Domestic hot water consumption vs. solar thermal energy storage: the optimum size of the storage tank

Many efforts have been made in order to adequate the production of a solar thermal collector field to the consumption of domestic hot water of the inhabitants of a building. In that sense, much has been achieved in different domains: research agencies, government policies and manufacturers. However, most of the design rules of the solar plants are based on steady state models, whereas solar irradiance, consumption and thermal accumulation are inherently transient processes. As a result of this lack of physical accuracy, thermal storage tanks are sometimes left to be as large as the designer decides without any aforementioned precise recommendation. This can be a problem if solar thermal systems are meant to be implemented in nowadays buildings, where there is a shortage of space. In addition to that, an excessive storage volume could not result more efficient in many residential applications, but costly, extreme in space consumption and in some cases too heavy. A proprietary transient simulation program has been developed and validated with a detailed measurement campaign in an experimental facility. In situ environmental data have been obtained through a whole year of operation. They have been gathered at intervals of 10 min for a solar plant of 50 m2 with a storage tank of 3 m3, including the equipment for domestic hot water production of a typical apartment building. This program has been used to obtain the design and dimensioning criteria of DHW solar plants under daily transient conditions throughout a year and more specifically the size of the storage tank for a multi storey apartment building. Comparison of the simulation results with the current Spanish regulation applicable, “Código Técnico de la Edificación” (CTE 2006), offers fruitful details and establishes solar facilities dimensioning criteria.

Recuperación de energía de la salmuera

Como consecuencia del proceso de desalación, se produce el vertido al mar de un agua de rechazo hipersalino o salmuera. La salinidad de este vertido es variable, dependiendo del origen de la captación y del proceso de tratamiento. Muchos de los hábitats y biocenosis de los ecosistemas marinos se encuentran adaptados a ambientes de salinidad casi constante y son muy susceptibles a los incrementos de salinidad originados por estos vertidos. Junto con el vertido de salmuera otro de los principales inconvenientes que plantean las plantas desaladoras es el alto consumo energético, con todas las desventajas que esto supone: alto coste del agua desalada para los consumidores, contaminación del medio... El desarrollo de los métodos de vertido, herramientas de gestión de la salmuera, estudios del comportamiento de la pluma salina… ha buscado la mitigación de estos efectos sobre los ecosistemas marinos. El desarrollo en membranas de ósmosis inversa, diseño de bombas y sistemas de recuperación de energía ha permitido también la reducción del consumo energético en las plantas de desalación. Sin embargo, estos campos parecen haber encontrado un techo tecnológico difícil de rebasar en los últimos tiempos. La energía osmótica se plantea como uno de los caminos a investigar aplicado al campo de la reducción del consumo energético en desalación de agua de mar, a través del aprovechamiento energético de la salmuera. Con esta tesis se pretende cumplir principalmente con los siguientes objetivos: reducción del consumo energético en desalación, mitigar el impacto del vertido sobre el medio y ser una nueva herramienta en la gestión de la salmuera. En el presente documento se plantea el desarrollo de un nuevo proceso que utiliza el fenómeno de la ósmosis directa a través de membranas semipermeables, y busca la sinergia desalación depuración, integrando ambos, en un único proceso de tratamiento dentro del ciclo integral del agua. Para verificar los valores de producción, calidad y rendimiento del proceso, se proyecta y construye una planta piloto ubicada en la Planta Desaladora de Alicante II, escalada de tal manera que permite la realización de los ensayos con equipos comerciales de tamaño mínimo. El objetivo es que el resultado final sea extrapolable a tamaños superiores sin que el escalado afecte a la certeza y fiabilidad de las conclusiones obtenidas. La planta se proyecta de forma que el vertido de una desaladora de ósmosis inversa junto con el vertido de un terciario convencional, se pasan por una ósmosis directa y a continuación por una ósmosis inversa otra vez, ésta última con el objeto de abrir la posibilidad de incrementar la producción de agua potable. Ambas ósmosis están provistas de un sistema de pretratamiento físico-químico (para adecuar la calidad del agua de entrada a las condiciones requeridas por las membranas en ambos casos), y un sistema de limpieza química. En todos los ensayos se usa como fuente de disolución concentrada (agua salada), el rechazo de un bastidor de ósmosis inversa de una desaladora convencional de agua de mar. La fuente de agua dulce marca la distinción entre dos tipos de ensayos: ensayos con el efluente del tratamiento terciario de una depuradora convencional, con lo que se estudia el comportamiento de la membrana ante el ensuciamiento; y ensayos con agua permeada, que permiten estudiar el comportamiento ideal de la membrana. Los resultados de los ensayos con agua salobre ponen de manifiesto problemas de ensuciamiento de la membrana, el caudal de paso a través de la misma disminuye con el tiempo y este