equitable supply of water intended to meet all required
anthropogenic and environmental water demands, will become increasingly complicated.
This thesis has been developed with the intention of proposing water scarcity in-
dexes at a local and regional scale based on hydrological information obtained from mod-
els capable of contemplating climate change scenarios. The three indices of water re-
sources proposed in this work are: the water scarcity index as a function of the area of the
basin (𝐼𝐸𝐴), the water scarcity index as a function of the mean annual flow of the basin
(𝐼𝐸𝐹) and the water scarcity index as a function of the population of the basin (𝐼𝐸𝑃).
The research for this thesis is divided into two case studies. The main case study in
this thesis is focused on the continental area of South America, which includes the devel-
opment of an original topological model composed of more than 4600 basins. The results
of this case study include the creation of a database on dams and reservoirs for South
America “Dataset of Georeferenced Dams in South America (DDSA)”, the analysis of
the hydrologicaldynamics of the fluvial systems of this continent, the quantification of
the potential water availability for the basins of the continent´s model, and finally, the
calculation and analysis of the potential water scarcity indices. The second case study of
this thesis includes the analysis of the potential water availability for present and future
scenarios in a topological model based on the peninsular region of Spain and the Balearic
Islands composed of more than 1940 basins. For the case of this thesis, the potential water
availability was defined as the maximum demand for water that can be satisfied at a given
point in the water system, under certain warranty parameters. Likewise, the analysis of
the potential water availability was carried using the “Water Availability and Adaptation
Policy Analysis” (WAAPA) model developed by Garrote. In the same way, for the case
XIV

of this thesis the potential water scarcity is defined as the continuous reduction in the
potential water availability of water in relation to its demand.
The results obtained from the IEP index indicate that 39% of the basins in the South
American case study could be considered in a scenario of relative water sufficiency, 10%
of the basins present potential problems of water stress, 11% of the basins are in a poten-
tial scenario of water scarcity, and the remaining 40% correspond to basins in a potential
scenario of absolute water scarcity. Additionally, the results indicate that 46% of the ba-
sins of the South American case study that present potential problems of stress or water
scarcity correspond to basins with medium or low mean annual flows.

ÍNDICE

RESUMEN ................................................................................................................................................ XI
ABSTRACT ........................................................................................................................................... XIII
ÍNDICE ................................................................................................................................................... XV
ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... XVII
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................... XVIII
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................... 1
1.1. Motivación ........................................................................................................................................ 1
1.2. Objetivos ........................................................................................................................................... 4
1.3. Planteamiento y estructura de la investigación ................................................................................. 5
2. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................................... 7
2.1. La gestión de los recursos hídricos. .................................................................................................. 7
2.2. El cambio climático y los recursos hídricos. ..................................................................................... 9
2.3. Los modelos climáticos y la proyección de cambio climático ........................................................ 15
2.3.1. Los modelos climáticos globales y regionales ................................................................................ 15
2.3.2. La generación de proyecciones de cambio climático ..................................................................... 19
2.4. La disponibilidad potencial de agua ................................................................................................ 20
2.5. La escasez de agua .......................................................................................................................... 25
2.5.1. La cuantificación de la escasez de agua ......................................................................................... 26
2.6. La importancia de los estudios de recursos hídricos a gran escala. ................................................. 32
3. MATERIALES Y METODOLOGÍA ......................................................................................... 36
3.1. Casos de estudio .............................................................................................................................. 36
3.1.1. Caso de estudio de Sudamérica ...................................................................................................... 37
3.1.2. Caso de estudio de España ............................................................................................................. 44
3.2. Base de datos georreferenciada de presas y embalses en Sudamérica ............................................ 46
3.2.1. Recopilación de información para la base de datos ....................................................................... 49
3.2.2. Construcción de la base de datos ................................................................................................... 51
3.2.3. Variables incluidas en la base de datos .......................................................................................... 52
3.3. Escenarios de aportaciones del caso de estudio de Sudamérica ...................................................... 57
3.3.1. Análisis de las características hidrológicas de Sudamérica ........................................................... 58
3.4. Escenarios de aportaciones del caso de estudio de España ............................................................. 65
3.4.1. Características hidrológicas del caso de estudio de España .......................................................... 66
3.5. Análisis de disponibilidad de agua .................................................................................................. 70
3.6. Análisis de la escasez de agua ......................................................................................................... 74
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................................. 77
4.1. Modelo de recursos hídricos de Sudamérica ................................................................................... 77
4.1.1. Presas y embalses en Sudamérica................................................................................................... 77
4.1.2. Resultados de la base de datos ....................................................................................................... 81
4.1.3. Índices de almacenamiento de agua en los embalses de Sudamérica ............................................. 87
4.1.4. Análisis de los índices de almacenamiento ..................................................................................... 93
4.2. La disponibilidad potencial de agua en el caso de estudio de Sudamérica ..................................... 98
4.2.1. El rol de los embalses en la disponibilidad de agua en Sudamérica ............................................ 100
4.3. La disponibilidad potencial de agua en el caso de estudio de España ........................................... 104
4.4. Índices de escasez de agua en Sudamérica.................................................................................... 109
4.4.1. Análisis de los índices de escasez de agua .................................................................................... 114
4.4.2. Análisis de la escasez potencial de agua en Sudamérica .............................................................. 119
XVI

4.5. Limitaciones de datos e incertidumbres de los resultados obtenidos ............................................128
4.5.1. Base de datos DDSA ..................................................................................................................... 128
4.5.2. Cálculo de la disponibilidad potencial de agua en Sudamérica. .................................................. 129
5. CONCLUSIONES....................................................................................................................... 132
6. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ............................................................................ 141
7. REFERENCIAS .......................................................................................................................... 142
8. Anejo 1: Artículo científico 1 ..................................................................................................... 153
9. Anejo 2: Articulo científico 2 ..................................................................................................... 155
10. Anejo 3: Ponencia 1 .................................................................................................................... 157
11. Anejo 4: Ponencia 2 .................................................................................................................... 158

XVII

ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Lista de las características consideradas para cada presa y embalse incluido en la base de datos “Dataset of
Georeferenced Dams in South America” ...................................................................................................................... 48
Tabla 2. Lista de las variables hidrológicas incluidas en la DDSA. .............................................................................. 49
Tabla 3. Información pública en Sudamérica utilizada para la creación de la DDSA. .................................................. 51
Tabla 4. Características hidrológicas principales de las regiones hidrológicas de Sudamérica..................................... 61
Tabla 5. Características hidrológicas de las 16 demarcaciones hidrográficas consideradas en este caso de estudio..... 67
Tabla 6. Numero de registros de presas por país incluidos en la base de datos DDSA. ................................................ 81
Tabla 7. Índices de almacenamiento de agua por embalses en Sudamérica. ................................................................. 88
Tabla 8. Coeficientes de correlación de Pearson entre las variables hidrológicas y los índices de almacenamiento de
este estudio ................................................................................................................................................................... 94
Tabla 9. Coeficientes de correlación de Spearman entre las variables hidrológicas y los índices de almacenamiento de
este estudio ................................................................................................................................................................... 94
Tabla 10. Disponibilidad potencial de agua en Sudamérica ......................................................................................... 99
Tabla 11. Incremento en la disponibilidad de agua en Sudamérica debido a la regulación de los embalses ............... 102
Tabla 12. Resultados de disponibilidad potencial de agua calculados con el modelo WAAPA para las 16 demarcaciones
hidrográficas de la península española........................................................................................................................ 105
Tabla 13. Índices de escasez de agua en Sudamérica.................................................................................................. 112
Tabla 14. Coeficientes de correlación de Pearson entre las variables hidrológicas y los índices de escasez de agua de
este estudio ................................................................................................................................................................. 115
Tabla 15. Coeficientes de correlación de Spearman entre las variables hidrológicas y los índices de escasez de agua de
este estudio ................................................................................................................................................................. 115
Tabla 16. Valores del índice de escasez en función la población total de cada cuenca 𝐼𝐸𝑃 y el índice de escasez hídrico
(𝐼𝐸𝐻) .......................................................................................................................................................................... 122

