[en] This thesis addresses several challenges confronting water resources in most arid and semi-arid basins, proposing cost-effective management options to adapt to climate stress. The main outstanding challenges are water scarcity, water quality deterioration, climate stress impacts, water conflicts among sectors and spatial locations, and sectoral vulnerability. The four key chapters of this research present the development of various integrated and dynamic optimization frameworks, taking the Ebro River basin in Spain as a case study. Those different hydroeconomic modeling include hydrologic, economic, institutional, environmental, and climate aspects, with each model tailored to a specific goal. This integrated management approach provides a better understanding of the impacts of climate change, and identifies the potential of hydroeconomic modeling in informing equitable water planning for climate adaptation. The empirical findings of the different integrated modeling approaches provide useful insights into policy making for sustainable development. The modeling approaches developed are flexible, and could be adaptable to many river basins with similar climate conditions. Facing increasing climate and human challenges that threaten water and atmosphere quality, this thesis analyzes various agricultural management practices that reduce nutrient water pollution and GHG emissions for climate mitigation and adaptation. Another contribution quite significant is the information presented on sectoral responses and competition under several water management strategies and future climate conditions. This information enables to find the best allocation strategies that are efficient, equitable, and sustainable for sharing the burden of dwindling resources and for protecting river flows. Such allocation strategies would minimize economic losses while adapting to hydrologic, economic, and institutional features in basins. The study contains several methodological modeling advances such as non-linear and stochastic optimization, the inclusion of both water quantity and quality in modeling, multi-sector assessment, and integration of different components of water systems (hydrology, economy, environment, and institutions). A limited number of studies in the literature address jointly these modeling advances for evaluating climate adaptation and mitigation policies. This research contributes to more sustainable water planning, and to advance water policy modeling. The findings of this thesis have a wide range of policy implications since they highlight the variety of challenges that preclude sustainable water management in arid and semi-arid climate conditions. The key challenge is ¿How to deal with climate risks and uncertainty that threaten economic activities and ecosystems in river basins¿. Decision makers and governance bodies could design and implement several policies, such as institutional water allocation, water conservation, and reservoir management to combat the negative impacts of water scarcity and climate stress, and to encourage cooperative water management among sectors and locations. Those decisions must be supported by scientific information to prevent policy failure. Understanding the implications and the unintended consequences of policy interventions is an important step before policy implementation. Knowledge of sectoral responses and competition under various policies and climatic conditions, the economic analysis of gains and losses by group of stakeholders, and information on the costs and benefits of options could all help in finding affordable policies that can be successful. Providing cost-effective policy options will help achieve sustainable development goals, reduce financial burdens imposed by climate risks, and guide science-informed strategies for climate resilience. The conflicts between the goals of equity, environmental protection and water efficiency, coupled with the asymmetric distribution of power could jeopardize the effectiveness of interventions leading to policy failure. The first study in chapter 2 presents a novel integrated hydroeconomic model for basin-scale optimal planning in the Ebro River. The inclusion of water and air quality in the assessment is an important methodological advance considered in this model. The model includes water scarcity and nonpoint pollution and evaluates a series of climate change mitigation and adaptation policies. The assessment emphasizes the role that policies could play in abating nonpoint pollution in watercourses and the atmosphere, as well as identifies the tradeoffs between water quality and water scarcity. The analysis demonstrates the effectiveness of policies in the face of extreme droughts and the impacts on water use, pollution loads and environmental damages, and social benefit outcomes. The