Water option contracts for reducing water supply risks: an application to the Tagus-Segura Transfer

El agua es un recurso cada vez más escaso y valioso. Por ello, los recursos hídricos disponibles deben asignarse de una forma eficiente entre los diferentes usos. El cambio climático aumentará la frecuencia y severidad de los eventos extremos, y podría incrementar la demanda de agua de los cultivos. El empleo de mecanismos flexibles de asignación de agua puede ser imprescindible para hacer frente a este aumento en la variabilidad del balance hídrico y para asegurar que los riesgos de suministro, y no solo los recursos, son compartidos de manera eficiente entre los usuarios. Los mercados de agua permiten la reasignación de los recursos hídricos, favoreciendo su transferencia desde los usos de menor a los de mayor valor. Diferentes tipos de mercados de agua se han establecido en diferentes partes del mundo, ayudando a los participantes a afrontar los problemas de escasez de agua en esas zonas. En España, los intercambios de agua están permitidos desde 1999, aunque la participación de los usuarios en el mercado ha sido limitada. Hay varios aspectos de los mercados de agua en España que deben mejorarse. Esta tesis, además de proponer una serie de cambios en el marco regulatorio, propone la introducción de contratos de opción de agua como una posible mejora. La principal ventaja de este tipo de contratos es la estabilidad legal e institucional que éstos proporcionan tanto a compradores como vendedores. Para apoyar esta propuesta, se han llevado a cabo diferentes análisis que muestran el potencial de los contratos de opción como herramienta de reducción del riesgo asociado a una oferta de agua inestable. La Cuenca del Segura (Sureste de España), la Cuenca del Tajo y el Acueducto Tajo- Segura han sido seleccionados como casos de estudio. Tres análisis distintos aplicados a dicha región se presentan en esta tesis: a) una evaluación de los contratos de opción como mecanismo para reducir los riesgos de disponibilidad de agua sufridos por los regantes en la Cuenca del Segura; b) un marco teórico para analizar las preferencias de los regantes por diferentes mecanismos de gestión del riesgo de disponibilidad de agua, su disposición a pagar por ellos y los precios aproximados de estos instrumentos (seguro de sequía y contratos de opción de agua); y c) una evaluación del papel de los contratos de opción en las decisiones de aprovisionamiento de agua de una comunidad de regantes ante una oferta de agua incierta. Los resultados muestran el potencial de reducción del riesgo de los contratos de opción para regantes en España, pero pueden ser extrapolados a otros sectores o regiones. Las principales conclusiones de esta tesis son: a) la agricultura será uno de los sectores más afectados por el cambio climático. Si los precios del agua aumentan, la rentabilidad de los cultivos puede caer hasta niveles negativos, lo que podría dar lugar al abandono de cultivos de regadío en algunas zonas de España. Las políticas de cambio climático y de agua deben estar estrechamente coordinadas para asegurar un uso de agua eficiente y la rentabilidad de la agricultura; b) aunque los mercados de agua han ayudado a algunos usuarios a afrontar problemas de disponibilidad del recurso en momentos de escasez, hay varios aspectos que deben mejorarse; c) es necesario desarrollar mercados de agua más flexibles y estables para garantizar una asignación eficiente de los recursos entre los usuarios de agua; d) los resultados muestran los beneficios derivados del establecimiento de un contrato de opción entre usuarios de agua del Tajo y del Segura para reducir el riesgo de disponibilidad de agua en la cuenca receptora; e) la disposición a pagar de los regantes por un contrato de opción de agua o un seguro de sequía hidrológica, que representa el valor que tienen estos mecanismos para aquellos usuarios de agua que se enfrentan a riesgos relacionados con la disponibilidad del recurso, es consistente con los resultados obtenidos en estudios previos y superior al precio de mercado de estos instrumentos, lo que favorece la viabilidad de estos mecanismos de gestión del riesgo ; y f) los contratos de opción podrían ayudar a optimizar las decisiones de aprovisionamiento de agua bajo incertidumbre, proporcionando más estabilidad y flexibilidad que los mercados temporales de agua. ABSTRACT Water is becoming increasingly scarce and valuable. Thus, existing water resources need to be efficiently allocated among users. Climate change is expected to increase the frequency and severity of extreme events, and it may also increase irrigated crops' water demand. The implementation of flexible allocation mechanisms could be essential to cope with this increased variability of the water balance and ensure that supply risks, and not only water resources, are also efficiently shared and managed. Water markets allow for the reallocation of water resources from low to high value uses. Different water trading mechanisms have been created in different parts of the world and have helped users to alleviate water scarcity problems in those areas. In Spain, water trading is allowed since 1999, although market activity has been limited. There are several issues in the Spanish water market that should be improved. This thesis, besides proposing several changes in the legislative framework, proposes the introduction of water option contracts as a potential improvement. The main advantage for both buyer and seller derived from an option contract is the institutional and legal stability it provides. To support this proposal, different analyses have been carried out that show the potential of option contracts as a risk reduction tool to manage water supply instability. The Segura Basin (Southeast Spain), the Tagus Basin and the Tagus-Segura inter-basin Transfer have been selected as the case study. Three different analyses applied to this region are presented in this thesis: a) an evaluation of option contracts as a mechanisms to reduce water supply availability risks in the Segura Basin; b) a theoretical framework for analyzing farmer’s preferences for different water supply risk management tools and farmers’ willingness to pay for them, together with the assessment of the prices of these mechanisms (drought insurance and water option contracts); and c) an evaluation of the role of option contracts in water procurement decisions under uncertainty. Results show the risk-reduction potential of option contracts for the agricultural sector in Spain, but these results can be extrapolated to other sectors or regions. The main conclusions of the thesis are: a) agriculture would be one of the most affected sectors by climate change. With higher water tariffs, crop’s profitability can drop to negative levels, which may result in the abandoning of the crop in many areas. Climate change and water policies must be closely coordinated to ensure efficient water use and crops’ profitability; b) although Spanish water markets have alleviated water availability problems for some users during water scarcity periods, there are several issues that should be improved; c) more flexible and stable water market mechanisms are needed to allocate water resources and water supply risks among competing users; d) results show the benefits derived from the establishment of an inter-basin option contract between water users in the Tagus and the Segura basins for reducing water supply availability risks in the recipient area; e) irrigators’ willingness to pay for option contracts or drought insurance, that represent the value that this kind of trading mechanisms has for water users facing water supply reliability problems, are consistent with results obtained in previous works and higher than the prices of this risk management tools, which shows the feasibility of these mechanisms; and f) option contracts would help to optimize water procurement decisions under uncertainty, providing more flexibility and stability than the spot market.