XVIII

ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Área de estudio 1.. ......................................................................................................................................... 39
Figura 2. Área de estudio 2.. ......................................................................................................................................... 46
Figura 3. Caso de estudio de Sudamérica. L. ................................................................................................................ 60
Figura 4. Información de Aportación (A) y Escorrentía media superficial (R) para el caso de estudio de Sudamérica.
...................................................................................................................................................................................... 62
Figura 5. Información de Volumen de embalse (V) y Área de drenaje (A) para el caso de estudio de Sudamérica. .... 63
Figura 6. Información de Población de cada cuenca (P) y Área potencial de riego (I) para el caso de estudio de
Sudamérica. .................................................................................................................................................................. 64
Figura 7. Caso de estudio de España.. .......................................................................................................................... 67
Figura 8. Información de aportación del caso de estudio para el periodo histórico o de control para España e Islas
Baleares.. ...................................................................................................................................................................... 68
Figura 9. Información de aportación del caso de estudio para el escenario a corto plazo en el escenario de emisiones
RCP 4.5 para España e Islas Baleares.. ......................................................................................................................... 68
Figura 10. Información de aportación del caso de estudio para el escenario a corto plazo en el escenario de emisiones
RCP 8.5 para España e Islas Baleares. .......................................................................................................................... 69
Figura 11. Información de aportación del caso de estudio para el escenario a largo plazo en el escenario de emisiones
RCP 4.5 para España e Islas Baleares. .......................................................................................................................... 69
Figura 12. Información de aportación del caso de estudio para el escenario a largo plazo en el escenario de emisiones
RCP 8.5 para España e Islas Baleares. El valor de la aportación se representa como el valor de variación respecto del
valor de aportación del periodo de control. ................................................................................................................... 70
Figura 13. Diagrama de la metodología que utiliza el modelo WAAPA para el cálculo de la disponibilidad potencial de
agua. ............................................................................................................................................................................. 73
Figura 14. Presas georreferenciadas de la base de datos “Dataset of Georeferenced Dams in South America (DDSA)”....................................................................................................................................................................................... 78
Figura 15. Variables hidrológicas de cada una de las cuencas de drenaje de las presas incluidas en la base de datos
DDSA.. ......................................................................................................................................................................... 79
Figura 16. Variables hidrológicas de cada una de las cuencas de drenaje de las presas incluidas en la base de datos
DDSA.. ......................................................................................................................................................................... 80
Figura 17. Numero de presas por década de construcción y volumen acumulado de embalse por década de construcción
analizadas de la base de datos DDSA. .......................................................................................................................... 82
Figura 18. Porcentaje acumulado de construcción de presas por década y por cada país de Sudamérica analizadas de la
base de datos DDSA. .................................................................................................................................................... 83
Figura 19. Población por área de la cuenca hidrográfica analizadas de la base de datos DDSA. ................................. 84
Figura 20. Numero de presas por índice de aridez y por país analizadas de la base de datos DDSA. ........................... 85
Figura 21. Escorrentía media anual por tiempo de residencia y por país analizadas de la base de datos DDSA. ......... 86
Figura 22. Porcentaje acumulado de ríos con algún grado de regulación DOR en función del tamaño del rio analizadas
de la base de datos DDSA. ........................................................................................................................................... 87
Figura 23. Índices de Volumen de embalse por Área de drenaje (V/A) y de Volumen de embalse por Aportación (V/F)..
...................................................................................................................................................................................... 92
XIX

Figura 24. Índice de Volumen de embalse por Personas (V/P). .................................................................................... 93
Figura 25. Relación entre el índice de Volumen por Área y el volumen de embalse .................................................... 97
Figura 26. Relación entre el índice de Volumen por Aportación y la escorrentía. ........................................................ 97
Figura 27. Relación entre el índice de Volumen por Persona y el área de riego. .......................................................... 98
Figura 28. Disponibilidad de agua en Sudamérica. ..................................................................................................... 100
Figura 29. Disponibilidad de agua con regulación y sin regulación en Sudamérica. .................................................. 103
Figura 30. Incremento en la disponibilidad de agua en Sudamérica debido a la regulación de los embalses. ............ 104
Figura 31. Disponibilidad potencial de agua regulada para las 16 demarcaciones hidrográficas de la península española
para el periodo de tiempo 1940-2019. ........................................................................................................................ 105
Figura 32. Disponibilidad potencial de agua regulada para las 16 demarcaciones hidrográficas de la península española
para el periodo de tiempo (2020-2059) para el escenario de emisiones RCP4.5. ....................................................... 106
Figura 33. Disponibilidad potencial de agua regulada para las 16 demarcaciones hidrográficas de la península española
para el periodo de tiempo (2020-2059) para el escenario de emisiones RCP8.5. ....................................................... 106
Figura 34. Disponibilidad potencial de agua regulada para las 16 demarcaciones hidrográficas de la península española
para el periodo de tiempo (2060-2099) para el escenario de emisiones RCP4.5.. ...................................................... 107
Figura 35. Disponibilidad potencial de agua regulada para las 16 demarcaciones hidrográficas de la península española
para el periodo de tiempo (2060-2099) para el escenario de emisiones RCP8.5. ....................................................... 107
Figura 36. Valores de aportación media anual y disponibilidad potencial de agua para las 16 demarcaciones
hidrográficas de la península española para los diferentes periodos de tiempo considerados. .................................... 109
Figura 37. Índices de escasez hídrica IEA e IEF. ......................................................................................................... 113
Figura 38. Índice de escasez IEP.. ............................................................................................................................... 114
Figura 39. Relación entre el índice de escasez por área y la disponibilidad potencial de agua. .................................. 118
Figura 40. Relación entre el índice de escasez por Aportación y el volumen de embalse. ......................................... 118
Figura 41. Relación entre el índice de escasez por Persona y la disponibilidad potencial de agua. ............................ 119
Figura 42. Relación entre el índice de escasez en función la población total de cada cuenca 𝐼𝐸𝑃 y el índice de escasez
hídrico (𝐼𝐸𝐻).. ............................................................................................................................................................ 123
Figura 43. Cantidad de agua por persona en función de los índices IEP e IEH. ......................................................... 124
Figura 44. Índice de escasez en función la población total de cada cuenca 𝐼𝐸𝑃 e Índice de escasez hídrico (𝐼𝐸𝐻). .. 125
Figura 45. Cantidad de las cuencas del modelo en función del IEP. ........................................................................... 127
Figura 46. Cantidad de las cuencas del modelo en función del IEP. ........................................................................... 128
1