efecto se ve incrementado con el aumento de la temperatura del agua. Este fenómeno deriva en una modificación del pretratamiento de la ósmosis directa añadiendo un sistema de ultrafiltración que ha permitido que la membrana presente un comportamiento estable en el tiempo. Los ensayos con agua permeada han hecho posible estudiar el comportamiento “ideal” de la membrana y se han obtenido las condiciones óptimas de operación y a las que se debe tender, consiguiendo tasas de recuperación de energía de 1,6; lo que supone pasar de un consumo de 2,44 kWh/m3 de un tren convencional de ósmosis a 2,28 kWh/m3 al añadir un sistema de ósmosis directa. El objetivo de futuras investigaciones es llegar a tasas de recuperación de 1,9, lo que supondría alcanzar consumos inferiores a 2 kWh/m3. Con esta tesis se concluye que el proceso propuesto permite dar un paso más en la reducción del consumo energético en desalación, además de mitigar los efectos del vertido de salmuera en el medio marino puesto que se reduce tanto el caudal como la salinidad del vertido, siendo además aplicable a plantas ya existentes y planteando importantes ventajas económicas a plantas nuevas, concebidas con este diseño. As a consequence of the desalination process, a discharge of a hypersaline water or brine in the sea is produced. The salinity of these discharges varies, depending on the type of intake and the treatment process. Many of the habitats and biocenosis of marine ecosystems are adapted to an almost constant salinity environment and they are very susceptible to salinity increases caused by these discharges. Besides the brine discharge, another problem posed by desalination plants, is the high energy consumption, with all the disadvantages that this involves: high cost of desalinated water for consumers, environmental pollution ... The development of methods of disposal, brine management tools, studies of saline plume ... has sought the mitigation of these effects on marine ecosystems. The development of reverse osmosis membranes, pump design and energy recovery systems have also enabled the reduction of energy consumption in desalination plants. However, these fields seem to have reached a technological ceiling which is difficult to exceed in recent times. Osmotic power is proposed as a new way to achieve the reduction of energy consumption in seawater desalination, through the energy recovery from the brine. This thesis mainly tries to achieve the following objectives: reduction of energy consumption in desalination, mitigation of the brine discharge impact on the environment and become a new tool in the management of the brine. This paper proposes the development of a new process, that uses the phenomenon of forward osmosis through semipermeable membranes and seeks the synergy desalination-wastewater reuse, combining both into a single treatment process within the integral water cycle. To verify the production, quality and performance of the process we have created a pilot plant. This pilot plant, located in Alicante II desalination plant, has been designed and built in a scale that allows to carry out the tests with minimum size commercial equipment. The aim is that the results can be extrapolated to larger sizes, preventing that the scale affects the accuracy and reliability of the results. In the projected plant, the discharge of a reverse osmosis desalination plant and the effluent of a convencional tertiary treatment of a wastewater plant, go through a forward osmosis module, and then through a reverse osmosis, in order to open the possibility of increasing potable water production. Both osmosis systems are provided with a physicochemical pretreatment (in order to obtain the required conditions for the membranes in both cases), and a chemical cleaning system. In all tests, it is used as a source of concentrated solution (salt water), the rejection of a rack of a conventional reverse osmosis seawater desalination. The source of fresh water makes the difference between two types of tests: test with the effluent from a tertiary treatment of a conventional wastewater treatment plant (these tests study the behavior of the membrane facing the fouling) and tests with permeate, which allow us to study the ideal behavior of the membrane. The results of the tests with brackish water show fouling problems, the flow rate through the membrane decreases with the time and this effect is increased with water temperature. This phenomenon causes the need for a modification of the pretreatment of the direct osmosis module. An ultrafiltration system is added to enable the membrane to present a stable behavior . The tests with permeate have made possible the study of the ideal behavior of the membrane and we have obtained the optimum operating conditions. We have achieved energy recovery rates of 1.6, which allows to move from a consumption of 2.44 kWh/m3 in a conventional train of reverse osmosis to 2.28 kWh / m3 if it is added the direct osmosis system. The goal of future researches is to achieve recovery rates of 1.9, which would allow to reach a consumption lower than 2 kWh/m3. This thesis concludes that the proposed process allows us to take a further step in the reduction of the energy consumption in desalination. We must also add the mitigation of the brine discharge effects on the marine environment, due to the reduction of the flow and salinity of the discharge. This is also applicable to existing plants, and it suggests important economic benefits to new plants that will be built with this design.