selected policies are: P1: Optimizing the amount of nitrogen fertilization; P2: Synthetic fertilization substitution for organic fertilization; P3: Irrigation modernization; and P4: Manure treatment plants. Results indicate that drought events increase nitrate concentrations by up to 63% while decreasing water availability by 42% at the mouth of the Ebro River, highlighting the tradeoffs between quantity and quality of water. All mitigation and adaptation policies decrease the effects of climate change by improving water quality and lowering GHG emissions, which reduce environmental damages and improve social welfare. Evaluating the selected policies with the model, provides clues on suitable combinations of mitigation and adaptation policies that enhance water and air quality. Irrigation modernization improves nitrogen and water efficiency, boosting social benefits by up to 90 million Euro while increasing stream flows at the river mouth. Manure treatment plants, on the other hand, reduce private and social benefits despite achieving the lowest nitrate concentrations and GHGs emission loads. Findings demonstrate that drought conditions reduce the effectiveness of policies and increase the tradeoffs between water availability and nitrate pollution. The policy implications of these findings highlight the importance of accounting for water quality in water management, and call for a reconsideration of ongoing water policies in most arid and semiarid regions. The assessment of different policies contributes to the discussion of designing cost-effective policies for the abatement of agricultural polluting emissions into water and the atmosphere. The second study in chapter 3 develops a state-of-the-art empirical dynamic hydroeconomic optimization model to identify efficient water allocation plans for adapting to shortages under alternative water shortage sharing schemes, providing insight into important behavioral responses to climate water stress adaptation policies. The model uses innovative calibration methods (PMP) for urban and agricultural activities in order to ensure that the outcomes from the baseline optimized solution match the historically observed data on water use and economic welfare. The purpose is to find suitable climate adaptation measures that advance sustainable water management. Our model assesses two water sharing alternatives (Proportional sharing of shortages or else unrestricted water trading) for four levels of climate water stress (0%, 25%, 50%, 75%). These four climate water stress scenarios and their economic impacts represent selected levels of progressively higher water scarcity from drought events and diminishing inflow trends. The model shows the potential of hydroeconomic modeling in promoting integrated water management under climate adaption policies, informing sustainable, equitable and affordable adaptation plans that could address climate water stress. Results indicate that climate water stress imposes a much large water adaption burden on agriculture when shortages are shared under a water market arrangement, effectively prioritizing the use of water for urban activities compared to irrigated farming. This highlights that a reduction in water availability exacerbates competition among sectors and spatial locations, allocating scarce water based on economic profitability and achieving allocative efficiency. Under proportional sharing of water, shadow prices of water in cities and irrigation districts are different and lower when water is abundant, but they increase when climate water stress becomes more intense. Under water markets shadow prices equalize among cities and irrigation districts, with gains in social welfare. Therefore, water markets seem to be the least cost way to adapt to climate water stress. The unrestricted water trading moves water from irrigation districts to cities until achieving an equal marginal value of an extra unit of water in all cities and irrigation districts. These shadow prices provide important information guiding the economic attractiveness of climate adaptation policies. In chapter 4, a dynamic and integrated optimization framework is developed to spur more comprehensive cross-sectoral nexus dialogue among stakeholders. The model includes several water-using sectors including ecosystems for a significant river basin supporting livelihoods of large numbers of people. This study assesses synergies and tradeoffs among competing water uses that could be used to advance water, food, energy, and environmental security. Findings provide a range of options that improve the hydrologic and economic performance of water management compared to the current policy (IC, Institutional cooperation) for addressing climate change. Policy interventions that account for the full range of benefits of environmental flows are