Consecuencias hidrológicas del cambio climático en entornos urbanos
Authors: Casas Castillo M. del Carmen , Rodríguez Solá Raúl , Lana Pons Francisco Javier , Serra de Larrocha Carina , Martínez Santafé Maria Dolors , Biere Arenas Rolando Mauricio , Arellano Ramos Blanca , Roca Cladera Josep 
Published: May 2020

La posible intensificación del ciclo hidrológico debido al cambio climático y sus efectos en la hidrología deben tenerse en consideración con el fin de prevenir problemas futuros en los sistemas de drenaje urbano. Las curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF), una importante herramienta utilizada en el diseño y construcción de diferentes estructuras hidrológicas para la gestión del agua, podrían verse alteradas por un supuesto aumento de las lluvias intensas debido al cambio climático (Rodríguez et al. 2014). Así como en otras latitudes se ha reportado un aumento de la precipitación total debido al calentamiento global (IPCC, 2007), en la zona mediterránea varios estudios apuntan una tendencia dominante decreciente en las últimas décadas (Pérez y Boscolo 2010). No ocurre así con la precipitación de carácter extremo o torrencial, para la cual se prevé un aumento, debido a una mayor ocurrencia de episodios lluviosos más cortos y de mayor intensidad (Christensen y Christensen 2003). La evaluación de estos cambios es especialmente interesante en las zonas urbanas con alta densidad de población, debido a la vulnerabilidad de sus complejos sistemas de alcantarillado frente a la lluvia torrencial (Casas et al. 2010, Rodríguez et al. 2013b).Para describir matemáticamente las curvas IDF de un lugar, es posible utilizar una relación de escala relacionada con la propiedad fractal de invariancia de escala de la intensidad de lluvia (Menabde et al. 1999, Rodríguez-Solà et al. 2017). En el caso monofractal o de escala simple, esta relación de escala queda determinada por un único parámetro o exponente de escala β, cuyo valor parece estar relacionado con el régimen pluviométrico del lugar, o más en particular, con la irregularidad de la lluvia (Casas-Castillo et al. 2018b). Así, este parámetro toma valores cercanos a -1 para áreas en donde la lluvia suele ser muy irregular, con valores máximos aislados repentinos, mientras que toma valores más altos para áreas con un patrón de lluvia más regular. Es de esperar pues que la supuesta tendencia a la disminución en la precipitación anual y el aumento relativo en la precipitación extrema debido al cambio climático se vea reflejada en cambios en el comportamiento de escala de la lluvia, con valores del parámetro β que tienden a disminuir. Con el fin de poner de manifiesto estos cambios, se han analizado series de precipitación diaria simuladas para el siglo XXI para dos ciudades densamente pobladas: Barcelona y Madrid. Estas series futuras fueron obtenidas a partir de varios modelos de circulación general y para diferentes escenarios de cambio climático: A1B, A2, B1 y B2 para Barcelona (114 series en total), y RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 y RCP8.5 para Madrid (213 series).A pesar de la gran variabilidad de resultados obtenidos a partir de los modelos climáticos, es posible extraer algunas conclusiones con el suficiente grado de certidumbre. Para la precipitación total anual calculada a partir de las series futuras proyectadas se ha observado que, en Barcelona, dicha magnitud va a sufrir una disminución aproximada de un 5% en el último tercio del siglo XXI. En Madrid, en cambio, parece observarse un aumento poco significativo de la precipitación anual, siendo la incertidumbre en este caso muy alta.En cuanto a las relaciones de escala simple obtenidas para la intensidad de lluvia futura en ambas ciudades, se ha obtenido una disminución significativa del exponente de escala β a partir del segundo tercio del siglo XXI, lo cual es acorde con las previsiones de un posible aumento de las lluvias intensas en un futuro próximo debido al cambio climático. Estos resultados indican un probable incremento en la frecuencia de las lluvias de carácter torrencial y el consecuente aumento del riesgo de inundación en ambas ciudades, por lo que debería tenerse en consideración en el diseño de su infraestructura hidráulica, siendo recomendable una mejora de sus redes de alcantarillado y de sus sistemas de drenaje acorde a estas previsiones.