Investigación sobre la aplicación de energía solar a una depuradora convencional de fangos activos

El consumo de energía es responsable de una parte importante de las emisiones a la atmósfera de CO2, que es uno de los principales causantes del efecto invernadero en nuestro planeta. El aprovechamiento de la energía solar para la producción de agua caliente, permite economizar energía y disminuir el impacto del consumo energético sobre el medio ambiente y por tanto un menor impacto medioambiental. El objetivo de la presente investigación consiste en estudiar el aprovechamiento solar para el calentamiento de los fangos en los digestores anaerobios mediante agua caliente circulando en el interior de un serpentín que rodea la superficie de dicho digestor, como apoyo a los métodos convencionales del calentamiento de fangos como la resistencia eléctrica o el intercambiador de calor mediante la energía obtenida por el gas metano producido en la digestión anaerobia. Para el estudio se utilizaron 3 digestores, dos delos cuales se calentaron con agua caliente en el interior de un serpentín (uno aislado mediante una capa de fibra de vidrio y poliuretano y otro sin aislar).El tercer digestor no tenía calentamiento exterior con el objetivo de observar su comportamiento y comparar su evolución con el resto de los digestores .La comparación de los digestores 1 y 2 nos permitió estudiar la conveniencia de proveer de aislamiento al digestor. La transferencia de calor mediante serpentín de cobre dio valores comprendidos entre 83 y 92%. La aplicación de la instalación a una depuradora a escala real para mantenimiento en el interior del digestor a T=32ºC en diferentes climas: climas templados, cálidos y fríos, consistió en el cálculo de la superficie de colectores solares y superficie de serpentín necesario para cubrir las necesidades energéticas anuales de dicho digestor, así como el estudio de rentabilidad de la instalación, dando los mejores resultados para climas cálidos con períodos de retorno de 12 años y una tasa interna de rentabilidad (TIR) del 16% obteniendo una cobertura anual del 79% de las necesidades energéticas con energía solar térmica. Energy consumption accounts for a significant part of the emissions of CO2, which is one of the main causes of the greenhouse effect on our planet. The use of solar energy for hot water production. can save energy and reduce the impact of energy consumption on the environment and therefore a reduced environmental impact. The objective of this research is to study the solar utilization for heating the sludge in anaerobic digesters by hot water circulating inside a coil surrounding the surface of digester, to support conventional heating methods sludge as the electrical resistance or heat exchanger by energy generated by the methane gas produced in the anaerobic digestion. To study 3 digesters used two models which are heated with hot water within a coil (one insulated by a layer of fiberglass and polyurethane and other uninsulated) .The third digester had no external heating in order to observe their behavior and compare their evolution with the rest of the .The comparison digesters digesters 1 and 2 allowed us to study the advisability of providing insulation to the digester. Heat transfer through copper coil gave values between 83 and 92%. The installation application to a treatment for maintaining full scale within the digester at T = 32ºC in different climates: temperate, warm and cold climates, consisted of calculating the surface area of solar collectors and coil required to cover the annual energy needs of the digester, and the study of profitability of the installation, giving the best results for hot climates with return periods of 12 years and an internal rate of return (IRR) of 16% achieving an annual coverage of 79 % of energy needs with solar energy.