more science-informed, furthering the strategies for climate resilience. They increase stream flows in rivers, enhance water security and biodiversity, and reduce the burdens imposed by climate risks. The Irrigation modernization policy could reduce agricultural water withdrawals by around 1000 Mm3 and increase streamflow at Ebro mouth by 300 Mm3, with large gains in social benefits between 120 and 150 million Euro for future climate scenarios. This policy supports farm income and social benefits, delivering water and food security and better ecosystem protection. The policy of Enlarging dam storage increases energy generation and provides a better ecosystem protection especially in mountain and delta watersheds, by delivering more water for the environment. It is a critical policy for climate resilience and adaptation by supplying more clean energy, protecting ecosystems, and improving water and energy security. The Water markets policy results in welfare gains by efficiently moving water among sectors and locations, reducing the economic impacts of future climate water stress. Water markets achieve the highest urban benefits which guarantee human water security, while providing also ecosystems protection. However, experience with fully developed markets in Australia and Chile shows that protection of environmental flows is not evident with water markets. These findings have important policy implications because they demonstrate the difficulties of achieving win-win outcomes that jointly ensure water, food, energy, and environmental security. A suitable mix of policy strategies could address scarcity and droughts in highly-stressed basins with the support of stakeholders, preventing the risks of policy failure. In chapter 5, a stochastic optimization model is developed to characterize vulnerabilities and risks associated with future water stress. This study identifies the probabilistic trade-offs between agricultural, urban and energy sectors, and examines water priority allocation policies for water sector withdrawals and reservoir releases for two planning horizon CC-2070 and CC-2100. Findings show that the spatial location of irrigation districts and hydropower plants is a key factor in the distribution of basin stream flows and the impacts on water user withdrawals, depending on the agricultural or the energy priority policies and the degree of climate stress. Results indicate that choosing a policy of agricultural priority improves food security, while worsening the performance and increasing the vulnerability of the hydropower sector. Agriculture priority would damage hydropower generation downstream, where the bigger hydropower plants are located, because upstream withdrawals by irrigation districts deplete downstream river flows used for hydropower. In contrast, selecting a policy of energy priority enhances energy security but increases the vulnerability of irrigated agriculture. Achieving win-win solutions that deliver acceptable levels of food, energy, and human water security in large river basins would be a prerequisite for stakeholders to uptake policies. The design of water management strategies that can handle the challenges of greater water vulnerability by implementing suitable benefit-sharing schemes is aided by knowledge about the probabilistic trade-offs.

[es] El estrés hídrico y la degradación de la calidad del agua son problemas importantes en las cuencas fluviales de todo el mundo, lo que supone un desafío para alcanzar los objetivos de seguridad hídrica, alimentaria y energética, y de protección medioambiental. La escasez de agua, el crecimiento económico, el aumento de la población y los cambios en los patrones de uso del agua entre sectores con fuerte competencia y vulnerabilidad, han llevado a un enorme aumento de demanda de agua en las cuencas. Las proyecciones de cambio climático anticipan mayor variabilidad en el suministro de agua, aumento de temperaturas, y reducción de la disponibilidad de recursos hídricos, especialmente en cuencas áridas y semiáridas. Estos riesgos son importantes por lo que es necesario empezar a tomar medidas que hagan frente a los efectos del cambio climático. Un desafío específico es la elaboración de estrategias de gestión que asignen agua de manera eficiente entre sectores competitivos, que mejoren la calidad del agua, y que promuevan la resiliencia y adaptación climática en las próximas décadas. La contribución de esta investigación consiste en contribuir al diseño de una planificación hidráulica eficiente y equitativa en la cuenca del Ebro (España), que también pueda ser útil en otras cuencas con condiciones climáticas similares. La modelización hidroeconómica tiene un considerable potencial de apoyo a la toma de decisiones. La información que proporciona es esencial para el diseño, implementación y cumplimiento