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.

Mapping variability of soil water content and flux across 1¿1000 m scales using the actively heated fiber optic method

The Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method is shown to be capable of measuring soil water content several times per hour at 0.25 m spacing along cables of multiple kilometers in length. AHFO is based on distributed temperature sensing (DTS) observation of the heating and cooling of a buried fiber-optic cable resulting from an electrical impulse of energy delivered from the steel cable jacket. The results presented were collected from 750 m of cable buried in three 240 m colocated transects at 30, 60, and 90 cm depths in an agricultural field under center pivot irrigation. The calibration curve relating soil water content to the thermal response of the soil to a heat pulse of 10 W m−1 for 1 min duration was developed in the lab. This calibration was found applicable to the 30 and 60 cm depth cables, while the 90 cm depth cable illustrated the challenges presented by soil heterogeneity for this technique. This method was used to map with high resolution the variability of soil water content and fluxes induced by the nonuniformity of water application at the surface.

Water, agriculture and ecosystem services in climate change vulnerable agricultural regions of Spain and Jordan

Irrigated agricultural landscapes generate a valuable set of ecosystem services, which are threatened by water scarcity in many aridand semi‐arid regions of the world. In the Mediterranean region, climate change is expected to decrease water availability through reduced precipitation and more frequent drought spells. At the same time, climate change, demographic and economic development and an agricultural sector highly dependent on irrigation, will raise water demand, increasing experienced water scarcity and affecting the provision of ecosystem services from water resources and agro-ecosystems. In this context, policy makers face the challenge of balancing the provision of different ecosystem services, including agricultural income and production and also water ecosystem protection.

Pressure management in water distribution systems: current status, proposals, and future trends

Pressure management (PM) is commonly used in water distribution systems (WDSs). In the last decade, a strategic objective in the field has been the development of new scientific and technical methods for its implementation. However, due to a lack of systematic analysis of the results obtained in practical cases, progress has not always been reflected in practical actions. To address this problem, this paper provides a comprehensive analysis of the most innovative issues related to PM. The methodology proposed is based on a case-study comparison of qualitative concepts that involves published work from 140 sources. The results include a qualitative analysis covering four aspects: (1) the objectives yielded by PM; (2) types of regulation, including advanced control systems through electronic controllers; (3) new methods for designing districts; and (4) development of optimization models associated with PM. The evolution of the aforementioned four aspects is examined and discussed. Conclusions regarding the current status of each factor are drawn and proposals for future research outlined