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REDES COMPLEJAS

El orden de la escasez

Patrones descubiertos en una red de miles de embalses en Ceará pueden ayudar a enfrentar sequías y crecientes

ILUSTRACIÓN GABRIEL BITARUn equipo internacional de físicos e hidrólogos se sorprendió al analizar cómo el agua fluye por los ríos y riachos que conectan las casi 4 mil represas o embalses de la cuenca hidrográfica del Alto Jaguaribe, en el sudoeste de Ceará. Ellos descubrieron que, mientras que  la mayoría de las represas había sido construida sin tener en cuenta ninguna planificación regional, en conjunto ellas conforman una red que está lejos de ser aleatoria. Por el contrario, la red parece organizada de tal forma que el agua es relativamente bien captada y distribuida por la región. “El hombre de campo, incluso al tomar decisiones locales, sin mirar hacia el todo, construyó un sistema muy parecido al que se habría construido si se lo hubiese planeado en forma óptima”, afirma el ingeniero hidráulico José Carlos de Araújo, de la Universidad Federal de Ceará (UFC), uno de los autores del estudio publicado en abril en el sitio web de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Varias propiedades de esa red de embalses, en especial la frecuencia con la que ocurren los desbordes en serie durante los períodos de lluvia, obedecen a patrones de probabilidades muy conocidos por los físicos que estudian redes complejas, como en el caso de las redes eléctricas, las neuronas del cerebro e internet. Al analizar esas regularidades matemáticas, sería posible intervenir en la red para lograr una mayor eficiencia y menor vulnerabilidad ante las sequías, crecientes o rompimientos de diques.

Inserto en el polígono de la sequía, el estado de Ceará sufre todo el año la escasez de agua, solamente interrumpida durante la estación lluviosa, que dura desde febrero hasta mayo. La evaporación promedio anual supera allí en tres o cuatro veces a las precipitaciones, provocando que la mayoría de los cursos de agua sean efímeros. Para complicar la situación, la mayor parte de su territorio está formado por rocas cristalinas, impermeables, cubiertas por un terreno llano, que casi no almacena agua subterránea.

Toda el agua de las lluvias escurriría directamente hacia el mar si no fuera por las más de 30 mil represas diseminadas por el estado, que conforman una de las redes de embalses más profusas del mundo, con un promedio de un reservorio cada seis mil kilómetros cuadrados. “A lo largo de las décadas hubo una construcción desmesurada de esas represas, para dotar de cierta seguridad hídrica a las poblaciones”, explica el hidrólogo George Leite Mamede, de la Universidad de la Integración Internacional de la Lusofonía Afro-Brasileña (Unilab), y autor principal del artículo en la PNAS.

Dique de Orós, el segundo mayor de Ceará, en la cuenca del río Jaguaribe

ARCHIVO DNOCSDique de Orós, el segundo mayor de Ceará, en la cuenca del río JaguaribeARCHIVO DNOCS

Los investigadores analizaron un sector de la cuenca del Jaguaribe, el principal río de Ceará, que se extiende desde sus fuentes, en el sudoeste del estado, en el límite con Piauí, hasta su desembocadura en el segundo mayor embalse cearense, el Orós. La denominada cuenca del Alto Jaguaribe cubre un área de 25 mil kilómetros cuadrados, donde 500 mil habitantes viven principalmente de la cría de ganado y de la agricultura. Además del Orós, que puede almacenar casi 2 mil millones de metros cúbicos de agua, la cuenca también cuenta con otros 17 embalses estratégicos con capacidad superior a 1 millón de metros cúbicos, que garantizan el agua incluso durante períodos de sequía continuos de hasta tres años. Esos reservorios estratégicos son monitoreados constantemente por los técnicos de la Compañía de Gestión de Recursos Hídricos (Cogerh) de Ceará.

La mayoría de los casi 2 mil diques del Alto Jaguaribe, no obstante, son pequeñas construcciones, con un volumen inferior a 100 mil metros cúbicos, realizados por hacendados y pequeños agricultores, a veces con el apoyo de las alcaidías locales, pero sin ningún relevamiento de los impactos que la obra podría ocasionar. “Además, no se los utiliza racionalmente”, explica Araújo. “No hay un sistema de gestión para las pequeñas represas”.

De hecho, esa profusión de reservorios pequeños no es vista con buenos ojos por la mayoría de los gestores de recursos hídricos del estado. En primer lugar, porque no logran abastecer a la población durante toda la estación seca, ya que almacenan poca agua y pierden bastante de ella por evaporación e infiltración. Luego, por hallarse generalmente río arriba en relación con los grandes reservorios estratégicos, las pequeñas represas retienen agua que llegaría a esos últimos, donde su uso es mejor controlado.

El turno de los pequeños
Pero el Grupo de Investigación Hidrosedimentológica del Semiárido de la UFC, coordinado por Araújo, está reuniendo evidencias que revelan que los pequeños embalses tienen sus aspectos positivos. Lo más evidente es la distribución espacial más igualitaria y económica de los recursos hídricos en la región. Si toda el agua escurriera directamente hacia los grandes diques río abajo, habría un costo energético para bombearla de regreso.

