No estacionariedad: la importancia de las observaciones y los datos hidrológicos para la gestión del agua

Hace seis años, Wellntel publicó una entrada de blog titulada «En un mundo no estacionario, la continuidad de las observaciones es fundamental»; el título era una cita extraída de un artículo publicado en la revista *Science* por Milly y otros (2008). El mensaje del blog era que los factores físicos que determinan los sistemas hidrológicos se han visto cada vez más alterados por el cambio climático y, como consecuencia, se requiere una mayor densidad temporal y espacial de los datos para desarrollar los conocimientos hidrológicos necesarios que permitan hacer frente a los retos locales y regionales relacionados con las aguas subterráneas.

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Seis años después, todos estamos experimentando la continua alteración de los patrones climáticos, la creciente variabilidad de las precipitaciones y la cada vez mayor dependencia de las aguas subterráneas por parte de la industria, la agricultura y las comunidades. La no estacionariedad, ya sea de origen natural o antropogénico, es un factor que debe tenerse cada vez más en cuenta en la ingeniería y el diseño de los sistemas e infraestructuras hidráulicas.

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La estacionariedad o no estacionariedad de los sistemas hidrológicos es un principio fundamental de la gestión del agua y es importante comprenderla. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un conjunto de datos de series temporales estacionario y uno no estacionario? La figura anterior ilustra esta diferencia, mostrando:

• (a) una serie temporal estacionaria con media y varianza constantes, y
• (b) tres series temporales no estacionarias que presentan un desplazamiento de la media (tendencia y cambio discontinuo) y un desplazamiento de la varianza. Las líneas negras continuas y discontinuas representan la media y la varianza de las series temporales, respectivamente. (La figura y la explicación se han copiado directamente de Slater y otros, 2021)

Las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua se diseñan basándose en los mejores conocimientos disponibles sobre la hidrología local. Históricamente, en estos planes y diseños se ha partido del supuesto de la estacionariedad, pero cada vez es más evidente que ya no se pueden ignorar los elementos de no estacionariedad, procedentes de diversas fuentes.

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Durante gran parte del siglo pasado, los datos disponibles sugerían que el hidroclima y los sistemas hidrológicos se mantenían, en general, estacionarios en torno a valores medios. Esta estacionariedad constituía la base de muchos enfoques y herramientas para la planificación y el diseño de infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua. Sin embargo, a medida que se ampliaban los registros hidrológicos, la nueva perspectiva sugería que la variabilidad natural del hidroclima no era verdaderamente estacionaria en el sentido en que se había aplicado. Según R. M. Hirsch (2010), desde hace tiempo se reconoce y acepta ampliamente en la comunidad hidrológica que la hipótesis de la estacionariedad puede ser inválida en muchos casos. Hirsch sugiere las tres razones siguientes por las que los sistemas hidrológicos pueden no mostrar estacionariedad.

1. «Las modificaciones introducidas por el ser humano en el sistema hidrológico aguas arriba del proyecto. Entre estas modificaciones se incluyen la urbanización (aumento de las superficies impermeables), los cambios en el uso del suelo —como la conversión de terrenos forestales en tierras de cultivo— o la explotación de las aguas subterráneas, lo que provoca una disminución del caudal base de los cursos de agua». «Estos problemas son relativamente manejables, pero plantean importantes retos científicos, sobre todo en el caso de algunos procesos con largos plazos de respuesta, como la deforestación y la reforestación o el agotamiento de las aguas subterráneas».
2. «Los fenómenos climáticos naturales son cuasiperiódicos y dan lugar a altos grados de persistencia hidrológica. Esta categoría se centra en fenómenos como El Niño-Oscilación del Sur, la Oscilación Decenal del Pacífico y la Oscilación Multidecadal del Atlántico. Todos estos fenómenos tienen escalas temporales características y todos tienen efectos documentados sobre la temperatura, las precipitaciones y las condiciones hidrológicas en tierra». «Independientemente de si se denomina “no estacionariedad”, esto pone de manifiesto la importancia de que el análisis hidrológico aproveche al máximo una amplia gama de fuentes de información para ayudar a caracterizar el sistema. Entre ellas se incluyen registros históricos, registros paleoclimáticos y vínculos con sistemas terrestres u oceánicos lejanos de los que se dispone de mejores registros».

3. «El cambio climático provocado por las alteraciones de la atmósfera global causadas por el ser humano, principalmente el aumento de los gases de efecto invernadero». «Muchos investigadores climáticos sugieren que los episodios de precipitaciones muy intensas son cada vez más frecuentes, y que también lo son los períodos prolongados de escasas precipitaciones. Sin embargo, en lo que respecta a la respuesta de los ríos y las aguas subterráneas a estos fenómenos climáticos cambiantes, los resultados son mucho menos claros».