Optimizing rabbit production under heat stress: cage density and cage size during fattening, and breeding system and water quality on rabbit does

The aim of this work was to evaluate different management strategies to optimize rabbit production under chronic heat stress. To achieve it, three trials were conducted. In the first trial, to find the optimal cage density in tropical very dry forest condition, were measured growth performance, mortality rate, injured animals and carcass performance over an initial population of 300 cross-breed rabbits of New Zealand, California, Butterfly, Dutch and Satin, weaned at 30 days (535 ± 8 g, standard error). Treatments evaluated were: 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2 (3, 6, 9 and 12 rabbits/cage, respectively, each cage of 0.5 m2). The maximal temperature-humidity index indicated a severe heat stress from weaning to 2.2 kg body weight (experimental time). At the end of experimental period 10, 20, 30 and 30 rabbits from the treatments of 6, 12, 18 and 24 rabbits/m2, respectively, were slaughtered and carcass performance recorded. Average daily gain and feed intake decreased by 0.31 ± 0.070 and 1.20 ± 0.25 g, respectively, per each unit that the density increased at the beginning of the experiment (P = 0.001). It increased the length of the fattening period by 0.91 ± 0.16 d (P = 0.001) per each unit of increment of density. However, rabbit production (kg/m2) increased linear and quadratically with the density (P < 0.008). Animals housed at the highest density compared to the lower one tended to show a higher incidence of ringworm (68.9 vs 39.4%; P = 0.075), injured animals (16.8 vs 3.03%; P = 0.12) and mortality (20.5 vs 9.63%; P = 0.043). The proportion of scapular fat (P = 0.042) increased linearly with increasing levels of density. Increasing density reduced linearly dorsal length (P = 0.001), and reduced linear and quadratically drip loss percentage (P = 0.097 and 0.018, respectively). In the second trial, 46 nulliparous rabbit does (23 clipped and 23 unclipped) with a BW of 3.67 ± 0.05 kg (s.e.) were used to evaluate heat stress and circadian rhythms comparing unclipped and clipped rabbit does, and to study if a more extensive breeding system increase litters performance at weaning without impairing rabbit doe performance,. Rectal temperature, feed and water 4 intake were recorded for 24 h. Rabbit does were mated 7 d after circadian measurements, and randomly assigned to two breeding systems. Control (C): mated at 14 d after parturition + litter weaned at 35 d of age. Extensive (E): mate at 21 after parturition + litter weaned at 42 d of age. The first three cycles were evaluated concerning to rabbit doe and litter performance. Two hundred twenty eight weaned rabbits, were divided into two cage sizes: 0.5 and 0.25 m2 with same density (16 rabbit/m2) and growing performance was recorded. Farm and rectal temperatures were minimal and feed and water intake maximal during the night (P < 0.001). Unclipped rabbit does showed higher rectal temperature (P = 0.045) and lower feed intake respect to clipped does (P = 0.019) which suggest a lower heat stress in the latter. Kits weaned per litter was reduced by 33% (P=0.038) in C group. This reduction was more important in the 2nd and 3rd cycles compared to the first (P ≤ 0.054). Rabbit doe feed efficiency tended to decrease in E respect C group (P = 0.093), whereas it was impaired from the first to the third cycle by 48% (P = 0.014). Growing rabbits from the E group were heavier at weaning (by 38%. P < 0.001), showed a higher feed intake (+7.4%) and lower feed efficiency (-8.4%) throughout the fattening period (P ≤ 0.056) respect to C group. Cage size had minor influence in growing performance. In the third trial, forty five non pregnant and non lactating rabbit does (21 nulliparous and 24 multiparous) were assigned randomly to farm water and to potable water to study if a water quality improvement can affect positively rabbit doe response to heat stress during pregnancy and lactation. A transponder was implanted in each animal to record subcutaneous temperature at 07:30 and 14:30 h. Experimental period extended from pregnancy (with no lactation) to the next lactation (until day 28). Body temperature and milk production were recorded daily, and body condition, feed and water intake weekly. Water quality did not affect any trait (P ≥ 0.15). Pregnant rabbit does were classified as does that weaned (W: 47%), not weaned (NW: 44%) or those pregnant that did not deliver (NB: 9%). Body temperature and feed intake decreased during pregnancy (P ≤ 0.031), but water intake remained constant. In this period body temperature decreased with metabolic weight (P ≤ 0.009). In W and NW does, 5 from mating to birth energy and protein balance impaired (P≤0.011). Body temperature of W does tended to be the lowest (P ≤ 0.090). Pregnancy length and total number of kits born tended to be longer and higher in NW than in W does (P = 0.10 and 0.053, respectively). Kit mortality at birth and from birth to 14 d of lactation was high, being worse for NW than for W does (97 vs. 40%; P<0.001). Body temperature during lactation was maximal at day 12, and milk production increased it (P ≤ 0.025). . In conclusion, in our heat stress conditions densities higher than 18 rabbits/m2 (34 kg/m2) at the end of fattening, are