Represa Riacho Verde, uno de los 4 mil reservorios de pequeño porte de la región

GEORGE MAMEDE Represa Riacho Verde, uno de los 4 mil reservorios de pequeño porte de la regiónGEORGE MAMEDE

Los estudios del grupo también sugieren que las pequeñas represas retienen buena parte de los sedimentos que arrastra el agua que, en caso contrario, se acumularían en los grandes embalses, disminuyendo su capacidad de almacenamiento. Incluso existen datos de que la red de pequeñas represas funciona como una especie de filtro para los grandes reservorios, reteniendo la contaminación generada, particularmente, por la ganadería.

Empero, aun con esos beneficios, los investigadores alertan que la construcción de más represas pequeñas –que prosigue en la región, aunque a menor ritmo que en el pasado– debe cesar. Un estudio conducido por Vanda Malveira, de la UFC, y publicado en enero en el Journal of Hydrologic Engineering, comparó el crecimiento de la red de represas en el Alto Jaguaribe entre 1961 y 2005 con la de redes simuladas por computadora. Los investigadores arribaron a la conclusión de que una red logra un aprovechamiento óptimo de recursos hídricos cuando la suma de la capacidad de las represas llega a tres veces el volumen del agua que fluye por la cuenca anualmente. Más allá de ese punto, sobrepasado en el Alto Jaguaribe durante los años 1990, no se gana nada construyendo nuevas represas. El agua que sería almacenada por un dique río abajo simplemente se transfiere hacia otro río arriba.

Intrigados por las similitudes entre la red real de embalses y la red virtual optimizada, Mamede y Araújo solicitaron la ayuda de los físicos expertos en sistemas complejos Nuno Araújo, Christian Schneider y Hans Herrman, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich (ETH), para analizar la dinámica del transporte de agua en la cuenca. El primer reto del equipo consistió en determinar la localización y el área máxima de cada represa de la cuenca, desconocidas para más del 95% de esos reservorios. Caracterizaron los 3.798 reservorios mediante imágenes satelitales provistas por el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), tomadas en los años excepcionalmente húmedos (2004, 2008 y 2009). Luego, utilizando imágenes de alta resolución del relieve obtenidas por la Misión Topográfica Radar Shuttle, de la Nasa, reconstruyeron en computadora el trazado de cada curso de agua de la cuenca, descubriendo así cómo cada represa se conectaba con otra.

Para asombro de todos, constataron que no había un valor típico promedio para el tamaño de las represas, cuya superficie varía entre 10 mil y 10 millones de metros cuadrados. Lo mismo ocurre con el número de sus conexiones: hay represas aisladas, conectadas solamente con el Orós, así como otras intercomunicadas con casi 400 embalses. “Existe una heterogeneidad muy alta, el sistema no posee un tamaño característico”, explica Nuno Araújo. “Decimos que se trata de una red libre de escalas”.

061_Fisica_197PnasCon el mapa completo de la red, los datos pluviométricos de 131 estaciones meteorológicas diseminadas por la región y los datos de evaporación aportados por la estación Campos Sales, los investigadores crearon un modelo hidrológico que calculó cuánta agua recibía y vertía diariamente cada represa, entre 1991 y 2010. Descubrieron que, durante los días de lluvias intensas –dado el hecho de que los embalses recibieron agua de uno o más ríos y arroyos, pero sólo vertieron por una única salida–, ocurrían desbordes en serie. Por un efecto en cascada, el desborde de un embalse desencadenaba el desborde de otros, río abajo. Esas cascadas generalmente involucraban tan sólo a dos represas, pero podían, con una frecuencia considerable, afectar a 10, 100 y hasta mil reservorios.

Las frecuencias con que cascadas de intensidades diferentes ocurrían, obedecen a una distribución de probabilidad típica en otros fenómenos, tales como los terremotos y los apagones en las redes eléctricas, que los físicos explican mediante modelos conocidos como sistemas críticamente autoorganizados. Se denominan así porque son sistemas constituidos por varias partes interactuando, aparentemente en forma aleatoria, pero allí emergen leyes estadísticas simples, que señalan que las pequeñas alteraciones cuentan con posibilidades de provocar grandes reacciones en cadena dentro del sistema.

Por ahora, el grupo de la UFC utiliza este modelo para calcular el rol de los pequeños embalses y atenuar el impacto de las crecientes en los grandes reservorios. Ellos esperan aportar pronto nuevos detalles al modelo, tales como el transporte de sedimentos y contaminación, así como la integridad estructural de las represas, para que pueda utilizarse para evaluar las áreas de riesgo.

Artículos científicos
MALVEIRA, V. T. C. et al. Hydrological impact of a high-density reservoir network in the semiarid north-eastern Brazil. Journal of Hydrologic Engineering. v. 17, p. 109-17. 2012.
MAMEDE, G.L. et al. Overspill avalanching in a dense reservoir network. Proceedings of the National Academy of Sciences. v. 109, p. 7.191-95. 2012.