de planes de gestión de agua sostenibles y adaptados al cambio climático. Distintos estudios utilizan modelos hidroeconómicos para investigar problemas de asignación de agua, analizando las interacciones sectoriales y espaciales en las cuencas. Aunque ha habido avances generalizados en modelización hidroeconómica integrada en las últimas décadas, aún quedan por resolver distintas cuestiones en la literatura que deben abordarse. Frente a estas cuestiones pendientes, esta tesis pretende abordar algunos de estos desafíos mediante el desarrollo y aplicación de enfoques seleccionados de modelización hidroeconómica integrada incorporando análisis multisectoriales, y utilizando técnicas de optimización no lineal y estocástica. Los cuatro capítulos principales de esta tesis desarrollan enfoques metodológicos específicos para evaluar distintas estrategias de gestión de agua. El objetivo es mejorar la seguridad del suministro, recuperar la calidad del agua, y adaptar los sistemas de agua al cambio climático. La contaminación difusa de la agricultura es una fuente principal de degradación de la calidad del agua y de la contaminación de la atmósfera, como consecuencia del uso excesivo de fertilizantes en los cultivos y de las emisiones de la ganadería intensiva. Así, el primer artículo de la tesis "Capítulo 2: Hydroeconomic modeling for assessing water scarcity and agricultural pollution abatement policies in the Ebro River Basin, Spain", analiza la escasez de agua y las interacciones entre la cantidad y la calidad del agua. Estos resultados se han utilizado para evaluar la eficiencia de una serie de medidas de adaptación de los recursos hídricos, y de mitigación de la carga de contaminación del agua y de la atmósfera, tanto en condiciones climáticas normales como de sequía. El estudio se basa en un modelo hidroeconómico integrado que se ha desarrollado y aplicado en la cuenca del Ebro. El modelo integra aspectos hidrológicos, biofísicos, económicos y de calidad del agua, capturando las principales interacciones espaciales y sectoriales en la cuenca. El modelo se ha validado mediante dos procedimientos de calibración: calibración hidrológica basada en los caudales observados, y calibración económica mediante programación matemática positiva (PMP). La inclusión de la calidad del agua es un tema de relevancia creciente, y solo existen unos pocos estudios de modelización hidroeconómica que analizan la calidad del agua. Los mensajes clave de este estudio son los siguientes: (1) las condiciones de sequía reducen la disponibilidad de agua y aumentan la concentración de nitratos en los tramos de los ríos de la cuenca y en la desembocadura del Ebro, lo que pone de relieve el balance entre la cantidad y la calidad del agua; (2) las políticas de mitigación y adaptación seleccionadas tienen un gran potencial para disminuir los impactos del cambio climático, mejorar la calidad del agua, reducir las emisiones de GEI y reducir los daños ambientales; (3) las políticas más eficientes son la optimización de la aplicación de nitrógeno reduciendo la fertilización excesiva, la sustitución de fertilizantes sintéticos por estiércoles, y la modernización del regadío. Esas políticas facilitan el logro de los objetivos de gestión sostenible del agua. La mejora de la eficiencia en la asignación de agua para enfrentar futuras condiciones de estrés climático es un gran desafío en muchas regiones del mundo, especialmente en áreas áridas y semiáridas. El segundo artículo, "Capítulo 3: Climate Adaptation Guidance: New Roles for Hydroeconomic Analysis", desarrolla un marco de modelización innovador que integra la hidrología, la economía, el estrés climático y los compromisos institucionales para compartir el agua. Los resultados del modelo ilustran cómo las alternativas flexibles para compartir agua durante periodos de escasez pueden desempeñar una función informativa importante entre los grupos de interés para poder adaptarse al estrés climático. Este estudio muestra el potencial de diferentes políticas de distribución de agua para poder proporcionar asignaciones de agua eficientes en todos los sectores y ubicaciones espaciales, y así reducir las pérdidas económicas provocadas por los impactos del cambio climático. Se han identificado distintas políticas alternativas para la adaptación al estrés climático que facilite un uso sostenible de los recursos hídricos en el futuro. Los resultados muestran que los logros tanto de la política de mercados de agua sin restricciones, como de la política de distribución proporcional de la escasez suponen una motivación significativa de optimismo, que se hace más pronunciado al considerar el valor económico del agua adicional. Estos resultados ofrecen una información crítica para los responsables de la toma de decisiones, en relación a la evaluación del rendimiento y la eficiencia