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1. Motivación
La escasez del recurso hídrico pone en peligro la seguridad alimentaria y el desa-
rrollo general de las comunidades. A pesar de que la gestión de los sistemas de recursos
hídricos tiene como objetivo lograr una asignación equitativa de agua, se prevé que esto
se convertirá en un reto cada vez más desafiante en los próximos años y décadas debido
a factores como el cambio climático, el crecimiento poblacional, la deficiente gestión de
sus recursos hídricos, o una combinación de todos estos factores. Adicionalmente, para
el presente siglo, se espera que el cambio climático genere un incremento en las tempe-
raturas, lo cual se presenta como un factor determinante adicional en el estudio y previ-
sión de la disponibilidad de los recursos hídricos, la protección medioambiental y la se-
guridad alimentaria de millones de personas en el mundo. Lograr una gestión sostenible
del recurso hídrico es indispensable para hacer frente a varios objetivos de desarrollo
sostenible, como el acceso al agua potable y saneamiento para todos (objetivo 6), conse-
guir ciudades sostenibles (objetivo 11), obtener seguridad alimentaria (objetivo 2) y ener-
gética (objetivo 7) [1], razón por la cual, la cuantificación de la escasez hídrica es nece-
saria en este contexto. Esta tesis se desarrolló con la intención de proponer índices de
escasez de recursos hídricos a escala regional, basados en datos de escorrentía, área, po-
blación y disponibilidad potencialde recursos hídricos obtenidos de modelos hidrológi-
cos capaces de contemplar escenarios de cambio climático.
La aplicación de los índices de escasez hídrica propuestos en esta tesis fue analizada
en las cuencas y regiones hidrológicas de Sudamérica. A pesar de que en términos gene-
rales, Sudamérica dispone de una de las reservas más grandes de recursos hídricos en el
planeta, varias regiones del continente adolecen de diversos problemas relacionados a la
escasez de agua. Por ejemplo, varias regiones del sureste de Brasil y Argentina sufren de
problemas de disponibilidad debido a la sobreexplotación de sus cuencas [2]. De la misma
forma, algunas zonas costeras en Perú y Chile enfrentan severos problemas de escasez de
agua debido principalmente a la aridez [2,3]. Asimismo, algunas poblaciones ubicadas en
la cordillera de los Andes, incluidas varias capitales, sufren de problemas de escasez de-
bido a problemas relacionados a una insuficiente infraestructura hidráulica [4]. Aunque
2

en su mayoría, los problemas mencionados podrían ser gestionados a través de una co-
rrecta administración de los sistemas de recursos hídricos y de una adecuada aplicación
de políticas relacionadas al uso del agua, también es cierto que la incapacidad o la inac-
ción al momento de afrontar este tipo de problemáticas no hace más que complicar aún
más el libre acceso al agua a gran parte de la población en el continente.
En el año 2000, más de 36 millones de personas en América Latina no tenían acceso
a agua potable, y más de 100 millones de personas no tenían acceso a sistemas de alcan-
tarillado [5,6]. Además, factores como el cambio climático y el crecimiento poblacional
pueden ahondar aún más estos problemas en el futuro. Por ejemplo, los glaciares que
proveen de agua dulce a varios sectores en la Perú, Bolivia y Chile, se han visto dismi-
nuidos en más de una tercio desde el siglo 19 debido al incremento en la temperaturas, y
peor aún, se espera que algunos de estos glaciares se reduzcan a más de la mitad dentro
de los próximos 30 años [5,7]. Asimismo, fenómenos climatológicos asociados al cambio
climático, como la sequía producida en 2013 en Sao Paulo, la ciudad más poblada del
continente, y que fue la más grande en 80 años [8], nos revelan que todavía existe un gran
nivel de incertidumbre sobre los efectos a mediano y largo plazo del cambio climático en
la región. Esto, sumado a unas previsiones de crecimiento poblacional sostenido en las
siguientes décadas, hacen prever que los problemas de disponibilidad de agua para la
población en el continente pueden agravarse en los años futuros.
En términos de gestión, los principales retos con relación al agua en Sudamérica
son la necesidad de identificación y gestión de fuentes de agua e infraestructura hidráu-
lica, la falta de información cuantitativa hidrológica, la necesidad de contar con modelos
que permitan la correcta simulación de las redes hídricas del continente, y, que permitan
la correcta proyección de escenarios y la aplicación de políticas de manejo hídrico [9].
Por lo tanto, como un paso previo al estudio de la escasez de agua en el continente fue
necesario obtener las herramientas y fuentes de información necesarias para poder desa-
rrollar modelos hidrológicos que permitan una simulación exitosa de las redes hídricas
del continente.
La correcta simulación de los procesos hidrológicos de una región es vital para lo-
grar una correcta gestión de los sistemas de recursos hídricos. En este contexto, la
3

modelación hidrológica a gran escala puede ser una herramienta que puede resultar de
gran utilidad. En el caso de Sudamérica, autores como Siquiera [10], Pontes [11], Geti-
rana [12], Fleischman [13], o de Paiva [14], han desarrollado modelos a gran escala que
han intentado reproducir de manera fiable las dinámicas de los sistemas hídricos del con-
tinente. Sin embargo, la mayoría de estos autores resaltan la limitación de estos modelos
relacionada a la falta de información confiable y actualizada, sobre todo en las regiones
menos desarrolladas del continente [10]. En este punto, es importante tener en cuenta la
necesidad de contar con información veraz y completa referente a las presas y reservorios
del continente, sobre todo considerando el rol preponderante de estas estructuras al mo-
mento de asegurar la disponibilidad de agua al usuario final, la cual se realiza principal-
mente a través de la regulación y el transporte del agua.
El análisis de la escasez hídrica en Sudamérica de este trabajo se realizó a una escala
continental. Para esto, se desarrolló un modelo de simulación a gran escala que se ex-
tiende por todo el continente, abarcando la mayoría de las cuencas hídricas del continente
y que incluye la información más actualizada disponible. Este modelo contiene informa-
ción hidrológica e hidráulica relevante de más de 4600 cuencas hídricas, las cuales fueron
delineadas a partir de los sistemas fluviales del continente. El cálculo de la disponibilidad
potencial de agua fue realizado utilizando el modelo “Water Availability and Adaptation
Policy Assessment” WAAPA, que fue propuesto por Luis Garrote [15], y que permite el
análisis de la disponibilidad de agua en sistemas de recursos hídricos en diferentes esce-
narios climáticos y bajo diferentes estrategias de manejo [16–19]. Con este trabajo, se
espera dar un paso adelante en la comprensión de las dinámicas de los sistemas hídricos
del continente, entender de mejor manera cual es la influencia real de los embalses en los
sistemas hídricos de la región y también, aportar información relevante sobre las cuencas
y regiones del continente que tienen el potencial de sufrir problemas de escasez hídrica
en escenarios presentes o futuros.

1.2. Objetivos
El objetivo principal de esta tesis consistió en proponer índices de escasez potencial
de recursos hídricos a escala regional, basados en datos de escorrentía, población y dis-
ponibilidad potencial de recursos hídricos obtenidos de modelos hidrológicos que con-
templen escenarios de cambio climático. Para este caso, la disponibilidad potencial de
agua se consideró como la máxima demanda de agua que puede ser satisfecha en un punto
dado del sistema hídrico, bajo ciertos parámetros de garantía dentro del mismo sistema.
De la misma forma, como parte de este trabajo se generó un modelo hidrológico de alta
resolución que representa los sistemas hídricos de una región continental de una manera
ajustada a las condiciones actuales. Como paso previo a la generación del modelo, se
recopiló, verificó y analizó la información existente referente a las características propias
de las cuencas hídricas de la zona, y además, los elementos o estructuras hidráulicas pre-
sentes en los sistemas hídricos como son las presas y embalses. Una vez generado el
modelo hidrológico, se procedió al cálculo de la disponibilidad potencial de agua basados
en el modelo “Water Availability and Adaptation Policy Assessment” WAAPA propuesto
por Luis Garrote [15] y que posteriormente permitió determinar la escasez hídrica poten-
cial de cada una de las cuencas hídricas de modelo.
En este sentido, los objetivos específicos de esta tesis fueron:
• Identificar, a escala regional, los indicadores que permitan proyectar los ni-
veles de escorrentía y el comportamiento de los sistemas de recursos hídricos
en modelos de cambio climático.
• Desarrollar una metodología que permita el uso de datos de escorrentía, po-
blación y de disponibilidad potencial de recursos hídricos en modelos de cam-
bio climático con la finalidad de determinar índices de escasez potencial de
recursos hídricos de una manera satisfactoria.
• Proponer un modelo para la estimación de índices de escasez potencial de
recursos hídricos a escala regional tanto para escenarios actuales así como
también para escenarios futuros de cambioclimático.