not recommended despite cage size, gestation and lactation productivity impaired not only when lactation is extended and along successive reproductive cycles but also due to a reduced embryo/kit survival and finally water quality improvement did not attenuate negative effect of heat stress. RESUMEN El propósito de éste trabajo fue evaluar diferentes estrategias de manejo para optimizar la producción de conejos bajo estrés térmico. Para lo cual se desarrollaron tres experimentos. En el primer experimento, para encontrar el número óptimo de gazapos por m2 de jaula durante el cebo en condiciones de bosque muy seco tropical, se estudiaron los rendimientos durante el cebo, mortalidad, animales lesionados y rendimiento de la canal sobre una población inicial de 300 conejos mestizos de Nueva Zelanda, California, Mariposa, Holandés y Satin, destetados a los 30 días de edad (535 ± 8g, error estándar). Los tratamientos evaluados fueron: 6, 12, 18 y 24 conejos/m2 (3, 6, 9 y 12 conejos/jaula, respectivamente, en jaulas de 0.5 m2). Durante el período experimental (destete a 2.2 kg de peso vivo), se observaron valores de THI correspondientes con un estrés térmico severo (THI max. De 31 a 35). Al final del período experimental, 10, 20, 30, y 30 conejos de los tratamientos con densidades de 6, 12, 18 y 24 conejos/m2, respectivamente, fueron sacrificados y su canal fue valorada. El promedio de la ganancia diaria y el consumo de alimento disminuyeron en 0.31 ± 0.070 y 1.20 ± 0.25 g, respectivamente, por cada unidad de incremento en la densidad al inicio del experimento (P=0.001). Esto alargó el período de engorde en 0.91 ± 0.16 d (P=0.001) por cada unidad de incremento de la densidad. Sin embargo, la producción de conejos (kg/m2) aumentó lineal y cuadráticamente con la densidad (P<0.008). Los animales alojados en las mayores densidades en comparación con el resto tendieron a mostrar una mayore incidencia de tiña (68.9 vs 39.4%; P=0.075), de cantidad de animales heridos (16.8 vs 3.03%; P=0.12), así como de mortalidad (20.5 vs 9.63%; P=0.043). El aumento en la densidad aumentó linealmente la proporción de grasa escapular (P=0.042) y redujo linealmente la longitud dorsal (P=0.001), y lineal y cuadráticamente el porcentaje de pérdida por goteo (P=0.018). En el segundo experimento, 46 conejas nulliparas (23 rasuradas y 23 no rasuradas) con un peso vivo de 3.67 ± 0.05 kg (e.e.) fueron usadas para evaluar el estrés 8 térmico y los ritmos circadianos comparando conejas rasuradas o no, y estudiar si un sistema de crianza más extensivo mejora el desempeño de la camada al destete sin perjudicar la productividad de la coneja. Durante 24 h se midió la temperatura rectal, consumo de alimento y de agua. Las conejas fueron montadas 7 días después, y distribuidas en dos sistemas de crianza. El control (C): monta a 14 días posparto y destete a 35 d de edad. El extensivo (E): monta a 21 días posparto y destete a 42 d de edad. Se controló la productividad de la coneja y la camada durante los tres primeros ciclos. Doscientos veintiocho gazapos fueron distribuidos en dos tamaños de jaulas (0.5 y 0.25 m2) con la misma densidad (16 conejos/m2) y se controlaron sus rendimientos productivos. Durante la noche se observaron los valores mínimos para la temperatura ambiental y rectal, y los máximos para consumo de alimento y agua (P< 0.001). Las conejas no rasuradas mostraron mayor temperatura rectal (P=0.045) y menores valores de consumo de alimento con respecto a las conejas rasuradas (P=0.019), lo que sugiere un menor estrés térmico en las últimas. El número de gazapos destetados por camada se redujo en 33% (P=0.038) en el grupo C. Este comportamiento se acentuó en el 2do y 3er ciclo en comparación con el primero (P≤0.054). La eficiencia alimenticia de las conejas tendió a disminuir en el grupo E con respecto al grupo C (P=0.093), dicha tendencia se acentúa del primer al tercer ciclo en un 48% (P=0.014). Los gazapos en fase de crecimiento provenientes del grupo E fueron más pesados al momento del destete (en 38% P<0.001), mostrando un mayor consumo de alimento (+7.4%) y menor eficiencia alimenticia (-8.4%) a lo largo del engorde (P≤0.056) con respecto al grupo C. El tamaño de la jaula tuvo una mínima influencia en el comportamiento durante el crecimiento de éstos gazapos. En el tercer experimento, cuarenta y cinco conejas no gestantes ni lactantes (21 nulíparas y 24 multíparas) se les asignó al azar agua dos tipos de agua: común de la granja y agua potable, con el fin de estudiar si una mejora en la calidad del agua puede afectar positivamente la respuesta de la coneja al estrés térmico durante la gestación y la lactancia. Se les implantó un transponder para registrar la temperatura subcutánea a las 7:30 y a las 14:30 h. El período experimental se extendió desde la gestación (sin 9 lactancia) hasta la lactanción consecutiva (hasta los 28 días). La temperatura corporal y la producción de leche se controlaron diariamente, y la condición corporal, consumo de agua y alimento, semanalmente. La calidad del agua no afectó a ninguna variable (P≥0.15). Las conejas preñadas fueron clasificadas como conejas que destetaron (W: 47%), que no destetaron (NW:44%) o aquellas que no parieron (NB: 9%). La temperatura corporal y consumo de alimento disminuyeron durante la gestación (P≤0.031), mientras que el consumo de agua se mantuvo