de las políticas. Esos valores económicos facilitan una comprensión más clara de los costes y beneficios de las políticas, proporcionando una valoración económica a los distintos patrones de intervención disponibles para la adaptación al estrés hídrico del cambio climático. La implementación de políticas económicamente eficientes para compartir agua, para poder hacer frente a la elevadaincertidumbre del estrés hídrico, va a tener un interés creciente en la protección de los recursos hídricos, y puede considerarsecomo una forma práctica de adaptación al impacto del estrés climático. En el tercer artículo, "Capítulo 4: Ecosystems in WEFE nexus planning enhance water security and biodiversity for climate resilience", se presenta un análisis intersectorial del nexo WEFE. El trabajo desarrolla un marco de optimización integrado para abordar los riesgos climáticos futuros, con el fin de identificar estrategias de adaptación climática que sean asequibles. En el modelo se examinan los compromisos y sinergias entre sectores (agricultura, urbano, energía y ecosistemas) y ubicaciones espaciales, que se obtienen de las distintas estrategias de gestión bajo escenarios de cambio climático (CC-2070, CC-2100). Estos resultados proporcionan información sobre el alcance de las ganancias y pérdidas entre sectores y ubicaciones que generan las estrategias alternativas. La investigación ofrece información sobre las reasignaciones de agua no solo entre actividades económicas sino también sobre los caudales medioambientales, así como sobre los beneficios y costes de cada política en los sectores económicos y medioambiental. Los resultados de este capítulo muestran la capacidad de los modelos hidroeconómicos integrados para poder evaluar con precisión una amplia gama de sectores, escenarios de estrés hídrico climático, y opciones de políticas de gestión del agua. Esta evaluación integrada proporciona información detallada sobre: (1) el impacto espacio-temporal del cambio climático futuro en la hidrología, la producción agrícola y de energía, el consumo urbano, los caudales ambientales, y los resultados económicos; (2) las vulnerabilidades sectoriales y las pérdidas hidrológicas y económicas; y (3) el potencial de las estrategias seleccionadas para lograr la seguridad hídrica, alimentaria, energética y medioambiental, a la vez que se promueve un desarrollo sostenible. Esta información es crítica para poder diseñar políticas de adaptación al cambio climático que sean sostenibles. Abordar la vulnerabilidad climática futura en los sectores del agua es un tema que tiene un interés creciente en la investigación de los riesgos de sequía, y que permite diseñar e implementar estrategias de adaptación. En el último artículo, "Capítulo 5: Probabilistic cross-sectoral trade-offs assessments under climate stress for sustainable and equitable water planning", se desarrolla un modelo hidroeconómico integrado para conseguir decisiones óptimas de asignación de agua bajo estrés climático futuro. El modelo evalúa los compromisos (trade-offs) probabilísticos entre usuarios de agua que compiten y son vulnerables a la escasez, así como entre las ubicaciones espaciales. La evaluación se realiza bajo diferentes políticas prioritarias de agua y distintos escenarios climáticos. En el modelo se utiliza la metodología de la programación dinámica dual estocástico (SDDP), que se ha empleado con éxito para resolver problemas de optimización con caudales estocásticos. La formulación de la programación estocástica permite evaluar los riesgos hidrológicos y económicos, y muestra las incertidumbres hidrológicas futuras vinculadas a cada política de asignación. El alcance de las ganancias y pérdidas de las intervenciones de política se mide en relación a las ubicaciones espaciales de los distritos de riego, los centros urbanos y las plantas hidroeléctricas. Esta información sirve para poder caracterizar mecanismos adecuados para lograr acuerdos equitativos de agua y de distribución de beneficios. Los resultados indican que la opción de prioridad agrícola promueve la seguridad alimentaria, pero aumenta la vulnerabilidad de la producción de energía en la cuenca baja, donde se ubican las principales centrales hidroeléctricas. Por el contrario, la opción de prioridad energética promueve la seguridad energética, pero aumenta la vulnerabilidad de la agricultura de regadío en la cuenca alta. El análisis de compromisos probabilísticos contribuye al diseño de estrategias de gestión del agua capaces de manejar los desafíos de una mayor vulnerabilidad del acceso al agua. También contribuye a implementar esquemas apropiados de distribución equitativa de beneficios, para lograr resultados que beneficien a todos los grupos de interés, y que aseguren niveles aceptables de seguridad alimentaria, energética y urbana en grandes cuencas fluviales.