1.3. Planteamiento y estructura de la investigación
Esta tesis se divide en 6 capítulos:
El capítulo 1 se refiere a la introducción y objetivos, el cual se divide en 3 partes,
la motivación que inspiró la realización de esta tesis, la declaración de los objetivos que
se plantearon alcanzar, y el detalle de la estructura que se llevó a cabo para alcanzar estos
objetivos.
El capítulo 2 describe el estado del arte. En este apartado se realiza un análisis sobre
la gestión de recursos hídricos, el cambio climático y los recursos hídricos, la disponibi-
lidad de agua, la escasez de agua y la importancia de los estudios de recursos hídricos a
gran escala. Este capítulo procura cubrir cada uno de los temas mencionados primero a
una escala macro, es decir, cubriendo la actualidad de los problemas a un nivel global, así
como también a una escala focalizada al caso de estudio de Sudamérica, sobre el cual se
enfoca este trabajo.
En el capítulo 3 se presentan los materiales y metodología utilizados para el desa-
rrollo de esta tesis. En esta sección se realiza una descripción de toda la información
recopilada y analizada para la elaboración de este trabajo. Este capítulo consta de una
descripción de los casos de estudio, la descripción de la construcción de una base de datos
georreferenciada de presas y embalses en Sudamérica la cual es generada como un primer
paso necesario a la ejecución de este trabajo, la descripción de los escenarios de escorren-
tía para los casos de estudio, el análisis de la disponibilidad potencial de agua para los
casos de estudio y finalmente, el análisis y propuesta de los índices de escasez potencial
de agua.
En el capítulo 4 se detallan los resultados obtenidos y se realiza una discusión de
estos. En este apartado se presentan los resultados obtenidos logrando cada uno de los
objetivos específicos planteados en esta tesis. En este capítulo se incluyen los resultados
obtenidos sobre la construcción de los modelos topológicos de los casos de estudio ana-
lizados, los resultados obtenidos de la disponibilidad potencial de agua, y los resultados
sobre la propuesta de los índices de escasez potencial hídrica en las cuencas y regiones
hidrológicas de Sudamérica. Además, se realiza un análisis y discusión de los resultados
6

obtenidos sobre las presas y embalses de Sudamérica, un análisis sobre los efectos del
almacenamiento de los embalses en los sistemas fluviales del continente, un análisis sobre
los índices de escasez hídrica propuestos, un análisis sobre la escasez potencial hídrica en
las cuencas y regiones hidrológicas de Sudamérica, y una mención sobre las posibles li-
mitaciones de datos e incertidumbres identificadas en este estudio.
Finalmente, en el capítulo 5 se presentan las conclusiones, se realiza un resumen de
esta tesis, se presentan los principales resultados obtenidos, las implicaciones que se pue-
den inferir de los resultados, así como las limitaciones que se han encontrado durante esta
investigación. En el capítulo 6 se detallan las futuras líneas de investigación que se pro-
ponen proseguir con los resultados de esta investigación.

2. ESTADO DEL ARTE
2.1. La gestión de los recursos hídricos.
El agua es básica e indispensable para casi todas las actividades antropogénicas
como el consumo humano, la agricultura, la producción energética, la industria, la minería
o la recreación. Sin embargo, problemas como el crecimiento demográfico, la falta de
planificación, o la creciente variabilidad climática amenazan la disponibilidad de este re-
curso, poniendo en peligro el sustento de comunidades e incrementando el riego de la
perdida de ecosistemas en todo el planeta. Además, la continua degradación en la calidad
del agua, agravada por la falta de acceso a saneamiento, hace que la gestión del agua sea
un reto indispensable de afrontar en todo el mundo [20]. La gestión de los sistemas de
recursos hídricos se refiere a la planificación, explotación y distribución de los recursos
y bienes hídricos con el objetivo de lograr una asignación equitativa de agua, promo-
viendo a su vez el desarrollo socioeconómico y la preservación del medioambiente. La
gestión de los recursos hídricos es necesaria para que la sociedad pueda hacer frente a los
objetivos de desarrollo sostenible, en especial el acceso al agua potable y saneamiento
para todos (objetivo 6), el de conseguir ciudades sostenibles (objetivo 11), o el de obtener
seguridad alimentaria (objetivo 2) y energética (objetivo 7) [1].
Los últimos avances en la gestión de recursos hídricos apuntan al manejo del agua
de una forma holística, esto es, un manejo a nivel de la cuenca hídrica que incluya a todos
sus componentes y actores; es decir, a los usuarios, administradores e infraestructura den-
tro de un solo modelo [21]. La gestión integral de recursos hídricos, el cual es un modelo
de gestión propuesto por las Naciones Unidas [22], se enfoca en promover el desarrollo
y manejo coordinado de todos los recursos asociados al agua con el fin de maximizar el
bienestar económico y social sin comprometer al ecosistema y la biodiversidad. Para esto,
se requiere de un medioambiente funcional, políticas apropiadas, estrategias y legislación,
un marco institucional apropiado, e instrumentos de manejo que permitan la aplicación
de cuatro principios de gobernanza: el agua como un recurso vulnerable y finito, un en-
foque participativo, la importancia de la participación de la mujer y la consideración del
agua como un bien económico [23]. Aunque el concepto de gobernanza del agua está
relacionado y se promueve juntamente con la gestión integral del agua dentro del marco
8

de los objetivos de desarrollo sostenible [1], existen ciertas diferencias entre los dos con-
ceptos. La gobernanza del agua se refiere a los mecanismos a través de los cuales las
reglas que guían las acciones o planes del agua son establecidas e implementadas [24],
mientras que la gestión del agua se refiere a los mecanismos primarios a través de los
cuales estas acciones son efectuadas para obtener los objetivos planteados respecto a la
provisión y mantenimiento del agua [25], incluyendo la aplicación de medios de infraes-
tructura hidráulica, así como también de medios adicionales de prevención y control del
recurso hídrico.
El estudio de la gestión de los recursos hídricos todavía debe recorrer un largo ca-
mino en varias partes del mundo. Por un lado, en la mayoría de los países desarrollados
existe una gran cantidad de interés, análisis y estudios disponibles sobre la gestión de
recursos hídricos, ya sea a una escala local, nacional o continental. Por ejemplo en Eu-
ropa, la cantidad de análisis enfocados en la gestión de recursos hídricos es extensa y
cubre temáticas variadas como la implementación de directivas comunitarias, la aplica-
ción de instrumentos económicos para la asignación de recursos hídricos, o análisis cua-
litativos y cuantitativos sobre proyecciones presentes y futuras de escasez de agua [26–
32]. Sin embargo, en otras regiones del mundo, como por ejemplo Sudamérica, el estudio
de la gestión de recursos hídricos todavía requiere de mayor estudio debido a que en su
mayoría, los estudios disponibles solo están enfocados en ciertas regiones del continente,
principalmente en las cuencas relevantes como la del rio Amazonas, el rio de la Plata o el
rio Orinoco; o en otros lugares específicos que cubren solo áreas limitadas. En general,
los estudios disponibles en la actualidad sobre la gestión de recursos hídricos en Sudamé-
rica cubren temáticas como las variaciones estacionales de descarga causados por los dis-
tintos fenómenos climáticos del continente [33,34], la caracterización de problemáticas e
impactos potenciales para la implementación de sistemas de gestión de recursos hídricos
en varias cuencas del continente [35], las experienciasobtenidas de la implementación de
sistemas de gestión de recursos hídricos en ciertas cuencas [36,37], la identificación de
impactos ambientales en varias cuencas [30–35], estudios de casos locales sobre gestión
o escasez de agua [38], o revisiones sobre políticas de gestión o implementación de di-
rectivas nacionales o transnacionales de asignación de agua [39].
9