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Teniendo en cuenta estas diferentes fuentes potenciales de no estacionariedad en los conjuntos de datos hidrológicos descritas por Hirsch (2010), este autor considera «imperativo» que se siga dando una alta prioridad a la medición de la precipitación y el caudal fluvial, la humedad del suelo y las aguas subterráneas, así como del manto de nieve y los glaciares. Además, Hirsch (2010) sugiere que la continuidad de los datos y su análisis en los emplazamientos ya establecidos tiene mayor prioridad que iniciar la recopilación de datos en más ubicaciones.

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Milly y otros (2015) vuelven a hacer hincapié en la importancia de los datos en su respuesta a las críticas recibidas por su artículo de 2008 titulado «Stationarity is Dead: Whither Water Management?». Debido al carácter único y a la inmensidad del impacto del cambio climático en los ciclos hidrológicos y energéticos globales, Milly y otros (2015) afirman de nuevo en 2015, al igual que hicieron en 2008: «En un mundo no estacionario, la continuidad de las observaciones es fundamental». Las observaciones hidrológicas a largo plazo son esenciales para cuantificar, de forma continua, cómo el cambio climático está alterando los factores físicos que rigen los sistemas hidrológicos y, a su vez, cómo deben evolucionar los enfoques y las herramientas para la planificación y el diseño de las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua.

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Desde California nos llega un ejemplo de respuesta a la necesidad de contar con observaciones hidrológicas fiables y de actualizar continuamente el análisis de frecuencias hidrológicas. El Climatólogo del Estado está llevando a cabo mejoras en las previsiones hidrológicas del estado (Anderson, 2022), entre las que se incluyen el ajuste de los promedios hidrológicos para reflejar mejor los datos hidrológicos más recientes, el perfeccionamiento de los modelos estadísticos mediante datos actualizados y la adopción de nuevos enfoques para mejorar la previsión de fenómenos meteorológicos extremos (excedencia del 10 % y del 90 %).

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Las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua se diseñan basándose en los mejores conocimientos disponibles sobre la hidrología local. Históricamente, en estos planes y diseños se ha asumido la estacionariedad, pero cada vez es más necesario tener en cuenta elementos de no estacionariedad procedentes de diversas fuentes. La necesidad de disponer de datos hidrológicos locales y continuos es cada vez mayor, mientras que la capacidad de los organismos públicos para recopilar e interpretar dichos datos se mantiene estancada o está disminuyendo. Incluso cuando se dispone más fácilmente de fondos para la investigación científica, los organismos estatales y federales no pueden recopilar datos al ritmo necesario ni en un número suficiente de lugares como para abordar las cuestiones más importantes para las comunidades locales en materia de gestión del agua. Afortunadamente, los ayuntamientos, las comunidades y otras partes interesadas pueden ahora unirse para crear potentes redes de sistemas Wellntel que proporcionen la «continuidad de las observaciones» centrada directamente en sus preocupaciones más críticas en materia de recursos de aguas subterráneas.

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Fuentes

Anderson, M. L., «Mejora de las previsiones para adaptarse al cambio climático», taller de la Comisión del Agua de California, 16 de febrero de 2022

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Hirsch, R. M.: «Una perspectiva sobre la no estacionariedad en la gestión del agua», Colorado Water — marzo/abril de 2010, volumen 27, número 2, pp. 5-6, consultado el 20 de marzo de 2023 en «Una perspectiva sobre la no estacionariedad en la gestión del agua» (wucaonline.org)

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Milly, P. C., Betancourt, J., Falkenmark, M., Hirsch, R. M., Kundzewicz, Z. W., Lettenmaier, D. P. y Stouffer, R. J.: «La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?», 2008, Science, 319, 573-574, consultado el 20 de marzo de 2023 en https://www.law.berkeley.edu/files/CLEE/Milly_2008_Science_StationarityIsDead.pdf

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Milly, P. C. D., J. Betancourt, M. Falkenmark, R. M. Hirsch, Z. W. Kundzewicz, D. P. Lettenmaier, R. J. Stouffer, M. D. Dettinger y V. Krysanova, 2015, «Sobre las críticas a “La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?”», Water Resour. Res., 51, 7785-7789, doi:10.1002/2015WR017408. Consultado el 20 de marzo de 2023 en «Sobre las críticas a “La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?”» - Milly - 2015 - Water Resources Research - Wiley Online Library

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Slater, L. J., Anderson, B., Buechel, M., Dadson, S., Han, S., Harrigan, S., Kelder, T., Kowal, K., Lees, T., Matthews, T., Murphy, C. y Wilby, R. L.: «Fenómenos meteorológicos y hídricos extremos no estacionarios: una revisión de los métodos para su detección, atribución y gestión», 2021, Hydrol. Earth Syst. Sci., 25, 3897-3935, consultado el 20 de marzo de 2023 en https://hess.copernicus.org/articles/25/3897/2021/

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