constante. La temperatura corporal descendió con el peso metabólico durante la gestación (P≤0.009). El balance de energía y proteína disminuyó desde la monta al parto para las conejas W y NW (P≤0.011). Durante la gestación la temperatura corporal tendió a ser menor en las conejas W (P≤0.090). La longitud de la gestación y el número total de gazapos nacidos tendieron a ser mayores en conejas NW que en conejas W (P=0.10 y 0.053, respectivamente). La mortalidad de los gazapos al parto y del parto a los 14 días de lactancia fue alta, siendo peor para las conejas NW que para las W (97 vs 40%; P<0.001). Durante la lactancia la temperatura corporal alcanzó su valor máximo para el día 12, y la producción de leche indujo un incremento en la misma (P≤0.025). En conclusión, en nuestras condiciones de estrés térmico y sin importar el tamaño de la jaula, no se recomiendan densidades mayores a 18 conejos/m2 (34 kg/m2) al final del engorde. La productividad de la gestación y la lactancia disminuyen cuando la lactancia es mayor y se suceden varios ciclos reproductivos seguidos. Esto se debe al efecto negativo del estrés térmico sobre la vitalidad y supervivencia del embrión/gazapo. La mejora de la calidad del agua atenuó el efecto negativo del estrés térmico. Las conejas más productoras parece que son aquéllas que consiguen manejar mejor el estrés térmico.

The role of land and water for trade and food production in Latin America: Environmental trade-offs of agricultural intensification versus extensification

One of humanity’s major challenges of the 21st century will be meeting future food demands on an increasingly resource constrained-planet. Global food production will have to rise by 70 percent between 2000 and 2050 to meet effective demand which poses major challenges to food production systems. Doing so without compromising environmental integrity is an even greater challenge. This study looks at the interdependencies between land and water resources, agricultural production and environmental outcomes in Latin America and the Caribbean (LAC), an area of growing importance in international agricultural markets. Special emphasis is given to the role of LAC’s agriculture for (a) global food security and (b) environmental sustainability. We use the International Model for Policy Analysis of Agricultural Commodities and Trade (IMPACT)—a global dynamic partial equilibrium model of the agricultural sector—to run different future production scenarios, and agricultural trade regimes out to 2050, and assess changes in related environmental indicators. Results indicate that further trade liberalization is crucial for improving food security globally, but that it would also lead to more environmental pressures in some regions across Latin America. Contrasting land expansion versus more intensified agriculture shows that productivity improvements are generally superior to agricultural land expansion, from an economic and environmental point of view. Finally, our analysis shows that there are trade-offs between environmental and food security goals for all agricultural development paths.

Implications of agricultural production, policy and land use changes on water resource assessment

Una gestión más eficiente y equitativa del agua a escala de cuenca no se puede centrar exclusivamente en el recurso hídrico en sí, sino también en otras políticas y disciplinas científicas. Existe un consenso creciente de que, además de la consideración de las cambiantes condiciones climáticas, es necesaria una integración de ámbitos de investigación tales como la agronomía, planificación del territorio y ciencias políticas y económicas a fin de satisfacer de manera sostenible las demandas de agua por parte de la sociedad y del medio natural. La Política Agrícola Común (PAC) es el principal motor de cambio en las tendencias de paisajes rurales y sistemas agrícolas, pero el deterioro del medio ambiente es ahora una de las principales preocupaciones. Uno de los cambios más relevantes se ha producido con la expansión e intensificación del olivar en España, principalmente con nuevas zonas de regadío o la conversión de olivares de secano a sistemas en regadío. Por otra parte, el cambio de las condiciones climáticas podría ejercer un papel importante en las tendencias negativas de las aportaciones a los ríos, pero no queda claro el papel que podrían estar jugando los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas de caudal observadas. Esta tesis tiene como objetivo mejorar el conocimiento de los efectos de la producción agrícola, política agraria y cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las condiciones de calidad del agua, respuesta hidrológica y apropiación del agua por parte de la sociedad. En primer lugar, el estudio determina las tendencias existentes de nitratos y sólidos en suspensión en las aguas superficiales de la cuenca del río Guadalquivir durante el periodo de 1998 a 2009. Desde una perspectiva de política agraria, la investigación trata de evaluar mediante un análisis de datos de panel las principales variables, incluyendo la reforma de la PAC de 2003, que están teniendo una influencia en ambos indicadores de calidad. En segundo lugar, la apropiación del agua y el nivel de contaminación por nitratos debido a la producción del aceite de oliva en España se determinan con una evaluación de la