Las presas y los embalses juegan un papel relevante en la gestión de los recursos
hídricos, lo que a su vez las hace decisivas en zonas donde el agua es escasa, ya sea
estacionalmente, o debido a los efectos cada vez más frecuentes del cambio climático.
Aunque como norma general estas estructuras son construidas para proveer valiosos ser-
vicios a la sociedad como la generación hidroeléctrica, la provisión de agua para con-
sumo, el riego y la agricultura, la protección de inundaciones, la pesca o la navegación;
las presas y los embalses también suelen ser considerados por muchos como proyectos
controversiales debido a que pueden generar grandes impactos tanto en el medio ambiente
como en los asentamientos humanos donde son construidos. Estos impactos son general-
mente bien conocidos e incluyen modificaciones de ecosistemas acuáticos o terrestres, la
reducción de biodiversidad, cambios en la morfología de los cauces, la degradación de la
calidad del agua, alteraciones en la descarga de sedimentos o nutrientes, cambios en re-
gímenes hidrológicos estacionales, la migración de asentamientos humanos o cambios en
el uso del suelo [40–44]. Además de los impactos potenciales que pueden generar, las
presas y los embalses también requieren de un constante monitoreo, mantenimiento y
control, lo que a su vez hace que las presas y embalses también sean relevantes en el
campo de la investigación. La investigación disponible a la fecha sobre presas y embalses
es muy extensa y cubre varios aspectos importantes como la mejora en los métodos cons-
tructivos de las presas [45–47], el monitoreo y seguridad estructural [48–50], su evalua-
ción durante eventos sísmicos o de falla [51,52], entre muchos otros. De la misma forma,
la investigación de los embalses y las cuencas hídricas y sus efectos sobre los ecosistemas
circundantes se centra principalmente en los impactos o el manejo de los flujos de sedi-
mentos [53,54], los impactos causados el suministro de agua [55–57], los efectos poten-
ciales del cambio climático en la alteración de los sistemas fluviales [42,58], los posibles
escenarios que el cambio climático pudiera causar sobre el riego y la agricultura
[18,59,60], la repercusión de las presas en los recursos hídricos y la biodiversidad [61–
63], o las alteraciones hidrológicos creadas por presas y embalses [64,65], entre otros.
2.2. El cambio climático y los recursos hídricos.
En el presente siglo, el cambio climático se ha convertido en un factor determinante
en el estudio y previsión de la disponibilidad de los recursos hídricos, la protección
10

medioambiental y la seguridad alimentaria de cientos de millones de personas en el
mundo. El cambio climático antropogénico puede definirse como "el cambio climático
causado directa o indirectamente por la actividad humana que altera la composición quí-
mica de la atmósfera y contribuye a la variabilidad natural del clima observada durante
períodos de tiempo comparables" [66]. El crecimiento exponencial de la población mun-
dial en los últimos dos siglos ha impulsado un rápido desarrollo tecnológico, lo que ha
resultado en la sobreexplotación de los recursos naturales del planeta y la aparición de
agentes contaminantes, alterando su equilibrio y promoviendo el cambio climático global.
A nivel mundial, el consenso general sobre el cambio climático es que generará un
incremento en las temperaturas durante el presente siglo [67]. Durante las últimas dos
décadas, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC)
destaca que el mundo está sufriendo un sobrecalentamiento y una modificación de los
patrones de clima, y además, que muchos de estos cambios son causados por los gases de
efecto invernadero, los cuales generarán un impacto en los recursos hídricos [68–70].
Entre los diversos impactos podemos decir que el incremento de temperaturas posible-
mente causará una intensificación y modificación de los ciclos hidrológicos, incluyendo
variaciones en la precipitación o la evapotranspiración, cambios en los procesos naturales
como la recarga de acuíferos, posibles impactos en la producción agraria debido a la mo-
dificación en los patrones de lluvia, o el incremento en la demanda de consumo de agua,
especialmente en la destinada al riego [71,72].
Sin embargo, estas previsiones de afectaciones futuras de disponibilidad de agua no
se deben únicamente al cambio climático, sino también a factores adicionales. El creci-
miento poblacional, el desarrollo económico y los cambios en la forma de consumo de
agua también podrían ser generadores de estrés hídrico en varias partes del planeta. Por
ejemplo, en Europa se espera que el consumo de agua, que en el año 1900 era de 600
millones de hectómetros cúbicos de agua se incremente a 4500 millones para el año 2100
[67,73], lo que requeriría de la toma de decisiones drásticas en la planificación o el manejo
de los sistemas de recursos hídricos de este continente. A nivel mundial, los indicios de
que el cambio climático profundizará la variabilidad hidrológica, causando así el incre-
mento de fenómenos meteorológicos cada vez más extremos y frecuentes, hace que
11

existan previsiones de que la escasez de agua en la población mundial se incremente del
28% en la actualidad, hasta casi el 50% para el año 2080 [20,74].
Ante todos estos retos y la creciente incertidumbre que nos plantea el cambio cli-
mático sobre la disponibilidad de los recursos hídricos, son cientos los estudios y análisis
disponibles en la actualidad que se han desarrollado sobre esta temática. La mayoría de
ellos, se enfocan a una escala nacional o a una escala de cuenca hidrográfica, y en general
incluyen el análisis de varios tipos de metodologías, periodos de tiempo, escenarios de
emisión y políticas de mitigación. De la misma forma, varias son las organizaciones y
órganos gubernamentales que durante las últimas décadas han aunado esfuerzos para
desarrollar nuevos modelos climáticos globales, los cuales han permitido a científicos e
investigadores reducir las incertidumbres sobre los posibles efectos del cambio climático
en los sistemas hídricos. De la misma forma, ante los cada vez más evidentes estragos
producidos por el cambio climático y el incremento de temperaturas en la naturaleza, ha
sido necesaria además la inclusión de un enfoque medioambiental en los análisis de ges-
tión de recursos hídricos y cambio climático [73,75]. Aunque en la actualidad varias es-
trategias y metodologías de gestión de recursos hídricos contemplan el cuidado del me-
dioambiente, incluyendo conceptos como el caudal medioambiental; el cambio climático
plantea varios retos, en parte debido a las crecientes incertidumbres en los patrones de
disponibilidad de agua y en los posibles cambios en la demanda de agua.
La mayoría de los estudios disponibles sobre recursos hídricos y cambio climático
se centran en áreas y regiones desarrolladas o con un estrés hídrico preexistente, como es
el caso de varias zonas de Europa. Por ejemplo, se espera que el cambio climático en el
Mediterráneo intensifique las presiones existentes en el suministro de agua, lo que impli-
caría una reducción en la disponibilidad de agua e incrementos en la demanda de agua
[75–77]. Esto a su vez causaría una intensificación de los compromisos de asignación en
la gestión del agua debido al incremento de la competencia entre los diferentes usuarios
del agua, lo cual en algunas regiones no se podrá mantener y representará un cambio
profundo en laspolíticas de manejo del agua. En general, las proyecciones de los diferen-
tes estudios de cambio climático sugieren un incremento en el estrés hídrico en el centro
y sur de Europa, con un incremento en el estrés hídrico del 19% al 35% para el año 2070
12

