Análisis del sistema hidrográfico nacional mediante redes complejas

Abstract

El objeto de esta tesis es el análisis de la estructura y comportamiento del sistema hidrográfico natural de España, mediante herramientas de redes complejas y recurriendo al concepto de unidad de cuenca hidrográfica. De esto se derivan objetivos más específicos como conocer la interconectividad entre las diferentes cuencas y su repercusión en los desequilibrios pluviométricos en un escenario de cambio climático, modelar una cuenca hidrográfica y analizar la centralidad de sus elementos desde el punto de vista hidrológico y medioambiental y estudiar la proliferación de pozos y su afección en las aguas subterráneas al objeto de evitar la sobreexplotación de acuíferos y establecer una gestión más racional. La metodología utilizada se basa en el análisis de redes complejas usando medidas de caracterización de red, índices de centralidad generales y, como aportación de esta tesis, diversos índices específicos a las aplicaciones hidrológicas estudiadas. La investigación se ha desarrollado en tres escalas distintas de estudio: país, cuenca y acuífero. Así, el análisis de redes complejas ha permitido describir y caracterizar la red de cuencas hidrográficas de España, interconectadas gracias a los trasvases, determinando nodos out star, revelando las cuencas cedentes y receptoras con ayuda del estudio del grado, la fuerza, la disasortatividad y la determinación de la estructura de comunidades. Así se obtiene una perspectiva holística del sistema hidrográfico nacional, descubriendo una red poco densa, de gran diámetro y baja eficiencia, lo cual es lógico dado el alto coste de los trasvases. La red tiene una estructura en comunidades donde hay ciertos nodos con alto betweenness (reflejo de los desequilibrios hidrográficos del país) y que puede arrojar luz sobre cómo y dónde pueden ser necesarios nuevos trasvases para reducir los efectos del cambio climático. Por lo que respecta a la cuenca hidrográfica del Guadalquivir, se ha modelado como una red escasamente conectada y con características de tipo small world, con un gran diámetro y baja eficiencia, donde la distribución del grado sigue una ley de potencia, típica de redes de escala libre por su característica topológica. Los índices de centralidad permiten, entre otros, determinar puntos clave en los episodios de inundación, cada vez más potentes con el cambio climático. Además, se ha desarrollado un nuevo índice de centralidad de impacto ambiental por la propagación de contaminantes, el cual permite identificar los puntos críticos y poder actuar sobre ellos. Por último, para el análisis de las captaciones de agua subterránea en el entorno del Parque Nacional de Doñana se ha construido una red de influencia entre captaciones con pesos asociados a los arcos. Se ha detectado, entre otros aspectos, el importante papel de las componentes, de la fuerza de los nodos y del eigenvector centrality. También se han desarrollado dos índices de centralidad específicos, uno que mide la influencia que una captación ejerce sobre sus vecinos y otro que mide cómo se afecta una captación por su entorno, permitiendo disponer de una herramienta para una gestión más racional del acuífero.

The goal of this thesis is the analysis of the structure and functionality of the national river basins system using complex network analysis tools and river basin as the key elements of the system. From this, more specific objectives have followed, like studying the connectivity among the different river basins and its effect on the rainfall imbalances in a climate change scenario, modelling a whole river basin analysing the centrality of its elements from a hydrological and environmental perspective or studying the proliferation of groundwater abstraction wells and its impact on the groundwater mass bodies to help prevent their overexploitation. The methodology used is based on complex network analysis (CNA) and uses global and local characterisation measures and both standard and application-specific centrality indexes. This research has been carried out at three levels of analysis: national, river basin and aquifer. Thus, at the national level, CNA has allowed modelling and characterising the Spanish river basin system, with its interbasin transfer infrastructure, identifying out-star nodes and surplus and deficit basins and analysing the degree and strength distribution, the disassortativity and the community structure. This provides a holistic perspective of the system that reveals a large-diameter, low-efficiency, sparse network. This is a consequence of the high costs of establishing interbasin transfer connections. The network has a community structure where there are some nodes with high betweenness centrality, thus reflecting the hydrographic imbalances of the country. In this regard, the analysis may shed light on how and where could additional interbasin transfer connections may be required in order to mitigate the effects of climate change. In a second study, the Guadalquivir river basin has been modelled in detail, leading to a sparse network, with small world characteristics, large diameter and low efficiency. The degree distribution follows a power law distribution, characteristic of scale free networks. The node centrality indexes allow, among others, to identify critical elements in flood events, which are more frequent and more severe due to climate change. In addition, a new environmental impact centrality index based on the pollutant propagation, which allows the identification of critical nodes in this regard. Thirdly, the groundwater abstraction wells in the area of Doñana National Park has been modelled as a weighted undirected network. The importance of its component structure as well as the strength distribution and eigenvector centrality, among others, has been studied. Two new application-specific centrality indexes have also been proposed, measuring the total impact of a well on neighbouring wells and, vice versa, the total impact of neighbouring wells on a given well. This provides a tool that may contribute to a more rational management of the aquifer.