huella hídrica (HH), teniendo en cuenta una variabilidad espacial y temporal a largo de las provincias españolas y entre 1997 y 2008. Por último, la tesis analiza los efectos de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas observadas en la zona alta del Turia, cabecera de la cuenca del río Júcar, durante el periodo 1973-2008 mediante una modelización ecohidrológica. En la cuenca del Guadalquivir cerca del 20% de las estaciones de monitoreo muestran tendencias significativas, lineales o cuadráticas, para cada indicador de calidad de agua. La mayoría de las tendencias significativas en nitratos están aumentando, y la mayoría de tendencias cuadráticas muestran un patrón en forma de U. Los modelos de regresión de datos de panel muestran que las variables más importantes que empeoran ambos indicadores de calidad del agua son la intensificación de biomasa y las exportaciones de ambos indicadores de calidad procedentes de aguas arriba. En regiones en las que el abandono agrícola y/o desintensificación han tenido lugar han mejorado las condiciones de calidad del agua. Para los nitratos, el desacoplamiento de las subvenciones a la agricultura y la reducción de la cuantía de las subvenciones a tierras de regadío subyacen en la reducción observada de la concentración de nitratos. Las medidas de modernización de regadíos y el establecimiento de zonas vulnerables a nitratos reducen la concentración en subcuencas que muestran una tendencia creciente de nitratos. Sin embargo, el efecto de las exportaciones de nitratos procedente de aguas arriba, la intensificación de la biomasa y los precios de los cultivos presentan un mayor peso, explicando la tendencia creciente observada de nitratos. Para los sólidos en suspensión, no queda de forma evidente si el proceso de desacoplamiento ha influido negativa o positivamente. Sin embargo, los mayores valores de las ayudas agrarias aún ligadas a la producción, en particular en zonas de regadío, conllevan un aumento de las tasas de erosión. Aunque la cuenca del Guadalquivir ha aumentado la producción agrícola y la eficiencia del uso del agua, el problema de las altas tasas de erosión aún no ha sido mitigado adecuadamente. El estudio de la huella hídrica (HH) revela que en 1 L de aceite de oliva español más del 99,5% de la HH está relacionado con la producción de la aceituna, mientras que menos del 0,5% se debe a otros componentes, es decir, a la botella, tapón y etiqueta. Durante el período estudiado, la HH verde en secano y en regadío representa alrededor del 72% y 12%, respectivamente, del total de la HH. Las HHs azul y gris representan 6% y 10%, respectivamente. La producción de aceitunas se concentra en regiones con una HH menor por unidad de producto. La producción de aceite de oliva ha aumentado su productividad del agua durante 1997-2008, incentivado por los crecientes precios del aceite, como también lo ha hecho la cantidad de exportaciones de agua virtual. De hecho, las mayores zonas productoras presentan una eficiencia alta del uso y de productividad del agua, así como un menor potencial de contaminación por nitratos. Pero en estas zonas se ve a la vez reflejado un aumento de presión sobre los recursos hídricos locales. El aumento de extracciones de agua subterránea relacionadas con las exportaciones de aceite de oliva podría añadir una mayor presión a la ya estresada cuenca del Guadalquivir, mostrando la necesidad de equilibrar las fuerzas del mercado con los recursos locales disponibles. Los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal juegan un papel importante en el balance del agua de la cuenca alta del Turia, pero no son el principal motor que sustenta la reducción observada de caudal. El aumento de la temperatura es el principal factor que explica las mayores tasas de evapotranspiración y la reducción de caudales. Sin embargo, los cambios de uso de suelo y el cambio climático han tenido un efecto compensatorio en la respuesta hidrológica. Por un lado, el caudal se ha visto afectado negativamente por el aumento de la temperatura, mientras que los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal han compensado positivamente con una reducción de las tasas de evapotranspiración, gracias a los procesos de disminución de la densidad de matorral y de degradación forestal. El estudio proporciona una visión que fortalece la interdisciplinariedad entre la planificación hidrológica y territorial, destacando la necesidad de incluir las implicaciones de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en futuros planes hidrológicos. Estos hallazgos son valiosos para la gestión de la cuenca del río Turia, y el enfoque empleado es útil para la determinación del peso de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en la respuesta hidrológica en otras regiones. ABSTRACT Achieving a more efficient and equitable water management at catchment scale does not only rely on the water resource itself, but also on other policies and scientific knowledge. There is a growing consensus that, in addition to consideration of changing climate conditions, integration with research areas such as agronomy, land use planning and economics and political science is required to meet sustainably the societal and environmental water demands. The Common Agricultural Policy (CAP) is a main driver for trends in rural landscapes and agricultural