[76]. Además, se espera que el caudal de ciertos cauces disminuya hasta en un 80% en
temporadas de verano, incrementando de esta manera la presión sobre los embalses que
en dichas estaciones sufren grandes impactos debido también a la falta de precipitaciones
[75–77]. Asimismo, el incremento en las temperaturas traerá consigo el aumento en las
demandas de agua para riego y consumo humano, haciendo del agua un factor limitante
para el desarrollo sostenible en varias regiones del continente. En la región mediterránea,
a pesar de que la mayoría de los sistemas hídricos están muy desarrollados y han logrado
cambios profundos de sus características naturales para adaptarse a las necesidades de las
demandas, los posibles impactos del cambio climático tendrán una gran repercusión en la
seguridad hídrica humana y la biodiversidad. En España por ejemplo, se prevé una reduc-
ción en la disponibilidad de agua debido a la acción del cambio climático. Aunque la
mayoría de los análisis y estudios realizados hasta la fecha coinciden en señalar una gran
incertidumbre en el momento de determinar los efectos reales que el cambio climático
producirá en la región ibérica, en general las tendencias sugieren que existirá una notable
reducción de este recurso acentuada principalmente en el sur, con un menor efecto en
algunas zonas del este. También, se prevé que los impactos del cambio climático en Es-
paña sean más pronunciados a finales de siglo, con un descenso en las precipitaciones y
la escorrentía de aproximadamente el 14% y el 24% respectivamente [78]. Asimismo,
uno de los consensos principales dentro de los estudios disponibles es la disminución en
la disponibilidad de agua será uno de los efectos principales del cambio climático en Es-
paña [16,74], todo lo cual amenaza el correcto funcionamiento de los sistemas de gestión
del recurso hídrico, y su capacidad de proveer el agua necesaria para satisfacer las de-
mandas necesarias para las actividades humanas y para el correcto funcionamiento de los
ecosistemas fluviales.
En el caso de España, varios son los estudios que se han llevado a cabo sobre los
posibles impactos del cambio climático en los recursos hídricos. En general, estos estu-
dios, muestran una tendencia general de una reducción de los recursos hídricos como
consecuencia del cambio climático. Por ejemplo, el Libro Blanco de España [79] inves-
tigó el impacto del cambio climático en los recursos hídricos considerando tres escenarios
distintos. Un primer escenario en el que la temperatura media anual sube en 1ºC, un se-
gundo escenario en el que la precipitación media anual desciende un 5% y la temperatura
13

sube un 1ºC, y por último, un tercer escenario considerado bastante extremo, en el que la
precipitación media anual desciende un 15% y la temperatura sube un 4ºC. En los dos
escenarios menos pesimistas (1 y 2) para el horizonte 2030, los resultados muestran una
reducción en la aportación de entre un 5% y un 14%, respectivamente, con las zonas del
sureste peninsular soportando la mayor parte del impacto. De la misma forma, el Centro
de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) [80] realizó un estudio para
evaluar el impacto del cambio climático en los recursos hídricos en el régimen natural,
generando escenarios de aportación en cuatro períodos de tiempo: 1960-1990 (período de
control), 2011-2040, 2041-2070 y 2071-2100, en valores promedio anuales. Los resulta-
dos indicaron que para el periodo 2071-2100 se esperan grandes reducciones de escorren-
tía especialmente intensas en el sur y centro de España, con reducciones notables depen-
diendo el escenario utilizado ya sea en los ríos Duero, Tajo, Segura, Ebro, Guadiana y
Guadalquivir, y con un menor impacto en los ríos de Galicia-Costa y Miño-Sil. Asi-
mismo, la investigación de Garrote et al. [81] analizó los resultados del proyecto PRU-
DENCE, el cual considera escenarios de escorrentía diaria, mensual y estacional para los
períodos 1960-1990 (período de control) y 2071-2100. La información de escorrentía se
obtuvo anidando diez modelos climáticos regionales en el Modelo HadAM3 y ejecután-
dolos bajo los escenarios de emisiones A2 y B2. A pesar del alto grado de incertidumbre
obtenido en las proyecciones climáticas, los resultados generados de este estudio mues-
tran que la mayoría de los modelos climáticos regionales utilizados por el mencionado
proyecto coinciden en disminuciones muy significativas en las contribuciones en el régi-
men natural de los recursos hídricos en España, especialmente en su zona sur.
En el caso de los análisis desarrollados sobre la gestión de recursos hídricos y el
cambio climático en Sudamérica, la mayoría se centran en el estudio de los posibles im-
pactos climáticos en zonas y regiones que presentan un mayor desarrollo agrícola o in-
dustrial, mayoritariamente en las regiones del sur del continente. Aunque en general la
gestión de recursos hídricos en Sudamérica todavía requiere de un mayor desarrollo en
comparación de otras regiones del mundo, existen ciertas cuencas y países que presentan
un gran desarrollo de sus sistemas de recursos hídricos, lo que les ha permitido incremen-
tar su producción agrícola, mejorar la provisión de suministro de agua, o desarrollar pro-
yectos de generación hidroeléctrica a gran escala [82–84]. Este es el caso de varias
14

cuencas ubicadas en el norte de Chile, el sureste de Brasil, varias cuencas de Argentina y
en especial, la cuenca del rio de la Plata, la cual engloba varios países del sureste del
continente. En general, la mayoría de los estudios coinciden en que los posibles impactos
del cambio climático en los recursos hídricos en este continente se incrementarán debido
a factores adicionales como el crecimiento demográfico y la expansión agrícola [82], ra-
zón por la cual es necesario identificar estrategias que permitan mejorar la toma de deci-
siones en la gestión de los sistemas de recursos hídricos y así alcanzar los objetivos me-
dioambientales y de desarrollo sostenible. Por otro lado, en el caso de las regiones de
Sudamérica con un menor desarrollo en sus sistemas de recursos hídricos, como en el
caso de los países andinos en el centro y en el norte del continente, y que en muchos casos
todavía mantienen técnicas de manejo tradicional o “ancestral” de sus recursos hídricos
[85], la mayor parte de estudios e iniciativas sugieren la implementación de medidas de
adaptación al cambio climático, principalmente enfocadas en la agricultura, en la mejora
de estructuras de reserva de agua, la tecnificación del riego y la mejora de la administra-
ción de los sistemas de recursos hídricos [4,85–87].
La creciente brecha entre la demanda de agua y la capacidad de suministro existente
en numerosas regiones del mundo conduce a una competencia profunda entre el desarro-
llo económico y los demás usos del agua. En este contexto, el estrés y la escasez hídrica
cada vez más presentes en entornos de cambio climático incrementarán la presión sobre
esta desigualdad y generarán impactos sociales y económicos negativos cada vez más
notorios en la sociedad. Por esta razón, una gestión integral de los recursos hídricos, que
considere una asignación apropiada de los recursos hídricos a nivel de la cuenca hídrica
y que tenga en cuenta los impactos socioeconómicos y las dimensiones hidrológicas es
crucial en un contexto de cambio climático. Una de las herramientas de uso más común
dentro del análisis de políticas y medidas específicas dentro de la gestión de recursos
hídricos, incluyendo los distintos escenarios de cambio climático, son los modelos de
simulaciónhidrológicos, los cuales han sido promovidos en las últimas décadas tanto por
investigadores como a través de normativas legales como la directiva marco del agua de
la Comunidad Europea [72]. Generalmente, el uso de modelos de simulación multidisci-
plinarios, es decir, que contemplen factores hidrológicos, de infraestructura o
15