La possible intensificació del cicle hidrològic causa de el canvi climàtic i els seus efectes en la hidrologia s'han de tenir en consideració per tal de prevenir problemes futurs en els sistemes de drenatge urbà. Les corbes d'intensitat-durada-freqüència (IDF), una important eina utilitzada en el disseny i construcció de diferents estructures hidrològiques per a la gestió de l'aigua, es podrien veure alterades per un suposat augment de les pluges intenses causa de el canvi climàtic (Rodríguez et al. 2014). Així com en altres latituds s'ha reportat un augment de la precipitació total a causa de l'escalfament global (IPCC, 2007), a la zona mediterrània diversos estudis apunten una tendència dominant decreixent en les últimes dècades (Pérez i Boscolo 2010). No passa així amb la precipitació de caràcter extrem o torrencial, per a la qual es preveu un augment, a causa d'una major ocurrència d'episodis plujosos més curts i de més intensitat (Christensen i Christensen 2003). L'avaluació d'aquests canvis és especialment interessant en les zones urbanes amb alta densitat de població, a causa de la vulnerabilitat dels seus complexos sistemes de clavegueram enfront de la pluja torrencial (Casas et al. 2010, Rodríguez et al. 2013b).Per descriure matemàticament les corbes IDF d'un lloc, és possible utilitzar una relació d'escala relacionada amb la propietat fractal d'invariància d'escala de la intensitat de pluja (Menabde et al. 1999, Rodríguez-Solà et al. 2017). En el cas monofractal o d'escala simple, aquesta relació d'escala queda determinada per un únic paràmetre o exponent d'escala β, el valor sembla estar relacionat amb el règim pluviomètric de el lloc, o més en particular, amb la irregularitat de la pluja (Cases -Castell et al. 2018b). Així, aquest paràmetre pren valors propers a -1 per a àrees on la pluja sol ser molt irregular, amb valors màxims aïllats sobtats, mentre que pren valors més alts per a àrees amb un patró de pluja més regular. És d'esperar doncs que la suposada tendència a la disminució en la precipitació anual i l'augment relatiu en la precipitació extrema causa de el canvi climàtic es vegi reflectida en canvis en el comportament d'escala de la pluja, amb valors del paràmetre β que tendeixen a disminuir . Per tal de posar de manifest aquests canvis, s'han analitzat sèries de precipitació diària simulades per al segle XXI per a dues ciutats densament poblades: Barcelona i Madrid. Aquestes sèries futures van ser obtingudes a partir de diversos models de circulació general i per a diferents escenaris de canvi climàtic: A1B, A2, B1 i B2 per a Barcelona (114 sèries en total), i RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 i RCP8.5 per a Madrid (213 sèries).Tot i la gran variabilitat de resultats obtinguts a partir dels models climàtics, és possible extreure algunes conclusions amb el suficient grau de certesa. Per a la precipitació total anual calculada a partir de les sèries futures projectades s'ha observat que, a Barcelona, aquesta magnitud patirà una disminució aproximada d'un 5% en l'últim terç de segle XXI. A Madrid, en canvi, sembla observar-se un augment poc significatiu de la precipitació anual, sent la incertesa en aquest cas molt alta.Pel que fa a les relacions d'escala simple obtingudes per la intensitat de pluja futura a les dues ciutats, s'ha obtingut una disminució significativa de l'exponent d'escala β a partir del segon terç de segle XXI, la qual cosa és d'acord amb les previsions d'un possible augment de les pluges intenses en un futur pròxim a causa de el canvi climàtic. Aquests resultats indiquen un probable increment en la freqüència de les pluges de caràcter torrencial i el conseqüent augment de el risc d'inundació a les dues ciutats, de manera que s'hauria de tenir en consideració en el disseny de la seva infraestructura hidràulica, sent recomanable una millora de les seves xarxes de clavegueram i dels seus sistemes de drenatge d'acord amb aquestes previsions.

The possible intensification of the hydrological cycle due to climate change and its effects on hydrology should be taken into account in order to prevent future problems in urban drainage systems. The intensity-duration-frequency (IDF) curves, an important tool used in the design and construction of different hydrological structures for water management, could be altered by a supposed increase in heavy rainfall due to climate change (Willems et al. 2011, Rodríguez et al. 2014). Whereas in other latitudes an increase in total precipitation due to global warming has been reported (IPCC, 2007), in the Mediterranean area several studies point to a decreasing dominant trend in recent decades (Pérez and Boscolo 2010). This is not the case with extreme or torrential precipitation, for which an increase is expected, due to a greater occurrence of shorter and more intense rainy episodes (Christensen and Christensen 2003). The evaluation of these changes is especially interesting in urban areas with high population density, due to the vulnerability of their complex sewage systems to torrential rain (Casas et al. 2010, Rodríguez et al. 2013b).To describe mathematically the IDF curves of a place, it is possible to use a scaling relationship related to the fractal property of scale invariance of rainfall intensity (Menabde et al. 1999, Rodríguez-Solà et al. 2017). In the monofractal case or simple scale, this scaling relationship is determined by a single parameter or scaling exponent β, whose value seems to be related to the rainfall pattern of the place, or more particularly, to the irregularity of the rain (Casas-Castillo et al. 2018b). Thus, this parameter takes values close to -1 for areas where rain is usually very irregular, with sudden maximum isolated values, while it takes higher values for areas with a more regular rainfall pattern. It is to be expected that the supposed tendency of the annual precipitation to decrease and the relative increase in extreme precipitation due to climate change will be reflected in changes in the rainfall scaling behavior, with values of parameter β that tend to decrease. In order to highlight these changes, simulated daily precipitation series for the 21st century have been analyzed for two densely populated cities: Barcelona and Madrid. These future series were obtained from several general circulation models and for different climate change scenarios: A1B, A2, B1 and B2 for Barcelona (114 series in total), and RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 and RCP8.5 for Madrid (213 series).In spite of the great variability of results obtained from the climatic models, it is possible to draw some conclusions with the sufficient degree of certainty. For the total annual precipitation calculated from the projected future series, it has been observed that, in Barcelona, this magnitude will suffer an approximate decrease of 5% in the last third of the 21st century. In Madrid, on the other hand, there seems to be a little significant increase in annual rainfall, being the uncertainty very high in this case.Regarding the simple scaling relationships obtained for the intensity of future rainfall in both cities, a significant decrease in the scaling exponent β has been obtained from the second third of the 21st century, which is consistent with the forecasts of a possible increase of heavy rains in the near future due to climate change. These results indicate a probable increase in the frequency of torrential rains and the consequent increase in the risk of flooding in both cities, so it should be taken into consideration in the design of its hydraulic infrastructure, being recommended an according improvement of its networks of sewage system and its drainage systems.