Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestion de los recursos hidricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la poblacion, el crecimiento del desarrollo economico y los posibles efectos del calentamiento global. La politica hidraulica desde los anos 60 en Espana se ha centrado en la construccion de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el regimen natural de los rios. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y riberenos. Desde los anos 90, sin embargo, ha aumentado el interes de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un regimen de caudales que simula las caracteristicas principales del regimen natural. Los caudales ambientales estan disenados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al regimen fluvial, bajo la hipotesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas estan profundamente adaptados al regimen natural de caudales, y que cualquier alteracion del regimen natural puede provocar graves danos a todo el sistema. El metodo ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del regimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los limites maximos de alteracion de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicacion del metodo ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro esta profundamente regulada e intervenida por el hombre, y solo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavia de un regimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capitulos que desarrollan las diferentes partes del metodo. El primer capitulo explica como se origino el concepto “caudales ambientales” y en que consiste el metodo ELOHA. El segundo capitulo describe el area de estudio. El tercer capitulo realiza una clasificacion de los regimenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal minimamente alterado y usando exclusivamente parametros hidrologicos. Se identificaron seis tipos diferentes de regimen natural: pluvial mediterraneo, nivo-pluvial, pluvial mediterreaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceanico, pluvio-nival oceanico y Mediterraneo. En el cuarto capitulo se realiza una regionalizacion a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parametros climaticos y fisiograficos se extrapola la informacion del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patron geografico de los tipos de regimen fluvial obtenido con la regionalizacion resulto ser coincidente con el patron obtenido a traves de la clasificacion hidrologica. El quinto capitulo presenta la validacion biologica de los procesos de clasificacion anteriores: clasificacion hidrologica y regionalizacion. La validacion biologica de los tipos de regimenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de regimen fluvial van a servir de unidades de gestion para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biologicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capitulo se estudian las relaciones hidro-ecologicas existentes en tres de los seis tipos de regimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construccion de curvas hidro-ecologicas a lo largo de un gradiente de alteracion hidrologica, se pueden sugerir los limites de alteracion hidrologica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecologico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, ademas, pone en evidencia la falta de datos biologicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantacion de un regimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicacion de los puntos de muestreo biologico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestion hidrologica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.