socioeconómicos, han sido promovidos dentro del análisis y desarrollo de estrategias sos-
tenibles en la gestión integral de recursos hídricos [72,76,88].
2.3. Los modelos climáticos y la proyección de cambio climático
2.3.1. Los modelos climáticos globales y regionales
Los modelos climáticos globales, o modelos de circulación general de la atmósfera
(MCG) son las herramientas que permiten la investigación del clima, sus fluctuaciones y
diversas variaciones y generalmente se utilizan para el estudio de las dinámicas del sis-
tema meteorológico y climático en las proyecciones climáticas futuras. Usualmente, los
MCG se definen como una representación numérica basada en las propiedades físicas,
químicas y biológicas de los componentes del sistema climático, así como en sus interac-
ciones y procesos de retroalimentación. [69]. Además de información climatológica, los
MCG actuales generalmente incluyen modelos oceánicos, los cuales son conocidos como
“Modelos de Circulación General Océano-Atmosféricos Acoplados” o AOGCM, los cua-
les integran todo el planeta a grandes escalas espaciales y temporales, generalmente en
cuadrículas de decenas a cientos de kilómetros, lo cual por otro lado impide que los MCG
proporcionen proyecciones climáticas a una escala local debido a su baja resolución.
Generalmente, la evolución real de los sistemas climáticos globales está influencia-
dos por el comportamiento humano, el cual no se tiene en cuenta en los MCG. Por esta
razón es usual utilizar escenarios de emisión alternativos, los cuales tienen en cuenta este
comportamiento. Estos escenarios sintéticos de emisiones contemplan las emisiones de
gases de efecto invernadero y aerosoles, el uso de suelo, los cambios demográficos, etc.
Estos escenarios de emisión luego son integrados a los MCG, de tal manera que permiten
la predicción de posibles variaciones climáticas futuras basadas en los diversos escenarios
potenciales de emisión considerados. Los escenarios de emisiones son una representación
potencial de la evolución futura de las emisiones de gases de efecto invernadero [69].
Estos escenarios fueron introducidos en el reporte especial de escenarios de emisiones
(Special Report on Emission Scenarios) o SRES por el IPCC en el año 2000 y están cla-
sificados en cuatro familias o líneas evolutivas: La familia A1 se refiere a la globalización
tecnológica-energética, la familia A2 a la autosuficiencia tecnológica, la familia B1 a la
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globalización sostenible y la familia B2 a la autosuficiencia sostenible. De la misma
forma, factores como el crecimiento de la población, el desarrollo social y económico y
el cambio tecnológico son los factores que determinaron la creación de estas familias o
líneas evolutivas. Asimismo, cada línea evolutiva está formada por un grupo de escena-
rios: tres de la familia A1 y uno de cada una de las familias A2, B1 y B2. Estos escenarios
describen tecnologías alternativas en el desarrollo tecnológico energético, por ejemplo,
en los escenarios de la familia A1 tenemos el escenario A1FI que representa el uso inten-
sivo de combustibles fósiles, el escenario A1B que es un escenario equilibrado y la fami-
lia A1T que es un escenario predominantemente con combustibles no fósiles. De forma
general, se puede utilizar cualquiera de estos escenarios; sin embargo, los escenarios más
utilizados generalmente son los de las familias A2 y B2, los cuales fueron desarrollados
con una orientación de desarrollo regional pero con diferencias significativas, como la
consideración de valores económicos fuertes en el escenario A2 y altos valores ambien-
tales en el escenario B2. Las principales características de estas cuatro familias pueden
ser encontradas en el Informe especial del IPCC del año 2000 [89].
Sin embargo, a pesar de la existencia de varios modelos climáticos globales y de su
extensa aplicación en estudios e investigación a escala mundial, estos exhiben discrepan-
cias significativas al evaluar fenómenos hidrológicos que requieren resoluciones más al-
tas, es decir, en su aplicación en estudios a una escala regional o local. Por este motivo,
en el desarrollo de estudios a una escala espacial menor se utilizan diversas técnicas de
reducción escalar a una proyección regional o “downscaling”, que parte desde los MCG
para obtener modelos climáticos regionales (MCR), los cuales cuentan con una resolución
espacial más adecuada para su uso local o regional, esto es entre 20 y 50 km. Existen dos
técnicas principales de “downscaling”. La primera técnica es la estadística, en la cual se
utilizan relaciones estadísticas entre las series climáticas locales y regionales y pueden
considerar aspectos no lineales, estacionarios o de correlación espacial. La segunda téc-
nica es la dinámica, la cual se basa en la anidación de modelos climáticos que funcionan
en cada región utilizando los resultados de los modelos de circulación global como con-
diciones límite. Sin embargo de esto, también es necesario mencionar que los MCR pue-
den incluir un cierto grado de incertidumbre causado por diversos factores asociados a las
17

técnicas de parametrización y de composición de los MCG, o la resolución o proyección
escalar utilizada durante el “downscaling” [90].
En el caso de Europa, existen cientos de estudios que hacen uso de modelos climá-
ticos para el análisis de la influencia del cambio climático en varias temáticas y áreas. El
gran interés científico que existe en esta región del mundo hace que en la bibliografía
actual se pueden encontrar una gran variedad de estudios que no solo hacen uso de mo-
delos climáticos globales, sino MCR derivados a partir del “downscaling” de MCG, como
los estudios de Langner et al. [91] o Belda et al. [92]. Además de este tipo de estudios,
existe una gran cantidad de análisis en los cuales se utilizan los modelos climáticos de
manera específica en el estudio de áreas más sensibles y de más interés sobre los posibles
impactos del cambio climático en esta región. Por ejemplo, el estudio de Ciscar et al. [93]
acopla modelos hidrológicos y agrícolas derivados de modelos climáticos regionales den-
tro del modelo GEM-E3 para realizar una evaluación de los efectos del cambio climático
en Europa. Así, en este estudio se estiman los efectos físicos del cambio climático en
Europa enfocados en actividades agrícolas, de protección de inundaciones, sistemas cos-
teros y turismo, considerando además cuatro escenarios alternativos de cambio climático
futuro. Los resultados de este análisis indican que los países de la región pueden sufrir
una pérdida de bienestar que oscila entre el 0,2 % y el 1 %, según los distintos escenarios
utilizados, siendo la región del sur de Europa la zona más vulnerable al cambio climático.
De la misma forma, Somot et al. [94] utiliza el modelo SAMM (Sea Atmosphere Medi-
terranean Model), el cual es un modelo AORCM, es decir un modelo AOGCM al que se
le ha aplicado un “downscaling” a una escala regional, y el cual es utilizado para estudiar
la evolución climática de las regiones mediterráneas y europeas en el siglo XXI. En este
estudio se realiza un análisis climático desde 1960 hasta el año 2100, utilizando el esce-
nario SRES-A2 para los periodos futuros a partir del año 2000. La evaluación de este
modelo respecto de modelos tradicionales sugiere una amplificación significativa de los
cambios climáticos esperados en Europa. En este estudio, se indica que se podría esperar
un calentamiento mayor en todas las estaciones y en muchas áreas de Europa (hasta un
25 % dela señal), unos inviernos más húmedos en el norte de Europa y unos veranos más
secos en el sur y este de Europa (hasta el 50% de la señal). Asimismo, en este estudio se
pone en relevancia la necesidad de contar con simulaciones de mejor resolución con la
18