systems, but environmental deterioration is now a principal concern. One of the most relevant changes has occurred with the expansion and intensification of olive orchards in Spain, taking place mainly with new irrigated areas or with the conversion from rainfed to irrigated systems. Moreover, changing climate conditions might exert a major role on water yield trends, but it remains unclear the role that ongoing land use and land cover changes (LULCC) might have on observed river flow trends. This thesis aims to improve the understanding of the effects of agricultural production, policies and LULCC on water quality conditions, hydrological response and human water appropriation. Firstly, the study determines the existing trends for nitrates and suspended solids in the Guadalquivir river basin’s surface waters (south Spain) during the period from 1998 to 2009. From a policy perspective, the research tries to assess with panel data analysis the main drivers, including the 2003 CAP reform, which are having an influence on both water quality indicators. Secondly, water appropriation and nitrate pollution level originating from the production of olive oil in Spain is determined with a water footprint (WF) assessment, considering a spatial temporal variability across the Spanish provinces and from 1997 to 2008 years. Finally, the thesis analyzes the effects of the LULCC on the observed negative trends over the period 1973-2008 in the Upper Turia basin, headwaters of the Júcar river demarcation (east Spain), with ecohydrological modeling. In the Guadalquivir river basin about 20% of monitoring stations show significant trends, linear or quadratic, for each water quality indicator. Most significant trends of nitrates are augmenting than decreasing, and most significant quadratic terms of both indicators exhibit U-shaped patterns. The panel data models show that the most important drivers that are worsening nitrates and suspended solids in the basin are biomass intensification and exports of both water quality indicators from upland regions. In regions that agricultural abandonment and/or de-intensification have taken place the water quality conditions have improved. For nitrates, the decoupling of agricultural subsidies and the reduction of the amount of subsidies to irrigated land underlie the observed reduction of nitrates concentration. Measures of irrigation modernization and establishment of vulnerable zones to nitrates ameliorate the concentration of nitrates in subbasins showing an increasing trend. However, the effect of nitrates load from upland areas, intensification of biomass and crop prices present a greater weight leading to the final increasing trend in this subbasins group, where annual crops dominate. For suspended solids, there is no clear evidence that decoupling process have influenced negatively or positively. Nevertheless, greater values of subsidies still linked to production, particularly in irrigated regions, lead to increasing erosion rates. Although agricultural production has augmented in the basin and water efficiency in the agricultural sector has improved, the issue of high erosion rates has not yet been properly faced. The water footprint (WF) assessment reveals that for 1 L Spanish olive oil more than 99.5% of the WF is related to the olive fruit production, whereas less than 0.5% is due to other components i.e. bottle, cap and label. Over the studied period, the green WF in rainfed and irrigated systems represents about 72% and 12%, respectively, of the total WF. Blue and grey WFs represent 6% and 10%, respectively. The olive production is concentrated in regions with the smallest WF per unit of product. The olive oil production has increased its apparent water productivity from 1997 to 2008 incentivized by growing trade prices, but also did the amount of virtual water exports. In fact, the largest producing areas present high water use efficiency per product and apparent water productivity as well as less nitrates pollution potential, but this enhances the pressure on the available water resources. Increasing groundwater abstractions related to olive oil exports may add further pressure to the already stressed Guadalquivir basin. This shows the need to balance the market forces with the available local resources. Concerning the effects of LULCC on the Upper Turia basin’s streamflow, LULCC play a significant role on the water balance, but it is not the main driver underpinning the observed reduction on Turia's streamflow. Increasing mean temperature is the main factor supporting larger evapotranspiration rates and streamflow reduction. In fact, LULCC and climate change have had an offsetting effect on the streamflow generation during the study period. While streamflow has been negatively affected by increasing temperature, ongoing LULCC have positively compensated with reduced evapotranspiration rates, thanks to mainly shrubland clearing and forest degradation processes. The research provides insight for strengthening the interdisciplinarity between hydrological and spatial planning, highlighting the need to include the implications of LULCC in future hydrological plans. These findings are valuable for the management of the Turia river basin, as well as a useful approach for the determination of the weight of LULCC on the hydrological response in other regions.