finalidad de obtener resultados más fiables y que pueden permitir una mejor interpreta-
ción de los posibles efectos del cambio climático en periodos futuros. Por otro lado, el
estudio de Gudmundsson y Seneviratne [95] analiza la relación entre los efectos del cam-
bio climático causado por actividades antropogénicas y el riesgo de sequía en Europa.
Para esto utilizan la información de los modelos climáticos globales de la iniciativa
CMIP5 y los comparan con bases de datos meteorológicas de todo el continente. Los
autores presentan además un marco metodológico para la evaluación del riesgo meteoro-
lógico de sequía, que se puede aplicar tanto a las observaciones como a las simulaciones
de modelos climáticos. Asimismo, los resultados de este estudio sugieren que existe más
de un 95% de probabilidades que las emisiones antropogénicas hayan incrementado la
probabilidad de años de sequía en el Mediterráneo y la reducción de años secos en el norte
de Europa.
En el caso de Sudamérica, se puede observar un gran avance en el estudio y desa-
rrollo de modelos climáticos regionales específicos para esta región. En general, se podría
decir que existe una gran variedad de modelos climáticos regionales desarrollados espe-
cíficamente para Sudamérica, los cuales fueron obtenidos a partir del “downscaling” y
que contemplan los posibles efectos del cambio climático. Aunque por un lado existen
estudios que mencionan MCR específicos, también existen varios estudios disponibles
que hacen análisis extensivos de todos los modelos climáticos regionales enfocados en
este continente. En el caso de los estudios acerca de MCR específicos podríamos men-
cionar el caso del proyecto RegCM3 [96], el cual es una serie de modelos climáticos
regionales que contemplan los posibles efectos del cambio climático y que fueron desa-
rrollados para países en desarrollo, presentando un MCR específico para el área de Suda-
mérica. También podríamos mencionar los modelos climáticos regionales del proyecto
EU-FP6 CLARIS [97], los cuales fueron desarrollados para Sudamérica y fue analizado
para el área de la cuenca del rio de la Plata. De la misma forma, también podríamos men-
cionar los MCR desarrollados de la iniciativa IPCC-AR4 [98], los cuales incluyen los
modelos CNRM-CM3, GFDL-CM2.0, IPSL-CM4, ECHAM5/MPI-OM, GISS-EH, MI-
ROC-3.2 y MRI-CGFM2.3.2, y fueron analizados a una escala continental para el periodo
de 2070 a 2099. Por otro lado, existen varios estudios que hacen una recopilación extensa
de todos los modelos climáticos regionales que se utilizan en Sudamérica. En este caso
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podemos mencionar los estudios realizados por Solman [99], o por Ambrizzi et al. [100],
quienes realizan análisis extensos sobre los MCR que han sido desarrollados específica-
mente para Sudamérica. Por otro lado, también existen varios estudios que aprovechan la
información proveniente de MCR para realizar análisis sobre los posibles efectos del cam-
bio climático en temáticas específicas. Este es el caso por ejemplo de los estudios reali-
zados por Calvin et al. [101], de Luque et al. [102], o Favero et al. [103], quienes aprove-
chan la información de modelos climáticos regionales para estudiar los efectos del cambio
climático en la agricultura y el uso de suelo en el continente. Finalmente, también se
podrían mencionar estudios a escala local que hacen uso de MCR continentales. Este es
el caso del estudio realizado por Mena et al. [104], quien realiza un análisis de la cuenca
del rio Gualí en Colombia utilizando los modelos climáticos MPI-ESM-MR, CCSM4 y
NORESM1-M, los cuales son acoplados a los modelos HydroBID y WEAP para el aná-
lisis de las demandas de agua bajo escenarios de cambio climático en la mencionada
cuenca, encontrando una reducción aproximada de la disponibilidad de agua de entre el
2 y el 10% en dicha cuenca hidrográfica en periodos futuros debido a los posibles efectos
del cambio climático.
2.3.2. La generación de proyecciones de cambio climático
El objetivo principal de la utilización de los modelos climáticos es la determinación
de la escorrentía. La información proporcionada por estas proyecciones, así como su com-
paración con los valores de los modelos actuales, es importante para comprender los efec-
tos del cambio climático en los recursos hídricos. Varios son los métodos utilizados para
determinar la escorrentía. Por ejemplo, la utilización de datos de escorrentía simulada
directamente por modelos climáticos globales o regionales [105,106], la utilización de
modelos hidrológicos que incluyen información de precipitación y temperatura prove-
niente de modelos climáticos [105,107–111], o el empleo de fórmulas climatológicas para
calcular los valores de escorrentía en función de la relación entre las variables precipita-
ción, temperatura y evapotranspiración potencial [112]. Sin embargo, hay que tener en
cuenta dos factores cuando se realizan estas proyecciones en escenarios de cambio climá-
tico. Primero, hay que considerar que pueden existir ciertas incertidumbres que condicio-
nen estos cálculos [113–116], para lo cual es recomendable utilizar varias series de
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proyecciones hidrológicas, con el fin de estimar un conjunto de posibles comportamientos
futuros y cuantificar el impacto más probable [117,118]. Y segundo, hay que tener en
cuenta que la información obtenida por estas proyecciones en sus períodos de control no
reproduce con precisión las características propias de cada región a una escala local.
La información hidrológica basada en resultados de modelos hidrológicos está con-
dicionada por el sesgo de error en las variables de precipitación y temperatura [119,120],
siendo la precipitación una de las variables que manejan los modelos de cambio climático
que presentan más incertidumbre [113,121]. Como resultado, algunos autores suelen co-
rregir estos sesgos antes de utilizarlos como datos de entrada a los modelos hidrológicos
[122,123]. Uno de los métodos más utilizados para la corrección de sesgos es el método
delta [124–127], aunque hay que mencionar también que el uso de este método general-
mente no considera los cambios en la variabilidad entre los escenarios de control y cambio
climático. De la misma forma, hay que tener en cuenta que la aplicación de métodos de
corrección de sesgo pueden no dar los mejores resultados en todas las ocasiones. Por
ejemplo, Chávez - Jiménez [90] menciona que es recomendable trabajar no solo con los
valores medios de los diferentes modelos climáticos en relación con sus períodos de con-
trol, sino también considerar la variabilidad y la información de las series reales observa-
das del área de estudio, permitiendo de esta manera la construcción de proyecciones que
incluyan la variabilidad de los aportes de diversos modelos climáticos y las características
hidrológicas reales del área de estudio.
2.4. La disponibilidad potencial de agua
El agua dulce está disponible en el planeta como agua superficial, ya sea en forma
de lagos, ríos o embalses; o como agua subterránea, la cual se encuentra bajo tierra en
capas de roca o suelo. De toda el agua de la Tierra, el 97% es agua salada, lo que deja
solo un 3% como agua dulce, y aproximadamente solo el 1% de esta se encuentra dispo-
nible para uso humano. El agua se moviliza permanentemente entre la atmósfera, el
océano, los ríos y arroyos, las capas de nieve y las capas de hielo y el subsuelo, sin em-
bargo, el clima, el uso de suelo, la geología local y la calidad del agua afectan la disponi-
bilidad del agua. El agua es vital para la agricultura, el consumo humano, la industria, la
generación de energía y muchos